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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Rotor einer elektrischen Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Es ist schon ein Rotor einer elektrischen Maschine aus der
WO 2021/225902 A1 bekannt, mit einem um eine Rotorachse drehbaren Rotorträger, insbesondere einer Rotorwelle, einer als Faserverbundhülse ausgeführten Rotorhülse und einem zwischen dem Rotorträger und der Rotorhülse angeordneten Rotorkörper, der mehrere Rotorpole und pro Rotorpol zumindest eine Magnettasche zur Aufnahme von Magneten, insbesondere Permanentmagneten, umfasst, wobei der Rotorkörper bezüglich der Rotorachse radial innerhalb der Magnettaschen einen am Rotorträger abgestützten Basiskörper und radial außerhalb der Magnettaschen Außensegmentkörper aufweist.
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Die in den Magnettaschen liegenden Magnete können zur Fixierung zwischen dem jeweiligen Außensegmentkörper und dem Basiskörper in radialer Richtung verspannt werden, indem die Fasern der Faserverbundhülse unter Zugspannung auf den Rotorkörper aufgewickelt sind. Dieses Verfahren erfordert vergleichsweise hochfeste Fasern, die vergleichsweise teuer sind, da die Fasern beim Bewickeln noch nicht durch eine Kunststoff-Matrix fest verbunden und somit weniger belastbar sind. Außerdem ist die Herstellung einer solchen Faserverbundhülse vergleichsweise zeitaufwendig und teuer, da die Bewicklung für jeden Rotor separat erfolgt.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Rotor einer elektrischen Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Einspannung der Magnete in den Magnettaschen fertigungstechnisch vereinfacht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass höhere Vorspannungen in der Rotorhülse erzielbar sind, wodurch bei Drehzahlbelastung geringere Verformungen am Außenumfang des Rotors auftreten, so dass für den Rotor höhere Drehzahlen ermöglicht werden.
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Diese Vorteile können erfindungsgemäß erreicht werden, indem mehrere in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Basiskörper vorgesehen sind, indem jeweils zwischen benachbarten Basiskörpern im Bereich radial innerhalb der jeweiligen Magnettasche eine in radialer Richtung durchgehende radiale Trennung ausgebildet ist zur Ermöglichung einer radialen Verschiebung der Basiskörper und indem die Basiskörper zur Einspannung der Magnete in den Magnettaschen zwischen Rotorträger und Rotorhülse verspannbar sind, insbesondere mittels eines Übermaßes des Rotorträgers gemäß einer ersten Ausführungsvariante oder durch Wickeln der Rotorhülse unter Zugspannung gemäß einer zweiten Ausführungsvariante.
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Gemäß der ersten Ausführungsvariante werden die Basiskörper beim Einschieben des Rotorträgers in den Rotorkörper aufgrund eines Übermaßes des Rotorträgers in radialer Richtung zur Rotorhülse hin verschoben, so dass aufgrund einer Verformung der Rotorhülse eine Vorspannung in der Rotorhülse erzeugt wird, die zu einer Einspannung der Magnete in den Magnettaschen führt. Da das Einspannen der Magnete in den Magnettaschen nachträglich nach einem Einsetzen der Magnete in die Magnettaschen erfolgt, wird eine Beschädigung der Magnete, insbesondere einer Beschichtung der Magnete, beim Einsetzen der Magnete in die Magnettaschen vermieden. Weiterhin sind erfindungsgemäß sehr geringe Luftspalte zwischen der jeweiligen Magnettasche des Rotorkörpers und dem jeweiligen Magneten erreichbar.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Rotors einer elektrischen Maschine möglich.
