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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine und insbesondere einen Läufer für eine bürstenlose, elektronisch kommutierte und permanenterregte elektrische Maschine.
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Stand der Technik
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Im permanenterregten Läufer von elektrischen Maschinen sind Permanentmagnete angeordnet. Die von diesen erzeugte magnetische Erregerdurchflutung führt in Wechselwirkung mit einer durch bestromte Spulen eines Stators der elektrische Maschine erzeugten magnetischen Statordurchflutung einerseits zu einem resultierenden Magnetfeld im Luftspalt der elektrischen Maschine und andererseits zu einer von einem Spulenstrom abhängigen Bewegung des Läufers (bei elektromotorischem Betrieb der elektrische Maschine) oder zu der Erzeugung von elektrischem Strom infolge einer Bewegung des Läufers (bei generatorischem Betrieb der elektrische Maschine).
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Die Permanentmagnete von elektrischen Maschinen werden regelmäßig als Oberflächenmagnete, als Blöcke im Rotorjoch oder als Segmentmagnete mit unterschiedlichen Geometrien ausgeführt. Dabei können die Permanentmagnete beispielsweise vollständig aus gesinterten Ferriten oder Seltenen Erden bestehen. Bekannt ist auch die Ausbildung von Permanentmagneten aus Magnetwerkstoffen, bei denen magnetische Teilchen, insbesondere aus Ferriten oder Seltenen Erden, in einem nichtmagnetischen Matrixwerkstoff eingebunden sind.
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Ein Vorteil solcher Magnetwerkstoffe ist, dass diese auf einfache Weise in nahezu beliebigen Formen urformbar (insbesondere durch Spritzgießen), gleichzeitig aber auch gut zerspanbar sind.
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Von elektrischen Maschinen mit Rotor, bei denen gesinterte Magnetpole einen Magnetring ausbilden, ist bekannt, die Form der Magnetpole derart auszubilden, dass sich keine geschlossene Oberfläche sondern Einschnitte im Bereich der Pollücken, d.h. in den Übergängen zwischen benachbarten Magnetpolen, ergeben. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine solche elektrische Maschine. Diese umfasst einen Rotor mit einem Rotorjoch 1 sowie einem das Rotorjoch 1 umgebenden Magnetring 2, der aus vier Magnetpolen 3 ausgebildet ist. Weiterhin umfasst die elektrische Maschine einen den Rotor umgebenden Stator 4. Die bereits angesprochenen Einschnitte in den Bereichen der Pollücken ergeben sich, da die außenliegenden Abschnitte 5 der Stirnflächen der Magnetpole 3 parallel verlaufend ausgebildet werden. An diesen parallel verlaufenden Abschnitten 5 können die einzelnen Magnetpole 3 gut fixiert werden, wenn eine spanende Nachbearbeitung derjenigen Kontaktflächen 6, mit denen die Magnetpole 3 das Rotorjoch 1 kontaktieren, erfolgt. Da die Bereiche um die Pollücken grundsätzlich keinen wesentlichen Beitrag zur Magnetflusserhöhung leisten, ist die verringerte Wandstärke infolge der Einschnitte des Magnetrings 2 nicht mit einem relevanten Leistungsverlust der elektrischen Maschine verbunden. Möglich ist aber auch, die Einschnitte mit einem nichtmagnetischen Material zu verfüllen, sofern eine glatte Rotoroberfläche ausgebildet werden soll (z.B. zur Verringerung von Reibungsverlusten).
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hinsichtlich ihrer Leistungsabgabe vorteilhafte elektrische Maschine in möglichst kostengünstiger Weise herzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch eine Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zum Herstellen einer solchen Maschinenkomponente gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Maschinenkomponente, insbesondere ein Läufer, für eine elektrische Maschine, mit einer Magnetanordnung vorgesehen, die eine Mehrzahl von in einer Anordnungsrichtung aneinander angeordneten Magnetelemente (unterschiedlicher Polung) umfasst, wobei die Magnetelemente durch Urformen mindestens eines Magnetwerkstoffs, der in einem Matrixwerkstoff enthaltene Magnetteilchen umfasst, ausgebildet sind, wobei zumindest eines der Magnetelemente eine in Anordnungsrichtung variierende Dicke aufweist, wobei die Magnetanordnung von einer Schutzschicht bedeckt ist, die eine sich durch eine geringere Dicke der Magnetanordnung ergebende Vertiefung ausfüllt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung einer Maschinenkomponente für eine Elektromaschine vorgesehen, wobei eine Magnetanordnung mit einer Mehrzahl von in einer Anordnungsrichtung aneinander angeordneten Magnetelemente durch Urformen von einem Magnetwerkstoff, der in einem Matrixwerkstoff enthaltene Magnetteilchen umfasst, ausgebildet wird. Dabei werden die Magnetelemente mit einer in deren Anordnungsrichtung variierenden Dicke erzeugt. Weiterhin wird die so gebildete Magnetanordnung mit einer Schutzschicht bedeckt, die eine sich durch die variierende Dicke der Magnetanordnung ergebende Vertiefung ausfüllt.
