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Die Erfindung betrifft eine elektrodynamische Maschine, insbesondere einen Synchronmotor, mit einem Rotor, welcher Rotor mindestens einen annähernd zylinderförmigen Kern aufweist, an dessen Außenseite Permanentmagnete angeordnet sind, welche von einer Vergussmasse zumindest teilweise umschlossen sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrodynamischen Maschine wobei im Rotorkern (4) im Wesentlichen zwischen mindestens zwei Permanentmagneten (5) mindestens eine mit der Vergussmasse (11) ausfüllbare Ausneh-mung (8) vorgesehen ist, wobei die Ausnehmung derart geformt ist, dass die die Ausnehmung (8) ausfüllende, ausgehärtete Vergussmasse (11) formschlüssig im Rotorkern festgelegt ist.
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Elektrodynamische Maschinen, deren Rotorkern an seiner Außenseite mit Permanentmagneten versehen ist, werden aufgrund ihrer Leistungscharakteristik häufig in mobilen Arbeitsmaschinen, insbesondere in Flurförderzeugen, verwendet. Die dortigen Einsatzbedingungen sind besonders geeignet, um bei den verwendeten Permanentmagneten Korrosion hervorzurufen. Durch Korrosion der Magnete wird die Leistungsfähigkeit der Maschine beeinträchtigt. Da die verwendeten Magnetwerkstoffe zudem relativ spröde sind, brechen bei einer Vorschädigung durch Korrosion leicht Teile der Magnete ab, so dass die Maschine ernsthaft beschädigt oder zerstört werden kann. Um die Korrosion der Magnete zu verhindern beziehungsweise zu reduzieren, ist es bekannt, diese in einer Vergussmasse einzubetten, die die Magnete zumindest teilweise umschließt und so gegenüber Korrosionseinflüssen weitgehend schützt. Kommt es dennoch zu einer Schädigung eines Magneten, werden mögliche Bruchstücke innerhalb der Vergussmasse gehalten und größere Schäden vermieden.
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Insbesondere bei hohen Drehzahlen wirken erhebliche Zentrifugalkräfte auf Magnete und Vergussmasse, die zu einer teilweisen oder vollständigen Ablösung der zumeist aufgeklebten Magnete und der Vergussmasse führen können. Dies gilt insbesondere bei höheren Betriebstemperaturen, da die Festigkeit der zur Fixierung der Magnete verwendeten Klebstoffe mit zunehmender Temperatur abnimmt. Um dies zu vermeiden, wird als zusätzliche Maßnahme eine Bandagierung verwendet oder ein Zylinder aus nichtmagnetischem Material auf den mit Magneten versehenen Rotorkern aufgebracht. Dieses Verfahren ist jedoch aufwändig und materialintensiv und der Magnetfluss zwischen Stator und Rotor wird negativ beeinflusst. Die Verwendung von metallischen Haltevorrichtungen, die am Rotorkern befestigt sind, ist ebenfalls mit Nachteilen verbunden. Die Anbringung derartiger Haltevorrichtungen ist aufgrund der komplexen Geometrie der Zwischenräume zwischen den Magneten und der Magnete selbst zumeist sehr aufwändig und stellt hohe Anforderungen an die Fertigungsqualität von Magneten und Haltevorrichtungen.
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Die
JP H09 019 091 A offenbart eine elektrodynamische Maschine nach dem Oberbe- griff des Patentanspruchs 1.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrodynamische Maschine, insbesondere einen Synchronmotor, mit einem Rotor, welcher Rotor mindestens einen annähernd zylinderförmigen Kern aufweist, an dessen Außenseite Permanentmagnete angeordnet sind, welche von einer Vergussmasse zumindest teilweise umschlossen sind, zu schaffen, die einfach zu fertigen ist, gute Leistungseigenschaften besitzt und bei der ein Ablösen der Vergussmasse und/oder der Permanentmagnete zuverlässig verhindert wird.
