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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschinenkomponente eines Elektromotors. Außerdem betrifft die Erfindung einen Elektromotor umfassend eine derartige Maschinenkomponente. Der Elektromotor ist insbesondere für einen hochdrehenden Betrieb vorgesehen, was bedeutet, dass der Elektromotor für Drehzahlen oberhalb von 100.000 Umdrehungen pro Minute geeignet ist.
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Aus dem Stand der Technik sind Hochdrehzahlantriebe bekannt, die mit Drehzahlen oberhalb von 100.000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden. Hierbei ist zumeist ein Vollmagnet als Rotor vorgesehen, der zwischen zwei Wellenteile eingebracht ist. Zur Übertragung des Drehmoments und zur Kompensation von auftretenden Fliehkräften wird eine Hülse über Wellenstummel und Magnet gepresst, sodass eine Drehmomentübertragung kraftschlüssig erfolgt. Dies ist beispielsweise gezeigt in den Dokumenten
DE 10 2011 003 400 A1 ,
EP 2 863 521 A2 oder
CN 206250865 U .
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Offenbarung der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäße Maschinenkomponente ist insbesondere eine verlustfreie Drehmomentübertragung zwischen Magnet und Welle ermöglicht. Insbesondere ist ein Formschluss durch eine Verzahnung realisiert, so dass kein Drehmoment wie im Stand der Technik über eine zusätzliche Hülse übertragen werden muss. Auf diese Weise ist insbesondere ein Gesamtwirkungsgrad eines Elektromotors umfassend die erfindungsgemäße Maschinenkomponente verbessert.
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Die Maschinenkomponente eines Elektromotors umfasst einen Permanentmagneten und zumindest ein sich entlang einer Mittelachse erstreckendes Wellenelement. Der Permanentmagnet und das Wellenelement bilden insbesondere einen Rotor des Elektromotors. Der Permanentmagnet weist eine erste Verzahnung und das Wellenelement weist eine zweite Verzahnung auf. Dabei ist vorgesehen, dass die erste Verzahnung und die zweite Verzahnung zur Übertragung ineinander eingreifen. Insbesondere ist außerdem erreicht, dass durch die erste Verzahnung und die zweite Verzahnung der Permanentmagnet an dem Wellenelement montiert und/oder gehalten ist. Durch die erste Verzahnung und die zweite Verzahnung ist vorteilhafterweise ein Formschluss zwischen dem Wellenelement und dem Permanentmagneten gebildet. Dies bedeutet, dass insbesondere auch Drehmoment zwischen dem Wellenelement und dem Permanentmagneten formschlüssig übertragen werden kann. Eine Übertragung mittels einer zusätzlichen Hülse, wie im Stand der Technik vorgesehen, ist nicht notwendig. Diese kann durch eine elektrisch nicht leitfähige Kunstoffbandagierung mit geringerer Schichtdicke ersetzt werden. Somit ist insbesondere ein Drehmomentverlust durch in dieser Hülse auftretende Wirbelströme bei der erfindungsgemäßen Maschinenkomponente nicht vorhanden. Dadurch lässt sich ein Wirkungsgrad des die Maschinenkomponente umfassenden Elektromotors steigern. Zudem sinken durch die reduzierten Wirbelstromverluste im Rotor die dort auftretenden Temperaturen, was im Betrieb bei hohen Drehzahlen einen thermischen Vorteil bietet.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Permanentmagnet koaxial zu dem Wellenelement angeordnet ist. Insbesondere stellt der Permanentmagnet den magnetisch aktiven Teil des Rotors des Elektromotors dar. Das Wellenelement ist insbesondere ein Wellenstummel und ist als Verlängerung des Permanentmagneten vorgesehen. Somit lässt sich ein Drehmoment des Elektromotors aus dem Elektromotor heraus entnehmen und zum Antrieb weiterer Komponenten verwenden. Durch das koaxiale Ausbilden von Wellenelement und Permanentmagnet ist die Maschinenkomponente einfach und aufwandsarm herstellbar und ist gleichzeitig auf hohe Drehzahlen optimiert. Somit lässt sich die Maschinenkomponente in Elektromotoren mit hohen Drehzahlen verwenden. Hohe Drehzahlen sind insbesondere Drehzahlen oberhalb von 100.000 Umdrehungen pro Minute.
