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Bei elektrischen Maschinen, wie z. B. permanentmagneterregte Generatoren oder Motoren, stellt insbesondere wenn die Maschinen eine größere elektrische Leistung (größer als 1 MW) aufweisen, die Befestigung der Permanentmagnete am Rotorkörper eine große fertigungstechnische Herausforderung dar. Bisher wurden die Permanentmagnete bei Maschinen größerer Leistung in der Regel über spezielle Halterungssysteme (z. B. in Halterungen, die über eine Grundplatte verfügen, eingehauste Permanentmagnete) mit dem Rotorkörper verbunden. Es ist bekannt, die Permanentmagnete z. B. durch Platten, Klötze oder ähnlichem, die über eine Schraubverbindung, z. B. mit dem Rotorkörper verbunden sind, zu fixieren. Der Schutz der Permanentmagnete gegenüber Umgebungseinflüssen, wie z. B. Feuchtigkeit, Schmutz, korrosive Atmosphäre etc., geschieht dabei heutzutage durch eine geeignete Vergussmasse, die die Permanentmagneten von den Umgebungsbedingungen abschirmt.
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Eine Möglichkeit der Befestigung der Permanentmagnete am Rotorkörper ist die Befestigung der Permanentmagnete mittels einer einzigen oder mehreren Manschetten. Die Manschette oder die Manschetten bilden dabei zusammen mit der Oberfläche des Rotors in axialer Richtung des Rotors verlaufende Taschen aus, in denen die Permanentmagnete angeordnet sind. Der Verschluss der Taschen muss einerseits die Abstoßungskräfte der Permanentmagnete aufnehmen können, so dass durch den Verschluss zuverlässig sichergestellt wird, dass die Permanentmagnete in den Taschen verbleiben. Weiterhin soll der Verschluss eine Abdichtung der Permanentmagnete gegenüber schädigender Umwelteinflüsse gewährleisten.
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Ein Verschluss der oben beschriebenen Tasche mittels einer Vergussmasse, die zum einen die in axialer Richtung wirkenden Abstoßungskräfte der Permanentmagnete aufnehmen kann und zum anderen eine zuverlässige Abdichtung gegenüber Umgebungsbedingungen sicherstellt, ist fertigungstechnisch aufwändig. Weiterhin können die Taschen auch nicht mehr, z. B. für Wartungszwecke, schnell und einfach wieder geöffnet werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Rotor für eine elektrische Maschine zu schaffen, bei dem die Permanentmagnete des Rotors zuverlässig in den Taschen gehalten werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor für eine elektrische Maschine, wobei der Rotor einen Rotorköper aufweist, wobei am Umfang des Rotorkörpers eine Manschette angeordnet ist, die zusammen mit der Oberfläche des Rotorkörpers mindestens eine in axiale Richtung des Rotors verlaufende Tasche ausbildet, wobei in der Tasche ein Permanentmagnet angeordnet ist, wobei an einem axialen Endbereich der Tasche eine Verschlussvorrichtung angeordnet ist, die die Tasche an dem Endbereich in axialer Richtung verschließt, wobei die Verschlussvorrichtung über eine formschlüssige Verbindung mit einer in axialer Richtung des Rotors verlaufenden Seitenwand der Manschette oder mit dem Rotorkörper verbunden ist.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Verschlussvorrichtung eine Nase aufweist, wobei die Seitenwand der Manschette eine Ausnehmung aufweist, wobei die formschlüssige Verbindung realisiert ist indem die Nase in die Ausnehmung eingreift. Hierdurch wird ein besonders einfach aufgebauter Verschluss der Tasche realisiert.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Verschlussvorrichtung in Form einer Klammer ausgebildet ist, da eine Klammer einfach herzustellen ist.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn an der Ausnehmung auf der Außenseite der Tasche eine Abdeckung angeordnet ist, die die Ausnehmung abdeckt und räumlich von der Umgebung des Rotors trennt. Hierdurch wird das Eindringen von schädlichen Stoffen, wie z. B. Feuchtigkeit, Schmutz oder korrosive Atmosphäre, in die Tasche zuverlässig verhindert.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn in der Tasche ein Dichtelement angeordnet ist, wobei die Verschlussvorrichtung in axialer Richtung des Rotors zwischen dem Dichtelement und dem Permanentmagneten angeordnet ist, wobei das Dichtelement eine Abdichtung der Tasche in axiale Richtung gegenüber der Umgebung des Rotors bewirkt. Hierdurch wird das Eindringen von schädlichen Stoffen, wie z. B. Feuchtigkeit, Schmutz oder korrosive Atmosphäre, in die Tasche zuverlässig verhindert.