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Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrodynamischen Maschine zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird bezüglich der elektrodynamischen Maschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Rotorkern im Wesentlichen zwischen mindestens zwei Permanentmagneten mindestens eine mit der Vergussmasse ausfüllbare Ausnehmung vorgesehen ist, wobei die Ausnehmung derart geformt ist, dass die die Ausnehmung ausfüllende, ausgehärtete Vergussmasse formschlüssig im Rotorkern festgelegt ist. An mindestens einer Stirnseite ist in die Vergussmasse mindestens ein schalenförmiger Verstärkungskörper eingebettet.
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Indem eine formschlüssige Verbindung zwischen der Vergussmasse und dem Rotorkern besteht, wird auch bei großen Zentrifugalkräften und hohen Temperaturen eine optimale Anbindung der Vergussmasse an den Rotorkern erreicht und eine Ablösung der Vergussmasse verhindert. Die Vergussmasse kann als zusätzliche Fixierung der Permanentmagnete verwendet werden, so dass eine Bandagierung entfallen oder schwächer dimensioniert werden kann. Im Gegensatz zu einer mechanischen Fixierung der Magnete werden an die Maßhaltigkeit der Ausnehmung keine großen Anforderungen gestellt. Durch den schalenförmigen Verstärkungskörper wird im Stirnbereich des Rotors eine weitere Stabilisierung erreicht, was insbesondere bei Befestigung einer Bandage von Vorteil ist.
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Vorteilhafterweise ist die tangentiale Ausdehnung der Ausnehmung in einer weiter von der Rotationsachse entfernt gelegenen Zylindermantelfläche kleiner ist als die tangentiale Ausdehnung der Ausnehmung in einer näher an der Rotationsachse des Rotors gelegenen Zylindermantelfläche. Indem sich die Ausnehmung mit zunehmendem Abstand von derer Oberfläche in tangentialer Richtung erweitert, wird in besonders einfacherer Weise ein Formschluss zwischen Vergussmasse und Rotorkern hergestellt. Diese Ausführungsform ist insbesondere günstig bei über die gesamte Länge des Rotorkerns verlaufenden Ausnehmungen.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die axiale Ausdehnung der Ausnehmung in einer weiter von der Rotationsachse entfernt gelegenen Zylindermantelfläche kleiner ist als die axiale Ausdehnung der Ausnehmung in einer näher an der Rotationsachse des Rotors gelegenen Zylindermantelfläche. Auch hierbei wird auf einfache Weise ein Formschluss zwischen Vergussmasse und Rotorkern erreicht. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei über den gesamten Umfang des Rotorkerns verlaufenden Ausnehmungen von Vorteil.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Flächenschwerpunkt der Ausnehmung in einer weiter von der Rotationsachse entfernt gelegenen Zylindermantelfläche tangential beabstandet ist vom Flächenschwerpunkt der Ausnehmung in einer näher an der Rotationsachse des Rotors gelegenen Zylindermantelfläche. Dadurch ergeben sich besonders einfache Geometrien der Ausnehmung, beispielsweise mit unveränderten Abmessungen der Ausnehmung in unterschiedlichen Zylindermantelflächen.
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Es ist auch zweckmäßig, wenn der Flächenschwerpunkt der Ausnehmung in einer weiter von der Rotationsachse entfernt gelegenen Zylindermantelfläche axial beabstandet ist vom Flächenschwerpunkt der Ausnehmung in einer näher an der Rotationsachse des Rotors gelegenen Zylindermantelfläche. Dadurch ergeben sich ebenfalls besonders einfache Geometrien der Ausnehmung, beispielsweise mit unveränderten Abmessungen der Ausnehmung in unterschiedlichen Zylindermantelflächen.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Ausnehmung in Axialrichtung eine größere Ausdehnung als in Radialrichtung aufweist, insbesondere eine Ausdehnung über annähernd die gesamte Länge des Rotorkerns. Dadurch wird über die gesamte Länge des Rotorkerns eine gute Anbindung erzielt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rotorkern aus einer Vielzahl von gestanzten Blechen gebildet. Dadurch werden vorteilhafte elektromagnetische Eigenschaften erzielt und gleichzeitig die einfache Fertigung komplizierter Geometrien ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rotorkern einstückig ausgebildet. Dadurch werden gute mechanische Eigenschaften erzielt.
