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Hintergrund
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Vorgestellt
wird eine Axialflussmaschine in Form einer permanenterregten elektrischen
Maschine mit verbesserter Herstellbarkeit, höherer Effizienz und
geringeren Kosten als bekannte Axialflussmaschinen. Insbesondere
geht es um eine Axialflussmaschine mit einem Ständer und
einem Läufer, von denen einer, zum Beispiel der Ständer,
eine Spule zur Magnetfelderzeugung und der andere, zum Beispiel
der Läufer, Permanentmagnet-Elemente zur Interaktion mit
dem erzeugten Magnetfeld hat.
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Begriffsdefinitionen
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Unter
dem Begriff ”elektrische Maschine” sind hier sowohl
motorisch als auch generatorisch betriebene Maschinen verstanden,
als auch Maschinen, die zwischen diesen beiden Betriebsarten wechselnd
betrieben werden. Dabei ist es für die hier vorgestellte
Anordnung unerheblich, ob eine solche Maschine als Innenläufermaschine
oder als Außenläufermaschine ausgestaltet ist.
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Stand der Technik
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Die
DE 195 47 159 A1 zeigt
eine Transversalflussmaschine mit Leiterringen, die von U-förmigen,
weichmagnetischen Körpern von drei Seiten umschlossen sind,
wobei ein magnetischer Kreis von weich- und/oder hartmagnetischen
Teilen periodisch geschlossen wird. Diese Teile sind durch zwei,
radial außerhalb der Leiterringe angeordnete Luftspalte vom
jeweiligen U-förmigen, weichmagnetischen Körper
getrennt. Die magnetisch aktiven Teile des Rotors oder Stators sind
teilweise axial innerhalb der Enden der U-förmigen weichmagnetischen
Körper angeordnet.
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Aus
der
EP 0 952 657 A2 ist
eine Transversalflussmaschine mit einer Statoranordnung in einem Statorgehäuse
bekannt, in dem ein sich in Umlaufrichtung erstreckendes Polsystem
mit U-förmigem Querschnitt angeordnet ist. In der Ausnehmung
zwischen den Schenkeln des U-förmigen Querschnitts ist
eine sich in Umlaufrichtung erstreckende Ringwicklung aufgenommen.
Eine Rotoranordnung hat Reihen von abwechselnd angeordneten Permanentmagneten
und Weicheisen-Rückflusselementen. Statorseitig ist jeweils
zwischen der Ringwicklung und der Rotoranordnung ein Tragring vorgesehen, der
an beiden Randbereichen Ausnehmungen zur Aufnahme von in Richtung
der Rotoranordnung vorstehenden Zähnen des Polsystems aufweist.
Der Tragring dient zur Stabilisierung des Polsystems und der Ringspule.
Jedes Pol system besteht aus einem ringförmigen Poljoch
und zwei in dessen seitlichen Bereichen daran anschließenden
Polringen. Die Polringe haben in ihren poljochseitigen Randbereichen Einschnitte
oder Schlitze.
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Aus
der
DE 39 04 516 C1 ist
eine permanentmagnet-erregte elektrische Maschine bekannt, deren Polringe
mit angeformten Polzähnen, Außenstator und Innenstator
aus Segmentblechen zusammenzusetzen sind, die jeweils aus gegeneinander
isolierten Blechen bestehen. Die Segmentbleche erstrecken sich beispielsweise über
ein Sechstel des Umfangs.
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Aus
der
DE 10 2005
036 041 A1 ist eine permanenterregte elektrische Maschine
bekannt mit einem Ständer und einem Läufer, wobei
entweder der Ständer eine Spulenanordnung aufweist und
der Läufer mit Permanentmagnet-Elementen versehen ist,
oder der Läufer eine Spulenanordnung aufweist und der Ständer
mit Permanentmagnet-Elementen versehen ist. Zwischen dem Ständer
und dem Läufer ist ein Luftspalt gebildet, der von den
Permanentmagnet-Elementen und mit auf diese in bestimmten Positionen
ausgerichteten magnetisch leitenden Zähnen des Ständers
begrenzt ist. Die Spulenanordnung hat wenigstens eine hohlzylindrische
Wicklung. Dieser Ständer oder dessen Teile können
aus Blechen oder Blechabschnitten aufgebaut sein, oder aus zu der
entsprechenden Gestalt gepressten und/oder gesinterten Eisenpartikeln
geformt sein. Auch Mischformen dieser beiden Varianten sind beschrieben,
bei denen Übergangsbereiche von radial orientierten Blechabschnitten
zu axial orientierten Blechabschnitten aus gepressten und gesinterten
Eisenpartikeln geformt sind.
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Aus
der
DE 699 27 564
T2 ist ein Klauenpol-Dynamo für ein Fahrrad bekannt,
bei dem das Statorjoch aus Reineisen-Magnetstahlblechen geformt
ist.
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Zugrunde liegendes Problem
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Ziel
ist es, eine kompakt bauende und hocheffiziente elektrische Maschine
bereit zu stellen, die eine hohe Leistungsdichte bei für
die Serienfertigung optimiertem Aufbau hat.
