DE7930916U1 - Kollektorloser gleichstrommotor - Google Patents

Description

Papst-Motoren KG -³ - 18.1ο.1979

7742 St.Georgen/Schw. o55-HDP/schl

DT-252 G

Kollektorloser Gleichstrommotor

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Motor ist bekannt aus der DE-OS 22 25 442.8-32. Diese OS zeigt in Prinzipdarstellung einen zwei-und einen vierpoligen Außenläufermotor der sogenannten zweipulsigen Bauart.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kompakten und dabei leistungsfähigen kollektorlosen Gleichstrommotor dieser Art von geringer axialer Bauhöhe zt, schaffen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch die in Anspruch 1 angegeber.enen Maßnahmen. Man erhält so einen außerordentlich gedrungenen Motor, indem der vorhandene Raum optimal ausgenutzt ist und der sich wegen seiner kurzen Baulänge z.B. sehr gut für Anwendungen in Gerätelüftern eignet.

Die im Anspruch 2 angegebene Weiterbildung der Erfindung ergibt einen sehr stabilen und schwingungsfe^ten Aufbau, der auch harten Beanspruchungen widerstehen kann, z.B. Stoßen, wie sie bei einem Betrieb auf Fahrzeugen immer wieder auftraten, und der sich in der Praxis ganz außerordentlich bewährt hat.

Die Heiterbildungen nach den Ansprüchen 3 und 4 bewirken in vorte-i 1 hefter Weise, daß die magnetischen Verhältnisse, die Drehmomentsymmetrie und die Wirkung der Lamel1ierung möglichst wenig beeinträchtigt werden, so daß sich ein leistungsfähiger Motor mit guten Laufeigenschaften ergibt.

Die besonders bevorzugte Ausbildung nach Anspruch 5 ist außerordentlich raumsparend und ermöglicht gleichzeitig eine besonders gute Kühlung der Schaltplatine und damit eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit des Motors bei sehr kompaktem Aufbau.

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Die Ausbildung nach Anspruch 6 eign-et sich besonders gut für Geratellifter, bei denen regelmäßig eine Chassis-Schale vorgeseher ist. Die Befestigungsorgane können mit Vorteil Stege sein, die diese Schale mit dem Gehäuse des Lüfters verbinden.

Die Ausbildung nach Anspruch 7 ergibt einen sehr kompakten Motor, da hierbei die gesamte Kommutierungsschaltung im Motor selbst und auf kleinstem Raum untergebracht ist und man der Notwendigkeit entheben ist, die Kommutierungsschaltung außerhalb des Motors auf einem gesonderten Bauelement unterzubringen.

Die Ausbildung nach Anspruch 8 ermöglicht eine sehr einfache Kommutierung für einen sogenannten zweipulsigen kollektorlösen Gleichstrommotor, also einen Motor, dem pro Rotorumdrehung nur zwei Stromimpulse zugeführt werden; einen solchen Motor zeigt z.B. Figur 5 der eingangs erwähnten DE-OS 22 25 442.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

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18.10.1979

DT-252

In der Zeichnung zeigt: Figur 1

Figur 2

Figur 3

Figur 4 Figur 5 Figur 6 Figur 7

Figur 8 einen Gleichstrommotor nach der Erfindung im Schnitt parallel zur Achse,

den Schnitt gemäß der Linie II - II aus Figur 1, auszugsweise, insbesondere den Stator,

ein Kunststoff-Formteil aus Figur 1 und 2, gesehen in Richtung des Pfeile III aus Figur 1, seitenverkehrt zu Figur 1,

die Ansicht gemäß dem Pfeil IV aus Figur 3» den Schnitt gemäß dem Pfeil V-V aus Figur 3, die Ansicht gemäß dem pfeil VI aus Figur 4,

in der Schnittdarstellung entsprechend Figur 1, jedoch in vergrößertem Maßstab die an der magnetischen Ansteuerung des Steuerelementes beteiligten Teile, auch seitenverkehrt zu Figur 1,

