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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen mit Innenläufern, insbesondere permanentmagneterregte elektrische Maschinen.
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Technischer Hintergrund
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Permanentmagneterregte elektrische Maschinen weisen in der Regel einen Innenrotor auf, der ein durch Permanentmagnete bereitgestelltes Erregermagnetfeld generiert. Eine von zahlreichen Varianten der Anordnung der Permanentmagnete in dem Rotor besteht darin, die Permanentmagnete in einer sogenannten Speichenanordnung in einem Rotorkörper einzubetten, so dass deren Polaritäten in Umfangsrichtung ausgerichtet sind und die Rotorpole durch Rotorsegmente zwischen den Permanentmagneten ausgebildet werden.
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Bei der Speichenanordnung von Permanentmagneten wirkt bei der Drehung des Rotors eine hohe Kraft in radialer Richtung, so dass ein besonderes Augenmerk auf den sicheren Halt der Permanentmagneten in den Magnettaschen gelegt werden muss.
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Im Allgemeinen werden für die Montage von Rotoren mit Speichenanordnungen die Permanentmagnete axial in die sich nach außen verengenden oder geschlossenen Magnettaschen eingepresst. Für den Aufbau eines solchen Rotors ist insbesondere der spielfreie Halt der Permanentmagnete in entsprechenden Magnettaschen im Rotorkörper notwendig, um beispielsweise die Geräuschentwicklung während des Betriebs der elektrischen Maschine zu reduzieren. Für den axialen Halt der Permanentmagnete sind Klemmelemente vorgesehen, die eine Kraft auf die Permanentmagnete in radialer Richtung ausüben. Durch den Aufbau des Rotorkörpers mit Blechlamellen können durch Vorsehen von Blechlamellen mit voneinander abweichenden Geometrien in die Magnettaschen vorstehende Blechlippen ausgebildet werden, die als Klemmelemente wirken. Die Blechlippen biegen sich beim Einsetzen der Permanentmagnete in die Magnettaschen um und üben damit eine konstante Federkraft auf die Permanentmagnete aus, wodurch diese gehalten werden.
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Eine solche Fixierung der Permanentmagnete führt jedoch zu einer hohen radialen Kraftbeaufschlagung über die vorstehenden Blechlippen der Blechlamellen, was zu einer unerwünschten Deformation einzelner Blechlamellen und gegebenenfalls zu einer Verformung der Rotoraußenkontur führen kann. Dadurch können sich möglicherweise das Rastmoment der elektrischen Maschine verschlechtern, die Geräuschentwicklung erhöhen und/oder die Induktivitätseigenschaften nachteilig verändern.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Rotoranordnung zur Verfügung zu stellen, wobei die Permanentmagneten in Speichenanordnung angeordnet werden und in verbesserter Weise gehalten werden, so dass eine unerwünschte Deformation von Blechlamellen vermieden und die Geräuschentwicklung im Betrieb einer mit einer solchen Rotoranordnung versehenen elektrischen Maschine reduziert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Rotoranordnung nach Anspruch 1 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- – einen Rotorkörper mit Rotorpolbereichen und dazwischen liegenden Magnettaschen zur jeweiligen Aufnahme eines oder mehrerer Permanentmagnete in Speichenanordnung,
- – ein erstes federelastisches Rastelement an einer Seitenfläche mindestens einer der Magnettaschen, das ausgebildet ist, um bei Auslenkung in Umfangsrichtung eine Kraft in Richtung der Magnettasche auszuüben, und um mithilfe einer ersten Rastnase die Magnettasche an ihrer radial äußeren Seite zu übergreifen.
