DE2642417A1 - Rotoranordnung fuer einen elektro- mechanischen wandler - Google Patents
Rotoranordnung fuer einen elektro- mechanischen wandlerInfo
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Description
26A2A1
PATeiM'.'ANWALTE A. GRÜNECKER
D)PL-ING.
H. KINKELDEY
OR-ING.
3 W. STOCKMAlR
DR-INCi-AeE(CALTCCH ·
K. SCHUMANN
DR RER. NAT. -DiPL-PHYa
P. H. JAKOB
DlPL-ING.
G. BEZOLD
JJ /IQ Q1^Q DR RERNAXDH=L-CHeM.
Citizen Watch Company Limited 8 München
MAXIMILIANSTRASSE
No. 9-18, 1~chome ITishishinjuku
Shinjuku-ku, Tokyo, Japan
Shinjuku-ku, Tokyo, Japan
21.9.1976
Rotoranordnung für einen elektro-mech.aniscu.en
Wandler
Die Erfindung bezieht sich auf elektro-mechanische Wandler für elektronische Uhren und insbesondere auf eine Rotor-Anordnung
für solche elektro-mechanischen Wandler, wie sie besonders für elektronische Armbanduhren geeignet sind.
Bei herkömmlichen elektronischen Armbanduhren werden elektromechanische
Wandler, wie Schrittmotore, als Antriebseinrichtungen für den Antrieb des Zeitanzeigemechanismus benutzt.
Diese Motoren müssen kleine Abmessungen, niedrige Herstellungskosten, ein geringes Gewicht und die Fähigkeit
haben, bei geringem Leistungsverbrauch ein großes Ausgangsdrehmoment
abzugeben. Als Rotoren für die Schrittmotoren wurden daher in wachsendem Maße Magnete aus anisotropischen
seltenen Erden, wie Samarium-Kobalt (SmCo1-), benutzt..
Magnete aus seltenen Erden erfüllen die vorstehend genannten Forderungen bis zu einem gewissen Maße. Jedoch sind
die Schrittmotoren, die Magnete aus seltenen Erden be- · nutzen, immer noch mit einem geringen elektro-iaechanischen
Wandlerverhältnis belastet, wodurch der Leistungsverbrauch nicht ausreichend vermindert werden kann.' Ein weiterer Hach-
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teil liegt darin, daß die Magnete aus seltenen Erden hart und
spröde sind, so daß sie schwierig"zu bearbeiten, zu montieren und zu reparieren sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Rotoranordnung zu schaffen, die besonders für einen elektromechanischen
Wandler in einer elektronischen Uhr geeignet ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte
EotoranOrdnung zu schaffen, die den Wirkungsgrad der elektromechanischen
Umformung eines elektromechanischen Wandlers so verbessert, daß der Leistungsverbrauch vermindert und
damit die Lebensdauer der Batterie der Uhr vergrößert werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte Rotoranordnung zu schaffen, die leicht zu bearbeiten, zu
montieren und zu reparieren ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte
Rotoranordnung zu schaffen, die einfach in ihrer Konstruktion und niedrig in ihren Herstellungskosten ist.
Ein bevorzugter Gedanke liegt darin, daß eine Rotoranordnung für einen elektromechanischen Wandler einer elektronischen
Uhr ein metallisches Schutzglied aufweist, das fest auf einer Drehwelle angeordnet ist. Ein Magnet aus einem Element
der Gruppe der seltenen Erden ist fest an seinem Außenumfang von dem metallischen Schutzglied getragen.
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei bung
anhand der Zeichnung. In dieser zeigen:
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Pig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen
Schrittmotors,
Pig. 2 und 3 Beispiele herkömmlicher Rotoranordnungen für den in Fig. 1 gezeigten Schrittmotor,
Pig. 4, 5? 6 und 7 bevorzugte Ausführungsbeispiele einer
Rotoranordnung nach der Erfindung,
Pig. 8 eine Draufsicht auf eine weitere bevorzugte Ausführungsform
einer Rotoranordnung nach der Erfindung und
Pig. 9 eine Darstellung der Verteilung der magnetischen Plußdichte für die Rotoranordnungen.
