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Die Erfindung betrifft einen induktiven Drehübertrager. Unter dem induktiven Drehübertrager ist ein induktiver Energieübertrager für ein rotierendes System mit einem Rotor und einem Stator zu verstehen. Der Rotor weist eine Rotorwicklung und der Stator weist eine Statorwicklung auf, die magnetisch miteinander gekoppelt sind. Auf diese Weise kann induktiv und berührungslos Energie vom Rotor zum Stator bzw. umgekehrt übertragen werden.
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Induktive Drehübertrager sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Zum Beispiel offenbaren
DE 202 04 584 U1 oder
DE 101 07 577 A1 jeweils einen Drehübertrager, wobei der Stator und der Rotor jeweils eine Wicklung und jeweils einen magnetisierbaren Kern aufweisen. Der Rotor und der Stator sind koaxial zueinander angeordnet.
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Aus
DE 10 2006 020 808 A1 ist ein induktiver Drehübertrager bekannt. Zumindest der Rotor oder der Stator weist einen Träger aus Kunststoffmaterial mit weichmagnetischen Partikeln auf, der die zugeordnete Spule trägt.
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Der aus
DE 26 57 813 A1 bekannte Drehübertrager hat zwei konzentrisch zueinander angeordnete Kerne mit jeweils einer Wicklung. Der Drehübertrager dient zur Übertragung von elektrischen Signalen. Die Statorwicklung und die Rotorwicklung sind jeweils als endlose Spule nach Art einer gedruckten Schaltung auf ein Substrat aufgebracht. Die Wicklungen werden in jeweils eine Nut des zugeordneten hohlzylindrischen Ferritkerns eingeklebt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines induktiven Drehübertragers beschreibt
WO 2013/072373 A1 . Der Statorkern weist dort zwei parallel zueinander verlaufende Statorschenkel auf, in denen jeweils eine Drehlagerung vorhanden ist. Zwischen den beiden Schenkeln des Statorkerns ist der Rotor mit einem Rotorkern und einer Rotorwicklung angeordnet. Die beiden parallelen Statorschenkel sind durch einen quer dazu verlaufenden Verbindungsschenkel miteinander verbunden, an dem die Statorwicklung angeordnet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel kann jeder Statorschenkel kreuzförmig angeordnete integral ausgeführte Schenkelteile aufweisen, die sich im Bereich der Drehachse des Rotors schneiden.
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Bei dem aus
DE 20 2010 012 270 U1 beschriebenen induktiven Drehübertrager sind die Statorwicklung und die Rotorwicklung konzentrisch zur Drehachse angeordnet. Die Wicklungen können axial nebeneinander oder konzentrisch zueinander angeordnet sein. Jeder Wicklung ist ein magnetisierbarer Kern zugeordnet. In Abwandlung dazu ist es auch möglich, Luftspulen ohne Kern zu verwenden.
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JP S58-220 410 A zeigt einen Drehübertrager mit einem Rotor und einem Stator. An dem Rotor sind U-förmige magnetisierbare Körper angeordnet, die radial nach innen offen sind. In jeden U-förmigen Körper des Rotors ragt ein magnetisierbarer Körper des Stators hinein.
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Zur Übertragung wird bei den induktiven Drehübertragern ein Magnetkreis zwischen der Stator- und der Rotorwicklung hergestellt, wobei die Magnetfeldlinien über einen Magnetkreis mit statorseitig und rotorseitig angeordneten magnetisierbaren Kernen geführt sind. Um die Effizienz der induktiven Energieübertragung sicherzustellen, müssen die sich relativ zueinander bewegenden Teile des Magnetkreises sehr genau gefertigt und gelagert werden. Um in Umfangsrichtung um die Drehachse der Rotors am Luftspalt des Magnetkreises eine gleichmäßige Energieübertragung zu erreichen, sind die magnetisierbaren Kerne des Stators und des Rotors in Umfangsrichtung um die Drehachse des Rotors kontinuierlich und insbesondere rotationssymmetrisch ausgeführt.
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Ausgehend davon kann es als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, einen induktiven Drehübertrager zu schaffen, der eine effektive Energieübertragung gewährleistet und eine flexiblere Anpassung an Einbauverhältnisse in der jeweiligen Vorrichtung ermöglicht und hinsichtlich der weichmagnatischen Komponenten wesentlich vereinfacht ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen induktiven Drehübertrager mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Der Drehübertrager weist einen relativ zu einem Stator um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor auf. Der Rotor trägt eine Rotorwicklung. Am Rotor ist kein magnetischer oder magnetisierbarer Kern vorhanden. Der Rotor ist frei von magnetisierbaren oder magnetischem Material, das mit der Rotorwicklung und/oder der Statorwicklung elektromagnetisch gekoppelt ist. Der Rotor, der die Rotorwicklung trägt, ist vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das eine relative Permeabilität von etwa 1 aufweist. Eine Beeinflussung des Magnetfeldes findet durch den Rotor somit nicht oder nur unwesentlich statt.