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Lösung
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Um
dieses Ziel zu erreichen wird hier eine elektrische Axialflussmaschine
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Diese Axialflussmaschine
hat einen Ständer und einen Läufer. Entweder hat
der Ständer eine Spulenanordnung und der Läufer
ist mit Permanentmagnet-Elementen versehen ist oder der Läufer
hat eine Spulenanordnung und der Ständer ist mit Permanentmagnet-Elementen
versehen. Der Ständer ist unter Bildung eines Luftspaltes
von dem Läufer beabstandet angeordnet. Jedes der Magnetfluss-Joche
hat (innere oder äußere) Seitenbereiche mit Magnetfluss-Polen. Die
Spulenanordnung kann wenigstens eine von Magnetfluss-Jochen zumindest
teilweise umgriffene hohlzylindrische Wicklung haben. Die Wicklung
kann eine oder mehrere Windungen haben. Die Magnetfluss-Pole haben
jeweils eine zu den Permanentmagnet-Elementen jenseits des Luftspaltes
hin orientierte Außen- oder Innen-)seite. Zueinander in
Umfangs- oder Umlaufrichtung des Läufers benachbarte Permanentmagnet-Elemente
können jeweils zu dem Luftspalt hin magnetisch abwechselnd
orientiert sein. In einigen Positionen des Läufers relativ
zum Ständer können wenigstens einige der Magnetfluss-Pole
zumindest teilweise mit den Permanentmagnet-Elementen fluchten.
Die Magnetfluss-Joche sind aus wenigstens einem oder mehreren Ringzylindersegmenten
gebildet. In Richtung einer Mittellängsachse der Magnetfluss-Joche
zwischen einander benachbarten Magnetfluss-Jochen ist jeweils eine
Tragscheibe aus thermisch gut leitendem Material vorgesehen. Die
oder jede Tragscheibe weist Einrichtungen zur mechanischen Positionierung
wenigstens zweier Ringzylindersegmente auf und bildet einen thermischen
Pfad zu einer Wärmesenke. Zwischen der Tragscheibe und
jedem an ihr positionierten Ringzylindersegment ist eine Isolierschicht
zur elektrischen Isolierung angeordnet.
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Vorteile, Ausgestaltungen und Weiterbildungen
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Diese
Anordnung hat gegenüber bekannten Axialflussmaschinen den
Vorteil, dass sie sehr kompakt, mechanisch sehr stabil und hoch
effizient ist, da sie durch die Tragscheibe(n) die Magnetfluss leitenden
Teile des Joches und indirekt auch die Spulenanordnung gut entwärmt.
In die Tragscheibe können auch die durch die Magnetkraft
hervorgerufenen Kräfte sowie die durch das Umlaufen des
Rotors hervorgerufenen Drehmomente eingeleitet werden. Außerdem
erfordern die segmentierten Ringteile des Magnetfluss-Joches für
ihre Herstellung einen geringeren Aufwand als komplette Ringe mit
großem Durchmesser. Durch die Segmentierung kann auch die
Wirbelstrombildung verringert sein. Die Isolierschicht kann entweder
an der Tragscheibe angebracht sein oder an dem Ringzylindersegment
angebracht sein oder als zwischen den beiden Komponenten angeordnete,
nicht an einer der beiden Komponenten anhaftende Schicht ausgestaltet
sein.
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Bei
Ringen kleinen Durchmessers (zum Beispiel im Bereich von wenigen
Zentimetern bis etwa 15 cm oder 20 cm) ist es auch möglich
das Magnetfluss-Joch als einen einzigen durchgehenden Ring, ggf.
mit einer Unterbrechung entlang seines Umfangs auszugestalten.
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Die
segmentierten Ringteile des Magnetfluss-Joches können an
der Außenwand oder an der Innenwand eines magnetisch nicht
wirksamen Rohres (zum Beispiel aus Aluminium) herum angeordnet sein.
An der entsprechenden anderen Wand (also der Innenwand bzw. der
Außenwand) kann die Wärmesenke zum Beispiel in
Form einer Fluidkühlung vorgesehen sein, bei der Kohlenwasserstoff,
(zum Beispiel Öl oder Alkohol), Wasser, Luft oder dergl. durch
einen oder mehrere entsprechend geformte Kanäle strömt.
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Jede
Tragscheibe kann als durchgehende kreisringförmige Scheibe
aus einem Material mit guter Wärmeleitung, wie Aluminium
oder dergl. gebildet sein. Ein Aspekt ist dabei, dass die Tragscheiben
aus magnetisch nicht oder wenig wirksamem Material gebildet sind.
Ein weiterer Aspekt kann sein, dass die Tragscheiben zwischen zwei
Magnetfluss-Jochen angeordnet ist, die jeweils unterschiedliche
Spulenanordnungen umgreifen. Weiterhin kann jeweils an beiden Stirnseiten
der Magnetfluss-Joche ebenfalls eine Tragscheibe vorgesehen sein,
die in diesem Fall nur mit einem Magnetfluss-Joch verbunden ist.
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Jede
Tragscheibe kann – durch entsprechende Formgebung und/oder
durch andere Maßnahmen – gegen Verdrehen gesichert
an einem Träger angeordnet sein. Der Träger kann
ein magnetisch nicht wirksames Rohr sein, auf das die (ebenfalls
aus magnetisch nicht wirksamem Material bestehende) Tragscheibe
aufgeschrumpft oder anders verdrehgesichert gehalten sein kann.
Als Einrichtungen zur mechanischen Positionierung der Ringzylindersegmente
an der Tragscheibe können Ausnehmungen, Erhebungen, oder
Vertiefungen für kraft- und/oder formschlüssige
Verbindung vorgesehen sein, die zum Zusammenwirken mit korrespondierend
gestalteten Einrichtungen an den Ringzylindersegmenten ausgebildet
sind. Die Tragscheibe kann in radialer Richtung, aber auch in Umfangsrichtung,
profiliert sein. Bei einer Variante ist der Tragring an seinem dem Tragrohr
näheren Rand dicker als an seinem dem Tragrohr ferneren
Rand.
