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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft den Aufbau des Rotors einer elektrischen Permanentmagnet-Synchron-Drehmaschine.
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Stand der Technik
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Herkömmlicherweise sind elektrische Permanentmagnet-Synchron-Drehmaschinen bekannt, bei denen Permanentmagneten als Feldmagneten verwendet werden, wie z.B. Permanentmagnet-Synchronmotoren und Permanentmagnet-Synchrongeneratoren. Die elektrischen Permanentmagnet-Synchron-Drehmaschinen werden nach der Art des Haltens der Permanentmagneten am Rotor grob in die folgenden Typen eingeteilt: in einen Oberflächenpermanentmagnet-Typ (SPM-Typ), bei dem die Magneten an der Rotoroberfläche montiert sind; und in einen Innenpermanentmagnet-Typ (IPM-Typ), bei dem die Magneten in den Rotorkern integriert sind. Die Patentliteraturstelle 1 offenbart eine elektrische Drehmaschine vom Oberflächenpermanentmagnet-Typ.
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Die in der Patentliteraturstelle 1 offenbarte elektrische Permanentmagnet-Drehmaschine beinhaltet: einen Stator, der gebildet wird, indem Ankerwicklungen um einen Ankerkern gewickelt werden; und einen Rotor, der drehbar in den axialen mittigen Abschnitt des Stators eingefügt ist. Der Rotor beinhaltet: eine Welle; eine Vielzahl von Halteringen, die in axialer Richtung der Welle angeordnet sind und die Umfangsfläche der Welle bedecken; und eine Vielzahl von Permanentmagneten, die als Feldmagneten dienen, wobei die Vielzahl von Permanentmagneten an den inneren Umfangsflächen der Vielzahl von Halteringen befestigt sind. Die Vielzahl von Halteringen, die in axialer Richtung angeordnet sind, sind durch Schweißen miteinander verbunden. Bei der elektrischen Drehmaschine halten die Vielzahl von Halteringen die Permanentmagneten um den Rotor, so dass während der Drehung des Rotors die Permanentmagneten nicht aufgrund der auf die Permanentmagneten ausgeübten Zentrifugalkraft wegfliegen.
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Liste der zitierten Dokumente
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Patentliteratur
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PTL 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2004-266919
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Technisches Problem
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Permanentmagnet-Haltestruktur des Rotors einer elektrischen Permanentmagnet-Synchron-Drehmaschine des vorstehend erwähnten Oberflächenpermanentmagnet-Typs zu schaffen, wobei es die Struktur der elektrischen Drehmaschine ermöglicht, eine vorbestimmte Leistung abzugeben, auch wenn sich der Rotor der elektrischen Drehmaschine mit hoher Geschwindigkeit dreht.
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Lösung des Problems
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In den letzten Jahren hat sich die Leistung der Permanentmagneten verbessert, und der Preis solcher Hochleistungs-Permanentmagneten ist gesunken; aus diesen Gründen ist die Verwendung von Permanentmagneten in großen elektrischen Drehmaschinen üblicher geworden. In solchen großen elektrischen Drehmaschinen sind die Abmessungen der Permanentmagneten groß. Darüber hinaus steigt der Energieverlust aufgrund der Wirbelströme von den Permanentmagneten Hand in Hand mit der Zunahme der Drehgeschwindigkeit des Rotors. Bei der elektrischen Drehmaschine der Patentliteraturstelle 1 sind die Vielzahl von Halteringen, welche die Permanentmagneten halten, leitende Ringe. Aus diesem Grund fließen Wirbelströme auch durch diese Halteringe, wodurch es zu einem Wirbelstromverlust kommt. Da in der Patentliteraturstelle 1 die Vielzahl von Halteringen durch Schweißen miteinander verbunden sind, ist ihr elektrischer Widerstand gering, und der Energieverlust aufgrund der in den Halteringen erzeugten Wirbelströme kann nicht unterbunden werden.
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Angesichts der obigen Ausführungen beinhaltet ein Rotor einer elektrischen Drehmaschine gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung: eine Rotorwelle; eine zylindrische Hülse, die außen auf die Rotorwelle aufgeschoben ist und sich in einer axialen Richtung erstreckt; und eine Vielzahl von Permanentmagneten, die als Feldmagneten dienen, wobei die Vielzahl von Permanentmagneten zwischen der Rotorwelle und der Hülse in einer radialen Richtung vorgesehen sind und durch die Hülse um die Rotorwelle gehalten werden. Die Hülse ist durch eine Vielzahl von kurzen Hülsen gebildet, die in axialer Richtung angeordnet sind, und die Endabschnitte der zueinander benachbarten kurzen Hülsen, wobei die Endabschnitte in axialer Richtung aneinanderstoßen, sind auf momentübertragbare Weise mechanisch miteinander verbunden.
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Da bei dem obigen Rotor die Hülse in axialer Richtung unterteilt ist und die kurzen Hülsen mechanisch miteinander verbunden sind, ist der elektrische Widerstand der Hülse höher und der Pfad der Wirbelströme ist kürzer als in einem Fall, in dem die Hülse ein einziger einstückiger Bauteil ist oder in einem Fall, in dem die kurzen Hülsen durch Schweißen miteinander verbunden sind. Dadurch werden die durch die Hülse fließenden Wirbelströme reduziert, wodurch der Wirbelstromverlust reduziert werden kann. Dies ermöglicht es der Drehmaschine, eine vorbestimmte Leistung abzugeben, auch wenn sich der Rotor der elektrischen Drehmaschine mit hoher Geschwindigkeit dreht.
