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Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor einer Klauenpolmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Bekannt sind Klauenpolmaschinen, deren Rotor eine Welle mit einem Polkern, ineinander greifenden Klauen und einer auf den Polkern gewickelten Spule aufweist, die von den Klauen begrenzt ist. Die elektromagnetische Erregung erfolgt über Schleifringe auf der Rotorwelle, die mit der Spule auf dem Polkern elektrisch verbunden sind.
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Darüber hinaus ist es bekannt, auf die Außenseite der Klauen mehrere parallel verlaufende Rillen einzubringen, wodurch die Klauenoberfläche zur Verbesserung der Kühlung vergrößert wird und außerdem die Rotoreisenverluste durch Unterbrechung des Strompfades reduziert werden. Ein entsprechender Rotor einer Klauenpolmaschine wird beispielsweise in der
JP 8-149762 A beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Rotor einer Klauenpolmaschine weist in an sich bekannter Weise mehrere ineinander greifende Klauen auf, die Nord-Süd-Pole bilden und insbesondere eine elektrisch erregbare Spule umgreifen, welche üblicherweise auf einen Polkern gewickelt ist, der auf eine Rotorwelle des Rotors aufgesetzt ist. Die Klauen weisen auf ihrer Außenseite mehrere parallel verlaufende, nutförmige Rillen auf, die sich vorzugsweise in einem rechten Winkel zu der Klauenlängsachse erstrecken. Die Rillen befinden sich insbesondere in einem axialen Bereich, der von dem Stator der Klauenpolmaschine abgedeckt wird. Mithilfe der Rillen wird zum einen die Klauenoberfläche vergrößert, wodurch die Rotorkühlung signifikant verbessert wird. Zum andern reduzieren die Rillen die Rotoreisenverluste durch Unterbrechung des Strompfades der Wirbelströme.
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Die Rillen auf der Außenseite der Klauen weisen ein definiertes Breiten-Tiefen-Verhältnis zueinander auf. Das Verhältnis von Rillenbreite zur Rillentiefe sämtlicher Rillen auf einer Klaue liegt in einem Größenbereich zwischen 0.07 und 0.5. Die Breite der Rille bezieht sich auf die Dimension der Rille in quer zu ihrer Längserstreckung und damit in Achsrichtung der Klauenpolmaschine, die Tiefe auf die Erstreckung zwischen dem Grund der nutförmigen Rille und der Außenfläche auf der Klaue, gemessen in Radialrichtung zur Klauenlängsachse.
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Dieses Breiten-Tiefen-Verhältnis gilt vorzugsweise für die Rillen auf allen Klauen des Rotors, wobei sowohl von Klaue zu Klaue als auch innerhalb einer Klaue von Rille zu Rille unterschiedliche Breiten-Tiefen-Verhältnisse der Rillen möglich sind, jedoch der Größenbereich des Breiten-Tiefen-Verhältnisses von 0.07 bis 0.5 nicht unter- oder überschritten wird. Dieses Breiten-Tiefen-Verhältnis von Rillenbreite zu Rillentiefe stellt eine optimierte Rillengeometrie dar, mit der die elektrische Leistung der Klauenpolmaschine durch das Einbringen der Rillen nicht oder nur geringfügig gemindert wird. Es können somit die Vorteile der größeren Kühlungsoberfläche und der Reduzierung der Rotoreisenverluste realisiert werden, ohne dass diese mit einer relevanten elektrischen Leistungsminderung einhergeht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung weisen mindestens zwei Rillen, die auf der Außenseite der gleichen Klaue angeordnet sind, ein unterschiedliches Breiten-Tiefen-Verhältnis auf. Vorteilhafterweise besitzen sämtliche Rillen auf der gleichen Klaue ein unterschiedliches Breiten-Tiefen-Verhältnis, beispielsweise indem sämtliche Rillen zwar die gleiche Breite aufweisen, jedoch eine sich unterscheidende Tiefe. Des Weiteren ist es auch möglich, zusätzlich oder alternativ die Breite der Rille zu variieren. In jedem Fall liegt das Breiten-Tiefen-Verhältnis in dem Größenbereich zwischen 0.07 und 0.5.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weisen mehrere Rillen auf einer Klaue, gegebenenfalls sämtliche Rillen auf einer Klaue ein identisches Breiten-Tiefen-Verhältnis auf und sind insbesondere mit einer identischen Breite und einer identischen Tiefe versehen. Möglich ist es aber auch, bei identischem Breiten-Tiefen-Verhältnis mehrere oder sämtliche Rillen auf einer Klaue unterschiedliche Breiten und Tiefen der Rillen vorzusehen.