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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Schenkelpolläufer von großen und mittelgroßen Generatoren können mit einem Dämpferkäfig ausgerüstet werden. Die Stäbe dieses Dämpferkäfigs können in den Polschuhen untergebracht sein. Die Ausführung des Dämpferkäfigs mit in den Polkappen untergebrachten Dämpferstäben bedingt eine Fertigung beziehungsweise Fertigstellung des Dämpferkäfigs erst nach Einbringen der Wicklung auf den Polkernen. Damit sind nach Fertigstellung der Wicklung noch ein oder mehrere zusätzliche Arbeitsgänge erforderlich.
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Polsternrohling für einen Polstern eines Schenkelpolläufers, ein Polstern für einen Schenkelpolläufer, ein Schenkelpolläufer, weiterhin eine Schenkelpolläufermaschine sowie schließlich ein Verfahren zum Herstellen eines Schenkelpolläufers gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Durch den hier vorgestellten Ansatz wird eine Ausführungsform eines Schenkelpolläufers vorgestellt, welcher mit einem Dämpferkäfig ausgerüstet ist, der ein einfaches Bewickeln zulässt. Weiterhin wird ein Fertigungsverfahren für einen solchen Schenkelpolläufer vorgestellt.
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Ein Schenkelpolläufer ist ein Rotor für einen Generator oder Elektromotor. Der Schenkelpolläufer weist Polschenkel beziehungsweise Schenkelpole auf, die Spulen zum Erzeugen eines Magnetfelds im Rotor aufweisen. Die Spulen sind als Wicklungen zumindest eines elektrischen Leiters um einen magnetisch leitenden Polkern ausgeführt. Die Polkerne aller Schenkelpole sind durch einen magnetisch leitenden Ring miteinander verbunden. Die Polkerne stehen aus dem Ring radial hervor und bilden so mit dem Ring einen Polstern. Die Polkerne sind so ausgeführt, dass die Spulen in radialer Richtung auf die Polkerne aufgeschoben werden können.
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Der Dämpferkäfig des hier vorgestellten Schenkelpolläufers kann bereits vor dem Aufschieben der Spulen fertiggestellt werden, da die Dämpferstäbe des Dämpferkäfigs in die Polkerne integriert sind.
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Der hier vorgestellte Ansatz zeigt ein gegenüber dem Stand der Technik wesentlich vereinfachtes Fertigungsverfahren für die Herstellung von Synchron-Generatoren mit Schenkelpolläufern. Speziell bei den Läufern von Synchron-Generatoren kann durch eine einfache Ausführung der Schenkelpole die Senkung des Fertigungsaufwandes erreicht werden.
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Es wird ein Polsternrohling für einen Polstern eines Schenkelpolläufers vorgestellt, wobei der Polsternrohling zumindest zwei überstandsfrei ausgeführte Polkerne aufweist, die je zumindest eine Aufnahme für einen Dämpferstab aufweisen.
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Unter einem Polsternrohling kann ein magnetisch leitendes Metallteil verstanden werden, das beispielsweise als Blechpaket aus Elektroblech zusammengefügt sein kann. Ebenso kann der Polsternrohling geschmiedet ausgeführt sein. Eine Aufnahme kann eine Aussparung sein. Beispielsweise kann die Aufnahme eine Dämpfernut sein. Die Dämpfernut kann vorzugsweise eine quadratische oder rechteckige Form haben. Andere Ausführungen für die Dämpfernut, beispielsweise kreis- oder tropfenartige Formen bzw. Kombinationen dieser verschiedenen Formen sind im Sinne der Erfindung ebenfalls möglich.
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Ferner wird ein Polstern für einen Schenkelpolläufer vorgestellt, der einen Polsternrohling gemäß dem hier vorgestellten Ansatz aufweist, wobei in den Aufnahmen Dämpferstäbe angeordnet sind.