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Der Stator weist eine Statorwicklung auf. Am Stator sind außerdem mehrere separate, magnetisierbare und vorzugsweise ferromagnetische bzw. weichmagnetische Statorelemente angeordnet. Zwei unmittelbar nebeneinander angeordnete Statorelemente haben in Umfangsrichtung um die Drehachse D vorzugsweise einen Abstand zueinander oder liegen alternativ dazu aneinander an. Jedes Statorelement übergreift sowohl die Statorwicklung, als auch die Rotorwicklung in einer Radialrichtung radial zur Drehachse auf beiden axial entlang der Drehachse gesehen gegenüberliegenden Seiten der Rotorwicklung bzw. der Statorwicklung. Dadurch können mithilfe des Statorelements ringförmig geschlossene Magnetfeldlinien bzw. Magnetkreise gebildet und somit eine induktive Kopplung zwischen der Statorwicklung und der Rotorwicklung zur Energieübertragung bewirkt werden.
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Die separaten Statorelemente können jeweils identisch ausgeführt sein. Die Anzahl der Statorelemente hängt vom konkreten Anwendungsfall und dem geforderten Leitungsvermögen ab. Die Anordnung und der Abstand zwischen den vorhandenen Statorelementen kann variieren und an die jeweiligen Einbaubedingungen des induktiven Drehübertragers angepasst werden. Es ist möglich, aber nicht erforderlich, dass die Statorelemente um den gesamten Umfang um die Drehachse herum angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Statorelemente und/oder die Statorwicklung in Umfangsrichtung um die Drehachse lediglich in einem Umfangsabschnitt vorhanden sein. Dieser Umfangsabschnitt ist kleiner als 360°, vorzugsweise kleiner als 180° und weiter vorzugsweise kleiner als 90°. Die induktive Kopplung zwischen der Rotor- und der Statorwicklung ist somit nicht entlang des gesamten Umfangs der Rotorwicklung gegeben, sondern lediglich in dem Umfangsabschnitt statt, in dem die Statorwicklung bzw. die Statorelemente angeordnet sind.
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Dadurch, dass der Rotor keine ferromagnetischen bzw. weichmagnetischen Materialien (Statormagnetkern) zur magnetischen Kopplung mit der Statorwicklung und den Statorelementen aufweist, kann die rotierende Masse minimiert werden.
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Durch die separaten Statorelemente kann eine flexible Anpassung des induktiven Drehübertragers an die jeweiligen Einbaugegebenheiten erfolgen. Der Verlauf der Magnetfeldlinien bzw. der Magnetkreis ist statorseitig anhand der Statorwicklung und der Statorelemente vorgegeben. Die Ummagnetisierung bei einem Wechselstrom durch die Statorwicklung findet ausschließlich statorseitig statt. Zur induktiven Kopplung ist rotorseitig lediglich die Rotorwicklung vorhanden, so dass dort keine nennenswerten Ummagnetisierungsverluste auftreten.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind alle Statorelemente einer gemeinsamen Statorwicklung zugeordnet und mit dieser magnetisch gekoppelt. Insbesondere ist lediglich eine einzige Statorwicklung vorhanden.
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Die Statorwicklung kann bei einem Ausführungsbespiel konzentrisch um die Drehachse und/oder konzentrisch um die Rotorwicklung angeordnet sein. Bei dieser Ausführung umschließt die Statorwicklung die Drehachse vollständig. Alternativ hierzu ist es – wie oben bereits erwähnt – auch möglich, dass die Statorwicklung nur in einem Umfangsabschnitt um die Drehachse angeordnet ist, der kleiner ist als 360°, vorzugsweise kleiner als 180° und weiter vorzugsweise kleiner als 90°. Dadurch kann eine sehr kompakte, platzsparende Bauform der statorseitigen Bestandteile des Drehübertragers erreicht werden.
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Die Statorelemente können in Umfangsrichtung um die Drehachse verteilt angeordnet sein, wobei unmittelbar nebeneinander angeordnete Statorelemente vorzugsweise jeweils den gleichen Abstand in Umfangsrichtung aufweisen. Alternativ hierzu ist es auch möglich, den Abstand der Statorelemente zu variieren. Insbesondere dann, wenn die Statorwicklung lediglich in einem Umfangsabschnitt angeordnet ist, sind auch die Statorelemente lediglich in diesem Umfangsabschnitt zur magnetischen Kopplung mit der Statorwicklung angeordnet.
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Es ist vorteilhaft, wenn jedes Statorelement in Umfangsrichtung um die Drehachse einen zu beiden Seiten offenen Innenbereich aufweist, durch den sich die Rotorwicklung und die Statorwicklung hindurch erstrecken. In diesem Innenraum ist zwischen der Rotorwicklung und der Statorwicklung ein radialer Abstand vorhanden, um eine berührungslose Relativdrehung sicherzustellen.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn jedes Statorelement zwei sich gegenüberliegende, zueinander parallele Begrenzungsflächen aufweist, die dazwischen einen Luftspalt begrenzen. Der Luftspalt wird von den Magnetfeldlinien des betreffenden Statorelements durchsetzt. Der Rotor durchgreift den Luftspalt.