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Die
Wärmesenke kann in einer Variante in dem Träger(rohr)
angeordnet und als Fluidkühlung, als Peltieremelent-Anordnung,
oder dergl. ausgebildet sein.
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Jedes
der Ringzylindersegmente kann eine Aufnahmestelle für zumindest
einen Abschnitt der jeweiligen Tragscheibe aufweisen. Die Aufnahmestelle ist
in diesem Fall so dimensioniert und an dem Ringzylindersegment so
angeordnet, dass ein Entwärmen des Ringzylindersegmentes
ermöglicht ist. Ein magnetischer Fluss längs einer
Richtung einer Mittellängsachse der Magnetfluss-Joche durch
diese ist dabei zumindest weitgehend unbeeinträchtigt.
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Die
Tragscheibe überdeckt in radialer Richtung etwa 10% bis
etwa 80%, vorzugsweise etwa 25% bis etwa 40% der radialen Erstreckung
des Ringzylindersegmentes.
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Jedes
der Ringzylindersegmente kann wenigstens eine (in axialer Richtung
des Magnetfluss-Joches gerichtete) Stirnfläche aufweisen,
mit der es wenigstens einem anderen der Ringzy lindersegmente zugewandt
ist, wobei die/jede Stirnfläche eine Stufe aufweisen kann,
so dass bei einander zugewandten Ringzylindersegmenten zwischen
deren jeweiligen Stirnflächen ein Zwischenraum gebildet ist.
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Weiterhin
kann jedes der Ringzylindersegmente zwei (in Umfangsrichtung des
Magnetfluss-Joches gerichtete) Seitenflächen aufweisen,
mit denen es in Umfangsrichtung des Magnetfluss-Joches wenigstens
einem anderen der Ringzylindersegmente zugewandt ist, wobei die
Seitenflächen zweier aneinander angrenzender Ringzylindersegmente
elektrisch gegeneinander isoliert sind.
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Zum
zumindest teilweisen Umgreifen der Spulenanordnung können
aufeinander zu gerichtete Ringzylindersegmente einander mit ihren
jeweiligen Stirnflächen teilweise in Umfangsrichtung der
Magnetfluss-Joche überlappen. Als aufeinander zu gerichtete
Ringzylindersegmente sind dabei solche verstanden, deren jeweilige
Magnetfluss-Pole versetzt zwischen einander greifen. Damit wird
das Auftreten von induzierten Strömen in Umfangsrichtung
des Ständers bzw. von nennenswertem axialem magnetischem
Fluss durch die Tragscheiben so gut wie vollständig ausgeschlossen.
Jedes Magnetfluss-Joch kann einteilig oder mehrteilig, zum Beispiel
zweiteilig, dreiteilig, vierteilig, fünfteilig, sechsteilig,
siebenteilig, achteilig, etc. aus einem Reineisenblech mit einer Materialdicke
zwischen etwa 1.5 Millimeter und etwa 5 Millimeter hergestellt sein
wobei alle dazwischen liegenden Werte als hier offenbart gelten.
Die Magnetfluss-Joche können auch aus gepresstem, gesintertem
Reineisenpulver oder aus eisenhaltigem Pulver hergestellt sein.
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Die
Ringzylindersegmente können als Gleichteile gestaltet sein.
Dies verringert den Fertigungsaufwand. Da die Segmente kompakter
sind als ein vollständiger Magnet-Jochring, erfordert das
Herstellen der Segmente im Pressverfahren auch nur Presseinrichtungen
geringerer Presskraft.
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Wenn
der Ständer die Spulenanordnung trägt und der
Läufer mit den Permanentmagnet-Elementen versehen ist,
vermeidet dies die Notwendigkeit bewegter (zum Beispiel rotierender)
Stromübergänge auf eine im Läufer vorhandene
Spulenanordnung.
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Der
Luftspalt zwischen den Magnetfluss-Polen und den Permanentmagnet-Elementen
kann zwischen etwa 0,1 Millimeter und etwa 1,5 Millimeter oder mehr
betragen, wobei auch alle dazwischen liegenden Werte als hier offenbart
gelten.
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Die
Seitenbereiche der Magnetfluss-Joche können voneinander
beabstandete Stege haben, welche die Magnetfluss-Pole bilden. Stege
eines Magnetfluss-Joches können dabei soweit von einander beabstandet
sein, dass sie und entsprechend geformte Stege eines gegenüber
befindlichen Magnetfluss-Joches wie Finger zweier Hände
ineinander greifen. Stege eines Magnetfluss-Joches können eine
im Wesentlichen quaderförmige Gestalt haben. Es ist auch
möglich, ihnen eine sich zu ihren Enden hin in der Breite
und/oder der Höhe verjüngende Gestalt zu geben.
Diese Formgebung verringert oder minimiert die magnetischen Streuflüsse
zwischen benachbarten Stegen der Magnetfluss-Joche.
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Jedes
Magnetfluss-Joch hat einen im Wesentlichen ebenen Bodenbereich mit
einer zentralen Öffnung, um jedes Magnetfluss-Joch drehsicher
auf einem Ständerträger anzuordnen. Dazu ist die Öffnung
im Querschnitt nicht kreisrund und der Ständerträger
als im Querschnitt annähernd gegengleich geformter Zylinder
ausgestaltet. Der Ständerträger ist ein zylindrisches
Rohr, das aus magnetisch nicht wirksamem Material (zum Beispiel
Aluminium oder dergl.) geformt ist.
