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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halteelement. Das Halteelement ist zum Einsetzen in eine Pollücke eines Rotors eines Elektromotors ausgebildet. Außerdem betrifft die Erfindung einen Rotor, umfassend ein derartiges Halteelement, wobei mit dem Halteelement insbesondere Wicklungen des Rotors haltbar sind. Schließlich betrifft die Erfindung einen Elektromotor, umfassend einen derartigen Rotor.
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Aus dem Stand der Technik sind Elektromotoren, insbesondere elektrisch erregte Synchronmaschinen bekannt. Solche Elektromotoren werden beispielsweise als Antrieb in Elektrofahrzeugen verwendet. Der prinzipielle Aufbau eines Rotors einer elektrisch erregten Synchronmaschine umfasst dabei Wicklungen, die zur elektrischen Erregung des Elektromotors vorgesehen sind. Der magnetisch flussleitende Teil des Rotors wird üblicherweise aus einzelnen übereinandergestapelten Blechpaketen zusammengesetzt. Während des Paketierens der Einzelbleche wird eine elektrisch leitfähige Verbindung der Einzelbleche untereinander vermieden, sodass Wirbelströme reduziert werden können. Auf diese Weise lassen sich Rotorverluste senken und Wirkungsgrade erhöhen.
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Des Weiteren ist bekannt, dass zur Fixierung der Wicklung rotorseitig Haltebleche in die Pollücken eingebracht werden. Solche Haltebleche sind beispielsweise aus der
CN 107979203 A bekannt.
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Bekannte Haltebleche stützen sich radial an Polschuhen ab und sichern die Rotorwicklungen vor Herausfallen durch Fliehkräfte. Aufgrund von Anforderungen an eine Festigkeit des Halteblechs besteht das Halteblech zumeist aus metallischen und damit elektrisch leitfähigen Werkstoffen. Somit besteht die Möglichkeit, dass zwischen dem Rotorblechpaket und dem Halteblech eine elektrische Verbindung vorhanden ist. Durch einen solchen direkten elektrischen Kontakt wiederum besteht die Gefahr einer elektrischen Kontaktierung der einzelnen Bleche des Rotorblechpakets.
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Aufgrund eines solchen elektrischen Kontakts können Wirbelströme entstehen, sodass Verluste innerhalb des Rotors vorhanden sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Durch die vorliegende Erfindung ist ermöglicht, Wirbelstromverluste aufgrund von Nutungsoberwellen oder harmonischen oder ähnlichen Effekten zu verreduzieren. Außerdem kann dadurch ein Wärmeeintrag in das Halteblech und das Rotorblech im Paket insgesamt reduziert werden. Dabei ist keine isolierende Beschichtung des Halteelements notwendig. Vielmehr erfolgt die Reduktion oder vollständige Vermeidung von Wirbelströmen durch einen entsprechenden Aufbau des Halteelements. Das Halteelement ist dabei weiterhin einfach und aufwandsarm herstellbar.
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Die Erfindung einen Rotor eines Elektromotors. Der Rotor umfasst eine Vielzahl von Rotorpolen und zwischen den Rotorpolen vorgesehene Pollücken. In den Pollücken sind jeweils Leiterelemente einer elektrischen Wicklung angebracht. Bei der Wicklung handelt es sich insbesondere um zumindest eine Erregerwicklung einer elektrisch erregten Synchronmaschine. Es ist vorgesehen, dass in den Pollücken jeweils ein Halteelement eingesetzt ist. Das Halteelement dient zum Halten der Leiterelemente der Wicklung, insbesondere zum Verhindern eines Herausfallens der Leiterelemente der Wicklung aufgrund von Fliehkräften. Somit sind einerseits die Leiterelemente der Wicklung gesichert, andererseits ist aufgrund der spezifischen Form des Halteelements sichergestellt, dass das Auftreten von Wirbelströmen aufgrund verminderter elektrischer Kontaktierung der Einzelbleche vermindert ist.
