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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, mit einer Rotorwelle und einer Mehrzahl von Rotorschenkeln, die in radialer Richtung der Rotorwelle ausgerichtet sind, wobei jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung der Rotorwelle benachbarten Rotorschenkeln eine Nut ausgebildet ist, in der eine dem Rotor zugeordnete Erregerwicklung zumindest teilweise angeordnet ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem derartigen Rotor.
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Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen mit einem Stator und einem Rotor bekannt, bei denen der Rotor eine Rotorwelle und eine Mehrzahl von Rotorschenkeln aufweist. Hierbei sind die Rotorschenkel der Mehrzahl von Rotorschenkeln in radialer Richtung der Rotorwelle ausgerichtet. Jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung der Rotorwelle benachbarten Rotorschenkeln ist eine Nut ausgebildet. Darin ist eine dem Rotor zugeordnete Erregerwicklung zumindest teilweise angeordnet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, der eine Rotorwelle und eine Mehrzahl von Rotorschenkeln aufweist, die in radialer Richtung der Rotorwelle ausgerichtet sind. Jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung der Rotorwelle benachbarten Rotorschenkeln ist eine Nut ausgebildet, in der eine dem Rotor zugeordnete Erregerwicklung zumindest teilweise angeordnet ist. Die Nut ist zur Fixierung der Erregerwicklung in der Nut mit einem Nutverschlusselement versehen. Das Nutverschlusselement weist hartmagnetisches Material auf.
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Durch die Verwendung eines Nutverschlusselements, das hartmagnetisches Material aufweist, kann das Nutverschlusselement vorteilhafterweise nach Art eines Permanentmagneten ausgebildet werden, der zumindest einen Teil der Erregung des Rotors bewirkt. Somit benötigt der Rotor bei gleichbleibender Erregung eine vergleichsweise verringerte Anzahl von Amperewindungen in der Erregerwicklung. Dies bedeutet einerseits eine Reduzierung eines durch die Amperewindungen erforderlichen Kupfervolumens, sowie eine Reduzierung der Verlustleistung und einer entsprechenden Bürstenbelastung der elektrischen Maschine.
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Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung einen Rotor für eine elektrische Maschine, mit einer Rotorwelle und einer Mehrzahl von Rotorschenkeln, die in radialer Richtung der Rotorwelle ausgerichtet sind. Jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung der Rotorwelle benachbarten Rotorschenkelen ist eine Nut ausgebildet, in der eine dem Rotor zugeordnete Erregerwicklung zumindest teilweise angeordnet ist. Die Nut ist zur Fixierung der Erregerwicklung in der Nut mit einem Nutverschlusselement versehen. Das Nutverschlusselement weist hartmagnetisches Material auf.
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Durch die Verwendung eines Nutverschlusselements, das hartmagnetisches Material aufweist, kann das Nutverschlusselement vorteilhafterweise nach Art eines Permanentmagneten ausgebildet werden, der zumindest einen Teil der Erregung des Rotors bewirkt, sodass für den Rotor bei gleichbleibender Erregung lediglich eine vergleichsweise verringerte Anzahl von Amperewindungen in der Erregerwicklung erforderlich ist. Somit kann ein für die Amperewindungen erforderlicher Wickelraum vorteilhafterweise verkleinert werden, sodass das Nutverschlusselement vergleichsweise großvolumig ausgestaltet werden kann. Darüber hinaus ist eine entsprechende Masse der Erregerwicklung vergleichsweise reduziert und diese kann vergleichsweise nahe an der Rotorwelle angeordnet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Nutverschlusselement nach Art eines Nutkeils ausgebildet. Somit kann ein robustes und stabiles Nutverschlusselement bereitgestellt werden.
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Bevorzugt ist das Nutverschlusselement mit einer in der radialen Richtung der Rotorwelle von der Rotorwelle beabstandeten und am Außenumfang des Rotors angeordneten Deckschicht versehen, die bevorzugt einen Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff aufweist. Somit kann eine robuste und stabile radiale Abdeckung zum Schutz des Nutverschlusselements bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise ist die Deckschicht zumindest bereichsweise auf das Nutverschlusselement aufgeklebt. Hierdurch kann die Deckschicht sicher und zuverlässig am Nutverschlusselement befestigt werden.
