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Die Erfindung betrifft eine als Transversalflussmaschine ausgebildete dynamoelektrische Maschine sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Transversalflussmaschine kann sowohl als permanenterregte oder elektrisch erregte Maschine als auch als Reluktanzmaschine ausgebildet sein.
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Die Transversalflussmaschine kann beispielsweise im Umfeld der Elektromobilität als Traktionsmaschine eingesetzt werden. Darüber hinaus ist aber auch eine Anwendung der Transversalflussmaschine bei stationären Anwendungen insbesondere im industriellen Umfeld denkbar.
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Eine Transversalflussmaschine zeichnet sich im Vergleich zu herkömmlichen Radialflussmaschinen insbesondere durch die Einfachheit ihrer Wicklung aus. Aufwändiger hingegen ist bei der Transversalflussmaschine die Herstellung der weichmagnetischen Körper für den Stator und den Rotor, worauf diese Erfindung gerichtet ist.
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Aus der
EP 0 799 519 B1 ist eine Transversalflussmaschine mit Leiterring bekannt, die von U-förmigen, weichmagnetischen Körpern von drei Seiten umschlossen ist, wobei ein magnetischer Kreis von weich- und/oder hartmagnetischen Teilen periodisch geschlossen wird, die durch zwei radial außerhalb der Leiterringe angeordnete Luftspalte vom jeweiligen U-förmigen, weichmagnetischen Körper getrennt sind. Ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte werden bei dieser Maschine mit geringem Herstellungsaufwand dadurch erreicht, dass die magnetisch aktiven Teile des Rotors oder Stators teilweise axial innerhalb der Enden der U-förmigen weichmagnetischen Körper angeordnet sind. Ferner zeigt die Schrift einen Radnabenantrieb mit einer dreiphasigen Transversalflussmaschine der zuvor beschriebenen Art, deren Drehmomentbildung durch Permanenterregung unterstützt wird. Ebenfalls ist dieser Schrift eine fünfphasige Transversalflussmaschine zu entnehmen, die als Reluktanzmotor ausgebildet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Transversalflussmaschinen zu erleichtern bzw. eine einfach zu fertigende Transversalflussmaschine bereitzustellen. Gleichzeitig soll das Einsatzgebiet erweitert und dafür die Flexibilität hinsichtlich Drehmoment und Drehmomentwelligkeit verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Transversalflussmaschine mit den Verfahrensschritten gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ferner gelingt die Lösung der Aufgabe durch eine Transversalflussmaschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 10. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den jeweils abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß wird zunächst ein Leiterring für jede Phase der Transversalflussmaschine bereitgestellt. Bei dem Leiterring handelt es sich demnach um eine vorgewickelte Phasenspule, die beispielsweise aus einem isolierten Kupferlackdraht gefertigt sein kann. Vorteilhaft kann aber auch eine Ausbildung des Leiterringes als Aluminiumspule sein, da durch die Verwendung von Aluminium als Leitermaterial etwa 50% bis 60% an Gewicht gegenüber Kupferspulen mit gleichem ohmschen Widerstand eingespart werden kann.
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Als Primärteil wird im Folgenden, wie im Elektromaschinenbau üblich, das Element der dynamoelektrischen Maschine bezeichnet, das die felderregenden Spulen trägt. Es kann sich bei dem Primärteil also sowohl um den Stator als auch um den Rotor handeln. Damit auf eine Kontaktierung mittels Schleifringe verzichtet werden kann, bietet sich vorteilhafterweise die Gestaltung des Primärteils als Stator an. Bei einer derartigen Ausführungsform ist folglich das Sekundärteil als Rotor ausgebildet.