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Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass das Halteelement eine erste Randseite sowie eine zweite Randseite aufweist, wobei das Halteelement an der ersten Randseite und an der zweiten Randseite zum Abstützen an dem Rotor ausgebildet ist. Es ist weiterhin vorgesehen, dass sowohl an der ersten Randseite als auch an der zweiten Randseite mehrere Vorsprünge ausgebildet sind. Somit liegt das Halteelement bevorzugt sowohl an der ersten Randseite als auch an der zweiten Randseite lediglich abschnittsweise an dem Rotor an. Die Vorsprünge sind entlang der Axialrichtung des Rotors, d.h. entlang einer Richtung der Rotorachse, abwechselnd an der ersten Randseite und an der zweiten Randseite angeordnet. Dadurch sind die Vorsprünge abwechselnd an einer der beiden Randseiten angeordnet. Somit weist das Halteelement entlang der Axialrichtung Abschnitte auf, auf deren Höhe an der ersten Randseite keine Vorsprünge vorhanden sind, während an der zweiten Randseite Vorsprünge vorhanden sind und umgekehrt. Auf diese Weise ist insbesondere vorgesehen, dass auf der ersten Randseite Einzelbleche eines Rotorblechpakets kontaktiert werden, die an der zweiten Randseite nicht kontaktiert werden. Da ein Wirbelstrompfad zwei kontaktierende Halteelemente benötigt, die beidseitig eines Pols angeordnet sind und dieselben Einzelbleche des Rotorblechpakets elektrisch kontaktieren müssen, kann durch eine derartige Anordnung der Halteelemente das Entstehen von Wirbelstrompfaden unterbunden werden. Somit ist das Auftreten von Wirbelströmen reduziert. Dadurch ist erreicht, dass Rotorverluste gesenkt werden. Das Halteelement ermöglicht somit ein Erhöhen eines Wirkungsgrads eines Elektromotors, wenn das Halteelement in dem Rotor des Elektromotors verwendet wird.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass einzelne, insbesondere alle, Vorsprünge der ersten Randseite gegenüber jeweils einem oder beiden der benachbarten Vorsprünge der zweiten Randseite in Axialrichtung bezüglich der Rotorachse einen Versatz aufweisen. Dieser Versatz ist insbesondere ein Abstand zwischen den Mittelachsen gegenüberliegender Vorsprünge und/oder entlang der Axialrichtung benachbarte Vorsprünge auf gegenüberliegenden Seiten. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Vorsprünge überlappungsfrei oder teilweise überlappend angeordnet sind. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass zwischen einer Mitte eines Vorsprungs auf der ersten Randseite und einer Mitte eines bezüglich der Axialrichtung benachbarten Vorsprungs auf der zweiten Randseite ein entlang der Axialrichtung gemessener Abstand verbleibt. Die Mitte eines jeden Vorsprungs fällt bevorzugt mit einer maximalen Erhebung des Vorsprungs zusammen. Besonders bevorzugt bedeutet überlappungsfrei, dass kein Abschnitt entlang der Axialrichtung vorhanden ist, an dem sowohl auf der ersten Randseite als auch auf der zweiten Randseite ein Vorsprung vorhanden ist. Dahingegen können solche Abschnitte entlang der Axialrichtung vorhanden sein, auf deren Höhe sowohl an der ersten Randseite als auch an der zweiten Randseite kein Vorsprung vorhanden ist. Somit liegt das Halteelement vorteilhafterweise auf der ersten Randseite und auf der zweiten Randseite stets an unterschiedlichen Einzelblechen des Rotorblechpakets an. Das Auftreten von Wirbelströmen ist dabei insbesondere verringert. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen auf erster Randseite und zweiter Randseite beträgt vorteilhafterweise zumindest denselben Wert wie die Dicke der Einzelbleche des Rotorblechpakets.
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Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Vorsprung auf der ersten Randseite und ein bezüglich der Axialrichtung benachbarter Vorsprung auf der zweiten Randseite entlang der Axialrichtung überlappend ausgebildet sind. Somit sind, im Gegensatz zum vorherigen Ausführungsbeispiel, keine Abschnitte entlang der Axialrichtung vorhanden, auf deren Höhe sowohl auf der ersten Randseite als auch auf der zweiten Randseite keine Vorsprünge vorgesehen sind. Vielmehr ist an jeder Stelle entlang der Axialrichtung zumindest auf einer der beiden Randseiten ein Vorsprung vorhanden. Da die Vorsprünge pro Randseite jedoch wiederholend ausgebildet sind, ist pro Randseite auch ein Bereich vorhanden, an dem keine Vorsprünge vorhanden sind. Dies bedeutet, dass weiterhin die Bedingung erfüllt ist, dass solche Abschnitte entlang der Axialrichtung vorhanden sind, an dem lediglich auf einer der beiden Randseiten ein Vorsprung vorhanden ist. Dadurch wird weiterhin erreicht, dass die Wirbelströme aufgrund verminderter Kontaktierung der Einzelbleche vermindert sind. Durch die Wahl des Überlappungsgrads der benachbarten Vorsprünge auf der ersten Randseite und der zweiten Randseite lässt sich das Halteelement an gegebene Rahmenbedingungen anpassen.
