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Stand der
Technik
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Die Erfindung geht aus von einer
elektrischen Maschine, insbesondere einem bürstenlosen Synchronmotor, nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei herkömmlichen, permanentmagneterregten,
bürstenlosen
Synchronmotoren, die als Innenläufermotoren
konzipiert sind, sind die das Erregerfeld im Arbeitsluftspalt zwischen
Rotor und Stator erzeugenden Permanentmagnete als Schalensegmente
auf der Oberfläche
des Rotors fixiert. Ein solcher Synchronmotor weist, wenn er optimiert
ist, ein niedriges Rastmoment und eine geringe Drehmomentenwelligkeit
auf, was sehr günstig
für bestimmte
Anwendungen des Motors ist, wo ein sehr glattes Drehmoment gefordert
wird. Der Nachteil dieses Motors ist der hohe Gestehungspreis, der
insbesondere in der Herstellung der schalenförmigen Permanentmagnete begründet ist,
die zur Erzeugung der Schalenform geschliffen werden müssen.
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Um die Herstellungskosten zu reduzieren, sind
daher bürstenlose
Synchronmotoren entwickelt worden, bei denen die Permanentmagnete
in den Rotor eingebettet, darin "vergraben" sind (
EP 1 028 047 A2 ). Die "vergrabenen" Permanentmagnete
sind meist rechteckförmig
und lassen sich einfach aus einem großen Block des Permanentmagnetmaterials schneiden,
was gegenüber
einem Schalensegmentmagneten eine Kosteneinsparung mit sich bringt.
Ein solcher bekannter bürstenloser
Synchronmotor mit "innen
vergrabenen" Fermanentmagneten,
auch IPM-Motor genannt, neigt selbst bei Optimierung zu einem wesentlich
höheren
Rastmoment und einer höheren
Drehmomentenwelligkeit als ein vergleichbarer Motor mit schalenförmigen Permanentmagnetsegmenten
auf der Rotoroberfläche.
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Vorteile der
Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere
der erfindungsgemäße bürstenlose Synchronmotor,
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber dem bekannten IPM-Motor
den Vorteil eines wesentlich reduzierten Rastmoments und einer wesentlich
geringeren Drehmomentenwelligkeit. Gegenüber dem bekannten, bürstenlosen
Synchronmotor mit schalenförmigen
Permanentmagnetsegmenten auf der Oberfläche des Rotors sind die Herstellungskosten
wesentlich niedriger und liegen auf dem gleichen Niveau wie für den bekannten
IPM-Motor.
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Durch die erfindungsgemäße magnetische Anisotropie
der Polschuhe, also der den "vergrabenen" Permanentmagneten
hin zum Arbeitsluftspalt vorgelagerten Bereiche des Rotors, wird
der Verlauf der induzierten Spannung oder EMK – anders als bei den bekannten
IPM-Motoren mit etwa trapezförmigen Spannungsverlauf – sinusförmig, so
daß der Klirrfaktor
der EMK kleiner ist, damit bei Verwendung von sinusförmigem Speisestrom
die Drehmomentenwelligkeit kleiner ist. Der Spitzenwert der EMK
steigt und damit auch das vom Motor abgegebene mittlere Drehmoment,
wenn keine Vorkommutierung verwendet wird. Weiterhin werden durch
die magnetische Anisotropie der Polschuhe die Eisenverluste in den Polschuhen
und auch das Ankerquerfeld reduziert. Für hohe Strangströme ergibt
sich eine gegenüber den
bekannten IPM-Motoren verringerte Schenkeligkeit (das ist das Verhältnis der
Querinduktivität
Lq zur Längsinduktivität Ld), die Idealerweise 1 sein soll, was
ebenfalls die Drehmomentenwelligkeit reduziert.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch
1 angegebenen elektrischen Maschine möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die Permanentmagnete rechteckförmig ausgebildet und weisen
eine zur Normalen auf den größeren Magnetflächen parallel
verlaufende Magnetisierungsrichtung auf. Die Vorzugsrichtung der
größeren magnetischen
Leitfähigkeit
oder relativen Permeabilität
der Polschuhe ist so ausgerichtet, daß sie in die Magnetisierungsrichtung
der Permanentmagnete weist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung sind zur Erzielung der magnetischen Anisotropie in die
Polschuhe eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Flußbarrieren
eingearbeitet, die parallel zur radialen Schenkelpolachse verlaufen. Vorzugsweise
werden die Flußbarrieren
von Aussparungen in den Polschuhen gebildet, können alternativ aber auch durch
Einschlüsse
aus magnetisch nichtleitfähigem
Material realisiert werden. Die Ausbildung der Flußbarrieren
als Aussparungen hat den Vorteil, daß die Masse der Polschuhe reduziert
wird, wobei die Reduzierung z.B. für eine sechspolige oder vierpolige
Ausführung
des Rotors ca. 34% beträgt.
