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Die
Erfindung betrifft einen Rotor für
eine permanentmagneterregte dynamoelektrische Maschine mit einem
Rotorbasiskörper,
welcher Mittel zur Führung
und Erzeugung magnetischer Felder aufweist. Weiterhin betrifft die
Erfindung eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines derartigen Rotors.
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Permanentmagneterregte
dynamoelektrische Maschinen weisen im Wesentlichen ein Primärteil und
ein Sekundärteil
auf, welche durch einen Luftspalt voneinander beabstandet sind.
Das Primärteil
ist diejenige Komponente, welche eine bestrombare ein- oder mehrphasige
Wicklung aufweist. Das Sekundärteil
weist Permanentmagnete auf, welche die Erregerpole zur Bildung des
magnetischen Erregerfeldes bilden.
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Bei
rotatorisch ausgeführten
Maschinen ist das Primärteil
als Stator mit einer Wicklung und das Sekundärteil als Rotor mit Permanentmagneten
ausgebildet. Stator und Rotor sind i. d. R. zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten
mittels Blechpaketen, bestehend aus einer Vielzahl an Elektroblechen, gebildet.
Der Rotor ist beispielsweise auf eine Stahlwelle aufgepresst.
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Die
einzelnen Elektrobleche werden üblicherweise
einzeln gestanzt und mittels Stanzpaketieren, Schweißen oder
Klammern zu Blechpaketen zusammengefügt, wodurch ein hoher fertigungstechnischer
Aufwand entsteht.
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Der
Rotor weist Permanentmagnete auf, die entweder im Inneren des Rotors
oder an der dem Stator zugewandten Oberfläche des Rotors angeordnet sind.
Im Inneren des Rotors angeordnete Permanentmagnete werden auch als
vergrabene Permanentmagnete bezeichnet.
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Sowohl
vergrabene, als auch an der Oberfläche angeordnete Permanentmagnete
müssen
sicher dauerhaft fixiert werden, um die mechanischen Kräfte bei
dynamischen und statischen Belastungen im Betrieb der elektrischen
Maschine zu beherrschen und die Permanentmagnete vor Beschädigungen
zu schützen.
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An
der Oberfläche
angebrachte Permanentmagnete werden beispielsweise durch Klebstoffe
fixiert und durch Bandagenmaterial zusätzlich gesichert.
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Vergrabene
Permanentmagnete werden in Vertiefungen, auch als Taschen bzw. Magnettaschen bezeichnet,
eingelassen oder eingeschoben, wobei anschließend i. d. R. die für die Montage
notwendigen Hohlräume
durch ein Gießharz
ausgefüllt
werden. Beispielsweise werden dazu warm- oder kaltaushärtende Gießharzsysteme
auf der Basis von Epoxid-, Polyurethan- oder Silikonharzen verwendet. Aufgrund
des Vergießens
mit Gießharz
entsteht eine magnetisch und thermisch isolierende Wirkung zwischen
den Permanentmagneten und dem Blechpaket, was sich negativ auf den
Wirkungsgrad der elektrischen Maschine auswirkt.
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Zur
Herstellung des Rotors werden üblicherweise
zunächst
die einzelnen Elektrobleche zu einem Rotorblechpaket zusammengefügt und anschließend auf
die Welle der elektrischen Maschine aufgepresst. Anschließend werden
magnetisierte oder unmagnetisierte Permanentmagnete in die Taschen
eingebracht. An den beiden endseitigen Stirnseiten des Rotors werden
jeweils eine Endscheibe montiert und die Permanentmagnete in den
Taschen vergossen, z. B. mit einem Kunstharz. Bis zur Aushärtung des
Vergussmaterials vergeht jedoch eine gewisse Zeit, was u. U. zu
verlängerten
Fertigungszeiten führen
kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotor für eine elektrische
Maschine derart weiterzubilden, dass der Wirkungsgrad verbessert und
die Leistungsabgabe der elektrischen Maschine erhöht ist.
Weitere Aufgaben der Erfindung sind, eine elektrische Maschine mit
einem derartig weiterge bildeten Rotor sowie ein Verfahren zur Herstellung
des Rotors bereitzustellen.