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Verschlussvorrichtung ein Verschlusselement, ein Verriegelungselement und ein Federelement aufweist, wobei der Rotorkörper eine Ausnehmung aufweist, wobei die formschlüssige Verbindung realisiert ist indem das Federelement das Verriegelungselement in die Ausnehmung des Rotorkörpers drückt. Hierdurch wird ein besonders einfach aufgebauter Verschluss der Tasche realisiert.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn in axiale Richtung des Rotors zwischen dem Permanentmagneten und der Verschlussvorrichtung in der Tasche ein Dichtelement angeordnet ist, das in axialer Richtung eine Abdichtung des Bereichs der Tasche in dem der Permanentmagnet angeordnet ist, gegenüber der Umgebung des Rotors bewirkt. Hierdurch wird das Eindringen von schädlichen Stoffen, wie z. B. Feuchtigkeit, Schmutz oder korrosive Atmosphäre, in die Tasche zuverlässig verhindert.
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Weiter erweist es sich als vorteilhaft, wenn zwischen dem Verschlusselement und den Seitenwänden der Manschette, und zwischen dem Verschlusselement und der Oberfläche des Rotorkörpers eine Dichtung angeordnet ist, die in axialer Richtung eine Abdichtung der Tasche gegenüber der Umgebung des Rotors bewirkt. Hierdurch wird das Eindringen von schädlichen Stoffen, wie z. B. Feuchtigkeit, Schmutz oder korrosive Atmosphäre, in die Tasche zuverlässig verhindert.
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Die elektrische Maschine ist dabei als Elektromotor oder Generator, insbesondere als Windkraftgenerator, ausgebildet und weißt vorzugsweise eine elektrische Leistung auf die größer als 1 MW ist. Der Windkraftgenerator kann dabei insbesondere als direkt angetriebener Windkraftgenerator ausgebildet sein.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine elektrische Maschine in Form einer schematisierten Darstellung,
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2 eine alternative Ausbildung des erfindungsgemäßen Rotors der elektrischen Maschine in Form einer schematisierten Darstellung,
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3 eine Manschette,
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4 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung,
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5 eine Detailansicht einer formschlüssigen Verbindung,
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6 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung,
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7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung,
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8 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung, und
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9 ein mittels Biegen und anschließendem Verlöten der Tasche verschlossenes axiales Ende einer Tasche.
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In 1 ist in Form einer schematisierten Darstellung eine elektrische Maschine 1 dargestellt. Die elektrische Maschine 1 weist einen um eine Rotationsachse R rotierbar angeordneten Rotor 5 auf. Der Rotor 5 weist einen Rotorkörper 4 auf, der über Verbindungselemente 9 mit einer Welle 7 verbunden ist.
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Der Rotorkörper kann dabei massiv ausgebildet sein oder in Form von in axialer Richtung A des Rotors 5 hintereinender angeordneten Blechen bestehen. Weiterhin kann der Rotorkörper 4 auch segmentiert ausgeführt sein.
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Am Umfang 11 des Rotorkörpers 4 ist eine Manschette 2 angeordnet, die zusammen mit der Oberfläche des Rotorkörpers 4 mehrere in axiale Richtung A des Rotors 5, d. h. in Richtung der Rotationsachse R des Rotors 5, verlaufende Taschen ausbildet, wobei der Übersichtlichkeit halber nur eine Tasche 12 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Manschette 2 ist dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels einstückig aufgebaut und bildet zusammen mit der Oberfläche des Rotorkörpers 4 mehrere in axialer Richtung A des Rotors 5 verlaufende Taschen aus. Die Manschette verläuft um den gesamten Umfang 11 des Rotorkörpers 4. Es sei dabei angemerkt, dass die Manschette aber auch so ausgebildet sein kann, dass sie zusammen mit der Oberfläche des Rotorkörpers nur eine einzelne in axialer Richtung A des Rotors verlaufende Tasche ausbildet, wobei entsprechend in diesen Fall am Umfang des Rotorkörpers eine Vielzahl von Manschetten entlang dem Umfang des Rotorkörpers angeordnet sind. Weiterhin können z. B. auch mehrere Manschetten entlang dem Umfang am Umfang des Rotorkörpers angeordnet sein, wobei jede Manschette zusammen mit der Oberfläche des Rotorkörpers zwei oder mehr in axialer Richtung A des Rotors verlaufende Taschen ausbildet.