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Die Vorsprünge weisen vorteilhafterweise eine Halbkreisform und/oder eine Ellipsenform und/oder eine Dreieckform und/oder eine Rechteckform auf. Durch alle diese Formen ist sichergestellt, dass ein elektrischer Kontakt zwischen Halteelement und Rotorblechpaket nur abschnittsweise entstehen kann und insbesondere nicht über die gesamte erste Randseite und/oder über die gesamte zweite Randseite vorhanden ist. Dadurch ist erreicht, dass der Wirkungsgrad eines Rotors, in dem ein derartiges Halteelement eingesetzt ist, aufgrund verminderter Wirbelströme verbessert ist.
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Bei dem Halteelement handelt es sich besonders vorteilhaft um ein Halteblech. Das Halteblech kann bevorzugt eine Verkleidung aufweisen. Besonders vorteilhaft ist das Halteblech derart ausgebildet, dass mittels des Halteblechs Wicklungen des Rotors, in den das Halteblech einsetzbar ist, an einem Herausfallen, beispielsweise aufgrund von Fliehkräften, gehindert werden.
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Der Rotor ist insbesondere derart ausgebildet, dass jeweils ein Polschuh einen radial äußeren Abschluss der Rotorzähne bildet. Das Halteelement liegt über die Vorsprünge an den Rotorpolen, insbesondere an den Polschuhen, an. Insbesondere stützt sich jedes Halteelement über seine Vorsprünge an zwei benachbarten Rotorpolen, insbesondere Polschuhen, des Rotors ab. Dies bedeutet, dass grundsätzlich eine elektrische Verbindung zwischen den beiden benachbarten Rotorpolen, insbesondere Polschuhen, durch das Halteelement erzeugt wird. Um einen Wirbelstromkreis zu bilden, müsste allerdings eine elektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten Halteelementen durch den Rotorpol, insbesondere Polschuh, hindurch etabliert werden. Weisen jedoch alle Halteelemente die Merkmale wie zuvor beschrieben auf, und sind insbesondere identisch ausgebildet, so ist ein Ausbilden solcher Wirbelstrompfade jedoch nicht möglich oder zumindest erschwert. Dies wird insbesondere aufgrund der entsprechenden Vorsprünge der Halteelemente erreicht.
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Jeder Rotorpol, insbesondere jeder Polschuh, weist vorteilhafterweise eine Nut auf, wobei die Vorsprünge des Halteelements in diese Nuten eingreifen, um das Halteelement abzustützen. Durch das Vorsehen der Nuten ist einerseits ein zuverlässiges Abstützen der Halteelemente ermöglicht, andererseits wird auch ein elektrischer Kontakt zwischen Halteelement und Rotorpol, insbesondere Polschuh, verbessert. Anhand der zuvor beschriebenen Formgebung des Halteelements kann dabei besonders vorteilhaft erreicht werden, dass trotz des verbesserten elektrischen Kontakts das Entstehen von Wirbelstrompfaden erschwert ist.
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Besonders vorteilhaft ist lediglich an den Vorsprüngen ein elektrischer Kontakt zwischen dem Halteelement und Einzelblechen des Rotorblechpakets des Rotors vorhanden. Andere Bereiche des Halteelements stehen insbesondere nicht im elektrischen Kontakt mit Einzelblechen des Rotorblechpakets. Somit kann aufgrund der Formgebung der Vorsprünge erreicht werden, dass ein Auftreten von Wirbelstrompfaden erschwert ist. Besonders bevorzugt kontaktiert jedes Halteelement auf der ersten Randseite unterschiedliche Einzelbleche als auf der zweiten Randseite.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass zwischen Vorsprüngen, die auf unterschiedlichen Randseiten desselben Halteelements liegen und in Axialrichtung benachbart sind, ein axialer Abstand vorgesehen ist. Insbesondere weisen die Vorsprünge dieselbe Abmessung in Axialrichtung auf. Damit ist eine, insbesondere einseitige, überlappende Anordnung der Vorsprünge erreicht. Die Ausbildung von Wirbelstrompfaden ist dadurch erschwert oder verhindert.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen Elektromotor. Der Elektromotor umfasst einen Stator sowie einen Rotor wie zuvor beschrieben. Dadurch sind Rotorverluste innerhalb des Elektromotors aufgrund der zuvor beschriebenen Vermeidung oder Verringerung von Wirbelströmen vermindert. Dadurch ist insbesondere ein hoher Wirkungsgrad des Elektromotors erreicht.
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Durch die Vorsprünge kann insbesondere ein definierter elektrischer Kontakt zu dem Rotorblechpaket hergestellt werden, wobei jeder Vorsprung ein Einzelblech oder mehrere Einzelbleche des Rotorblechpakets kontaktiert.