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Das Statorelement kann einstückig ohne Naht- und Fügestelle ausgeführt sein. Eine solche Ausführung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Statorelement eine U-förmige Gestalt mit einem Axialschenkel und zwei sich parallel zueinander vom Axialschenkel weg erstreckenden Radialschenkeln aufweist. Der axial zwischen den beiden Radialschenkeln vorhandene Innenbereich des Statorelements hat dabei vorzugsweise eine konstante axiale Höhe. Die Begrenzungsflächen sind an den einander zugewandten und an den Innenbereich angrenzenden Flächen der Radialschenkel gebildet. Dabei ist der für den Durchgriff des Rotors notwendige Luftspalt in seiner axialen Erstreckung identisch mit dem für die Rotor- und die Statorwicklung vorgesehenen Freiraum.
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Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist jedes Statorelement zwei miteinander verbundene Elementteile auf. Die beiden Elementteile können beispielsweise mit zwei aneinander anliegenden Verbindungsflächen miteinander verbunden sein. Die Verbindungsflächen erstrecken sich vorzugsweise in einer gemeinsamen Verbindungsebene, die rechtwinklig zur Drehachse ausgerichtet sein kann.
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Es ist dabei vorteilhaft, wenn jedes Elementteil eines Statorelements eine der Begrenzungsflächen aufweist, die sich zur Begrenzung des Luftspaltes gegenüberliegen. Zur Minimierung des Herstellungsaufwandes ist es vorteilhaft, wenn die Elementteile identisch ausgestaltet sind.
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Die beiden Elementteile bzw. das Statorelement bestehen bzw. besteht vorzugsweise aus einem weichmagnetischem Material.
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Die Elementteile sind vorzugsweise stoffschlüssig, beispielsweise durch eine Klebeverbindung, miteinander verbunden.
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Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel hat jedes Statorelement zwei in Umfangsrichtung um die Drehachse weisende Seitenflächen, die jeweils in einer Radialebene angeordnet sind. Die Radialebenen verlaufen radial zur Drehachse. Durch diese Ausführung ist die Form der Statorelemente an den abschnittsweise radialen Verlauf der Magnetfeldlinien angepasst. Die Statorelemente lassen sich außerdem in Umfangsrichtung beliebig dicht nebeneinander anordnen. Erforderlichenfalls können die Statorelemente mit den einander zugewandten Seitenflächen auch aneinander anliegen.
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Bei dieser Ausführungsform können die beiden Radialebenen, in denen sich die Seitenflächen eines Statorelements erstrecken, einen Winkel von etwa 5° bis etwa 20° und insbesondere von etwa 10° bis etwa 15° miteinander einschließen.
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Es ist bevorzugt, wenn der Rotor einen Ring oder eine Ringscheibe aufweist bzw. von einem Ring oder einer Ringscheibe gebildet ist. Die Rotorwicklung ist an einem von der Drehachse entfernten Ende des Rings oder der Ringscheibe angeordnet. Im Falle der Ringscheibe befindet sich die Rotorwicklung vorzugsweise an dem radial äußeren Ende der Ringscheibe. Die Ringscheibe erstreckt sich weiter vorzugsweise parallel zu einer Axialebene, die rechtwinklig zur Drehachse ausgerichtet ist.
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Der Rotor einschließlich der Kontur der Rotorwicklung ist vorzugsweise rotationssymmetrisch zur Drehachse ausgeführt. Der Rotor einschließlich der Kontur der Rotorwicklung kann außerdem symmetrisch zu einer rechtwinklig zu der Drehachse verlaufenden Symmetrieebene ausgeführt sein.
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Bei allen Ausführungsformen kann die Statorwicklung insgesamt oder zumindest mit einem die Innenbereiche der Statorelemente durchsetzenden Wicklungsabschnitt radial oder axial benachbart zu der Rotorwicklung angeordnet sein.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen des Drehübertragers ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines induktiven Drehübertragers in einer Draufsicht in Richtung einer Drehachse des Rotors,
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2 das Ausführungsbeispiel des Drehübertragers aus 1 in einer perspektivischen Darstellung,
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3 eine geschnittene Teilansicht des Ausführungsbeispiels der Drehübertragers aus den 1 und 2 gemäß der Schnittlinie III-III in 1,
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drehübertragers in einer Draufsicht entlang einer Drehachse des Rotors,
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5 eine perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels des Drehübertragers aus 4,
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6 eine geschnittene Teildarstellung des Ausführungsbeispiels des Drehübertragers aus den 4 und 5 gemäß der Schnittlinie VI-VI in 4,
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7 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Statorelements aus den Ausführungsbeispielen des Drehübertragers gemäß der 1 bis 6,
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8 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Drehübertragers in einer im Bereich eines der Statorelemente geschnittenen Teildarstellung,
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9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drehübertragers in einer perspektivischen Ansicht,
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10 eine geschnittene Teildarstellung des Ausführungsbeispiels des Drehübertragers aus 9,
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11 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drehübertragers in einer perspektivischen Ansicht,
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12 eine geschnittene Teildarstellung des Ausführungsbeispiels des Drehübertragers aus 11,
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13 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drehübertragers in einer perspektivischen Ansicht und
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14 eine geschnittene Teildarstellung des Ausführungsbeispiels des Drehübertragers aus 13.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele eines induktiven Energieübertrags veranschaulicht, der als Drehübertrager 10 ausgeführt ist. Der Drehübertrager 10 hat einen Rotor 11, der eine Rotorwicklung 12 trägt und gegenüber einem Stator 13 mit einer Statorwicklung 14 drehbar um eine Drehachse D gelagert ist. Eine Umfangsrichtung U ist konzentrisch um die Drehachse D ausgerichtet.