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung, die sich auf Rillen auf einer Klaue mit unterschiedlichem Breiten-Tiefen-Verhältnis bezieht, nimmt das Breiten-Tiefen-Verhältnis der Rillen zur Klauenspitze hin zu. Die Klauen weisen vorteilhafterweise in Draufsicht eine trapezförmige Geometrie auf, die sich zur Spitze hin, welche die freie Stirnseite der Klaue bildet, verjüngt. Indem das Breiten-Tiefen-Verhältnis zur Klauenspitze hin zunimmt, nimmt entsprechend die Tiefe der Rillen zur Klauenspitze hin ab und/oder die Breite der Rillen zur Klauenspitze hin zu. Vorteilhafterweise bleibt die Rillenbreite sämtlicher Rillen einer Klaue konstant. Bei einem sich ändernden Breiten-Tiefen-Verhältnis wird somit die Tiefe der Rillen variiert. Es ist es zweckmäßig, dass zur Klauenspitze hin die Tiefe der Rillen abnimmt, wodurch Einschränkungen bei der Stabilität der Klauen vermieden werden. Über unterschiedliche tiefe Rillen können außerdem die Rotoreisenverluste reduziert werden, insbesondere durch eine größere Tiefe der Rillen in dem breiteren, der Klauenspitze abgewandten Abschnitt der Klauen.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung weisen benachbarte Rillen auf einer Klaue ein Verhältnis von Rillenbreite zum Abstand zwischen benachbarten Rillen auf, das in einem Bereich zwischen 0.035 und 0.2 liegt. Dieses Breiten-Abstands-Verhältnis von Rillenbreite zum Rillenabstand benachbarter Rillen vergrößert ebenfalls die Klauenoberfläche für eine verbesserte Kühlung und reduziert die Rotoreisenverluste, ohne die elektrische Leistung in signifikanter Weise zu mindern. Der Abstand zwischen benachbarten Rillen wird hierbei vorteilhafterweise von einer Rillenseitenwand eine ersten Rille zur abgewandten Seitenwand der benachbarten Rille gemessen, also beispielsweise von der rechten Seitenwand der ersten Rille zur rechten Seitenwand der zweiten, unmittelbar benachbarten Rille. Das genannte Breiten-Abstands-Verhältnis von 0.035 bis 0.2 benachbarter Rillen kann mit dem vorbeschriebenen Breiten-Tiefen-Verhältnis der Rillen kombiniert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung weisen mindestens drei Rillen, die auf der Außenseite der gleichen Klaue angeordnet sind, ein unterschiedliches Breiten-Abstands-Verhältnis auf. Vorteilhafterweise besitzen sämtliche Rillen auf der gleichen Klaue ein unterschiedliches Breiten-Tiefen-Verhältnis, beispielsweise indem sämtliche Rillen zwar die gleiche Breite aufweisen, jedoch sich der Abstand von Rille zu Rille ändert. Es ist zum Beispiel ein von Rille zu Rille sich kontinuierlich ändernder Abstand möglich.
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Des Weiteren ist es auch möglich, zusätzlich oder alternativ die Breite der Rille zu variieren. In jedem Fall liegt das Breiten-Abstands-Verhältnis in dem Größenbereich zwischen 0.035 und 0.2.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weisen mehrere Rillen auf einer Klaue, gegebenenfalls sämtliche Rillen auf einer Klaue ein identisches Breiten-Abstands-Verhältnis auf und sind insbesondere mehrere oder alle Rillen mit einer identischen Breite und einem identischen Abstand zueinander versehen. Möglich ist es aber auch, bei identischem Breiten-Abstands-Verhältnis mehrere oder sämtliche Rillen auf einer Klaue unterschiedliche Breiten und unterschiedlichem Abstand der Rillen vorzusehen.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung, die sich auf Rillen auf einer Klaue mit unterschiedlichem Breiten-Abstands-Verhältnis bezieht, nimmt das Breiten-Abstands-Verhältnis der Rillen zur Klauenspitze hin ab. Die Klauen weisen vorteilhafterweise in Draufsicht eine trapezförmige Geometrie auf, die sich zur Spitze hin, welche die freie Stirnseite der Klaue bildet, verjüngt. Indem das Breiten- Abstands-Verhältnis zur Klauenspitze hin abnimmt, nimmt entsprechend der Abstand zwischen benachbarten Rillen zur Klauenspitze hin zu und/oder die Breite der Rillen zur Klauenspitze hin ab. Vorteilhafterweise bleibt die Rillenbreite sämtlicher Rillen einer Klaue konstant. Bei einem sich ändernden Breiten- Abstands-Verhältnis wird somit der Abstand zwischen benachbarten Rillen variiert.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung sind die verschiedenen Klauen in gleicher Weise mit Rillen versehen. Klauen, die in die gleiche Richtung weisen, besitzen ein gleiches Rillenmuster. Entgegengesetzt gerichtete, ineinander greifende Klauen sind dementsprechend mit einem spiegelsymmetrischen Rillenmuster versehen.