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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 schematische Ansicht eines Ausschnitts eines Elektromotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Ansicht eines Teilbereichs eines Rotors gemäß dem Stand der Technik,
- 3 eine schematische Ansicht eines Halteelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine schematische Ansicht eines Halteelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 eine schematische Ansicht eines Halteelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 6 eine schematische Ansicht eines Halteelements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 7 eine schematische Ansicht eines Rotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch einen Elektromotor 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Elektromotor 10 umfasst einen Stator 9 sowie einen Rotor 8. Der Rotor 8 ist insbesondere ein Rotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Rotor 8 wiederum weist ein Halteelement 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf. Außerdem weist der Rotor eine Rotorachse auf, die in 1 senkrecht zu Zeichenebene orientiert ist.
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Der Rotor 8 weist außerdem eine Vielzahl von Rotorpolen 4 auf, wobei an jedem Rotorpol 4 eine Wicklung 7 angebracht ist. Zwischen den Rotorpolen 4 verbleibt eine Pollücke 6.
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Ein radialer äußerer Abschluss jeder Rotorpole 4 wird durch einen Polschuh 5 gebildet. Somit erstrecken sich die Wicklungen 7 in radialer Richtung bis zum besagten Polschuh 5. Um zu verhindern, dass die Wicklungen 7 herausfallen und/oder sich aufgrund von Fliehkräften lösen, ist das Halteelement 1 vorgesehen. Das Halteelement 1 ist insbesondere als Halteblech ausgebildet.
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Es ist vorgesehen, dass sich das Halteelement 1 zwischen zwei Polschuhen 5 in eine Pollücke 6 erstreckt. Auf diese Weise sind die Wicklungen 7 haltbar.
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Zum besseren mechanischen Abstützen der Halteelemente 1 weist jeder Polschuh 5 eine Nut 12 auf. Das Halteelement 1 kann sich somit in den Nuten 12 abstützen, wobei allerdings auch ein elektrischer Kontakt zwischen Polschuh 5 und Halteelement 1 verbessert ist. Somit ist insbesondere eine elektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten Polschuhen 5 durch das Halteelement 1 vorhanden.
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2 zeigt einen Rotor 8 gemäß dem Stand der Technik. Hierbei ist schematisch ein abgerollter Bereich des Rotors 8 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass sich zwischen zwei benachbarten Polschuhen 5 Halteelemente 1 erstrecken. Jedes Halteelement 1 weist eine erste Randseite 2a und eine zweite Randseite 2b auf, wobei jede der Randseiten 2a, 2b an einem Polschuh 5 anliegt. Insbesondere sind Nuten 12 wie zuvor beschrieben vorhanden, wobei die Halteelemente 1 in besagte Nuten eingreifen. Auf diese Weise ist ein Wirbelstrompfad 200 erreicht, der sich über einen Polschuh und die beiden benachbarten Halteelemente 1 erstreckt. Dieser Wirbelstrompfad 200 führt insbesondere bei elektrisch erregten Synchronmaschinen an selbstgeführten Umrichtern, wie dies bei der Verwendung als Fahrantrieb im Elektrofahrzeug der Fall ist, zu prinzipiell vernachlässigbaren Einflüssen, weil der Wirbelstrompfad 200 in benachbarten stationären Betriebszuständen keinen Strom zuführt und daher unwirksam ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn ein konstantes Luftspaltfeld relativ zu dem Elektromotor 10 vorhanden ist. Allerdings können Nutungsoberwellen sowie harmonische in einem Statorstrombelag zu Schwankungen des Luftspaltflusses führen. Dadurch können Ströme in besagtem Halteelement induziert werden, wodurch Wärmeverluste entstehen.
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Um solche Wirbelstrompfade 200 zu vermeiden, erfolgt eine Fertigung der Halteelemente 1 insbesondere derart, dass sowohl die erste Randseite 2a als auch die zweite Randseite 2b entlang einer Axialrichtung 100 wiederholend Vorsprünge 3 aufweisen, wie dies in den 4 bis 7 gezeigt ist. Die Axialrichtung 100 verläuft insbesondere entlang der Rotorachse des Rotors 8. Die Vorsprünge 3 dienen zum Anliegen an den Polschuhen 5, wobei die Vorsprünge 3 entlang der Axialrichtung 100 abwechselnd an der ersten Randseite 2a und der zweiten Randseite 2b angeordnet sind. Somit steht jede Randseite 2a, 2b des Halteelements abschnittsweise nicht oder nur definiert im Kontakt zu Einzelblechen 11 des Rotorblechpakets des Rotors 8.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Vorsprünge 3 halbkreisförmig ausgebildet sind, wie dies in 3 gezeigt ist. Alternativ können die Vorsprünge 3 rechteckförmig ausgebildet sein, wie dies in 4 und 6 gezeigt ist. 5 zeigt eine weitere Alternative, in der das Halteelement 1 mit dreieckförmigen Vorsprüngen 3 ausgebildet ist.
