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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
Ausführungsform
betrifft allgemein elektrische Maschinen mit dualem Stator.
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Elektrische
Maschinen sind typischerweise so entworfen, dass sie eine spezifische
Betriebskennzahl zu erreichen. Zum Beispiel weisen elektrische Maschinen
mit Glockenläufern
sehr niedrige Massenträgheitseigenschaften
auf. Induktionsmaschinen zeigen typischerweise Eigenschaften ohne eine
Drehmomentwelligkeit, wohingegen herkömmliche Permanentmagnet-Synchronmaschinen
hohe Verhältnisse
von Drehmoment zu Strom zeigen. Das Erreichen einer jeweiligen spezifischen
Betriebskennzahl führt
jedoch typischerweise dazu, dass andere Betriebskennzahlen aufgegeben
werden müssen.
Während
jedes der vorstehenden Beispiele eine der gewünschten Betriebskennzahlen
erreicht, erfolgt dies oftmals auf Kosten des Nichterreichens einer
der anderen jeweils gewünschten
Betriebskennzahlen. Das heißt,
dass keine der vorstehend beschriebenen Einrichtungen in der Lage
ist, alle gewünschten
Betriebskennzahlen in einer einzigen elektrischen Maschine aufzuweisen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Vorteil einer Ausführungsform
der Erfindung ist eine elektrische Maschine, die in der gleichen
Maschine optimale Betriebskennzahlen bereitstellt, wie etwa ein
hohes Verhältnis
von Drehmoment zu Strom, ein hohes Verhältnis von Drehmoment zu Massenträgheit und
eine niedrige Drehmomentwelligkeit.
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Eine
elektrische Maschine mit einem Stator umfasst eine Vielzahl von
Magneten, um ein erstes Magnetfeld zu erzeugen. Jeder jeweilige
Magnet stellt einen jeweiligen Rotorpol dar. Eine Magnethaltevorrichtung
hält die
Vielzahl von Magneten fest. Die Magnethaltevorrichtung weist eine
kreisförmige
Konfiguration auf, wobei die Vielzahl von Magneten um die kreisförmige Konfiguration
der Magnethaltevorrichtung herum positioniert ist. Ein Stator ist
radial außerhalb
der Vielzahl von Magneten angeordnet, um ein zweites Magnetfeld
zu erzeugen. Der Magnet und der Stator weisen einen ersten dazwischen
ausgebildeten Luftspalt auf. Der Stator umfasst eine Vielzahl von
Statorpolen, die durch Nuten getrennt sind, wobei jeder der Statorpole
eine konzentrierte Wicklung mit einer jeweiligen Anzahl von Windungen
aufweist, die um jeden jeweiligen Statorpol herum ausgebildet sind.
Jede jeweilige konzentrierte Wicklung innerhalb des Stators umfasst
sich nicht überschneidende
Phasen. Die konzentrierten Wicklungen erhöhen eine aktive Länge der
Wicklungen des Stators und verringern einen Überhang jeder jeweiligen Wicklung
mit Bezug auf jeden Statorpol, um die Drehmomentdichte und den Maschinenwirkungsgrad
zu verbessern. Die Anzahl der Rotorpole beträgt mindestens acht. Die Anzahl
der Rotorpole und die Anzahl der Statornuten weisen ein kleinstes
gemeinsames Vielfaches von mindestens 36 auf.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht einer elektrischen Maschine entlang einer
diametralen Ebene gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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2 ist
eine Querschnittsansicht der elektrischen Maschine entlang einer
Querebene gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer magnetischen Haltevorrichtung und
eines Magnets gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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4 ist
ein elektrischer Schaltplan einer konzentrierten Wicklungskonfiguration
für eine
dreiphasige elektrische Maschine.
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5 ist
ein elektrischer Schaltplan einer konzentrierten Wicklungskonfiguration
für eine
erste Phase der elektrischen Maschine.