den Schnitt VIII - VIII aus Figur 7,

Figur 9 und 1o entsprechend wie in Figur 7 und 8 ein zweites

Ausfübrungsbeiepiel,

Figur 11 und 12 entsprechend wie in Figur 7 und 8 ein drittes

Ausführungsbeispiel

Figur 13 und 14 entsprechend wie in Figur 7 und 8 ein viertes

Ausführungsbeispiel,

Figur den Stator aus Figur 1 im Schnitt gemäß der Linie XV-XV aus Figur 2, und

Figur 16 und 17 entsprechend wie in Figur 7 und 8 ein fünftes

Au8führungsbeisp4el,

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in Figur 1-ß und 15 ist mit 1 ein lamellierter Stator bezeichnet, dessen paketierte Bleche auf drei mit einer Verdickung 4 versehene Dorne 5, 6, 7 gesteckt sind, eo daß diese an die Schultern 2 ihrer Verdickung 4 jeweils anliegen und dann mit auf die auf der anderen Stirnseite des Blechpaketee freien Enden der Dorne 5» 6, 7 aufgesetzten Sperringen/zusammen die Bleche zunächst kompakt zusammenhalten.

In. ein ausgespartes Mittelloch ist ein Lagerrohr 9 eingepreßt. Das so hergestellte Blechpaket 12 wird mit dem eingepreßten Lagerrohr durch Wirbelsintsrung n.it einer Harzschicht 147 Überzogen, und
zwar an seiner gesamten freiliegenden Oberfläche, auegenommen die an den Luftspalt 11 angrenzende Umgangsfläche 13 des Blechpaketes 12 und ausgenommen die Innenseite 14 des Lagerrohres 9· Auf das
mit Harz Überzogene Blechpaket 12 werden dann zwei Induktionsspulen 115, 116 aufgewickelt. Dieser Stator 1 ist mittels des Lagerrohrs 9 über Schrauben 8 an einer Chassis-Schale 1o angeflanscht, die mit Befestigungsorganen 1oo des Motors am Einsatzort verbunden ist. Die Dorne 5, 6, 7 sind über ihre Verdickung 4 hinaus verlängert, und auf diese Verlängerungen 15, 16, 17 ist eine Schaltplatine 18 gesteckt, die sich an den angrenzenden Schultern 19 der
Verdickungen 4 abstützt und durch auf die/Verlängerungen 15, 16,
17 gesteckte Sperringe 2o gesichert ist.

Auf der Schaltplatine 18, die als Stanzteil ausgebildet ist, sind die Schaltelemente 12o, 121 usw. der Kommutatorschaltung angeordnet, die von einem Hall-Element 21 angesteuert wird. Die Schaltelemente der Kommutatorschaltung sind nur teilweise dargestellt.
Gedruckte Leiterbahnen der Kommutatorscbaltung befinden sich motorseitig an der Schaltplatine 18. Motorseitig ist auch das Hall-Element 21 angeordnet, während die übrigen Schaltungselemente der Kommutatorschaltung auf der dem Motor abgewandten Seite an der
Schaltplatine angeordnet sind. Wärmeerzeugende Schaltelemente,
also zum Beispiel Leistungstransistoren, sind vorzugsweise motorabseitig, also mit möglichst kleinem Wärmewiderstand zur Cbassis-Schale 1o hin angeordnet, die mit Öffnungen 149t durch welche
kühlende Luft ein- und austreten kann, versehen ist.

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in dem Iagerrohr 9 ist in zwei Kugellagern 22, 23 der Rotor 53 drehbar gelagert. Das Ende 26 der Rotorwelle 24 ragt aus dem Sta- . tor 1 hinaus und trägt einen zur Chassis-Schale 1o offenen Topf 27 aus Eisenblech, in welchem ein ringförmiger Permanentmagnet 28 montiert ist, der in radialer Richtung gemäß Doppelpfeil 29 magnetisiert ist, und zwar zweipolig, also mit einer Polung, die in Umfangsrichtung zweimal wechselt. Der Topf 27 dient als magnetischer Rückschluß. Der freie Rand 3o des Topfes 27 ragt in axialer Richtung über den Permanentmagneten 28 hinaus.