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In den 3 bis 5 ist dabei jeweils gezeigt, dass die Vorsprünge 3 auf der ersten Randseite 2a und der zweiten Randseite 2b unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet sind. Dies bedeutet, dass an derjenigen Stelle entlang der Axialrichtung 100, an der der Vorsprung 3 auf der ersten Randseite 2a sein Ende aufweist, ein Beginn eines weiteren Vorsprungs 3 auf der zweiten Randseite 2b vorhanden ist. Somit ist keinerlei Abstand zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen 3 auf unterschiedlichen Randseiten 2a, 2b vorhanden, ebenso wie auch keinerlei Überlappung zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen 3 vorhanden ist. Ein Versatz 200 zwischen den Mitten der entlang der Axialrichtung 100 benachbarten Vorsprünge 3 auf gegenüberliegenden Randseiten 2a, 2b ist somit vorhanden. Um die Überlappungsfreiheit zu gewährleisten, entspricht der Versatz 200 der Abmessung der Vorsprünge 3 in Axialrichtung 100. Die Mitte der Vorsprünge 3 fällt in den in 3 und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen insbesondere mit der größten Erhebung des Vorsprungs zusammen.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem ein Abstand Δ zwischen zwei Vorsprüngen 3 auf unterschiedlichen Randseiten 2a, 2b verbleibt. Die Vorsprünge 3 weisen bevorzugt eine selbe Abmessung in Axialrichtung 100 auf, wobei ebenso bevorzugt auch die Lücken zwischen den Vorsprüngen 3 auf jeder der Randseiten 2a, 2b gleichgroß sind. Dies bedeutet, dass entlang der Axialrichtung 100 solche Stellen vorhanden sind, an denen weder auf der ersten Randseite 2a, noch auf der zweiten Randseite 2b ein Vorsprung 3 vorhanden ist. Außerdem überlappen die Vorsprünge 3 einseitig miteinander, sodass Stellen entlang der Axialrichtung 100 vorhanden sind, an denen auf der ersten Randseite 2a und auf der zweiten Randseite 2b ein Vorsprung angeordnet ist.
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Alternativ ist ebenso möglich, dass die Vorsprünge 3 an keiner Stelle überlappen. Hierbei verbleibt ein Abstand Δ zwischen einem Vorsprung 3 auf einer der beiden Randseiten 2a, 2b zu beiden axial benachbarten Vorsprüngen 3 der anderen Randseite 2a, 2b. Dies bedeutet, dass die Vorsprünge 3 jeder Randseite 2a, 2b eine Abmessung in Axialrichtung 100 aufweisen, die kleiner ist als eine Abmessung der Lücken zwischen den Vorsprüngen 3 der jeweils anderen Randseite 2a, 2b.
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Das Halteelement 1 ist insbesondere ein Halteblech und aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Somit ist eine elektrische Leitfähigkeit des Halteelements 1 sehr hoch. Wie aus 7 ersichtlich ist, ist dennoch das Auftreten von Wirbelstrompfaden 200, wie in 2 gezeigt, verhindert oder zumindest erschwert. Insbesondere sind die Einzelbleche 11 an den beiden Seiten des Polschuhs 5 nicht gleichzeitig kontaktiert, da der Polschuh 5 einerseits an einer ersten Randseite 2a eines Halteelements 1 und andererseits an einer zweiten Randseite 2b eines Halteelements 1 anliegt. Da diese beiden Randseiten unterschiedlich angeordnete Vorsprünge 3 aufweisen, ist somit eine durchgängige Kontaktierung zur Erzeugung eines Wechselstrompfads 200, wie in 2 gezeigt, verhindert. Damit ist einerseits das Auftreten von Wirbelströmen vermindert, wodurch andererseits ein erhöhter Wirkungsgrad eines den Rotor 8 umfassenden Elektromotors 10 vorhanden ist.
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Insbesondere greifen lediglich die Vorsprünge 3 in die Nut 12 ein. Somit ist insbesondere erreicht, dass das Halteelement 1 ausschließlich über die Vorsprünge 3 mit den Polschuhen 5 elektrisch gekoppelt ist. Andere Bereiche des Halteelements 1 stehen mit den Polschuhen 5 nicht in direktem elektrischem Kontakt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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