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6 ist
ein elektrischer Schaltplan einer konzentrierten Wicklungskonfiguration
für eine
zweite Phase der elektrischen Maschine.
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7 ist
ein elektrischer Schaltplan einer konzentrierten Wicklungskonfiguration
für eine
dritte Phase der elektrischen Maschine.
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8 ist
ein elektrischer Schaltplan einer Wicklungskonfiguration für eine herkömmliche
sich überschneidende
Wicklung nach dem Stand der Technik.
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9 ist
eine Tabelle, die optimierte Kombinationen von Rotorpolen zu Statornuten
veranschaulicht.
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10 ist
eine Querschnittsansicht einer elektrischen Maschine entlang einer
diametralen Ebene gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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11 ist
eine Querschnittsansicht der elektrischen Maschine entlang einer
Querebene gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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12 ist
eine Querschnittsansicht einer magnetischen Haltevorrichtung und
eines Magnets gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit
Bezug sowohl auf 1 als auch auf 2 sind
Querschnittsansichten einer elektrischen Maschine 10 entlang
einer axialen diametralen Ebene bzw. einer Querebene gezeigt. Die
elektrische Maschine 10, wie sie hier beschrieben ist,
wird für Einrichtungen
und Systeme verwendet, die ein hohes Drehmoment und schnelle Ansprechzeiten
benötigen,
wie etwa semiaktive oder aktive Federungssysteme, elektrische Servolenkungssysteme,
elektromechanische Bremssysteme oder ähnliche Systeme. Die elektrische
Maschine 10 ist eine elektrische Maschine mit einem einzigen
Stator, die einen Stator 12 und einen Innenkern 14 aufweist,
die innerhalb eines Maschinengehäuses 15 befestigt
sind. Der erste Stator 12 und der Innenkern 14 sind
innerhalb des Maschinengehäuses 15 zueinander
koaxial und weisen unterschiedliche Durchmesser auf. Der erste Stator 12 weist
konzentrierte Wicklungen auf. Konzentrierte Wicklungen sind sich
nicht überschneidende
Wicklungen, was nachstehend im Detail beschrieben wird.
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Eine
Vielzahl von Magneten 16 ist zwischen dem Stator 12 und
dem Innenkern 14 radial angeordnet. Die Vielzahl von Magneten 16 wird
durch eine Magnethaltevorrichtung 18 in einer zylindrischen Konfiguration
festgehalten, wobei beide in einem Raum drehbar sind, der zwischen
dem Stator 12 und dem Innenkern 14 geschaffen
ist. Die Vielzahl von Magneten ist so ausgestaltet, dass sich alle
Magnete, die eine erste Polarität
aufweisen, jeweils mit allen Magneten abwechseln, die eine zweite
Polarität
aufweisen. Als Folge ist jeder jeweilige Magnet, der eine erste
Polarität
aufweist, neben einem Magnet angeordnet, der eine zweite Polarität aufweist.
Die Südpolmagnete
sind allgemein durch 17 bezeichnet, während die Nordpolmagnete allgemein
durch 19 bezeichnet sind. Eine Querschnittsansicht der
Magnethaltevorrichtung 18 und eines jeweiligen Magnets
ist in 3 allgemein gezeigt. Es versteht sich, dass die Magnethaltevorrichtung
nur eine Ausgestaltung ist und nicht auf die veranschaulichte Magnethaltevorrichtung
begrenzt ist.
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Der
Stator 12 ist um eine jeweilige Distanz radial außerhalb
von der Vielzahl von Magneten 16 angeordnet, wodurch ein
erster Luftspalt 20 dazwischen ausgebildet wird. Der Innenkern 14 ist
um eine jeweilige Distanz radial innerhalb von der Magnethaltevorrichtung 18 angeordnet,
wodurch dazwischen ein zweiter Luftspalt 22 ausgebildet
wird. Der Stator 12 arbeitet mit dem Innenkern 14 zusammen
und die Vielzahl von Magneten 16 erzeugt wie gezeigt einen Flusspfad,
um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, welches in der Form
eines Drehmoments in mechanische Energie umgesetzt wird.