In Pig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Schrittmotors zur Verwendung in einer elektronischen Uhr
gezeigt. Wie gezeigt, weist der Schrittmotor einen Permanentmagnetrotor 10 und einen Statorpolstücke 12a und 12b
aufweisenden Stator 12 auf, der von einer Treiberwicklung 14- angetrieben ist. Die Statorpolstücke 12a und 12b sind
so angeordnet, daß die Radiusmittelpunkte ihrer Krümmung gegeneinander versetzt sind, wodurch der Rotor 10 sich
stabil auf einer Achse Q des statischen Gleichgewichtes bei einem bestimmten Winkel <x in Bezug auf die Mittellinie
P hält. Dadurch wird der Rotor 10 durch Zuführung von Wechselstromimpulsen an die Treiberwicklung 14- nur
in einer einzigen Richtung gedreht.
Wie in Pig. 2 gezeigt ist, ist der Rotor gewöhnlich aus einer Drehwelle 16, einer Buchse 18 und einem Magnet 20
gebildet. Während der Montage werden die Drehwelle 16 und die Buchse 18 durch eine Preßpassung miteinander verbunden
und der Magnet· 20 wird mit Hilfe eines Klebstoffes
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auf der Buchse 18 befestigt. Um den Wirkungsgrad des Übertragungsmaßes
zu verbessern, muß die koaxiale Ausrichtung der Drehwelle 16 und des Magneten 20 wie auch die Innen-
und Außendurchmesser mit der höchstmöglichen Präzision vorgenommen bzw. bearbeitet werden. Es muß daher eine sehr
große Genauigkeit bei der Bearbeitung des Magneten 20 aufgebracht werden. Dieses ist jedoch im Hinblick auf die Härte
und Brüchigkeit der gesinterten Materialien aus seltenen Erden äußerst schwierig, wie sie für den Magneten 20 benutzt
v/erden. Eine große Anzahl von Be arbeitungs schritte η
ist daher erforderlich, um einen Innendurchmesser mit
einer geeigneten Genauigkeit zu erhalten und die Exzentrizität zwischen dem Außendurchmesser und der Welle zu beseitigen.
Diese Probleme erhöhen notwendigerweise die Herstellungskosten, wobei etwa 50% der Gesamtkosten für die
Erhaltung genauer Abmessungen aufgewendet werden müssen. Selbst ein fertiggestellter Rotor ist infolge seiner Brüchigkeit
Beschädigungen ausgesetzt. Eine solche Beschädigung kann während der Montage des Stators bei einem Anstoßen oder insbesondere,
wenn ein Fremdobjekt zwischen den Rotor und den Stator fällt, auftreten. Dieses kann die Drehung verhindern
oder beeinflussen , was in einer Uhr untragbar ist.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen
Rotors teilweise im Schnitt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Rotor 10' eine Drehwelle 16', eine Buchse
18', die durch Preßpassung auf dieser befestigt ist und Metallplatten 24· und 26 auf, die an beiden Oberflächen des
aus einer seltenen Erde bestehenden Magneten 20l befestigt
sind. Diese Konstruktion gewährt einen Schutz beiden Oberflächen des Rotors, schützt jedoch nicht seine äußere Umfangsflache,
die dem Stator am nächsten liegt.
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Bei einem weiteren, hier zwar nicht gezeigten Ausführungsbei·
spiel wird die in· Fig. 3 gezeigte Buchse 18' fortgelassen
und die Platten 24·und 26 werden in unmittelbarem Druckkontakt mit der Drehwelle 16' durch Verminderung ihres Innendurchmessers
gebracht. Bei dieser Konstruktion müssen die Platten 24 und 26, die an beiden Oberflächen des aus der
seltenen Erde bestehenden Magneten 20' befestigt sind, zu
ihrer senkrechten Berührung mit der Drehwelle 16' sehr genau gefertigt werden, so daß die Abmessungen ihrer Innendurchmesser
richtig sind. Dieses erfordert wieder höhere Kosten.
Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Rotoranordnung, die besonders für einen elektro-mechanischen
Wandler in einer elektronischen Uhr geeignet ist. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform weist die Rotoranordnung
30 eine Drehwelle 32, ein metallisches Schutzglied 34, das drehbar auf der Drehwelle 32 befestigt ist und aus
einem Nabenteil 36 gebildet ist, eine radiale Wand 38, die
von dem Nabenteil 36 sich in radialer Richtung erstreckt sowie
eine zylindrische Wand oder einen Ring 40 einstückig mit ihr aufweist, und einen ringförmigen Magneten 42 aus
einer seltenen Erde aufweist. Der Nabenteil 36 des metallischen Schutzgliedes 34· ist fest auf der Drehwelle 32 mit
Hilfe einer Preßpassung gehaltert. Der Magnet 42 aus. der seltenen Erde ist ebenfalls in die Innenwand des Ringes
mit einer Preßpassung eingepaßt und fest an seiner Außenumfangsflache
gehalten. Eine der Stirnflächen des Magneten 42 berührt die radiale Wand 38. Der Innendurchmesser des
Magneten 42 ist etwas größer als der Außendurchmesser des Nabenteils 36, um zwischen ihnen einen kreisringförmigen
Zwischenraum zu erzeugen. Der Innendurchmesser des Magneten 42 aus der seltenen Erde kann daher einfach durch einen
relativ groben Bohrvorgang hergestellt werden. Es ist darauf
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hinzuweisen, daß, da das Schutzglied 34 aus Metall gefertigt ist, es sehr genau bearbeitet werden kann, um genaue Abmessungen
in Axial- und Radialrichtung zu der Achse der Drehwelle 32 sicherzustellen. Der Außendurchmesser des Magneten 42
braucht nur die gleiche Genauigkeit zu haben, wie sie bei herkömmlichen, elektro-mechanischen Wandlern erforderlich ist.
Außerdem ist die Verbindung zwischen dem metallischen Schutzglied 34 und dem Außendurchmesser des Magneten 42
sehr zuverlässig, da der Magnet 42 aus der seltenen Erde in den Ring 40 durch Preßpassung eingepaßt ist. Außerdem
schützt das metallische Schutzglied 34 die Außenfläche des Magneten 42 wie auch seine Innenmantelfläche während seiner
Handhabung. Ein weiterer Schutz kann durch Ausdehnen eines Teils des metallischen Schutzgliedes 34 über die freie Oberfläche
des Magneten 42 bewirkt werden.
Fig. 5 zeigt ein weiteres bevorzugtes .Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Eotoranordnung. Bei diesem gezeigten Ausführungsbeispiel
weist das metallische Schutzglied 34" eine radiale Wand 38', die fest auf einer Drehwelle 32' gehalten
ist, und eine zylindrische Wand oder einen Ring 40' auf, der einstückig mit dieser gebildet ist, um einen Magneten
42' aus einer seltenen Erde festzuhalten. Die radiale Wand 38' hat eine Bohrung, durch.die hindurch ein Teil 32·a
verminderten Durchmessers der Drehwelle 32" sich erstreckt. Ein Klebstoff wird entweder an den Teil 32'a verminderten
•Durchmessers der Drehwelle 32' ge'geben oder in den Spalt
zwischen der Welle 32' und dem Innendurchmesser des Magneten
42' aus der seltenen Erde eingefüllt. Auf diese Weise kann die Genauigkeit des Innendurchmessers des Magneten 42'
und seine koaxiale Ausrichtung in Bezug auf die DrehwelLe 32' mit Hilfe des metallischen Schutzgliedes 34' sichergestellt
werden, das leicht auf sehr genaue Abmessungen bearbeitet werden kann. Soll die Wirksamkeit der Rotoranordnung durch
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Vergrößerung ihres Volumens verbessert werden, so kann der
Innendurchmesser des Magneten 42' vermindert und damit dieser
in radialer Richtung verstärkt werden. Ein kompakterer Rotor kann durch Verkürzung sowohl des Innen- als auch des
Außendurchmessers des Magneten 42' erhalten werden.