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Es ist zweckmäßig, wenn die Vergussmasse im Wesentlichen aus Epoxidharz gebildet ist. Epoxidharz weist gute mechanische Eigenschaften auf, bietet den eingebetteten Teilen sehr guten Schutz und ist kostengünstig und einfach zu verarbeiten.
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Es ist von besonderem Vorteil, wenn der Rotor von mindestens einer Bandage umgeben ist. Die Bandage umfasst die Permanentmagnete und sichert diese so gegen Ablösung.
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Vorteilhafterweise ist mindestens eine Stirnseite der Permanentmagnete und/oder des Rotorkerns von der Vergussmasse im Wesentlichen umschlossen. Dadurch werden die korrosionsgefährdeten Teile zuverlässig umschlossen und insbesondere im Stirnbereich wird eine zusätzliche mechanische Sicherung der Permanentmagnete erzielt. Im Stirnbereich ist eine einfache Befestigung der Enden einer gegebenenfalls vorhandenen Bandage an der Vergussmasse möglich.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn im Rotorkern in Axialrichtung mindestens eine durchgehende Bohrung vorgesehen ist, welche mit Vergussmasse ausfüllbar ist.
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Dadurch wird eine besonders gute Fixierung der Vergussmasse und eine hohe mechanische Stabilität des gesamten Rotors, insbesondere im Stirnbereich erzielt.
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Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Permanentmagnete in einem mittleren Bereich eine größere Dicke aufweisen als in mindestens einem in tangentialer Richtung beabstandeten Randbereich, insbesondere, indem die Kontur einer radial äußeren Oberfläche der Permanentmagnete einen geringeren Radius aufweist als die Kontur einer dem Rotorkern zugewandten Oberfläche. Dadurch ist die Dicke der Vergussmasse am Außenbereich der Magnete besonders groß und die Vergussmasse kann bei minimalem Materialeinsatz eine optimale Haltefunktion für die Magnete übernehmen.
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Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass Permanentmagnete auf einen erfindungsgemäßen Rotorkern aufgebracht werden, eine annähernd zylindrische Gießform um den Rotorkern gelegt wird, eine Vergussmasse in den Raum zwischen Rotorkern und Gießform eingebracht und ausgehärtet wird.
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Es ist vorteilhaft, wenn nach dem Aushärten der Vergussmasse eine mechanische Bearbeitung der Vergussmasse, insbesondere ein Abdrehen des Rotors auf eine im Wesentlichen zylindrische Form vorgenommen wird. Dadurch wird eine sehr gute Maßhaltigkeit sowie Oberflächenbeschaffenheit erreicht.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn in einem weiteren Arbeitsschritt eine Bandage auf den zylindrischen Rotor aufgebracht wird. Durch die Bandage werden die Magnete zusätzlich gesichert, so dass im Betrieb höhere Umdrehungsgeschwindigkeiten erreicht werden können.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung wird als Gießform ein Bandagerohr verwendet wird, welches nach dem Gießvorgang auf dem Rotor verbleibt. Dadurch wird die Bandage auf besonders einfache Weise aufgebracht und es entfallen die Kosten für eine Gießform sowie die Arbeitsschritte beim Entfernen der Gießform sowie zum Aufbringen der Bandage.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Identische Teile in den verschiedenen Figuren sind mit identischen Bezeichnungen gekennzeichnet. Dabei zeigt
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1a einen Rotor einer elektrodynamischen Maschine in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zur Rotationsachse liegt,
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1b einen Rotor einer elektrodynamischen Maschine in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zur Rotationsachse liegt, in einer Detaildarstellung,
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2a einen Rotor einer elektrodynamischen Maschine entlang der in 1 mit A gekennzeichneten Schnittebene,
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2b eine Detailansicht der Stirnseite eines Rotors einer erfindungsgemäßen elektrodynamischen Maschine in einer Ausführungsvariante,
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3 als weiteres Ausführungsbeispiel für einen Rotor einer e elektrodynamischen Maschine eine Schnittdarstellung eines Segments des Rotors, wobei die Schnittebene senkrecht zur Rotationsachse liegt,
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4 einen Rotor einer elektrodynamischen Maschine in einer perspektivischen Darstellung.
