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Die Erfindung betrifft eine Elektromaschine, welche einen Stator, einen durch einen Luftspalt von dem Stator getrennten Rotor und mehrere an dem Rotor angeordnete Permanentmagnete aufweist.
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Eine derartige Elektromaschine, insbesondere eine Elektromaschine in Form einer permanenterregten Synchronmaschine, kann beispielsweise als Antriebsmaschine in Elektro- oder Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen. Aber auch bei Industrieanwendungen mit Anforderungen an hohe Drehzahlen, wie beispielsweise im Bereich von Textil- oder bestimmten Werkzeugmaschinen, ist ein Einsatz derartiger Elektromaschinen denkbar.
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Bei derartigen Elektromaschinen ist es bekannt, dass die Permanentmagnete in dem Rotor vergraben sind, was bedeutet, dass die Permanentmagnete vollständig von dem Rotorblech umgeben sind. Hierfür weisen die Rotoren mehrere Aufnahmebereiche auf, welche jeweils vollständig von dem Rotorblech umgeben sind und beabstandet zu dem zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildeten Luftspalt angeordnet sind. In einem Aufnahmebereich sind üblicherweise jeweils zwei Permanentmagnete angeordnet. Aufgrund der dadurch erforderlichen hohen Anzahl an Permanentmagneten weist die Elektromaschine jedoch ein hohes Gewicht und auch einen erhöhten Bauraumbedarf auf, da der Rotor eine relativ große erforderliche Mindestgröße aufweisen muss, um zwei Permanentmagnete in einem Aufnahmebereich aufnehmen zu können.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, sind Elektromaschinen bekannt, bei welchen pro Aufnahmebereich lediglich ein Permanentmagnet angeordnet ist, wie dies beispielsweise aus der
EP 1 458 077 A1 und der
US 2002/0036436 A1 bekannt ist. Jedoch weisen diese Elektromaschinen meist eine reduzierte elektromagnetische Leistungsfähigkeit auf.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektromaschine zur Verfügung zu stellen, welche sich durch eine hohe elektromagnetische Leistungsfähigkeit bei einem gleichzeitig reduzierten Gewicht und einem reduzierten Bauraumbedarf auszeichnet.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Elektromaschine gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Rotor mindestens zwei Aufnahmebereiche aufweist, welche zum Luftspalt hin offen ausgebildet sind, wobei pro Aufnahmebereich jeweils einer der mehreren Permanentmagnete eingelegt ist, wobei an dem Rotor mindestens ein Metallelement derart angeordnet ist, dass das mindestens eine Metallelement eine Trennwand zwischen dem Luftspalt und den in den Aufnahmebereichen angeordneten Permanentmagneten ausbildet.
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Der Rotor weist für jeden Permanentmagneten einen separaten Aufnahmebereich auf. An dem Rotor sind mindestens zwei, vorzugsweise mehr als zwei Permanentmagnete in jeweils einem Aufnahmebereich angeordnet. Die Aufnahmebereiche sind vorzugsweise jeweils in Form von Ausnehmungen an dem Rotor, insbesondere an einem radial außen liegenden Randbereich des Rotors, welcher an den zum Stator hin ausgebildeten Luftspalt angrenzt, ausgebildet. Die Aufnahmebereiche sind zum Luftspalt hin offen ausgebildet, so dass die in den Aufnahmebereichen angeordneten Permanentmagnete nicht vollständig von dem Material des Rotors, insbesondere dem Rotorblech, umgeben sind. Die in den Aufnahmebereichen angeordneten Permanentmagnete sind hingegen nur bereichsweise von dem Material des Rotors umgeben. Insbesondere sind die Permanentmagnete an einer zur Rotormitte hin zeigenden Seitenfläche bzw. Außenkontur von dem Material des Rotors umgeben, wohingegen die Permanentmagnete an einer zum Luftspalt hin zeigenden Seitenfläche bzw. Außenkontur vorzugsweise nicht von dem Material des Rotors umgeben sind.