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Die
Magnethaltevorrichtung 18 ist an einem ersten Ende der
Magnethaltevorrichtung 18 mit einer Welle 24 gekoppelt.
Die Magnethaltevorrichtung 18 ist durch eine Lageroberfläche 25 an
einem zweiten Ende der Magnethaltevorrichtung 18 abgestützt. Die Welle 24 verläuft axial
durch die elektrische Maschine 10 hindurch und ist koaxial
zu der Vielzahl von Magneten 16. Ein erstes Lager 26 und
ein zweites Lager 28 stützen
die Welle 24 dort ab, wo sie durch das Maschinengehäuse 15 hindurch
verläuft.
Die Welle 24 verläuft
durch Öffnungen
im Maschinengehäuse 15 hindurch
und ist zur Kopplung mit einer jeweiligen Komponente 29 außerhalb
der elektrischen Maschine 10 ausgestaltet, um ein Drehmoment
auf die jeweilige Komponente 29 aufzubringen. Die Komponente
kann ein Stellglied für
das aktive Federungssystem, das elektrische Lenkungssystem, das
elektrische Bremssystem oder ein ähnliches System umfassen. Die
Magnethaltevorrichtung 18 besteht vorzugsweise aus einem
nicht magnetischen Edelstahl. Alternativ kann die Magnethaltevorrichtung 18 aus anderen
nicht magnetischen Materialien hergestellt sein, die eine angemessene
Festigkeit bereitstellen, um ein mechanisches Drehmoment an das
jeweilige Fahrzeugsystem zu übertragen.
Die Magnethaltevorrichtung 18 in Zusammenarbeit mit der
Lageroberfläche 25 und
der Kopplung mit der Welle 24, die durch die Lager 26 und 28 abgestützt ist,
halten eine räumliche
Beziehung zwischen dem Stator 12 und dem Innenkern 14 aufrecht.
Die jeweiligen Lager ermöglichen,
dass die Magnethaltevorrichtung 18 und die Vielzahl von
Magneten 16 in dem Raum rotieren, der zwischen dem Stator 12 und
dem Innenkern 14 radial ausgebildet ist.
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Die
elektrische Maschine 10, wie sie in 1 gezeigt
ist, beseitigt den herkömmlichen
Rotor und die einstückig
damit ausgebildete Rotorwelle, die bei herkömmlichen Elektromotoren, wie
etwa elektrischen Permanentmagnetmaschinen, typischerweise verwendet
werden. Der Innenkern 14 in Zusammenarbeit mit dem zweiten
Luftspalt 22 wirkt wie der Rotorkern zum Bereitstellen
des magnetischen Flusspfads, der andernfalls durch den Rotorkern
bei einem Standard-Permanentmagnetmotor bereitgestellt wird. Die
Beseitigung des herkömmlichen
Rotorkerns und der einstückig
ausgebildeten Welle verringert das Gesamtgewicht des drehen den Teils
der elektrischen Maschine, wodurch die Massenträgheit der elektrischen Maschine 10 verringert
wird. Gleichzeitig stellt der Innenkern den magnetischen Flusspfad derart
bereit, dass ein hohes Drehmoment erzeugt wird.
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Wie
vorstehend erörtert
wurde, weist der Stator 12 sich nicht überschneidende konzentrierte Wicklungen
auf. 4–7 zeigen
Wicklungskonfigurationen, welche die konzentrierte Wicklung veranschaulichen.
Es versteht sich, dass die konzentrierte Wicklungskonfiguration
zu Beispielszwecken dient und dass eine beliebige Konfiguration
konzentrierter Wicklungen hier verwendet werden kann. Der Elektromotor 10 ist
ein dreiphasiger Motor mit einer ersten Phase (A), einer zweiten
Phase (B) und einer dritten Phase (C).
