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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Magneten für einen Rotor, einen Rotor mit Magnet, eine Axialflussmaschine und ein Herstellverfahren für den Magneten bzw. den Rotor.
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Bekannte Axialflussmotoren weisen einen scheibenförmigen Rotor auf, der zwischen zwei Statorscheiben rotiert, wobei zwischen Rotor und den Statoren ein Luftspalt vorhanden ist. Der Rotor weist dabei einen Permanentmagneten auf, der ein Magnetfeld erzeugt. Die Statoren weisen Spulen auf, die ebenfalls ein Magnetfeld erzeugen. Der Fluss der Feldlinien verläuft dabei entlang einer Rotationsachse des Rotors. Bei hohen Drehzahlen des Axialflussmotors kann der Permanentmagnet am Rotor dabei hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sein. Durch die hohen mechanischen Belastungen kann der Permanentmagnet beschädigt werden, indem sich Teile des Magneten vom Rotor ablösen oder der Rotor zumindest teilweise bricht. Eine mechanische Beschädigung des Magneten ist ein häufiger Grund für einen Ausfall einer Elektromaschine. Ferner entstehen bei der Verwendung eines Permanentmagneten am Rotor Wirbelstromverluste, die es zu minimieren gilt.
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Aus der
WO 2022 / 167 941 A1 ist eine magnetische Struktur für einen Rotor eines Axialflussmotors bekannt. Zur Reduzierung der Wirbelstromverluste weist die magnetische Struktur bzw. ein Magnet am Rotor mehrere Schlitze auf, die die magnetische Struktur in einzelne (Magnet-)Segmente unterteilen. Die Schlitze sind zueinander senkrecht ausgerichtet und unterteilen den Magneten somit in eine Anzahl von kleinen Rechtecken. Dabei ist der Magnet von zwei gegenüberliegenden Seiten geschlitzt, sodass sich in der Mitte des Magneten ein durchgehender Steg zwischen den gegenüberliegenden Schlitzen ausbildet, der den Magneten zusammenhält.
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Die einzelnen Segmente haben geringere Wirbelstromverluste als ein massiver Magnetblock. Dabei ergibt sich aber ein Zielkonflikt bezüglich der Tiefe der Schlitze. Je tiefer die Schlitze sind, desto geringer sind die Wirbelstromverluste, andererseits weist der Magnet eine höhere Festigkeit auf, je dicker der mittlere Steg ist.
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Es ist also die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, die Nachteile des Standes der Technik zu überkommen oder zumindest zu vermindern und insbesondere einen Rotor für eine Elektromaschine bereitzustellen, der sowohl geringe Wirbelstromverluste als auch eine hohe mechanische Festigkeit eines Magneten am Rotor aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Magneten durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, nämlich dadurch, dass die Schlitze bei Betrachtung senkrecht zur Schlitztiefe abwechselnd auf die beiden Seiten verteilt sind. Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung wird ferner durch einen Rotor gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6, eine Axial-Fluss-Maschine gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Herstellverfahren für einen Rotor bzw. einen Magneten gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst, nämlich das Einbringen von mehreren parallelen zu einander beabstandeten Schlitzen, die in das Innere eines Magnet-Rohlings verlaufen und bei Betrachtung quer zur Schlitzrichtung abwechselnd auf gegenübeliegende Seiten des Magnet-Rohlings verteilt sind; Magnetisieren des geschlitzten Magnet-Rohlings, sodass eine Magnetisierungsrichtung einer Tiefenrichtung der Schlitze entspricht; und Einbringen des zumindest einen geschlitzten Magneten in eine Fassung des Rotors. Es ist dabei wünschenswert, dass die Schlitze weitgehend parallel zur erwarteten mechanischen Kraftrichtung im Einsatz verlaufen.
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Die Erfindung betrifft einen Magnet für einen Rotor einer Axial-Fluss-Maschine, mit einem Grundkörper, der zumindest zwei außenoberflächige, sich gegenüberliegenden Seiten besitzt, von denen sich Schlitze in das Innere hinein erstrecken. Erfindungsgemäß sind die Schlitze bei Betrachtung senkrecht zur Schlitztiefe abwechselnd auf die beiden Seiten verteilt.
