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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere elektronisch kommutierte elektrische Maschinen mit einer Rotoranordnung in Lamellenaufbau.
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Stand der Technik
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Elektronisch kommutierte elektrische Maschinen werden zusehends auch in Bereichen eingesetzt, in denen zuvor lediglich bürstenkommutierte elektrische Maschinen verwendet wurden. In den Rotoren von elektronisch kommutierten elektrischen Maschinen hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, Permanentmagnete in Speichenform anzuordnen, so dass deren Magnetisierung in Umfangsrichtung bezüglich des Läufers vorgesehen ist. Dadurch kann eine höhere Luftspaltflussdichte erreicht werden als die Remanenzflussdichte der verwendeten Permanentmagnete. Mit einer höheren Luftspaltflussdichte können elektrische Maschinen erreicht werden, die eine höhere Drehmomentdichte aufweisen.
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Um die Flussdichte pro Rotorpol in Außenläufermaschinen mit oberflächenmontierten Permanentmagneten zu erhöhen, kann vorgesehen werden, dass die Permanentmagnete an einer oder beiden Stirnseiten in axialer Richtung über den Stator überstehen. Der zusätzliche Fluss der zwei axialen Enden der Permanentmagnete dringt in die Statoranordnung ein und erhöht effektiv den magnetischen Fluss pro Rotorpol, um so die Drehmomentdichte der elektrischen Maschine zu verbessern. Der Permanentmagnetenüberstand kann bei Innenläufermaschinen mit Rotoranordnungen verwendet werden, bei denen die Permanentmagnete in Speichenaufbau angeordnet sind, wobei jedoch zusätzliche Blechlamellen für die Rotoranordnung gestanzt werden müssen, um die erweiterten Polschuhe an den Enden der überstehenden Permanentmagnete vorzusehen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rotoranordnung für eine Innenläufermaschine mit Permanentmagneten in Speichenaufbau vorzusehen, bei der die Luftspaltflussdichte weiter erhöht ist, ohne dass zusätzliche Blechlamellen zum Aufbau der Rotoranordnung für die Bereiche, in denen die Permanentmagneten überstehen, vorgesehen werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Rotoranordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt ist eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- – eine Anzahl von ersten Blechlamellen, die jeweils eine oder mehrere Taschenausnehmungen aufweisen; und
- – eine oder mehrere weitere Blechlamellen, die analog zu den ersten Blechlamellen jeweils eine oder mehrere Taschenausnehmungen aufweisen, wobei die Taschenausnehmungen an zumindest einem ihrer Ränder einen Flusslenkungsbereich aufweisen, der sich senkrecht zu der weiteren Blechlamelle erstreckt,
wobei die ersten Blechlamellen und die eine oder mehreren weiteren Blechlamellen in einer Stapelanordnung aufeinander angeordnet sind, so dass deren Taschenausnehmungen mindestens eine in axialer Richtung verlaufende Tasche zur Aufnahme eines Permanentmagneten ausbilden und die Flusslenkungsbereiche der einen oder mehreren weiteren Blechlamellen von der Stapelanordnung abstehen und die Tasche zur Aufnahme des Permanentmagneten verlängern.
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Rotoranordnung in Lamellenaufbauweise vorzusehen, um den magnetischen Fluss, der von einem in axialer Richtung überstehenden Teil eines Permanentmagneten bereitgestellt wird, aufzunehmen und zu einem entsprechenden Rotorpol zu lenken. Dabei soll möglichst keine zusätzliche Blechlamelle verwendet werden, da dadurch der Aufbau der Rotoranordnung aufwändiger würde. Stattdessen ist vorgesehen, eine oder mehrere der stirnseitig angeordneten weiteren Blechlamellen verschieden von den übrigen ersten Blechlamellen auszubilden, die dem Aufbau eines Kerns der Rotoranordnung dienen. Insbesondere weisen die einzelnen weiteren Blechlamellen eine Form auf, die abgesehen von den Taschenausnehmungen annähernd der Form der ersten Blechlamellen entspricht. Die Taschenausnehmungen der ersten Blechlamellen dienen zum Ausbilden von Permanentmagnettaschen, in die Permanentmagnete eingesetzt werden. Die weiteren Blechlamellen weisen im Unterschied zu den ersten Blechlamellen Flusslenkungsbereiche auf, die ausgehend von mindestens einem in radialer Richtung verlaufenden Rand in die Taschenausnehmung der weiteren Blechlamelle gerichtet sind. Die Flusslenkungsbereiche werden rechtwinklig zu den übrigen Bereichen der weiteren Blechlamellen von dem mindestens einen in radialer Richtung verlaufenden Rand der Taschenausnehmung abgehend vorgesehen.