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Eine Idee des obigen Rotorkörpers besteht darin, zur Aufnahme von Permanentmagneten ein oder mehrere erste federelastische Rastelemente in Magnettaschen des Rotorkörpers vorzusehen, die seitlich in den Magnettaschen angeordnet sind, so dass sie auf einen in die betreffende Magnettasche eingesetzten Permanentmagneten eine Klemmkraft in Umfangsrichtung ausüben. Weiterhin sind das eine oder die mehreren ersten Rastelemente mit Rastnasen so ausgebildet, dass sie eine radiale Endfläche eines einsetzbaren Permanentmagneten übergreifen, um den Permanentmagneten in der Magnettasche gegen radial wirkende Kräfte zu halten.
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Weiterhin kann das erste Rastelement stegförmig an einem ersten Haltepunkt angeordnet sein und sich im Wesentlichen radial nach außen und ins Innere der Magnettasche erstrecken. Die Rastnasen können sich entsprechend an einem freischwingenden Ende der Rastelemente befinden, die sich in radialer Richtung ausgehend von dem ersten Haltepunkt nach außen erstrecken. Die Ausbildung als stegförmiges Rastelement ermöglicht es in einfacher Weise das Rastelement federelastisch auszubilden.
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Insbesondere kann der erste Haltepunkt im Bereich der Seitenfläche der Magnettasche, insbesondere etwa der Mitte der Seitenfläche in radialer Richtung angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein dem ersten Haltepunkt gegenüberliegendes Ende des ersten Rastelements mit einer Schrägung versehen sein, so dass bei Einsetzen eines Permanentmagneten das erste Rastelement in Umfangsrichtung ausgelenkt wird und eine Kraft in Richtung der Magnettasche ausübt.
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Weiterhin kann ein zweites federelastisches Rastelement an einer Seitenfläche mindestens einer der Magnettaschen vorgesehen sein, das ausgebildet ist, um bei Auslenkung eine Kraft in Richtung der Magnettasche auszuüben, und um mithilfe einer Rastnase die Magnettasche an ihrer radial inneren Seite zu übergreifen.
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Insbesondere kann das zweite Rastelement stegförmig an einem zweiten Haltepunkt angeordnet sein und sich im Wesentlichen radial nach innen und ins Innere der Magnettasche erstrecken.
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Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Haltepunkt im Bereich der Seitenfläche der Magnettasche, insbesondere in einem Bereich zwischen der Mitte der Seitenfläche in radialer Richtung und einem äußeren Mantelfläche des Rotorkörpers angeordnet ist.
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Weiterhin können der erste und der zweite Haltepunkt identisch sein.
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Weiterhin können das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Rastelement in einer Magnettasche einander gegenüberliegen. Somit kann von zwei Seiten Druck auf einen einzusetzenden Permanentmagneten ausgeübt werden, um diesen sicher zu halten.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Rotorkörper aus gestapelten Blechlamellen aufgebaut sein, wobei die Blechlamellen Rotorpolabschnitte zur Ausbildung der Rotorpolbereiche aufweisen, wobei mindestens eine seitliche Kante mindestens eines der Rotorpolabschnitte mit einem der ersten Rastelemente und insbesondere mit einem/dem zweiten Rastelement versehen ist. Der Aufbau mit Blechlamellen ermöglicht eine wahlfreie Anordnung der Rastelemente entlang der axialen Richtung.
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Als Rastelement sind also im Wesentlichen in radialer Richtung ausgerichtete Balkenfedern vorgesehen, die an einem oder mehreren der Blechlamellen ausgebildet sind, aus denen der Rotorkörper zusammengesetzt ist. Dadurch, dass die Rastelemente in einer Magnettasche nur an einem Teil der Blechlamellen vorgesehen sind, kann durch die ansonsten vorzugsweise spielfreie Anordnung des Permanentmagneten zuverlässig der Magnetfluss, der durch den Permanentmagneten ausgeübt wird, in den Rotorkörper eingekoppelt werden, so dass ungewollte magnetische Flussverluste vermieden werden können.