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In anderen Worten sind die Schlitze auf die Seiten der gegenüberliegenden Außenoberflächen verteilt, so dass die Schlitze senkrecht zur Schlitztiefe auf jeder Seite versetzt sind).
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In anderen Worten weist ein Rotor für eine Elektromaschine, insbesondere einen Axialflussmotor bzw. einen Scheibenläufermotor, zumindest eine magnetische Struktur oder zumindest einen Magneten mit einer (flachen) Grundplatte auf. Die Grundplatte hat zwei gegenüberliegende Grundflächen und eine Höhe. Ferner weist die Grundplatte mehrere parallel beabstandete längliche Schlitze oder Aussparungen auf, die sich in die Höhenrichtung der Grundplatte erstrecken. Offenbarungsgemäß sind alle Schlitze in ihrer Längsrichtung oder Längserstreckung in die gleiche Richtung ausgerichtet.
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Der Magnet hat also einen plattenförmigen Grundkörper mit den zwei gegenüberliegenden Grundflächen und der Höhe, von denen aus sich die Mehrzahl von Schlitzen senkrecht in die Höhenrichtung des Grundkörpers bzw. in den plattenförmigen Grundkörper hineinerstrecken. Ferner weist die Mehrzahl an Schlitzen eine Erstreckung oder Ausdehnung in eine Längsrichtung auf. Die Mehrzahl an parallelen Schlitzen erstreckt sich in die gleiche Richtung. Die Schlitze verlaufen weitgehend parallel zur erwarteten mechanischen Kraftrichtung im Einsatz. Mit anderen Worten verlaufen die Schlitze vorzugsweise radial bezogen auf die Rotationsachse, so dass die Fliehkräfte parallel zu den Schlitzen verlaufen. Besonders bevorzugt verlaufen die Schlitze, insbesondere in einer Axialflussmaschine, parallel zueinander. In anderen Elektromaschinenformen können die Schlitze fächerartig angeordnet sein.
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Der Magnet kann nach dem Einbringen der Schlitze magnetisiert werden. Dabei kann die Magnetisierungsrichtung der Höhe der Grundplatte entsprechen. Die Schlitze sind also in dem Grundkörper des massiven Magneten ausgebildet und gehen derart von den beiden (Grund-)Seiten des Magneten aus, dass die Schlitztiefe bzw. die Schlitzrichtung mit der späteren Magnetisierungsrichtung übereinstimmt.
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Der offenbarungsgemäße Magnet wird in kleinere Magnetsegmente aufgeteilt. Jedes der Magnetsegmente kann einen eigenen (kleineren) Magnetpol bilden. Es hat sich gezeigt, dass durch die kleineren Magnetsegmente geringere Wirbelstromverluste auftreten. Die Wirbelstromverluste wurden auch im Vergleich zum Stand der Technik reduziert. Ferner weist die Form des segmentierten Magneten auch eine ausreichende mechanische Festigkeit auf.
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Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung wird ferner durch ein Herstellverfahren des Rotors gelöst. Das offenbarungsgemäße Herstellverfahren weist dabei die folgenden Schritte auf. Die mehreren parallelen zu einander beabstandeten Schlitzen, die in das Innere eines Magnet-Rohlings verlaufen und bei Betrachtung quer zur Schlitzrichtung abwechselnd auf gegenüberliegende Seiten des Magnet-Rohlings verteilt sind, werden in einen Rohling des Magneten eingebracht. Anschließend wird der geschlitzte oder segmentierte Magnet-Rohling derart magnetisiert, dass die Magnetisierungsrichtung des Magneten der Höhe der Grundplatte und damit der Tiefenrichtung der Schlitze entspricht. Optional werden die Schlitze mit einer Füllmasse (z.B. Klebstoff) aufgefüllt, um die mechanische Festigkeit zu erhöhen. In einem abschließenden Schritt werden die einen oder mehreren geschlitzten oder segmentierten Magnet in eine Fassung des Rotors eingebaut.
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Bei dem Rohling handelt es sich um magnetisierbares Material, das noch nicht magnetisiert worden ist. Dabei kann es sich beispielsweise um ein ferromagnetisches oder ferrimagnetisches Material handeln. Insbesondere kann es sich um seltene Erden wie beispielsweise Neodym handeln.