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Werden die weiteren Blechlamellen auf einen Stapel von ersten Blechlamellen aufgesetzt, so dass deren Taschenausnehmungen in axialer Richtung ausgerichtet sind und der Flusslenkungsbereich bzw. die Flusslenkungsbereiche von der so gebildeten Rotoranordnung abstehen, so liegen die Flusslenkungsbereiche an dem überstehenden Teil der in den Taschen befindlichen Permanentmagnete der Rotoranordnung an. Dadurch kann das von dem überstehenden Teil des Permanentmagneten abgegebene Magnetfeld ins Innere der Rotoranordnung zu dem betreffenden Rotorpol gelenkt werden.
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Dadurch ist es möglich, eine Rotoranordnung mit verbesserten magnetischen Eigenschaften zur Verfügung zu stellen, wobei lediglich eine Anzahl von Blechlamellen benötigt wird, die der axialen Länge der aufzubauenden Rotoranordnung entspricht, und keine weiteren Elemente notwendig sind, um ein Flusslenkungsmittel zum Führen des magnetischen Flusses von dem überstehenden Teil der Permanentmagnete zu schaffen.
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Weiterhin können sowohl zwischen den Taschenausnehmungen der ersten Blechlamellen als auch zwischen den Taschenausnehmungen der einen oder der mehreren weiteren Blechlamellen Polschuhbereiche vorgesehen sein, die in der Stapelanordnung Polschuhe ausbilden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die einen oder die mehreren weiteren Blechlamellen eine zweite Blechlamelle umfassen, wobei die zweite Blechlamelle an zwei gegenüberliegenden Rändern einer Taschenausnehmung Flusslenkungsbereiche aufweist, die insbesondere mit gleicher Länge von der Ebene der zweiten Blechlamelle abstehen.
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Gemäß einer Ausführungsform können die einen oder die mehreren weiteren Blechlamellen eine dritte Blechlamelle umfassen, wobei die dritte Blechlamelle an zwei gegenüberliegenden Rändern einer Taschenausnehmung Flusslenkungsbereiche aufweist, wobei der Abstand der Flusslenkungsbereiche der dritten Blechlamelle verbreitert ist, so dass die dritte Blechlamelle auf die zweite Blechlamelle aufsetzbar ist und die Flusslenkungsbereiche der dritten Blechlamelle die Flusslenkungsbereiche der zweiten Blechlamelle zwischen sich aufnehmen.
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Die einen oder die mehreren weiteren Blechlamellen können eine vierte Blechlamelle umfassen, wobei die vierte Blechlamelle nur an jeweils einem Rand der Taschenausnehmungen einen Flusslenkungsbereich aufweist.
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Es können zwei vierte Blechlamellen vorgesehen sein, die spiegelverkehrt in der Stapelanordnung angeordnet sind, so dass eine Tasche in der Stapelanordnung durch jeweils einen Flusslenkungsbereich der beiden vierten Blechlamellen verlängert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform können die einen oder die mehreren weiteren Blechlamellen eine fünfte Blechlamelle umfassen, wobei die fünfte Blechlamelle verbreiterte Taschenausnehmungen aufweist, so dass die fünfte Blechlamelle auf die zweite und/oder vierte Blechlamelle aufsetzbar ist und die Flusslenkungsbereiche der fünften Blechlamelle an den Flusslenkungsbereichen der zweiten bzw. vierten Blechlamelle anliegen.
