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Die
Erfindung betrifft eine Transversalflussmaschine sowie ein Verfahren
zur Herstellung einer derartigen Maschine.
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Bei
den meisten bekannten Bauformen von Transversalflussmaschinen ist
die Herstellung des weichmagnetischen Körpers aufwendig. Während auch
bei hohen Polzahlen die Leiterstränge kostengünstig vorgefertigt werden können, besteht
der den magnetischen Fluss um den Leiterstrang führende weichmagnetische Körper aus
einer Vielzahl von geblechten Elementen, die vorgefertigt und in
einem definierten Abstand um den Leiterring montiert sind. Die Handhabung
der vielen Einzelteile ist aufwendig.
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In
der
US 3 806 744 A wird
eine Transversalflussmaschine beschrieben, in der die Leiterringe
von einem weichmagnetischen Körper
umschlossen werden, der aus einem Ringbandkern, zwei sternförmigen Blechpaketen
und einer Vielzahl von Rotorsegmenten besteht. Im Stator weist der
Magnetkreis zwei sekundäre
Luftspalte auf. An diesen Stoßstellen entstehen
hohe Wirbelstromverluste, da der Fluss streckenweise senkrecht durch
die Blechoberfläche pulsiert.
Zusätzlich
ist der Verschnitt beim Stanzen der sternförmigen Scheiben hoch und die
Montage der Rotorsegmente aufwendig.
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In
der
DE 195 47 159
A1 wird eine Transversalflussmaschine mit radial außerhalb
des Leiterrings liegenden Luftspalten beschrieben. Der weichmagnetische
Körper
besteht aus einer Vielzahl von Einzelteilen, deren Vorfertigung
und Montage aufwendig ist.
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Aus
der
FR 2 807 885 A1 ,
dieerst nach dem Anmeldetag veröffentlicht
wurde, ist eine Transversalflussmaschine bekannt, deren weichmagnetischer Körper aus
U-förmigen
Kernen besteht. Für
eine rotierende Maschine wird der weichmagnetische Körper hergestellt,
indem eine Elektroblechband zunächst
in einer Bandstanzanlage beidseitig gezahnt wird und anschießend beim
Aufwickeln auf eine ringförmige
Vorrichtung, die Zähne
nach innen gebogen werden. Da der Zahnabstand mit dem Radius zunimmt,
muss die Länge
der ausgestanzten Blechstücke
von Lage zu Lage zunehmen, wofür
eine aufwendige Bandsteuerung erforderlich ist. Die Anzahl der Stanzhübe und der
Biegevorgänge
entsprechen dem Produkt von Zähnezahl
und Lagenanzahl. Der Fertigungsaufwand für kleine Maschinen mit vielen
Zähnen
ist hoch. Zusätzlich
beträgt
der Stanzverschnitt deutlich über
50%, was ebenfalls die Herstellkosten erhöht.
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Weiterhin
werden in der
DE 196
32 391 C1 Transversalflussmaschinen gezeigt, die als Reluktanzgeneratoren
in der Radnabe angeordnet sind. Die Leiterringe sind von drei Seiten
von weichmagnetischen Körpern
umgeben, die aus zwei baugleichen Hälften bestehen und radial nach
außen
sternförmig abstehende
Zähne aufweisen.
Diese relativ kleinen Bauteile sind einstückig vorgefertigt. Bestehen
sie aus Vollmaterial entstehen hohe Wirbelstromverluste und bestehen
sie aus Eisenpulver führt
dies zu hohen Wicklungsverluste, wegen der niedrigeren Permeabilität.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kleine, hochpolige
Transversalflussmaschine und ein Verfahren zu ihrer Herstellung
derart weiter zu bilden, dass mit geringem Material- und Herstellungsaufwand
niedrige Verluste erreicht werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen der Ansprüche
1, 2 und 8 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist
die Transversalflussmaschine mindestens einen weichmagneti schen
Körper
im Primär-
oder Sekundärteil
auf, der senkrecht zur Bewegungsrichtung aus mindestens zwei hintereinander
angeordneten Blechschichten besteht, wobei die Blechschichten mindestens
einen in Bewegungsrichtung verlaufenden Steg mit auf mindestens
einer Seite quer zur Bewegungsrichtung verlaufenden Zähnen aufweist.
Diese Blechschichten werden kammförmig aus Tafeln oder Bändern herausgeschnitten,
einfach oder mehrfach parallel zur Richtung des Stegs abgewinkelt
und der Steg anschließend
in Längsrichtung
gebogen. Vorzugsweise wird kornorientiertes Elektroblech eingesetzt,
wobei die Orientierung in Richtung der Kammzähne weist.