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Bei einer Drehung des Rotors 11 mit der Rotorwicklung 12 findet kein Kontakt mit dem Stator 13 oder der Statorwicklung 14 statt. Die Energie von der Statorwicklung 14 zur Rotorwicklung 12 oder umgekehrt wird berührungslos induktiv übertragen.
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Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen gemäß der 1 bis 6 weist der Rotor 11 eine koaxial zur Drehachse D angeordnete Ringscheibe 15 auf. Die Ringscheibe 15 erstreckt sich bei diesen Ausführungsbeispielen parallel zu einer Ebene, die rechtwinklig zur Drehachse D ausgerichtet ist. An ihrem radial äußeren Ende 16 ist die Rotorwicklung 12 befestigt.
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Die Rotorwicklung 12 ist beispielsgemäß konzentrisch zur Drehachse D angeordnet. Der Rotor 11 sowie die Kontur der Rotorwicklung 12 sind rotationssymmetrisch zur Drehachse D ausgeführt. Am Rotor 11 sind abgesehen von der Rotorwicklung 12 keine magnetischen oder magnetisierbaren Teile vorhanden, die zur magnetischen Kopplung und induktiven Energieübertragung mit der Statorwicklung 14 dienen. Insbesondere ist kein ferromagnetischer bzw. weichmagnetischer Kern am Rotor 11 angeordnet. Die elektromagnetische Kopplung erfolgt rotorseitig ausschließlich durch die Rotorwicklung 12. Der Rotor 11 bzw. die Ringscheibe 15 bestehen aus einem Material, beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial, dass das Magnetfeld im Wesentlichen nicht beeinträchtigt und eine relative Permeabilität μr von etwa 1 aufweist.
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An dem dem radial äußeren Ende 16 entgegengesetzten radial inneren Ende 17 ist die Ringscheibe 15 mit einem Lagerteil 18 verbunden, mittels dem der Rotor 11 drehbar um die Drehachse D gelagert werden kann.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der 1 bis 3 ist die Statorwicklung 14 koaxial zur Drehachse D angeordnet und erstreckt sich in Umfangsrichtung U um die Rotorwicklung 12 herum. Zwischen der Rotorwicklung 12 und der Statorwicklung 14 ist ein Spiel 21 vorhanden, so dass eine berührungslose Relativdrehung zwischen den beiden Wicklungen 12, 14 möglich ist.
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Zur Führung der Magnetfeldlinien M (vergleiche 3) sind am Stator 13 mehrere Statorelemente 22 angeordnet. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der 1 bis 3 sind die Statorelemente 22 in Umfangsrichtung U um die Drehachse D mit jeweils gleichem Abstand zueinander verteilt angeordnet. Der Abstand zwischen zwei jeweils unmittelbar benachbarten Statorelementen 22 kann abweichend hierzu auch variieren.
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Das Statorelement 22 ist in 7 perspektivisch veranschaulicht. Es weist in Richtung der Drehachse D betrachtet zwei parallel zueinander und rechtwinklig zur Drehachse D ausgerichtete Axialflächen 23 auf. Die beiden Axialflächen 23 sind durch zwei entgegengesetzte, jeweils in Umfangsrichtung U weisende Seitenflächen 24 miteinander verbunden. Das Statorelement 22 hat in einer Radialrichtung radial zur Drehachse eine radial innere Fläche 25 und eine entgegengesetzte, von der Drehachse D weg weisende radial äußere Fläche 26. Die radial innere Fläche 25 sowie die radial äußere Fläche 26 sind vorzugsweise koaxial zur Drehachse D gekrümmt ausgeführt. In Abwandlung hierzu könnten diese Flächen 25, 26 auch tangential zur Umfangsrichtung U in einer Ebene verlaufen.
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Die beiden Seitenflächen 24 sind vorzugsweise nicht parallel zueinander ausgerichtet, sondern erstrecken sich jeweils in einer Radialebene E. Die Radialebenen E enthalten die Drehachse D und erstrecken sich radial hierzu. Die Radialebenen E sind in den 1 und 4 schematisch veranschaulicht. In Draufsicht auf eine Axialfläche 23 hat das Statorelement 22 eine sich zur Drehachse D hin keilförmig verjüngende Gestalt.
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Die beiden Radialebenen E schließen miteinander einen Winkel α ein. Der Winkel α liegt im Bereich von etwa 5° bis etwa 20° und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10° bis etwa 15°.
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Das Statorelement 22 begrenzt einen Innenbereich 27, der in Umfangsrichtung U offen ist und somit an jeder Seitenfläche 24 eine Mündung 28 aufweist. Die Mündungen 28 haben beispielsgemäß eine rechteckförmige Kontur. Der Innenbereich 27 durchsetzt das Statorelement 22 in Umfangsrichtung U zwischen den beiden Mündungen 28 vollständig.