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Da die kurzen Hülsen auf momentübertragbare Weise miteinander verbunden sind, kann ein Drehmoment mithilfe der Hülse übertragen werden.
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Da die Hülse in axialer Richtung unterteilt ist, ist außerdem die Bearbeitung einfacher als in einem Fall, in dem die Hülse ein einziger einstückiger Bauteil ist. Dadurch kann die Präzision bezüglich der Form der Hülse erhöht werden. Dies ermöglicht es, auf einfache Weise einen großen Rotor zur Verwendung in einer elektrischen Drehmaschine mit erhöhter Energiedichte herzustellen.
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Bei dem obigen Rotor einer elektrischen Drehmaschine können die Endabschnitte der benachbarten kurzen Hülsen, wobei die Endabschnitte in axialer Richtung aneinanderstoßen, durch Stirnzahnkupplung miteinander verbunden sein.
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Gemäß den obigen Ausführungen werden die Kupplung in Umfangsrichtung, die Positionierung in Umfangsrichtung und die Selbstausrichtung der kurzen Hülsen erzielt, indem die Stirnzähne der kurzen Hülsen einfach miteinander in Eingriff gebracht werden. Dies ermöglicht es, den Vorgang der Herstellung des Rotors zu vereinfachen.
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Der obige Rotor einer elektrischen Drehmaschine kann ferner ein Paar von Endelementen beinhalten, die an der Rotorwelle befestigt sind und zwischen denen die Hülse von beiden Seiten in axialer Richtung sandwichartig gehalten wird, so dass die benachbarten kurzen Hülsen in Druckkontakt miteinander sind.
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Durch das sandwichartige Halten der Vielzahl von kurzen Hülsen zwischen dem Paar von Endelementen auf die oben beschriebene Weise kann die Vielzahl von kurzen Hülsen miteinander integriert werden.
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Bei dem obigen Rotor einer elektrischen Drehmaschine sind eine der Vielzahl von kurzen Hülsen und eines des Paars von an der Rotorwelle befestigten Endelementen auf momentübertragbare Weise mechanisch miteinander verbunden.
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Wenn sich die Permanentmagneten während der Drehung des Rotors von der Rotorwelle lösen, werden die Permanentmagneten daher gegen die Hülse gedrückt, und das Moment der Permanentmagneten wird über die Hülse auf die Rotorwelle übertragen.
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Bei dem obigen Rotor einer elektrischen Drehmaschine kann jede der Vielzahl von kurzen Hülsen aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt sein.
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Dies ermöglicht es, den Einfluss der Hülse auf die elektromagnetische Konstruktion des Rotors zu unterbinden.
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Bei einer elektrischen Drehmaschine des Oberflächenpermanentmagnet-Typs nimmt die auf die Magneten ausgeübte Zentrifugalkraft Hand in Hand mit der Zunahme der Drehgeschwindigkeit des Rotors zu, wobei die Zentrifugalkraft bewirkt, dass sich die Magneten von der äußeren Umfangsfläche der Rotorwelle lösen. Wenn die Magneten nicht ausreichend gegen die Hülse gedrückt werden, kann dabei das Moment der Magneten nicht wirksam auf die Rotorwelle übertragen werden. Folglich kann zum Beispiel die vorbestimmte Leistung nicht abgegeben werden, oder der Rotor verliert sein Gleichgewicht, und es kommt zu Schwingungen.
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Angesichts der obigen Ausführungen beinhaltet ein Rotor einer elektrischen Drehmaschine gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung: eine Rotorwelle; eine zylindrische Hülse, die außen auf die Rotorwelle aufgeschoben ist und sich in einer axialen Richtung erstreckt; eine Vielzahl von Permanentmagneten, die als Feldmagneten dienen, wobei die Vielzahl von Permanentmagneten zwischen der Rotorwelle und der Hülse in einer radialen Richtung vorgesehen sind und durch die Hülse um die Rotorwelle gehalten werden, wobei die Vielzahl von Permanentmagneten ringförmige Reihen bilden, wobei jede ringförmige Reihe durch einen Teil der Vielzahl von Permanentmagneten gebildet wird, wobei der Teil der Vielzahl von Permanentmagneten an einem gleichen Umfang an einer äußeren Umfangsfläche der Rotorwelle angeordnet ist; und einen Stopper, der in jeder ringförmigen Reihe zwischen den Permanentmagneten angeordnet ist, die in einer Umfangsrichtung der ringförmigen Reihe zueinander benachbart sind, wobei der Stopper auf dem gleichen Umfang wie die benachbarten Permanentmagneten angeordnet ist und auf momentübertragbare Weise an der Rotorwelle befestigt ist.
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Bei dem obigen Rotor einer elektrischen Drehmaschine gemäß dem ersten Aspekt kann die Vielzahl von Permanentmagneten ringförmige Reihen bilden, wobei jede ringförmige Reihe durch einen Teil der Vielzahl von Permanentmagneten gebildet wird, wobei der Teil der Vielzahl von Permanentmagneten an einem gleichen Umfang an einer äußeren Umfangsfläche der Rotorwelle angeordnet ist. Der Rotor kann ferner einen Stopper beinhalten, der in jeder ringförmigen Reihe zwischen den Permanentmagneten angeordnet ist, die in einer Umfangsrichtung der ringförmigen Reihe zueinander benachbart sind, wobei der Stopper auf dem gleichen Umfang wie die benachbarten Permanentmagneten angeordnet ist und auf momentübertragbare Weise an der Rotorwelle befestigt ist.