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Die Permanentmagnete sind somit vorzugsweise an einem radial außen liegenden Randbereich des Rotors angeordnet. Eine Trennung der Permanentmagnete von dem zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildeten Luftspalt erfolgt bei der erfindungsgemäßen Lösung daher nicht über das Material des Rotors, sondern über mindestens ein Metallelement, welches eine Trennwand zwischen den Permanentmagneten und dem Luftspalt ausbildet. Das Metallelement kann als ein zu dem Rotor separates Bauteil ausgebildet und an dem Rotor, beispielsweise mittels einer Klebe-, Niet-, Schraub-, oder Schweißverbindung, befestigt sein. Das Metallelement überspannt bzw. überdeckt vorzugsweise den zum Luftspalt hin offenen Abschnitt der Aufnahmebereiche. Das Metallelement erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Umfang des Rotors, so dass genau ein Metallelement alle an dem Rotor in jeweils einem Aufnahmebereich angeordneten Permanentmagnete gegenüber dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator trennen bzw. abtrennen kann. Das Metallelement kann beispielsweise als ein Metallring ausgebildet sein, insbesondere wenn genau ein Metallelement alle an dem Rotor in jeweils einem Aufnahmebereich angeordneten Permanentmagnete gegenüber dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator trennt bzw. abtrennt. Es ist aber auch möglich, dass mehr als ein Metallelement vorgesehen ist, wobei jedes Metallelement einen oder mehr als einen Aufnahmebereich überdecken bzw. überspannen kann. Beispielsweise kann auch jedem Aufnahmebereich ein separates Metallelement zugeordnet sein.
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Dadurch, dass hier nur ein Permanentmagnet pro Aufnahmebereich angeordnet ist, kann aufgrund der geringeren Anzahl an Permanentmagneten das Gewicht der Elektromaschine reduziert werden und zudem kann der Rotor aufgrund des reduzierten Platzbedarfes für die Permanentmagnete in seinen Abmessungen kleiner ausgebildet werden, so dass die gesamte Elektromaschine kleiner ausgebildet werden kann, wodurch der für die Elektromaschine notwendige Bauraumbedarf reduziert werden kann. Gleichzeitig kann aufgrund der besonderen Ausbildung der Aufnahmebereiche in dem Rotor zu dem Luftspalt hin und der besonderen Positionierung der Permanentmagnete möglichst weit radial außen an dem Randbereich des Rotors in unmittelbarer Nähe zu dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator eine besonders hohe elektromagnetische Leistungsfähigkeit der Elektromaschine trotz des reduzierten Gewichtes und des reduzierten Bauraumbedarfes erreicht werden.
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Die in den Aufnahmebereichen angeordneten Permanentmagnete sind in ihrer Geometrie vorzugsweise an den radial außen liegenden Randbereich des Rotors angepasst, indem eine in Richtung Luftspalt zeigende Außenkontur der Permanentmagnete an eine Außenkontur des Rotors angepasst sein kann. Die in Richtung Luftspalt zeigende Außenkontur der Permanentmagnete ist hierbei vorzugsweise gleich zu der Außenkontur des Rotors ausgebildet, so dass die Drehbewegung des Rotors durch die möglichst weit radial außen liegenden Permanentmagnete nicht negativ beeinflusst wird. Die Elektromaschine kann somit eine hohe Drehzahl und damit eine hohe Leistung erreichen.
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Um eine besonders gute elektromagnetische Leistungsfähigkeit der Elektromaschine erreichen zu können, weisen die Permanentmagnete vorzugsweise eine Linsenform auf. Die Permanentmagnete sind bei der Linsenform vorzugsweise länglich ausgebildet und weisen eine in Richtung des Luftspalts zeigende Außenkontur und eine dazu gegenüberliegend angeordnete, in Richtung Rotormitte zeigende Außenkontur auf.
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Beispielsweise kann eine in Richtung Luftspalt zeigende Außenkontur der Permanentmagnete in Richtung des Luftspalts oder in Richtung Rotormitte gewölbt ausgebildet sein. Ist die Außenkontur der Permanentmagnete in Richtung des Luftspaltes und damit nach radial außen gewölbt ausgebildet, weisen die Permanentmagnete an ihrer in Richtung Luftspalt zeigenden Außenkontur vorzugsweise eine konvexe Ausgestaltung auf. Ist die Außenkontur der Permanentmagnete in Richtung Rotormitte und damit in Richtung nach radial innen gewölbt ausgebildet, weisen die Permanentmagnete an ihrer in Richtung Luftspalt zeigenden Außenkontur vorzugsweise eine konkave Ausgestaltung auf.