Die reduzierte Masse führt
zu einer Verringerung des Trägheitsmoments,
was wiederum die dynamischen Eigenschaften der elektrischen Maschine
verbessert. Die verringerte Fliehkraft erlaubt bei gleicher Radialstegbreite
eine höhere
Drehzahl.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der
Erfindung sind zur Erzielung der magnetischen Anisotropie die Polschuhe
aus 2D-anisotropem SMC (Soft Magnetic Composite)-Pulvereisenmaterial hergestellt. Die
magnetische Eigenschaft dieses Materials ist in der Vorzugsrichtung
ungefähr
vier- bis fünfmal besser
als senkrecht zur Vorzugsrichtung, wobei beispielsweise die relative
Permeabilität
in Vorzugsrichtung ca. 800 und die relative Permeabilität senkrecht
zur Vorzugsrichtung ca. 200 beträgt.
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Zeichnung
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Die Erfindung ist anhand von in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt eines sechspoligen bürstenlosen
Synchronmotors, schematisiert dargestellt,
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2 eine
vergrößerte Darstellung
des Ausschnitts II in 1 mit
eingezeichnetem Flußverlauf,
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3 verschiedene
Diagramme der Eigenschaften bis 9 des
Motors zur Verdeutlichung der Vorteile gegenüber dem bekannten IFM-Motor,
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10 ausschnittweise
einen Querschnitt eines bürstenlosen
Synchronmotors gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel,
schematisiert dargestellt.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Der in 1 im
Querschnitt schematisiert dargestellte bürstenlose Synchronmotor als
Ausführungsbeispiel
für eine
allgemeine elektrische Maschine ist als Innernläufermotor ausgeführt und
weist einen mit Permanentmagneten 11 bestückten Rotor 12 und
einen den Rotor 12 unter Ausbildung eines Arbeitsluftspalts 13 konzentrisch
umschließenden
Stator 14 auf. Der Stator 14 besteht aus einem
Rückschlußring 15 und
einer Vielzahl von Statorzähnen 16,
die vom Rückschlußring 15 radial
nach innen vorstehen und in Umfangsrichtung äquidistant angeordnet sind.
Auf jedem Statorzahn 16 ist eine Ringspule 17 aufgewickelt,
wobei in 1 nur die Ringspulen 17 einer
Phase oder eines Strangs der Statorwicklung dargestellt ist. Im
Ausführungsbeispiel
der 1 ist die Statorwicklung
dreiphasig oder dreisträngig mit
jeweils drei in Reihe oder parallel geschalteten Ringspulen 17 ausgeführt. Entsprechend
beträgt
die Anzahl der Statorzähne 16 neun.
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Der Rotor 12 des beispielhaft
sechspolig ausgeführten
Synchronmotors weist sechs Schenkelpole 18 mit jeweils
einem eingeschlossenen Fermanentmagneten 11 und einem sich
daran radial nach außen
zum Luftspalt 13 hin fortsetzenden Polschuh 19 auf.
Der Rotor 12 hat einen polygonalen, prismenförmigen Rotockern 20,
der im Ausführungsbeispiel
des sechspoligen Synchronmotors ein Sechskantprisma ist. Eine zentrale,
zylinderförmige Öffnung 26 dient
zum Aufschieben des Rotorkerns 20 auf eine Rotorwelle.
An jeder Prismenseite des hexagonalen Rotorkerns 20 liegt
jeweils ein als flacher Quader ausgeführter Permanentmagnet 11 mit seiner
großen
Magnetfläche 111 an
(2), so daß die Normale
auf der Magnetfläche
in Radialrichtung weist. Die von dieser Magnetfläche 111 abgekehrte gleich
große
Magnetfläche 112 wird
von den Polschuhen 19 überdeckt.
Die Polschuhe 19 aller Schenkelpole 18 stoßen in Umfangsrichtung
gesehen einstückig
aneinander und sind hier mittels schmaler Radialstege 21 an
dem Rotorkern 20 einstückig
angebunden, wobei die Radialstege 21 von den Kanten des
hexagonalen Prismas abstehen. Der Rotorkern 20 mit Polschuhen 19 und
Radialstegen 21 ist aus einer Vielzahl von einstückigen,
aneinanderliegenden, profilierten Blechlamellen zusammengesetzt.