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Die Taschen werden jeweils von drei Seitenwänden der Manschette und der Oberfläche des Rotorkörpers begrenzt, wobei der Übersichtlichkeit halber nur die Seitenwände 10a, 10b und 10c der Manschette 2 in 1 mit einem Bezugszeichen versehen sind. In den Taschen sind dabei Permanentmagnete 3 angeordnet. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich somit um eine sogenannte permanentmagneterregte elektrische Maschine. Zwischen dem Rotor 5 und dem Ständer 6 ist ein Luftspalt vorhanden. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Übersichtlichkeit halber und da zum Verständnis der Erfindung unwesentlich die elektrischen Spulen des Ständers 6 in 1 nicht dargestellt sind.
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Die elektrische Maschine 1 ist im Rahmen des Ausführungsbeispiels gemäß 1 als sogenannter Innenläufer ausgebildet, d. h. der ruhend angeordnete Ständer 6 ist um den im Zentrum der elektrischen Maschine 1 rotierbar angeordneten Rotor 5 angeordnet.
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Wie in 2 dargestellt, kann die elektrische Maschine 1 aber auch als sogenannter Außenläufer ausgebildet sein, d. h. der Rotor rotiert beim Betrieb der Maschine um den im Zentrum der Maschine ruhend angeordneten Ständer der Maschine. Der Übersichtlichkeit halber ist in 2 nur der Rotorkörper 4 mit den an ihm angeordneten Elementen dargestellt, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in 1. Bei einer Ausbildung der elektrischen Maschine als Innenläufer gemäß 1 ist die Manschette am äußeren Umfang 11 des Rotorkörpers 4 angeordnet, während bei einer Ausbildung der elektrischen Maschine als Außenläufer gemäß 2 die Manschette am inneren Umfang 11' des Rotorkörpers 4 angeordnet ist.
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Der Umfang des Rotorkörpers kann somit in Form des äußeren Umfangs 11 des Rotorkörpers als auch in Form des inneren Umfangs 11' des Rotorkörpers vorliegen.
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In 3 ist in Form einer schematisierten 3D-Darstellung die Manschette 2 dargestellt. Die Manschette 2 weist dabei zur Verbindung der Manschette 2 mit dem Rotorkörper 4 Löcher auf, wobei der Übersichtlichkeit halber nur ein Loch 33 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Manschette 2 wird über durch die Löcher hindurchgehende Schraubverbindungen mit dem Rotorkörper verbunden. Alternativ kann die Manschette 2 aber auch z. B. mittels einer Klebe-, Niet- oder Schweißverbindung mit dem Rotorkörper 4 verbunden sein.
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In den 4 bis 6 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form von schematisierten Darstellungen dargestellt. Gleiche Elemente sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1, wobei die in 3 dargestellten Löcher in den 4 bis 6, sowie in den nachfolgenden Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. In 4 ist dabei eine 3D-Darstellung des erfindungsgemäßen Verschlusses und in 6 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Verschlusses dargestellt, wobei in 4 der Übersichtlichkeit halber die Abdeckung 18a nicht dargestellt ist. In 5 ist in Form einer 3D-Darstellung eine Detailansicht einer gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel realisierten formschlüssigen Verbindung dargestellt. In der Tasche 12 sind mehrere Permanentmagnete angeordnet, wobei nur die Permanentmagnete 3a, 3b und 3c dargestellt sind. Es sei hier angemerkt, dass in den Taschen auch jeweils nur ein einzelner Permanentmagnet angeordnet sein kann. Gleiche Elemente sind in 4 bis 6 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1.