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Die
Aufgaben werden durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 13
und 15 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der
erfindungsgemäße Rotor
für eine
permanentmagneterregte dynamoelektrische Maschine weist einen Rotorbasiskörper mit
Mitteln zur Führung und
Erzeugung magnetischer Felder auf. Der Rotorbasiskörper ist
als Strangpressbauteil mit Strangpressprofil ausgebildet und weist
mehrere Füllräume zur
Aufnahme einer Flussleitflüssigkeit
auf. Eines der Mittel zur Führung
magnetischer Felder ist die Flussleitflüssigkeit.
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Anstelle
einzelner Rotorbleche zur Herstellung eines bekannten Rotorblechpakets
ist ein Strangpressbauteil verwendet. Vorteilhaft ist, dass je nach
gewünschter
axialer Baulänge
des Rotors bzw. der dynamoelektrischen Maschine das Strangpressbauteil
einfach zugeschnitten werden kann. Somit können auf einfache Weise beliebige
Rotorlängen realisiert
werden.
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Der
als Strangpressbauteil ausgeführte
Rotorbasiskörper
wird zur Führung
des magnetischen Hauptflusses mit einem ferritischen Material, einer Flussleitflüssigkeit,
befüllt.
Der magnetische Hauptfluss verkettet die magnetischen bzw. elektromagnetischen
Felder von Rotor und Stator, welche über einen Luftspalt voneinander
beabstandet sind, über den
Luftspalt hinweg. Daneben existieren Streuflüsse, welche nur im Rotor oder
Stator verkettet sind und nicht über
den Luftspalt gehen.
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Das
Strangpressbauteil wird mittels Strangpressen hergestellt, welches
ein spanloses Umformverfahren zum Herstellen von u. a. prismatischen Profilen
ist. In diesem Verfahren wird ein auf Umformtemperatur erwärmter Pressling
(Block) mit einem Stempel durch eine Matrize gedrückt. Dabei
wird der Block durch einen Rezipienten (ein sehr dickwandiges Rohr) umschlossen.
Die äußere Form
des Pressstrangs wird durch die Matrize bestimmt. Vorteile des Strangpressens
sind beispielsweise die Möglichkeit, Profile
auch in komplizierten Formen oder aus schwer umformbaren Werkstoffen
herzustellen, der hohe, in einem Verfahrensschritt erreichbare Umformgrad
und die geringen Werkzeugkosten, selbst für die Fertigung relativ kleiner
Mengen.
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Das
Strangpressprofil ist dabei dergestalt, dass es die Füllräume für die Flussleitflüssigkeit
aufweist, wobei sich die Füllräume in einer
axialen und radialen Richtung erstrecken und vorteilhafterweise symmetrisch
im Rotorbasiskörper
ausgebildet sind. Aufgrund der symmetrischen Ausbildung der Füllräume lassen
sich Unsymmetrien in den elektrischen oder magnetischen Größen oder
auch Unwuchten im Rotor vermeiden.
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Vorzugsweise
ist das Strangpressbauteil bzw. der Rotorbasiskörpers so ausgebildet, dass
dieser Taschen zur Aufnahme von Permanentmagneten aufweist, wobei
die Taschen ebenfalls mittels des Strangpressprofils ausgebildet
sind. Das Strangpressbauteil ist somit neben Füllräumen für die Flussleitflüssigkeit
ebenso mit Taschen, auch als Aussparungen bezeichnet, zum Einlegen
von Magnetmaterial ausgestattet.
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Vorteilhafterweise
liegen die Taschen zur Aufnahme der Permanentmagnete in radialer
Richtung oberhalb der Füllräume und
sind ebenso symmetrisch ausgebildet. Die Taschen bzw. die Permanentmagnete
in den Taschen grenzen somit an den Luftspalt zwischen Rotor und
Stator, wodurch die Permanentmagnete nah am Luftspalt und am Stator angeordnet
sind, was eine optimale magnetische Flussverkettung bereitstellt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung grenzen die Füllräume und
die Taschen aneinander an, wobei jeder Füllraum eine Öffnung zumindest
zu einer Tasche aufweist. Die Füllräume und
Taschen sind demnach miteinander verbunden, derart, dass die Flussleitflüssigkeit
sich auch in den Taschen verteilen kann.
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Damit
die Permanentmagnete in die Taschen eingeführt werden können, sind
die Taschen etwas größer ausgebildet,
wodurch sich Hohlräume
bzw. Spalte zwischen den Taschen und Permanentmagneten ergeben.