Die in den Schenkelpolen 18 aufgenommenen Permanentmagnete 11 sind
so magnetisiert, daß ihre Magnetisierungsrichtung
parallel zur Normalen auf den großen Magnetflächen 111, 112 verläuft, wobei bei
in Umfangsrichtung gesehen aufeinanderfolgenden Permanentmagneten 11 die
Magnetisierungsrichtung um 180° gedreht
ist, so daß in
benachbarten Schenkelpolen 18 die Magnetisierungsrichtung
entgegengesetzt ist.
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Um einen sinusförmigen Verlauf der induzierten
Spannung zu erzielen, die mit einem sinusförmigen Strangstrom zusammen einen
Drehmomentenverlauf mit einer sehr geringen Drehmomentenwelligkeit
ergibt, sind die den Permanentmagneten 11 zum Luftspalt 13 hin
vorgeordneten Polschuhe 19 magnetisch anisotrop ausgebildet,
wobei sie eine Vorzugsrichtung der größeren magnetischen Leitfähigkeit
oder Permeabilität
aufweisen, die parallel zu der radialen Schenkelpolachse verläuft, also
mit der Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete 11 übereinstimmt.
Durch diese Anisotropie der Schenkelpole 18 wird der Magnetfluß in den
Schenkelpolen 18 in eine parallele Richtung gezwungen,
wie dies aus dem in 2 eingezeichneten
Verlauf der Flußlinien
zu erkennen ist.
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Bei dem in 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
des Synchronmotors ist die magnetische Anisotropie durch eine Mehrzahl
von Flußbarrieren 22 erzielt,
die in Abstand voneinander in die Polschuhe 19 so eingearbeitet
sind, daß sie
parallel zur radialen Schenkelpolachse verlaufen. Die Flußbarrieren 22 für den magnetischen
Fluß sind
dabei durch Aussparungen 23 realisiert, die zusammen mit
dem Blechschnitt der Blechlamellen für den Rotor 12 kammartig
mit zu dem Blechkern weisenden Kammöffnungen, die bei dann eingesetzten
Permanentmagneten 11 an deren Magnetfläche 112 anliegen,
ausgestanzt werden. Die Anzahl der Aussparungen 23 pro
Polschuh 19 ist abhängig
von der Breite der Schenkelpole 18, also der in Umfangsrichtung
gesehenen Breite der Permanentmagnete 11 und Polschuhe 19,
Lind der Dicke der Blechlamellen gewählt. Vorzugsweise ist die Zahl
der Aussparungen 23 so groß wie möglich (bei kleinen Motoren
ca. zehn bis zwanzig), wobei die Zahl der Aussparungen 23 am
Umfang mit wachsender Folzahl des Synchronmotors zunimmt.
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Wie hier nicht dargestellt ist, können die Flußbarrieren
alternativ auch von Einschlüssen
aus magnetisch nichtleitendem Material gebildet werden, wobei die
Einschlüsse
wiederum im Parallelabstand voneinander in den Polschuhen 19 angeordnet
werden.
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In den Diagrammen der 3 bis 9 werden die vorteilhaften elektromagnetischen
Eigenschaften des neuartigen, vorstehend beschriebenen Synchronmotors
gemäß 1 und 2 im Vergleich zu einem bekannten, gleich
ausgelegten IPM-Motor ohne Flußbarrieren
verdeutlicht. Die mit "1" gekennzeichneten
Kurven in den Diagrammen kennzeichnen den Synchronmotor mit Flußbarrieren
gemäß 1 und 2, die mit "2" gekennzeichneten
Kurven sind dem bekannten, herkömmlichen
IPM-Motor ohne Flußbarrieren
in den Polschuhen zugehörig.
Die verschiedenen elektromagnetischen Eigenschaften der Synchronmotoren
gemäß den Diagrammen
in 3 – 5 und 7 und 8 sind
jeweils in Abhängigkeit
von der Magnetbreite b dargestellt, wie sie in 2 definiert ist. Die Magnetbreite b ist
in elektrischen Winkelgraden angegeben. Die dargestellten Ergebnisse
beziehen sich auf Motoren ohne geschrägte Rotoren oder Statoren.