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In
einem Sekundärteil
wird der weichmagnetische Körper
vorzugsweise als doppelt gezahnter Streifen ausgeführt, der
zwischen den Zahnenden des Primärteils
in Bewegungsrichtung bewegbar ist. Es handelt sich dann um eine
Reluktanzmaschine mit kompensierter Luftspaltanordnung, wie sie
z.B. aus der
DE 195
47 159 A1 oder
DE
196 32 391 C1 bekannt ist. Anstatt im Sekundärteil einzelne
Rotorsegmente für
einen periodisch schwankenden Magnetfluss einzusetzen, besteht der
weichmagnetische Körper
des Sekundärteils
aus einem mehrschichtigen Bauteil, das in Bewegungsrichtung Zahnabschnitte
aufweist, die durch Stegabschnitte verbunden sind. Die Stegabschnitte
weisen einen kleinen Querschnitt auf und verlaufen vorzugsweise
zickzackförmig
oder wellenförmig
in Bewegungsrichtung.
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Hierdurch
sind die vorzugsweise in einer Bandstanzanlage hergestellten Bauteile
in den Stegabschnitten verformbar. Besteht der weichmagnetische
Körper
einer rotierenden Transversalflussmaschine aus radial übereinander
angeordneten Blechschichten, so ist er durch Aufrollen eines gleichmäßig gestanzten
Bandes herstellbar, indem mit dem Radius die Dehnung der verformbaren
Stege zunimmt. Vorzugsweise besteht der Steg aus zwei parallel verlaufenden
Hälften,
die sich derart ergänzen,
dass bei der Verformung eine stabile Ausrichtung des Stegs in Bewegungsrichtung
erfolgt. Liegen die Blechschichten bei radialer Richtung des Magnetflusses
im Luftspalt axial hintereinander, so sind die Stege unsymmetrisch
ausgeführt.
Die radial äußere Hälfte ist z.B.
mit gleicher Kraft stärker
dehnbar als die radial innere Hälfte,
so dass sich das gestanzte Band einfach aufwendeln lässt.
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In
einem Primärteil
ist ein erfindungsgemäßer weichmagnetischer
Körper
um einen in Bewegungsrichtung verlaufenden Teilabschnitt eines Leiterstranges
oder einen Leiterring angeordnet und bildet am Luftspalt Zähne aus,
wobei ein Zahn oder mehrere Zähne
einem elektromagnetischen Pol entsprechen. Diese Zähne weisen
zumindest Abschnitte auf, die in Bewegungsrichtung einen Abstand
zueinander haben, so dass nur ein Teil der Oberfläche des Leiterstrangs
vom weichmagnetischen Körper
abgedeckt wird. Die Zähne
werden durch Stege verbunden. In rotierenden Maschinen sind die
Blechschichten senkrecht zur Bewegungsrichtung – also in radiale und axiale
Richtung – übereinander
geschichtet. Die Stege bestehen auch im Primärteil vorzugsweise aus zwei
Hälften,
die in Bewegungsrichtung gedehnt oder gestaucht werden können. Hierdurch
lässt sich der
mit dem Radius wachsende Abstand zwischen den Zähnen für unterschiedliche Blechschichten
mit einem Stanzschnitt realisieren.
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Vorteilhaft
liegen die Luftspalte zwischen Sekundär- und Primärteil in einem elektromagnetisch aktiven
ringförmigen
Raum radial möglichst
weit außen,
so dass bei gleichen Verlusten eine hohe mechanische Leistung erzeugt
wird. In diesen Bauformen liegt der Steg vorzugsweise im radial
inneren Bereich des weichmagnetischen Körpers. Die Dehnbarkeit des
Steges wird durch schmale Schlitze oder Einschnitte quer zur Bewegungsrichtung
erreicht. In der radial innersten Schicht sind diese Schlitze nahezu
geschlossen und werden mit jeder weiteren radialen Schicht weiter
geöffnet.
Der Stanzverschnitt für diese
Bauform ist minimal.
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Bei
hohen Stückzahlen
und nur wenigen Schichten ist es auch wirtschaftlich für jede Schicht separate
Blechschnitte einzusetzen und den inneren Steg massiv über die
gesamte axiale Breite auszuführen.
Hierdurch kann der ringförmige
Raum mit einem kleinen Innenradius gut ausgenutzt werden. Die unterschiedlichen
Blechschnitte werden flach übereinandergeschichtet
in der Mitte ausgereichtet und zu einem Kreis verformt.