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Ein Dämpferstab ist ein elektrischer Leiter. Der Dämpferstab weist eine bessere elektrische Leitfähigkeit auf, als der Polsternrohling. Der Dämpferstab kann beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer sein. Der Dämpferstab wird dabei der vorgegebenen Dämpfernut angepasst. Der Dämpferstab kann in die Aufnahme eingegossen, eingeschoben oder eingepresst sein.
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An beiden Stirnseiten weist der Polstern jeweils zumindest eine in axialer Richtung an den Polstern anschließende Rotorendscheibe auf. Dabei kann die Rotorendscheibe als Kurzschlusseinrichtung ausgeführt sein, welche die Dämpferstäbe untereinander elektrisch verbindet, um einen Dämpferkäfig auszubilden. Eine Rotorendscheibe kann die gleiche Kontur aufweisen, wie der Polstern. Durch die Rotorendscheibe kann eine elektrische Verbindung der Dämpferstäbe innerhalb des Polsterns ausgeführt sein.
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Weiterhin wird ein Schenkelpolläufer mit einem Polstern gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt, wobei die Polkerne je von einer auf die Polkerne aufgeschobenen Wicklungsanordnung umschlossen sind.
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Eine Wicklungsanordnung kann ein in Spulenform gewickelter elektrischer Leiter sein. Die Wicklungsanordnung weist eine zentrale Aussparung auf, die dazu ausgebildet ist, den Polkern aufzunehmen. Die Wicklungsanordnung kann einfach und schnell, beispielsweise auf einer Wickelmaschine oder händisch, hergestellt werden.
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Der Schenkelpolläufer kann dämpfereinrichtungsfreie, Polschuhe ausbildende Polkappen aufweisen. Dabei können die Polkappen auf den Polkernen angeordnet sein und die Polkerne mindestens tangential aber auch axial überragen. Eine Polkappe kann aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt sein. Die Polkappe kann unter Verwendung eines Befestigungsmittels mechanisch mit dem Polkern verbunden sein. Durch die Polkappen sind die Wicklungsanordnungen in radialer Richtung gesichert.
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Die Wicklungsanordnungen können Spulenträger aufweisen. Dabei kann je ein Spulenträger einer Wicklungsanordnung zwischen dem Polkern und elektrischen Leitern der Wicklungsanordnung angeordnet sein und die elektrischen Leiter auf den Spulenträger gewickelt sein. Durch Spulenträger können beispielsweise die Wicklungsanordnungen einfach und sicher von der Wickelmaschine abgenommen werden und auf die Polkerne aufgeschoben werden.
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Es wird eine Schenkelpolmaschine mit einem Schenkelpolläufer gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Schenkelpolläufers, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen eines Polsterns gemäß dem hier vorgestellten Ansatz und Bereitstellen von Wicklungsanordnungen;
Aufschieben der Wicklungsanordnungen auf die Polkerne; und
Sichern der Wicklungsanordnungen.
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Im Schritt des Sicherns können dämpfereinrichtungsfreie, die Polkerne zumindest tangential überragende Polkappen auf den Polkernen angeordnet werden, um Polschuhe auszubilden. Durch die Polkappen können die Wicklungsanordnungen in radialer Richtung sicher gehalten werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine Schnittdarstellung einer Schenkelpolmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 eine Schnittdarstellung eines Polsternrohlings gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 eine Darstellung eines Schenkelpols mit einer dämpfereinrichtungsfreien Polkappe gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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4 eine Darstellung eines Fertigungsablaufs eines Schenkelpolläufers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Schenkelpolläufers gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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6 eine Darstellung eines Schenkelpols einer herkömmlichen Schenkelpolmaschine.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Schenkelpolmaschine 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Schenkelpolmaschine 100 ist eine elektrische Maschine und kann als elektrischer Synchrongenerator zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder als Synchronmotor zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie verwendet werden. Die Schenkelpolmaschine 100 weist einen Rotor 102 und einen Stator 104 auf. Die Schenkelpolmaschine 100 ist fremderregt, benötigt also im Gegensatz zu einem permanenterregten Elektromotor elektrische Energie, um ein Magnetfeld des Rotors 102 aufzubauen. Der Rotor 102 ist in dem Stator 104 um eine Rotationsachse drehbar gelagert. Der Stator 104 weist hier nicht dargestellte elektrisch leitende Wicklungen auf, die im Anwendungsfall als Synchronmotor dazu ausgebildet sind, unter Verwendung von elektrischer Energie ein elektromagnetisches Drehfeld bereitzustellen, das den Rotor 102 in eine Drehbewegung um die Rotationsachse versetzt. Im Anwendungsfall als Synchrongenerator wird in den Wicklungen des Stators 104 elektrische Energie durch das bewegte, fremderregte Magnetfeld des Rotors 102 erzeugt.
