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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Synchronmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Permanentmagneterregte Synchronmaschinen werden als Elektromotor oder Generator für verschiedenste technische Anwendungen eingesetzt. Die Synchronmaschine weist einen Statur und einen Rotor auf. Am Statur sind Elektromagnete und am Rotor sind Permanentmagnete angeordnet. Die Permanentmagnete sind beispielsweise als Seltenerd-Permanentmagnete ausgebildet.
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Die Seltenerd-Permanentmagnete sind im Allgemeinen gut elektrisch leitfähig, so dass diese auch in der Lage sind, Wirbelströme zu leiten. Aufgrund einer Nutung des Stators und der Anordnung einer Statorbewicklung in diesen Nuten kommt es zu Modulationen des Magnetfeldes auch am Ort der Permanentmagnete. Dadurch kommt es zu einer Wirbelstrombildung in den Permanentmagneten. Der Wirbelstrom in den Permanentmagneten führt aufgrund des elektrischen Widerstandes in den Permanentmagneten zu einer Erwärmung der Permanentmagnete. Seltenerd-Permanentmagnete werden im Allgemeinen ab einer Temperatur von ungefähr 180° entmagnetisiert; dies führt zu einer bleibenden Absenkung der Leistungsfähigkeit der Synchronmaschine. Um eine derartige Entmagnetisierung und dem damit verbunden Leistungsabfall der Synchronmaschine zu verhindern, ist im Allgemeinen ein aufwendiges Kühlen der Permanentmagnete, z. B. mit Sprühöl oder einem Luftkreislauf, notwendig.
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Die
DE 10 2004 058 046 A1 zeigt eine permanentmagneterregte Synchronmaschine mit einem Läufer und einem Ständer, der ein dreisträngiges, mit Zahnspulen aufgebautes Wicklungssystem aufweist.
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Aus der
DT 26 08 421 A1 ist eine dauermagneterregte Innenläufer-Synchronmaschine mit einem Läufer bekannt, der in axialer Richtung aus wenigstens zwei Teilpaketen sowie gegen diese anliegende, fest auf einer ferromagnetischen Welle sitzenden amagnetischen Tragscheiben zusammengesetzt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäße permanentmagneterregte Synchronmaschine, umfassend einen Stator mit Elektromagneten, einen Rotor mit Permanentmagneten, von dem um eine Rotationsachse eine Rotationsbewegung ausführbar ist, wobei am Rotor zwischen den Permanentmagneten und dem Stator wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, wenigstens ein elektrischer Leiter zur Verringerung von Wirbelstrom in den Permanentmagneten ausgebildet ist. Der wenigstens eine Leiter ist zusammen mit den Permanentmagneten am Rotor angeordnet. Damit führt der wenigstens eine elektrische Leiter und die Permanentmagneten eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse des Rotors aus. Aufgrund einer Nutung des Stators und der Anordnung der Elektromagnete bzw. deren Wicklung in den Nuten kommt es zu einer Modulation des Magnetfeldes und einer Wirbelstrombildung in dem wenigstens einen Leiter. Der sich in dem wenigstens einen elektrischen Leiter ausbildende Wirbelstrom führt zum Aufbau eines eigenen, abschirmenden Magnetfeldes, so dass sich in den Permanentmagneten kein oder im Wesentlichen kein Wirbelstrom ausbildet. In vorteilhafter Weise erwärmen sich damit die Permanentmagnete nicht oder nur in geringfügiger Weise, weil in den Permanentmagneten kein oder nur ein sehr geringer Wirbelstrom vorhanden ist. Dadurch kann bei der Synchronmaschine auf eine aufwendige Kühlung der Permanentmagnete verzichtet werden und andererseits ist die Leistungsfähigkeit der Synchronmaschine ständig gewährleistet.
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Insbesondere ist der wenigstens eine Leiter im Wesentlichen koaxial zu der Rotationsachse des Rotors ausgebildet.
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In einer weiteren Ausgestaltung besteht der wenigstens eine Leiter wenigstens teilweise aus Metall, z. B. Kupfer oder Aluminium oder einem gut elektrisch leitfähigem Material, z. B. keramische Werkstoffe.