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Erfindungsgemäß wird das als Stator wirkende Primärteil durch eine axiale Stapelung von Vollkreisringen mit am Außenumfang umlaufenden und zueinander in umlaufender Richtung beabstandeten Zähnen ausgebildet. Diese Zähne werden im Folgenden auch als Flussleitstückteile bezeichnet. Jeweils zwei axial aufeinander gestapelte Vollkreisringe werden so aneinander ausgerichtet, dass jeweils zwei Zähne/Flussleitstückteile nebeneinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß bilden zwei nebeneinander ausgerichtete Flussleitstückteile unter Formschluss ein im wesentlichen U-förmiges Flußleitstück mit zwei radialflussleitenden Schenkeln aus, wobei der Zwischenraum zwischen den beiden Schenkeln für die Aufnahme eines Leiterringes vorgesehen ist. Zu diesem Zweck sind zwei nebeneinander anzuordnende Flussleitstückteile beispielsweise L-förmig oder T-förmig ausgebildet. Dies gewährleistet, dass zwei axial aufeinander gestapelte Vollkreisringe einen Primärkreisring ausbilden, aufwelchem im wesentlichen U-förmige Flußleitstücke umlaufend ausgebildet sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausbildung weisen diese U-förmigen Flussleitstücke ein axialflussleitendes Basiselement auf, das sich je nach dem, ob zwei L-förmige Flussleitstückteile oder zwei T-förmige Flussleitstückteile aneinander anliegen, aus dem Grundabschnitt der L-Form oder aus den beiden T-Armen zweier benachbarter Flussleitstückteile ausbildet.
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Zwischen zwei derartig ausgebildeten Vollkreisringen wird ein Leiterring derart angeordnet, dass die Basiselemente radial an dem Leiterring anliegen.
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Demnach befindet sich nach diesem Verfahrensschritt der Leiterring im Inneren des durch die zweiteiligen formschlüssigen Flussleitstücke gebildeten U. Die radialflussleitenden Schenkel dieses U ragen über den Gesamtquerschnitt des Leiterrings hinaus. Das über den Leiterring hinausragende Stück jedes Schenkels dient zur Umlenkung des durch die Schenkel in erster Linie radial fließenden Flusses in einer Axialrichtung. Der axiale Fluss schließt sich somit zwischen den beiden Schenkeln über eine Luftstrecke, die radial betrachtet außerhalb des Leiterringes liegt. Innerhalb dieses Luftspaltes wird das Drehmoment zum Antrieb der dynamoelektrischen Maschine gebildet. Dieser Luftspalt zwischen Rotor und Stator beeinflusst direkt den Wirkungsgrad.
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Somt stellt die beschriebene Ausführungsform eine Art Modulbauweise zur Herstellung des Primärteils dar.
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Einen guten magnetischen Leitwert bewirken in vorteilhafter Ausbildung der Erfindung aus einem weichmagnetischen Material gefertigte Zähne zur Ausbildung der Flussleitstücke. Zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten ist es darüber hinaus vorteilhaft, Vollkreisringe aus Elektroblechpaket oder SMC (Soft Magnetic Composites).
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Zum Aufbau einer Transversalflussmaschine wird mindestens ein Leiterring pro Phase benötigt. Entsprechend werden auch mindestens 2 m Vollkreisringe für m Primärteilringe zur Ausbildung einer m-phasigen Transversalflussmaschine benötigt. Ferner ist diese Zahl mit der Polpaarzahl zu multiplizieren, sodass sich für eine m-phasige Maschine mit der Polpaarzahl p also p·m notwendige Primärteilringe bzw. p·2·m Vollkreisringe ergeben.
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Da zur Ausbildung eines Primärteils also mehrere Primärteilringe axial aufeinandergestapelt werden, ergibt sich eine Art Baukastensystem, bei dem unter Verwendung der zuvor beschriebenen Vollkreisringe, von denen jeweils zwei zusammen mit einem Leiterring einen Primärteilring ausbilden, verschiedene Phasen- und Polpaarzahlen ermöglicht werden können. Ferner ist es auch möglich, höhere Leistungsanforderungen durch Aufeinanderstapeln mehrerer Primärteilringe derselben Phase und desselben Polpaares zu erfüllen.
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In weiterer vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung sind die folgenden weiteren Verfahrensschritte zur Ausbildung der Transversalflussmaschine vorgesehen:
- – Bereitstellen eines Sekundärteilbandes für ein Sekundärteil der Transversalflussmaschine,
- – Befestigen von Sekundärteilelementen auf einer Innenseite des Sekundärteilbandes,
- – Biegung des Sekundärteilbandes zu einem den Primärteilring umschließenden Sekundärteilring derart, dass die Sekundärteilelemente radial außerhalb des Leiterringes liegend zwischen den beiden radialflussleitenden Schenkeln eintauchen, sodass diese jeweils über einen Luftspalt in axialer Richtung betrachtet von den Schenkeln beabstandet sind, und
- – Verbinden der Enden des Sekundärteilbandes zu einem vollkreisförmigen Sekundärteilring.
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Das Sekundärteil bildet in einer bevorzugten Ausführungsform den Rotor der Maschine, da es keine mit Strom zu versorgenden Spulen trägt.