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Die
Erfindung eignet sich vorzugsweise für kleine hochpolige Schrittmotore
bzw. Synchronmaschinen mit Permanentmagneten oder nach dem Reluktanzprinzip.
Die Dicke des weichmagnetischen Körpers beträgt vorzugsweise nur wenige
Millimeter, so dass nur wenige Blechschichten erforderlich sind. In
einer vorteilhaften Ausführungsform
besteht der weichmagnetische Körper
nur aus einem doppelgezahnten weichmagnetischen Band. Der weichmagnetisch
Körper
kann aber auch aus zwei Hälften
bestehen, wodurch die Montage um den Leiterstrang vereinfacht wird.
Die Hälften
sind dann vorzugsweise nur einseitig gezahnt und liegen an ihren
Stegen flächig
aneinander.
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Wenn
der weichmagnetische Körper
nicht aus unterschiedlich gestanzten Blechschichten oder Bandabschnitten
besteht, haben alle Stegabschnitte nach dem Stanzen die gleiche
Form. Die Ausgestaltung der Stege – vorzugsweise zickzack- oder
wellenförmig
quer oder senkrecht zur Bewegungsrichtung – erlaubt beim Aufwickeln oder
Aufwendeln eine Anordnung der Zahnabschnitte exakt übereinander. Neben
rotierenden Innen-, Außen-
oder Zwischenläufermaschinen
ist die erfindungsgemäße Bauform auch in
bogenförmigen
oder geraden Linearantrieben einsetzbar, wobei der Steg die Anzahl
der Stanzteile vermindert und die Herstellungskosten senkt.
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In
den Zeichnungen werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
dargestellt.
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1 zeigt
einen Ausschnitt aus einem doppelgezahnten Elektroblechband für eine rotierende Transversalflussmaschine
mit kompensierten axialen Luftspalten;
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2 zeigt
eine Seitenansicht eines aufgewickelten Sekundärteils aus dem Elektroblechband aus 1;
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3 zeigt
einen Ausschnitt aus einem doppelgezahnten Elektroblechband für eine rotierende Transversalflussmaschine
mit kompensierten axialen Luftspalten;
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4 zeigt
eine Seitenansicht eines aufgewendelten Sekundärteils aus dem Elektroblechband aus 3;
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5 zeigt
eine von zwei baugleichen Hälften
eines weichmagnetischen Körpers
für ein
ringförmiges
Primärteil;
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6 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Teil des weichmagnetischen Körpers eines bogenförmigen Linearantriebs;
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7 zeigt
die Seitenansicht der elektromagnetisch aktiven Komponenten einer
24-poligen permanenterregten
Synchronmaschine mit Innenläufer;
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8 zeigt
den Querschnitt der oberen Hälfte
eines einphasigen Reluktanzgenerators mit vier radialen Luftspalten;
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9 zeigt
den Querschnitt durch eine Phase einer ringförmigen Reluktanzmaschine mit
zwei kompensierten radialen Luftspalten;
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10 zeigt
den Schnitt A-A durch die weichmagnetischen Körper von 9;
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11 zeigt
den abgerollten Blechschnitt von vier radial übereinanderliegenden Bandabschnitten
für weichmagnetische
Körper
mit radial innen liegendem Steg;
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12 zeigt
die Anordnung von unsymmetrischen Blechschnitten beim Stanzen.
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Das
in 1 dargestellte Elektroblechband 1 weist
nach dem Stanzen Zähne 2 auf,
die durch Stege 3 verbunden sind. Die Stege bestehen aus zwei
wellenförmigen
Hälften,
die zur gemeinsamen Mittellinie spiegelsymmetrisch sind und jeweils
einen kleinen Querschnitt aufweisen. Das Band 1 wird vorzugsweise
in einer Bandstanzanlage endlos gefertigt und anschließend auf
die benötigte
Länge geschnitten.
Um in Längsrichtung
der Zähne
kornorientiertes Elektroblech einsetzen zu können, werden zunächst Streifen
aus dem Vormaterial geschnitten und anschließend die gezeigte Kontur gestanzt.
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2 zeigt
eine Seitenansicht eines weichmagnetischen Körpers 4 eines Sekundärteils,
der durch das Aufwickeln des Elektroblechbandes 1 aus 1.
hergestellt wird. Der weichmagnetische Körper 4 weist sechsunddreißig Zähne 2 auf,
die gleichmäßig über den
Umfang verteilt angeordnet sind. Alle Zähne, bis auf einen Zahn 2' am oberen Bildrand,
bestehen aus fünf übereinander
liegenden Blechschichten. Der Zahn 2' mit nur vier Blechschichten liegt
zwischen dem Anfang 5 und dem Ende 6 des Elektroblechbandes
und bildet den Übergang
von einer radialen Blechschicht zur Nächsten.