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Die
Permanentmagnet-Elemente können als Press-, Guss- oder
Schnitt-Teile aus einer AlNi- oder AlNiCo-Legierung, aus Barium-
oder Strontiumferrit, aus einer SmCo-, oder NdFeB-Legierung gebildet sein.
Damit sind Energieprodukte (BH)max von Permanentmagneten
im Bereich von etwa 30 bis etwa 300 Kilojoule/Kubikmeter – auch
im erhöhten Temperaturbereich von etwa 150 bis etwa 180
Grad Celsius – erreichbar.
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Die
Permanentmagnet-Elemente können auch als Bauteile aus magnetischen
Pulverteilchen eingebettet in temperaturbeständige Kunststoffbinder
enthaltend zum Beispiel Polyamid, Polyphensulfid, Duroplast, Epoxidharz,
oder dergl. gebildet sein. Es kann sich bei dem Kunststoffbinder
auch um Methacrylatklebstoff, Epoxidharzklebstoff, Polyurethanklebstoff,
Phenolharzklebstoff, Epoxidharz mit Faserverstärkung, oder
hydrophobiertes Epoxidgießharz handeln.
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Des
Weiteren können die Permanentmagnet-Elemente eine im Wesentlichen
quaderförmige Gestalt haben. Sie können eine Gestalt
haben, die im Wesentlichen mit der Gestalt der Stege der Magnetfluss-Joche übereinstimmt;
sie können in der Draufsicht zum Luftspalt hin also rechteckig,
trapez- oder dreieck-, bzw. rautenförmig, oder dergl. sein.
Dabei kann zum Erreichen eines im Spaltmaß im Wesentlichen
konstanten Luftspaltes die Kontur der Magnetfluss-Joche (konkav
oder konvex) gegengleich in die Permanentmagnet-Elemente eingearbeitet
sein.
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In
dem Gehäuse der Axialflussmaschine oder außen
daran angebracht kann eine elektronische Steuereinheit vorgesehen
sein, die mit einer Stromversorgung zu verbinden und mit einem Positions-
oder Winkelsollsignal zu speisen ist, und die mit einem Drehbewegungen
der Axialflussmaschine erfassenden Drehpositions- oder Drehwinkelgeber
zu verbinden ist, um die Spulenanordnung entsprechend anzusteuern.
Auch eine sensorlose Pollageerfassung ist möglich.
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Zur
Bildung der Spulenanordnung können Kupferlackdraht, Kupferflachbänder,
oder Kupferlitzen bestehend aus lackisolierten Einzelleitern verwendet
werden, die miteinander verdrillt oder verflochten sind. Mit derartigen
Litzen kann der Erhöhung des Leiterwiderstandes bei höheren
Frequenzen entgegengewirkt werden.
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Die
Spulenanordnung kann in einem magnetisch nicht wirksamen Spulenkörper
(zum Beispiel aus Kunststoff) aufgenommen sein, der einen bis zu einer
Elektronikplatine im Innern oder außerhalb der Axialflussmaschine
reichenden Anschlusskanal aufweist. Dies erleichtert die Montage
erheblich.
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Jedes
der Magnetfluss-Joche kann mehrere zueinander benachbarte Magnetfluss-Pole
aufwiesen, die entlang des Umfangs, außer an einer Stelle, an
der ein Magnetfluss-Pol fehlt, gleichmäßig verteilt angeordnet
sind. Anstatt eines fehlenden Magnetfluss-Pols können auch
mehrere Magnetfluss-Pole und/oder Teile eines Magnetfluss-Pols weggelassen werden,
je nachdem, welchen Raumbedarf der Anschlusskanal bzw. die Anschlussleitung
in Umfangsrichtung hat. Durch diese Ausgestaltung kann an der Stelle,
an der der Magnetfluss-Pol fehlt, der Anschlusskanal von dem Kunststoffspulenkörper
zwischen den Magnetfluss-Polen zu der Elektronikplatine führen.
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Vorgestellt
wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Läufers einer
elektrischen Axialflussmaschine mit Permanentmagnet-Elementen. Dieses Verfahren
hat folgende Schritte:
Bereitstellen eines weichmagnetischen
Tragkörpers;
Aufbringen einer die Position der Permanentmagnet-Elemente
festlegenden Matrix auf den Tragkörper;
Einfügen
der Permanentmagnet-Elemente in die Matrix auf dem Tragkörper;
Beschichten
des Tragkörpers und der Permanentmagnet-Elemente mit einer
zumindest eine Lage aufweisenden, magnetisch nicht wirksamen, die
Permanentmagnet-Elemente zumindest teilweise aufnehmenden Tragschicht;
und
Entfernen des Tragkörpers.
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Der
Schritt des Aufbringens einer die Position der Permanentmagnet-Elemente
festlegenden Matrix auf den Tragkörper kann das Aufbringen
eines Rasters zum Beispiel aus Wachs, aus Kunststoff, oder dergl.
umfassen. Wenn das Raster aus Kunststoff, aus Papier, Karton, oder
dergl. geformt ist, können die Permanentmagnet-Elemente
beim Aufbringen der Matrix bereits in dieser eingefasst sein, oder erst
nachträglich durch einen Platzierschritt in die Matrix
eingesetzt werden, wenn diese sich bereits auf dem Tragkörper
befindet.