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Bevorzugt weist das Nutverschlusselement mindestens eine erste und eine zweite Verschlusskomponente auf. Hierdurch können Biegebelastungen und somit auch Zugspannungen, die bei einer Drehung des Rotors auf das Nutverschlusselement wirken, vorteilhafterwiese auf mehrere Verschlusskomponenten verteilt und somit reduziert werden.
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Bevorzugt sind die erste und zweite Verschlusskomponente über eine Klebeschicht miteinander verbunden. Somit kann auf einfache Art und Weise ein stabiles und robustes Nutverschlusselement bereitgestellt werden.
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Vorzugseise weist die erste und/oder zweite Verschlusskomponente in der radialen Richtung der Rotorwelle gesehen einen trapezförmigen Querschnitt auf und/oder ist mit konkaven und/oder konvexen Außenseiten ausgebildet. Somit kann ein Nutverschlusselement mit einem quasi beliebig komplexen Querschnitt einfach und unkompliziert mit einer vorgegebenen Anzahl von geeigneten Verschlusskomponenten realisiert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung bildet das Nutverschlusselement einen Permanentmagneten aus, wobei das hartmagnetische Material bevorzugt ein Ferrit ist. Hierdurch kann bei einer geeigneten Ausgestaltung eines entsprechenden Blechpakets des Rotors erreicht werden, dass im unerregten Zustand der Erregerwicklung nahezu kein Luftspaltfeld entsteht. Hierbei wird eine entsprechende Entlastung vorteilhafterweise dadurch erreicht, dass der mit der Erregerwicklung versehene Rotorschenkel nicht von 0 Fluss bis Sättigung geht, sondern vom negativen Fluss über 0 bis zur Sättigung.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Rotor zur Egalisierung von Auflagetoleranzen zumindest teilweise mit einer Umspritzung versehen, oder geträufelt. Somit kann auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine Egalisierung entsprechender Auflagetoleranzen erreicht werden.
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Figurenliste
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einem Rotor und einem Stator,
- 2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des Rotors von 1, mit einem Nutverschlusselement gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 3 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des Rotors von 1, mit dem Nutverschlusselement von 2 und einem Stützelement gemäß einer Ausführungsform,
- 4 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des Rotors von 1, mit dem Nutverschlusselement von 2 und einer Deckschicht gemäß einer Ausführungsform,
- 5 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des Rotors von 1, mit einem Nutverschlusselement gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 6 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des Rotors von 1, mit dem Nutverschlusselement von 5 und der Deckschicht von 4, und
- 7 eine schematische Darstellung eines Nutverschlusselements gemäß einer weiteren Variante.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den Figuren werden Elemente mit gleicher oder vergleichbarer Funktion mit identischen Bezugszeichen versehen und nur einmal genauer beschrieben.
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1 zeigt eine elektrische Maschine 100, die beispielhaft als ein Elektromotor mit einem schematisch dargestellten Stator 110 und einem Rotor 120 ausgebildet ist. Der Stator 110 weist beispielhaft eine Mehrphasenwicklung 112 auf.
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Der Rotor 120 weist beispielhaft eine Rotorwelle 124 und eine Mehrzahl von Rotorschenkeln 126 auf, die in radialer Richtung der Rotorwelle 124 ausgerichtet sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Rotor 120 darüber hinaus beispielhaft einen optionalen Rotorring 122, der die Rotorwelle 124 mit der Mehrzahl von Rotorschenkeln 126 verbindet. Die Mehrzahl von Rotorschenkeln 126 ist bevorzugt mit der Rotorwelle 124 und, illustrativ, mit dem optionalen Rotorring 122 verbunden. Beispielhaft sind von der Mehrzahl von Rotorschenkeln 126 zwecks Klarheit und Übersichtlichkeit der Zeichnung lediglich die Rotorschenkel 127, 128, 129 separat mit Bezugszeichen versehen.