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In einer ergänzenden Ausführungsform beträgt die elektrische Leitfähigkeit des wenigstens einen Leiters wenigstens 105 S/m oder 106 S/m, vorzugsweise wenigstens 3·106 S/m oder 4·106 S/m. Eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit des wenigstens einen Leiters ist erforderlich, damit im wenigstens einen Leiter ausreichender Wirbelstrom fließen kann und das Fließen des Wirbelstromes in dem wenigstens einen Leiter nur eine sehr geringe Erwärmung des Leiters bedingt.
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Vorzugsweise ist der wenigstens eine Leiter an einer dem Stator zugewandten Seite der Permanentmagnete ausgebildet. Die Modulation des Magnetfeldes zwischen den Elektromagneten des Stators und den Permanentmagneten ist im Wesentlichen an der dem Stator zugewandten Seite der Permanentmagneten vorhanden, so dass die Abschirmung der Permanentmagneten mittels des wenigstens einen Leiters nur dann sinnvoll ausgeführt werden kann, wenn der wenigstens eine Leiter an der dem Stator zugewandten Seite der Permanentmagnete ausgebildet oder angeordnet ist.
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In einer Variante ist der wenigstens eine Leiter, insbesondere scheibenartig oder plattenförmig, z. B. als gekrümmte Scheibe oder Platte, nur an den Permanentmagneten ausgebildet oder der Leiter ist ein Zylinder, der den kompletten Rotor umschließt oder ein Zylindersegment. Ist der wenigstens eine Leiter nur an den Permanentmagneten ausgebildet, bedeutet dies, dass der wenigstens eine Leiter nur im Bereich einer dem Stator zugewandten Seite des Permanentmagneten ausgebildet ist. Ist der wenigstens eine Leiter nur an den Permanentmagneten ausgebildet, ist der wenigstens eine Leiter nur an einer radialen Verlängerung der Permanentmagnete ausgebildet. Dabei kann der wenigstens eine Leiter, sofern dieser nur an den Permanentmagneten ausgebildet ist, in axialer Richtung des Rotors auch durchgehend ausgebildet sein, wenn die Permanentmagnete in axialer Richtung nicht durchgehend ausgebildet sind. Ferner kann die axiale Unterteilung der Permanentmagnete der axialen Unterteilung der wenigstens einen Leiter entsprechen.
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Zweckmäßig entspricht das Produkt aus einer Querschnittsfläche und der elektrischen Leitfähigkeit des Leiters im Wesentlichen dem Produkt aus der Querschnittsfläche und der elektrischen Leitfähigkeit des Permanentmagneten, wobei eine Schnittebene für die Querschnittsflächen senkrecht auf der Rotationsachse des Rotors steht und die Querschnittsfläche des Leiters für das Produkt diejenige Querschnittsfläche, ein ganzes oder ein Teil der gesamten Querschnittsfläche des Leiters, ist, die dem Permanentmagneten zugeordnet ist. Diejenige Querschnittsfläche des Leiters, die dem Permanentmagneten zugeordnet ist, ist diejenige Querschnittsfläche, welche an dem der Stator zugewandten Seite der Permanentmagnete ausgebildet ist und/oder welche einer radialen Verlängerung der Permanentmagneten in Richtung zu dem wenigstens einen Leiter entspricht. Ist beispielsweise der Leiter ein Zylinder, ist nicht die gesamte Querschnittsfläche des Zylinders die für das Produkt maßgebliche Querschnittsfläche, sondern nur derjenige Teil der Querschnittsfläche des Zylinders, welcher an der dem Stator zugewandten Seite des Permanentmagneten ausgeführt ist und einer radialen Verlängerung der Permanentmagneten entspricht.
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In einer weiteren Ausführungsform entspricht das Produkt aus der Querschnittsfläche und der elektrischen Leitfähigkeit des Leiters mit einer Abweichung von weniger als 100%, 70%, 50%, 30%, 20%, 10%, 5%, 2% oder 1% dem Produkt aus der Querschnittsfläche und der elektrischen Leitfähigkeit des Permanentmagneten.