Fig. 6 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Rotoranordnung. Bei dieser Ausführungsform weist das metallische Schutzglied 34" einen zylindrischen
Ring 44- und eine Nabe 46 auf. Der'Außenumfang des Magneten
42" aus der seltenen Erde wird in den metallischen Ring 44 so eingepaßt, daß beim Einpassen der Habe 46 in den Innendurchmesser
des Magneten 42" aus der seltenen Erde dieser nicht brechen kann. In diesem Fall muß die Genauigkeit
des Innendurchmessers des Magneten 42" nur in der gleichen Weise sichergestellt werden, wie dieses bei den herkömmlichen
Rotoranordnungen der Pail ist. Da der metallische Schutzring 44 fest auf dem Außenumfang des Magneten 42"
aufgepaßt ist, kann die Nabe 46 auf die Drehwelle 32" in einer sehr zuverlässigen Weise aufgepaßt werden* Außerdem
kann die radiale Dicke des Magneten 42" vermindert v/erden, um damit eine flachere Uhr zu bilden.
Pig. 7 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Rotoranordnung. Dieses gezeigte Ausführungsbeispiel
ist in seiner Konstruktion ähnlich dem in Pig. 4 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme,
daß ein Spalt S zwischen der radialen Wand 38'''des metallischen Schutzgliedes 34'!l und der Stirnfläche des
Magneten 42' " vorgesehen ist. Der Spalt S kompensiert jede unzureichende Genauigkeit in der Längsabmessung t
des Magneten 42' " aus, wodurch eine sehr genaue Bearbeitung entfallen kann. Außerdem kann, da die Länge t des
Magneten 42' " größer gewählt ist als seine radiale Dicke B
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der Magnet 4-2' ' ' selbst, wie auch, die Länge seiner Umfangsverbindung
zwischen ihm und dem metallischen Schutzglied 34-" verlängert werden, um die Möglichkeit von Schwingungen
und einer axialen Fehlausrichtung des Magneten 4-2'' ' zu
vermindern. Daher braucht nur der Außenumfang des Magneten 4-2' '· genau bearbeitet zu werden. Da außerdem die Verbindung
zwischen dem metallischen Schutzglied 54-' ' ' und dem
Magneten 4-2' ' ' verlängert ist, kann die Verbindung 1 zwischen
dem metallischen Schutzglied 34-' " und der Drehwelle
32'(l geringer als die Dicke H des metallischen Schutzglieds
34-' ' ' gemacht werden. Auf diese Weise kann die Gesamtlänge
der Drehwelle 32' " verkürzt werden, wodurch ein
miniaturisierter elektro-mechanischer Wandler mit einer
verminderten Stärke zu erhalten ist. Der Spalt r zwischen dem Magneten 4-2' " und dem ITabenteil 36' " hat den gleichen
Vorteil, wie er bereits in Verbindung mit dem in Pig. 4··
gezeigten Ausfuhrungsbeispiel genannt wurde.
. 8 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf einen Rotormagneten 5O5 der bei der erfindungsgemäßen Eotoranordnung
benutzt werden kann. Der Eotormagnet 50 ist aus einem anisotropischen
seltenen Erdemagneten, wie Samarium-Kobalt (SmOon-) gefertigt, der ein Leistungsprodukt von mindestens
16 MGOe ausübt. Der Innenradius (Ei) des Magneten 50 beträgt
etwa 0,4- mm, der Außenradius (Eo) beträgt etwa 0,65 mm und das Verhältnis Eo/Ei liegt innerhalb des Bereichts
von 1,2 bis 2,0.