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Handelt es sich bei der Transversalflussmaschine beispielsweise um eine permanenterregte Maschine, wären die Sekundärteilelemente mit Permanentmagneten auszubilden. Es ist aber auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine denkbar, bei der die Sekundärteilelemente lediglich als Weicheisenstücke ausgeführt sind. Bei einem solchen Maschinentyp handelt es sich um eine Transversalflussreluktanzmaschine, bei der das von der Maschine gebildete Drehmoment lediglich durch in Umfangsrichtung betrachtet wechselnde magnetische Leitwerte verursacht wird.
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Die hier vorgeschlagene Fertigung des Sekundärteils orientiert sich stark an der bekannten Fertigung eines Nadellagerkäfigs, wie sie beispielsweise in der
DE 198 81 885 C1 beschrieben wird. Hierzu wird zunächst das Sekundärteilband beispielsweise von einem Endlosband auf entsprechende Länge abgeschnitten. Die einzelnen Sekundärteilelemente, die beispielsweise aus Elektroblechen, Ferriten oder mit Kunststoff ummantelten Seltenerdmagneten gefertigt sein können, werden anschließend auf das Sekundärteilband in hoher Anzahl und mit hoher Genauigkeit positioniert. Danach wird das Sekundärteil um das Primärteil herumgebogen. Denkbar ist, dass erst beim Biegevorgang eine ausreichende formschlüssige Verbindung zwischen den Sekundärteilelementen und dem Sekundärteilband geschaffen wird, ähnlich wie es bei der bereits genannten Nadellagerkäfigfertigung der Fall ist. Die Sekundärteilelemente sind im Anschluss an diesen Fertigungsschritt radial oberhalb des Leiterrings angeordnet. Beim Drehen des Rotors bewegen sich die Sekundärteilelemente in dem Zwischenraum zwischen den Zähnen benachbarter Vollkreisringe, die im Formschluss die U-förmigen Flussleitstücke ausbilden.
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Bei der Fertigung der Transversalflussmaschine ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Primärteilringe mit den Sekundärteilringen zu Motorringen verbunden werden und diese anschließend entsprechend der Phasen- und Polpaarzahl der Transversalflussmaschine zusammengefügt werden. Hierbei wird also zunächst für jede Phase ein vollständiger Motorring gefertigt. Entsprechend einem Baukastenprinzip können nunmehr verschiedene Ausführungsformen einer Transversalflussmaschine durch Wahl einer beliebigen Anzahl von Motorringen ausgebildet werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen Vollkreisring,
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2 zwei aneinander anliegende Vollkreisringe,
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2a eine Ausschnittsdarstellung zweier aneinander anliegender Vollkreisringe mit L-förmigen Zähnen,
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2b eine Ausschnittsdarstellung zweier aneinander anliegender Vollkreisringe mit T-förmigen Zähnen,
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3 mehrere axial aufeinandergestapelte Primärteilringe,
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4 eine Schnittdarstellung einer Transversalflussmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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5 eine schematische Darstellung eines Sekundärteilbandes,
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6 das Sekundärteilband nach 5 nach einer Bestückung mit Sekundärteilelementen,
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7 einen Schnitt durch eine Tasche eines mit einem Sekundärteilelement bestückten Sekundärteilbandes und
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8 das in 7 gezeigte Band nach einem Biegevorgang.
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Anhand der 1 bis 3 soll zunächst beispielhaft die Herstellung eines Stators einer Transversalflussreluktanzmaschine erläutert werden.
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So zeigt 1 zunächst einen Vollkreisring 7 mit umlaufenden Flussleitstückteilen 3. Zur Minimierung von Wirbelstromverlusten ist es vorteilhaft, Vollkreisringe aus Elektroblechpaket oder SMC (Soft Magnetic Composites) zu verwenden.
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2 zeigt einen Primärteilring 6, der aus zwei aufeinander gestapelten Vollkreisringen 7 ausgebildet ist. Diese werden so aneinander ausgerichtet, dass jeweils zwei Zähne/Flussleitstückteile 2, 3 nebeneinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß bilden zwei nebeneinander ausgerichtete Flussleitstückteile 2, 3 unter Formschluss ein im wesentlichen U-förmiges Flussleitstück 1 mit zwei radialflussleitenden Schenkeln 5 aus, deren Zwischenraum für die Aufnahme des Leiterrings 8 vorgesehen ist. Jedes Flussleitstück 1 umfasst vorzugsweise ein Basiselement 4 und zwei daran angrenzende Schenkel 5. Basiselement 4 und Schenkel 5 bilden zusammen die U-Form.