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Es kann vorgesehen sein, dass in mindestens einer der Taschen der Rotoranordnung ein Permanentmagnet angeordnet ist, der aus der einen Tasche in axialer Richtung übersteht, wobei an zumindest einer der Polflächen eines überstehenden Teils des Permanentmagneten einer der Flusslenkungsbereiche der einen oder der mehreren weiteren Blechlamellen anliegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine mit der obigen Rotoranordnung vorgesehen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht in axialer Richtung auf eine elektrische Innenläufermaschine mit einer Rotoranordnung mit Permanentmagneten in Speichenaufbau;
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2 eine perspektivische Darstellung einer ersten Blechlamelle mit einem ersten Blechschnitt zum Aufbau eines Kerns der Rotoranordnung;
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3 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Blechlamelle eines zweiten Blechschnitts zum Aufsetzen auf ein Stirnende einer aus ersten Blechlamellen aufgebauten Rotoranordnung;
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4 eine Schnittansicht durch einen Randbereich einer Tasche in einer Rotoranordnung quer zu einer radialen Richtung mit einer stirnseitig auf einem Stapel von ersten Blechlamellen angeordneten zweiten Blechlamelle;
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5 eine Schnittansicht durch einen Randbereich einer Tasche in einer Rotoranordnung quer zu einer radialen Richtung mit einer stirnseitig auf einem Stapel von ersten Blechlamellen angeordneten zweiten und dritten Blechlamelle;
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6 eine Schnittansicht durch einen Randbereich einer Tasche in einer Rotoranordnung quer zu einer radialen Richtung mit zwei stirnseitig spiegelverkehrt angeordneten vierten Blechlamellen;
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7 eine Schnittansicht durch einen Randbereich einer Tasche in einer Rotoranordnung quer zu einer radialen Richtung mit einer stirnseitig auf einem Stapel von ersten Blechlamellen angeordneten dritten und zwei vierten Blechlamellen;
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8 eine Schnittansicht durch einen Randbereich einer Tasche in einer Rotoranordnung quer zu einer radialen Richtung mit zwei stirnseitig auf einem Stapel von ersten Blechlamellen angeordneten zwei vierten und zwei fünften Blechlamellen; und
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9 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts durch eine mit Permanentmagneten versehene Rotoranordnung, bei der auf einem Stapel von ersten Blechlamellen an einer Stirnseite eine zweite Blechlamelle angeordnet ist.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine Schnittansicht quer zu einer axialen Richtung durch eine elektrische Maschine 1 mit einem Außenstator 2 und einem Innenläufer 3, der nachfolgend Rotoranordnung 3 genannt wird. Der Stator 2 weist 15 nach innen gerichtete Statorzähne 4 auf, die jeweils von einer (nicht gezeigten) Statorspule umgeben sein können. Die Statorzähne 4 werden durch einen kreiszylindrischen Statorrückschlussbereich 5 gehalten. Die nach innen gerichteten Enden der Statorzähne 4 können mit Zahnschuhen versehen sein und eine Innenausnehmung 6 definieren, in der die Rotoranordnung 3 drehbeweglich angeordnet ist. Die Rotoranordnung 3 umgibt eine Welle 7 und weist Permanentmagnettaschen 8 zur Aufnahme von Permanentmagneten auf. Die Taschen 8 sind speichenförmig angeordnet, d. h. in radialer Richtung ausgerichtet, wobei Permanentmagnete, die darin angeordnet werden sollen, eine Magnetisierungsrichtung aufweisen, die im Wesentlichen der tangentialen Richtung der Rotoranordnung 3 entspricht.
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Zwischen den Taschen 8 befinden sich die Polschuhe 9 der Rotoranordnung 3, die das Magnetfeld der Permanentmagnete aufnehmen und in radialer Richtung nach außen lenken, so dass dort die Rotorpole ausgebildet werden. Sowohl die Statoranordnung 2 als auch die Rotoranordnung 3 werden in der Regel durch Stapeln von gleichförmigen Blechlamellen aufgebaut, da dies eine kostengünstige Aufbauweise darstellt.
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So ist beispielsweise in 2 eine perspektivische Darstellung einer ersten Blechlamelle 11 dargestellt, die zum Aufbau der Rotoranordnung 3 dient, indem diese in ein Lamellenpaket gestapelt wird, so dass mehrere Blechlamellen 11 deckungsgleich übereinander liegen. Die ersten Blechlamellen 11 weisen einen Innenbereich 12 und Polschuhbereiche 13 auf, zwischen denen Taschenausnehmungen 14 angeordnet sind. Nach dem Stapeln der ersten Blechlamellen 11 zu dem Lamellenstapel sind die Taschenausnehmungen 14 in axialer Richtung übereinander ausgerichtet, so dass eine Tasche 8 zur Aufnahme von Permanentmagneten ausgebildet wird.
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Die zwischen den Taschen 8 liegenden Polschuhe 9 werden dann durch die Polschuhbereiche 13 der ersten Blechlamellen 11 ausgebildet. Die Polschuhbereiche 13 sind nur über dünne Stegbereiche 15 mit dem Innenbereich 12 verbunden und stehen mit benachbarten Polschuhbereichen 13 ansonsten in keiner weiteren Verbindung.