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Weiterhin können die Blechlamellen zueinander verdreht aufeinander gestapelt sein, so dass jede der ausgebildeten Magnettaschen mit mindestens einem ersten Rastelement versehen ist. Dies ermöglicht es, die Anzahl von verschiedenen Blechschnitte zu reduzieren. Insbesondere kann die Rotoranordnung unter Verwendung von nur einem Blechschnitt ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein Teil der Blechlamellen bezüglich ihrer axialen Richtung um 180° gedreht sein, so dass jede der ausgebildeten Magnettaschen mit mindestens einem ersten Rastelement auf jeder der einander gegenüberliegenden Seitenflächen versehen ist. Dies ermöglicht die Ausbildung der Rotoranordnung mit beidseitig in den Magnettaschen vorgesehenen Rastelementen mit Blechlamellen deren Blechschnitte nur einseitig in den Magnettaschen angeordneten Rastelemente vorsehen.
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In die Magnettaschen können Permanentmagnete eingesetzt sein, deren Polarität in Umfangsrichtung verläuft und die nach außen hin durch die ersten Rastnasen gehalten sind.
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Insbesondere kann der Abstand der Seitenflächen der Magnettaschen in Umfangsrichtung der Breite der Permanentmagnete entsprechen. Somit sind die übrigen, die Magnettaschen ausbildenden Blechlamellen so bemessen, dass der Permanentmagnet in der Magnettasche im Wesentlichen spielfrei gehalten wird, wobei das Rastelement in Richtung eines zwischen dem Rastelement und dem Rotorpol vorgesehenen Spalts gebogen wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einer Rotoranordnung als Innenrotor;
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2 eine detailliertere Querschnittsdarstellung durch die Rotoranordnung mit einem in eine Magnettasche einzusetzenden Permanentmagneten;
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3 eine detaillierte Darstellung eines Querschnitts durch eine Rotoranordnung mit beidseitig an der Magnettasche angeordneten Rastelementen; und
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4 eine detailliertere Ansicht eines Querschnitts durch eine weitere Rotoranordnung mit zueinander entgegengesetzt ausgerichteten Rastelementen beidseitig des in die Magnettasche einzusetzenden Permanentmagneten;
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5 eine Draufsicht auf eine Blechlamelle zum Aufbau des Rotorkörpers der Rotoranordnung; und
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6 eine detaillierte Darstellung eines Querschnitts durch eine Rotoranordnung mit beidseitig an der Magnettasche angeordneten ersten und zweiten Rastelementen.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine rotatorische elektrische Innenläufermaschine 1 mit einer im Wesentlichen kreiszylindrischen Statoranordnung 2. Die Statoranordnung 2 weist ein zylindrisches Statorjoch 21 mit nach innen weisenden Statorzähnen 22 auf. Die Statorzähne 22 sind mit Statorspulen 3 gemäß einem vorgegebenen Wicklungsschema (hier z.B. eine Einzelzahnwicklung) umwickelt, so dass in dem Inneren der Statoranordnung 2 durch geeignete Bestromung der Statorspulen ein Magnetfeld ausgebildet werden kann.
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Die Statorzähne 22 enden an einem Außenradius einer kreiszylindrischen Innenausnehmung 4, in der eine Rotoranordnung 5 angeordnet ist. Die Rotoranordnung 5 weist einen Rotorkörper 51 auf und ist an einer drehbaren Welle 6 angebracht.
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Der Rotorkörper 51 weist in axialer Richtung durch den Rotorkörper verlaufende Magnettaschen 7 auf, in die zur Montage der Rotoranordnung 5 Permanentmagnete 8 eingesetzt werden können. Die Magnettaschen 7 sind in Speichenanordnung, d.h. sich im Wesentlichen länglich in radialer Richtung erstreckend, ausgerichtet, so dass Permanentmagnete 8 mit tangential ausgerichteter Polarität – d.h. Magnetisierungsrichtung – einsetzbar sind bzw. eingesetzt sind. Zwischen den Permanentmagneten 8 sind Rotorpolbereiche 9 im Rotorkörper 51 ausgebildet, die in geeigneter Weise mit der Welle 6 verbunden sind und durch diese gehalten sind.