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Durch die koaxiale Ausbildung ist insbesondere vorgesehen, dass die Mittelachse des Wellenelements auch eine Mittelachse des Permanentmagneten darstellt. Besonders vorteilhaft sind zwei Wellenelemente vorgesehen, die beide koaxial zu dem Permanentmagneten angeordnet sind. Insbesondere ist der Permanentmagnet von zwei Wellenelementen gerahmt. Jedes Wellenelement ist dabei über eine Verzahnung mit dem Permanentmagneten zur Drehmomentübertragung gekoppelt.
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Die erste Verzahnung und die zweite Verzahnung greifen vorteilhafterweise bezüglich der Mittelachse axial ineinander ein. Die Richtungsangabe axial bezieht sich dabei auf die Mittelachse. Somit ist insbesondere ein kompaktes radiales Maß bezüglich der Mittelachse ermöglicht. Durch das axiale Ineinandergreifen der Verzahnungen ist eine radiale Abmessung beschränkt. Insbesondere werden keine zusätzlichen radialen Vorrichtungen benötigt, um eine Drehmomentübertragung zwischen dem Permanentmagneten und dem Wellenelement sicherzustellen. Außerdem kann durch das axiale Ineinandergreifen der ersten Verzahnung und der zweiten Verzahnung die zuvor genannte Koaxialität von Wellenelement und Permanentmagnet einfach und aufwandsarm erreicht werden.
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Der Permanentmagnet und/oder das Wellenelement sind vorteilhafterweise zylinderförmig ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Permanentmagnet und das Wellenelement zylinderförmig ausgebildet sind, wobei durch das Ineinandergreifen von erster Verzahnung und zweiter Verzahnung erneut ein zylinderförmiger Körper gebildet wird. Besonders vorteilhaft sind die erste und die zweite Verzahnung derart komplementär zueinander geformt, dass durch das Zusammensetzen von Permanentmagnet und Wellenelement ein Eingreifen der ersten Verzahnung in die zweite Verzahnung derart erfolgt, dass ein Vollzylindervolumen entsteht. Durch die Zylinderform insbesondere des Permanentmagneten ist sichergestellt, dass dieser in einer vorteilhaften Art und Weise als Rotor eines Elektromotors mit hohen Drehzahlen verwendet werden kann.
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Die erste Verzahnung ist bevorzugt an der Stirnseite des Permanentmagneten angebracht. Alternativ oder zusätzlich ist die zweite Verzahnung an einer Stirnseite des Wellenelements angeordnet. Insbesondere sind die erste Verzahnung und die zweite Verzahnung durch Ausnehmungen, ausgehend von der Stirnseite des Permanentmagneten oder des Wellenelements, realisiert. Die Ausnehmungen erstrecken sich somit ausgehend von der jeweiligen Stirnseite axial bezüglich der Mittelachse in das Wellenelement oder den Permanentmagneten hinein. Sind der Permanentmagnet und das Wellenelement gekoppelt und greift die erste Verzahnung in die zweite Verzahnung ein, so ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass durch die erste Verzahnung derjenige Bereich des Wellenelements, der zur Formung der zweiten Verzahnung ausgenommen ist, durch die erste Verzahnung gefüllt ist. Gleiches gilt für die ausgenommenen Bereiche des Permanentmagneten, die vorteilhafterweise durch die zweite Verzahnung gefüllt werden. Somit ist einerseits eine Drehmomentübertragung zwischen dem Permanentmagneten und dem Wellenelement einfach und aufwandsarm und gleichzeitig sicher und zuverlässig erreicht, während zusätzlich die Maschinenkomponente für Elektromotoren mit hohen Drehzahlen ausgelegt ist.