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Beim Aufbau einer Rotoranordnung 3 durch Stapeln der ersten Blechlamellen 11 wird somit eine Rotoranordnung 3 gebildet, in die zum Aufbau einer elektrischen Maschine Permanentmagnete eingesetzt werden können. Um die Flussdichte an den Rotorpolen zu erhöhen, können Permanentmagnete eingesetzt werden, deren axiale Länge größer ist als die axiale Länge der Rotoranordnung 3. Um den Anteil des magnetischen Flusses von mindestens einem der überstehenden Enden der Permanentmagnete aufzunehmen, ist nun vorgesehen, an den Stirnseiten des Blechlamellenstapels aus den ersten Blechlamellen 11 eine oder mehrere weitere Blechlamellen vorzusehen, die Flusslenkungsbereiche aufweisen.
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Eine weitere Blechlamelle kann beispielsweise als zweite Blechlamelle 21 ausgebildet sein. Während die zweiten Blechlamellen 21 zu den ersten Blechlamellen 11 gleichförmig mit einem entsprechenden Innenbereich 26, Polschuhbereichen 23, Stegbereichen 25 und Taschenausnehmungen 24 ausgebildet sind, ist nun der Flusslenkungsbereich 22 ausgehend von den radial verlaufenden Rändern der Taschenausnehmung 24 senkrecht in axialer Richtung abstehend, insbesondere rechtwinklig abstehend, ausgebildet. Dies wird dadurch erreicht, dass die zweite Blechlamelle 21 mit in die Taschenausnehmung 24 hineinragenden Flusslenkungsbereichen 22 gefertigt wird, die dann rechtwinklig in axialer Richtung umgebogen werden, um die Flusslenkungsbereiche 22 auszubilden.
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In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind an beiden einander gegenüberliegenden radialen Rändern der Taschenausnehmung 24 Flusslenkungsbereiche 22 gleicher Breite vorgesehen, die sich in axialer Richtung rechtwinklig von den Rändern der Taschenausnehmung 24 erstrecken. Die beiden rechtwinklig abstehenden Flusslenkungsbereiche 22 einer der Taschenausnehmungen 24 weisen einen Abstand voneinander auf, der im Wesentlichen der Breite einer Tasche 8 in Umfangsrichtung entspricht.
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In 4 ist eine Schnittansicht durch einen Randbereich einer Tasche 8 quer zur radialen Richtung dargestellt. Man erkennt als Teil des Kernbereichs der Rotoranordnung 3 die übereinander gestapelten ersten Blechlamellen 11, die die Rotoranordnung 3 mit der darin befindlichen Tasche 8 ausbilden. Stirnseitig auf die gestapelten ersten Blechlamellen 11 ist die zweite Blechlamelle 21 aufgebracht, wobei die Flusslenkungsbereiche 22 der zweiten Blechlamelle 21 so ausgebildet sind, dass deren Innenseiten, d. h. die einander zugewandten Seiten, die Tasche 8 in radialer Richtung weg von dem Stapel der ersten Blechlamellen 11 verlängern.
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In der Ausführungsform der 5 ist zusätzlich zur zweiten Blechlamelle 21 eine dritte Blechlamelle 31 vorgesehen, die so ausgebildet ist, dass beide auf den Lamellenstapel aus ersten Blechlamellen 11 aufgesetzt werden können. Die dritte Blechlamelle 31 weist analog zur zweiten Blechlamelle 21 einen Flusslenkungsbereich 32, einen Innenbereich, Polschuhbereiche, Stegbereiche und Taschenausnehmungen auf.
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Insbesondere sind die Taschenausnehmungen der dritten Blechlamelle 31 breiter ausgebildet, um über die Taschenausnehmungen 24 der zweiten Blechlamelle 21 mit den vorstehenden Flusslenkungsbereichen 22 aufgesetzt zu werden. Auf diese Weise kann die dritte Blechlamelle 31 ebenfalls mit einem Flusslenkungsbereich 32 ausgebildet sein, der mit dem Flusslenkungsbereich 22 der zweiten Blechlamelle 21 in Umfangsrichtung übereinander liegt, um so die Flusslenkung des von dem überstehenden Teil des Permanentmagneten bereitgestellten Magnetfelds zu verbessern.