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Ein
jeweiliges Paar aufeinanderfolgend gewickelter Statorpole, das durch
Statorpol 32 und Statorpol 34 dargestellt ist,
veranschaulicht konzentrierte Wicklungskonfigurationen. Wicklungen
um Statorpole 32 und 34 herum sind mit Phase A
elektrisch gekoppelt. Eine erste Wicklung 36 ist um den
Statorpol 32 herum in einer konzentrierten Konfiguration
ausgebildet, was umfasst, dass der Statorpol 32 mit einer vorbestimmten
Anzahl von Windungen kontinuierlich umwickelt wird, bevor ein Ausgangsdraht 38 den
Statorpol 32 verlässt
und ohne Unterbrechung am nächsten
Statorpol 34 fortfährt.
Am Statorpol 34 ist eine zweite Wicklung 40 ausgebildet,
indem der Statorpol 34 mit der vorbestimmten Anzahl von
Windungen kontinuierlich umwickelt wird. Die zweite Wicklung 40 ist
danach mit einem Neutralpunkt 30 elektrisch gekoppelt.
Ein nächstes
aufeinanderfolgendes Paar von Statorpolen ist unter Verwendung der
konzentrierten Wicklungskonfiguration mit Phase B elektrisch gekoppelt.
Auf ähnliche
Weise wird das nächste
aufeinanderfolgende Paar von Statorpolen unter Verwendung der konzentrierten
Wicklungskonfiguration mit Phase C elektrisch gekoppelt. Das Wicklungsmuster
wird für
jedes der verbleibenden aufeinanderfolgenden Paare von Statorpolen
des jeweiligen Stators wiederholt. Im Gegensatz dazu umfasst eine
herkömmliche
sich überschneidende
Wicklungskonfiguration das Umwickeln eines jeweiligen Pols unter
Verwendung nur einer einzigen Windung, bevor zu einem nächsten Pol
weitergegangen wird. Die Wicklung der herkömmlichen sich überschneidenden
Konfiguration wird in der Folge fortgesetzt, wodurch man schließlich zu
jedem zuvor umwickelten Pol zurückkehrt,
um zusätzliche
Windungen um den Statorpol herum hinzuzufügen. Als Folge wird die Anzahl
von Ausgangsdrähten,
die eine elektrische Verbindung zu den nachfolgenden Statorpolen
herstellen, gleich der Anzahl von Windungen sein, die an jedem Statorpol
ausgebildet ist. Die Vielzahl von Ausgangsdrähten zwischen aufeinanderfolgenden
Polen überschneidet
einander, wodurch ein Überhang
geschaffen wird, der sich radial außerhalb des jeweiligen Stators
erstreckt, wie in 8 veranschaulicht ist. Bei der
bevorzugten Ausführungsform,
die in 4 gezeigt ist, verbindet nur ein einziger Ausgangsdraht
ein jeweiliges Paar von Statorpolen auf elektrische Weise. Der einzige
sich nicht überschneidende
Ausgangsdraht führt
zu einem wesentlich verringerten Überhang im Vergleich zu der
herkömmlichen
sich überschneidenden
Wicklungskonfiguration. Die Verringerung des Überhangs führt zu einer Erhöhung der
aktiven Länge
des Stators innerhalb der Baugröße, um die
Drehmomentdichte zu erhöhen.
Das heißt,
dass bei der konzentrierten Wicklungskonfiguration der größte Teil
der Gesamtwicklung als Teil der Windungen ausgebildet ist im Gegensatz
zu den Ausgangsdrähten,
welche die jeweiligen Windungen koppeln, wodurch die Länge der
gesamten Wicklung auf jeden der jeweiligen Statorpole konzentriert
wird. Dies führt
zu einer Verringerung des Statorkupferverlusts und zu einer Verbesserung des
Wirkungsgrads der elektrischen Maschine. Bei gleicher Baugröße führt die
verringerte Länge
von Endwindungen zu einer längeren
aktiven Statorlänge,
wodurch ein hohes Verhältnis
von Drehmoment zu Strom oder eine hohe Leistungsdichte für den gleichen
Betriebsbereich erreicht wird. Aufgrund des verbesserten Wirkungsgrads
beeinflusst die erhöhte Maschinenleistungsdichte
deren thermisches Verhalten nicht.