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Nach der vorteilhaften ersten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Rotorträger mit einer Pressung in axialer Richtung in den Rotor derart eingesetzt ist, dass die Basiskörper unter einer Aufweitung der radialen Trennungen jeweils in radialer Richtung verschoben sind, wodurch eine Vorspannung in der Rotorhülse und infolgedessen die Einspannung der Magnete in den Magnettaschen erreichbar ist. Auf diese Weise kann die Rotorhülse eine vorgefertigte Faserverbundhülse sein, in die die Basiskörper, die Außensegmentkörper und die Magnete mit Spielpassung einsetzbar sind und in der nachträglich eine Vorspannung mittels des Rotorträgers erzeugbar ist. Eine unabhängig vom einzelnen Rotor vorgefertigte Rotorhülse hat den Vorteil, dass sie mit einer vielfachen Länge des Rotors hergestellt und anschließend in mehrere Rotorhülsen geteilt werden kann. Dadurch können die Herstellungskosten des Rotors verringert werden.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn benachbarte Basiskörper nach einem ersten Ausführungsbeispiel jeweils ebene, mit Abstand einander gegenüberstehende Trennflächen zur Bildung der jeweiligen radialen Trennung aufweisen. Auf diese Weise wird zwischen benachbarten Basiskörpern im Bereich radial innerhalb der jeweiligen Magnettasche ein in axialer und radialer Richtung durchgängiger Trennschlitz gebildet. Das erste Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass der Rotor einfach herstellbar ist. Weiterhin hat das erste Ausführungsbeispiel den geringen Nachteil, dass die radiale Trennung jeweils den magnetischen Flusswiderstand im jeweiligen Rotorpol geringfügig erhöht.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn benachbarte Basiskörper nach einem zweiten Ausführungsbeispiel jeweils eine Trenn-Schnittstelle zur Bildung der jeweiligen radialen Trennung aufweisen, wobei die jeweilige Trenn-Schnittstelle gebildet ist, indem die benachbarten Basiskörper jeweils durch überlappende Blechsegmente ineinandergreifen. Das zweite Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass die nachteilige Erhöhung des magnetischen Flusswiderstandes im jeweiligen Rotorpol zumindest verringert wird durch eine axiale Überbrückung der jeweiligen radialen Trennung der Basiskörper.
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Sehr vorteilhaft ist es, wenn zumindest einer, insbesondere jeder, der Basiskörper an seinem Innenumfang eine Formkontur zur Übertragung von Drehmoment, insbesondere einen Vorsprung oder eine Vertiefung, aufweist, die mit einer korrespondierenden Gegenformkontur des Rotorträgers zusammenwirkt, insbesondere formschlüssig. Auf diese Weise kann der Rotor ein höheres maximales Drehmoment übertragen, insbesondere bei hohen Drehzahlen.
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Auch vorteilhaft ist, wenn in den Magnettaschen jeweils ein Magnetkühlkanal zur Kühlung der Magnete vorgesehen ist, der über einen durch die jeweilige radiale Trennung gebildeten Trennschlitz mit einem im Rotorträger gebildeten Kühlkanal strömungsverbunden ist. Auf diese Weise kann die Kühlung der in den Magnettaschen liegenden Magnete verbessert werden.
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Desweiteren vorteilhaft ist, wenn die Außensegmentkörper und die Basiskörper mittels von Brückenstegen, die am Außenumfang des Rotorkörpers liegen, miteinander verbunden sind oder jeweils als separate Blechpakete ausgeführt sind. Die Verbindung der Außensegmentkörper und der Basiskörper über die Brückenstege erleichtert die Herstellung des Rotors, da der Montageaufwand sinkt. Die Brückenstege werden bei einer radialen Verschiebung der Basiskörper verformt.
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Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn der Rotorkörper nach einer ersten Ausführung durch ein Paket von kreisförmigen Blechlamellen gebildet ist, wobei die Blechlamellen jeweils Schlitze zur Erzeugung der radialen Trennung der Basiskörper aufweisen.
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Vorteilhaft ist, wenn der Rotorkörper nach einer zweiten Ausführung durch ein Flachpaket von konturierten Blechstreifen gebildet ist, wobei die konturierten Blechstreifen jeweils erste Blechsegmente zur Bildung der Außensegmentkörper und zweite Blechsegmente zur Bildung der Basiskörper umfassen, wobei die Blechsegmente des jeweiligen konturierten Blechstreifens mittels der Brückenstege miteinander verbunden sind, wobei das Flachpaket um den Rotorträger herum gebogen ist, wobei die Enden des Flachpakets von konturierten Blechstreifen in Umfangsrichtung nebeneinander liegen. Auf diese Weise können die Herstellungskosten verringert werden, da der Blechverschnitt beim Ausschneiden der konturierten Blechstreifen deutlich verringerbar ist, insbesondere wenn der Stator in einer ähnlichen linear abgewickelten Weise hergestellt wird.