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Die Rotorpolbereiche 9 stellen einen magnetisch gut leitfähigen Bereich dar, der an die tangential ausgerichteten Magnetpole der Permanentmagnete 8 angrenzt und in der Lage ist, den magnetischen Fluss zu bündeln und über Rotorpole 91, insbesondere über die Polkonturen der Rotorpole 91, an der Mantelfläche des Rotorkörpers 51 insbesondere in Richtung des Stators 2 abzugeben.
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2 zeigt eine detailliertere Darstellung einer Magnettasche 7 und eine Montage eines Permanentmagneten 8 in der Magnettasche 7. Die dargestellte Magnettasche 7 steht vorzugsweise stellvertretend für die übrigen Magnettaschen 7 im Rotorkörper 51.
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In der Magnettasche 7 sind erste federelastische Rastelemente 10 vorgesehen, die sich seitlich der Magnettasche 7, d.h. an einer in Umfangsrichtung U ausgerichteten Seitenwand der Magnettasche 7, von einem ersten Haltepunkt 11 in radialer Richtung stegförmig nach außen erstrecken. Die ersten Rastelemente 10 weisen jeweils ein abstehendes Ende mit einer ersten Rastnase 13 nahe der äußeren Mantelfläche des Rotorkörpers 51 auf.
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An Außenseiten der ersten Rastnasen 13 können die Rastelemente 10 zur Magnettasche hin verlaufend angeschrägt sein, um beim radialen Einschieben des Permanentmagneten 8 in die Magnettasche 7 von Außen nach Innen die ersten Rastelemente 10 in tangentialer Richtung von der Magnettasche 7 wegzudrücken, so dass sich die ersten Rastelemente 10 elastisch verformen können.
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Um eine elastische Auslenkung der ersten Rastelemente 10 zu ermöglichen, sind zwischen den Rastelementen 10 und dem Rotorpolbereich 9 erste Bewegungsaufnahmespalte 15 angeordnet. Durch die elastische Auslenkung der ersten Rastelemente 10 wird der eingesetzte Permanentmagnet 8 spielfrei in der Magnettasche 7 gehalten.
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Der Permanentmagnet 8 kann zur Welle 6 hin durch einen Anschlag, der die Magnettasche 7 nach innen begrenzt, gehalten sein. Der Anschlag kann als festes Element im Rotorkörper 51 vorgesehen sein.
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Alternativ kann der Anschlag durch ein oder mehrere zweite federelastische Rastelemente 16 ausgebildet sein. Die zweiten Rastelemente 16 können sich jeweils von einem entsprechenden zweiten Haltepunkt 17 stegförmig radial nach innen und tangential in Richtung der betreffenden Magnettasche 7 erstrecken (ins Innere der Magnettasche 7) und mit einer zweiten Rastnase 18 versehen sein, die in Richtung der Magnettasche 7 weist. Durch die zweiten Rastnasen 18 wird eine Anlagefläche für den eingesetzten Permanentmagneten 8 gebildet. Um eine federelastische Verformung der zweiten Rastelemente 16 zu ermöglichen, sind zwischen dem Rotorpolbereich 9 und den zweiten Rastelementen 16 jeweils zweite Bewegungsaufnahmespalte 19 vorgesehen.
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Zur Montage wird der Permanentmagnet 8 in radialer Richtung nach innen über eine entsprechende Öffnung der Magnettasche 7 an der Mantelfläche des Rotorkörpers 51 eingeschoben.