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Die Rillen auf der Außenseite der Klauen erstrecken sich vorteilhafterweise über die gesamte oder zumindest annähernd die gesamte Breite der Klauen.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung sind die Rillen als Nuten ausgebildet, die gegebenenfalls nachträglich in die Klauenaußenseite eingebracht werden. Die Rillen können unterschiedliche Querschnittsformen einnehmen, beispielsweise U-förmige oder V-förmige Querschnittsformen. Vorteilhafterweise besitzen alle Rillen die gleiche Querschnittsform.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 in perspektivischer Darstellung einen Rotor einer Klauenpolmaschine, wobei auf der Außenseite der Klauen parallel verlaufende Rillen angeordnet sind,
- 2 in schematischer Darstellung eine Klaue des Rotors mit eingebrachten Rillen,
- 3 einen Schnitt durch eine Klaue mit den darin eingebrachten Rillen,
- 4 einen Schnitt durch eine Klaue mit Rillen, deren Tiefe sich zur Klauenspitze hin verringert,
- 5 einen Schnitt durch eine Klaue mit Rillen, deren Tiefe sich zur Klauenspitze hin vergrößert,
- 6 ein Ausschnitt eines Rotors einer Klauenpolmaschine, wobei in die Klauen Rillen eingebracht sind, deren Abstand zueinander sich zur Klauenspitze hin vergrößert,
- 7 ein Schaubild mit dem Verlauf der Wirbelströme und der Rotoreisenverluste in Abhängigkeit von der Rillenbreite,
- 8 ein Schaubild mit dem Verlauf der Wirbelströme und der Rotoreisenverluste in Abhängigkeit von dem Abstand benachbarter Rillen,
- 9 ein Schaubild mit dem Verlauf der Wirbelströme und der Rotoreisenverluste in Abhängigkeit von der Rillentiefe.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein elektrisch erregbarer Rotor 1 einer Klauenpolmaschine dargestellt, der eine Rotorwelle und auf der Rotorwelle über den Umfang verteilt mehrere abwechselnd gegenläufig gerichtete Klauen 2 aufweist, welche eine Erregerspule des Rotors umschließen. Die Rotorlängsachse des Rotors ist mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet. Zwischen benachbarten Klauen 2 sind Permanentmagnete 4 im Rotor 1 angeordnet, die zur Leistungssteigerung durch Streuflusskompensation der elektrischen Maschine dienen.
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Wie 1 in Verbindung mit 2 zu entnehmen, weisen die Klauen 2 in Draufsicht eine trapezförmige, annähernd dreieckförmige Geometrie auf, wobei die freie Stirnseite der Klaue 2 die verjüngte Klauenspitze 2a bildet. Auf der Außenseite der Klaue 2 sind Rillen 5 eingebracht, die sich senkrecht zur Klauenlängsachse 6 erstrecken. Die Klauenlängsachse 6 verläuft unter einem kleinen Winkel zur Rotorlängsachse 3, wobei der Winkel vorzugsweise weniger als 30° beträgt. Die Rillen 5 sind in Form von Vertiefungen bzw. Nuten in die Außenseite der Klauen 2 eingebracht. Die Rillen 5 können sich gegebenenfalls über die gesamte Breite der Klaue 2 erstrecken. In Längsrichtung - bezogen auf die Rotorlängsachse 3 bzw. die Klauenlängsachse 6 - befinden sich die Rillen 5 entlang eines Abschnittes auf der Außenseite der Klaue 2, der von dem Stator überdeckt wird. Hierbei handelt es sich um einen Bereich auf der Klaue 2, der mit Abstand sowohl zur Klauenspitze 2a als auch zur gegenüberliegenden Klauenseite mit maximaler Breite angeordnet ist.