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Eine in Richtung Rotormitte zeigende Außenkontur der Permanentmagnete kann ebenfalls sowohl in Richtung des Luftspalts als auch in Richtung Rotormitte gewölbt ausgebildet sein, so dass auch die Richtung Rotormitte zeigende Außenkontur der Permanentmagnete eine konvexe oder eine konkave Ausgestaltung aufweisen kann.
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Weiter ist es auch möglich, dass eine in Richtung Rotormitte zeigende Außenkontur der Permanentmagnete plan ausgebildet ist und damit gerade keine Wölbung aufweist, sondern geradlinig ausgebildet ist.
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Um eine weiter verbessernde Magnetwirkung der Permanentmagnete erreichen zu können, kann jeder Aufnahmebereich mindestens einen mit Luft gefüllten Bereich aufweisen, welcher zwischen dem in den Aufnahmebereich eingelegten Permanentmagneten und einer den Aufnahmebereich begrenzenden Wandung ausgebildet sein kann. Der mit Luft gefüllte Bereich der Aufnahmebereiche grenzt damit unmittelbar an den jeweils in dem Aufnahmebereich angeordneten Permanentmagneten an.
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Bevorzugt kann es dabei vorgesehen sein, dass jeder Aufnahmebereich einen ersten mit Luft gefüllten Bereich und einen zweiten mit Luft gefüllten Bereich aufweist, wobei der erste mit Luft gefüllte Bereich vorzugsweise gegenüberliegend zu dem zweiten mit Luft gefüllten Bereich angeordnet ist. Hierdurch kann ein in einem Aufnahmebereich angeordneter Permanentmagnet unmittelbar an zwei mit Luft gefüllte Bereiche des Aufnahmebereichs angrenzen, wodurch die Magnetwirkung der Permanentmagnete weiter verbessert werden kann. Die Permanentmagnete grenzen vorzugsweise an die mit Luft gefüllten Bereiche der Aufnahmebereiche im Übergangsbereich zwischen ihrer in Richtung Luftspalt zeigenden Außenkontur und ihrer in Richtung Rotormitte zeigenden Außenkontur an.
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Um die Baugröße der Elektromaschine weiter reduzieren zu können, weist das mindestens eine Metallelement eine möglichst geringe Dicke auf, so dass die durch das Metallelement ausgebildete Trennwand zwischen den Permanentmagneten und dem Luftspalt sehr dünn ausgebildet sein kann. Vorzugsweise weist das Metallelement eine Dicke auf, welche 1/8 bis 1/12 der Dicke des Rotors beträgt.
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Das mindestens eine Metallelement ist bevorzugt an zwischen jeweils zwei benachbart angeordneten Aufnahmebereichen ausgebildeten, radial außen liegenden Randbereichen des Rotors befestigt, wodurch eine platzsparende, verliersichere Befestigung des Metallelements an dem Rotor ermöglicht werden kann. Die Befestigung des Metallelements an dem Rotor erfolgt vorzugsweise über den gesamten Umfang des Rotors zwischen den jeweiligen Aufnahmebereichen des Rotors.
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Das mindestens eine Metallelement kann als ein separates Bauteil zu dem Rotor ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass das mindestens eine Metallelement einstückig mit dem Rotor ausgebildet ist. Der Rotor und das Metallelement können dann zusammen aus einem Blech ausgebildet, insbesondere ausgeschnitten oder ausgestanzt, sein.
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Des Weiteren erfolgt die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe mit einem Fahrzeug, welches eine wie vorstehend beschriebene, aus- und weitergebildete Elektromaschine aufweist.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Elektromaschine gemäß der Erfindung,
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2 eine schematische Schnittdarstellung eines Permanentmagneten gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung, und
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3 eine schematische Schnittdarstellung eines Permanentmagneten gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung.
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Die in 1 in einer Schnittdarstellung gezeigte Elektromaschine 100 weist einen Stator 10, einen durch einen Luftspalt 11 von dem Stator 10 getrennten Rotor 12 und mehrere an dem Rotor 12 angeordnete Permanentmagnete 13 auf.
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Der Stator 10 weist eine Vielzahl von benachbart zueinander angeordneten, nutförmigen Durchbrüchen 14 zur Aufnahme von hier nicht gezeigten Wicklungen auf. Der Rotor 12 ist auf einer Rotorwelle 25 drehfest angeordnet.
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Die Permanentmagnete 13 sind über den Außenumfang des Rotors 12 verteilt angeordnet, so dass die beabstandet zueinander angeordneten Permanentmagnete 13 eine Art Ring radial außen des Rotors 12 ausbilden.
