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Die Erfindung betrifft einen Rotor eines Elektromotors, und einen Elektromotor mit einem solchen Rotor.
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In einem modernen Kraftfahrzeug werden Elektromotoren in vielfältiger Weise als Antrieb eingesetzt. Elektromotoren werden beispielsweise als Fensterheber-, Schiebedach- oder Sitzverstellantriebe, als Lenkungsantriebe (EPS, Electrical Power Steering), als Kühlerlüfterantriebe oder als Getriebeaktuatoren eingesetzt. Derartige Elektromotoren müssen eine relativ hohe Drehmoment- oder Leistungsdichte aufweisen und auch bei hohen Temperaturen betriebssicher sein.
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Ein Elektromotor als Energiewandler elektrischer Energie in mechanische Energie umfasst einen Stator, welcher das feststehende Motorteil bildet, und einen Rotor, welcher das sich bewegende Motorteil bildet. Bei einem Innenläufermotor ist der Stator üblicherweise mit einem Statorjoch versehen, an dem radial zur Mitte, dies bedeutet sternförmig nach innen, ragende Statorzähne angeordnet sind, deren dem Rotor zugewandten Freienden den so genannten Polschuh bilden. Auf die Statorzähne sind Wicklungen oder Spulen aufgebracht, die zur Statorwicklung verschaltet sind und im elektromotorischen Betrieb ein Magnetfeld erzeugen. Zur Führung und Verstärkung des durch die bestromten Wicklungen erzeugten magnetischen Feldes ist das Statormaterial üblicherweise metallisch, beispielsweise aus weichmagnetischem Eisen.
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Ein insbesondere bürstenloser Elektromotor als elektrische (Drehstrom-)Maschine weist üblicherweise einen mit einer Feld- oder Statorwicklung versehenen Stator auf, welcher koaxial zu einem Rotor mit einem oder mehreren Permanentmagneten angeordnet ist. Sowohl der Rotor als auch der Stator sind beispielsweise als Blechpakete aufgebaut, wobei Statorzähne in dazwischenliegenden Statornuten die Spulen der Feldwicklung tragen.
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Bei einem sogenannten Innen-Permanentmagnet-Synchronmotor (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor), auch als IPM-Motor oder IPMSM bezeichnet, sind die Rotor- oder Permanentmagnete innerhalb eines Rotorkörpers des Rotors aufgenommen.
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Der Rotor eines IPM-Motors kann als ein sogenannter Speichenrotor ausgeführt sein, bei welchem die Rotormagnete speichenartig im Rotorkörper angeordnet sind. Konventionelle Speichenrotorkonstruktionen zielen bei der Anordnung der Rotormagnete auf eine Konzentration des Rotorflusses (rotor flux concentration) ab. Dies bedeutet, dass die Rotormagnete derart im Rotorkörper angeordnet werden, dass das von ihnen erzeugte Magnetfeld beziehungsweise magnetische Flussdichte in einem Spaltbereich zwischen dem Rotor und dem Stator möglichst hoch ist. Als Rotormagnete werden hierbei insbesondere Ferritmagnete oder kostenintensive Seltenerdmagnete verwendet.
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Bei einer solchen flusskonzentrierenden Speichenrotorkonstruktion kann es zu einer Sättigung der Statorzähne kommen, welche die Motorflussverknüpfung (motor flux linkage) und damit das Motordrehmoment (motor torque) reduzieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Rotor anzugeben. Insbesondere soll eine magnetische Sättigung des Stators reduziert werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Elektromotor anzugeben.
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Hinsichtlich des Rotors wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Elektromotors mit den Merkmalen des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die im Hinblick auf den Rotor angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Elektromotor übertragbar und umgekehrt.
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Der erfindungsgemäße Rotor ist für einen bürstenlosen Elektromotor, insbesondere für einen IPM-Motor, vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Mit anderen Worten ist der Rotor vorzugsweise als ein IPM-Rotor ausgebildet. Der Rotor weist hierbei einen beispielsweise zylindrischen Rotorkörper auf, in welchem eine Anzahl von entlang einer Tangentialrichtung verteilt angeordneten permanentmagnetischen Rotormagnete aufgenommen ist.