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Insbesondere sind die Permanentmagnete Seltenerd-Permanentmagnete. Seltenerd-Permanentmagnete umfassen beispielsweise das Element Eisen (Fe) und zusätzlich die Elemente Fermium (Fm) und Cobalt (Co) oder zusätzlich die Elemente Neodym (Nd), Eisen (Fe) und Bor (B). Seltenerd-Permanentmagnete sind gut elektrisch leitfähig, werden jedoch in einer Synchronmaschine ab einer Temperatur ab 180° entmagnetisiert. Aufgrund des wenigstens einen Leiters kommt es in den Seltenerd-Permanentmagneten zu keiner oder nur zu eine sehr geringen Wirbelstrombildung, so dass sich die Seltenerd-Permanentmagnete nicht erwärmen, d. h. kein Abfall der Leistungsfähigkeit der Synchronmaschine auftritt.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist zwischen dem wenigstens einem Leiter und den Permanentmagneten eine elektrische und/oder thermische Isolierung angeordnet. Der wenigstens eine Leiter kann sich aufgrund des Wirbelstromes in dem wenigstens einen Leiter geringfügig erwärmen. Die Isolierung verhindert oder verringert Wärmeleitung von dem wenigstens einen Leiter auf die Permanentmagnete, so dass dadurch eine mögliche Erwärmung der Permanentmagnete noch weiter verringert oder vermieden werden kann.
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In einer ergänzenden Variante besteht die Isolierung wenigstens teilweise aus Papier und/oder Kunststoff.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die Permanentmagnete mit einer Isolierschicht und dem wenigstens einen Leiter vorgefertigt.
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In einer weiteren Variante besteht der Rotor wenigstens teilweise aus Blechplatten oder geschichteten Blechen.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die Permanentmagnete in Ausnehmungen des Rotors angeordnet oder die Permanentmagnete sind an der Oberfläche des Rotors angeordnet. Oberflächenmagnete sind bei Innenläufern im Allgemeinen mittels einer Bandage an dem Rotor befestigt. Dabei ist in radialer Richtung betrachtet außenseitig an den Oberflächenmagneten der wenigstens eine Leiter angeordnet und vorzugsweise zwischen dem wenigstens einen Leiter und den Oberflächenmagneten die Isolierung angeordnet.
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Insbesondere ist die Synchronmaschine ein Elektromotor oder ein Generator.
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In einer ergänzenden Ausführungsform weist der Stator Spulen als Elektromagnete auf.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die Permanentmagnete und/oder die Isolierung und/oder der wenigstens eine Leiter mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere mittels Kleben, miteinander verbunden.
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In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der wenigstens eine Leiter mittels Walzplattieren an den Permanentmagneten befestigt.
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In eine weiteren Ausgestaltung weisen die wenigstens einen Leiter eine strukturierte Oberfläche, z. B. Rillen und/oder Kühlrippen auf, um eine größere Oberfläche des wenigstens einen Leiters zur Verfügung zu haben, so dass dadurch bei einer Erwärmung des wenigstens einen Leiters die Wärme besser an die Umgebungsluft abgegeben werden kann.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Synchronmaschine ein Innenläufer oder ein Außenläufer. Bei einem Innenläufer ist der Rotor innerhalb des Stators angeordnet und bei einem Außenläufer ist der Rotor außerhalb des Stators ausgebildet.
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In einer weiteren Variante besteht der Rotor außerhalb der axialen Ausnehmungen wenigstens teilweise aus Blechplatten, die außenseitig mit einer Isolierung versehen sind. Der Aufbau des Rotors aus Blechplatten, die außenseitig mit einer Isolierung versehen sind, führt dazu, dass sich dadurch keine oder nur sehr geringe Wirbelströme am Rotor ausbilden. Dabei besteht der Rotor beispielsweise aus 50 bis 100 Blechplatten.
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Vorzugsweise weisen die Blechplatten außenseitig eine elektrische Isolierung auf.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Synchronmaschine eine elektronische Steuerschaltung zur Bestromung der Spulen am Stator.
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In einer weiteren Variante ist der Rotor mittels einer Lagerung, insbesondere einer Gleitlagerung oder einer Wälzlagerung, gelagert.
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Zweckmäßig weist der Rotor eine Achse auf und die Achse ist in der Lagerung gelagert.
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Eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung, insbesondere Hybridantriebseinrichtung oder Elektroantriebseinrichtung, für ein Kraftfahrzeug mit einer Elektromaschine und vorzugsweise einem Verbrennungsmotor umfasst wenigstens eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Synchronmaschine.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Antriebseinrichtung eine Batterie, insbesondere eine Lithiumionen-Batterie.