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Die zweite Verzahnung ist bevorzugt durch eine Bohrung entlang der Mittelachse und durch sich bezüglich der Mittelachse radial von der Bohrung weg erstreckende Ausnehmung innerhalb des Wellenelements gebildet. Die Ausnehmungen sind insbesondere von sämtlichen Stirnseite des Wellenelements beabstandet. Die erste Verzahnung umfasst vorteilhafterweise Gegenelemente, die in besagte Ausnehmungen eingreifen. Somit ist vorgesehen, dass sich die Gegenelemente vorteilhafterweise radial bezüglich der Mittelachse erstrecken. Durch das Eingreifen der Gegenelemente in die Ausnehmungen ist eine sichere und zuverlässige Befestigung von Maschinenkomponente und Permanentmagnet erreicht. In einer alternativen Ausgestaltung können die Bohrung und die Ausnehmungen auch an dem Permanentmagneten gebildet sein, während die Gegenelemente an dem Wellenelement gebildet sind.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Ausnehmungen zur Aufnahme von bezüglich der Mittelachse axial auf die Gegenelemente wirkenden Kräfte ausgebildet sind. Auf diese Weise ist ein Trennen von Permanentmagnet und Wellenelement verhindert. So ist insbesondere ein Auseinanderfallen von Permanentmagnet und Wellenelement vermieden. Besonders vorteilhaft sind die Ausnehmungen derart ausgebildet, dass diese einen vordefinierten Abstand von einer Stirnfläche des Wellenelements oder des Permanentmagneten aufweisen. An dieser Stirnfläche ist ein Anliegen der jeweils anderen Komponente, d.h. entweder des Wellenelements oder des Permanentmagneten, vorgesehen. Diese weitere Komponente liegt an besagter Stirnfläche oder einer weiteren Kontaktfläche an. Durch eine entsprechende Wahl des Abstands der Gegenelemente von der Anlagefläche lässt sich somit ein Aneinanderpressen von Permanentmagnet und Wellenelement erreichen. Somit ist einerseits eine Drehmomentübertragung durch das Ineinandergreifen von Gegenelementen und Ausnehmungen ermöglicht, andererseits ist eine sichere und zuverlässige Verbindung zwischen Permanentmagnet und Wellenelement realisiert. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Maschinenkomponente für Elektromotoren mit hohen Drehzahlen vorgesehen ist.
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Die erste Verzahnung und die zweite Verzahnung greifen vorteilhafterweise spielfrei ineinander. Dies ist wiederum für hohe Drehzahlen vorteilhaft. Durch das spielfreie Ineinandergreifen ist außerdem eine Lebensdauer der Maschinenkomponente verlängert, da insbesondere Schockbelastungen vermieden werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Hülse vorgesehen. Die Hülse umgibt bevorzugt sowohl den Permanentmagneten als auch das Wellenelement bezüglich der Mittelachse in Umfangsrichtung. Die Hülse dient vorteilhafterweise zum Aufnehmen von Fliehkräften, die insbesondere bei hohen Drehzahlen der Maschinenkomponente auftreten. Die Hülse ist besonders vorteilhaft aus einem Verbundwerkstoff gefertigt. Insbesondere ist die Hülse aus einem Kunststoffverbundwerkstoff, besonders vorteilhaft aus einem Kohlenstofffaserverbundwerkstoff hergestellt. Die Hülse muss im Gegensatz zum Stand der Technik keinerlei Drehmoment übertragen, da dies durch die erste Verzahnung und die Verzahnung erreicht wird. Somit kann die Hülse lediglich darauf ausgelegt werden, Fliehkräfte während des Betriebs der Maschinenkomponente aufzunehmen.
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Schließlich umfasst die Erfindung einen Elektromotor. Der Elektromotor umfasst eine Maschinenkomponente wie zuvor beschrieben. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Maschinenkomponente einen Rotor des Elektromotors darstellt. Der Elektromotor ist insbesondere mit hohen Drehzahlen betreibbar, wobei solche hohen Drehzahlen oberhalb von 100.000 Umdrehungen pro Minute liegen. Durch die Verwendung der zuvor beschriebenen Maschinenkomponente als Rotor ist der Elektromotor vorteilhaft für das Auftreten von hohen Drehzahlen geeignet.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine erste schematische Abbildung einer Maschinenkomponente gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine zweite schematische Abbildung der Maschinenkomponente gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine dritte schematische Abbildung der Maschinenkomponente gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine erste schematische Ansicht einer Maschinenkomponente gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 eine zweite schematische Ansicht der Maschinenkomponente gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 6 eine schematische Ansicht eines Teils der Maschinenkomponente gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, und
- 7 eine schematische Ansicht eines Elektromotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch eine Maschinenkomponente 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die 2 und 3 zeigen weitere Ansichten der Maschinenkomponente 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere zeigt 2 eine Explosionsdarstellung und die 3 zeigt räumliche Repräsentationen der einzelnen Elemente der Maschinenkomponente 1.