Die Flussleitflüssigkeit
füllt diese Hohlräume bzw.
Spalte beim Einfüllen
mit aus, da Füllräume und
Taschen miteinander verbunden sind. Die Flussleitflüssigkeit
erfüllt
damit mehrere Funktionen, einerseits ein Mittel zur Erzeugung und
Führung magnetischer
Felder und andererseits Vergussmaterial für die Permanentmagnete.
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In
einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Permanentmagnete
in unmagnetischem bzw. unmagnetisiertem Zustand in die Taschen eingebracht
und es wird zunächst
eine Endscheibe an einer Stirnseite des Rotorbasiskörpers zur
Abdichtung befestigt. Anschließend
werden die Füllräume mit
der Flussleitflüssigkeit
befüllt,
wodurch gleichzeitig die Permanentmagnete vergossen werden. Danach
wird die zweite Endscheibe an der zweiten Stirnseite angebracht.
Nach dem folgenden Magnetisieren der Permanentmagnete wird die Flussleitflüssigkeit
schlagartig hochviskos bis fest und richtet sich optimal nach den
magnetischen Feldlinien aus.
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Vorzugsweise
weist der als Strangpressbauteil ausgebildete Rotorbasiskörper Aluminium
oder Kunststoff mit Füllstoff
auf. Aluminium oder Kunststoff mit Füllstoff sind geeignete Materialien,
welche die Belastungen im Betrieb der elektrischen Maschine aushalten.
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In
der Kunststofftechnik werden Füllstoffe
zur Optimierung der Eigenschaften von Kunststoffen eingesetzt. Im
Vordergrund der Optimierung stehen z. B. eine Erhöhung der
Steifigkeit, Verminderung der Schrumpfung oder eine Erhöhung der
thermischen oder elektrischen Leitfähigkeit. Wichtige Füllstoffe von
thermoplastischen Kunststoffen sind z. B. Glasfasern/Glaskugeln,
mineralische Füllstoffe
wie Calciumcarbonat und Kohlenstofffasern.
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Das
Strangpressprofil des Rotorsbasiskörpers hat folgende Funktionen:
- – Aufnahme
der Permanentmagnete,
- – Aufnahme/Behältnis für die Flussleitflüssigkeit,
- – Kraftübertragung
auf die Welle der elektrischen Maschine,
- – Aufnahme
von Belastungen im Betrieb der elektrischen Maschine.
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Vorteilhafterweise
ist die Flussleitflüssigkeit ein
Ferrofluid vom Typ MRF (magnetorheologisches Fluid).
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Ein
Ferrofluid bezeichnet eine Flüssigkeit, welche
auf ein magnetisches Feld reagiert. Ferrofluide Stoffe bestehen
aus magnetischen Partikeln, die in einer Trägerflüssigkeit kolloidal suspendiert
sind. Die Partikel werden i. d. R. mit einer polymeren Oberflächenbeschichtung
stabilisiert.
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Ferrofluide
sind stabile Dispersionen, was bedeutet, dass sich die Partikel
nicht mit der Zeit absetzen und selbst in extrem starken Magnetfeldern nicht
aneinander anlagern und sich von der Flüssigkeit als andere Phase abscheiden.
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Ferrofluide
sind superparamagnetisch und besitzen eine sehr geringe Hysterese.
Die Teilchen bestehen normalerweise aus Eisen, Magnetit oder Kobalt
und weisen typischerweise einen Durchmesser von 5 nm bis 10 nm (Nanometer)
auf. Die umgebende Flüssigkeit
ist beispielsweise Öl
oder Wasser, seltener Wachs. Ferner sind der Flüssigkeit Tenside zugesetzt,
um eine Stabilität
der Suspension zu erreichen.
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Ferrofluide
vom TYP MRF (magnetorheologisches Fluid) bezeichnen Flüssigkeiten,
die ähnlich wie
Ferrofluide auf ein Magnetfeld reagieren, sich aber im Gegensatz
zu diesen dabei verfestigen. Der Unterschied zwischen magnetorheologische
Fluiden und herkömmlichen
Ferrofluiden besteht in der Art der Reaktion auf ein Magnetfeld.
Relativ große
Teilchen der MRF bilden Ketten, sobald ein Magnetfeld angelegt wird.
Das erhöht
die Viskosität
der MRF und kann sie sogar verfestigen.