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In einer ergänzenden Variante umfasst die Antriebseinrichtung ein Ladegerät zum Aufladen der Batterie mittels elektrischer Energie aus einem externen Stromnetz.
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Zweckmäßig ist die wenigstens eine Synchronmaschine der Antriebseinrichtung wenigstens ein Radnabenelektromotor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 einen Querschnitt einer Synchronmaschine in einem ersten Ausführungsbeispiel und
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2 einen Querschnitt der Synchronmaschine in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Querschnitt einer Synchronmaschine 1 dargestellt. Der Synchronmaschine 1 kann für verschiedenste technische Anwendungen eingesetzt werden, z. B. als Antriebsmotor in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug (nicht dargestellt).
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Die Synchronmaschine 1 ist eine permanentmagneterregte Synchronmaschine 1. Die Synchronmaschine 1 umfasst dabei einen Stator 2 mit als Spulen 4 ausgebildeten Elektromagneten 3. Innerhalb des Stators 2 ist ein Rotor 5 mit Permanentmagneten 6 angeordnet. Der Rotor 5 ist dabei mittels einer nicht dargestellten Lagerung gelagert und führt um eine Rotationsachse 8 eine Rotationsbewegung aus. Der Rotor 5 ist aus Blechplatten 9 aufgebaut. Die Blechplatten 9 sind dabei in axialer Richtung der Rotationsachse 8 übereinander aufgeschichtet, so dass aufgrund der Schnittbildung in 1 nur eine Blechplatte 9 sichtbar ist. Die Synchronmaschine 1 dient dabei als Elektromotor 20 zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie und als Generator 21 zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie.
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In den Spulen 4 wird bei dem Elektromotor 20 aufgrund eines elektrischen Stromes ein magnetisches Drehfeld erzeugt. Dabei wird durch die Spulen 4 ein Wechselstrom geleitet und über die Frequenz des zugeführten Wechselstromes ist die Drehzahl des Rotors 5 vorgegeben. Mittels eines nicht dargestellten Frequenzumrichters kann die Drehzahl des Rotors 5 und das Drehmoment des Rotors 5 geregelt werden. Ein nicht dargestellter Drehgeber, z. B. ein Strichgeber oder ein Resolver, misst ständig die Stellung des Rotors 5. Hieraus ermittelt eine nicht dargestellte Steuerungseinheit die notwendige Bestromung der Spulen 4.
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Die als Seltenerd-Permanentmagnete 14 ausgebildete Permanentmagnete 6 sind dabei in Ausnehmungen 16 des Rotors 5 angeordnet. Die Permanentmagnete 6 weisen eine dem Stator 2 zugewandte Seite 10 und eine dem Stator 2 abgewandte Seite 11 auf. An der dem Stator 2 zugewandten Seite 10 der Permanentmagnete 6 ist ein als Zylinder 18 ausgebildeter Leiter 7 vorhanden. Zwischen dem Zylinder 18 als Leiter 7 und den Permanentmagneten 6 ist eine Isolierung 15, z. B. aus Kunststoff oder Papier, ausgebildet. Der Zylinder 18 als Bestandteil des Rotors 5 stellt damit das äußere radiale Ende bzw. eine Umhüllung des Rotors 5 dar. Zwischen dem Zylinder 18 und dem Stator 2 bildet sich ein Luftspalt 23 aus.
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Bei einer Rotationsbewegung des Rotors 5 innerhalb des Stators 2 kommt es zu unterschiedlichen Abständen zwischen den Elektromagneten 3 und den Permanentmagneten 6. Dies führt zu einer Modulation des Magnetfeldes. Aufgrund dieser Modulation des Magnetfeldes wird in dem Zylinder 18 als Leiter 7 ein Wirbelstrom induziert. Dieser induzierte Wirbelstrom bildet ein eigenes, abschirmendes Magnetfeld, so dass sich in den Permanentmagneten 6 kein oder nur ein sehr geringer Wirbelstrom entsteht. Dadurch erwärmen sich die Permanentmagnete 6 nicht oder nur in einem sehr geringen Umfang aufgrund des nicht oder nur einen geringen Umfang vorhandenen Wirbelstromes in den Permanentmagneten 6.