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Das Diagramm in 3 zeigt den Rastmomentverlauf in Abhängigkeit
von der Magnetbreite b. Der optimalle Winkel der Magnetbreite b
des Synchronmotors mit Flußbarrieren
beträgt
ungefähr
128° elektrisch,
bei dem ein Spitzen-Spitzen-Wert des Rastmoments von nur 0,05Nm
erzeugt wird, im Vergleich zu einem optimalen Wert von 0,57Nm für den bekannten
IPM-Motor bei einem optimalen Winkel der Magnetbreite von 120° elektrisch.
Durch die anisotropen Schenkelpolen 18 mit den mehrfachen,
parallelen Flußbarrieren 22 wird
damit eine 91%ige Reduktion des Minimal-Spitzen-Spitzen-Werts des Rastmoments
erzielt. Angemerkt sei, daß dieser
erziellte Wert von 0,05Nm auch besser ist als der Minimalwert, der
von einem vergleichbaren Motor mit Schalenmagneten auf der Oberfläche des
Rotors 12 erzeugt wird.
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Das Diagramm in 4 zeigt den Klirrfaktor des induzierten
Spannungsverlaufs abhängig
von der Magnetbreite b. Bei 140° Magnetbreite
wird ein Klirrfaktor des Spannungsverlaufs von 1% erzeugt, im Vergleich
mit dem optimalen Wert von 2,2% für den herkömmlichen IPM-Motor ohne Anisotropie
bei einem optimalen Vinkel der Magnetbreite von 127° elektrisch.
Dieser Faktor von 1,0% ist identisch dem Minimalwert, der von einem
vergleichbaren Motor mit Schalensegmenten auf der Oberfläche des
Rotors erzeugt wird.
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5 zeigt
die Spitzenwerte der Grundschwingung des Verlaufs der induzierten
Spannung (elektromotorische Kraft-EMK) über die Magnetbreite b. Die
Spitze des Grundschwingungswerts des Synchronmotors mit Flußbarrieren
ist durchschnittlich um 1,2% höher
als bei dem bekannten IPM-Motor
bei allen Magnetbreiten. Die maximale Erhöhung der Spitze der Grundschwingung
ist 8,5% höher
als beim bekannten IPM-Motor bei einer Magnetbreite von 120° elektrisch.
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6 zeigt
den Verlauf der induzierten Spannung (EMK) eines Strangs des Synchronmotors mit
Flußbarrieren
im Vergleich zu dem bekannten IPM-Motor ohne Flußbarrieren, und zwar für eine gleiche
Magnetbreite von 140° elektrisch.
Aufgrund des von dem Synchronmotor mit Flußbarrieren erzeugten Klirrfaktors
von nur 1,0% im Vergleich zu 3,9% des bekannten IPM-Motors (vgl. 4) ist der Verlauf der EMK
deutlich sinusförmiger als
beim bekannten IPM-Motor, wo ein mehr trapezförmiger Verlauf zu beobachten
ist.
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7 zeigt
die Drehmomentenwelligkeit beider zu vergleichender Motoren bei
verschiedenen Magnetbreiten b. Der optimale Wert des Synchronmotors
mit Flußbarrieren
beträgt
ungefähr
133° elektrisch,
wobei ein Spitzen-Spitzen-Wert der Drehmomentenwelligkeit von nur
0,34Nm erreicht wird, im Vergleich mit einem optimalen Wert von
0,48Nm für den
bekannten IPM-Motor bei einem optimalen Winkel der Magnetbreite
von 120° elektrisch.
Bei dem erfindungsgemäßen Synchronmotor
wird durch die Anwendung der anisotropen Schenkelpolgeometrie mit mehrfachen,
parallelen Flußbarrieren
eine 29%ige Reduktion des Spitzen-Spitzenwerts der Drehmomentenwelligkeit
erreicht. Angemerkt sei, daß diese Welligkeit
von 0,34Nm ebenfalls besser ist als der minimale Wert, der bei einem
vergleichbaren Motor mit Schalensegmenten auf der Oberfläche des
Rotors 12 erreicht wird.
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8 zeigt
das mittlere Drehmoment in Abhängigkeit
von der Magnetbreite b. Das mittlere Drehmoment des Synchronmotors
mit Flußbarrieren ist
bei allen Magnetbreiten durchschnittlich 3,1% höher als beim bekannten IPM-Motor.
Die maximale Erhöhung
des mittleren Drehmoments beträgt
4,8%. Dabei wurde keine Vorkommutierung verwendet.