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Der Rotorkörper ist beispielsweise als ein Blechpaket ausgeführt. Die Rotormagnete sind hierbei vorzugsweise in Tangentialrichtung abwechselnd entgegengesetzt polarisiert, dies bedeutet, dass entlang der Tangentialrichtung abwechselnd oder alternierend ein magnetischer Nordpol und ein magnetischer Südpol angeordnet sind.
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Die Rotormagnete weisen entlang einer Radialrichtung jeweils eine Magnetbreite (magnet width) auf. Mit anderen Worten bezeichnet die Magnetbreite die radiale Abmessung oder Dimensionierung des Rotormagnets.
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Die Rotormagnete sind hierbei in einem tangentialen Polabstand (pole pitch) zueinander angeordnet. Unter einem „Polabstand“ ist hierbei insbesondere eine außenumfangsseitige Länge oder Bogenlänge entlang der Tangentialrichtung des Rotorkörpers zu verstehen, welche sich von der tangentialen Mitte eines Rotormagnets zu der tangentialen Mitte des jeweils in Tangentialrichtung benachbarten Rotormagnets erstreckt.
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Erfindungsgemäß ist das Verhältnis, also der Quotient, von Polabstand zu Magnetbreite im Bereich zwischen 1,5 und 2,5, insbesondere zwischen 1,7 und 2,2, vorzugsweise zwischen 1,8 und 2,1. Dadurch ist ein besonders geeigneter Rotor realisiert.
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Unter „axial“ oder einer „Axialrichtung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung parallel (koaxial) zur Drehachse des Rotors, also senkrecht zu den Stirnseiten des Rotorkörpers verstanden. Entsprechend wird hier und im Folgenden unter „radial“ oder einer „Radialrichtung“ insbesondere eine senkrecht (quer) zur Drehachse des Rotors orientierte Richtung entlang eines Radius des Rotorkörpers verstanden. Unter „tangential“ oder einer „Tangentialrichtung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung entlang des Umfangs des Rotors oder des Rotorkörpers (Umfangsrichtung, Azimutalrichtung), also eine Richtung senkrecht zur Axialrichtung und zur Radialrichtung, verstanden.
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In einer geeigneten Weiterbildung ist das Verhältnis eines Polbogens (pole arc) zur Magnetbreite im Bereich zwischen 1,0 und 2,2, insbesondere zwischen 1,2 und 2,0, vorzugsweise zwischen 1,4 und 1,7.
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Der Polbogen ist zwischen zwei benachbarten Rotormagneten gebildet. Unter einem „Polbogen“ ist hierbei insbesondere eine außenumfangsseitige Länge oder Bogenlänge entlang einer Tangentialrichtung des Rotorkörpers zu verstehen, welche sich von einem tangentialen Ende eines Rotormagnets zu dem tangentialen Anfang des jeweils in Tangentialrichtung benachbarten Rotormagneten erstreckt.
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Der erfindungsgemäße Rotor weist im Wesentlichen keinen flusskonzentrierenden Effekt auf. Mit anderen Worten sind die Rotormagnete nicht derart angeordnet, dass ein Magnetfeld oder eine magnetische Flussdichte in einem Spaltbereich zu einem Stator maximiert wird. Erfindungsgemäß wird ein maximales Verhältnis des magnetischen Flusses pro (Magnet-)Pol zum Volumen des Rotormagneten realisiert.
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Zu diesem Zwecke wird einerseits das Verhältnis des Polabstands zur Magnetbreite vorzugsweise in den Bereich von 1,8 bis 2,1, und das Verhältnis des Polbogens zur Magnetbreite vorzugsweise in den Bereich von 1,4 bis 1,7 dimensioniert. Dies bedeutet, dass die Rotormagnete so bemessen und angeordnet sind, dass die Verhältnisse vorzugsweise für jeden Rotormagnet im Rotorkörper realisiert sind. Dadurch wird im Betrieb eine magnetische Sättigung eines den Rotor zugeordneten Stators gemildert, und der magnetische Fluss pro (Magnet-)Pol erhöht. In der Folge werden das Magnetvolumen und die Herstellungskosten im Vergleich zu gewöhnlichen IPM-Rotoren mit Seltenerdmagneten reduziert.