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Die
Matrix kann dabei die Position der Permanentmagnet-Elemente sowohl
in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung des Tragkörpers
festlegen. Es ist auch möglich, dass die Matrix die Position
der Permanentmagnet-Elemente lediglich in Längsrichtung
des Tragkörpers festlegt, während die Position
der Permanentmagnet-Elemente in Umfangsrichtung sich dadurch einstellt,
dass sich die Permanentmagnet-Elemente gegenseitig abstoßen und
dabei in Umfangsrichtung auf dem weichmagnetischen Tragkörper
verrutschen und dabei jeweils gleiche Abstände zueinander
einnehmen. Dies erfordert einen reibungsarmen Kontakt der Permanentmagnet-Elemente
mit dem weichmagnetischen Tragkörper.
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Der
Schritt des Entfernen des Tragkörpers kann das Verlorengeben
der Matrix umfassen.
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Der
Schritt des Aufbringens der Matrix auf den Tragkörper kann
das Aufbringen einer Matrix umfassen, welche die Position der Permanentmagnet-Elemente
in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung des Tragkörpers
festlegt.
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In
einer anderen Variante werden die Permanentmagnet-Elemente nicht
als einzelne Magnetelemente in die Matrix auf den Tragkörper
gebracht. Vielmehr sind entweder Ringe oder Stäbe mit in
ihrer (Umfangs- bzw. Längs-)Erstreckung abwechselnder Magnetisierung
versehen, so dass sich die Handhabung und Anbringung vereinfacht.
Ungeachtet des Umstandes, ob es sich um einzelne Magnetelemente oder
um abwechselnd magnetisierte Ringe oder Stäbe handelt,
können diese erst kurz vor ihrer Montage an dem Tragkörper
abschnitts- oder zonenweise mit entsprechender Polarisierung aufmagnetisiert
werden.
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Um
die zur Aufmagnetisierung notwendigen, hohen magnetischen Feldstärken
bereitzustellen, sind Induktoren erforderlich, die hohe Stromdichten bei
geringem Bauraum bzw. seitlichen Abmessungen tragen können.
Da herkömmliche Kupferinduktoren diese Anforderungen kaum
erfüllen können, können auf einen Keramikträger,
zum Beispiel aus Siliziumnitrid, aufgebrachte Kupferleitungen verwendet
werden. Der Keramikträger kann sehr effizient an der von der
Kupferleitungen abgewandten Seite oder mit darin verlaufenden Kühlkanälen
gekühlt werden. Damit erlaubt eine derartige Anordnung
auch sehr feine Strukturen zu magne tisieren, also eine sehr feine Polteilung
(viele Nord-Süd-Magnete pro Streckeneinheit) zu realisieren.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen
werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich,
in der auch auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen
ist.
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1 ist
eine schematische Längsschnittdarstellung einer Axialflussmaschine.
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2 ist
eine schematische seitliche Teildarstellung von Magnetfluss-Jochen.
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3 ist
eine schematische perspektivische Darstellung eines Ringzylindersegmentes
eines Magnetfluss-Joches.
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4 ist
eine schematische Darstellung eines Magnetfluss-Joches von oben.
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5 ist
eine schematische Darstellung eines Magnetfluss-Joches von unten.
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6 zeigt
eine schematische vergrößerte Schnittdarstellung
eines Magnetfluss-Joches mit zwei ineinander gesetzten Segmenten
und einer darin aufgenommenen Spulenanordnung.
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7 zeigt
eine schematische perspektivische Darstellung einer Tragscheibe.
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8 ist eine schematische Schnittdarstellung
durch zwei benachbarte Magnetfluss-Joche mit jeweils zwei ineinander
gesetzten Segmenten und darin aufgenommenen Spulenanordnungen, wobei die
Segmente der Magnetfluss-Joche durch Tragscheiben an einem Tragrohr
gehalten sind.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
eine als Axialflussmaschine ausgestaltete elektrische Maschine in
Form einer Außenläufermaschine. Die Axialflussmaschine 10 hat einen
Ständer 12 und einen Läufer 14.
Der Läufer 14 hat einen becherförmigen
Träger 14a für Permanentmagnet-Elemente
N, S. Der Ständer 12 hat mehrere (hier zwei) Spulenanordnungen 28.
Jede Spulenanordnung 28 des Ständers 12 hat
eine kreisringzylindrische Wicklung und ist von zwei im Wesentlichen kreisringförmigen
Magnetfluss-Jochen 30 umgriffen. Jedes der kreisringförmigen
Magnetfluss-Joche 30 hat Seitenbereiche mit Magnetfluss-Polen 32.
Die Außenseiten der Magnetfluss-Pole 32 sind zu
den in Permanentmagnet-Elementen N, S des Läufers 14 hin
orientiert.
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Zwischen
dem Läufer 14 und dem Ständer 12 ist
ein ringzylindrischer Luftspalt 16 gebildet. Die magnetische
Orientierung zueinander benachbarter Permanentmagnet-Elemente N,
S des Läufers 14 ist zu dem Luftspalt 16 hin
jeweils abwechselnd. In bestimmten Positionen des Läufers 12 relativ
zum Ständer 14 sind die Permanentmagnet-Elemente
N, S mit den Magnetfluss-Pole 32 des Läufers 12 fluchtend ausgerichtet.
Die Permanentmagnet-Elemente sind hier zum Beispiel aus einer SmCo-
oder NdFeB-Legierung gebildet. Die Magnetfluss-Joche 30 haben mehrere
Segmente und sind als Press-/Sinterteile aus Reineisenpulver ausgebildet.
Mit dem Läufer 14 ist eine Abtriebswelle 26 drehfest
verbunden, zum Beispiel verschweißt.