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Durch
Magnetisieren der Permanentmagnete verfestigt sich das Ferrofluid
schlagartig. Es ist demnach keine Aushärtezeit wie beim Vergießen mit Gießharz erforderlich.
Vorzugsweise ist ein Ferrofluid vom Typ MRF einzusetzen, um eine
möglichst
feste Struktur nach dem Magnetisieren der Magnete zu erreichen.
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Vorteilhafterweise
weist die Flussleitflüssigkeit
bzw. das Ferrofluid ölhaltiges
Trägermaterial
auf, wodurch die vergossenen Permanentmagnete gegen Rost geschützt sind.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist am Rotorbasiskörper eine
Bandage, z. B. Glas- oder Kohlefaserbandage, angeordnet, welche bei
Bedarf zur zusätzlichen
Fixierung und Sicherung der Permanentmagnete angebracht werden kann.
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Die
erfindungsgemäße elektrische
Maschine weist einen Rotor und einen Stator auf, wobei Rotor und
Stator durch einen Luftspalt voneinander beabstandet sind. Der Rotor
ist wie erfindungsgemäß beschrieben
ausgebildet. Der Stator ist als bekannter Stator mit einer ein-
oder mehrphasigen Wicklung ausgebildet. Die elektrische Maschine
ist insbesondere als dynamoelektrische Synchronmaschine, insbesondere
Synchronmotor, ausgebildet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Rotors für eine dynamoelektrische
Maschine weist folgende Schritte auf:
- a) Strangpressen
des Rotorbasiskörpers
mit einem Strangpressprofil, welches Füllräume für eine Flussleitflüssigkeit
und Taschen für
Permanentmagnete aufweist,
- b) Zuschneiden des Rotorbasiskörpers auf eine gewünschte axiale
Länge des
Rotors,
- c) Befestigen von einer Endscheibe an einer ersten Stirnseite
des Rotors (1),
- d) Einbringen der Permanentmagnete im unmagnetisierten Zustand
in die Taschen,
- e) Einfüllen
der Flussleitflüssigkeit
(4) in die dafür vorgesehen
Füllräume (3)
sowie gleichzeitiges Vergießen
der Permanentmagnete (5) in den Taschen (6) mittels
der Flussleitflüssigkeit
(4),
- f) Befestigen von einer Endscheibe an einer zweiten Stirnseite
des Rotors (1),
- g) Magnetisieren der Permanentmagnete (5), wodurch
die Flussleitflüssigkeit
(4) verfestigt.
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Erfindungsgemäß werden
die einzelnen Bleche bzw. das Blechpaket des Rotors durch eine Flussleitflüssigkeit
ersetzt, welche zur Übertragung und
Führung
des magnetischen Hauptflusses dient. Gleichzeitig erfolgt der Verguss
der Permanentmagnete mittels der Flussleitflüssigkeit.
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Das
Grundteil des Rotors, der Rotorbasiskörper, ist als Strangpresskomponente
mit Strangpressprofil ausgebildet.
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Der
Wirkungsgrad der elektrischen Maschine ist aufgrund der Verwendung
von Flussleitflüssigkeit
und sich der daraus ergebenden nachfolgenden Vorteile erhöht:
- – Mittels
Flussleitflüssigkeiten
entstehen nur geringste Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste
im Rotor.
- – Die
Flussleitflüssigkeit
bzw. das Ferrofluid verteilt sich im Rotorbasiskörper und führt den magnetischen Fluss
optimal durch den Rotor. Das Ferrofluid richtet sich dabei nach
den magnetischen Feldlinien aus.
- – Durch
die direkte Anbindung des Ferrofluids zu den Permanentmagneten ist
keine magnetisch und thermisch isolierende Wirkung, wie es beim Vergießen mit
Gießharz
der Fall ist, gegeben.
- – Das
Ferrofluid weist keine Hysterese auf.
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Weiterhin
können
durch das Abstimmen des Trägermaterials
und der Größe der ferritischen
Nanopartikel die Eigenschaften der Flussleitflüssigkeit bzw. des Ferrofluids
optimal eingestellt werden; u. a. kann der Verfestigungsgrad unter
magnetischem Einfluss gesteuert werden.