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Zur Aufnahme der Permanentmagnete 13 weist der Rotor 12 mehrere Aufnahmebereiche 15 auf, wobei die Anzahl der Aufnahmebereiche 15 der Anzahl der Permanentmagnete 13 entspricht. In jedem Aufnahmebereich 15 ist jeweils genau ein Permanentmagnet 13 angeordnet.
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Die Aufnahmebereiche 15 sind an einem radial außen liegenden Randbereich 16 des Rotors 12 ausgebildet. Die Aufnahmebereiche 15 sind in Form von Ausnehmungen, hier in Form von in Richtung Rotormitte 17 gewölbt ausgebildeten Ausnehmungen, an dem radial außen liegenden Randbereich 16 des Rotors 12 ausgebildet. Die Aufnahmebereiche 15 sind damit unmittelbar angrenzend zu dem Luftspalt 11 zwischen dem Rotor 12 und dem Stator 10 ausgebildet, so dass auch die in den Aufnahmebereichen 15 angeordneten Permanentmagnete 13 in unmittelbarer Nähe zu dem Luftspalt 11 angeordnet sind.
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Die Aufnahmebereiche 15 sind zum Luftspalt 11 hin offen ausgebildet. Eine Trennung der in den Aufnahmebereichen 15 angeordneten Permanentmagnete 13 zu dem Luftspalt 11 ist damit bei der hier gezeigten Ausgestaltung nicht durch einen Teil des Rotors 12, insbesondere durch das Rotorblech, ausgebildet, sondern eine Trennung zwischen den in den Aufnahmebereichen 15 angeordneten Permanentmagneten 13 und dem Luftspalt 11 erfolgt mittels eines Metallelementes 18, welches derart an dem Rotor 12 befestigt ist, dass das Metallelement 18 eine Trennwand zwischen dem Luftspalt 11 und den in den Aufnahmebereichen 15 angeordneten Permanentmagneten 13 ausbildet. Das Metallelement 18 ist hier in Form eines Metallringes ausgebildet.
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Das Metallelement 18 erstreckt sich über den gesamten Umfang, insbesondere Außenumfang, des Rotors 12, so dass lediglich ein Metallelement 18 vorgesehen ist, um alle an dem Rotor 12 in jeweils einem Aufnahmebereich 15 angeordneten Permanentmagnete 13 gegenüber dem Luftspalt 11 zwischen Rotor 12 und Stator 10 zu trennen. Das Metallelement 18 ist sehr dünn ausgebildet, wobei das hier gezeigte Metallelement 18 eine Dicke d aufweist, welche ungefähr 1/10 der Dicke D des Rotors 12 beträgt.
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Das Metallelement 18 ist unmittelbar an dem radial außen liegenden Randbereich 16 des Rotors 12 zwischen jeweils zwei benachbart angeordneten Aufnahmebereichen 15 befestigt.
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Um eine gute elektromagnetische Leistungsfähigkeit der Elektromaschine 100 erreichen zu können, weisen die Permanentmagnete 13 jeweils eine Linsenform auf, wobei die Linsenform in unterschiedlichen Ausgestaltungen ausgebildet sein kann.
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Die in 1 gezeigten Permanentmagnete 13 weisen eine in Richtung Luftspalt 11 zeigende Außenkontur 19 auf, die in Richtung des Luftspalts 11 gewölbt ausgebildet ist. Die in Richtung Luftspalt 11 zeigende Außenkontur 19 der Permanentmagnete 13 ist somit nach außen gewölbt ausgebildet und weist eine konvexe Ausgestaltung auf. Eine in Richtung Rotormitte 17 zeigende Außenkontur 20 der Permanentmagnete 13, welche gegenüberliegend zu der in Richtung Luftspalt 11 zeigenden Außenkontur 19 ausgebildet ist, ist ebenfalls nach außen gewölbt ausgebildet, indem die in Richtung Rotormitte 17 zeigende Außenkontur 20 in Richtung Rotormitte 17 gewölbt ausgebildet ist. Die in Richtung Rotormitte 17 zeigende Außenkontur 20 der Permanentmagnete 13 weist somit ebenfalls eine konvexe Ausgestaltung auf.