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Durch das Magnetisieren des geschlitzten oder segmentierten Magnet-Rohlings wird der geschlitzte oder segmentierte Magnet hergestellt. Durch das Magnetisieren des Rohlings mit der Magnetisierungsrichtung in Tiefenrichtung der Schlitze wird die Segmentierung des Magneten verstärkt und der Wirbelstromverlust reduziert.
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Vorzugsweise können die Schlitze nach der Magnetisierung vergossen werden. Dadurch kann die mechanische Stabilität oder Festigkeit der Struktur verbessert werden. Zum Vergießen wird insbesondere ein nicht-magnetisierbares Material verwendet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung wird ferner durch einen Rotor mit einem Magneten gemäß den vorstehenden Aspekten gelöst.
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Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung wird ferner durch eine Elektromaschine, insbesondere durch einen Axialflussmotor mit einem Rotor gemäß den vorstehenden Aspekten gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Offenbarung sind Gegenstand der beigefügten Unteransprüche.
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Nach einem vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung erstrecken sich die Schlitze jeweils von den beiden gegenüberliegenden Grundflächen aus. Dabei können die mehreren Schlitze von jeweils einer der beiden Grundflächen aus in Richtung der Mitte der Grundplatte ausgebildet oder ausgerichtet sein. Dadurch kann die Grundplatte stärker geschlitzt ausgebildet sein. Die Magnetsegmente können somit kleiner ausgebildet und die Wirbelstromverluste reduziert werden.
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Vorzugsweise sind die Schlitze, die von den jeweils gegenüberliegenden Seiten ausgehen, in Breitenrichtung zueinander versetzt. D.h. die Schlitze sind auf den gegenüberliegenden Seiten jeweils senkrecht zur Schlitztiefe versetzt. Dadurch, dass die Schlitze, die sich von den jeweils gegenüberliegenden Grundflächen erstrecken, zueinander versetzt sind, treffen sich die Schlitze nicht in der Mitte der Grundplatte. Dadurch wird die verbleibende Struktur der Grundplatte dicker. Somit kann eine höhere mechanische Festigkeit der verbleibenden Grundplatte erreicht werden.
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Vorzugsweise geben die Schlitze ein mäanderförmiges Muster vor. Die Tiefe der Schlitze ist also geringer, als die Dicke des Magneten in Schlitzrichtung gemessen. D.h. die Schlitze sind jeweils tiefer als eine halbe Höhe des Grundkörpers. Die Schlitztiefe ist also etwas geringer als die Magnetdicke bzw. -höhe, sodass sich ein mäanderförmiger zusammenhängender Körper ergibt. Da die Schlitze zueinander versetzt sind, können die einzelnen Schlitze tiefer sein als die halbe Grundplattenhöhe oder -dicke. Wenn die Schlitze nicht zueinander versetzt wären, würde keine Struktur mehr für die Festigkeit des Magneten verbleiben. Die versetzten Schlitze ergeben von einer Stirnseite aus gesehen eine mäanderförmige Struktur. Durch die Schlitze, die fast genauso tief sind wie die Grundplatte hoch ist, sind die einzelnen Magnetsegmente effektiv voneinander getrennt, was die Wirbelstromverluste reduziert. Es ist bevorzugt, wenn die Tiefe der Schlitze größer als 50% der Dicke des Magneten ist.
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Die verbleibende mäanderförmige Struktur der Grundplatte hat aber dennoch eine ausreichende mechanische Festigkeit, damit der Magnet nicht bei hoher Drehgeschwindigkeit beschädigt wird.
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Vorzugsweise erstrecken sich die Schlitze über eine gesamte Länge der Grundplatte. Die Grundplatte hat eine Ausdehnung in Breiten- und Längenrichtung. Die Schlitze sind über die gesamte Längenrichtung ausgebildet. Somit sind die einzelnen Magnetsegmente voneinander getrennt und die Wirbelstromverluste werden reduziert.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze mit einer nicht magnetischen Verbindungsmasse aufgefüllt werden.