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Die Maschinenkomponente 1 umfasst einen Permanentmagneten 3 und ein Wellenelement 4. Das Wellenelement 4 erstreckt sich entlang einer Mittelachse 100. Der Permanentmagnet 3 ist bevorzugt koaxial zu dem Wellenelement 4 ausgebildet und erstreckt sich somit ebenfalls entlang der Mittelachse 100.
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Das Wellenelement 4 und der Permanentmagnet 3 sind zur Drehmomentübertragung verbunden. Hierzu weist der Permanentmagnet 3 eine erste Verzahnung 5 auf, während das Wellenelement 4 eine zweite Verzahnung 6 aufweist. Die erste Verzahnung 5 und die zweite Verzahnung 6 sind Verzahnungen, die in axialer Richtung ausgehend von einer Stirnfläche, in den Permanentmagneten 3 und in das Wellenelement 4 eingebracht wurden. Somit greifen die erste Verzahnung 5 und die zweite Verzahnung 6 bezüglich der Mittelachse 100 axial ineinander.
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Durch das Ineinandergreifen der ersten Verzahnung 5 und der zweiten Verzahnung 6 ist insbesondere ein Formschluss realisiert. Das Eingreifen erfolgt insbesondere spielfrei, so dass die erste Verzahnung 5 und die zweite Verzahnung 6 Drehmoment spielfrei übertragen können. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass sowohl der Permanentmagnet 3 als auch das Wellenelement 4 zylinderförmig ausgebildet sind. Sobald die erste Verzahnung 5 und die zweite Verzahnung 6 ineinandergreifen, ist eine neue Zylinderform gebildet, so dass die gesamte Maschinenkomponente 1 ebenfalls eine Zylinderform aufweist.
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Die Maschinenkomponente 1 dient vorteilhafterweise als Rotor eines Elektromotors 2 (vgl. 7). Insbesondere ist die Maschinenkomponente 1 für hohe Rotationsgeschwindigkeiten ausgelegt, insbesondere für Rotationsgeschwindigkeiten oberhalb von 100.000 Umdrehungen pro Minute. Der Permanentmagnet 4 dient dabei als magnetisch aktives Element des Rotors des Elektromotors 2. Durch die Drehmomentübertragung zwischen Wellenelement 4 und Permanentmagnet 3 über die erste Verzahnung 5 und die zweite Verzahnung 6 sind Verluste minimiert. Somit lässt sich ein hoher Wirkungsgrad des gesamten Elektromotors 2 erreichen, wenn die Maschinenkomponente 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel als Rotor verwendet wird.
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Durch die hohen Rotationsgeschwindigkeiten können Fliehkräfte auftreten, die durch eine Hülse 10 aufgenommen werden können. Die Hülse 10 ist vorteilhafterweise aus einem Kohlenstofffaserverbundwerkstoff hergestellt. Dadurch ergeben sich keine elektromagnetischen Verluste, da der Kohlenstofffaserverbundwerkstoff magnetisch nicht aktiv wird. Gleichzeit ist jedoch sichergestellt, dass Fliehkräfte durch die Hülse 10 aufgenommen werden können. Da eine Drehmomentübertragung zwischen Wellenelement 4 und Permanentmagnet 3 bereits über die erste Verzahnung 5 und die zweite Verzahnung 6 erfolgt, ist im Unterschied zum Stand der Technik eine Drehmomentübertragung über die Hülse 10 nicht notwendig.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel ist sowohl die erste Verzahnung 5 als auch die zweite Verzahnung 6 derart ausgebildet, dass Ausnehmungen parallel zu der Mittelachse 100 in den Permanentmagnet 3 und in das Wellenelement 4 eingebracht werden. Diese Ausnehmungen weisen komplementäre Formen auf, so dass ein Ineinandergreifen der so hergestellten ersten Verzahnung 5 und zweiten Verzahnung 6 ermöglicht ist.