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Der Stopper, der wie oben beschrieben in dem Rotor enthalten ist, hindert die Permanentmagneten, die sich während der Drehung des Rotors von der Rotorwelle lösen, daran, sich in Umfangsrichtung zu bewegen, wodurch die Positionen der Permanentmagneten relativ zur Rotorwelle in Umfangsrichtung beibehalten werden. Da die Permanentmagneten, die sich während der Drehung des Rotors von der Rotorwelle lösen, gegen den Stopper gepresst werden, wird das Moment der Permanentmagneten über den Stopper auf die Rotorwelle übertragen. Auf diese Weise kann das Moment der Permanentmagneten auf die Rotorwelle übertragen werden, selbst wenn sich die Permanentmagneten von der Rotorwelle gelöst haben. Dies ermöglicht es der elektrischen Drehmaschine, eine vorbestimmte Leistung abzugeben, auch wenn sich der Rotor mit hoher Geschwindigkeit dreht. Auch können Schwingungen unterbunden werden, die verursacht werden, wenn der Rotor sein Gleichgewicht verliert.
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Bei den obigen Rotoren von elektrischen Drehmaschinen gemäß dem ersten und zweiten Aspekt kann der Stopper aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt sein.
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Dies ermöglicht es, den Einfluss des Stoppers auf die elektromagnetische Konstruktion des Rotors zu unterbinden.
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Bei den obigen Rotoren von elektrischen Drehmaschinen gemäß dem ersten und zweiten Aspekt kann der Stopper ein Keil sein, der Folgendes beinhaltet: einen Basisabschnitt, der in eine Keilnut eingepasst ist, die in der Rotorwelle gebildet ist; und einen Kopfabschnitt, der in einer radialen Richtung von der äußeren Umfangsfläche der Rotorwelle vorragt.
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Gemäß den obigen Ausführungen kann der Stopper, der auf momentübertragbare Weise mit der Rotorwelle verbunden ist, mit einer einfachen Struktur realisiert werden, die einfach herzustellen ist.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, eine Permanentmagnet-Haltestruktur des Rotors einer elektrischen Permanentmagnet-Synchron-Drehmaschine des Oberflächenpermanentmagnet-Typs zu schaffen, wobei es die Struktur der elektrischen Drehmaschine ermöglicht, eine vorbestimmte Leistung abzugeben, auch wenn sich der Rotor mit hoher Geschwindigkeit dreht.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Querschnittsansicht, die einen schematischen Aufbau einer elektrischen Permanentmagnet-Drehmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Rotors, wobei die Querschnittsansicht im rechten Winkel zur axialen Richtung des Rotors ist.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Anschließend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 ein schematischer Aufbau einer elektrischen Drehmaschine 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist eine Querschnittsansicht, die einen schematischen Aufbau einer elektrischen Permanentmagnet-Drehmaschine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In 1 ist lediglich die untere Hälfte eines Rotors 5 im Querschnitt dargestellt.
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Die elektrische Drehmaschine 100 beinhaltet einen Stator 1 und den Rotor 5. Der Stator 1 wird gebildet, indem Ankerwicklungen um einen Ankerkern gewickelt werden (die Ankerwicklungen und der Ankerkern sind nicht dargestellt). Der Rotor 5 beinhaltet: eine Rotorwelle 9; eine Hülse 3, welche die Umfangsfläche der Rotorwelle 9 umgibt; und eine Vielzahl von Permanentmagneten 11, die als Feldmagneten dienen, wobei die Vielzahl von Permanentmagneten 11 zwischen der äußeren Umfangsfläche der Rotorwelle 9 und der inneren Umfangsfläche der Hülse 3 angeordnet sind. Der Rotor 5 ist in den axialen mittigen Abschnitt des Stators 1 eingefügt, und die Rotorwelle 9 wird durch Lager 7 derart gelagert, dass der Rotor 5 relativ zum Stator 1 drehbar ist. In der auf diese Weise aufgebauten elektrischen Drehmaschine 100 wird durch ein am Stator 1 erzeugtes rotierendes Magnetfeld und am Rotor 5 erzeugte Magnetfelder ein Drehmoment erzeugt, wodurch sich der Rotor 5 dreht.
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Anschließend wird die Struktur des Rotors 5 im Einzelnen beschrieben. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht des Rotors 5, wobei die Querschnittsansicht im rechten Winkel zu einer axialen Richtung X des Rotors 5 ist.
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Wie in 1 und 2 dargestellt, sind eine Vielzahl von Permanentmagneten 11 in Umfangsrichtung um die Rotorwelle 9 angeordnet, um ringförmige Reihen zu bilden. Die ringförmigen Reihen, die durch die Vielzahl von Permanentmagneten 11 gebildet werden, sind in axialer Richtung X des Rotors 5 angeordnet.
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In jeder ringförmigen Reihe der Permanentmagneten 11 sind die Magneten, deren innere Umfangsflächenseite (d.h. die Seite an der Rotorwelle 9) als Südpol magnetisiert ist und deren äußere Umfangsflächenseite (d.h. die Seite an der Hülse 3) als Nordpol magnetisiert ist, und die Magneten, deren äußere Umfangsflächenseite als Südpol magnetisiert ist und deren innere Umfangsflächenseite als Nordpol magnetisiert ist, entsprechend der Anzahl der Pole abwechselnd angeordnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind ein Paar von Permanentmagneten 11, deren innere Umfangsflächenseite als Südpol magnetisiert ist, und ein Paar von Permanentmagneten 11, deren innere Umfangsflächenseite als Nordpol magnetisiert ist, abwechselnd in Umfangsrichtung angeordnet, wodurch jede ringförmige Reihe durch insgesamt acht Permanentmagneten 11 gebildet ist.