Die I/orne 5, 6, 7 sind im Statorpaket nur je 1,5 mm dick.( Maßstab von Figur 1 und 2 2:1) und symmetrisch zur magnetischen Hauptachse 55 des Stators angeordnet, um die magnetischen Verhältnisse, die Drehmomentsymmetrie und die Wirkung der Lamellierung möglichst wenig zu beeinträchtigen.

Das Hall-Element 21, das sich parallel zur Zeichenebene der Figur ; flach erstreckt, spricht auf Magnetflußänderungen an, die dieses Hall-Element 21 in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Figur 2 durchsetzen. Das Hall-Element 21 ist im Streufluß des Permanentmagneten 28 angeordnet, und zwar im Zwischenraum 31 zwischen den beiden Induktionsspulen 115 und 116. ~^f

Das Hall-Element 21 ist in ein in Figur 3 his 6 noch einmal heraus gezeichnetes Kunststoff-Formteil 32 eingepaßt, das eine für die Aufnahme des Hall-Elementes genau passende Vertiefung 33 aufweist. Mit"34~ist ein abgewinkelter erster Magnetflußleiter bezeichnet, bestehend aus Eisenblech, der mit seinem einen Ende 35 vertikal auf das Hall-El.ement 21 zugerichtet in das Kunststoff-Formteil 32 eingepaßt und durch Warmstauchen des Doms 37, Figur 2, in diesen befestigt ist. Der als billiges, abgebogenes Stanzteil ausgebildete Magnetflußleiter 34 weist einen Durchbruch 36 auf, durch den der Haltedorn 37 des Kunststoff-Formtei! s paßt. Mit 38 ist ein flacher zweiter, ebenfalls aus Eisenblech durch Stanzen hergestellter Magnetflußleiter bezeichnet, dur auf der dem Beschauer von figur 6 zugekehrten Unterseite des Kunststoff-Formteile befestigt ist. Die an dem Kunststoff-Formteil befestigten Teile die beiden Kagnetfluüleiter 34 und 38 und das Hall-Element 21 sind in ihrer gegenseitigen Lage und in ihrer Lage gegenüber dem Kunetatoff-Pormteil genau durch Formscbluß justiert, und zwar das

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gall-Element 21 durch die Vertiefung 33, in die das Hall-Element genau hineinpaßt, der Magnetflußleiter-. 34 durch den in den Durchbruch 36 passenden Haltedorn 37 und seitliche pührungsstege 56, 57 und der Magnetflußleiter 38 durch den Befestigungsvorsprung 39, der durch den entsprechenden Durebbruch 41 im Magnetflußleiter 38 genau bindurchpaßt und durch formgetreue Anlage des Magnetflußleiters 38 der Unterseite 43 des Kunststoff-Formteils in einer Vertiefung 58. Dieses Kunststoff-Formteil ist mit den daran fixierten feilen befestigt mit'Bef es tigungs vorsprängen 39» 4o, die durch entsprechendes Durchbrüche 44, 45 der Schaltplatine 18 hindurchgesteckt und durch Widerhaken 46, 47 gesichert sind. Durch den Formschluß kann die radiale Position der Magnetflußleiter 34, 38, und damit die Breite de radialen Luftspalte 5o und 51 auch in der Serienfertigung ohne besonderen Aufwand außerordentlich genau eingehalten werden. Die Anschlüsse 48, 49 des Hall-Elementes 21 werden erst angelötet, nachdei das Kunststoff-Formteil 32 mit den Magnetflußleitern 34_f 38 und dem Hall-Element 21 in die Schaltplatine 18 eingesetzt ist.