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Das Statorelement 22 hat beispielsgemäß eine C-förmige oder klammerförmige Gestalt. Es weist einen Axialschenkel 29 auf, an dem die radial äußere Fläche 26 angeordnet ist und der sich in etwa parallel zur Drehachse D erstreckt. Von diesem Axialschenkel 29 ragen mit Abstand zueinander zwei Radialschenkel 30 weg. Die beiden Radialschenkel 30 weisen jeweils eine Axialfläche 23 auf und verlaufen auf gegenüberliegenden Seiten des Innenbereichs 27. An dem dem Axialschenkel 29 entgegengesetzten radial inneren Ende ist an jedem Radialschenkel 30 ein Axialvorsprung 31 vorhanden. Die beiden Axialvorsprünge 31 erstrecken sich aufeinander zu und liegen sich mit jeweils einer Begrenzungsfläche 32 mit Abstand gegenüber. Zwischen den beiden Begrenzungsflächen 32 befindet sich ein Luftspalt 33. Der Luftspalt 33 ist ausschließlich durch die beiden Begrenzungsflächen 32 begrenzt und ansonsten zu allen Seiten hin offen. Über den Luftspalt 33 ist daher der Innenbereich 27 radial zur Drehachse D hin zugänglich.
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Durch den Luftspalt 33 ragt der Rotor 11 und beispielsgemäß die Ringscheibe 15 hindurch. Sowohl die Rotorwicklung 12, als auch die Statorwicklung 14 durchsetzen den Innenbereich 27 in Umfangsrichtung U jedes Statorelements 22. Die Statorwicklung 14 kann dabei mit den Statorelementen 22 verbunden sein, da hier keine Relativbewegung stattfindet. Demgegenüber hat die Rotorwicklung 12 und der Rotor 11 keinen Kontakt zu den Statorelementen 22 oder der Statorwicklung 14. Die Statorelemente 22 übergreifen sowohl die Rotorwicklung 12 als auch die Statorwicklung 14 an einer jeweiligen Anbringungsstelle des Statorelements 22, um eine elektromagnetische Kopplung zwischen der Statorwicklung 14 und der Rotorwicklung 12 zu bewirken.
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Die Statorelemente 22 sind bei dem in den 1 bis 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel an einem ringförmigen Träger 34 des Stators 13 befestigt. Der Axialschenkel 29 durchsetzt dabei eine jeweilige Öffnung in dem ringförmigen Träger 34. An dem ringförmigen Träger 34 ist auch die Statorwicklung 14 befestigt.
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Das Statorelement 22 ist beispielsgemäß in zwei Elementteile 22a, 22b unterteilt. Die beiden Elementteile 22a, 22b sind zur Bildung des Statorelements 22 fest und vorzugsweise stoffschlüssig, beispielsweise durch eine Klebeverbindung, miteinander verbunden. Hierfür weist jedes Elementteil 22a, 22b eine Verbindungsfläche 35 auf, die bei hergestellter Verbindung aneinander anliegen. Die Verbindungsflächen 35 erstrecken sich beim bevorzugten Ausführungsbeispiel in einer Verbindungsebene, die bevorzugt rechtwinklig zur Drehachse D orientiert ist. Die Ringscheibe 15 sowie der ringförmige Träger 34 können parallel zu dieser Verbindungsebene ausgerichtet sein bzw. symmetrisch dazu angeordnet sein.
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Die beiden Elementteile 22a, 22b sind identisch ausgestaltet. Jedes Statorelement 22 ist durch zwei solcher Elementeteile 22a, 22b hergestellt. Jedes Elementteil 22a, 22b weist einen der beiden Radialschenkel 30 sowie einen der beiden Axialvorsprünge 31 auf. An jedem Elementteil 22a, 22b ist ein Teil und beispielsgemäß die Hälfte des Axialschenkels 29 vorhanden. Die Trennung des Statorelements 22 in zwei Elementeteile 22a, 22b erfolgt somit im Bereich des Axialschenkels 29.
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Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Statorelemente 22 einstückig ohne Naht- und Fügestelle herzustellen, was bei C-förmigen Statorelementen 22 allerdings einen größeren Herstellungsaufwand erfordert und die Montage am Stator 13 erschweren kann.
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Bei allen Ausführungsbeispielen sind alle Statorelemente 22 identisch ausgeführt. Die Anzahl und der Abstand der Statorelemente 22 kann abhängig vom konkreten Anwendungsfall und der Einbausituation des Drehübertragers 10 flexibel angepasst werden. Alle Statorelemente 22 sind beispielsgemäß einer gemeinsamen Statorwicklung 14 zugeordnet und mit dieser magnetisch gekoppelt.
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Der induktive berührungslose Drehübertrager 10 gemäß der 1 bis 3 arbeitet wie folgt.