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Das
in 3 dargestellte Elektroblechband 7 weist
nach dem Stanzen Zähne 8 auf,
die durch Stege 9 verbunden sind. Die Stege bestehen aus zwei
zickzackförmigen
Hälften,
die quer zur Bandrichtung unterschiedlich groß ausgeführt sind und jeweils einen
kleinen Querschnitt aufweisen. Durch die Unsymmetrie der Steghälften, lässt sich
das Band leicht aufwendeln.
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4 zeigt
eine Seitenansicht eines weichmagnetischen Körpers 10, der durch
das Aufwendeln des Elektroblechbandes 7 aus 3.
hergestellt wird. Der weichmagnetische Körper weist vierzig Zähne 8 auf,
die gleichmäßig über den
Umfang verteilt angeordnet sind. Alle Zähne bestehen aus mehreren übereinander
liegenden Blechschichten Anfang und Ende des Bandes sind in benachbarten Zähnen 8 angeordnet,
wobei der Steg 9 zwischen diesen Zähnen durch das Flachdrücken des
weichmagnetischen Körpers 10 nach
dem Aufwendeln zusätzlich
axial verformt wird.
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Die
in 2 und 4 dargestellten doppelgezahnten
weichmagnetischen Körper 4, 10 werden vorzugsweise
in Kunststoff eingespritzt und so stabilisiert. Der gesamte Herstellungsprozess – Stanzen, Aufwickeln,
Ausrichten, Vergießen – ist einfach
zu automatisieren, da der weichmagnetische Körper 4, 10 nur
noch aus einem zusammenhängenden
Elektroblechband 1, 7 besteht. Gegenüber durch
Umformen hergestellten Klauenpolkörpern, werden wesentlich geringere
Wirbelverluste erzielt, da das Magnetfeld am Luftspalt durch geblechte
Oberflächen
in den weichmagnetischen Körper
eintritt und der flussführende
Querschnitt in mehrere gegeneinander isolierte Schichten unterteilt
ist.
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5 zeigt
den Längs-
und Querschnitt einer Hälfte 11 eines
weichmagnetischen Körpers 12 für ein ringförmiges Primärteil mit
dreißig
Zähnen.
Die rechts unten gezeigte zweite Hälfte 14 ist vorzugsweise
baugleich ausgeführt.
Beide Luftspalte liegen radial außerhalb des Leiterrings und
die Luftspaltkräfte
belasten nicht das Gehäuse.
Der nicht dargestellte Leiterring weist an seiner radial äußeren Oberfläche vorzugsweise
eine axial steife Hülse
auf. Bei der Montage wird zunächst
eine Hälfte 11 mit
dem Leiterring am Gehäuse
befestigt. Dann folgt das ringförmige
Sekundärteil
mit den Lagern und abschließend
die in ein weiteres Gehäuseteil
integrierte zweite Hälfte 14.
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6 zeigt
den Längsschnitt
durch einen Teil des weichmagnetischen Körper 15 eines bogenförmigen Linearantriebs.
Die drei dargestellten Blechschichten 16 weisen zwischen
den Zähnen 17 in
den Stegen 18 Einprägungen
in radiale Richtung auf. Diese Wellenform in radiale Richtung erleichtert das
Biegen des weichmagnetischen Körpers
nach dem Paketieren durch Nieten 19. Das Prägen findet bereits
beim Stanzen statt.
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7 zeigt
die Seitenansicht der elektromagnetisch aktiven Komponenten einer
24-poligen permanenterregten
Synchronmaschine mit Innenläufer 20.
Jeweils drei Zähne 21 bilden
einen Pol, wobei ein Teil der Zähne
tangential verformt sind. Die Stegabschnitte 22 zwischen
den Zähnen
sind leicht verformbar und ermöglichen
eine nahezu kreisförmige
Form des weichmagnetischen Körpers 23.
Das gestanzte Band wird zunächst
aufgewickelt und als hülsenförmiger Ring über den
vorgefertigten Leiterring 24 geschoben. Anschließend werden
die Zähne 21 gleichzeitig
radial nach innen gebogen und ausgerichtet. Nach dem Verformen,
Ausrichten und Verfestigen werden die radial inneren Enden der Zähne 21 bearbeitet,
so dass ein zylindrischer Luftspalt 25 zum Sekundärteil 20 mit
den Permanentmagneten 26 entsteht.
