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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Scheibenläufermaschine, die als Transversalflussmaschine oder als Axialflussmaschine ausgebildet sein kann, sowie eine Scheibenläufermaschine mit einem derartigen Rotor.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen mit einem scheibenförmigen Rotor bzw. elektrische Scheibenläufermaschinen ermöglichen hohe Drehmomente und Leistungsdichten in kurzen axialen Bauräumen. Ein Stator erzeugt dabei einen axial ausgerichteten Magnetfluss, der durch Permanentmagnete eines Rotors verläuft.
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Diese elektrischen Maschinen können unterschiedlich aufgebaut sein. Beispielsweise kann die elektrische Maschine einen Stator neben einem Rotor, einen Rotor zwischen zwei Statorelementen oder einen Stator zwischen zwei Rotorelementen aufweisen.
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Normalerweise umfasst der Rotor eine oder mehrere Vollscheiben, die Permanentmagnete tragen, die parallel zur Drehachse magnetisiert sind und kreisförmig zur Rotationsachse angeordnet sind. Beispielsweise werden die Permanentmagnete über einen Hinterschnitt mit der Scheibe verbunden, wie es beispielsweise in der
EP 1 203 436 B2 gezeigt ist. Die Fertigung von Permanentmagneten mit Hinterschnitt kann jedoch teuer sein.
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Weiter ist bekannt, die Permanentmagnete in die Scheibe einzukleben. Eine Klebeverbindung kann jedoch gegenüber dem Einfluss von äußeren Medien anfällig sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen in vorteilhafter Weise einen kostengünstigen und robusten Rotor für eine Scheibenläufermaschine bereit.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Scheibenläufermaschine, die auch unter dem Namen Scheibenläufermotor bekannt ist. Eine Scheibenläufermaschine umfasst in der Regel ein oder mehrere Rotorelemente (die den Rotor bilden), die zwischen einem oder mehreren Statorelementen (die den Stator bilden) aufgenommen sind. Der Stator erzeugt mit der Hilfe von bestromten Magneten einen axialen magnetischen Fluss, der durch Permanentmagnete im Rotor geführt ist und den Rotor in Drehung versetzt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Rotor eine Rotorscheibe und eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung um eine Drehachse der Rotorscheibe angeordneten Permanentmagneten, die in axialen Öffnungen in der Rotorscheibe in Radialrichtung und/oder in Umfangsrichtung gehalten sind. Jeder der Permanentmagnete wird dabei durch wenigstens ein Federelement in axialer Richtung in der Rotorscheibe gehalten. Die axialen Öffnungen sowie die Permanentmagnete können beispielsweise im Wesentlichen rechteckig geformt sein. Die Permanentmagnete werden über eine oder mehrere Federn bzw. ein oder mehrere Federelemente in der Rotorscheibe gehalten. Das Federelement kann dabei in axialer Richtung wirkende Kräfte aufnehmen. Diese Kräfte werden beispielsweise durch eine Vorspannung des Federelements in axialer Richtung kompensiert.
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Auf diese Weise ist es nicht notwendig, den Permanentmagneten anderweitig in der Öffnung zu fixieren. In Radialrichtung und/oder in Umfangsrichtung wird der Permanentmagnet von der zugehörigen axialen Öffnung in der Rotorscheibe gehalten. In der axialen Richtung wird er von dem einen oder den mehreren Federelementen in der axialen Öffnung gehalten.
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Das Federelement kann sowohl den Permanentmagneten als auch einen Rand der axialen Öffnung umgreifen. Dann kann das Federelement so vorgespannt werden, dass es beim Montieren selbstständig an der Rotorscheibe bzw. am Permanentmagneten hält. Das Federelement kann als Hinterschnitt zum Halten des Permanentmagneten in der axialen Öffnung aufgefasst werden.
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Weiter kann das Federelement zu einem Toleranzausgleich bezüglich der Dicke bzw. der Breite der Permanentmagnete in axialer Richtung beitragen. Auch die Montage der Permanentmagnete in der Rotorscheibe kann erleichtert werden. Beispielsweise können die Permanentmagnete lediglich eingeclipst bzw. eingeklemmt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird jeder Permanentmagnet durch jeweils zwei Federelemente am radialen Innenrand und am radialen Außenrand der jeweiligen axialen Öffnung gehalten. Das Federelement kann sich an einer Stelle befinden, an der wenig elektromagnetische Verluste auftreten. Bei einer vollmetallischen Scheibe können beispielsweise die Verluste vor allem am Steg, d.h. in Umfangsrichtung zwischen den Permanentmagneten, auftreten.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das (bzw. jedes) Federelement zwei Schenkel auf, die die Rotorscheibe bzw. den jeweiligen Permanentmagneten umgreifen. Das Federelement kann zweischenklig ausgeführt sein. Die Schenkel können im unmontierten Zustand des Federelements zueinander zeigen, bzw. in Richtung einer Symmetrieachse des Federelements, so dass sie beim Auseinanderbiegen eine Vorspannung aufbauen und zwischen sich das betreffende Teil, entweder die Rotorscheibe oder den jeweiligen Permanentmagneten, aufnehmen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Federelement eine zwischen den Schenkeln liegende Nut auf, in der der jeweilige Permanentmagnet bzw. die Rotorscheibe angeordnet ist. Die beiden Schenkel des Federelements können über einen Abschnitt verbunden sein, in dem auch eine Nut angeordnet ist, die dazu ausgeführt ist, das jeweils andere Teil des Rotors (d.h. entweder die Rotorscheibe oder den jeweiligen Permanentmagneten) aufzunehmen.