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Stopper 4 sind derart vorgesehen, dass jeder Stopper 4 zwischen einem Paar von Permanentmagneten 11, deren innere Umfangsflächenseite als Südpol magnetisiert ist, und einem Paar von Permanentmagneten 11, deren innere Umfangsflächenseite als Nordpol magnetisiert ist, angeordnet ist, und dass jeder Stopper 4 zwischen diesen Paaren von Permanentmagneten 11 in Umfangsrichtung angeordnet ist. Auf diese Weise sind die Stopper 4 an der gleichen Umfangsfläche wie diese Permanentmagneten 11 angeordnet. Die Stopper 4 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind Keile 41, die in die Rotorwelle 9 getrieben sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Stopper 4 an vier Positionen für jede ringförmige Reihe der Permanentmagneten 11 vorgesehen. Es genügt jedoch, wenn der Stopper 4 wenigstens an einer Position für jede ringförmige Reihe der Permanentmagneten 11 vorgesehen ist.
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Jeder Keil 41 ist zum Beispiel aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt, das ein geringes Gewicht aufweist und das eine ausreichende Festigkeit aufweist, um der Zentrifugalkraft standzuhalten, wie z.B. aus einer Titanlegierung. Eine Vielzahl von Keilnuten 92, die sich jeweils in axialer Richtung X erstrecken, sind in der äußeren Umfangsfläche der Rotorwelle 9 in vorbestimmten Abständen in Umfangsrichtung gebildet. Ein Basisabschnitt 41b jedes Keils 41 ist in eine entsprechende der Keilnuten 92 eingepasst, wodurch die Keile 41 an der Rotorwelle 9 befestigt werden. Ein Moment kann von den auf diese Weise befestigten Keilen 41 auf die Rotorwelle 9 übertragen werden. Ein Kopfabschnitt 41a jedes Keils 41 ragt in radialer Richtung von der entsprechenden Keilnut 92 nach außen vor, wobei die Kopfabschnitte 41a der Keile 41 an dem gleichen Umfang wie die Permanentmagneten 11 positioniert sind, welche die ringförmige Reihe bilden. Der Kopfabschnitt 41a jedes Keils 41 fungiert im Wesentlichen als Stopper 4.
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Bei Betrachtung der Permanentmagneten 11 in axialer Richtung X ist jeder Permanentmagnet 11 bogenstückförmig, so dass der äußere Umfangsbogen geringfügig größer als der innere Umfangsbogen ist. Bei Betrachtung der Keile 41 in axialer Richtung X ist wenigstens der Kopfabschnitt 41a jedes Keils 41 ist bogenstückförmig. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist bei Betrachtung der Keile 41 in axialer Richtung X auch der Basisabschnitt 41b jedes Keils 41 bogenstückförmig. Die Form des Basisabschnitts 41b jedes Keils 41 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Wie dies beschrieben wurde, ist bei Betrachtung des Rotors 5 in axialer Richtung X somit jeder von der Vielzahl von Permanentmagneten 11 und von den Kopfabschnitten 41a der um die Rotorwelle 9 angeordneten Keile 41 bogenstückförmig. Auf diese Weise können Spalte, die zwischen den Permanentmagneten 11, die zueinander benachbart sind, und zwischen dem Permanentmagneten 11 und dem Keil 41, die zueinander benachbart sind, reduziert werden. Dies ermöglicht es, die Bewegung der Permanentmagneten 11 in Umfangsrichtung wirksam zu blockieren.
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Die Hülse 3 des Rotors 5 ist durch eine Vielzahl von kurzen Hülsen 30 gebildet, die in axialer Richtung X angeordnet sind. Jede kurze Hülse 30 ist zum Beispiel aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt, das eine ausreichende Festigkeit aufweist, um der Zentrifugalkraft standzuhalten, wie z.B. aus einer Nickellegierung. Die Abmessung jeder kurzen Hülse 30 in axialer Richtung X ist größer als die Abmessung jedes Permanentmagneten 11 in axialer Richtung X. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Abmessung jeder kurzen Hülse 30 in axialer Richtung X etwa das Doppelte der Abmessung jedes Permanentmagneten 11 in axialer Richtung X. Die Abmessungsbeziehung zwischen den kurzen Hülsen 30 und den Permanentmagneten 11 in axialer Richtung X ist jedoch nicht auf die vorliegende Ausführungsform beschränkt.
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Ein Paar von Endelementen 31 und 32 ist derart vorgesehen, dass die Endelemente 31 und 32 jeweils an beiden Enden der Vielzahl von kurzen Hülsen 30 in axialer Richtung X, d.h. jeweils an beiden Enden der der Hülse 3 in axialer Richtung X vorgesehen sind. Ein Endelement 31 ist an der Rotorwelle 9 befestigt, und das andere Endelement 32 ist mutterförmig. Ein weibliches Schraubgewinde 321 ist am inneren Umfang des anderen Endelements 32 gebildet. Ein männliches Schraubgewinde 91, das an der Rotorwelle 9 gebildet ist, ist in das weibliche Schraubgewinde 321 geschraubt.