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8 zeigt
den Querschnitt eines einphasigen Reluktanzgenerators 27 mit
vier radialen Luftspalten 28. Der Leiterring 29 des
Primärteils 30 wird
nach dem Wickeln zwischen zwei Verstärkungshülsen 31 eingepresst
und durch ein Bindemittel verfestigt. Vorgeformte weichmagnetische
Körper 32, 33 aus
doppelgezahnten Elektroblechbändern
werden axial von rechts aufgepresst. Das Sekundärteil 34 besteht aus
zwei baugleichen Hälften 35.
An der rechten Hälfte
sind zusätzlich
Mitnehmer 36 befestigt. Durch die doppelte Anzahl der Luftspalte 28 kann
das Spitzenmoment verdoppelt werden, wobei der Herstellungsaufwand
unterproportional steigt.
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9 zeigt
den Querschnitt durch eine Phase einer Reluktanzmaschine mit transversaler
Flussführung.
Beide Luftspalte 37 sind auf der rechten Seite des rechteckförmigen Magnetkreises
angeordnet, so dass sich die radial wirkenden Magnetkräfte kompensieren.
Die weichmagnetischen Körper 38 des Sekundärteils 39 werden
von der Normalkraft nur auf Zug belastet und im Primärteil 40 nimmt
eine Distanzplatte 41 z.B. aus Keramik oder einem hochfesten Kunststoff
die radial pulsierenden Kräfte
auf. Der weichmagnetische Körper 42 hat
radial innen liegende Stege 43 und wird zunächst vorgebogen,
anschließend
aber wieder etwas aufgebogen, um den vorgefertigten Leiterring 44 und
die Distanzplatte 41 aufzunehmen. Danach wird er in die
endgültige
Form gedrückt
und mit einem Harz durch Imprägnieren und/oder
Vergießen
verfestigt. Das ringförmige
Sekundärteil 39 ist
durch seitliches Aufschieben einfach montierbar und wird vorzugsweise
direkt am Primärteil 40 gelagert.
Mit weiteren rotierenden Teilen ist das Sekundärteil durch Mitnehmer 45 verbunden,
die nur tangentiale Kräfte übertragen.
Durch axiales Aneinanderreihen mehrerer baugleicher Phasen entstehen
mehrphasige Motoren oder Generatoren, wobei die Sekundärteile zueinander
um einen Bruchteil des Schrittwinkels versetzte angeordnet sind.
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10 zeigt
den Schnitt A-A aus 9. Hierbei wird ersichtlich
dass es sich um einen neunzigpolige Reluktanzmaschine handelt, die
je nach Ansteuerung als Motor oder Generator Schritt- oder Servoverhalten
zeigen kann. Während
das Sekundärteil 39 einen
kompletten Ring bildet, deckt der weichmagnetische Körper 42 des
Primärteils 40 nur ca.
92% vom Umfang des Leiterrings 44 ab. Anstelle der sieben
fehlenden Zähne 46 des
Primärteils 40 können Befestigungselemente,
Zu- und Ableitungen oder Sensoren in dem freien Raum angeordnet
werden.
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11 zeigt
den abgerollten Blechschnitt 47 von drei radial übereinanderliegenden
Blechschichten für
einen weichmagnetischen Körper
mit radial innen liegendem Steg 48. Die Zähne 49 auf
beiden Seiten des Stegs 48 sind. Die in 11a)
dargestellte radial innerste Blechschicht entspricht in etwa der aus
der Laserschneid- oder Stanzanlage kommenden Kontur. Beim Aufrollen
und Ausrichten auf einem Dorn werden die radial weiter außen liegenden Blechschichten
im Bereich der Stege 48' gedehnt, wie
es in den 11b) und 11c)
verstärkt
dargestellt ist.
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12 zeigt
die Anordnung von unsymmetrischen Blechschnitten 50 aus
einem weichmagnetischen Körper
entsprechend 9, allerdings mit radial außen liegenden
Stegen 51. Die Zähne 52 auf beiden
Seiten des Stegs 51 sind unsymmetrisch. Der Abstand der
Zähne ist
etwas größer als
ihre Breite. Durch die versetzte und spiegelsymmetrischen Anordnung
baugleicher Stanzwerkzeuge wird eine Blechtafel – vorzugsweise aus kornorientiertem
Material – gut
ausgenutzt. Der Verschnittanteil beträgt bei beliebig ringförmigen weichmagnetischen
Körpern
unter 10%.