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Vorteilhafterweise ist der Rotor als zumindest teilweise hohle Scheibe ausgebildet. Ferner kann der Rotor mehrere Magneten aufweisen, die in Umfangsrichtung entlang der Scheibe angebracht sind und zumindest teilweise in Umfangsrichtung zueinander beabstandet sind. Die Magneten können ein Magnetfeld erzeugen.
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Der Rotor der Elektromaschine kann die Scheibe sein, die auf einer Welle angeordnet ist. Auf der Welle kann zusätzliche eine oder zwei Statorscheiben angeordnet sein, wobei der Rotor von beiden Seiten von einer Statorscheibe benachbart sein kann. Zwischen dem Rotor und der oder den Statorscheiben kann ein Luftspalt vorhanden sein. Die Statoren können Spulen aufweisen, die ein Magnetfeld erzeugen, dass in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Rotormagneten treten kann und somit eine Rotation des Rotors um die Welle bewirken kann. Der magnetische Fluss kann dabei parallel zu der Welle bzw. einer Rotationsachse des Rotors verlaufen.
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Es ist natürlich denkbar, dass die Elektromaschine nicht nur einen Rotor aufweist, der von Statoren benachbart ist, sondern sich eine Mehrzahl an offenbarungsgemäßen Rotoren und Statoren gegenseitig entlang der Rotationsachse abwechseln.
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Vorzugsweise ist zumindest ein Teil der Schlitze radial zu der Rotationsachse des Rotors ausgerichtet. Dadurch können die Schlitze in Richtung einer mechanischen Belastung ausgerichtet sein. Bei hohen Drehzahlen der Elektromaschine können hohe Zentrifugalkräfte auf den Rotor wirken. Dadurch kann der Großteil der mechanischen Belastung auf den Rotor und damit auf den Magnet radial zu der Rotationsachse wirken. Wenn die Schlitze im Wesentlichen oder zumindest ein Teil der Schlitze radial zur Rotationsachse ausgerichtet sind, kann eine Belastung senkrecht zu den Schlitzen vermieden werden, die die anfälligsten Abschnitte des Magneten darstellen. Die Schlitze können somit hauptsächlich auf Zug belastet sein, was in einer höheren mechanischen Festigkeit resultiert. Die Hauptkräfte verlaufen weitgehend parallel zu den Schlitzen. Aufgrund eventuell unterschiedlicher Kräfte auf dem Umfang, treten eventuell Scherkräfte im Bereich der Schlitze auf.
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Der Verlauf der Schlitze (Schlitzrichtung) entspricht also vorzugsweise annähernd der Richtung der späteren mechanischen Belastung.
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Alternativ könnten die Schlitze auch radial genau parallel zur mechanisch erwarteten Last verlaufen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung kann ferner durch eine Elektromaschine mit zumindest einem Rotor gemäß einem der vorstehenden Aspekte gelöst werden. Die Elektromaschine weist dazu die Welle auf, auf zumindest der Rotor und der Stator axial nebeneinander angebracht sind. Die Elektromaschine kann also insbesondere ein Axialflussmotor sein. Diese können eine kleine Baugröße und hohe Spitzenleistungen haben.
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Die Erfindung wir nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Rotors gemäß der vorliegenden Offenbarung,
- 2 eine Seitenansicht einer magnetischen Struktur des Rotors gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 3 eine Draufsicht auf die magnetische Struktur des Rotors gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Herstellverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Seitenansicht eines Magneten bzw. einer magnetischen Struktur 1 für einen Rotor 2 für eine Elektromaschine. Der Magnet 1 weist einen Grundkörper 3 auf, die zwei gegenüberliegende Seiten oder Grundflächen 4 und eine Höhe hat. Der Grundkörper 3 weist mehrere längliche Schlitze 5 auf, die sich in das Innere des Grundkörpers 3 hinein erstrecken. Die Schlitze sind bei Betrachtung senkrecht zur Schlitztiefe abwechselnd auf die beiden Seiten verteilt.
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Die Schlitze 5 gehen also jeweils von den gegenüberliegenden Seiten 4 aus bzw. erstrecken sich von den gegenüberliegenden Seiten 4 aus in Richtung der jeweils anderen Seite 4. Die Schlitze 5, die jeweils von gegenüberliegenden Seiten 4 ausgehen, sind in Breitenrichtung des Grundkörpers 3 zueinander versetzt. Alle Schlitze sind zueinander parallel ausgerichtet. Die Tiefe der Schlitze 5 ist tiefer als die halbe Höhe des Grundkörpers 3. Somit verbleibt durch die Schlitze 5 eine mäanderförmige Struktur des Grundkörpers 3.