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Der Rotor 102 der Schenkelpolmaschine 100 ist als Schenkelpolläufer 102 ausgeführt. Der Schenkelpolläufer 102 weist zumindest zwei Schenkelpole 106, bestehend aus Polkern 108 und Polkappe 118, auf. Wenn der Schenkelpolläufer 102 mit zwei Schenkelpolen 106 ausgeführt ist, sind die Schenkelpole 106 auf diametral gegenüberliegenden Positionen zur Rotationsachse angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Schenkelpolläufer 102 zwölf gleichartige, gleichmäßig über einen Umfang des Schenkelpolläufers 102 verteilte Schenkelpole 106 auf. Jeder Schenkelpol 106 weist einen ferromagnetischen Polkern 108 auf. Der Polkern 108 ist in einer radial zum Schenkelpolläufer 102 ausgerichteten Wicklung 110 angeordnet. Der Polkern 108 ist hier überstandsfrei ausgeführt, das heißt, eine Breite des Polkerns 108 ist an seinem Fuß größer oder gleich als an seinem Kopf. Hier weist der Polkern 108 eine gleichbleibende Breite von Fuß bis zum Kopf auf. Mit anderen Worten weist der Polkern 108 keinen Hinterschnitt auf. Die Polkerne 108 des Schenkelpolläufers 102 sind sternförmig angeordnet und über einen ferromagnetischen Ring miteinander verbunden. Die Polkerne 108 und der Ring bilden einen Polstern 112 aus. Der Polstern 112 weist eine hier nicht dargestellte Trägerkonstruktion auf, über die der Polstern 112 mit einer Welle des Schenkelpolläufers 102 verbunden ist.
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In jedem Polkern 108 sind hier im Bereich der Wicklung 110 drei Dämpferstäbe 114 angeordnet. Die Dämpferstäbe 114 sind aus einem elektrisch leitenden Material. Die Dämpferstäbe 114 sind axial zu dem Schenkelpolläufer 102 ausgerichtet. Die Dämpferstäbe 114 der Polkerne 108 sind miteinander elektrisch leitend verbunden beziehungsweise kurzgeschlossen und bilden einen Dämpferkäfig 116 aus. Der Dämpferkäfig 116 ist dazu ausgebildet, Drehschwingungen zwischen dem Rotor 102 und dem elektromagnetischen Drehfeld durch ein, den Drehschwingungen entgegengerichtetes Magnetfeld entgegenzuwirken. Weiterhin kann der Dämpferkäfig 116 zur Reduktion auftretender Oberwellen und Oberschwingungen verwendet werden. Zusätzlich kann der Dämpferkäfig 116 dazu verwendet werden, den Schenkelpolläufer 102 aus dem Stillstand nahe an eine Solldrehzahl zu beschleunigen, wenn die Wicklungen 110 nicht fremderregt werden. Der Schenkelpolläufer 102 wird dann analog zu einer Asynchronmaschine angetrieben.