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Um ein Zusammenfügen des Permanentmagneten 3 und des Wellenelements zu vereinfachen, weist der Permanentmagnet 3 außerdem ein sich um die Mittelachse 100 erstreckendes Kegelelement 14 auf. Dieses befindet sich somit bezüglich der Mittelachse 100 radial innerhalb der ersten Verzahnung 5. Das Wellenelement 4 weist ein komplementär zu dem Kegelelement 14 geformtes Aufnahmeelement 15 auf. Dadurch ist eine Selbstzentrierung beim Zusammenfügen von Wellenelement 4 und Permanentmagnet 3 gegeben. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können das Wellenelement 4, das Kegelelement 14 und der Permanentmagnet 3 das Aufnahmeelement 15 aufweisen.
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4 zeigt eine Maschinenkomponente 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich die Maschinenkomponente 1 von dem ersten Ausführungsbeispiel insbesondere in der Art der ersten Verzahnung 5 und der zweiten Verzahnung 6. Die 5 zeigt eine Explosionsdarstellung der Maschinenkomponente 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die 6 wiederum zeigt eine räumliche Repräsentation lediglich des Permanentmagneten 3 der Maschinenkomponente 1.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel weist der Permanentmagnet 3 eine Bohrung 7 auf, die parallel zu der Mittelachse 100 orientiert ist. Von der Bohrung 7 radial orientiert verlaufen Ausnehmungen 8. Die Ausnehmungen 8 erstrecken sich insbesondere bis zu einer Mantelfläche 12 des zylinderförmigen Permanentmagneten 3. Dabei ist vorgesehen, dass die Ausnehmungen 8 zu Stirnflächen 13 des Permanentmagneten 3 beabstandet sind.
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Das Wellenelement 4 umfasst eine Vielzahl von Gegenelementen 9, die komplementär zu den Ausnehmungen 8 des Permanentmagneten 3 ausgebildet sind. Somit stellen insbesondere die Bohrung 7 und die Ausnehmungen 8 die erste Verzahnung 5 dar, während die Gegenelemente 9 eine zweite Verzahnung 6 darstellen.
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Sind die Gegenelemente 9 in den Ausnehmungen 8 angeordnet, so ist einerseits eine Drehmomentübertragung zwischen Wellenelement 4 und Permanentmagnet 3 ermöglicht. Dies ist ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel vorteilhaft, da auf zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise eine drehmomentübertragende Hülse, verzichtet werden kann. Eine evtl. vorhandene Hülse 10 muss lediglich auftretende Fliehkräfte aufnehmen. Daher ist die Hülse 10 vorteilhafterweise wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet.
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Durch die Beabstandung der Ausnehmungen 8 von den Stirnfläche 13 des Permanentmagneten 3 ist ein Aufnehmen von axial wirkenden Kräften in den Ausnehmungen 8 ermöglicht. Dies bedeutet, dass das Wellenelement 4 fest mit dem Permanentmagneten 3 verbunden ist, da axiale Kräfte auf die Gegenelemente 9 nicht zu einem Lösen von Permanentmagnet 3 und Welle 4 führen können. Insbesondere greifen die Gegenelemente 9 spielfrei in die Ausnehmungen 8 ein, so dass einerseits eine Drehmomentübertragung zwischen Wellenelement 4 und Permanentmagnet 3 spielfrei erfolgt, andererseits der Permanentmagnet 3 relativ zu dem Wellenelement 4 nicht beweglich ist. Somit ist die Maschinenkomponente 1 wiederum vorteilhaft für die Verwendung bei hohen Drehzahlen ausgelegt.
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7 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Elektromotor 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Elektromotor 2 umfasst eine Maschinenkomponente 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung oder dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Außerdem umfasst der Elektromotor 2 einen Stator 11. Durch den Stator 11 ist die als Rotor fungierende Maschinenkomponente 1 antreibbar. Durch die Ausgestaltung der Maschinenkomponente 1 als Zylinder und durch die Drehmomentübertragung zwischen Permanentmagnet 3 und Wellenelement 4 über die erste Verzahnung 5 und die zweite Verzahnung 6 eignet sich der Elektromotor 2 optimal für hohe Drehzahlen. Somit handelt es sich bei dem Elektromotor 2 besonders vorteilhaft um einen Hochdrehzahlantrieb, bei dem Rotationsgeschwindigkeiten des Rotors oberhalb von 100.000 Umdrehungen pro Minute auftreten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011003400 A1 [0002]
- EP 2863521 A2 [0002]
- CN 206250865 U [0002]