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Es sei angenommen, dass elektrische Energie vom Stator 13 zum Rotor 11 übertragen werden soll. Hierzu wird die Statorwicklung 14 von einem Strom durchflossen, der ein Magnetfeld erzeugt. In den Statorelementen 22 bildet sich daher ein Magnetfeld mit ringförmig geschlossenen Magnetfeldlinien M aus. Die Magnetfeldlinien M durchsetzen den Axialschenkel 29, den sich anschließenden Radialschenkel 30, den sich anschließenden Axialvorsprung 31, den Luftspalt 33, den anderen Axialschenkel 31, den jeweils anderen Radialschenkel 30 und bilden so eine ringförmig geschlossene Form, was schematisch in 3 veranschaulicht ist. Die Richtung der Magnetfeldlinien M hängt dabei von der Stromrichtung durch die Statorwicklung 14 ab. Die Pfeile der Magnetfeldlinien M in 3 sind daher lediglich beispielhaft.
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Das Magnetfeld und der geschlossene Magnetkreis werden mithin ausschließlich statorseitig gebildet. Rotorseitig sind keine ferromagnetischen oder weichmagnetischen Bestandteile vorhanden, die zur Bildung des geschlossenen Magnetkreises entlang der Statorelemente 22 dienen. Die Magnetfeldlinien M durchsetzen die Ringscheibe 15 des Rotors 11 im Luftspalt 33. Da diese im Bereich der Statorelemente 22 und insbesondere im Bereich des Luftspalts 33 keine ferromagnetischen bzw. weichmagnetischen Bestandteile enthält, wird das Magnetfeld im Luftspalt 33 durch die Ringscheibe 15 nicht beeinträchtigt. Da die Rotorwicklung 12 von den Magnetfeldlinien M umschlossen wird, kann auf diese Weise induktiv und berührungslos elektrische Energie zu der Rotorwicklung 12 übertragen werden.
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Die Rotorwicklung 12 kann zwei oder mehr elektrische Anschlüsse bzw. Anzapfungen aufweisen, die in oder auf der Ringscheibe 15 geführt werden können und beispielsweise auch als Leiterbahnen ausgestaltet sein können. Die Anordnung, Verlegung und Ausgestaltung der elektrischen Anschlussleitungen zur Rotorwicklung 12 kann an die jeweiligen Einbaugegebenheiten angepasst werden.
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Dadurch, dass der Rotor 11 keine ferromagnetischen oder weichmagnetischen Materialen zur magnetischen Kopplung mit dem Stator 13 aufweist, kann die rotierende Masse reduziert werden. Innerhalb jedes Statorelements 22 bilden sich geschlossene Magnetfeldlinien M aus. Die Magnetfeldlinien M verlaufen nicht in ferromagnetischen oder weichmagnetischen Teilen des Rotors 11, so dass sozusagen ein geschlossener Magnetkreis allein statorseitig hergestellt ist.
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In den 4 bis 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Drehübertragers 10 veranschaulicht. Der Hauptunterschied dieses zweiten Ausführungsbeispiels gegenüber dem zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Statorwicklung 14 und die Statorsegmente 22 in Umfangsrichtung U betrachtet auf einen Umfangsabschnitt B um die Drehachse D beschränkt ist bzw. sind, der kleiner ist als 360°. Vorzugsweise beträgt der Umfangsabschnitt B maximal 180° wodurch eine radiale Montage oder Demontage des Rotors 11 und des Stators 13 relativ zueinander möglich ist. Beim Ausführungsbeispiel ist der Umfangsabschnitt B kleiner als 90° (4). Die Größe bzw. Umfangserstreckung des Umfangsabschnitts B kann abhängig von der jeweiligen Anwendung gewählt werden.
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Die Statorwicklung 14 ist innerhalb des Umfangsabschnittes B in einer geschlossenen Schleife verlegt und weist einen inneren Wicklungsabschnitt 14a sowie einen äußeren Wicklungsabschnitt 14b auf. Die beiden Wicklungsabschnitte 14a, 14b sind beispielsgemäß konzentrisch zur Drehachse D im Umfangsabschnitt B mit Abstand zueinander angeordnet. Zwischen den beiden Wicklungsabschnitten 14a, 14b ist von der Statorwicklung 14 ein Wicklungsinnenbereich 40 umschlossen.
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Durch diesen Wicklungsinnenbereich 40 erstreckt sich ein Abschnitt der vorhandenen Statorelemente 22 und beispielsgemäß der Axialschenkel 29. Die Statorelemente 22 sind ebenfalls ausschließlich innerhalb des Umfangsabschnitts B angeordnet. Innerhalb dieses Umfangsabschnittes B entspricht die Anordnung des zweiten Ausführungsbeispiels (4 bis 6) im Wesentlichen der Anordnung gemäß der 1 bis 3, wobei der Hauptunterschied darin liegt, dass bei dem zweiten Ausführungsbeispiel in Radialrichtung zur Drehachse D auf beiden Seiten des Axialschenkels 29 jeweils ein Wicklungsabschnitt 14a bzw. 14b vorhanden ist, während beim ersten Ausführungsbeispiel die kreisringförmig verlaufende Statorwicklung 14 lediglich auf der radial inneren Seite angeordnet ist.
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Da sich der Stator 13 beim zweiten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen auf den Umfangsabschnitt B beschränkt, ist es nicht notwendig, einen ringförmig geschlossenen Träger für die Statorelemente 22 und die Statorwicklung 14 vorzusehen. Anstelle des ringförmigen Trägers 34 des ersten Ausführungsbeispiels ist beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der 4 bis 6 ein geeignetes Trägerelement 41 für die Statorwicklung 14 und die Statorelemente 22 vorhanden, das plattenförmig ausgestaltet sein kann. Die Kontur des Trägerelements 41 ist frei wählbar und kann an die Einbauverhältnisse des Drehübertragers 10 in einer Vorrichtung angepasst werden.