In montiertem Zustand schließen die beiden Magnetflußleiter 34» 38 mit ihrem jeweils radial einwärts gekehrten Ende das Hall-Element 21 zwischen sich ein. Das radial auswärts gerichtete Ende des Magnetflußleiters 34 ist unter Aussparung ed^nes schmalen radialen Luftspaltes 5o auf die Innenseite des Permanentmagneten 28 gerichtet, während das radial auswärts gerichtete Ende des Magnetflußleiters 38 unter Aussparung eines schmalen radialen Luftspaltes 51 auf die Innenseite des überstehenden Randes 3o gerichtet ist. Die beiden Magnetflußleiter 34, 38 bilden auf diese Weise eine Magnetflußleitung, die das Hall-Element durchsetzt und vom jeweils innen gelegenen Pol, zum Beispiel N, des Permanentmagneten 28 unter Aussparung des Luftspaltes 5o ausgeht und unter Aussparung des Luftspaltes 51 über den Rand 3o zum Gegenpol S führt.

Um einen stärkeren Streuflußanteil auf das Hall-Element 21 zu konzentrieren« sind die beiden Magnetflußleiter 34» 38 an ihren an. die Luftspalte 5o beziehungsweise 51 angrenzenden Enden'134, 138 verbreitert und dazwischen auf den engeren, magnetfeldempfindlicllien Querschnitt des Hall-Elementes eingeschnürt, wie dies am beetea aus Figur θ ersichtlich ist.

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Der Magnet 28 ist ein kunststoffgebundener Magnet und hat deshalb nur eine begrenzte Induktion von o,1 bis o,2 Tesla und deshalb sind die Querschnittsvergrößerimgen der Enden 134t 138 hier besonders vorteilhaft. Ohne diese Verbreiterungen brauchte man extrem schmale Luftspalte, um einen für die Steuerung der Kommutatorschaltung ausreichenden Magnetfluß auf den Hall-Generator 21 au konzentrieren. Extrem schmale Luftspalte sind jedoch in der Fertigung aufwendig.

Die Verbreiterung der Enden 134, 138 erstreckt sich in Umfangsrichtung, weil in Umfangsrichtung Platz für die Verbreiterung zur Verfügung steht. Die Verbreiterung der.Magnetfeldleiter wird vorzugsweise nach folgender Beziehung bemessen:

QL : QH - 4,5 - 15 #♦ ι

wobei QL der ,luftspaltseitige Querschnitt des Magnetfeldleiters ist und QH der hallelementseitige Querschnitt des Magnetfeldleiters ist. Der Querschnitt QH ist vorzugsweise ih Form und Größe dem magnetfeldem^findlichen Querschnitt des Hallelementes angepaßt. Die Luftspalte 5o und 51 sind im Interesse eines intensiven Magnetflusses schmal, und zwar aus Toleranzgründtn ebenso schmal wie der Luftspalt 11. Die Luftspalte 5o und 51 erstrecken sich über ein kreiszylindrisches Umfangsstück. Das Verhältnis QL/QH von zirka 4,5 ist im Falle eines Hallgenerators mit Ferritträger und einem kunststoffgebundenen Bariumferritmagneten mit einer nutzbaren Induktion von o,1 Tesla günstig.

Das Hall-Element 21 ist im Zwischenraum 31 zwischen den beiden i

Induktionsspulen 115 und 116 angeordnet und ragt mit den ausla- j denden Teilen des Kunststoff-Formteils 32 und des Magnetflußleiters 34 in diesen Zwischenraum hinein. Diese Anordnung ist vorteilhaft, weil das Kunststoff-Formteil 32 mit den beiden Magnetflußleitern 34, 38 auf diese Weise in einem sowieso vorhandenen freien Raum untergebracht werden kann und deshalb keine zusätzliche axiale Bauhöhenvergrößerung des gesamten Motors erfordert.

Bei aus flachem Material ausgestanzten Magnetflufcleitern 34, 38 ist die Verbreiterung der Enden 134, 138 trompetenförmig gestaltet.

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Die Pollücken der Magnetisierung des Permanentmagneten 28 sind, de wo sie dem Blechpaket 12 gegenüberstehen, um eine möglichst günstj motorische Wirkung zu erzielen, schmal. Die selben Pollücken sind jedoch am in Figur 1 unten gezeichneten Rand des Permanentmagneter breiter, und zwar mindestens so breit wie das verbreiterte Ende 13 Die Verbreiterung der Pollücke erstreckt sich in Drehrichtung des Kotors. Dadurch gerät die Pollücke etwas früher in den Wirkbereich des Magnetflußleiters 37 und der Steuerimpuls für die Kommutatorschaltung wird etwas früher ausgelöst, was zu Vereinfachungen bei der Ausgestaltung der Kommutatorschaltung führt.