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Durch die variierende Dicke der Magnetelemente kann der Verlauf der magnetischen Flussdichte über der Anordnungsrichtung der Magnetelemente der Magnetanordnung wiedergibt, verändert werden und damit gezielt das Drehmoment (insbesondere dessen Verlauf über der Anordnungsrichtung der Magnetanordnung) bei einem Elektromotor beziehungsweise der Verlauf der im Stator induzierten Spannung bei einem Generator beeinflusst werden. Bei dem Magnetwerkstoff kann es sich insbesondere um einen plastifizierten Magnetwerkstoff handeln, wobei die Ausbildung der Magnetelemente besonders bevorzugt durch Spritzgießen oder einem verwandten Verfahren, wie z.B. Spritzprägen erfolgen kann. Bei dem Matrixwerkstoff kann es sich vorzugsweise um einen (vorzugsweise paramagnetischen) Kunststoff und besonders bevorzugt um einen thermoplastischen Kunststoff handeln.
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Es kann vorgesehen sein, die Magnetelemente direkt mittels Urformen mit der variierenden Dicke zu erzeugen, so dass eine dazu dienende spanende Nachbearbeitung nicht erforderlich ist. Dadurch kann nicht nur der zusätzliche Bearbeitungsaufwand eingespart werden, sondern auch ein Abfall von Magnetmaterial vermieden werden. Die Herstellung der variierenden Dicke der Magnetelemente kann somit zu gleichen oder infolge eines geringeren Materialeinsatzes sogar geringeren Herstellungskosten wie bei einer Magnetanordnung mit konstanter Dicke möglich sein.
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Weiterhin kann die die Magnetanordnung bedeckende Schutzschicht (insbesondere aus einem paramagnetischen Material) vorgesehen sein. Dies kann insbesondere bei einem vorgesehenen Betrieb der elektrische Maschine in einer korrosiven Umgebung, z.B. bei einer Nutzung als Kraftstoffpumpe) und insbesondere bei der Verwendung von Seltenen Erden (insbesondere aus Neodymmischungen und/oder Samariummischungen) als Magnetteilchen vorgesehen sein, um einen Schutz der Magnetelemente zu gewährleisten. Weiterhin sorgt die Schutzschicht für einen Ausgleich der durch die variierende Dicke der Magnetanordnung bewirkten Vertiefungen, so dass die Unebenheit der Oberfläche der Maschinenkomponente verringert bzw. ausgefüllt wird.
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Bei der elektrischen Maschine kann es sich insbesondere um eine Rotationsmaschine handeln, wobei die Maschinenkomponente als Rotor dient, der innerhalb eines Stators der elektrischen Maschine rotierbar gelagert ist. Die Magnetanordnung kann dann insbesondere als ein ein Rotorjoch umgebender (vorzugsweise geschlossener) Magnetring ausgebildet sein. Grundsätzlich möglich ist aber auch die Ausgestaltung der obigen elektrischen Maschine als Linearmaschine bzw. transversale Maschine.
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Insbesondere kann die Anordnungsrichtung bei einer für eine rotatorische elektrische Maschine (Rotationsmaschine) vorgesehenen Maschinenkomponente einer Umfangsrichtung der Maschinenkomponente oder bei einer für eine tranversale elektrische Maschine vorgesehenen Maschinenkomponente der Richtung einer geradlinigen Anordnung der Magnetelemente entsprechen.
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Die elektrische Maschine kann als Elektromotor oder Generator ausgebildet sein beziehungsweise eingesetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Maschinenkomponente kann weiterhin vorgesehen sein, dass sich die variierende Dicke der Magnetelemente daraus ergibt, dass die in Anordnungsrichtung angeordneten Magnetelemente an ihren Randbereichen zu den benachbarten Magnetelementen eine geringere Dicke aufweisen.