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Außerdem vorteilhaft ist, wenn der Rotorkörper nach einer dritten Ausführung durch spiralförmiges oder helixförmiges Hochkantrollen eines konturierten Blechstreifens um den Rotorträger gebildet ist, wobei der konturierte Blechstreifen erste Blechsegmente zur Bildung der Außensegmentkörper und zweite Blechsegmente zur Bildung der Basiskörper umfasst, wobei die Blechsegmente des konturierten Blechstreifens mittels der Brückenstege miteinander verbunden sind. Auf diese Weise können die Herstellungskosten verringert werden, da der Blechverschnitt beim Ausschneiden der konturierten Blechstreifen deutlich verringerbar ist.
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Weiter vorteilhaft ist, wenn die Rotorhülse eine Faserverbundhülse ist, die eine Faserwicklung, insbesondere aus Glasfaser oder Carbonfaser, und ein ausgehärtetes Verbundmaterial zur Einbettung der Faserwicklung umfasst. Auf diese Weise können mit der Rotorhülse hohe Vorspannungen erzeugt oder aufgenommen werden, da die Fasern im ausgehärteten Verbundmaterial eingebettet und dadurch höher belastbar sind.
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In vorteilhafter Weise können die Magnettaschen jeweils U-förmig, V-förmig, C-förmig ausgeführt sein und jeweils zwei insbesondere spiegelsymmetrische Taschenschenkel aufweisen, wobei jeder der Taschenschenkel zur Aufnahme zumindest eines der Magnete ausgebildet ist. Auf diese Weise kann das maximal erzeugbare Drehmoment der elektrischen Maschine erhöht werden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor einer elektrischen Maschine,
- 2 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Rotors nach 1,
- 3 eine Ansicht von radial innen auf einen Teil eines der Rotorpole des erfindungsgemäßen Rotorkörpers nach 1 und 2 nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine Ansicht von radial innen auf einen Teil eines der Rotorpole des erfindungsgemäßen Rotorkörpers nach 1 und 2 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 5 einen der Rotorpole des erfindungsgemäßen Rotors nach 1 bis 3 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
- 6 zwei konturierte Blechstreifen zur Herstellung des erfindungsgemäßen Rotors,
- 7 ein Herumbiegen eines konturierten Blechstreifens um einen Rotorträger nach 1 und 2 zur Herstellung des erfindungsgemäßen Rotors,
- 8 den Rotor nach 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nach 4.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor einer elektrischen Maschine.
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Der erfindungsgemäße Rotor 2 einer elektrischen Maschine 1 umfasst einen um eine Rotorachse 3 drehbaren Rotorträger 4, insbesondere einer Rotorwelle, eine Rotorhülse 5 und einen zwischen dem Rotorträger 4 und der Rotorhülse 5 angeordneten Rotorkörper 6. Der Rotorkörper 6 hat mehrere Rotorpole 7 und pro Rotorpol 7 zumindest eine Magnettasche 8 zur Aufnahme von Magneten 9, insbesondere Permanentmagneten. Der Rotorkörper 6 weist bezüglich der Rotorachse 3 radial innerhalb der Magnettaschen 8 zumindest einen am Rotorträger 4 abgestützten Basiskörper 10 und radial außerhalb der Magnettaschen 8 Außensegmentkörper 11 auf.
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Die Außensegmentkörper 11 reichen also in radialer Richtung jeweils von der Rotorhülse 5 bis an die jeweilige Magnettasche 8. Die Basiskörper 10 reichen in radialer Richtung jeweils von der Rotorhülse 5 bis an den Rotorträger 4.
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Die Basiskörper 10 und/oder die Außensegmentkörper 11 sind jeweils aus einem Blechpaket von Blechsegmenten 12 gebildet. Die Blechsegmente 12 jedes Blechpakets sind insbesondere miteinander gefügt, beispielsweise durch Stanzpaketieren, Kleben oder Schweißen.
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Die Rotorhülse 5 ist beispielsweise eine Faserverbundhülse, die eine Faserwicklung, insbesondere aus Glasfaser oder Carbonfaser, und ein ausgehärtetes Verbundmaterial zur Einbettung der Faserwicklung umfasst. Die Rotorhülse kann eine vorgefertigte Faserverbundhülse oder eine auf den Rotorkörper 6 gewickelte Faserverbundhülse sein. Bei einer auf den Rotorkörper 6 gewickelten Faserverbundhülse wird zunächst eine Faserwicklung aufgewickelt und anschließend das Verbundmaterial flüssig aufgebracht.