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Die 2a und 2b zeigen ausschnittsweise zwei aneinanderliegende Vollkreisringe 7 mit nebeneinander angeördneten L-förmigen bzw. T-förmigen Flussleitstückteilen 2, 3. Diese L-förmige oder T-förmige Ausbildung gewährleistet unter Formschluss die im wesentlichen U-förmige Anordnung als Flussleitstück 1 mit einem axialflussleitenden Basiselement 4.
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Zwischen den derartig ausgebildeten Vollkreisringen 7 wird ein Leiterring 8 derart angeordnet, dass die Basiselement 4 radial an dem Leiterring 8 anliegen.
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Nachdem zwei Vollkreisringe 7 und ein Leiterring 8 zusammengefügt worden sind, befindet sich der Leiterring im Inneren des durch das Flussleitstück 1 gebildete U. Die radialflussleitenden Schenkel 5 dieses U ragen über den Gesamquerschnitt des Leiterrings 8 hinaus, wobei das über den Leiterring 8 hinausragende Stück jedes Schenkels 5 zur Umlenkung des durch die Schenkel 5 in erster Linie radial fließenden Flusses in einer Axialrichtung dient. Stirnseitig grenzt der Leiterring 8 jeweils an einen der Schenkel 5 jedes Flussleitstücks 1.
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Der Leiterring 8 ist zunächst separat gefertigt worden, indem eine entsprechende ringförmige Spule beispielsweise aus Aluminium gewickelt wurde.
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Wird der Leiterring 8 bestromt, wird ein magnetischer Fluss innerhalb des Basiselements 4 jedes Flussleitstückes 1 zunächst in axialer Richtung geführt und anschließend in die radiale Richtung durch die hochpermeablen Schenkel 5 geführt. Der magnetische Fluss schließt sich zwischen den Schenkeln 5 jedes Flussleitstückes 1 in dem über den Leiterring 8 hinausragenden Bereich.
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Der in 2 gezeigte vollkreisförmige Primärteilring 6 kann nur eine Phase der Transversalflussmaschine bedienen. Zur Ausbildung eines vollständigen Primärteils ist jedoch mindestens ein Primärteilring 6 pro Phase notwendig.
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Zur Ausbildung eines kompletten Primärteils werden mehrere Primärteilringe 6 axial aufeinandergestapelt, wie es der Darstellung gemäß 3 zu entnehmen ist. In der Figur sind sechs Primärteilringe 6 axial aufeinandergestapelt. Die Primärteilringe 6 sind durch ein Abstandsband 9 voneinander getrennt. Das Abstandsband 9 definiert die Winkellage der einzelnen Primärteilringe zueinander.
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Zur Herstellung des Abstandsbandes 9 wurde zunächst ein Endlosband auf Umfangslänge des Primärteils geschnitten. Im Abstand der an das Abstandsband 9 angrenzenden Flussleitstücke 1 werden anschließend Taschen zur Aufnahme der Schenkel 5 der Flussleitstücke 1 eingestanzt. Danach wird das Abstandsband 9 zu einem geschlossenen Ring gebogen. Durch die Lage der eingestanzten Taschen wird die winkelgenaue Positionierung der Primärteilringe 6 untereinander gewährleistet.
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Hierbei können die einzelnen Primärteilringe 6 bezogen auf die Winkelposition z. B. um 60 Grad verdreht aufgebaut werden. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise bei einer Anwendung als Radnabenantrieb insbesondere eines elektrifizierten Zweirades der Kabelgang über Speichen nach innen gelegt werden kann.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung einer Transversalflussmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist ein Sekundärteil 10, das als Rotor der Transversalflussmaschine dient, um den in 3 dargestellten Stator herumgebaut worden. Der Sekundärteil 10 kann segmentiert ausgeführt werden, sodass sich die einzelnen teilkreisförmigen Sekundärteilelemente einzeln um den Stator herumlegen lassen, bevor diese an ihren Stoßkanten miteinander verbunden werden.
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Das dargestellte Sekundärteil 10 ist aus einem Sekundärteilband 11 aufgebaut, auf dem einzelne Sekundärteilelemente 12 aufgebracht sind. Diese Sekundärteilelemente 12 dienen als Rotorzähne, die über einen axial ausgerichteten Luftspalt jeweils zu einem der Schenkel 5 der Flussleitstücke 1 beabstandet sind.