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Wie
in den Fig. zu sehen ist, haben die Magnetfluss-Joche 30 im
Querschnitt eine etwa U-förmige Gestalt mit einem äußeren
und einem inneren Seitenbereich 32, 34, die zusammen
mit einem zwischen diesen befindlichen ebenen Verbindungsbereich 36 das
U-förmige Profil ergeben. In der vorliegenden Variante
sind die äußeren Seitenbereiche 34 der
Magnetfluss-Joche 30 als an ihrem Umfang angeformte Vielzahl
voneinander beabstandeter Stege ausgestaltet, welche die Magnetfluss-Pole 34 bilden. Die
Stege 34 eines Magnetfluss-Joches 20 sind soweit
voneinander beabstandet, dass sie und entsprechend geformte Stege 34 eines
dagegen gerichteten Magnetfluss-Joches 30 finger- oder
krallenartig ineinander greifen und so die Spulenanordnung 28 an
ihrer Außenseite umgreifen und einfassen. Jedes Magnetfluss-Joch 30 hat
so einen im Wesentlichen ebenen Bodenbereich 36 mit einer
zentralen Öffnung 38. Zur Erhöhung der
mechanischen Stabilität der Gesamtanordnung kann neben
der Spulenanordnung 28 zwischen die Magnetfluss-Joche 20 ein
keilförmiger Ring 48 aus elastisch verformbarem
Kunststoff eingelegt sein, der bei der Montage in axialer Richtung
zusammengepresst wird (siehe 6).
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Jedes
der ringförmigen Magnetfluss-Joche 30, 30' ist
aus mehreren, hier sechs, Ringzylindersegmenten 30a, 30b,
... 30f gebildet (siehe 2, 3).
Zwischen einander benachbarten Magnetfluss-Jochen 30, 30' ist
jeweils eine Tragscheibe 40 für die Ringzylindersegmente 30a, 30b,
... 30f der Magnetfluss-Joche angeordnet. Die Tragscheibe 40 hat
Einrichtungen in Form von Ausnehmungen, Erhebungen 40' oder
Vertiefungen 40''. In 7 sind nur einige
der an jeder Tragscheibe 40 in regelmäßigen Abständen
entlang des gesamten Umfangs an der Oberseite und der Unterseite
vorgesehenen Erhebungen 40' oder Vertiefungen 40'' veranschaulicht. Sie
reichen im montierten Zustand der Tragscheibe mit den Magnetfluss-Jochen
in entsprechend dimensionierte Ausnehmungen 35 der Ringzylindersegmente 30a, 30b,
... 30f und dienen zur mechanischen Positionierung der
Ringzylindersegmente 30a, 30b, ... 30f in
radialer und in Umfangsrichtung. An den beiden Stirnseiten des Stapels
aus Magnetfluss-Jochen 30, 30' ist ebenfalls jeweils
eine Tragscheibe 40 angeordnet.
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Jede
Tragscheibe 40 ist zur Sicherstellung einer hohen mechanischen
Stabilität der Gesamtanordnung der Magnetfluss-Joche 20, 20' als
durchgehende kreisringförmige Scheibe ausgestaltet. Um
die Magnetfluss-Joche 20, 20' – und die
von ihnen eingefassten Spulenanordnungen 28 – während
des Betriebes gut zu entwärmen, sind die Tragscheiben 40 aus
einem Material mit guter Wärmeleitung, wie Aluminium oder
dergl. gebildet ist. Weiterhin sind die Tragscheiben 40 aus
magnetisch nicht oder wenig wirksamem Material gebildet – auch
hier für ist Aluminium gut geeignet. Schließlich
sind die Tragscheiben 40 jeweils zwischen zwei Magnetfluss-Jochen 20, 20' angeordnet,
die jeweils unterschiedliche Spulenanordnungen 14, 14' umgreifen.
Da die Tragscheibe 40 aus Aluminium eloxiert ist, wirkt
sie außerdem auch elektrisch isolierend. Die Tragscheibe 40 kann
auch mit Kunststoff, Lack, Glas, oder einem anderen elektrisch isolierenden
aber Wärme gut leitenden Stoff beschichtet sein. Es ist
auch möglich, die Magnetfluss-Joche 20, 20' mit
einem dieser Stoffe zu beschichten, oder eine separate Isolierschicht
zwischen die Magnetfluss-Joche 20, 20' und die
Tragscheibe 40 einzubringen.
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Jede
Tragscheibe 40 ist gegen Verdrehen gesichert an einem Träger 42 angeordnet,
der in den gezeigten Varianten ein Tragrohr 42 ist. Zum
Sichern dient in der in 7 veranschaulichten Variante
eine Nut 44 in der Tragscheibe 40, in die ein
gegengleich geformter Vorsprung am (inneren oder äußeren)
Umfang des Träger(rohr)s 42 eingreift. Alternativ
dazu (siehe 1) kann auch eine Längsnut 44' in
dem Träger 42 vorgesehen sein, in die ein gegengleich geformter
Vorsprung 46' am (inneren oder äußeren) Umfang
der Tragscheibe 40 eingreift.
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Das
Tragrohr 42 ist mit Kanälen 50 zur Durchleitung
von Kühlflüssigkeit ausgestattet, damit über
die Tragscheiben 40 abgeleitete Verlustwärme aus
den Magnetfluss-Jochen 20 abgeführt werden kann.