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Auf den Polkernen 108 sind ferromagnetische Polkappen 118 angeordnet. Die Polkappen 118 überragen die Polkerne 108 mindestens beidseitig in tangentialer Richtung. Dazu können die Polkappen 118 die Polkerne 108 in axialer Richtung überragen. Durch den resultierenden Überstand ist die Wicklung 110 auf dem Polkern 108 gesichert. Auf einer dem Stator 104 zugewandten Seite weisen die Polkappen 118 einem Radius auf. Durch den Radius wird ein Luftspalt zwischen dem Rotor 102 und dem Stator 104 möglichst gering gehalten, um einen geringen magnetischen Widerstand zu erreichen.
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Es wird ein Schenkelpolläufer 102 und ein Fertigungsverfahren für einen Schenkelpolläufer 102 vorgestellt. Der hier vorgestellte Schenkelpolläufer 102 kann in Wechselstrom- und Drehstrom-Synchron-Motoren/Generatoren 100 verwendet werden.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Polsternrohlings 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Polsternrohling 200 entspricht im Wesentlichen dem Polstern in 1. Im Gegensatz dazu sind die Dämpferstäbe im Polsternrohling 200 noch nicht fertiggestellt. Der Polsternrohling 200 ist ein Vorprodukt für einen Schenkelpolläufer, wie er in 1 dargestellt ist. An dem Polsternrohling 200 sind bereits die Polkerne 108 sowie der ferromagnetische Ring 202 ausgeformt. Im Kopf eines jeden Polkerns 108 sind Dämpfernuten 204 angeordnet. Die Dämpfernuten 204 sind dazu ausgebildet, Dämpferstäbe aufzunehmen. Beispielsweise können die Dämpferstäbe durch Einfüllen von schmelzflüssigem Metall, wie beispielsweise Aluminium, in die Dämpfernuten 204 ausgebildet werden. Die Polkerne 108 sind wie in 1 überhangfrei ausgeführt. Dadurch können die Dämpferstäbe bereits in die Polkerne 108 eingebracht werden, bevor die Wicklungen auf die Polkerne 108 aufgeschoben werden.
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In einem Ausführungsbeispiel ist auf dem Polsternrohling 200 in axialer Richtung je Stirnseite zumindest eine Endscheibe 206 angeordnet. Die Endscheibe 206 weist eine elektrisch leitende Kurzschlusseinrichtung 208 auf, welche die einzubringenden Dämpferstäbe elektrisch leitend miteinander verbindet. Die Endscheibe 206 weist im Wesentlichen den gleichen Umriss auf, wie der Polsternrohling 200.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Endscheibe 206 aus elektrisch leitendem Material angefertigt. Dadurch erfüllt die Endscheibe 206 die Funktion der Kurzschlusseinrichtung 208.
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Um einen Dämpferkäfig herzustellen, welcher bereits vor dem Einbringen der Wicklung auf die Schenkelpole komplett fertiggestellt werden kann, wird vorgeschlagen, die erforderlichen Dämpfer-Nuten 204 zur Aufnahme der Dämpferstäbe in die Polkerne 108 zu verlegen. Weiterhin wird vorgeschlagen zum Schließen des Dämpferkäfigs mit Rotorendscheiben 206 zu arbeiten.
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Der zeitliche Aufwand bei der Herstellung des Dämpferkäfigs und der Läuferwicklung kann gegenüber den bisher gebräuchlichen Vollpolrotoren deutlich reduziert werden. Eine Erhöhung des automatisierten Fertigungsanteils ist möglich.
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3 zeigt eine Darstellung eines Schenkelpols 106 mit einer dämpfereinrichtungsfreien Polkappe 118 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Schenkelpol 106 entspricht im Wesentlichen einem der in 1 dargestellten Schenkelpole. Hier ist auf dem Polkern 108 eine leicht konische Wicklung 110 aufgeschoben. Die Wicklung 110 weist dabei am Fuß 300 des Polkerns 108 eine geringere Dicke auf, als am Kopf 302 des Polkerns 108. Der tangentiale Überstand der Polkappe 118 über den Polkern 108 entspricht dabei im Wesentlichen der Dicke der Wicklung 110 am Kopf 302 des Polkerns 108. Im Kopf 302 des Polkerns 108 sind hier vier Dämpferstäbe 114 in tangentialer Richtung nebeneinander integriert. Die Polkappe 118 ist auf den Kopf 302 des Polkerns 108 aufgesetzt.