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Jede kurze Hülse 30 weist an ihren beiden Enden in axialer Richtung X runde Öffnungen auf. Am Rand jeder runden Öffnung ist eine Stirnverzahnung 33 durch eine Vielzahl von sich radial erstreckenden Zähnen gebildet, die auf regelmäßige Weise in Umfangsrichtung angeordnet sind. Zwischen den kurzen Hülsen 30, die in axialer Richtung X zueinander benachbart sind, greifen die Zähne der Stirnverzahnung 33, die an den in axialer Richtung X einander gegenüberliegenden Oberflächen gebildet sind, ineinander, wodurch eine Stirnzahnkupplung gebildet wird. Durch die Stirnzahnkupplung wird die Kupplung in Umfangsrichtung, die Positionierung in Umfangsrichtung und die Selbstausrichtung der kurzen Hülsen 30, die zueinander benachbart sind, erzielt.
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Die Vielzahl von kurzen Hülsen 30, die in axialer Richtung X angeordnet sind, erhalten Druck von beiden Seiten in axialer Richtung X, wobei der Druck durch das Paar von Endelementen 31 und 32 ausgeübt wird, so dass die benachbarten kurzen Hülsen 30 in axialer Richtung X in Druckkontakt miteinander sind. Auf diese Weise werden die kurzen Hülsen 30, die in axialer Richtung X zueinander benachbart sind, aneinander fixiert, so dass sie relativ zueinander in Umfangsrichtung und in axialer Richtung X unbeweglich sind, wodurch sie mechanisch stoßverbunden sind. Die benachbarten kurzen Hülsen 30, die auf diese Weise mechanisch miteinander verbunden sind, sind imstande, ein Moment zu übertragen. Die Vielzahl von kurzen Hülsen 30, die auf diese Weise in einer Reihe in axialer Richtung X miteinander verbunden sind, bilden die zylindrische (hohlwellenähnliche) Hülse 3.
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Anschließend wird ein Verfahren zur Herstellung des Rotors 5 beschrieben, der aufgebaut ist, wie dies oben beschrieben wird.
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Zunächst wird das Endelement 31 in axialer Richtung X an der Rotorwelle 9 angesetzt, wobei das Endelement 31 durch Schweißen oder dergleichen an der Rotorwelle 9 befestigt wird. Das Endelement 31 ist flanschförmig und ragt in radialer Richtung von der Rotorwelle 9 vor. Die Stirnverzahnung 33 ist an einer Seite des Endelements 31 in axialer Richtung X gebildet, wobei an dieser Seite die Permanentmagneten 11 angeordnet werden. Es ist zu beachten, dass das Endelement 31 einstückig mit der Rotorwelle 9 gebildet werden kann, indem die Rotorwelle 9 bearbeitet wird.
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Anschließend werden die Vielzahl von Permanentmagneten 11 um die Rotorwelle 9 angeordnet, wobei jeder der Permanentmagneten 11 durch einen Klebstoff oder dergleichen an der äußeren Umfangsfläche der Rotorwelle 9 befestigt werden kann. In der Folge werden die Keile 41 in die entsprechenden Keilnuten 92 der Rotorwelle 9 getrieben. Dabei können die äußeren Umfangsflächen der Keile 41 im Wesentlichen bündig mit den äußeren Umfangsflächen der Permanentmagneten 11 angeordnet werden, oder die äußeren Umfangsflächen der Keile 41 können in radialer Richtung geringfügig außerhalb der äußeren Umfangsflächen der Permanentmagneten 11 angeordnet werden.
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Danach werden die Vielzahl von kurzen Hülsen 30 nacheinander in axialer Richtung X auf die Rotorwelle 9 aufgeschoben. Dabei werden die zuerst aufgeschobene kurze Hülse 30 und das Endelement 31 in axialer Richtung X derart aneinandergefügt, dass die Zähne der Stirnverzahnung 33, die an den aneinander anstoßenden Oberflächen gebildet sind, ineinandergreifen. Auch die kurzen Hülsen 30, die in axialer Richtung X angeordnet sind, werden derart in axialer Richtung X aneinandergefügt, dass die Zähne der Stirnverzahnung 33, die an den aneinander anstoßenden Oberflächen gebildet sind, ineinandergreifen. Vor oder nach dem Aufschieben der kurzen Hülsen 30 auf die Rotorwelle 9 werden die Spalte zwischen den kurzen Hülsen 30 und den Permanentmagneten 11 oder den Keilen 41, wobei die Spalte in radialer Richtung gebildet sind, mit einem Füllstoff gefüllt, bei dem es sich zum Beispiel um ein gehärtetes Harzmaterial handelt.
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Schließlich wird das Endelement 32 in axialer Richtung X auf die auf die Rotorwelle 9 aufgeschoben. Dabei wird das weibliche Schraubgewinde 321 des Endelements 32 mit dem männlichen Schraubgewinde 91 der Rotorwelle 9 verschraubt, so dass die Hülse 3 sandwichartig zwischen dem Endelement 31 und dem Endelement 32 gehalten wird, um Druck von beiden Seiten in axialer Richtung X zu erhalten, wodurch die benachbarten kurzen Hülsen 30 in axialer Richtung X in Druckkontakt miteinander sind. Es ist zu beachten, dass die Stirnverzahnung 33 nicht an einer Oberfläche der kurzen Hülse 30 gebildet ist, die zuletzt auf die Rotorwelle 9 aufgeschoben wird, wobei diese Oberfläche mit dem Endelement 32 in Kontakt gelangt. Der Rotor 5 kann durch diese Schritte hergestellt werden.