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2 zeigt eine Draufsicht auf den Grundkörper 3. Der Grundkörper 3 ist im Wesentlichen trapezförmig, wobei eine Höhe des Trapezes größer ist als eine Basis des Trapezes. Die Schlitze 5, die alle parallel ausgerichtet sind, verlaufen in Längsrichtung des trapezförmigen Grundkörpers 3. D. h. die Schlitze 5 verlaufen entlang der Höhe des Trapezes. Durch die gestrichelten Linien sind die Schlitze 5 angedeutet, die von der gegenüberliegenden Seite 4 ausgehen. Es ist gezeigt, dass die Schlitze 5, die von der gegenüberliegenden Seite 4 ausgehen, parallel zu den oberen Schlitzen 5 versetzt sind.
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3 zeigt den Rotor 2 mit mehreren Magneten 1. Der Rotor 2 ist als eine zumindest teilweise hohle Scheibe ausgebildet. Der Rotor 2 weist die mehreren Magnete 1 auf, die in Umfangsrichtung der Scheibe angeordnet sind und die zumindest teilweise in Umfangsrichtung der Scheibe voneinander beabstandet sind. Die Magnete 1 bilden somit im Wesentlichen eine kreisförmige Außenstruktur. Die einzelnen Magnete 1 sind in einer Fassung 6 des Rotors 2 befestigt. Die Schlitze 5 der Magnete 1 sind dabei derart angeordnet, dass sie im Wesentlichen senkrecht auf einer Rotationsachse 7 des Rotors 2 stehen. Die Schlitze 5 verlaufen also im Wesentlichen radial von der Rotationsachse 7 nach außen. Damit verlaufen die Schlitze 5 im Wesentlichen entlang der mechanischen Belastung. Somit haben die geschlitzten Magnete 1 eine hohe mechanische Festigkeit gegen die Belastung durch die hohe Drehzahl. Es ist selbstverständlich auch denkbar, dass die Schlitze 5 radial zur Rotationsachse 7 ausgerichtet sind. Die Schlitze 5 sind dabei so ausgestaltet, dass die Schlitze 5 einen Luftspalt zwischen den einzelnen benachbarten Magnetkanten bilden. Die Schlitze sind optisch nicht von den Magnetkanten zu unterscheiden. Technisch möglich, aber selten in der Realität umgesetzt, ist, dass die Magnete radial außen ohne Abstand dargestellt sind.
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Der Rotor 2 mit den mehreren Magneten 1 ist dafür vorbereitet und ausgerichtet, um die Rotationsachse 7 drehbar zu sein. Dabei ist der Rotor 2 Teil einer Elektromaschine (nicht dargestellt) oder Axialflussmaschine und ist von zwei scheibenförmigen Statoren umgeben, die Spulen aufweisen, die ein Magnetfeld erzeugen, dass den Rotor 2 antreibt.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Herstellverfahren für den Rotor 2. Das Herstellverfahren weist die folgenden Schritte auf. In Schritt S1 werden die mehreren Schlitze 5 in einen Rohling geschnitten oder gestanzt. Dadurch wird der Rohling segmentierte. Der segmentierte oder geschlitzte Rohling wird anschließend in Schritt S2 magnetisiert. (S1 wird also 2x verwendet.) Dabei entspricht die Magnetisierungsrichtung der Höhe des Grundkörpers 3 des Magnets 1 und damit der Tiefenrichtung der Schlitze 5. Somit wird aus dem segmentierten oder geschlitzten Rohling der segmentierte oder geschlitzte Magnet 1. In Schritt S3 werden der oder die segmentierten oder geschlitzten Magnete 1 in die Fassung 6 des Rotors 2 eingesetzt. Dadurch entsteht der scheibenförmige Rotor 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnet
- 2
- Rotor
- 3
- Grundkörper
- 4
- Grundfläche
- 5
- Schlitze
- 6
- Fassung
- 7
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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