!"ig. 9 zeigt eine Darstellung der Verteilung der magnetischen
Flußdichte für einen Eotormagneten, wobei der Drehwinkel
einer Eotoranordnung längs der Abzisse und die magnetische ITußdiehte längs der Ordinate aufgetragen sind. Die Kurve
C gibt die magnetische Flußdichte einer herkömmlichen Eotoranordnung
an, die aus einem Platin-Kobalt-Magneten besteht. Die Kurve D m gibt die magnetische Flußdichte einer herkömm-
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lichen Rotoranordnung an, die aus einem Samarium-Kobalt-Magneten
besteht. Die Kurve E zeigt-die magnetische Flußdichte
eines ringförmigen Eotormagneten 50, wie er in Fig. 8
gezeigt ist.
Wie aus dem Aufbau des in ]?ig. 8 gezeigten Eotormagneten 50
leicht zu erkennen ist, kann die wirksame Länge des Magneten
in Bezug auf die Gesamtlänge der Rotor an Ordnung verkürzt werden, wodurch die magnetische Leitfähigkeit des
Rotormagneten 50 auf 0,5 bis 2,0 vermindert werden kann.
Dadurch kann auch die magnetische Leitfähigkeit wirksam vermindert werden, wenn die Rotoranordnung in einem elektromechanischen
Wandler als rJeil eines wirksamen magnetischen
Kreises benutzt wird, wodurch die optimale magnetische Leitfähigkeit eines hochwirksamen Magneten angenähert, wird.
Als Folge kann die erfindungsgemäße Rot or anordnung mit
niedrigen Kosten hergestellt werden, da der gleiche wirksame magnetische Fluß mit einer Rotoranordnung erhalten werden
kann, der weniger magnetisches Material benutzt als es bei herkömmliehen Rotormagneten erforderlich ist.- Mit
einer geringeren Menge von in einem Rotormagneten benutzten Material wird auch das Trägheitsmoment des Rotors vermindert,
was beim Start des elektromechanischen Wandlers besonders vorteilhaft ist. Verschiedene Versuche haben nachgewiesen,
daß der Betrieb des elektro-mechanischen Wandlers, der eine
erfindungsgemäße Rotoranordnung benutzt, bei einem niedrigen Strom von 1,8 /umA stabil ist.
Wurde versucht, den Leistungsverbrauch eines Motors zu vermindern,
der einen Rotor benutzt, der aus einem hochwirksamen magnetischen Material besteht, so ergab sich eine höhere magnetische
Flußdichte, wie dieses durch die Kurve D in Fig. 9
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gezeigt ist. Ein solcher Rotor benötigt bei seiner Vervrendung in einem Motor eine hohe Treüberspannung, was besondere Forderungen
an die in einer elektronischen Uhr benutzte Batterieart stellt. Die vorliegende Erfindung bewirkt dagegen eine
mehrere Pegel aufweisende Kurve, wie sie bei E in Pig. 9 gezeigt ist, was einen stabilen Betrieb des elektro-mechanischen
Wandlers innerhalb der Grenzen ermöglicht, die durch die Erfordernisse von in elektronischen Uhren benutzten
Batterien gegeben sind. Es ist daher möglich, eine Rotoranordnung zu schaffen, die eine Verminderung der Abmessungen
eines elektro-jnechanischen Wandlers ermöglicht und die geringe
Herstellungskosten hat, da ein Hochleistungsmagnet, wie ein Magnet aus seltenen Erden, mit einem Energieprodukt
von mindestens 16 MGOe benutzt wird. Vorteile werden außerdem durch die typische Konstruktion der Rotoranordnung
erreicht und der Leistungsverbrauch kann vermindert werden, so daß die wirksame Lebensdauer der Batterie vergrößert werden
kann.