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Die Rillen 5 sind bevorzugt auf allen Klauen 2 in gleicher Weise angeordnet. Ineinander greifende Klauen, die sich von gegenüberliegenden Seiten ausgehend in die Zwischenräume hinein erstrecken, sind im Hinblick auf die Rillen 5 spiegelsymmetrisch ausgebildet.
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In 3 ist ein Längsschnitt durch eine Klaue 2 dargestellt. Die Breite der Rillen 5 ist mit w, die Tiefe der Rillen 5 mit t bezeichnet. Der Abstand a zwischen zwei benachbarten Rillen 5 bezieht sich auf die Distanz zwischen gleichen Seitenwänden der benachbarten Rillen, beispielsweise in der Darstellung gemäß 3 die Distanz zwischen den rechten Seitenwänden benachbarter Rillen 5.
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Die Rillen 5 sind als Nuten ausgebildet, die in die Außenseite der Klauen 2 eingebracht sind. Sämtliche Rillen 5 auf einer Klaue 2 liegen parallel zueinander und verlaufen orthogonal zur Klauenlängsachse. Die Rillen 5 weisen im Ausführungsbeispiel eine U-förmige Querschnittsform auf, wobei auch sonstige Querschnittsformen, beispielsweise V-förmige Querschnittsformen in Betracht kommen. Vorteilhafterweise besitzen alle Rillen 5 die gleiche Querschnittsform.
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Die Rillen
5 auf den Klauen
2 unterliegen einem definierten Verhältnis ihrer Breite w zu ihrer Tiefe t:
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Dieses Breiten-Tiefen-Verhältnis w/t gilt für sämtliche Rillen 5 auf allen Klauen 2 des Rotors 1. Es ist jedoch möglich, dass sich das Breiten-Tiefen-Verhältnis zwischen verschiedenen Rillen 5 auf einer gemeinsamen Klaue 2 unterscheidet, solange der genannte Bereich für das Breiten-Tiefen-Verhältnis w/t nicht unter- oder überschritten wird. Des Weiteren ist es auch möglich, dass, wie in 3 dargestellt, sämtliche Rillen 5 auf einer Klaue 2 das gleiche Breiten-Tiefen-Verhältnis w/t aufweisen, insbesondere jeweils die gleiche Breite w und jeweils die gleiche Tiefe t besitzen. Darüber hinaus ist es möglich, ein gleiches Breiten-Tiefen-Verhältnis w/t zwischen verschiedenen Rillen 5 dadurch zu erreichen, dass die Breite w und die Tiefe t jeweils proportional ansteigen oder abfallen.
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In den 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele für ein sich änderndes Breiten-Tiefen-Verhältnis w/t zwischen den verschiedenen Rillen 5 auf einer Klaue 2 dargestellt. Gemäß 4 weisen die Rillen 5 auf der Klaue 2 die gleiche Breite w auf, sie unterscheiden sich aber in ihrer Tiefe t, die zur Klauenspitze 2a hin abnimmt, so dass das Breiten-Tiefen-Verhältnis w/t zur Klauenspitze hin zunimmt. Dementsprechend besitzt die Rille 5 in dem der Klauenspitze 2a gegenüberliegenden Bereich die größte Tiefe t. Die Rotoreisenverluste durch Wirbelströme in diesem Bereich können durch die größere Tiefe t wirksam reduziert werden.
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In 5 ist eine Ausführungsvariante einer Klaue 2 mit Rillen dargestellt, deren Breiten-Tiefen-Verhältnis w/t sich von einer Rille zur nächsten Rille ändert. Bei 4 nimmt die Rillentiefe t zur Klauenspitze 2a hin kontinuierlich ab, wohingegen bei 5 die Rillentiefe t zur Klauenspitze 2a hin kontinuierlich zunimmt, so dass bei 5 entsprechend das Breiten-Tiefen-Verhältnis w/t der Rillen 5 zur Klauenspitze 2a hin abnimmt.
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In 6 ist eine weitere Ausführungsvariante eines Rotors 1 einer Klauenpolmaschine dargestellt, der grundsätzlich in gleicher Weise wie der Rotor gemäß 1 aufgebaut ist und ineinander greifende Klauen 2 aufweist, die jeweils mit einer Mehrzahl von parallel verlaufenden Rillen 5 an der Klauenaußenseite versehen sind. Die Rillen 5 besitzen ein definiertes Breiten-Abstands-Verhältnis w/a von Rillenbreite b zum Abstand a zwischen unmittelbar benachbarten Rillen 5, wobei die Breite b und der Abstand a wie in 3 gezeigt definiert sind.