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Die Magnettaschen 8 können beispielsweise jeweils U-förmig, V-förmig, C-förmig ausgeführt sein und jeweils zwei insbesondere spiegelsymmetrische Taschenschenkel 8.1 aufweisen. Dabei ist jeder der Taschenschenkel 8.1 zur Aufnahme zumindest eines der Magnete 9 vorgesehen.
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2 zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Rotors nach 1.
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Erfindungsgemäß sind mehrere in Umfangsrichtung bezüglich der Rotorachse 3 hintereinander angeordnete Basiskörper 10 vorgesehen. Weiterhin ist erfindungsgemäß jeweils zwischen benachbarten Basiskörpern 10 im Bereich radial innerhalb der jeweiligen Magnettasche 8 eine in radialer Richtung bezüglich der Rotorachse 3 durchgehende radiale Trennung 14 ausgebildet ist zur Ermöglichung einer radialen Verschiebung der Basiskörper 10. Darüber hinaus sind die Basiskörper 10 zur Einspannung der Magnete 9 in den Magnettaschen 8 zwischen Rotorträger 4 und Rotorhülse 5 verspannbar, beispielsweise mittels eines Übermaßes des Rotorträgers 4 oder durch Wickeln der Rotorhülse 5 unter Zugspannung.
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Durch die radiale Trennung 14 wird erreicht, dass in Umfangsrichtung bezüglich der Rotorachse 3 gesehen jeder Außensegmentkörper 11 zwei benachbarte Basiskörper 10 aufweist und umgekehrt.
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Die Basiskörper 10 erweitern sich nach radial innen zum Rotorträger 4 hin in Umfangsrichtung und können beispielsweise die Form eines gleichschenkligen Trapezes, T-förmig, pilzförmig, schirmförmig, keilförmig oder tannenbaumförmig ausgeführt sein.
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Die Außensegmentkörper 11 sind im Querschnitt beispielsweise kreissektorförmig ausgebildet. Außerdem kann in den Außensegmentkörpern 11 jeweils zumindest eine weitere Magnettasche 18 zur Aufnahme eines der Magnete 8 vorgesehen sein.
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Die radiale Trennung 14 kann jeweils im Bereich einer Polmitte 7.1 des jeweiligen Rotorpols 7 liegen, insbesondere in der Polmitte 7.1. Die Rotorpol 7 sind in Umfangsrichtung zwischen zwei Polrändern gebildet, wobei eine Mittelachse 10.1 des jeweiligen Basiskörpers 10 beispielsweise einen der beiden Polränder eines der Rotorpole 7 bildet und beispielsweise die Mittelachsen 10.1 von benachbarten Basiskörpern 10 jeweils einen der Rotorpole 7 in Umfangsrichtung begrenzen.
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Der Rotorträger 4 kann nach einer ersten Ausführungsvariante mit einer durch das Übermaß erzeugten Pressung in axialer Richtung in den Rotor 2 derart eingesetzt sein, dass die Basiskörper 10 unter Aufweitung der radialen Trennungen 14 jeweils in radialer Richtung verschoben sind, wodurch eine Vorspannung in der Rotorhülse 5 und infolgedessen die Einspannung der Magnete 9 in den Magnettaschen 8 erreichbar ist.
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Zumindest einer, insbesondere jeder, der Basiskörper 10 weist an seinem dem Rotorträger 4 zugewandten Innenumfang eine Formkontur 20 zur Übertragung von Drehmoment, insbesondere einen Vorsprung oder eine Vertiefung, auf, die mit einer korrespondierenden Gegenformkontur 21 des Rotorträgers 4 zusammenwirkt, insbesondere formschlüssig. Nach 2 ist die Formkontur 20 beispielsweise als Vertiefung und die Gegenformkontur 21 des Rotorträgers 4 beispielsweise als zahnförmiger Vorsprung ausgebildet. Die Formkontur 20 und die Gegenformkontur 21 sind beispielsweise in radialer Richtung gesehen hinterschnittfrei ausgeführt.
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Die Außensegmentkörper 11 und die Basiskörper 10 können mittels von Brückenstegen 25, die an einem der Rotorhülse 5 zugewandten Außenumfang des Rotorkörpers 6 liegen, miteinander verbunden sein oder jeweils als separate Blechpakete vorgesehen sein.
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Der Rotorkörper 6 kann nach einer ersten Ausführung durch ein Paket von kreisförmigen Blechlamellen gebildet sein, wobei die kreisförmigen Blechlamellen jeweils Blechschlitze 13 zur Erzeugung der radialen Trennung 14 der Basiskörper 10 aufweisen.