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Sowohl die Nut als auch die Schenkel können so geformt sein, dass sie beim Auseinanderbiegen eine Vorspannung aufbauen mit der das entsprechende Teil des Rotors eingeklemmt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Federelement derart geformt, dass durch ein Auseinanderspreizen der Schenkel durch die Rotorscheibe bzw. den jeweiligen Permanentmagneten, der jeweilige Permanentmagnet bzw. die Rotorscheibe in der Nut eingeklemmt ist. Dazu kann das Federelement eine U-förmige Nut aufweisen, die einen Nutboden und zwei davon in eine erste Richtung abstehende Nutwände aufweisen kann. An den Außenenden der Nutwände kann jeweils ein Schenkel des Federelements beginnen, der sich entgegen der ersten Richtung über den Nutboden hinaus erstreckt. Die Nutwände, der Nutboden und/oder die Schenkel können im Wesentlichen aus ebenen Flächenelementen zusammengesetzt sein, die über (abgerundete) Winkel miteinander verbunden sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegen die Schenkel flächig auf der Rotorscheibe bzw. dem jeweiligen Permanentmagneten auf. Jeder Schenkel kann beispielsweise aus einem oder mehreren, ebenen Flächenelementen zusammengesetzt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Schenkel an einem Ende gekrümmt und liegen mit einer Stirnseite auf der Rotorscheibe bzw. dem jeweiligen Permanentmagneten auf. Insbesondere können die Schenkel zu einer Mittelachse des Federelements hingekrümmt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Federelement eine Blattfeder. Beispielsweise kann das Federelement eine Dicke zwischen 0,2 mm und 0,5 mm aufweisen. Die Beeinflussung des Luftspalts zwischen Rotor und Stator kann durch flache Federelemente gering gehalten werden.
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Das Material des Federelements kann dauerfest sein, d.h. hohen Zyklusbelastungen der axialen Kraft (wie etwa 1010 Zyklen) widerstehen. Beispielsweise kann das Federelement aus Stahl gefertigt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Rotorscheibe am Rand einer axialen Öffnung eine axiale Vertiefung auf, in der ein Teil des Federelements aufgenommen ist. Beispielsweise kann der Rand der axialen Öffnung gestuft sein, so dass nur der schmalere Bereich der Rotorscheibe von dem Federelement umgriffen wird. Auf diese Weise kann die Breite, mit der das Federelement in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator hineinsteht, minimiert werden.
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Es ist aber auch möglich, dass die Rotorscheibe lediglich zweidimensional bearbeitet wird. Ein Bearbeiten der Rotorscheibe lediglich durch Stanzen und/oder Schneiden in Axialrichtung ist möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Rotorscheibe eine Vollscheibe. Eine Vollscheibe kann eine Scheibe sein, die lediglich axiale Öffnungen und/oder keine Hohlräume aufweist. Auf diese Weise kann die Rotorscheibe dünner als die Permanentmagnete ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Rotorscheibe aus Stahl oder aus Kunststoff gefertigt sein. Der Kunststoff kann faserverstärkt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Permanentmagnete axial breiter als die Rotorscheibe. Solche breiten Permanentmagnete können vor allem mit den Federelementen besonders gut an einer dünnen Rotorscheibe befestigt werden. Der gewonnene Raum im Luftspalt kann zur Kühlung der Rotorscheibe verwendet werden.