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Erfindungsgemäß ist in einem axialen Endbereich der Tasche 12 eine Verschlussvorrichtung 13 angeordnet, die die Tasche 12 an dem Endbereich in axialer Richtung A des Rotors verschließt. Die Verschlussvorrichtung 13 ist dabei im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels in Form einer Klammer ausgebildet. Die Verschlussvorrichtung 13, d. h. im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels die Klammer, weist zwei Nasen 15a und 15b auf. Die Seitenwände 10a und 10b der Manschette 2 weisen eine Ausnehmung 14a und 14b auf. Die Nasen 15a und 15b greifen dabei in die Ausnehmungen 14a und 14b ein und realisieren auf diese Weise eine formschlüssige Verbindung der Verschlussvorrichtung 13 mit den beiden Seitenwänden 10a und 10b der Manschette 12. Die im Inneren der Tasche 12 angeordneten Permanentmagnete stoßen sich gegenseitig ab, so dass die Klammer mit ihren Nasen in axiale Richtung A von dem Permanentmagneten gedrückt wird. Die Verschlussvorrichtung 13 verhindert ein Herausschießen der sich gegenseitig abstoßenden Permanentmagnete aus der Tasche.
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Es sei angemerkt, dass im einfachsten Fall die Verschlussvorrichtung 13 auch nur eine einzelne Nase aufweisen kann, die in eine einzelne entsprechende Ausnehmung in einer Seitenwand der Manschette 2 eingreift. Weiterhin kann die Verschlussvorrichtung selbstverständlich auch mehr als zwei Nasen aufweisen, die in entsprechende in die Seitenwände der Manschette 2 eingebrachte Ausnehmungen eingreifen.
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Weiterhin müssen die Nasen und insbesondere die beiden Nasen 15a und 15b nicht unbedingt in dieselbe Richtung, wie in 6 dargestellt, verlaufen, sondern können z. B. auch in entgegengesetzte Richtungen verlaufen. So kann z. B. die Nase 15b in der Darstellung gemäß 6 auch nach unten gebogen sein und somit in der Darstellung gemäß 6 nach unten verlaufen, während die Nase 15a wie dargestellt nach oben verläuft. Hierdurch kann verhindert werden, dass wenn der Permanentmagnet 3a nicht wie im Ausführungsbeispiel an der Klammer anliegt, die Klammer sich in Richtung des Permanentmagneten 3a verschiebt.
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Zur Verriegelung der Manschette 2 wird die Verschlussvorrichtung 13 einfach in die Tasche 12 gedrückt und verschließt beim Einrasten der Nasen in die Ausnehmungen die Tasche.
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Um das Eindringen von Schadstoffen (z. B. Schmutz oder schädliche Gase) in die Tasche zu verhindern, ist vorzugsweise in am axialen Ende der Tasche ein Dichtelement 16 angeordnet. Die Verschlussvorrichtung 13 ist in axialer Richtung A des Rotors zwischen dem Dichtelement 16 und den Permanentmagneten angeordnet. Das Dichtelement 16 bewirkt eine Abdichtung der Tasche 12 in axialer Richtung A der Tasche gegenüber der Umgebung des Rotors 5. Das Dichtelement 16 weist zur Abdichtung mehrere in axialer Richtung A hintereinander angeordnete Dichtlippen auf, wobei der Übersichtlichkeit halber nur eine Dichtlippe 17 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Dichtlippen können z. B. aus Gummi bestehen.
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Wie in 5 und 6 dargestellt, sind an den Ausnehmungen 14a und 14b auf der Außenseite der Tasche Abdeckungen 18a und 18b angeordnet, die die Ausnehmungen 14a und 15a abdecken, und räumlich von der Umgebung des Rotors abtrennen. Die Abdeckungen verhindern das Eindringen von Schmutz oder anderen schädlichen Stoffen durch die Ausnehmungen in das Innere der Tasche, welche die Permanentmagnete beschädigen können. Die Abdeckungen können dabei, wie in 5 dargestellt, über Dichtungen 30, die z. B. in Form eines Silikonmaterials vorliegen können, mit der Seitenwand der Manschette 2 verbunden sein. Die Ausnehmungen sind solchermaßen hermetisch von der Umgebung des Rotors abgedichtet.