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6 zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Rotoranordnung 3, wobei zwei vierte Blechlamellen 41 vorgesehen sind, deren Taschenausnehmungen 44 jeweils nur an einem radial verlaufenden Rand mit einem Flusslenkungsbereich 42 ausgebildet sind. Die vierten Blechlamellen 41 weisen analog zur zweiten Blechlamelle 21 jeweils den Flusslenkungsbereich 42, einen Innenbereich 46, Polschuhbereiche, Stegbereiche und die Taschenausnehmungen auf.
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Der Flusslenkungsbereich 42 kann dadurch vergrößert werden, dass dieser eine Länge annehmen kann, die maximal annähernd der gesamten Breite der Taschenausnehmung der vierten Blechlamelle 41 in tangentialer Richtung entsprechen kann. Um nun beidseitig Flusslenkungsbereiche 42 vorzusehen, können auf der Stapelanordnung der ersten Blechlamellen 11 zwei zueinander spiegelbildlich (um eine Flächenachse um 180° gedreht) angeordnete vierte Blechlamellen 41 angeordnet sein, deren Flusslenkungsbereiche 42 dadurch an beiden Seiten des überstehenden Teils des Permanentmagneten anliegen.
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Durch das Vorsehen des Flusslenkungsbereichs 42 an nur einem Rand der Taschenausnehmung 44 der vierten Blechlamelle 41 kann dieser in seiner Länge (d. h. der Länge, mit der der Flusslenkungsbereich 42 als Flusslenkungsabschnitt von der Rotoranordnung 3 in axialer Richtung absteht) deutlich vergrößert werden, so dass auch Permanentmagnete, die zu einem größeren Anteil über die Rotoranordnung 3 überstehen, mit einer Flusslenkung versehen werden können.
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In 7 ist eine Mischform der zuvor beschriebenen Ausführungsformen dargestellt. Auf dem Lamellenpaket aus ersten Blechlamellen 11 sind zunächst zwei vierte Blechlamellen 41 angeordnet, die zueinander spiegelverkehrt vorgesehen sind, um einen langen Flusslenkungsbereich beidseitig des überstehenden Abschnitts des Permanentmagneten zu schaffen. Abschließend ist eine dritte Blechlamelle 31 vorgesehen, deren Flusslenkungsbereich 32 die Flusslenkungsbereiche 42 der vierten Blechlamelle 41 teilweise umgibt.
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Bei der Ausführungsform der 7 kann die magnetische Flussdichte in den Bereichen A reduziert werden, die in der Ausführungsform der 6 sehr hoch werden kann, so dass dort unter Umständen eine Sättigung erreicht wird, was für den Betrieb einer elektrischen Maschine mit einer derartigen Rotoranordnung nachteilig ist.
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In der weiteren Ausführungsform der 8 sind auf den Lamellenstapel aus ersten Blechlamellen 11 zunächst zwei vierte Blechlamellen 41 in der oben beschriebenen Weise, d. h. spiegelbildlich zueinander, aufgesetzt und anschließend sind zwei fünfte Blechlamellen 51 vorgesehen. Die fünfte Blechlamelle 51 weist analog zur vierten Blechlamelle 41, Flusslenkungsbereiche 52, einen Innenbereich, Polschuhbereiche, Stegbereiche und den Taschenausnehmungen auf. Analog zu den vierten Blechlamellen 41 weist die fünfte Blechlamelle 51 nur einseitig ausgebildete Flusslenkungsbereiche 52 auf, die jedoch in der Taschenausnehmung angeordnet sind, die gegenüber der Breite der Taschenausnehmungen 14 der ersten Blechlamellen 11 breiter ist, so dass die fünften Blechlamellen 51 auf die vorstehenden Flusslenkungsbereiche 42 der zuvor aufgesetzten vierten Blechlamellen 41 aufgesetzt werden können und dadurch eine Verstärkung der gebildeten Flusslenkungsabschnitte an dem überstehenden Abschnitt des Permanentmagneten erreicht werden kann.
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In 9 ist ein Ausschnitt aus einer Rotoranordnung 3 gezeigt, die aus einer Stapelanordnung aus ersten Blechlamellen 11 aufgebaut ist, die stirnseitig mit zweiten Blechlamellen 21 versehen ist. Man erkennt den eingesetzten Permanentmagneten, wobei dessen Magnetpolflächen an dem überstehenden Abschnitt von den Flusslenkungsabschnitten überdeckt wird, so dass das Magnetfeld zu den durch die ersten Blechlamellen 11 und die zweiten Blechlamellen gebildeten Rotorpolen gelenkt werden kann.