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Das Breiten-Abstands-Verhältnis w/a liegt in einem Größenbereich zwischen 0.035 und 0.2:
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Dieses Breiten-Abstands-Verhältnis w/a ermöglicht ebenfalls eine Reduktion der Rotoreisenverluste und vergrößert die Kühlungsoberfläche, ohne dass dies mit einer signifikanten Reduzierung der elektrischen Leistung einhergeht.
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Wie in 6 dargestellt, vergrößert sich der Abstand a von Rille zu Rille in Richtung zur Klauenspitze 2a. Bei vorteilhafterweise gleichbleibender Rillenbreite w nimmt dementsprechend das Breiten-Abstands-Verhältnis w/a der Rillen zur Klauenspitze 2a hin ab. Es ist insbesondere zweckmäßig, dass die Rillen 5 auf sämtlichen Klauen 2 das gleiche Breiten-Abstands-Verhältnis w/a auf der Klauenaußenseite aufweisen. Dementsprechend sind die Klauen identisch aufgebaut bzw. sind die ineinander greifenden Klauen mit spiegelsymmetrischen Rillen 5 versehen.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 6 weisen alle benachbarten Rillen 5 auf einer Klaue 2 ein sich unterscheidendes Breiten-Abstands-Verhältnis w/a auf. Dieses kann in Richtung zur Klauenspitze 2a hin kontinuierlich abnehmen. Die Rillenbreite w ist bevorzugt konstant, wohingegen der Abstand a zwischen den Rillen 5 zur Klauenspitze hin kontinuierlich zunimmt.
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In Betracht kommt aber auch ein konstantes Breiten-Abstands-Verhältnis entweder zwischen einem Teil der Rillen 5 auf einer Klaue 2 oder zwischen sämtlichen Rillen 5 auf einer Klaue 2. Sowohl bei einem sich ändernden Breiten-Abstands-Verhältnis als auch bei gleichbleibendem Breiten-Abstands-Verhältnis liegt dieses in dem vorgenannten Bereich zwischen 0.035 und 0.2.
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In den 7 und 8 sind Schaubilder mit dem Verlauf der Wirbelströme 7 und der Rotoreisenverluste 8 in Abhängigkeit von der Rillenbreite w bzw. von dem Abstand a benachbarter Rillen dargestellt. Die Verluste durch Wirbelströme 7 nehmen sowohl mit zunehmender Rillenbreite w als auch mit zunehmenden Abstand a zwischen benachbarten Rillen ab, ebenso nehmen die Rotoreisenverluste 8 tendenziell mit zunehmender Rillenbreite w und zunehmendem Abstand a zwischen benachbarten Rillen ab. In Bezug auf die Rillenbreite w gibt es einen bevorzugten Rillenbreitenbereich wp, innerhalb dem die Wirbelströme 7 und Rotoreisenverluste 8 bezogen auf einen niedrigeren Ausgangsbereich bereits signifikant abgesunken sind. Analog gibt es in 8 einen bevorzugten Abstandsbereich ap zwischen benachbarten Rillen, innerhalb dem die Verluste durch Wirbelströme 7 und die Rotoreisenverluste 8 gegenüber einem Anfangsbereich signifikant abgesunken sind. Aus dem Verhältnis des bevorzugten Rillenbreitenbereichs wp zum bevorzugten Abstandsbereich ap zwischen benachbarten Rillen ergibt sich das vorbeschriebene Breiten-Abstands-Verhältnis w/a.
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9 zeigt ein Schaubild mit dem Verlauf der Wirbelströme 7 und der Rotoreisenverluste 8 in Abhängigkeit von der Rillentiefe t. Die Die Verluste durch Wirbelströme 7 und die Rotoreisenverluste 8 nehmen mit zunehmender Rillentiefe t ab. Es gibt einen bevorzugten Rillentiefenbereich tp, innerhalb dem die Wirbelströme 7 und Rotoreisenverluste 8 bezogen auf einen niedrigeren Ausgangsbereich signifikant reduziert sind. Aus dem Verhältnis des bevorzugten Rillenbreitenbereichs wp (7) zum bevorzugten Rillentiefenbereich tp ergibt sich das vorbeschriebene Breiten-Tiefen-Verhältnis w/t.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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