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Diagramm 9 zeigt die Schenkeligkeit
Lq/Ld der beiden
Motoren in Abhängigkeit
von dem Effektivwert des Strangstroms. Für eine Anwendung des Synchronmotors,
bei der eine sehr niedrige Drehmomentenwelligkeit gefordert wird,
sollte der Motor über das
ganze Strangstromspektrum eine Schenkeligkeit von 1,0% haben. Diese
Bedingung wird von Motoren mit Schalenmagneten auf der Oberfläche des
Rotors erfüllt.
Ist die Querachsen-Induktivität Lq größer als die
Längsachsen-Induktivität Ld, so kann dies zu einer Erhöhung der
Drehmomentenwelligkeit führen.
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Bei dem bekannten IPM-Motor ohne
Flußbarrieren
wird bei einer Erhöhung
des Strangstroms der Längsachsen-Flußpfad gesättigt, wodurch
die Längsachsen-Induktivität Ld sinkt. Der Querachsen-Flußpfad wird
jedoch nicht gesättigt
und deshalb bleibt die Querachsen-Induktivität Lq bei
einer Erhöhung
des Strangstroms annähernd
konstant. Aufgrund dieses Verhaltens steigt die Schenkeligkeit des bekannten
IPM-Motors mit dem Strangstrom an (vgl. Kurve 2 in 9). In diesem Beispiel beträgt die maximale
Schenkeligkeit des bekannten IPM-Motors 1,45 bei 40A Strangstrom
effektiv. Beim erfindungsgemäßen Synchronmotor
mit Flußbarrieren
wird bei einer Erhöhung
des Strangstroms der Längsachsen- und
der Querachsen-Flußpfad
gesättigt.
Der Querachsen-Induktivitätsabfall
ist jedoch niedriger als der Längsachsen-Induktivitätsabfall.
Die Schenkeligkeit von 1,0 wird zwar nicht erreicht, doch wird gegenüber dem
bekannten IPM-Motor die Schenkeligkeit stark verringert und beträgt in diesem
Beispiel nur noch 1,15 ab 15A Strangstrom effektiv.
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Bei dem in 10 ausschnittweise im Querschnitt dargestellten,
modifizierten Synchronmotor sind zur Erzielung der magnetischen
Anisotropie in den Schenkelpolen 18 die Polschuhe 19 aus
2D-anisotropem SMC (Soft Magnetic Composite)-Pulvereisenmaterial
hergestellt. Dieses Material hat eine Vorzugsrichtung der Magnetisierung
bzw. der magnetischen Permeabilität, wie sie in 10 durch den Pfeil 24 angedeutet
ist. Die magnetischen Eigenschaften des Materials in dieser magnetischen
Vorzugsrichtung sind wesentlich besser, z.Z. ungefähr vier
bis fünfmal,
als die magnetischen Eigenschaften dieses Materials senkrecht zur
Vorzugsrichtung. Beispielsweise beträgt die relative Permeabilität des Materials
in Vorzugsrichtung (Pfeil 24) ungefähr 800, während die maximale, relative
Fermeabilität
quer zur Vorzugsrichtung (senkrecht zu Pfeil 24) ca. 200 ist.
Auch durch dieses kernorientierte SMC-Pulvereisenmaterial wird ein
paralleler Flußverlauf
in den Polschuhen 19 wie bei der Ausbildung von Flußbarrieren erzielt,
was zu den beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften des Motors
führt.
Die Magnetisierungsrichtung 27 des Permanentmagneten 11 ist
in 10 durch Pfeil 27 symbolisiert.
In den beiden benachbarten Fermanentmagneten 11 ist die
Magnetisierungsrichtung 27 invers.
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Auch bei dem Rotor gemäß 10 ist der Rotorkern 20 als
polygonales Prisma ausgeführt
und ist bei einer – wie
dargestellt – sechspoligen
Auslegung des Synchronmotors ein Sechskantprisma. Die ebenfalls
quaderförmigen
Permanentmagnete 11 liegen an jeweils einer Fläche des
Sechskantprismas an und werden auf ihrer davon abgekehrten Seite von
einem Polschuh 19 überdeckt.
Die Polschuhe 19 sind von einem konzentrischen Schutzrohr 25 aus magnetisch
nicht oder magnetisch schlecht leitendem Material umschlossen, das
das SMC-Material der Polschuhe 19 und den Rotor 12 insgesamt schützt. Der
Rotorkern 20 besteht aus massivem Stahl oder ist wiederum
aus einer Vielzahl von aneinanderliegenden Blechlamellen zusammengesetzt, die
jeweils ein Sechskantprofil mit ausgestanzter, zentraler, kreisförmiger Öffnung 26 aufweisen.