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Es ist aber auch möglich, dass die Rotorscheibe im Wesentlichen genau so breit ist wie die Permanentmagnete (beispielsweise, wenn die Rotorscheibe aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt ist). In diesem Fall kann auch eine axiale Vertiefung und/oder axiale Einbuchtung an der Rotorscheibe vorhanden sein, so dass ein durch die Vertiefung erzeugter schmälerer Abschnitt der Rotorscheibe in der Nut aufgenommen werden kann und/oder das Federelement in diesem Bereich nicht über die Rotorscheibe hinaussteht.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Scheibenläufermaschine mit einem derartigen Rotor.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Scheibenläufermaschine ein Gehäuse, einen Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mit seiner Welle in dem Gehäuse drehbar gelagert ist, und einen vom Gehäuse getragenen, bestrombaren Stator mit zwei Statorelementen, die an gegenüberliegenden axialen Seiten des Rotors angeordnet sind und die dazu ausgeführt sind, einen axialen magnetischen Fluss durch den Rotor zu erzeugen. Mit anderen Worten ist der Rotor zwischen zwei Statorelementen angeordnet. In dieser Konstellation kann es vorteilhaft sein, dass der Rotor symmetrisch zu seiner Mittelebene ist und/oder die beiden Statorelemente identisch aufgebaut sind. In dieser Anordnung können auch die axialen Kräfte auf die Permanentmagnete gering gehalten werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Scheibenläufermaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt einen schematischen Ausschnitt aus einem Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Federelements für einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Federelement für einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Federelement für einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Federelement für einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Federelement für einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Federelement für einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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9A bis 9D zeigen Arbeitsschritte beim Zusammenbau eines Rotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine elektrische Scheibenläufermaschine bzw. einen Scheibenläufer 10, die bzw. der ein Gehäuse 12 aus mehreren Komponenten 14 umfasst, in der zwei ringförmige Statorelemente 16 und ein dazwischen angeordneter scheibenförmiger Rotor 18 angeordnet sind. In den beiden identisch aufgebauten Statorelementen 16 befinden sich Wicklungen 20, die bei Bestromung einen magnetischen Fluss mit Komponenten im Wesentlichen in axialer Richtung durch den Rotor 18 hindurch erzeugen und den Rotor 18 in Drehung versetzen können.
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Der Rotor 18 umfasst eine Rotorscheibe 22, der um eine Welle 24 des Rotors drehbar ist. In der Rotorscheibe 22 befinden sich eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung um die Welle 24 angeordneter axialer Öffnungen 26, in denen eine Mehrzahl von Permanentmagneten 28 angeordnet ist.
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Die 2 zeigt einen Ausschnitt des Rotors 18 mit einer axialen Öffnung 26, in der ein Permanentmagnet 28 angeordnet ist. Der Permanentmagnet 28 wir dabei von zwei Federelementen 30 gehalten, die an einem radial inneren und einem radial äußeren Rand der axialen Öffnung 26 angebracht sind. Alle in der 1 gezeigten Permanentmagnete 28 können auf diese Weise an der Rotorscheibe 22 angebracht sein.
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Die Rotorscheibe 22 kann als Vollscheibe ausgeführt und/oder aus Stahl oder einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt sein.
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Die axiale Öffnung 26 kann im Wesentlichen rechteckig sein. Der Permanentmagnet 28 kann im Wesentlichen quaderförmig sein. In Umfangsrichtung und in radialer Richtung wird der Permanentmagnet 28 vor allem durch die Wandungen der axialen Öffnung 26 am Verlassen der Öffnung 26 gehindert. In axialer Richtung hindert das Federelement 30, das in etwa so lang wie die Öffnung 216 in Umfangsrichtung sein kann, den Permanentmagneten 28 am Verlassen der Öffnung 26 und nimmt auch axiale Kräfte auf den Permanentmagneten 28 auf.
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Die. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Federelements 30. Das Federelement 30 weist zwei Schenkel 32 auf, die über einen Abschnitt mit einer Nut 34 miteinander verbunden sind. Das Federelement 30 kann als Blattfeder aufgefasst werden und/oder beispielsweise aus Federstahl gefertigt sein. Beispielsweise kann das Federelement 30 aus einem rechteckigen Stahlblech gebogen werden. Die Wandstärke des Federelements 30 kann zwischen 0,25 mm und 0,55 mm betragen.
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Die beiden Schenkel 32 des Federelements 30 können entweder den Rand der axialen Öffnung 26 oder den Rand des Permanentmagneten 28 umgreifen. Umgekehrt kann der Rand des Permanentmagneten 28 oder der Rand der axialen Öffnung in der Nut 34 aufgenommen sein. Im Folgenden wird immer angenommen, dass der Permanentmagnet 28 zwischen den Schenkeln 32 und die Rotorscheibe 2 in der Nut 34 aufgenommen ist. Es ist aber zu verstehen, dass auch eine umgekehrte Anordnung möglich ist.
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Die 4 zeigt das Federelement 30 teilweise im Querschnitt. Das Federelement 30 ist symmetrisch zu einer Mittelebene M. Die Nut ist aus einem Nutboden 36 und zwei Nutwänden 38 geformt, wobei der Nutboden 36 im Wesentlichen orthogonal zur Mittelebene verläuft. In dem in der 4 gezeigten unmontierten Zustand stehen die Nutwände 36 schräg von der Mittelebene M vom Nutboden 36 ab.