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In einer vorteilhaften Ausführung sind die Rotormagnete speichenartig im Rotorkörper angeordnet. Dies bedeutet, dass der Rotor als ein Speichenrotor, insbesondere als ein IPM-Speichenrotor, ausgeführt ist.
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Unter „speichenartig“ ist hierbei insbesondere zu verstehen, dass sich die Rotormagnete in Axialrichtung entlang der Rotorachse und in Radialrichtung von der Rotorachse erstrecken. Mit anderen Worten sind die Rotormagnete in Ebenen angeordnet, welche durch die Radialrichtung und die Axialrichtung aufgespannt sind.
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Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht eine Oberwellen- oder Harmonischeneinspeisung (harmonic injection) im Rotorbetrieb vor, bei welcher Oberwellen oder Harmonische (harmonics) in die Oberfläche des Rotorkörpers eingespeist werden. Mit anderen Worten werden Harmonische im Betrieb des Elektromotors beziehungsweise Rotors in die Oberfläche des Rotorkörpers eingespeist.
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Unter einer „Oberwelle“ oder einer „Harmonischen“ ist hierbei insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches einer Grundfrequenz eines Rotorstroms zu verstehen, welcher aufgrund des im Motorbetrieb erzeugten Drehfeldes des Stators an der Oberfläche des Rotorkörpers induziert wird, und welcher gemäß der Lenz'schen Regel ein Rotormagnetfeld bewirkt, welches dem Drehfeld des Stators entgegengerichtet ist.
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Die Einspeisung der Harmonischen erfolgt hierbei durch Einspeisung eines elektrischen (Wechsel-)Stroms, welcher eine der Harmonischen entsprechende Frequenz aufweist. Durch die aktive Einspeisung oder Injektion von Harmonischen werden ein Rastmoment und eine Drehmomentpulsation des Elektromotors beziehungsweise des Rotors im Motorbetrieb reduziert.
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Vorzugsweise werden verschiedene Harmonische, in einer geeigneten Ausgestaltung insbesondere die dritte (3.) und fünfte (5.) Harmonische, in die Rotoroberfläche eingespeist, um das Rastmoment und die Drehmomentpulsation des Motors zu reduzieren.
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In einer möglichen Ausführung ist der Rotor als ein Innenläuferrotor ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Rotorkörper etwa zylindrisch ausgeführt ist, wobei die Rotormagnete radial nach außen orientiert angeordnet sind.
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In einer vorteilhaften Ausbildung sind die Rotormagnete aus einem Ferrit- oder Seltenerdematerial hergestellt. Die Rotormagnete weisen in einer geeigneten Ausgestaltung in einer von der Radialrichtung und der Tangentialrichtung aufgespannten Schnittebene eine trapezförmige, rechteckförmige, bogenförmige, sichelförmige, kreissegmentförmige oder brotlaibförmige Querschnittsform auf. Unter einer brotlaibförmigen Querschnittsform ist insbesondere die Form eines Kasten-Brotlaibs mit einer Rechteckform, bei welcher eine der Langseiten konvex nach außen gewölbt ausgebildet ist, zu verstehen. Unter einer sichelförmigen Querschnittsform ist insbesondere eine etwa halbmondförmige oder mondsichelförmige Querschnittsform, also beispielsweise die Differenz von zwei Kreisflächen, zu verstehen.
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Im Falle von rechteck- oder quaderförmigen Rotormagneten erfolgt die Magnetisierung insbesondere in tangentialer Richtung, beispielsweise bei Speichenrotoren. Im Falle von Brotlaib- oder Schalenmagnete erfolgt die Magnetisierung insbesondere in radialer Richtung.
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In einer bevorzugten Anwendung ist der vorstehend beschriebene Rotor Teil eines bürstenlosen Elektromotors eines Kraftfahrzeugs. Dadurch ist ein besonders geeigneter Elektromotor realisiert, bei welchem eine magnetische Sättigung des Stators sowie ein Rastmoment und eine Drehmomentpulsation reduziert sind. Der Elektromotor weist hierbei beispielsweise eine Einspeisevorrichtung zur Oberwelleneinspeisung des Rotors auf.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 ausschnittsweise einen Elektromotor eines Kraftfahrzeugs mit einem Stator und mit einem als Speichenrotor ausgeführten Rotor, und
- 2 ausschnittsweise den Rotor.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt ausschnittsweise einen bürstenlosen Elektromotor 2 mit einem Stator 4 und mit einem Rotor 6. Der insbesondere als IPM-Motor ausgebildete Elektromotor 2 ist als ein Innenläufer ausgeführt, wobei der als Speichenrotor ausgebildete Rotor 6 innerhalb des außenumfangsseitigen Stators 4 rotiert.