Dazu ist die Tragscheibe 40 in engem Wärme leitendem
Kontakt mit den Magnetfluss-Jochen 20 ohne dabei die Magnetflussführung
durch die Magnetfluss-Joche 20 nennenswert zu beeinträchtigen. Die
Tragscheibe 40 reicht in der gezeigten Variante in radialer
Richtung etwa 1/3 der radialen Erstreckung des Ringzylindersegmentes 20 von
der Tragrohrwand. In der hier veranschaulichten Variante hat die Tragscheibe
einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Zur Verbesserung
des Wärmeübergangs von der Tragscheibe zu der
Tragrohrwand kann der Querschnitt der Tragscheibe auch keilförmig
sein, wobei die der Tragrohrwand zugewandte Flanke der Tragscheibe
größer ist als die zwischen die Magnetfluss-Joche 20 reichende
Flanke (siehe 8).
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Jedes
der Ringzylindersegmente 30a, 30b, ... 30f hat
an seinem radial innen liegenden Seitenbereich 34 eine
Stirnfläche 34a, in die an einem Ende eine Stufe 34b eingearbeitet
ist (siehe 3). Wenn in montiertem Zustand
der Ringzylindersegmente die Stirnflächen 34a einander
zugewandt sind, entsteht zwischen deren jeweiligen Stirnflächen 34a ein
Zwischenraum 37. Weiterhin hat jedes der Ringzylindersegmente
zwei Seitenflächen 38a, 38b, mit denen
es in Umfangsrichtung des Magnetfluss-Joches 20 jeweils
einem anderen der Ringzylindersegmente zugewandt. Dabei sind die
Seitenflächen 38a, 38b zweier aneinander
angrenzender Ringzylindersegmente elektrisch gegeneinander isoliert,
indem ein Luftspalt 39 zwischen ihnen vorgesehen ist. Nachdem
die Ringzylindersegmente mit den in ihnen aufgenommenen Spulenanordnungen
fertig montiert sind, können die Luftspalte und die Zwischenräume 37,
aber auch andere Hohlstellen in der Anordnung mit Harz oder Klebstoff
ausgefüllt werden.
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Die
Ringzylindersegmente sind als Gleichteile gestaltet. Ringzylindersegmente,
deren Magnetfluss-Joche fingerartig ineinander greifen sind einander
mit ihren jeweiligen Stirnflächen teilweise in Umfangsrichtung
der Magnetfluss-Joche überlappend (etwa nach Art einer
Ziegelmauerung) angeordnet, was die mechanische Stabilität
der Gesamtanordnung weiter erhöht.
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Die
Permanentmagnet-Elemente N, S sind aus einem Magnetwerkstoff gebildet
und haben eine im Wesentlichen quaderförmige Gestalt.
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Die
Spulenanordnung ist als Ringzylinderspule aus Litzen, bestehend
aus miteinander verdrillten oder verflochtenen lackisolierten Einzelleitern,
in einem Spulenkörper 50 aus Kunststoff gewickelt.
Der Spulenkörper 50 hat einen Anschlusskanal 52,
der von der Außenseite des Spulenkörpers 50 bis
zu einer Steuerungs-Elektronikplatine 54 außerhalb
der Axialflussmaschine reicht. Entlang des Umfangs der Magnetfluss-Joche
fehlt jeweils an einer gleichen Stelle ein Magnetfluss-Pol. Dort
führt der Anschlusskanal 52 von dem Kunststoffspulenkörper 50 zwischen
den Magnetfluss-Polen zu der Steuerungs-Elektronikplatine 54.
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Zur
Bildung der Spulenanordnung können Litzen bestehend aus
lackisolierten, miteinander verdrillten oder verflochtenen Einzelleitern
verwendet werden. Dies wirkt der Erhöhung des Leiterwiderstandes
bei höheren Frequenzen entgegen. In einem elektrischen
Leiter entstehen durch magnetische Felder des Wechselstromes Wirbelströme,
die dem Stromfluss entgegenwirken. Diese Wirbelströme nehmen
bei höheren Frequenzen zu. Zum Gleichstromwiderstand addiert
sich demnach ein von der Frequenz abhängiger Wechselstrom-Wirkwider stand.
Die Wirbelstromverluste sind beim Grund der durch die Magnetfluss-Joche
gebildeten Nut am größten und nehmen nach außen
zum Luftspalt hin ab. Um die vorgenannten Verluste so gering wie möglich
zu halten, wird der Leiterquerschnitt reduziert, was weniger Wirbelstromverluste
hervorruft und führt dafür mehrere Leiter parallel.
Um die Strom-Asymmetrie der einzelnen Leiter auszugleichen, werden
die Leiter miteinander verdrillt oder verseilt. Die Verdrillung
ist so gewählt, dass über die Länge der
Litze gesehen die Position eines Drahtes gleichmäßig
zwischen dem Nutgrund und der Nutöffnung abwechselt.
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Der
Einzelleiterquerschnitt sollte mit steigender Frequenz abnehmen;
im Bereich um 1 kHz sollte der Einzelleiterquerschnitt etwa 0.4
mm betragen. Zur Verbesserung des Füllfaktors (Rauminhalt
des Wickelraumes bezogen auf den Rauminhalt der elektrischen Leiters)
setzt man vorzugsweise Litzen mit rechteckigem Profil ein. Der Füllfaktorgewinn
ergibt sich aus der Verdichtung der Litze, der besseren Füllung
des Wickelraumes durch die Rechteckgeometrie. Der Einzelleiter kann
eine oder mehrere Umspinnungen/Umflechtungen mit unterschiedlichen
Garnen, z. B. Polyamid, Baumwolle, Glas, Polyester, Aramid, usw.
haben. Auch können eine oder mehrere Bandagierungen mit
Polyesterfolien, Polyimidfolien, Aramidpapier, Glasbänder,
etc. eingesetzt sein. Isolationen aus klebebeschichteten Folien
wie Polyester und Polyimid werden wärmebehandelt, um eine
gut verklebte Isolation zu erreichen. Kombinationen der vorgenannten
Maßnahmen sind ebenfalls einsetzbar. Anstelle der Litzen
kann auch eine massive Kupferleitung aus einem Kupferband die Wicklung
bilden. Auch hierbei kann die Leitung verdrillt werden. Das Kupferband
sollte in Richtung der Nut dünn sein.