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1a zeigt einen Rotor 1 einer elektrodynamischen Maschine in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zur Rotationsachse 2 liegt. In 1b ist das in 1a mit einem Kreis markierte Detail in einer vergrößerten Darstellung wiedergegeben. Auf einer Antriebswelle 3 ist der Rotorkern 4 angeordnet. Der Rotorkern 4 ist aus einer Vielzahl von gestanzten Blechen aufgebaut, die jeweils die gleiche Geometrie aufweisen und entlang der Rotationsachse 2 aufeinander geschichtet sind. Am Außenumfang des Rotorkerns 4 sind Permanentmagnete 5 aufgeklebt, wobei die Kontur der Magnete 5 an der Klebefläche 6 in etwa der Kontur des Außenumfangs der Rotorkerns 4 entspricht, um eine möglichst gute Anbindung zu erhalten. Zusätzlich sind die Permanentmagnete 5 durch eine Bandage 7 gesichert. In der Außenkontur des Rotorkerns 4 sind zwischen den Permanentmagneten 5 Ausnehmungen 8 angeordnet. Diese sind in Umfangsnähe des Rotorkerns 4 enger als im Inneren. Die Ausnehmungen 8 sowie der Zwischenraum 9 zwischen Bandage 7 und Magneten 5 ist ebenso wie sich in Längsrichtung durch den Rotor 1 erstreckende Bohrungen 10 mit einer Vergussmasse 11 ausgefüllt. Aufgrund der Form der Ausnehmungen 8 ist zwischen Vergussmasse 11 und Rotorkern 4 eine formschlüssige Verbindung gegeben. Die Permanentmagnete 5 sind in einem mittleren Bereich 12 dicker als an Randzonen 13, die an die Ausnehmungen 8 angrenzen. Damit ist im Bereich der Randzonen 13 eine größere Dicke der Vergussmasse 11 als im Mittelbereich 12 der Magnete 5 gegeben, wodurch bei geringem Materialeinsatz und damit geringer rotierender Masse dennoch die Magnete 5 optimal durch die Vergussmasse 11 gehalten werden. Die Bandage 7 kann dadurch dünner ausfallen als bei Rotoren nach dem Stand der Technik. Wird der Motor nur mit geringen Drehzahlen betrieben, kann auf die Bandage 7 gegebenenfalls sogar vollständig verzichtet werden. Die gezeigte, bogenförmige Außenkontur des Rotors bietet zudem eine vorteilhafte elektromagnetische Feldverteilung. Die Vergussmasse 11 ist im Wesentlichen aus Epoxidharz gebildet, da dieses sowohl einen guten Korrosionsschutz als auch eine gute Verarbeitbarkeit und gute mechanische Eigenschaften bietet.