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Der Stator 4 weist ein Statorpaket 8 mit einem umlaufenden Statorjoch 10 und mit zwölf radial nach innen gerichteten Statorzähnen 12 auf. Zwischen den Statorzähnen 12 sind nicht näher bezeichnete Statornuten gebildet, wobei eine Statorwicklung 14 auf die Statorzähne 12 aufgebracht ist. In der 1 ist die Statorwicklung 14 lediglich ausschnittsweise gezeigt. Das Statorpaket 8 ist beispielsweise als ein stanzpaketiertes Blechpaket ausgeführt, wobei die Statorwicklung 14 beispielsweise in Form von Einzelspulen auf die Statorzähne 12 oder auf einen darauf aufgesetzten Spulenkörper gewickelt ist, welche miteinander zu einer Drehfeldwicklung verschaltet sind. Die Statorzähne 12 sind in den Figuren lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
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Der nachfolgend auch als Speichenrotor bezeichnete Rotor 6 weist einen zylindrischen Rotorkörper 16 auf, in welchem eine Anzahl von entlang einer Tangentialrichtung T verteilt angeordneten permanentmagnetischen Rotormagneten 18 aufgenommen ist.
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Der Rotorkörper 16 ist beispielsweise als ein Blechpaket ausgeführt. Der Rotorkörper 16 weist eine zentrale Aussparung 20 für eine Motorwelle auf. Der Rotorkörper 16 weist in dieser Ausführung zehn Polschuhe 22 auf, zwischen denen zehn Rotormagnete 18 speichenartig in nicht näher bezeichneten Aufnahmen angeordnet sind. Die Rotormagnete 18 sind mittels radialen Rippen oder Speichen 21 radial in den Aufnahmen gestützt. In den Figuren sind die Rotormagnete 18 und die Polschuhe 22 lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
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Die Rotormagnete 16 sind aus einem Ferrit- oder Seltenerdematerial hergestellt, und weisen in einer von einer Radialrichtung R und der Tangentialrichtung T aufgespannten Schnittebene eine rechteckförmige oder quaderförmige Querschnittsform auf. Die Rotormagnete 16 sind hierbei vorzugsweise in Tangentialrichtung T abwechselnd entgegengesetzt polarisiert, dies bedeutet, dass entlang der Tangentialrichtung T abwechselnd oder alternierend ein magnetischer Nordpol und ein magnetischer Südpol angeordnet sind.
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Unter „axial“ oder einer „Axialrichtung A“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung parallel (koaxial) zur Drehachse des Rotors 6, also senkrecht zu den Stirnseiten des Rotorkörpers 16 verstanden. Entsprechend wird hier und im Folgenden unter „radial“ oder einer „Radialrichtung R“ insbesondere eine senkrecht (quer) zur Drehachse des Rotors 6 orientierte Richtung entlang eines Radius des Rotorkörpers 16 verstanden. Unter „tangential“ oder einer „Tangentialrichtung T“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung entlang des Umfangs des Rotors 6 oder des Rotorkörpers 16 (Umfangsrichtung, Azimutalrichtung), also eine Richtung senkrecht zur Axialrichtung A und zur Radialrichtung R, verstanden.
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Nachfolgend ist der Aufbau des Rotors 6 anhand der 2 näher erläutert.