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Jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung der Rotorwelle 124 benachbarten Rotorschenkeln ist eine Nut ausgebildet. Dementsprechend ist zwischen der Mehrzahl von Rotorschenkeln 126 eine Mehrzahl von Nuten 150 ausgebildet, von denen beispielhaft lediglich eine zwischen den Rotorschenkeln 128, 129 angeordnete Nut separat mit dem Bezugszeichen 152 gekennzeichnet ist, zwecks Klarheit und Übersichtlichkeit der Zeichnung.
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Die Mehrzahl von Nuten 150 bildet Wickelräume für eine Erregerwicklung 130 des Rotors 120 aus. Hierbei ist illustrativ in jeder Mehrzahl von Nuten 150 jeweils zumindest ein Teil der Erregerwicklung 130 angeordnet. Illustrativ ist in der Nut 152 ein erster Teil 132 und in der Nut 154 ein zweiter Teil 134 der Erregerwicklung 130 angeordnet. Nachfolgend werden zur Vereinfachung der Beschreibung die Teile 132, 134 der Erregerwicklung 130 auch als die Erregerwicklungen 132, 134 bezeichnet.
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Die Erregerwicklung 130 kann beispielsweise von einem Wechselstrom durchflossen werden und somit ein magnetisches Feld erregen, das in einer dem Fachmann bekannten Weise zum Antrieb der elektrischen Maschine 100 genutzt werden kann. Vorzugsweise ist die Erregerwicklung 130 über geeignete Isolierkörper von der Mehrzahl von Rotorschenkeln 126 isoliert. Geeignete Isolierkörper sind dem Fachmann hinreichend bekannt, sodass hierauf eine genauere Beschreibung verzichtet werden kann. Auch sind die entsprechenden Isolierkörper in den Zeichnungen nicht gesondert gekennzeichnet, da sie als solche nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind.
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Zur Fixierung der Erregerwicklung 130 in der Mehrzahl von Nuten 150 ist die Mehrzahl von Nuten 150 bevorzugt mit einer Mehrzahl von Nutverschlusselementen 140 verschlossen. Bevorzugt weist zumindest eines, und besonders bevorzugt jedes der Nutverschlusselemente der Mehrzahl von Nutverschlusselementen 140 hartmagnetisches Material auf. Zwecks Klarheit und Einfachheit der Zeichnung sind jedoch lediglich zwei Nutverschlusselemente der Mehrzahl von Nutverschlusselementen 140 separat mit den Bezugszeichen 142, 144 gekennzeichnet. Diese Nutverschlusselemente 142, 144 dienen beispielhaft zur Fixierung der Erregerwicklungen 132, 134 in den Nuten 152, 154.
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Illustrativ ist ein Ausschnitt 160 der elektrischen Maschine 100 bzw. des Rotors 120 markiert. Dieser Ausschnitt 160 umfasst abschnittsweise die Rotorschenkel 128, 129 sowie die dazwischen ausgebildete Nut 152, in der die Erregerwicklung 132 angeordnet ist, wobei die Nut 152 mit dem Nutverschlusselement 142 verschlossen ist. Dieser Ausschnitt 160 des Rotors 120 wird bei den nachfolgenden Figuren näher beschrieben, um beispielhaft und stellvertretend für die Mehrzahl von Nutverschlusselementen 140 unterschiedliche Varianten des Nutverschlusselements 142 im Detail zu verdeutlichen.
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Bevorzugt bildet zumindest das Nutverschlusselement 142 einen Permanentmagneten aus. Hierbei ist als hartmagnetisches Material bevorzugt ein Ferrit vorgesehen. Darüber hinaus verjüngt sich das Nutverschlusselement 142 vorzugsweise in radialer Richtung der Rotorwelle 124, d.h. die tangentiale Ausdehnung des Nutverschlusselements 142 nimmt mit zunehmendem Abstand von der Rotorwelle 124 zumindest im Wesentlichen ab. Somit kann eine geeignete Verspannung des Nutverschlusselements 142 in der Nut 152 des Rotors 120 ermöglicht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Rotor 120 zur Egalisierung von Auflagetoleranzen zumindest teilweise mit einer Umspritzung 121 versehen. Alternativ hierzu kann der Rotor 120 zur Egalisierung von Auflagetoleranzen geträufelt sein.