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Anhand der beiden vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele ist erkennbar, dass der Stator 13 sowie die Statorwicklung 14 und die Satorelemente 22 nicht in Umfangsrichtung U entlang des gesamten Rotors 11 bzw. der Rotorwicklung 12 angeordnet sein müssen. Vielmehr kann die statorseitige Ausgestaltung des Drehübertragers 10 an die jeweilige Anwendung und die Bauraumverhältnisse angepasst werden. Dadurch, dass der geschlossene Magnetkreis über die Statorwicklung 14 und die Statorelemente 22 lediglich statorseitig erzeugt wird, ist es nicht notwendig, den Stator 13 und insbesondere die Statorwicklung 14 und die Statorelemente 22 in Umfangsrichtung U kontinuierlich bzw. ringförmig geschlossen auszuführen. Die magnetisierbaren Statorelemente 22, die vorzugsweise aus weichmagnetischem Material bestehen, sind als separat handhabbare Elemente ausgeführt. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Statorelementen 22 in Umfangsrichtung U um die Drehachse D kann abhängig vom Anwendungsfall variabel gewählt werden. Es ist auch möglich, zwei benachbarte Statorelemente 22 mit den zugeordneten Seitenflächen 24 aneinander anzulegen, so dass der Abstand sozusagen auf null reduziert ist. Dennoch ist es ausreichend, die Statorwicklung 14 und die Statorelemente 22 in einem Umfangsabschnitt B anzuordnen.
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Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Statorelemente 22 gemäß der Ausführungsform nach 7 realisiert. In Abwandlung hierzu könnte das Statorelement 22 auch derart ausgestaltet werden, dass der Luftspalt 33 nicht rechtwinklig zur Drehachse D, sondern beispielsweise parallel oder schräg und konzentrisch um die Drehachse D verläuft, was beispielhaft in 8 illustriert ist. Bei dieser Ausführungsform hat der Rotor 11 eine abgewandelte Gestalt. Er weist einen zylindrischen Ring 42 auf, der konzentrisch zur Drehachse D angeordnet ist und der die Rotorwicklung 12 trägt. Der Ring 42 durchgreift den Luftspalt 33 des jeweiligen Statorelements 22. Die beiden Elementteile 22a, 22b, aus denen das Statorelement 22 beim Ausführungsbeispiel nach 8 gebildet ist, sind nicht identisch ausgestaltet, sondern ihre Konturen unterscheiden sich voneinander. Die Verbindungsflächen 35, mittels denen die beiden Elementteile 22a, 22b miteinander verbunden sind, können an einer geeigneten Stelle vorgesehen sein. Beispielsgemäß verlaufen die Verbindungsflächen 35 parallel zur Drehachse D gesehen gegenüber vom Luftspalt 33.
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Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Rotorwicklung 12 und die Statorwicklung 14 radial zur Drehachse D nebeneinander angeordnet. Es ist in Abwandlung hierzu auch möglich, die Rotorwicklung 12 und die Statorwicklung 14 axial, das heißt in einer Richtung parallel zur Drehachse D nebeneinanderliegend anzuordnen, wie dies bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 9 bis 14 der Fall ist. Auch eine Kombination von radialer und axialer Überlappung der Wicklungen 12, 14 ist möglich.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 11 und 12 ist zumindest der die Innenbereiche 27 der Statorelemente 22 durchsetzende innere Windungsabschnitt 14a der Statorwicklung 14 axial benachbart zur Rotorwicklung 12 angeordnet.
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Bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 9 bis 12 sind die Statorelemente 22 jeweils durch zwei nicht identische Elementteile 22a, 22b gebildet, wobei beispielsgemäß nur an einem der Statorelemente ein Axialvorsprung 31 vorhanden ist. Das eine, erste Elementteil 22a ist im Querschnitt rechteckförmig, während das jeweils andere, zweite Elementteil 22b einen U-förmigen Querschnitt mit unterschiedlich langen Schenkeln aufweist. Der eine, kürzere Schenkel bildet den Axialvorsprung 31. Der andere, längere Schenkel des zweiten Elementteils 22b bildet einen Abschnitt des Axialschenkels 29 des Statorelements 22. Am ersten Elementteil 22a ist kein Axialvorsprung 31 vorhanden.
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Wie in den 10 und 12 veranschaulicht, durchgreift die Ringscheibe 15 den Luftspalt 33. Die Rotorwicklung 12 ist axial neben der Statorwicklung 14 angeordnet. Die beiden Wicklungen 12, 14 durchsetzen wie bei den anderen Ausführungsbeispielen den Innenbereich 27 in Umfangsrichtung U.
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Bei dem in den 9 und 10 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Statorwicklung 14 ringförmig in Umfangsrichtung U um die Drehachse D geschlossen. In Abwandlung hierzu, ist die Statorwicklung 14 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 11 und 12 analog zu dem anhand der 4 bis 6 beschriebenen Ausführungsbeispiel lediglich in einem Umfangsabschnitt B angeordnet und umschließt die jeweils dort vorhandenen Statorelemente 22.