Die rotorseitigen Radialtoleranzen für die Luftsp'-lte 5o und 51 werden bei der Massenfertigung durch die radiale Einjustierung des Rotors 53 gegenüber dem Stator 1 mit der radialen Breits des Luftspaltes J1 mit einjustiert. Eine axiale Fehljustierung, die man hinsichtlich des Luftspaltes 11 ohne große Nachteile in Kauf nehmen kann, kann man bei der gewählten Anordnung der Luftspalte 5o, 51 auch in Kauf nehmen, so daß eine axiale Nachjustierung im Zuge der Massenfertigung bei Anwendung der Erfindung entbehrlich bleibt.

Wenn sich der Rotor mit dem zweipolig majmetisierten Magneten 28 dreht, findet nach je 18o Grad Umlauf ein Polwechsel in dem das Hall-Element durchsetzenden Magnetfluß statt und dadurch wird das Steuersignal für die Kommutatorschaltung ausgelöst.

Während bei dem in Figur 1 bis 8 dargestellten Ausführungsbeie/i . die Magnetflußleiter von einem radial einwärts gelegenen pol, zum Beispiel N, zu dec zugehörigen radial auswärts gelegenen Pol i führen, ist dies bei dem in Figur 9 und 1o dargestellten Ausführungsbeispiel nicht der Fall. Dort führen die beiden Magnetflußleiter 6o und 61, die ein Hall-Element 54 zwischen sich einschließen, unter Aussparung radialer Luftspal.te 62, 63 an zwei entgegengesetzte Magnetpole N und S, die an der radial einwärts gelegenen Seite 65 des Rotors 66 nebeneinander liegen. Aucl· bei diesen Kagnetfluß'leitern 6o, 61 sind Verbreiterungen an den an die Luftspalte angrenzenden Enden vorgesehen, von denen jedoch nur die Verbreiterung des Endes 16o des Magnetflußleiters 6o in Figur 9 sichtbar ist. Diese Verbreiterungen erstrecken sich nicht in Umfangsrichtung, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, sondern axial in Richtung des pfeile 67· Durch diese axiale Anordnung der Verbreiterungen wird die A'nde -

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rung dee das Hall-Element 64 durchsetzenden Streuflusses steiler, was vorteilhaft für die Kommutierungagenauigkeit sein kann. Der Permanentmagnet ist bei diesem Ausführungsbeispiel mehrpolig radial magnetisiert·

Bei den beiden ersten Ausführungsboispielen handelt es eich um Außenläufermotoren, bei den beiden Ausführungsbeiepielen nach Figur 11 bis 14 handelt es sich um Innenläufermotoren.

Gemäß Figur 11 und 12 ist'der permanentmagnetische Rotor 7o zweipolig radial vermagnetisiert. Diβ beiden Magnetflußleiter 71, 72, die das Hall-Element 73 zwischen sich einschließen, stehen mit ihren Enden radial von außen nach innen weisend den diametral angeordneten verschiedenen Polen N und S unter Aussparung je eines radialen Luftspaltee 74, 75 gegenüber. Die beiden Enden 171, 172 sind, wie aus Figur 12 ersichtlich, in ümfangsrichtung verbreitert.

Gemäß Figur 13 und 14 ist der permanentmagnetiBcbe Rotor 8o ring= förmig und mehrpolig radial magnetisiert. Die Magnetfluüleiter 81 und 82, die das Hall-Element 83 zwischen sich einschließen, erstrecken sich von der Innenseite 8V/des Rotors 8o zur Außenseite 85 desselben und stehen, verschiedenen Polen N und S unter Aussparung eines radialen Zwischenraumes 86, 87 gegenüber. Diese Enden 181, 182 sind, wie aus Figur 14 ersichtlich, in Umfangsrichtung verbreitert.