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Illustrativ ist zwischen dem Rotor 120 und dem Stator 110 ein Luftspalt 115 ausgebildet. Durch die Verwendung des hartmagnetischen Materials zur Ausbildung der Mehrzahl von Nutverschlusselementen 140 kann bei einer geeigneten Ausgestaltung eines entsprechenden Blechpakets des Rotors 120 erreicht werden, dass im unerregten Zustand der Erregerwicklung 130 nahezu kein Luftspaltfeld im Luftspalt 115 vorhanden ist.
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2 zeigt den Ausschnitt 160 von 1 mit der Erregerwicklung 132, die in der zwischen den Rotorschenkeln 128, 129 ausgebildeten Nut 152 angeordnet ist, wobei die Nut 152 mit dem Nutverschlusselement 142 verschlossen ist. Das Nutverschlusselement 142 fixiert hierbei die Erregerwicklung 132 in der Nut 152 bzw. an den Rotorschenkeln 128, 129. Wie bei 1 beschrieben, sind die Rotorschenkel 128, 129 lediglich beispielhaft mit dem optionalen Rotorring 122 von 1 verbunden. Beispielhaft ist das Nutverschlusselement 142 in 2 nach Art eines Nutkeils 200 ausgebildet.
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3 zeigt den Ausschnitt 160 von 1 gemäß 2. Im Gegensatz zu 2 ist jedoch in 3 eine zusätzliche Stützstruktur 300 in der Erregerwicklung 132 angeordnet. Die Stützstruktur 300 kann vorteilhafterweise zur Verbesserung der Fixierung der Erregerwicklung 132 in der Nut 152 bzw. an den Rotorschenkeln 128, 129 Anwendung finden.
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4 zeigt den Ausschnitt 160 von 1 gemäß 2. Im Gegensatz zu 2 ist jedoch die Erregerwicklung 132 nicht mehr in Form von separaten Amperewindungen gezeigt, sondern vielmehr zur Vereinfachung der Zeichnung nach Art eines Wicklungspakets. Dieses Wicklungspaket 132 ist illustrativ über einen Isolierkörper 136 von den Rotorschenkeln 128, 129, sowie dem optionalen Rotorring 122, isoliert.
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Gemäß einer Variante ist das nach Art eines Nutkeils 200 ausgebildete Nutverschlusselement 142 in 4 mit einer Deckschicht 400 versehen. Diese ist bevorzugt in der radialen Richtung der Rotorwelle 124 von 1 von der Rotorwelle 124 beabstandet und am Außenumfang des Rotors 120 angeordnet. Vorzugsweise weist die Deckschicht 400 einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff auf. Bevorzugt ist die Deckschicht 400 zumindest bereichsweise auf das Nutverschlusselement 142 aufgeklebt.
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5 zeigt den Ausschnitt 160 von 1 gemäß 4, jedoch ohne die Deckschicht 400 von 4. Im Gegensatz zu 4 ist das Nutverschlusselement 142 von 4 in 5 jedoch derart ausgebildet, dass es mindestens eine erste und eine zweite Verschlusskomponente 502, 504 aufweist. Die erste Verschlusskomponente 502 und/oder die zweite Verschlusskomponente 504 ist bevorzugt nach Art eines Nutkeils ausgebildet.
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Vorzugsweise sind die erste Verschlusskomponente 502 und die zweite Verschlusskomponente 504 über eine Klebeschicht 506 miteinander verbunden. Diese Klebeschicht 506 ist illustrativ in radialer Richtung der Rotorwelle 124 von 1 ausgerichtet.
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Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Ausgestaltung des Nutverschlusselements 142 mit den Nutkeilen 502, 504 und der in radialer Richtung der Rotorwelle 124 von 1 ausgerichteten Klebeschicht 506 lediglich beispielhaften Charakter hat und nicht als Einschränkung der Erfindung zu sehen ist. Vielmehr können auch mehr als nur die beiden Nutkeile 502, 504 Anwendung finden, wobei eine entsprechende Anzahl von Nutkeilen durch eine zugeordnete Anzahl von Klebeschichten miteinander verbunden sein kann. Darüber hinaus kann anstelle der in Umfangsrichtung der Rotorwelle 124 von 1 illustrierten Aufteilung des Nutverschlusselements 142 in die Nutkeile 502, 504 auch eine Aufteilung des Nutverschlusselements 142 in in radialer Richtung der Rotorwelle 124 von 1 aneinandergereihte Nutkeile erfolgen, wie beispielhaft in 7 gezeigt.