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Wie anhand der 11 schematisch gezeigt, können auch mehrere Statoren 13 in jeweils einem Umfangsabschnitt B vorgesehen sein. Die Statoren 13 bzw. die jeweiligen Trägerelemente 41 schließen in Umfangsrichtung U beispielsgemäß aneinander an und bilden so eine insgesamt ringförmig geschlossene Statoranordnung 45. Bei dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel sind vier Statoren 13 zur Bildung der Statoranordnung 45 vorhanden. Die Anzahl der Statoren 13 kann abhängig von der jeweiligen Größe des Umfangsabschnitts B variieren.
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Wenn die Statorelemente 22 eines Stators 13 an einem Trägerelement 41 angeordnet sind und sich das Trägerelement 41 und die Statorelemente 22 lediglich über einen Umfangsbereich B erstrecken, der kleiner ist als 180°, lässt sich die Montage bzw. Demontage des Drehübertragers 10 besonders einfach ausführen. Der Stator 13 kann relativ zum Rotor 11 radial zu Drehachse D montiert bzw. demontiert werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, auch die Statorwicklung 14 auf den Umfangsbereich B zu beschränken.
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In den 13 und 14 ist ein weiter abgewandeltes Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Anders als bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Statorelement 22 im Querschnitt U-förmig ausgeführt (14). Die Axialvorsprünge 31 entfallen. Das Statorelement 22 kann deswegen einstückig ohne Naht- und Fügestelle hergestellt und dennoch einfach montiert werden. Die Zugänglichkeit zum Innenbereich 27 ist wegen der fehlenden Axialvorsprünge 31 uneingeschränkt möglich. Wie auch bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 9 bis 12 sind auch bei dieser Ausführung die Wicklungen 12, 14 axial nebeneinanderliegend angeordnet.
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Es versteht sich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden können. Beispielsweise können die C-förmigen Statorelemente 22 auch dann eingesetzt werden, wenn die Statorwicklung 14 und die Rotorwicklung 12 radial nebeneinander angeordnet sind. In Abwandlung zu dem in den 13 und 14 veranschaulichten Ausführungsbeispiel könnte auch dort die Statorwicklung 14 nicht ringförmig geschlossen um die Drehachse D, sondern wie beispielsweise in den 4 und 11 veranschaulicht, nur in einem Umfangsbereich B um die jeweils dort vorhandenen Statorelemente 22 angeordnet sein.
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Die Erfindung betrifft einen induktiven Energieübertrager mit einem Rotor 11 und einem Stator 13, die sich relativ zueinander drehen können, so dass ein Drehübertrager 10 gebildet ist. Am Rotor 11 ist eine Rotorwicklung 12 angeordnet und am Stator 13 in eine Statorwicklung 14 angeordnet. Abgesehen von der Rotorwicklung 12 weist der Rotor 11 keine ferromagnetischen oder weichmagnetischen Materialteile auf, die zur induktiven Kopplung mit dem Stator 13 bzw. der Statorwicklung 14 dienen. Am Rotor 11 ist insbesondere kein weichmagnetischer oder ferromagnetischer Kern vorhanden. Die ringförmig geschlossenen Magnetfeldlinien M des Magnetfeldes zur induktiven Kopplung werden durch statorseitig angeordnete separate Statorelemente 22 gebildet, die aus ferromagnetischem bzw. weichmagnetischem Material hergestellt sind. Die Statorelemente 22 übergreifen sowohl die Rotorwicklung 12 als auch die Statorwicklung 14 an einer jeweiligen Anbringungsstelle des Statorelements 22 und lenken die Magnetfeldlinien M um die Rotorwicklung 12 und um die Statorwicklung 14 herum, so dass eine magnetische Kopplung zwischen der Statorwicklung 14 und der Rotorwicklung 12 entsteht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Drehübertrager
- 11
- Rotor
- 12
- Rotorwicklung
- 13
- Stator
- 14
- Statorwicklung
- 14a
- innerer Windungsabschnitt
- 14b
- äußerer Windungsabschnitt
- 15
- Ringscheibe
- 16
- radial äußeres Ende
- 17
- radial inneres Ende
- 18
- Lagerteil
- 21
- Spiel
- 22
- Statorelement
- 22a
- Elementteil
- 22b
- Elementteil
- 23
- Axialfläche
- 24
- Seitenfläche
- 25
- radial innere Fläche
- 26
- radial äußere Fläche
- 27
- Innenbereich
- 28
- Mündung
- 29
- Axialschenkel
- 30
- Radialschenkel
- 31
- Axialvorsprung
- 32
- Begrenzungsfläche
- 33
- Luftspalt
- 34
- Träger
- 35
- Verbindungsfläche
- 40
- Wicklungsbereich
- 41
- Trägerelement
- 42
- Ring
- 45
- Statoranordnung
- α
- Winkel
- B
- Umfangsabschnitt
- D
- Drehachse
- E
- Radialebene
- M
- Magnetfeldlinie
- U
- Umfangsrichtung