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Durch
das Verwenden der elektrischen Maschine mit konzentrierten Wicklungen
kann vorzugsweise eine im Vergleich mit einem herkömmlichen Rotor
erhöhte
Anzahl von Rotorpolen (d. h. Magneten) verwendet werden. Ein Erhöhen der
Polanzahl ermöglicht
eine Verringerung der Dicke des Statorkerns. Eine Verringerung der
Dicke des Statorkerns führt
zu einer Verringerung des Gesamtgewichts der elektrischen Maschine.
Darüber
hinaus erzeugt das Erhöhen
der Polanzahl in der elektrischen Maschine auch eine sinusförmige Gegen-EMK,
welche den Vorteil bereitstellt, dass sie eine Drehmomentwelligkeit
verringert.
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Es
ist zu verstehen, dass eine jeweilige Pol/Nut-Kombination gewählt werden
kann, um die Drehmomentausgabe der elektrischen Maschine zusätzlich zur
Verringerung der Stromaufnahme und der Drehmomentwelligkeit zu optimieren. 9 veranschaulicht
eine Tabelle, welche eine Kombination von Rotorpolen (d. h. Magneten)
zu Statornuten aufzeigt. Die Tabelle zeigt ein kleinstes gemeinsames Vielfaches
(KGV) der Rotorpol- und
Statornutkombination auf und zudem wird bei einigen Kombinationen
ein Wicklungsfaktor gezeigt. Das KGV ist die kleinste ganze Zahl,
die sowohl durch die Rotorpolanzahl als auch die Statornutanzahl
teilbar ist. Je höher
das KGV ist, umso niedriger ist die Drehmomentwelligkeit, die erzeugt
wird. Vorzugsweise wird eine Rotorpolanzahl größer als 8 und eine Rotorpol-
und Nutkombination mit einem KGV von mindestens 36 gewählt.
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Der
Wicklungsfaktor ist durch das Verhältnis eines Flusses, der durch
eine tatsächliche
Wicklung gekoppelt ist, zu einem Fluss definiert, der von einer konzentrierten
Durchmesserwicklung [engl: full pitch concentrated winding] mit
der gleichen Anzahl von Windungen gekoppelt würde. Je höher der Wicklungsfaktorwert
ist, desto höher
ist die Drehmomentdichte. Vorzugsweise wird ein Wicklungsfaktor
gewählt,
der größer als
0,7 ist.
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Wenn
eine Kombination gewählt
wird, welche die hier beschriebenen Vorteile bietet, sollte eine Kombination
gewählt
werden, die das höchste
KGV und den höchsten
Wicklungsfaktor bietet. Jedoch weist das Wählen der Kombination mit dem
höchsten KGV
und Wicklungsfaktor Nachteile auf. Zum Beispiel können diejenigen
Kombinationen, die eine ungerade Anzahl von Statornuten aufweisen,
einen nicht ausgewogenen magnetischen Zug induzieren, der zu Vibrationen
führt.
Kombinationen, die akzeptable Wahlen darstellen, sind diejenigen,
die mit einer Sternchenmarkierung gekennzeichnet sind. Diejenigen
Kombinationen, die hohe KGV-Werte und Wicklungsfaktoren aufweisen,
aber anfällig
für Vibrationen sind,
sind diejenigen mit einer ungeraden Anzahl von Nuten und sind mit
einer #-Markierung dargestellt.