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Eine Schnittebene 19 der Synchronmaschine 1 entspricht dabei der Zeichenebene von 1 und steht senkrecht auf der Rotationsachse 8 des Rotors 5. Die sich aufgrund der Schnittbildung mit der Schnittebene 19 ausgebildeten Querschnittsflächen 12, 13 des Leiters 7 und der Permanentmagneten 6 sind in 1 ebenfalls dargestellt. Dabei ist das Produkt aus der Querschnittsfläche 12 des Leiters 7 und der elektrischen Leitfähigkeit des Leiters 7 im Wesentlichen gleich groß wie das Produkt aus der Querschnittsfläche 13 des Permanentmagneten 6 und der elektrischen Leitfähigkeit des Permanentmagneten 6. Maßgeblich für die Abschirmung der Permanentmagneten 6 ist derjenige Teil des Zylinders 18, welcher an der dem Stator 2 zugewandten Seite 10 des Permanentmagneten 6 ausgebildet ist oder welcher in radialer Verlängerung der Permanentmagneten 6 einen Teil des Zylinders 18 entspricht. Diese radiale Verlängerung 24 von den Permanentmagneten 6 im Bereich des Zylinders 8 ist in 1 strichliert dargestellt. Nur dieser Teil der gesamten Querschnittsfläche des Zylinders 8, welcher zwischen den beiden radialen und strichliert dargestellten Verlängerungen 14 vorhanden ist, wird für die Produktbildung aus der Querschnittsfläche 12 und der Leitfähigkeit des Leiters 7 verwendet. Ein ungefähr gleiches Produkt aus dem Produkt der Querschnittsfläche 12 und der elektrischen Leitfähigkeit des Leiters 7 sowie der Permanentmagnete 6 führt zu einer besonders guten und effektiven Abschirmung der Permanentmagnete 6 aufgrund des sich wegen des Wirbelstromes in dem Leiter 7 bildenden abschirmenden Magnetfeldes.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Synchronmaschine 1 als Innenläufer dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 beschrieben. Die Permanentmagnete 6 sind nicht in Ausnehmungen 16 des Rotors 5 angeordnet, sondern es handelt sich um Oberflächenmagnete 17. Die Oberflächenmagnete 17 liegen dabei an einer Außenseite des Rotors 5, der aus Blechplatten 9 besteht auf. In radialer Richtung außerhalb der Permanentmagnete 6 ist eine Isolierung 15 und scheibenartig die Leiter 7 vorhanden. Die Leiter 7 sind somit nur an der dem Stator 2 zugewandten Seite 10 der Permanentmagnete 6 vorhanden. Mittels einer koaxial zu der Rotationsachse 8 ausgebildeten Bandage 22 sind die scheibenartigen Leiter 7, die Isolierung 15 und die Permanentmagnete 6 kraftschlüssig aufgrund einer radialen Kraft an dem Rotor 5 befestigt. Zusätzlich können die Permanentmagnete 6 und/oder die Isolierung 15 und/oder der Leiter 7 und/oder der Rotor 5 stoffschlüssig, z. B. mittels Kleben, miteinander verbunden sein. In analoger Weise zu dem ersten Ausführungsbeispiel entsteht in den einzelnen scheibenartigen Leitern 7 ein Wirbelstrom, der zu einem abschirmenden Magnetfeld führt, so dass in den Permanentmagneten 6 kein oder nur in einem sehr geringen Umfang ein Wirbelstrom entsteht. Die Isolierung 15 hat zusätzlich den Effekt, dass dadurch das Korrosionsverhalten zwischen dem Permanentmagneten 6 und dem Leiter 7 aufgrund des nicht vorhandenen unmittelbaren Kontaktes verbessert wird. Dadurch kann die Korrosion verhindert werden.
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Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 wesentliche Vorteile verbunden. Der am Rotor 5 zwischen den Permanentmagneten 6 und dem Stator 2 ausgebildete Leiter 7 führt zu einer Verringerung der Wirbelstrombildung in den Permanentmagneten 6, so dass dadurch eine Erwärmung der Permanentmagnete 6 aufgrund von Wirbelstrom ganz oder im Wesentlichen ausgeschlossen werden kann. Aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit des Leiters 7 führt der Wirbelstrom in dem Leiter 7 zur Ausbildung eines abschirmenden Magnetfeldes für die Permanentmagneten 6 nur zu einer geringen Erwärmung des Leiters 7.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004058046 A1 [0004]
- DT 2608421 A1 [0005]