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Wie oben beschrieben, beinhaltet der Rotor 5 der elektrischen Drehmaschine 100 der vorliegenden Ausführungsform Folgendes: die Rotorwelle 9; die zylindrische Hülse 3, die außen auf die Rotorwelle 9 aufgeschoben ist und sich in axialer Richtung X erstreckt; und die Vielzahl von Permanentmagneten 11, die als Feldmagneten dienen, wobei die Vielzahl von Permanentmagneten 11 zwischen der Rotorwelle 9 und der Hülse 3 in radialer Richtung vorgesehen sind und durch die Hülse 3 um die Rotorwelle 9 gehalten werden. Die Hülse 3 wird durch die Vielzahl von kurzen Hülsen 30 gebildet, die in axialer Richtung X angeordnet sind, und Endabschnitte der kurzen Hülsen 30, die zueinander benachbart sind, wobei die Endabschnitte in axialer Richtung X aneinanderstoßen, sind auf momentübertragbare Weise mechanisch miteinander verbunden.
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Wenn sich der Rotor 5 der elektrischen Drehmaschine 100 dreht, werden Wirbelströme in den Permanentmagneten 11 erzeugt, und auf ähnliche Weise werden Wirbelströme in der Hülse 3 erzeugt. Da die Hülse 3 in axialer Richtung X unterteilt ist, ist hier der elektrische Widerstand der Hülse 3 höher und der Pfad der Wirbelströme (d.h. die Länge der Strömung der Wirbelströme) kürzer als in einem Fall, in dem die Hülse 3 ein einziger einstückiger Bauteil ist oder in einem Fall, in dem die kurzen Hülsen 30 durch Schweißen miteinander verbunden sind. Dadurch werden die durch die Hülse 3 fließenden Wirbelströme insgesamt reduziert, wobei durch die Reduktion des Wirbelstromverlusts der Energieverlust in der elektrischen Drehmaschine 100 unterbunden werden kann. Darüber hinaus kann die Erzeugung von Hitze durch die Wirbelströme unterbunden werden, wodurch es möglich wird, die Gefahr einer dauerhaften Entmagnetisierung der Permanentmagneten 11 aufgrund einer Erhöhung der Temperatur der Hülse 3 zu reduzieren.
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Da bei dem oben beschriebenen Rotor 5 die kurzen Hülsen 30 auf momentübertragbare Weise miteinander verbunden sind, kann ein Drehmoment mithilfe der Hülse 3 übertragen werden.
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Bei dem oben beschriebenen Rotor 5 ist die Hülse 3 in axialer Richtung X unterteilt. Wenn daher in diesem Fall die Länge des Rotors 5 in axialer Richtung X größer als der Radius des Rotors 5 ist, die Bearbeitung einfacher als in einem Fall, in dem die Hülse 3 ein einziger einstückiger Bauteil ist. Dadurch kann die Präzision bezüglich der Form der Hülse 3 erhöht werden. Da darüber hinaus die kurzen Hülsen 30 nicht durch Schweißen, sondern durch eine mechanische Verbindung miteinander verbunden sind, ist es nicht notwendig, die Permanentmagneten 11 auf eine Weise anzuordnen, dass miteinander zu verschweißende Abschnitte vermieden werden, so dass Hitze, die erzeugt wird, wenn die kurzen Hülsen 30 aneinandergeschweißt werden, die Permanentmagneten 11 nicht erreicht, und es ist auch keine präzise Positionierung der kurzen Hülsen 30 und der Permanentmagneten 11 für eine solche Anordnung notwendig. Dies ermöglicht es, auf einfache Weise einen großen Rotor 5 zur Verwendung in der elektrischen Drehmaschine 100 mit erhöhter Energiedichte herzustellen.
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Bei dem Rotor 5 der vorliegenden Ausführungsform sind die Endabschnitte der benachbarten kurzen Hülsen 30, wobei die Endabschnitte in axialer Richtung X aneinanderstoßen, durch Stirnzahnkupplung mechanisch miteinander verbunden. Es ist zu beachten, dass es mehrere Typen der Stirnzahnkupplung gibt, wie z.B. eine Curvic-Kupplung und eine Hirth-Kupplung. Es kann jeder Typ von Stirnzahnkupplung verwendet werden, solang er es den Stirnzähnen 33, die an den aneinander anstoßenden Oberflächen gebildet sind, erlaubt, ineinanderzugreifen.
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Indem wie oben beschrieben eine Stirnzahnkupplung verwendet wird, um die kurzen Hülsen 30 mechanisch miteinander zu verbinden, kann eine Kupplung in Umfangsrichtung, eine Positionierung in Umfangsrichtung und eine Selbstausrichtung der kurzen Hülsen 30 erzielt werden, indem die Stirnzähne 33 der kurzen Hülsen 30 einfach miteinander in Eingriff gebracht werden. Dies ermöglicht es, den Vorgang der Bildung der Hülse 3 bei der Herstellung des Rotors 5 zu vereinfachen. Da die Vielzahl von kurzen Hülsen 30, die durch die Stirnzahnkupplung miteinander gekoppelt sind, gleichwertig mit einer einstückig gebildeten Hohlwelle sind, wird eine höhere Momentübertragung erzielt als in einem Fall, in dem eine andere Art der Verbindung, wie z.B. eine Schraubverbindung, verwendet wird, wobei darüber hinaus auch bei einer Drehung des Rotors 5 mit hoher Geschwindigkeit die Positionen der kurzen Hülsen 30 relativ zueinander auf günstige Weise fix gehalten werden können.