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In 7 ist ein weiteres Beispiel der Erfindung dargestellt, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in 1 und 6. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung weist die erfindungsgemäße Verschlussvorrichtung 13' ein Verschlusselement 20, ein Verriegelungselement 21 und ein Federelement 22 auf. Der Rotorkörper 4 weist eine Ausnehmung 31 auf. Die Verschlussvorrichtung 13' ist über eine formschlüssige Verbindung mit dem Rotorkörper 4 verbunden, wobei die formschlüssige Verbindung realisiert ist, indem das Federelement 22 das Verriegelungselement 21 in die Ausnehmung 31 des Rotorkörpers 4 drückt und solchermaßen das Verriegelungselement 21 den Rotorkörpers 4 formschlüssig mit dem Verschlusselement 20 verbindet. Das Verriegelungselement 21 ist dabei an die Form der Ausnehmung 31 angepasst.
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Im Rahmen des Ausführungsbeispiels der Erfindung ist in axialer Richtung A des Rotors zwischen den Permanentmagneten und der Verschlussvorrichtung 13' in der Tasche ein Dichtelement 16' angeordnet, das in axialer Richtung A eine Abdichtung des Bereichs der Tasche, in dem die Permanentmagnete angeordnet sind, gegenüber der Umgebung des Rotors bewirkt. Das Dichtelement 16' weist hierzu Dichtlippen auf, wobei der Übersichtlichkeit halber nur eine Dichtlippe 17 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Dichtlippen können z. B. aus Gummi bestehen.
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In 8 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Ausführungsform gemäß 8 entspricht dabei im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 7. Gleiche Elemente sind in 8 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 7. Der einzige Unterschied gegenüber der Ausführungsform gemäß 7 besteht bei der der Ausführungsform gemäß 8 darin, dass zur Abdichtung der Tasche kein separates Dichtelement vorgesehen ist, sondern zwischen dem Verschlusselement 20 und den Seitenwänden der Manschette 2 und der Rotoroberfläche eine Dichtung angeordnet ist, die in axialer Richtung A eine Abdichtung der Tasche gegenüber der Umgebung des Rotors bewirkt. Die Dichtung besteht dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels aus in axialer Richtung A hintereinander angeordneten Dichtlippen, wobei der Übersichtlichkeit halber nur eine Dichtlippe 17 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Dichtlippen 17 können z. B. aus Gummi bestehen. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist dabei das Verschlusselement 20 die Dichtung, d. h. im Rahmen des Ausführungsbeispiels, die Dichtlippen auf.
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Es sei angemerkt, dass bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 7 und 8 das Federelement in Form einer Spiralfeder ausgebildet ist. Alternativ kann das Federelement aber z. B. auch in Form von gewelltem Federstahl, Tellerfedern oder Ähnlichem vorliegen.
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Die erfindungsgemäße Verschlussvorrichtung kann entweder an beiden axialen Endbereichen der Tasche angeordnet sein oder aber auch nur an einem der beiden Endbereiche der Tasche, wobei in diesem Fall, wie in 9 dargestellt, das axiale Ende, das nicht mittels der erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung verschlossen ist, z. B. durch Umbiegen eines axialen Endabschnitts 40 der Manschette 2 und anschließendem Verlöten über Lötstellen 23 verschlossen ist.
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Durch die Erfindung können der Rotor und der Ständer einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine, die eine große elektrische Leistung aufweist, ohne Vorhandensein der Permanentmagnete zusammengefügt werden, so dass, da sich Rotor und Ständer noch nicht anziehen, der Montageaufwand beim Zusammenbau der elektrischen Maschine reduziert wird. Die Permanentmagnete werden anschließend in die Taschen eingeführt und mittels der erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung verschlossen. Der handelsüblich ausgeführte Verguss der Permanentmagnete mittels einer Vergussmasse aus Gründen des Korrosionsschutzes der Permanentmagnete kann bei der Erfindung entfallen. Durch die Erfindung wird der Aufwand zur der Fertigung der elektrischen Maschine erheblich verringert.