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Zur
Herstellung einer Permanentmagnetanordnung für die vorstehend
beschriebene elektrischen Axialflussmaschine wird vorgeschlagen,
einen magnetisch wirksamen zylindrischen Tragkörper, zum
Beispiel ein Rohr aus Eisen, bereitzustellen. Je nach dem, ob bei
der Axialflussmaschine die Permanentmagnetanordnung in einer Außenläufer-
oder in einer Innenläuferkonfiguration umlaufen soll, ist
der Außendurchmesser oder der Innendurchmesser des Rohres
auf den Durchmesser der Magnetfluss-Joche einschließlich
des Luftspaltes abzustimmen. Auf in Innen- oder Außenwand
des Rohres wird dann eine die Position der Permanentmagnet-Elemente
in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung festlegenden Matrix
auf den Tragkörper aufgebracht. Diese Matrix kann aus Wachs,
aus Papier, aus Kunststoff, oder dergl. sein. Entweder sind die
Permanentmagnet-Elemente in abwechselnder – schachbrettartiger – Orientierung
bereits in die Matrix eingesetzt, wenn die Matrix auf den Tragkörper
aufgebracht wird. Alternativ können die Permanentmagnet-Elemente
auch in die Matrix eingebracht werden, wenn sich diese bereits auf
dem Tragkörper befindet.
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Anschließend
wird der Tragkörper mit der Matrix und den Permanentmagnet-Elementen
mit einer zumindest eine Lage aufweisenden, magnetisch nicht wirksamen,
die Permanentmagnet-Elemente zumindest teilweise aufnehmenden Tragschicht
umgeben. Dazu kann das bestückte Tragrohr in eine Gieß-
oder Spritzform gebracht werden, die je nach Außen- oder
Innenläuferkonfiguration das Tragrohr umgibt oder in dieses
eingeführt wird. Dann wird die Tragschicht aufgebracht
(gegossen oder gespritzt). Nach dem Aushärten wird das
Tragrohr von der Gieß- oder Spritzform getrennt und das
die ausgehärtete Tragschicht mit den Permanentmagnet-Elementen
von dem Tragkörper entfernt. Die Matrix ist somit als verlorenes
Formteil ausgestaltet.
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Die
Matrix legt in einer Variante die Position der Permanentmagnet-Elemente
sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung des
Tragkörpers festlegen. In einer anderen Variante legt die
Matrix lediglich die Position der Permanentmagnet-Elemente in Längsrichtung
des Tragkörpers fest. Die Position der Permanentmagnet-Elemente
in Umfangsrichtung stellt sich bei dieser Variante dadurch ein, dass
sich die Permanentmagnet-Elemente gegenseitig abstoßen
und dabei in Umfangsrichtung auf dem weichmagnetischen Tragkörper
verrutschen. Dazu ist der Kontakt der Permanentmagnet-Elemente mit dem
weichmagnetischen Tragkörper reibungsarm realisiert, indem
zum Beispiel der Tragkörper mit einem reibungsverringernden
Belag (Tetraflouräthylen oder dergl.) beschichtet ist.
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In
einer anderen Variante werden die Permanentmagnet-Elemente nicht
als einzelne Magnetelemente in die Matrix auf den Tragkörper
gebracht, sondern als Ringe mit in ihrer Umfangserstreckung abwechselnder
Magnetisierung versehen. Die einzelnen Ringe werden dann auf den
Tragkörper auf- oder in den Tragkörper eingeschoben.
Alternativ zu den Ringen können dies auch langgestreckte
Stäbe oder Schraubenwendelabschnitte sein. Die einzelnen
Magnetelemente oder die magnetisierten Ringe oder Stäbe
können erst kurz vor ihrer Montage an dem Tragkörper
abschnitts- oder zonenweise mit entsprechender Polarisierung aufmagnetisiert
werden.
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Dazu
dienen Induktoren, die hohe Stromdichten bei geringem Bauraum bzw.
seitlichen Abmessungen tragen können. Diese Induktoren
haben auf einen Keramikträger, zum Beispiel aus Siliziumnitrid,
aufgebrachte Kupferleitungen. Der Keramikträger kann an
der von der Kupferleitungen abgewandten Seite (mit Wasser, Öl,
flüssigem Stickstoff oder dergl.) gekühlt werden.
Damit ist eine sehr feine Polteilung der Magnetelemente zu realisieren.
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Die
vorstehend erläuterten Details sind zwar im Zusammenhang
dargestellt; sie sind jedoch auch unabhängig von einander
und auch frei miteinander kombinierbar.
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Die
in den Fig. gezeigten Verhältnisse der einzelnen Teile
und Abschnitte hiervon zueinander und deren Abmessungen und Proportionen
sind nicht einschränkend zu verstehen. Vielmehr können
einzelne Abmessungen und Proportionen auch von den gezeigten abweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19547159
A1 [0003]
- - EP 0952657 A2 [0004]
- - DE 3904516 C1 [0005]
- - DE 102005036041 A1 [0006]
- - DE 69927564 T2 [0007]