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Dieser Weiterbildung der Maschinenkomponente liegt der Gedanke zugrunde, dass die Kosten für die Herstellung einer Maschinenkomponente einer elektrische Maschine gesenkt werden können, wenn der vergleichsweise teure magnetische Werkstoff an denjenigen Stellen eingespart oder im verringerten Umfang vorgesehen wird, an denen dieser keinen wesentlichen Beitrag zur Magnetflusserhöhung und damit zur Leistungsfähigkeit der elektrische Maschine leistet.
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Somit kann vorgesehen sein, in den Pollücken Vertiefungen in der Magnetanordnung auszubilden, die aus einem verringerten Einsatz des vergleichsweise teuren magnetischen Materials resultieren. Dies führt zu einer Kosteneinsparung für die Herstellung der Maschinenkomponente, ohne dass damit relevante Leistungseinbußen für die die Maschinenkomponente umfassende elektrische Maschine einhergehen.
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Eine einfache und kostengünstige Herstellung der Schutzschicht kann erreicht werden, wenn diese ebenfalls durch Urformen ausgebildet und insbesondere an die Magnetanordnung angeformt wird. Dabei kann das Urformen insbesondere mit einem plastifizierten Werkstoff und besonders bevorzugt durch Spritzgießen oder einem verwandten Verfahren, wie z.B. Spritzprägen erfolgen, bei denen der Magnetwerkstoff im plastifizierter Zustand (und unter Überdruck) in eine Form eingebracht wird.
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Ein weiterer Vorteil einer solchen urgeformten und insbesondere an die Magnetanordnung angeformten Schutzschicht kann darin liegen, dass diese weitgehend vollflächig die der Schutzschicht zugewandten Seite des Magnetrings kontaktiert und damit auch die durch die variierende Dicke der Magnetelemente ausgebildeten Vertiefungen ausfüllt. In den Vertiefungen sammelt sich somit eine vergleichsweise große Menge des Materials der Schutzschicht, was sich positiv auf die Herstellung der Schutzschicht insbesondere mittels Spritzgießens oder verwandter Verfahren auswirken kann. Dies ist darin begründet, dass die Ansammlungen des Materials der Schutzschicht in den Vertiefungen eine Auskühlung des Materials beim Urformen verzögert, wodurch eine Verteilung des Materials in die anderen Abschnitte der Schutzschicht unterstützt werden kann.
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Weiterhin kann die der Magnetanordnung abgewandte Oberfläche der Schutzschicht im Wesentlichen in Anordnungsrichtung verlaufend ausgebildet sein. Auf diese Weise kann bei Maschinenelementen für rotatorische elektrische Maschinen eine kreiszylinderförmige Oberfläche ausgebildet sein.
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Vorteilhafterweise kann daher auch vorgesehen sein, dass ein Anspritzpunkt, d.h. die Stelle der Schutzschicht, die durch das Einbringen des Materials für die Schutzschicht in die (Spritzgieß-)Form an dafür vorgesehen Anspritzstellen erzeugt wird, in einem Abschnitt der Schutzschicht angeordnet ist, der in Überdeckung eines Abschnitts mit relativ geringer Magnetdicke, d.h. einer Vertiefung der Magnetanordnung angeordnet ist. Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass in allen Abschnitten der Schutzschicht, die in Überdeckung eines Abschnitts der Magnetanordnung mit relativ geringer Dicke angeordnet sind, zumindest ein Anspritzpunkt vorgesehen ist.
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Durch die bessere Verteilung des Materials der Schutzschicht infolge der Materialansammlungen in den von der Magnetanordnung ausgebildeten Vertiefungen kann ermöglicht werden, die Schutzschicht in den anderen Abschnitten mit geringerer Dicke auszubilden, als dies bei einer Magnetanordnung mit im Wesentlichen konstanter Dicke möglich wäre. Diese verringerte Dicke der Schutzschicht kann zu einer verringerten magnetischen Luftspalthöhe (diese umfasst die Dicke der Schutzschicht und die Höhe des tatsächlichen Luftspalts zwischen dem Läufer und dem Stator) und damit zu einer Erhöhung der Luftspaltinduktion führen. Diese Erhöhung der Luftspaltinduktion kann dann zur Leistungssteigerung der elektrischen Maschine oder zu einer zusätzlichen Verringerung des eingesetzten magnetischen Materials bei im Wesentlichen gleicher Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine genutzt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein rotarischer oder transversaler Elektromotor, der die obige Maschinenkomponente als Läufer sowie zumindest noch einen Stator umfasst, vorgesehen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine; und
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2 eine elektrische Maschine in einer schematischen Schnittdarstellung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Die 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer rotatorischen elektrischen Maschine quer zu einer axialen Richtung in Form eines Elektromotors. Dieser umfasst einen Läufer als Maschinenkomponente in Form eines innenlaufenden Rotors, der drehbar innerhalb eines nur angedeuteten zylinderförmigen Stators 4 gelagert ist.