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Darüber hinaus kann auch eine jeweilige Formgebung der Nutkeile 502, 504 von einer vorgegebenen Anzahl von Nutkeilen sowie von einer jeweils vorliegenden Ausformung der Nut 152 abhängig sein. Somit kann beispielsweise die erste und/oder zweite Verschlusskomponente 502, 504 in der radialen Richtung der Rotorwelle 124 von 1 gesehen einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen und/oder mit konkaven und/oder konvexen Außenseiten ausgebildet sein. Anders ausgedrückt ergibt sich der trapezförmige Querschnitt bei einem Aufschneiden der Nutkeile 502, 504 in einer senkrecht zur Drehachse der Rotorwelle 124 ausgerichteten Schnittrichtung.
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6 zeigt den Ausschnitt 160 von 1 gemäß 5. Im Gegensatz zu 5 ist in 6 jedoch das von den Verschlusskomponenten 502, 504 gebildete Nutverschlusselement 142 mit der Deckschicht 400 von 4 versehen. Wie bei 4 beschrieben, kann die Deckschicht 400 hierbei zumindest bereichsweise auf das Nutverschlusselement 142 aufgeklebt sein.
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7 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung des Nutverschlusselements 142 von 1, bei dem das Nutverschlusselement 142 in Analogie zu 5 und 6 beispielhaft von einer ersten Verschlusskomponente 702 und einer zweiten Verschlusskomponente 704 gebildet ist. Im Gegensatz zu 5 und 6 sind die Verschlusskomponenten 702, 704 jedoch nicht in Umfangsrichtung der Rotorwelle 124 von 1 mittels der Klebeschicht 506 von 5 und 6 aneinandergefügt, sondern vielmehr in radialer Richtung der Rotorwelle 124 von 1. Hierbei kann zwischen den in radialer Richtung der Rotorwelle 124 von 1 angeordneten Verschlusskomponenten 702, 704 eine Klebeschicht 706 vorgesehen sein, die die Verschlusskomponenten 702, 704 miteinander verbindet.
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Die Verschlusskomponenten 702, 704 können in Analogie zu den Verschlusskomponenten 502, 504 von 5, wie bei 5 beschrieben, auch mit einer durch eine jeweilige Ausgestaltung der Nut 152 von 5 und 6 vorgegebenen Formgebung ausgestaltet sein. Beispielsweise können die erste und/oder zweite Verschlusskomponente 702, 704 in der radialen Richtung der Rotorwelle 124 von 1 gesehen einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, wie in 7 illustriert, und/oder mit konkaven und/oder konvexen Außenseiten 707, 708, 709, 710 ausgebildet sein.
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Illustrativ ergibt sich der beispielhafte trapezförmige Querschnitt der Verschlusskomponenten 702, 704 dadurch, dass deren Außenseiten 707, 708 bzw. 709, 710 relativ zur radialen Richtung der Rotorwelle 124 von 1 einen Winkel 703 bzw. 705 ausbilden. Illustrativ ist der Winkel 703 größer als der Winkel 705.
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Bevorzugt ist der Winkel 703 in Bezug auf einen von den Rotorschenkeln 128, 129 von 1 bis 6 gebildeten Öffnungswinkel vorzugsweise derart gewählt, dass zumindest die Verschlusskomponente 702 in der Nut 152 von 1 bis 6 am Außenumfang des Rotors 120 von 1 festgeklemmt ist, sodass die Verschlusskomponente 702 zumindest vorwiegend im Druck belastet ist und nicht in Zugrichtung, bzw. eine, falls überhaupt, möglichst geringe Zugspannung aushalten muss. Dementsprechend sollte die Verschlusskomponente 702 toleranzmäßig auf den äußeren Kanten bzw. am Außenumfang des Rotors 120 von 1 aufliegen. Hierzu weist der Winkel 703 bevorzugt einen Wert zwischen 10° und 30° auf.