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Alternativ kann der Rotorkörper 6 nach einer zweiten Ausführung durch ein sogenanntes Flachpaket von konturierten Blechstreifen 26 gebildet sein. Die konturierten Blechstreifen 26 umfassen jeweils erste Blechsegmente 27 zur Bildung der Außensegmentkörper 11 und zweite Blechsegmente 28 zur Bildung der Basiskörper 10. Die Blechsegmente 27,28 des jeweiligen konturierten Blechstreifens 26 sind mittels der Brückenstege 25 miteinander verbunden, so dass der konturierte Blechstreifen 26 eine Segmentkette bildet. In 6 sind zwei ineinander verschachtelte Segmentketten dargestellt, die mit wenig Blechverschnitt aus einem geradlinigen Blechstreifen ausstanzbar oder ausschneidbar und anschließend mit weiteren der Segmentketten zu dem Flachpaket stapelbar sind. Das Flachpaket 6 ist gemäß der zweiten Ausführung um den Rotorträger 4 herum gebogen, wobei die Enden des Flachpakets 6 von konturierten Blechstreifen 26 in Umfangsrichtung nebeneinander liegen. Die konturierten Blechstreifen 25 gemäß der zweiten Ausführung haben also eine Länge entsprechend des Umfangs des Rotorkörpers 6.
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Nach einer dritten Ausführung kann der Rotorkörper 6 auch durch ein spiralförmiges oder helixförmiges Wickeln, also sogenanntes Hochkantrollen, eines nach 6 oder 7 konturierten Blechstreifens 26 um den Rotorträger 4 gebildet sein. Der konturierte Blechstreifen 26 weist wie in der zweiten Ausführung erste Blechsegmente 27 zur Bildung der Außensegmentkörper 11 und zweite Blechsegmente 28 zur Bildung der Basiskörper 10 auf, wobei die Blechsegmente 27,28 des konturierten Blechstreifens 26 auch mittels der Brückenstege 25 miteinander verbunden sind. Der konturierte Blechstreifen 25 gemäß der dritten Ausführung hat durch das helixförmige Aufwickeln eine Länge entsprechend eines Vielfachen des Umfangs des Rotorkörpers 6.
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3 zeigt eine Ansicht von radial innen auf einen Teil eines der Rotorpole des erfindungsgemäßen Rotorkörpers nach 1 und 2 nach einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Nach dem ersten Ausführungsbeispiel haben jeweils benachbarte Basiskörper 10 ebene und mit Abstand einander gegenüberstehende Trennflächen 15 zur Bildung der jeweiligen radialen Trennung 14. Auf diese Weise wird zwischen benachbarten Basiskörpern 10 im Bereich radial innerhalb der jeweiligen Magnettasche 8 ein in axialer und radialer Richtung durchgängiger Trennschlitz 16 gebildet.
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4 zeigt eine Ansicht von radial innen auf einen Teil eines der Rotorpole des erfindungsgemäßen Rotorkörpers nach 1 und 2 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Nach dem zweiten Ausführungsbeispiel haben benachbarte Basiskörper 10 jeweils eine Trenn-Schnittstelle 17 zur Bildung der jeweiligen radialen Trennung 14, wobei die jeweilige Trenn-Schnittstelle 17 gebildet ist, indem benachbarte Basiskörper 10 durch überlappende Blechsegmente 12 ineinandergreifen.
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5 zeigt einen der Rotorpole des erfindungsgemäßen Rotors nach 1 bis 3 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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In den Magnettaschen 8 des Rotors 2 kann jeweils ein Magnetkühlkanal 22 zur Kühlung der Magnete 9 vorgesehen sein, der über den jeweiligen Trennschlitz 16 mit einem im Rotorträger 4 ausgebildeten Kühlkanal 23 strömungsverbunden ist.
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8 zeigt den Rotor nach 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nach 4.
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Die Trenn-Schnittstellen 17 können für einen Rotorkörper 6 beispielsweise gebildet werden, indem die radiale Trennung 14 mit dem Blechschlitz 13 in Umfangsrichtung des Rotors 2 gesehen von Rotorpol 7 zum nächsten Rotorpol 7 abwechselnd außer-polmittig rechts oder außer-polmittig links vorgesehen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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