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Mit
Bezug auf sowohl 10 als auch auf 11 sind
Querschnitts-Schnittansichten
einer elektrischen Maschine 50 einer zweiten Ausführungsform
entlang einer axialen Ebene bzw. einer Querebene gezeigt. Gleiche
Bezugszeichen werden für ähnliche
Komponenten verwendet. Die elektrische Maschine 50 ist
eine elektrische Maschine mit einem einzigen Stator, die einen Stator 12 aufweist, der
innerhalb eines Maschinengehäuses 51 befestigt ist.
Der Stator 12 weist konzentrierte Wicklungen auf, wie vorstehend
beschrieben ist.
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Die
Vielzahl von Magneten 16 wird von einer magnetischen Magnethaltevorrichtung 52 in
einer zylindrischen Konfiguration festgehalten, die beide in einem
Raum drehbar sind, der vom Stator 12 aus radial nach innen
angeordnet ist. Eine Querschnittsansicht der magnetischen Magnethaltevorrichtung 52 und
eines jeweiligen Magnets ist in 12 allgemein gezeigt.
Der Stator 12 ist von der Vielzahl von Magneten 16 aus
um eine jeweilige Distanz radial nach außen hin angeordnet, wodurch
dazwischen der Luftspalt 20 ausgebildet wird. Die magnetische
Magnethaltevorrichtung 52 ist mit der Welle 24 an
einem ersten Ende 54 der magnetischen Magnethaltevorrichtung 18 und
am zweiten Ende 56 der magnetischen Magnethaltevorrichtung 52 gekoppelt.
Die Welle 24 verläuft
axial durch die elektrische Maschine 10 hindurch und ist
koaxial zu der Vielzahl von Magneten 16. Das erste Lager 26 und
ein zweites Lager 28 stützen
die Welle 24 dort ab, wo sie durch das Maschinengehäuse 15 hindurch
verläuft.
Die Welle verläuft
durch Öffnungen
im Maschinengehäuse 52 hindurch
und ist zur Kopplung mit einer jeweiligen Komponente 29 außerhalb
der elektrischen Maschine 10 ausgestaltet, um ein Drehmoment
auf die jeweilige Komponente 29 aufzubringen. Die magnetische
Magnethaltevorrichtung 18 besteht vorzugsweise aus einem
magnetischen Material, wie etwa ein Elektrostahl oder ein ähnliches
Material. Die magnetische Magnethaltevorrichtung 52 hält eine
räumliche
Beziehung zu dem Stator 12 aufrecht, da sie durch die Welle 24 abgestützt wird.
Die magnetische Magnethaltevorrichtung 52 und die Vielzahl
von Magneten 16 rotieren in dem Raum, der von dem ersten
Stator 12 aus radial nach innen ausgebildet ist, um Drehmoment
an die jeweiligen Komponenten 29 bereitzustellen.
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Die
magnetische Magnethaltevorrichtung 52 muss im Vergleich
zu der nicht magnetischen Magnethaltevorrichtung eine größere radiale
Dicke aufweisen, da die magnetische Magnethaltevorrichtung 52 als
der Innen kern zum Abschluss des Flusspfads wirkt. Der Stator 12 erzeugt
in Zusammenarbeit mit der magnetischen Magnethaltevorrichtung 52 und der
Vielzahl von Magneten 16 wie gezeigt den Flusspfad, um
ein elektromagnetisches Feld zu schaffen, welches in der Form eines
Drehmoments in mechanische Energie umgesetzt wird. Es ist zu verstehen, dass
die konzentrierte Wicklung und die Wahl von Rotor zu Pol, wie in 4–7 und 9 beschrieben
ist, in Zusammenarbeit mit der elektrischen Maschine 50,
wie sie hier beschrieben ist, verwendet werden.
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Obwohl
einige Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden
Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene
alternative Entwürfe
und Ausführungsformen
zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis, wie sie durch die folgenden
Ansprüche definiert
sind, erkennen.