Gesäß Figur 16 und 17 ist der Permanentmagnet 1o9 zweipolig radial magnetisiert und von einem Topf 1o8 aus Eisenblech umgeben und gehört zum Rotor. Am Stator ist die Schaltplatine 1o1 befestigt. Un den äußeren Rand der Schaltplatine ist ein Magnetflußleiter 112,cer U-förmig gebogen ist, gesteckt. Auf dem rotorseitigen Schenkel 113 des Magnetflußleiters 112 ist der Hallgenerator 119 montiert und auf diesen ist ein zweiter Magnetfluß-. leiter 111 montiert» der unter Aussparung eines radialen Luftspaltes 133 bis an die Innenseite des Permanentmagneten 1o9 reicht. Der Magnetflußleiter 131 ist an seinem, den Luftspalt 133 begrenzenden Ende verbreitert und verjüngt sich am anderen Ende auf den wirk«a/**n Querschnitt des Hall generators Hg. Der

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Magnetflußleiter 112 ist überall gleich breit und erheblich breiter ale der wirksame Querschnitt dee HoJ!generators 119. Der Magnotflußleiter .112 reicht bis gegenüber dem freien Rand des Topfes 1o8 und schließt mit diesem einen axialen Luftspalt 76 ein.

Claims (1)

1. Papst-Motoren KG 18.Ιο.1979

   St.Georgen/Schw. 055-HDP/schi

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   /Ansprüche

   Kollektor!oser Gleichstrommotor mit einem mit Statorspulen bewickelte, ausgeprägte Pole aufweisenden Innenstator.und einem um diesen herum angeordneten Außenroter, welcher auf seiner Innenseite eine Permanentmagnetanordnung trägt,

   und mil einem magnetflußempfindlichen Steuerelement zum Steuern der Durchflutung des Innenstators in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Außenrotors, dadurch gekennzeichnet, daß am Innenstator (1) über Distanzelemente (15, 16, 17) eine Schaltplatine (18) angeordnet ist, daß das magnetflußempfindliche Steuerlement (21) auf der dem Innenstator (12) zugewandten Seite dieser Schaltplatine (18) im Winkeibereich zwischen zwei benachbarten Statorspulen (115, 116) und in der Nähe des Rotormagneten (28) angeordnet ist,

   Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzelemente (15, 16, 17) am 1 ame!1ierten Blechpaket des Innenstators (1) befestigt sind.

   Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzelemente (15, 16, 17) symmetrisch zur magnetischen Hauptachse (55) des Innenstators (12) angeordnet sind.

   Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenzeichnet, daß die Distanzelemente (15, 16, 17) als Dorne ausgebildet sind, welche das lamellierte Blechpaket des Innenstators (1) durchdringen und kompakt zusammenhalten.

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   Motor nach einem der Ansprüche L.bis 4, dadurch gekennzeichnet daß aer Außenrotor (53) einen nach einer Seite offenen Topf (27) aus Eisenblech aufweist und daß die Schaltplatine (18) auf der offenen Seite dieses Topfes (27) am Innenstator (1) befestigt ist.

   Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß das Lagertragrohr (9) mittels Schrauben (8) an einer Chassis-Schale (lo) angeflanscht ist, welche vorzugsweise mit Befestigungsorganen "(loo) des Motors am Eins«t.zort verbunden ist., (Fortsetzung unten)

   Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Schaltplatine (18) die Schaltelemente (12o, 121) der Kommutierschaltung angeordnet sind.

   Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, -daß die Permanentmagnetanordnung (28) des Außenrotors (53) zweipolig ausgebildet und so magnetisiert ist, daß je nach 18o° Umlauf ein Wechsel des das magnetfeldempfindliche Steuerelement (21) durchsetzenden Magnetflusses stattfindet.

   Fortsetzung zu

   und daß die Schaltplatine (18) im Bereich zwischen dieser Chassis-Schale (lo) und dem Innenstator (1) neben dem Lagertragrohr (9) angeordnet ist.