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2a zeigt einen Rotor 1 einer elektrodynamischen Maschine entlang der in 1 mit A gekennzeichneten Schnittebene, d. h. entlang einer Ebene parallel zur Rotationsachse 2 geschnitten. Der aus einzelnen Stanzblechen 14 nach dem Stand der Technik aufgebaute Rotorkern 4 ist auf die Rotorwelle 3 aufgeschoben. Am Umfang des Rotorkerns 4 sind die Permanentmagnete 5 angeordnet. Von einer Stirnseite 15 des Rotorkerns zur anderen Stirnseite 16 erstreckt sich die Bohrung 10. Die Bohrung 10 ist von der Vergussmasse 11 vollständig ausgefüllt. Durch die Bohrungen 10 wird eine zusätzliche Stabilisierung des Rotors 1 in Richtung der Rotationsachse 2 erzielt. Je nach Gestaltung des Rotors und Art des Gießprozesses kann aufgrund der Bohrungen 10 auch das Vergießen vereinfacht werden, da durch die Bohrungen 10 die Vergussmasse 11 eingeführt werden bzw. Luft entweichen kann. Die Vergussmasse ist an den Stirnseiten 15, 16 um die Magnete herumgeführt und erstreckt sich axial vom Rotorkern 4 weg. Dadurch ist genügend Raum, um die Enden 17 der Bandage 7 befestigen zu können.
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In 2b ist Ausgestaltung der Erfindung der Stirnbereich 15 eines Rotors 1 gezeigt, bei dem in die Vergussmasse 11 im Stirnbereich 15, 16 Verstärkungsschalen 18 eingelegt sind, um dort die mechanische Stabilität zu verbessern. Die Verstärkungsschalen 18 sind vorzugsweise aus einem Blech, beispielsweise aus Stahl oder Aluminium, geformt, es können jedoch auch andere geeignete Werkstoffe und Formgebungsverfahren verwendet werden. Aufgrund der Formgebung der Vergussmasse 11 an den Stirnseiten 15, 16 sowie der eingelegten Verstärkungsschalen 18 wird hier eine mechanisch hinreichend stabile Struktur geschaffen um die Enden 17 der Bandage 7 zu befestigen.
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Zur besseren Verankerung zwischen den Verstärkungsschalen 18 und der Vergussmasse 11 sind in den Verstärkungsschalen 18 Bohrungen 19 eingebracht.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Rotor 20 einer elektrodynamischen Maschine ist in 3 in einer Schnittdarstellung eines Segments des Rotors 20, wobei die Schnittebene senkrecht zur Rotationsachse 2 liegt, gezeigt. Auf die Darstellung der Vergussmasse 11 und einer Bandage 7 wurde, da dies für das Verständnis unerheblich ist, verzichtet. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Rotorkern 21 als Paket aus einzelnen Blechen 22 ausgebildet. Die Ausnehmungen 23 im Rotorkern 21 sind derart geformt, dass die Querschnittsfläche der Ausnehmungen 23 nahe der Oberfläche 24 des Rotorkerns 21 enger sind als im Inneren, wobei die Ausnehmungen 23 jedoch einen asymmetrischen Aufbau besitzen. In der Figur ist gestrichelt die Kontur der Ausnehmung 23a eines in Axialrichtung weiter hinten liegenden Blechteils 22a gezeigt, das um 180° um die Achse A gedreht angeordnet ist. Indem eine Anzahl von Blechteilen 22 identisch orientiert eingebaut und ein daran angrenzender Bereich von Blechteilen 22a gedreht eingebaut wird, ist eine formschlüssige Verankerung der Vergussmasse 11 auch in Axialrichtung gegeben.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 4 gezeigt. Es ist ein Rotor 25 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Auch hier wurde auf die Darstellung der Vergussmasse 11 und einer Bandage 7 zugunsten der Klarheit der Darstellung verzichtet. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen 26 derart ausgeführt, dass von der Stirnseite 27 des Rotorkerns 28 aus ein mit Bohrungen 29 versehener Blechstreifen 30 in einen passenden Bereich 31 der Ausnehmung 26 eingeführt werden kann. Wird der Rotorkern 28 in der im ersten Ausführungsbeispiel geschilderten Weise mit Vergussmasse 11 umhüllt, werden die in Längsrichtung des Rotorkerns 28 verlaufenden Öffnungen 10 sowie die Ausnehmungen 26 mit Vergussmasse 11 gefüllt und die Permanentmagneten 5 vollständig von der Vergussmasse 11 bedeckt sind. Durch die Bohrungen 29 im Blechstreifen 30 wird eine hervorragende Verankerung der Vergussmasse 11 in radialer Richtung erzielt.