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Der Rotor umfasst ein Rotorjoch 1 sowie eine das Rotorjoch 1 umgebende, mit diesem drehfest verbundene Magnetanordnung 11 in Form eines Magnetrings 2. Das Rotorjoch 1 bildet im gezeigten Ausführungsbeispiel gleichzeitig eine Rotorwelle. Der Magnetring 2 setzt sich aus mehreren, im gezeigten Ausführungsbeispiel vier Magnetelementen 3 zusammen, die diametral magnetisiert sind und stirnseitig in Umfangsrichtung (entsprechend der Anordnungsrichtung der Magnetelemente 3 des der Magnetanordnung 11) aneinander angrenzen. Der Magnetring 2 ist somit geschlossen ausgebildet. Möglich ist auch, die Magnetanordnung 11 derart auszubilden, dass sich benachbarte Magnetpole stirnseitig in Umfangsrichtung nicht kontaktieren.
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Die Magnetelemente 3 des Magnetrings 2 sind mit einer in Umfangsrichtung variierenden Dicke ausgebildet, wobei die Dicke in radialer Richtung bezüglich einer Rotorachse gemessen ist. Dabei weisen die beiden in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden Endabschnitte 32 jedes Magnetelements 3 eine geringere Dicke auf als die entsprechenden mittigen Abschnitte 31 der Magnetelemente 3. Die angrenzenden Endabschnitte 32 von zwei Magnetelementen 3 bilden somit jeweils eine Vertiefung 12 in der außenseitigen Oberfläche des Magnetrings 2 aus.
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Die Herstellung des Magnetrings 2 erfolgt durch Spritzgießen eines Magnetwerkstoffs, der Magnetteilchen 8 umfasst, die in einem Matrixwerkstoff 9 eingebettet sind. Der Magnetwerkstoff wird dazu in plastifizierter Form in eine Spritzgießform (nicht dargestellt) eingebracht, wo dieser aushärtet. Dabei können die Magnetelemente 3 separat oder gemeinsam spritzgegossen werden. Die Magnetisierung der Magnetelemente 3 kann in der Spritzgießform und insbesondere im plastifizierten Zustand des Magnetwerkstoffs oder auch nachträglich erfolgen.
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Werden die Magnetelemente 3 gemeinsam als Magnetring 2 spritzgegossen, so kann das Spritzgießen des Magnetrings 2 zudem separat erfolgen, so dass dieser erst nach der Entformung auf das Rotorjoch 1 aufgeschoben wird. Möglich ist aber auch, den Magnetring 2 an das Rotorjoch 1 anzuformen.
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Der Magnetring 2 ist außenseitig von einer paramagnetischen Schutzschicht 10 umgeben. Diese dient insbesondere dazu, den Magnetring 2 und insbesondere die darin enthaltenen Magnetteilchen 8 vor einer korrosiven Umgebung, in der der Elektromotor möglicherweise betrieben wird, zu schützen.
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Die Schutzschicht 10 wird ebenfalls durch Urformen und insbesondere Spritzgießen hergestellt, wobei vorzugsweise ein Anformen an den (weitgehend) ausgehärteten Magnetring 2 vorgesehen ist. In der Spritzgießform (nicht dargestellt) für die Schutzschicht 10 sind ein oder mehrere Anspritzstellen in denjenigen Bereichen vorgesehen, die relativ mittig (in Umfangsrichtung gesehen) bezüglich aller der von dem Magnetring 2 ausgebildeten Vertiefungen angeordnet sind. Über die Anspritzstellen wird das für die Ausbildung der Schutzschicht 10 vorgesehene Material unter Druck in die Spritzgießform eingebracht. Die Schutzschicht 10 bildet somit im Bereich dieser Anspritzstellen entsprechende Anspritzpunkte 7 aus.
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Das zur Plastifizierung erwärmte Material für die Schutzschicht 10 verteilt sich ausgehend von den Anspritzpunkten 7 zunächst in den Vertiefungen und fließt dann in diejenigen Abschnitte der späteren Schutzschicht 10, die die Abschnitte des Magnetrings 2 mit relativ großer Dicke überdecken. Da für die Schutzschicht 10 eine im Wesentlichen zylindrische Außenkontur vorgesehen ist, ist die Dicke der Schutzschicht 10 in diesen Abschnitten geringer als in den die Vertiefungen des Magnetrings 2 überdeckenden Abschnitten.