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß die er— findungsgemäße Rotoranordnung einen vergrößerten elektromechanischen
Übertragungsfaktor bewirkt, der den Leistungsverbrauch eines elektro-mechanischen Wandlers vermindert. Es
ist auch darauf hinzuweisen, daß die erfindungsgemäße Rotoranordnung
mit niedrigen Herstellungskosten und hoher Genauigkeit gefertigt werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt in der
Tatsache, daß, da ein einen Teil der erfindungsgemäßen Rotoranordnung bildender Rotormagnet durch Zusammendrückung längs
seines Außenumfanges durch die Wirkung eines Schutzgliedes vorgespannt wird, der Rotormagnet leicht zu bearbeiten,
zu montieren und zu reparieren ist. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß der Magnet aus seltenen Erden
gegen Spannungen brüchig und ziemlich fest gegen Druck ist,
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so daß aus diesem Grund die erfindungsgemäßen Merkmale zur Anordnung des Rotormagneten in dem Schutzglied durch
Preßpassung längs seiner Außenmantelfläclie besonders
vorteilhaft sind.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von bestimmten Ausführungsbeispielen gezeigt und beschrieben wurde,
ist darauf hinzuweisen, daß verschiedene andex^e Änderungen oder Modifikationen vorgenommen werden können, ohne
daß die erfindungsgemäße Lehre verlassen wird. So kann z.B.
obwohl das Schutzglied als ein metallisches Glied beschrieben wurde, dieses aus irgendeinem anderen geeigneten Material,
wie einem Kunststoffmaterial, hergestellt werden.
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Claims (10)
- tentansprücheIy Rotoranordnung für einen elektro-mechanischeη Wandler einer elektronischen Uhr, g.ekennzeichne t durch, eine Drehwelle (32), durch, ein fest auf dieser angeordnetes Schutzglied (34-) und durch einen aus seltenen Erden bestehenden Magneten (4-2), der an seiner Außenfläche fest von dem metallischen Schutzglied (34·) gehalten ist.
- 2. Rotoranordnung nach Anspruch. 1, dadurch. gekennzeichnet, daß das Schutzglied (34-) einen fest auf der Drehwelle (32) befestigten Uabenteil (36), eine sich von dem Nabenteil'(36) in radialer Richtung erstreckende radiale Wand (38) und eine mit dieser radialen Wand (38) einstückige zylindrische Wand (4-0) aufweist, um den Magneten (4-2) festzuhalten.
- 3. Rotoranordnung nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (4-2) aus seltenen Erden einen größeren Innendurchmesser hat als der des Mabenteils (36) beträgt.
- 4-, Rotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Schutzglied (34-') eine radiale Wand (38') aufweist, die fest auf der Drehwelle (32') befestigt ist und daß eine zylindrische Wand (4-OOzum festen Halten des Magneten (42*)aus seltenen Erden vorgesehen ist.
- 5. Rotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Schutzglied (34-n) eine Hülse (46), die fest auf der Drehwelle (32") befestigt ist und mit ihrer Außenmantelfläche eine Innenmantelfläche des Magneten (4-2") aus seltenen Erden beaufschlagt, und einen zylindrischen Ring (44) aufweist, der mit seiner Innen-709813/0941mantelflache die Außenmantelflaclie des Magneten (42") beaufschlagt.
- 6. Rotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Magnet (50) aus seltenen Erden ringförmig ist, wobei das Verhältnis des Außenradius (Ro) zum Innenradius (Ei) im Bereich zwischen 1,2 und 2,0 liegt.
- 7· Rotoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Magnet (50) aus seltenen Erden ein Energieprodukt von mindestens 16MGOe aufweist.
- 8. Rotüranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge des Magneten (42''') aus seltenen Erden größer als seine radiale Dicke ist.
- 9. Roto ranordnung nach Anspruch 7 > dadurch. gekennzeichnet , daß die "Verbindung (l) zwischen der Drehwelle (32111) und dem Schutzglied (3V'1) eine geringere Länge hat als die Dicke des metallischen Schutzgliedes (34'") beträgt.
- 10. Rotoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Spalt (S) zwischen der radialen Vand (38'") des Schutz-gliedes (3V11) und einer Stirnfläche des Magneten (42''') aus seltenen Erden vorgesehen ist.709813/0941
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