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An den Außenenden der Nutwände 36 schließt sich jeweils ein Schenkel 32 an, der mehrere ebene Teilstücke 38, 40 umfassen kann. Der Schenkel 32 erstreckt sich dabei entgegen der Richtung, in die die Nut 34 geöffnet ist bzw. in die sich die Nutwände 38 erstrecken. Das Teilstück 38 kann im Wesentlichen parallel zur Mittelebene M verlaufen. Das Teilstück 40 kann schräg zur Mittelebene 40 hin verlaufen. Der Winkel zwischen einem Schenkel 32 und der entsprechenden Nutwand 36 ist ein spitzer Winkel. Der Winkel zwischen den Teilstücken 38, 40 ist stumpfwinklig.
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Der Abstand B eines Außenendes einer Nutwand 36 bzw. der Knicklinie 44 zwischen Schenkel 32 und Nutwand 38 von der Mittelebene kann kürzer sein als die halbe Breite des Magneten 28, den die Schenkel 32 dann im montierten Zustand umklammern.
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Der radiale Abstand H der Knicklinie 46 zwischen den beiden Teilstücken 40, 42 und der Ebene des Nutbodens kann entweder Null sein oder verschieden von Null, wobei die Knicklinie 46 bezüglich der Öffnungsrichtung der Nut 34 weiter außen liegt als der Nutboden 36.
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Weiter kann das Federelement 30 so ausgeführt sein, dass, wenn die Schenkel 32 im montierten Zustand auseinander gespreizt sind, der Winkel an der Knicklinie 48 zwischen dem Nutboden 36 und einer Nutwand 38 ein spitzer Winkel wird, wobei er in dem dargestellten unmontiertem Zustand ein stumpfer Winkel ist.
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Die Knicklinien 44, 46, 48 können alle abgerundet sein.
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Die 5 zeigt das Federelement 30, wenn es auf dem Permanentmagneten 28 aufgesteckt ist. Die Schenkel 32 bzw. die Teilstücke 42 liegen flach auf dem Permanentmagneten 28 an und die Nutwände 38 stehen nun schräg nach innen.
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Die 6 zeigt weiter, wie die Rotorscheibe 22 bzw. der Rand der axialen Öffnung 26 in der Nut 34 aufgenommen ist. Die Rotorscheibe 22 bzw. der Rand der axialen Öffnung 26 ist auf dem Nutboden 36 abgestützt und die Nutwände 38 liegen flach an den Seiten der Rotorscheibe 22 an. Da die Rotorscheibe 22 dünner als der Permanentmagnet 28 ist, befinden sich die Knicklinien in axialer Richtung innerhalb der Seitenflächen des Permanentmagneten 28 und ragen somit nicht in den Luftspalt zwischen dem Rotor 18 und den Statorelementen 16.
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Die 7 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Rotorscheibe 22 am Rand der axialen Öffnung 26 Vertiefungen 50 aufweist, die durch eine Abstufung der Rotorscheibe 22 realisiert sind. Der durch diese Abstufung geschaffene dünnere Bereich der Rotorscheibe 22 ist analog zu der in 6 aufgenommenen Nut 34.
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Die 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Federelements 30, bei dem die Schenkel 32 nicht aus flachen Teilstücken bestehen, sondern gekrümmt sind. Jeder Schenkel 32 ist zunächst von der Knicklinie 44 in Axialrichtung nach außen gekrümmt, um – in etwa ab Höhe des Nutbodens 36 – in einer Krümmung wieder nach innen zu verlaufen. Der Rand des Permanentmagneten 28 kann dann auf dem Ende des gekrümmten Schenkels 32 abgestützt sein.
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Die 9A bis 9D zeigen, wie ein Permanentmagnet 28 in einer axialen Öffnung befestigt werden kann. Die 9A zeigt den Ausgangszustand, bei dem die beiden Federelemente 30 an den gegenüberliegenden Rändern der axialen Öffnung 26 mit ihrer Nut 34 angeklemmt sind und sich dort selbstständig über ihre Vorspannung halten.
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In der 9B wird der Permanentmagnet 28 in die axiale Öffnung 26 eingeschoben, so dass die dem Permanentmagneten 28 zugewandten Schenkel 32 in die axiale Öffnung 26 eingebogen werden.
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In der 9C wird der Permanentmagnet 28 weiter eingeschoben, so dass die gegenüberliegenden Schenkel 32 nach außen gedrückt werden.
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In der 9D wurde der Permanentmagnet 28 so weit eingeschoben, dass die die dem Permanentmagneten 28 zugewandten Schenkel 32 aus der axialen Öffnung herausschnappen und den Permanentmagneten 28 von außen umschließen. Mithilfe der Federkräfte der Schenkel 32 zentriert sich der Permanentmagnet 28 anschließend selbstständig in der axialen Öffnung 26.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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