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten
der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei
sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle
Ausführungsbeispiele übertragbar.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Rotor
in einer Schnittdarstellung,
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2 einen
erfindungsgemäßen Rotor
in einer perspektivischen Darstellung und
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3 eine
erfindungsgemäße elektrische Maschine
in einer Schnittdarstellung.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Rotor 1 in
einer Schnittdarstellung. Der Rotor 1 weist einen Rotorbasiskörper 2 auf,
welcher als Strangpressbauteil mit Strangpressprofil ausgebildet
ist. Insbesondere sind mittels des Strangpressprofils Füllräume 3 und
Taschen 6 zur Aufnahme von Mitteln zur Führung und
Erzeugung magnetischer Felder ausgebildet.
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Eines
der Mittel zur Führung
magnetischer Felder ist die Flussleitflüssigkeit 4, welche
in die Füllräume 3 eingefüllt ist
und welche insbesondere ein Ferrofluid vom Typ MRF ist. Das Strangpressprofil des
Rotorbasiskörpers 2 ist
derart gestaltet, dass es die Füllräume 3 für die Flussleitflüssigkeit 4 aufweist, wobei
sich die Füllräume 3 in
einer axialen und radialen Richtung im Rotor 1 bzw. Rotorbasiskörper 2 erstrecken
und symmetrisch angeordnet sind. Aufgrund der symmetrischen Ausbildung
der Füllräume 3 lassen
sich Unsymmetrien in den elektrischen oder magnetischen Größen oder
auch Unwuchten im Rotor 1 vermeiden.
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In
den Taschen 6 sind Permanentmagnete 5 angeordnet,
wobei die Taschen 6 ebenfalls mittels des Strangpressprofils
ausgebildet sind. Die Permanentmagnete 5 sind ein weiteres
Mittel zur Erzeugung und Führung
magnetischer Felder, wobei die Per manentmagnete 5 selbst
ein- oder mehrteilig ausgebildet sein können.
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Die
Taschen 6 zur Aufnahme der Permanentmagnete 5 liegen
in radialer Richtung oberhalb der Füllräume 3 und sind ebenso
symmetrisch ausgebildet. Ferner grenzen die Füllräume 3 und die Taschen 6 aneinander
an, wobei jeder Füllraum 3 eine Öffnung zumindest
zu einer Tasche 6 aufweist. Die Füllräume 3 und Taschen 6 sind
demnach miteinander verbunden, derart, dass die Flussleitflüssigkeit 4 sich auch
in den Taschen 6 verteilen kann.
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Damit
die Permanentmagnete 5 in die Taschen 6 einlegbar
sind, sind die Taschen 6 etwas größer ausgebildet, wodurch sich
Hohlräume
bzw. Spalte zwischen den Taschen 6 und Permanentmagneten 5 ergeben.
Die Flussleitflüssigkeit 4 füllt diese
Hohlräume
bzw. Spalte beim Einfüllen
mit aus, da Füllräume 3 und
Taschen 6 miteinander verbunden sind.
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Der
Rotorbasiskörper 2 ist
an einer Welle 7 angeordnet, beispielsweise aufgepresst.
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2 zeigt
den erfindungsgemäßen Rotor 1 gemäß 1 in
einer perspektivischen Darstellung. Gut zu erkennen sind die Füllräume 3 und
die Taschen 6 im Rotorbasiskörper 2, da der Rotor 1 bzw. Rotorbasiskörper 2 noch
unbestückt,
d. h. ohne Permanentmagnete 5 und ohne Flussleitflüssigkeit 4, dargestellt
ist.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße elektrische
Maschine 10 in einer Schnittdarstellung, wobei die elektrische
Maschine 10 lediglich schematisch dargestellt ist.
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Die
elektrische Maschine 10 weist als wesentliche Komponenten
den erfindungsgemäßen Rotor 1 und
einen mit einer ein- oder mehrphasigen Wicklung versehenen Stator 11 auf,
welche durch einen Luftspalt 12 voneinander beabstandet
sind. Der Rotor 1 entspricht der Darstellung des Rotors
gemäß 1.
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Der
als Strangpressbauteil ausgeführte
Rotorbasiskörper 2 wird
zur Führung
des magnetischen Hauptflusses mit einem ferritischen Material, der Flussleitflüssigkeit 4,
befüllt.
Der magnetische Hauptfluss verkettet die magnetischen bzw. elektromagnetischen
Felder von Rotor 1 und Stator 11 über den Luftspalt 12 hinweg.