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Die Fertigung des Sekundärteils 10 kann dergestalt erfolgen, dass die einzelnen Sekundärteilelemente 12 form- und/oder kraftschlüssig mit dem Sekundärteilband 11 zur Herstellung des Sekundärteils 10 verbunden werden.
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5 zeigt schematisch ein Sekundärteilband 11, mit dem ein Rotorring für drei Phasen einer Transversalflussmaschine aufgebaut wird. Das Sekundärteilband 11 wurde von einem Endlosband auf die Umfangslänge der Transversalflussmaschine geschnitten. Anschließend wurden rechteckige Ausnehmungen, im Folgenden als Taschen 13 bezeichnet, in das Sekundärteilband 11 gestanzt. Für jede der Phasen ist eine Reihe von Taschen 13 vorgesehen. In diese Taschen 13 werden nun zunächst Sekundärteilelemente 12 positioniert. Dieser Fertigungsschritt funktioniert in Analogie der Bestückung eines Nadellagerkäfigs mit den entsprechenden Wälzkörpern.
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Selbstverständlich kann das in 5 gezeigte Sekundärteilband 11 auch einreihig ausgebildet werden, so dass es nur eine Reihe von Taschen 13 zur Aufnahme der Sekundärteilelemente 12 genau einer Phase enthält.
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In 6 ist das Sekundärteilband 11 nach 5 nach einer Bestückung mit den Sekundärteilelementen 12 zu erkennen. Erst nach der Bestückung wird das Sekundärteilband 11 zu einer Ringform um das Primärteil herumgebogen. Bei diesem Biegevorgang tauchen die Sekundärteilelemente 12, die die Rotorzähne der Transversalflussmaschine darstellen, in den von den Schenkeln der U-förmigen Flussleitstücke definierten und in Umfangsrichtung verlaufenden Zwischenraum ein, sodass sie bei einer Bestromung des Leiterringes mit den Schenkeln 5 der Flussleitstücke 1 in elektromagnetische Wechselwirkung treten können.
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7 zeigt einen Schnitt durch eine Tasche 13 eines mit einem Sekundärteilelement 12 bestückten Sekundärteilbandes 11. Die Taschen 13 weisen Stege 14 zur Aufnahme des Sekundärteilelements 12 auf, in die Nasen 15 eingeprägt sind. Ferner verlaufen die Stege 14 bei dem zunächst noch flachen Sekundärteilband nicht ganz parallel zueinander sondern spannen eine leichte Trapezform auf. Es entsteht auf einer Seite des Sekundärteilbandes 11 eine größere Öffnung als auf der anderen Seite. An der Seite mit der größeren Öffnung wird das Sekundärteilelement 12 eingefügt, welches an zwei Seiten jeweils eine zu den Nasen 15 korrespondierende Nut 16 aufweist. Durch diese Nut 16 wird der von dem Sekundärteilelement 12 gebildete Rotorzahn 6 zunächst schon einmal formschlüssig innerhalb des Sekundärteilbandes 11 gehaltert.
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8 zeigt das in 7 gezeigte Sekundärteilband 11 nach einem Biegevorgang. Durch den Biegevorgang schmiegen sich nun die Stege 14 des Sekundärteilbandes 11 komplett an die beiden Seiten des Rotorzahns an. Die Nasen 15 greifen vollständig in die Nuten 16 ein. Es entsteht eine spielfreie form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Sekundärteilband 11 und dem Sekundärteilelement 12.
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Durch die in den 5 bis 8 beschriebene Fertigungsmethode kann der Rotor einer Transversalflussmaschine mit geringstem Fertigungsaufwand in Analogie zu einer Nadellagerkäftigfertigung hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flussleitstück
- 2
- L-förmiges Flussleitstückteil
- 3
- t-förmiges Flussleitstückteil
- 4
- Basiselement
- 5
- Schenkel
- 6
- Primärteilring
- 7
- Vollkreisring
- 8
- Leiterring
- 9
- Abstandsband
- 10
- Sekundärteil
- 11
- Sekundärteilband
- 12
- Sekundärteilelement
- 13
- Taschen
- 14
- Steg
- 15
- Nase
- 16
- Nu
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0799519 B1 [0004]
- DE 19881885 C1 [0020]