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Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen als die hier geschilderten denkbar, beispielsweise, indem der Rotorkern 4 nicht aus einem Paket von gestanzten Blechen aufgebaut ist, sondern wenigen Bauteilen zusammengesetzt oder einstückig ausgebildet ist. Auch die Form der Ausnehmungen 8 kann je nach Anforderungen an die elektrodynamische Maschine unterschiedlich gestaltet sein. Dabei ist insbesondere die Form und Anordnung der Permanentmagneten 5 zu berücksichtigen, da zwischen diesen die Ausnehmungen 8 angeordnet sind. Insbesondere bei einer geschrägten Anordnung der Permanentmagnete 5 bietet die Erfindung besondere Vorteile gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Fixierung der Magnete mittels am Rotorkern befestigter Haltevorrichtungen, die beispielsweise in Nuten eingeschoben werden. Ein Einschieben von Halterungen in geschrägte Nuten ist aufgrund der Schrägung nämlich zumeist nicht über die gesamte Länge des Rotors 1 möglich, so dass beispielsweise kurze Halterungsteilstücke verwendete werden müssen, die hohen Einbauaufwand erfordern und präzise gefertigt sein müssen. Insbesondere bei einem aus Blechpaketen aufgebauten Rotorkern 4 sind auch Ausnehmungen denkbar, die beispielsweise eine Pilzform besitzen.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine erfolgt gemäß dem in den Ansprüchen 10 bis 13 geschilderten Verfahren, d. h. zunächst werden die Permanentmagnete 5 auf den Rotorkern 4 aufgeklebt und dann eine annähernd zylindrische Gießform darum gelegt, in die die Vergussmasse 11 eingebracht wird. nach dem Vergießen härtet die Vergussmasse 11 aus und die Gießform kann entfernt werden. Durch eine mechanische Nachbearbeitung, beispielsweise mittels spanabhebender Verfahren, wird mit relativ einfachen Mitteln eine hohe Maßhaltigkeit sowie eine gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit erzielt. Durch eine hohe Maßhaltigkeit des Rotors 1 kann ein schmaler Spalt zwischen Rotor 1 und dem Stator der elektrodynamischen Maschine realisiert werden, was die Betriebseigenschaften des Motors verbessert. Wenn auf eine Bandage 7 verzichtet wird, ist dieses Verfahren daher besonders vorteilhaft, um ein gewünschtes Endmaß des Rotors 1 zu erzielen. Eine gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit ist eine wichtige Voraussetzung, um eine besonders gute Auflage der Bandage 7 zu gewährleisten, so dass diese ihre Wirkung optimal entfalten kann. Die Bandage 7 wird dabei im Anschluss an die Bearbeitung in üblicher Weise aufgebracht, wobei die Enden der Bandage 7 vorzugsweise auf den den Stirnseiten 15, 16 benachbarten Abschnitten der Vergussmasse 11 angeordnet sind. In einer weiteren Ausführungsform wird vor dem Aufbringen der Vergussmasse 11 ein Bandagerohr um den Rotorkern 4 gelegt. Bandagerohre sind bereits in Rohrform gewickelte Bandagen, die durch ein Füllmaterial in Endform fixiert sind und üblicherweise nur noch auf einen Rotorkern aufgeschoben werden. Das Bandagerohr dient als Gussform für die Vergussmasse 11. Dadurch wird eine besonders gute Anbindung der Vergussmasse 11 an die Bandage erzielt und das Ausformen aus der Gussform sowie das nachfolgende Aufbringen und Befestigen einer Bandage 7 entfallen.