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Durch die nach außen gewölbte Ausgestaltung der in Richtung Luftspalt 11 zeigenden Außenkontur 19 der Permanentmagnete 13 sind die Permanentmagnete 13 mit ihrer in Richtung Luftspalt 11 zeigenden Außenkontur 19 an eine Außenkontur 21 des Rotors 12 angepasst. Die Außenkontur 21 des Rotors 12 entspricht der radial außen liegenden Außenumfangsfläche des Rotors 12 und bildet einen Abschluss des radial außen liegenden Randbereiches 16 des Rotors 12. Durch die angepasste Ausgestaltung der in Richtung Luftspalt 11 zeigenden Außenkontur 19 der Permanentmagnete 13 an die Außenkontur 21 des Rotors 12 sind die Permanentmagnete 13 im Wesentlichen bündig mit der Außenkontur 21 des Rotors 12 angeordnet bzw. ausgebildet.
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In 2 und 3 sind weitere mögliche Ausgestaltungen der in 1 gezeigten Permanentmagnete 13 dargestellt.
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Bei der in 2 gezeigten Ausgestaltung ist die in Richtung Luftspalt 11 zeigende Außenkontur 19´ des Permanentmagneten 13´ in Richtung Rotormitte 17 gewölbt ausgebildet, so dass durch die nach innen gerichtete Wölbung die in Richtung Luftspalt 11 zeigende Außenkontur 19´ des Permanentmagneten 13´ konkav ausgebildet ist. Die in Richtung Rotormitte 17 zeigende Außenkontur 20´ des Permanentmagneten 13´ weist hingegen keine Wölbung auf, sondern diese ist plan und damit geradlinig ausgebildet.
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Bei der in 3 gezeigten Ausgestaltung ist die in Richtung Luftspalt 11 zeigende Außenkontur 19´´ des Permanentmagneten 13´´ in Richtung Luftspalt 11 gewölbt ausgebildet, so dass durch die nach außen gerichtete Wölbung die in Richtung Luftspalt 11 zeigende Außenkontur 19´´ des Permanentmagneten 13´´ konvex ausgebildet ist. Die in Richtung Rotormitte 17 zeigende Außenkontur 20´´ des Permanentmagneten 13´´ weist ebenfalls eine in Richtung Luftspalt 11 ausgebildete Wölbung auf, so dass die in Richtung Rotormitte 17 zeigende Außenkontur 20´´ des Permanentmagneten 13´´ nach innen gewölbt ausgebildet ist und damit eine konkave Ausgestaltung aufweist.
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Die Aufnahmebereiche 15 werden bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung nicht vollständig von den Permanentmagneten 13 ausgefüllt, sondern die Aufnahmebereiche 15 weisen einen ersten mit Luft gefüllten Bereich 22 und einen zweiten mit Luft gefüllten Bereich 23 auf, welche, wie in der Schnittdarstellung der 1 gezeigt ist, gegenüberliegend zueinander ausgebildet sind. Die mit Luft gefüllten Bereiche 22, 23 sind jeweils zwischen dem in den Aufnahmebereich 15 eingelegten Permanentmagneten 13 und einer den Aufnahmebereich 15 begrenzenden Wandung 24 ausgebildet. Die Permanentmagnete 13 grenzen damit unmittelbar an die mit Luft gefüllten Bereiche 22, 23 an, wobei die Permanentmagnete 13 an die mit Luft gefüllten Bereiche 22, 23 der Aufnahmebereiche 15 in einem Übergangsbereich zwischen ihrer in Richtung Luftspalt 11 zeigenden Außenkontur 19 und ihrer in Richtung Rotormitte 17 zeigenden Außenkontur 20 angrenzen.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von den dargestellten Lösungen auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktive Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Elektromaschine
- 10
- Stator
- 11
- Luftspalt
- 12
- Rotor
- 13, 13´, 13´´
- Permanentmagnet
- 14
- Durchbruch
- 15
- Aufnahmebereich
- 16
- Randbereich
- 17
- Rotormitte
- 18
- Metallelement
- 19, 19´, 19´´
- Außenkontur Permanentmagnet
- 20, 20´, 20´´
- Außenkontur Permanentmagnet
- 21
- Außenkontur Rotor
- 22
- Erster mit Luft gefüllter Bereich
- 23
- Zweiter mit Luft gefüllter Bereich
- 24
- Wandung
- 25
- Rotorwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1458077 A1 [0004]
- US 2002/0036436 A1 [0004]