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Mit anderen Worten zeigt 3 einen Schenkelpolläufer 102 mit Dämpfernuten 114 im Polkern 108.
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4 zeigt eine Darstellung eines Fertigungsablaufs eines Schenkelpolläufers 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Fertigungsablauf ist hier am Beispiel eines Schenkelpols 106 dargestellt. Der Schenkelpol 106 entspricht dabei im Wesentlichen dem in 3 dargestellten Schenkelpols. Zuerst wird der Polstern 112 bereitgestellt. In den Polstern 112 ist bereits der fertige Dämpferkäfig 116 integriert. Anschließend werden auf einer Wicklungsmaschine oder händisch gewickelte Wicklungen 110 bereitgestellt und auf die Polkerne 108 in radialer Richtung 400 aufgeschoben. Die Wicklungen 110 werden auf Spulenträgern 402 bereitgestellt. Dabei weisen Aussparungen der Spulenträger 402 eine lichte Weite auf, die im Wesentlichen der Breite eines Polkerns 108 entspricht.
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Abschließend werden die Polkappen 118 bereitgestellt und mit den Polkernen 108 verbunden, um die Wicklungen 110 auf den Polkernen 108 zu sichern.
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Es kann ein einfach herzustellender Polstern 112 benutzt werden. Der Dämpferkäfig 116 für eine Schenkelpolmaschine kann vor Einbringen der Läuferwicklung 110 auf die Polkerne 108 fertiggestellt werden. Die einzelnen Polspulen 110 der Läuferwicklung 110 können beispielsweise automatisiert außerhalb der Maschine auf Spulenträgern 402 hergestellt und anschließend auf die Polkerne 108 aufgeschoben werden. Abschließend werden die Polschuhe 118 ohne eine zusätzliche Nachbearbeitung des Dämpferkäfigs 116 aufgebracht.
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Mit anderen Worten zeigt 4 eine vereinfachte Darstellung eines Fertigungsablaufs eines Schenkelpolläufers 102 im Sinne des hier vorgestellten Ansatzes.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Herstellen eines Schenkelpolläufers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 500 ist beispielsweise in 4 dargestellt. Das Verfahren 500 weist einen Schritt 502 des Bereitstellens, einen Schritt 504 des Aufschiebens und einen Schritt 506 des Sicherns auf. Im Schritt 502 des Bereitstellens wird ein Polstern mit integriertem Dämpferkäfig bereitgestellt. Dabei weist der Polstern zumindest zwei Polkerne auf, die an einem Kopf des Polkerns nicht breiter ausgeführt sind, als an einem Fuß des Polkerns. Dadurch sind die Polkerne überstandsfrei. Ferner werden im Schritt 502 des Bereitstellens Wicklungsanordnungen bereitgestellt, die zu den Polkernen passen. Im Schritt 504 des Aufschiebens werden die Wicklungsanordnungen auf die Polkerne aufgeschoben. Im Schritt 506 des Sicherns werden die Wicklungsanordnungen auf den Polkernen gegen Bewegungen in radialer Richtung gesichert.
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6 zeigt eine Darstellung eines Schenkelpols 106 einer herkömmlichen Schenkelpolmaschine. Der Schenkelpol 106 weist einen Polkern 108 und eine Wicklung 110 auf. Der Polkern 108 weist eine Pilzform auf, um einen Polschuh 600 auszubilden. Dadurch ergibt sich ein Hinterschnitt 602, der die Wicklung 110 in radialer Richtung sichert. Zusätzlich sind in dem Polschuh 600 Dämpferstäbe 114 integriert. Die Dämpferstäbe sind über eine gewölbte Oberfläche des Polschuhs 600 verteilt angeordnet.
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Mit anderen Worten zeigt 6 einen Schenkelpolläufer 102 mit Dämpfernuten 114 im Polschuh 600.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder”-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