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In 3 ist eine Draufsicht auf eine Außenseite des Rotorkörpers 51 dargestellt. Der Rotorkörper 51 ist mit Hilfe von aufeinander in axialer Richtung A gestapelten Blechlamellen 20 aufgebaut. Da die ersten und zweiten Bewegungsaufnahmespalte 15, 19 dem Magnetfluss der Permanentmagneten 8 einen Widerstand entgegensetzen, ist es sinnvoll, die ersten bzw. zweiten Rastelemente 10 nicht über die gesamte axiale Länge des Rotorkörpers 51 vorzusehen. Daher wird vorgeschlagen, erste Rastelemente 10 in der Magnettasche 7 nur an einigen der Blechlamellen 20 vorzusehen und diese über die axiale Richtung gleichmäßig zu verteilen.
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Man erkennt den in der Magnettasche 7 aufgenommenen Permanentmagneten 8, der durch die ersten Rastnasen 13 der ersten Rastelemente 10 übergriffen wird. Die nicht mit Rastelementen 10 versehenen Seitenwände der Magnettasche 7 im Rotorkörper 51 weisen einen Abstand auf, der im Wesentlichen der Breite des einzusetzenden Permanentmagneten 8 entspricht. Zwischen den ersten Rastnasen 13 und den Rotorpolbereichen 9 befinden sich die nach außen hin offenen Bewegungsaufnahmespalte 15.
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Insbesondere sind auf gegenüberliegenden Seitenflächen der Magnettaschen 7 angeordnete erste Rastelemente 10 in axialer Richtung zueinander versetzt, d.h. an verschiedenen Blechlamellen 20 vorgesehen.
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Wie in 4 dargestellt, können auch nur an einer Seitenfläche 71 einer Magnettasche 7 erste und ggfs zweite Rastelemente 10, 16 vorgesehen sein, die den Permanentmagneten 8 an die plane den Rastelementen 10, 16 gegenüberliegende Seitenfläche der Magnettasche 7 drücken.
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5 zeigt eine der Blechlamellen 20 zum Aufbau eines der zuvor beschriebenen Rotorkörper 51. Die Blechlamelle 20 weist in Umfangsrichtung angeordnete Rotorpolabschnitte 21 auf, die die Rotorpolbereiche 9 mit planen Seitenflächen ausbilden. Einer oder mehrere bestimmte 22 der Rotorpolabschnitte 21 sind an einer seitlichen Kante mit einer Rastelementeanordnung 23 mit einem ersten 10 und ggfs. einem zweiten Rastelement 16 wie zuvor beschrieben versehen.
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Mit Hilfe einer so ausgebildeten Blechlamelle 20 können die Rotorköper 51 der Ausführungsformen der 2 und 4 ausgebildet werden, indem die Blechlamellen 20 gegeneinander um einen oder mehrere Rotorpolabschnitten 21 verdreht aufeinandergestapelt werden, so dass beim fertigen Rotorkörper 51 jede Magnettasche 7 mit mindestens einer Rastelementeanordnung 23 versehen ist.
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Durch Umklappen einzelner der Blechlamellen 20 in der Stapelanordnung, d.h. eine Drehung der Rotationsachse um 180°, können die Magnettaschen 7 auf ihrer jeweils anderen Seitenfläche ebenfalls mit der in axialer Richtung versetzten Rastelementeanordnung 23 versehen werden, so dass man die Ausführungsform der 2 und 3 erhält.
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In den Ausführungsformen, in denen die Rastelementeanordnungen 23 ein erstes und zweites Rastelement 10, 16 aufweisen, die radial nach außen bzw. innen gerichtet sind, können die jeweiligen Haltepunkte 11, 17 etwa mittig der Magnettasche 7 angeordnet sein. Alternativ können entsprechend der Querschnittsdarstellung der 6 die ersten und zweiten Rastelemente 10, 16 auf einander gegenüberliegenden Seitenflächen einer Magnettasche 7 angeordnet sein. Weiterhin können sich die radialen Längen des ersten und/oder des zweiten Rastelements 10, 16 nahezu über die gesamte radiale Länge der Magnettasche 7 erstrecken. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist für das zweite Rastelement 16 ein Haltepunkt 11 unmittelbar an der Mantelfläche des Rotorkörpers 51 vorgesehen.