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Wie oben beschrieben, ist es wünschenswert, eine Stirnzahnkupplung zu verwenden, um die kurzen Hülsen 30 mechanisch miteinander zu verbinden. Das zu verwendende mechanische Verbindungsverfahren ist jedoch nicht auf eine Stirnzahnkupplung beschränkt, sondern es kann jedes mechanische Verbindungsverfahren verwendet werden, solang es das Verfahren ermöglicht, auf momentübertragbare Weise eine Stoßverbindung der kurzen Hülsen 30 herzustellen. Zu den Beispielen für ein solches mechanisches Verbindungsverfahren gehören eine Zahnkupplung, bei der die Zähne einer Innenverzahnung, die auf der einen kurze Hülse 30 gebildet sind, und die Zähne einer Außenverzahnung, die auf der anderen kurzen Hülse 30 gebildet sind, miteinander in Eingriff gebracht werden; und eine Zahnkupplung, bei der eine Außenverzahnung an den aneinander anstoßenden Endabschnitten der beiden kurzen Hülsen 30 gebildet ist und die kurzen Hülsen 30 durch einen Kragen miteinander verbunden werden, der mit einer Innenverzahnung versehen ist, die mit dieser Außenverzahnung in Eingriff gebracht wird.
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Der Rotor 5 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet das Paar von Endelementen 31 und 32, die an der Rotorwelle 9 befestigt sind. Die Hülse 3 wird sandwichartig zwischen dem Paar von Endelementen 31 und 32 von beiden Seiten in axialer Richtung X gehalten, so dass die benachbarten kurzen Hülsen 30 in Druckkontakt miteinander sind.
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Wie oben beschrieben, wird die Hülse 3 sandwichartig zwischen dem Paar von Endelementen 31 und 32 von beiden Seiten in axialer Richtung X gehalten, so dass die benachbarten kurzen Hülsen 30 in axialer Richtung X in Druckkontakt miteinander sind, wodurch die Vielzahl von kurzen Hülsen 30 miteinander integriert werden. Aufgrund dieser Struktur muss bei der Produktion des Rotors 5 der Vorgang, bei dem die benachbarten kurzen Hülsen 30 in Druckkontakt miteinander gebracht werden, nicht bei jedem Paar von benachbarten kurzen Hülsen 30 durchgeführt werden. Dies ermöglicht es, den Vorgang der Herstellung des Rotors 5 zu vereinfachen.
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Bei dem Rotor 5 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die kurze Hülse 30, die zuerst auf die Rotorwelle 9 aufgeschoben wird, und das an der Rotorwelle 9 befestigte Endelement 31 auf momentübertragbare Weise mechanisch miteinander verbunden. Die Kombination der kurzen Hülse 30 und des Endelements 31 ist jedoch nicht auf das obige Beispiel beschränkt. Es genügt, wenn eine von der Vielzahl von kurzen Hülsen 30 und eines von dem Paar von Endelementen 31 und 32, die an der Rotorwelle 9 befestigt sind, auf momentübertragbare Weise mechanisch miteinander verbunden sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Stirnzahnkupplung verwendet, um das Endelement 31 und die kurze Hülse 30 mechanisch miteinander zu verbinden. Das anzuwendende mechanische Verbindungsverfahren ist jedoch nicht auf eine Stirnzahnkupplung beschränkt.
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Allgemein ausgedrückt tritt in der elektrischen Drehmaschine 100 des Oberflächenpermanentmagnet-Typs Folgendes auf: Wenn sich der Rotor 5 mit hoher Geschwindigkeit dreht, bewirkt die auf die Permanentmagneten 11 ausgeübte Zentrifugalkraft, dass sich die Permanentmagneten 11 von der Oberfläche der Rotorwelle 9 lösen (abheben) und sich von der Oberfläche der Rotorwelle 9 in radialer Richtung nach außen wegbewegen. In diesem Zusammenhang wird bei dem Rotor 5 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine solche Bewegung der Permanentmagneten 11 in radialer Richtung nach außen durch die Hülse 3 blockiert, die in radialer Richtung außerhalb der Permanentmagneten 11 positioniert ist, wodurch die Permanentmagneten 11 an der äußeren Umfangsfläche der Rotorwelle 9 gehalten werden. Dabei werden die von der Oberfläche der Rotorwelle 9 gelösten Permanentmagneten 11 an die Hülse 3 gepresst, wobei sich aufgrund der Reibung zwischen der inneren Umfangsfläche der Hülse 3 und den Permanentmagneten 11 die Permanentmagneten 11 und die Hülse 3 gemeinsam drehen. Da die Hülse 3 und die Rotorwelle 9 auf momentübertragbare Weise miteinander verbunden sind, wird dabei das Moment (Magnetmoment) der Permanentmagneten 11, das durch die Pole der Magnetfelder und das rotierende Magnetfeld der Permanentmagneten 11 des Rotors 5 erzeugt wird, über die Hülse 3 auf die Rotorwelle 9 übertragen. Auf diese Weise kann das Moment der Permanentmagneten 11 sicher auf die Rotorwelle 9 übertragen werden, selbst wenn sich die Permanentmagneten 11 von der Rotorwelle 9 gelöst haben. Dies ermöglicht es der elektrischen Drehmaschine 100, eine vorbestimmte Leistung abzugeben, selbst wenn sich der Rotor 5 mit hoher Geschwindigkeit dreht.