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Grundsätzlich ist der Herstellung von flächigen Elementen mittels Spritzgießens nur bis zu einem (von einer Vielzahl von Parametern abhängigen) bestimmten Verhältnis von Dicke zur Fläche möglich, da eine nur dünne Spritzgießfront relativ schnell erstarrt und dann eine weitere Ausbreitung in der Spritzgießform verhindert ist.
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Durch die beschriebene Ausgestaltung des Rotors wird ermöglicht, eine Schutzschicht 10 herzustellen, die in den die Abschnitte des Magnetrings 2 mit relativ großer Dicke überdeckenden Abschnitten eine geringere Dicke aufweist als dies bei einem konventionellen Elektromotor mit einer zylindrischen Außenfläche des Magnetrings und somit mit einer im Wesentlichen konstanten Dicke der Schutzschicht (bei einer gleichen Anzahl an Anspritzpunkten) der Fall wäre. Dies liegt zum einen daran, dass die Abschnitte der Schutzschicht 10 mit relativ geringer Dicke vergleichsweise klein (da in Umfangsrichtung vergleichsweise kurz) sind, und zum anderen, dass die Abschnitte der Schutzschicht 10 mit relativ großer Dicke, die von den Materialansammlungen in den Vertiefungen des Magnetrings 2 ausgebildet werden, als thermische Reservoire wirken, die eine Auskühlung des Materials der Schutzschicht 10 während des Spritzgießens verlangsamen.
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Durch eine Verringerung der Dicke der Schutzschicht 10 in den die Abschnitte des Magnetrings 2 mit relativ großer Dicke überdeckenden Abschnitten kann der Magnetring 2 näher an den Stator 4 heranrücken (ein mechanischer Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator 4 von ca. 0,5 mm ist aus Toleranzgründen regelmäßig nicht vermeidbar, um einen reibungserhöhenden direkten Kontakt zwischen Rotor und Stator 4 zu vermeiden), wodurch die Luftspaltinduktivität erhöht und im Ergebnis entweder der magnetische Fluss im Luftspalt und damit die Leistungsfähigkeit des Elektromotors erhöht oder eine Verwendung von weniger Magnetmaterial für den Magnetring 2 bei im Wesentlichen gleichbleibender Leistungsfähigkeit des Elektromotors erreicht werden kann. Dieser positive Effekt der Ausgestaltung des Rotors wird auch nicht durch die vergleichsweise dicke Schutzschicht 10 in den die Vertiefungen des Magnetrings 2 überdeckenden Abschnitten und die dortige Ausbildung des Magnetrings 2 mit relativ geringer Dicke ausgeglichen, da in den an die Pollücken angrenzenden Randbereichen der Magnetpole 3, d.h. in den Berührzonen der luftspaltseitigen Nord-Magnetisierung und der luftspaltseitigen Süd-Magnetisierung nur eine sehr schwache Magnetisierung vorliegt, so dass diese Bereiche auch nur sehr wenig zur Luftspaltinduktion beintragen und der Magnetring 2 dort somit nahezu feldfrei ist.
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Wird der magnetische Spannungsabfall in einem Eisenkern des Stators 4 unberücksichtigt gelassen (angenommene unendlich große Permeabilität µ im Eisenkern), so verhält sich die Luftspaltinduktivität umgekehrt proportional zur Breite des magnetisch wirksamen Luftspalts δ (Summe aus tatsächlichem Luftspalt (der auch mit etwas anderem als Luft gefüllt sein kann) und der Dicke der nichtmagnetischen Schutzschicht 10). Eine Verringerung des magnetisch wirksamen Luftspalts δ um ca. 0,2 mm, wie dies in den die Abschnitte des Magnetrings 2 mit relativ großer Dicke überdeckenden Abschnitten der Schutzschicht 10 infolge der Ausgestaltung des Rotors möglich ist, kann beispielsweise zu einer theoretischen Verbesserung der Luftspaltinduktivität von 25% führen, die unter der Berücksichtigung der realen Permeabilität im Eisenkern des Stators 4 noch einer Verbesserung von ca. 10% bis 15% gleichkommt. Diesem Beispiel liegt eine Breite des tatsächlichen Lustspalts von 0,5 mm und einer (konstanten) Dicke der Schutzschicht bei zylindrischem Magnetring von 0,5 mm zugrunde, die bei der Schutzschicht 10 des erfindungsgemäßen Rotors in den Abschnitten mit relativ geringer Dicke lediglich noch 0,3 mm beträgt.