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Wie insbesondere in der 2 ersichtlich ist, weisen die Rotormagnete 18 entlang der Radialrichtung R jeweils eine Magnetbreite Wmag auf. Die Rotormagnete 18 sind in einem tangentialen Polabstand (pole pitch) Lpitch zueinander angeordnet. Der Polabstand Lpitch ist hierbei insbesondere eine außenumfangsseitige Bogenlänge entlang der Tangentialrichtung T des Rotorkörpers 16, welche sich von der tangentialen Mitte eines Rotormagnets 18 zu der tangentialen Mitte des jeweils in Tangentialrichtung T benachbarten Rotormagnets 18 erstreckt. Weiterhin ist jeweils ein Polbogen (pole arc) Larc zwischen zwei benachbarten Rotormagneten 18 gebildet, welcher eine außenumfangsseitige Bogenlänge entlang der Tangentialrichtung T des Rotorkörpers 16 ist, welche sich von einem tangentialen Ende eines Rotormagnets 18 zu dem tangentialen Anfang des jeweils in Tangentialrichtung benachbarten Rotormagneten 18 erstreckt. Der Polbogen Larc entspricht im Wesentlichen der tangentialen Länge eines Polschuhs 22.
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Der Rotor 6 weist ein maximales Verhältnis des magnetischen Flusses pro (Magnet-)Pol zum Volumen der Rotormagneten 18 auf. Hierzu sind einerseits das Verhältnis des Polabstands Lpitch zur Magnetbreite Wmag in den Bereich von 1,8 bis 2,1, und das Verhältnis des Polbogens Larc zur Magnetbreite Wmag in den Bereich von 1,4 bis 1,7 dimensioniert. Mit anderen Worten sind Lpitch/Wmag = 1,8 ... 2,1, und Larc/Wmag = 1,4 ... 1,7. Dadurch wird im Betrieb eine magnetische Sättigung des Stators 4 gemildert, und der magnetische Fluss pro (Magnet-)Pol erhöht. In der Folge werden das Magnetvolumen und die Herstellungskosten im Vergleich zu gewöhnlichen IPM-Rotoren mit Seltenerdmagneten reduziert.
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Durch die Verhältnisse Lpitch/Wmag und Larc/Wmag werden die Anzahl der Rotormagnete 18 und die Abmessungen oder der Radius des Rotorkörpers 16 effektiv mit der Magnetbereite Wmag, also wie tief sich die Rotormagnete 18 in den Rotorkörper 16 erstrecken, verknüpft. Dies bedeutet, dass beispielsweise bei einem gegebenen Rotorkörperdurchmesser und einer gegebenen Pol- oder Magnetanzahl die radiale Abmessung der Rotormagnete 18 entsprechend gewählt wird, um die Verhältnisse von Lpitch/Wmag = 1,8 ... 2,1, und Larc/Wmag = 1,4 ... 1,7 zu realisieren.
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Vorzugsweise erfolgt im Motorbetrieb des Elektromotors 2 eine Oberwellen- oder Harmonischeneinspeisung (harmonic injection), bei welcher Oberwellen oder Harmonische (harmonics) in die Oberfläche des Rotorkörpers 16 eingespeist werden. Vorzugsweise werden verschiedene Harmonische, insbesondere die dritte (3.) und fünfte (5.) Harmonische, in die Rotoroberfläche eingespeist, um das Rastmoment und die Drehmomentpulsation des Elektromotors 2 zu reduzieren.
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In einer geeigneten Dimensionierung sind die Rotormagnete 18 aus einen Seltenerdenmaterial hergestellt und weisen eine Magnetfeldstärke von etwa 1,3 T (Tesla) auf. Beispielsweise weisen die quaderförmigen Rotormagnete 18 hierbei eine tangentiale Magnetlänge von 2,51 mm (Millimeter) und eine radiale Magnetbreite von 6,3 mm sowie eine axiale Magnethöhe von 16,5 mm auf, wobei die Rotormagnete 18 beispielsweise jeweils 19,44 g (Gramm) wiegen. Der Rotorkörper 16 weist hierbei beispielsweise einen Außendurchmesser von etwa 38 mm, beispielsweise 37,84 mm, auf.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Elektromotor
- 4
- Stator
- 6
- Rotor
- 8
- Statorpaket
- 10
- Statorjoch
- 12
- Statorzahn
- 14
- Statorwicklung
- 16
- Rotorkörper
- 18
- Rotormagnet
- 20
- Aussparung
- 21
- Rippe/Speiche
- 22
- Polschuh
- A
- Axialrichtung
- R
- Radialrichtung
- T
- Tangentialrichtung
- Wmag
- Magnetbreite
- Lpitch
- Polabstand
- Larc
- Polbogen