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Bei dem Rotor 5 gemäß der vorliegenden Ausführungsform bilden die Vielzahl von Permanentmagneten 11 ringförmige Reihen, wobei jede ringförmige Reihe durch einen Teil der Vielzahl von Permanentmagneten 11 gebildet wird, wobei der Teil der Vielzahl von Permanentmagneten 11 auf dem gleichen Umfang auf der äußeren Umfangsfläche der Rotorwelle 9 angeordnet ist und wobei in der ringförmigen Reihe die Stopper 4 jeweils zwischen den Permanentmagneten 11, die in Umfangsrichtung der ringförmigen Reihe zueinander benachbart sind, vorgesehen sind. Die Stopper 4 sind auf dem gleichen Umfang wie die Permanentmagneten 11 angeordnet, welche die ringförmige Reihe bilden, und sind auf momentübertragbare Weise an der Rotorwelle 9 befestigt.
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Wenn sich der Rotor 5 dreht, bewirkt die Zentrifugalkraft, wie dies oben beschrieben wurde, dass sich die Permanentmagneten 11 von der Oberfläche der Rotorwelle 9 lösen, wobei eine vom Moment abgeleitete Scherkraft zwischen der Rotorwelle 9 und den Permanentmagneten 11 erzeugt wird. Dadurch werden die Permanentmagneten 11 veranlasst, sich in Umfangsrichtung über die äußere Umfangsfläche der Rotorwelle 9 zu bewegen. Dabei wird bei dem Rotor 5 gemäß der vorliegenden Ausführungsform diese Bewegung der Permanentmagneten 11 in Umfangsrichtung relativ zur Rotorwelle 9 durch die Stopper 4 (die Kopfabschnitte 41a der Keile 41) blockiert, wodurch die Positionen der Permanentmagneten 11 relativ zur Rotorwelle 9 in Umfangsrichtung beibehalten werden. Auf diese Weise wird ein günstiges Drehgleichgewicht des Rotors 5 aufrechterhalten, und es wird eine stabile elektrische Steuerung der elektrischen Drehmaschine 100 aufrechterhalten.
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Die Permanentmagneten 11, die sich wie oben beschrieben von der Oberfläche der Rotorwelle 9 gelöst haben, werden gegen die Stopper 4 gepresst, und das Moment der Permanentmagneten 11 wird über die Stopper 4 auf die Rotorwelle 9 übertragen. Auf diese Weise kann das Moment der Permanentmagneten 11 sicher auf die Rotorwelle 9 übertragen werden, selbst wenn sich die Permanentmagneten 11 von der Rotorwelle 9 gelöst haben. Dies ermöglicht es der elektrischen Drehmaschine 100, eine vorbestimmte Leistung abzugeben, selbst wenn sich der Rotor 5 mit hoher Geschwindigkeit dreht.
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Bei dem Rotor 5 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist jeder Stopper 4 als Keil 41 ausgebildet, der Folgendes beinhaltet: den Basisabschnitt 41b, der in die Keilnut 92 eingepasst ist, die in der Rotorwelle 9 gebildet ist; und den Kopfabschnitt 41a, der 9 in radialer Richtung von der äußeren Umfangsfläche der Rotorwelle vorragt.
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Wie dies beschrieben wurde, kann somit jeder Stopper 4, der auf momentübertragbare Weise mit der Rotorwelle 9 verbunden ist, mit einer einfachen Struktur realisiert werden, die einfach herzustellen ist. Der Stopper 4 gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf den Keil 41 beschränkt, sondern kann in Form eines beliebigen Elements ausgebildet sein, solang das Element auf momentübertragbare Weise an der Rotorwelle 9 befestigt ist und imstande ist, die Bewegung der Permanentmagneten 11 in Umfangsrichtung zu blockieren.
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Bei dem Rotor 5 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind alle kurzen Hülsen 30 und Stopper 4 aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt. Dies ermöglicht es, den Einfluss der Hülse 3 und der Stopper 4 auf die elektromagnetische Konstruktion des Rotors 5 zu unterbinden. Insbesondere kann durch die Wahl eines Materials mit geringem elektrischem Widerstand als Material für die kurzen Hülsen 30 die Erzeugung von Hitze aufgrund der Wirbelströme noch wirksamer unterbunden werden.
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Vorstehend wurde eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Aus der vorstehenden Beschreibung ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche Abänderungen und andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die vorstehende Beschreibung sollte daher lediglich als Beispiel verstanden werden, wobei sie zu dem Zweck bereitgestellt wird, einem Fachmann die beste Art der Ausführung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Die strukturellen und/oder funktionellen Einzelheiten können erheblich verändert werden, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Bezugszeichenliste
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| 1 |
Stator |
| 3 |
Hülse |
| 4 |
Stopper |
| |
41 Keil |
| |
41a Kopfabschnitt |
| |
41b Basisabschnitt |
| 5 |
Rotor |
| 9 |
Rotorwelle |
| 11 |
Permanentmagnet |
| 30 |
kurze Hülse |
| 31 |
Endelement |
| 32 |
Endelement |
| 33 |
Stirnverzahnung |
| 92 |
Keilnut |
| 100 |
elektrische Drehmaschine |
