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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor oder Stator einer elektrischen Maschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, umfassend einen derartigen Rotor und/oder Stator. Der Rotor oder Stator kann einen Permanentmagneten aufnehmen und ist gegenüber dem Permanentmagneten vorteilhafterweise elektrisch isoliert.
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Aus dem Stand der Technik sind Drehstrommaschinen mit Permanentmagneten bekannt. Solche elektrischen Maschinen ermöglichen hohe Drehmomente und hohe Leistungsdichten. Generell lassen sich die Maschinen innerhalb der Literatur in zwei Kategorien unterteilen, in Innenläufer (Rotor innerhalb des Stators) und Außenläufer (Rotor außerhalb des Stators). Maschinenteile, die den magnetischen Fluss konzentriert führen, wie insbesondere der Stator oder der Rotor, sind aus gestapelten Elektroblechen aufgebaut. Die Magnete, die vorwiegend im Rotor verbaut werden, sind aus gesinterten seltenen Erden-Materialien aufgebaut, welche eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen.
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Üblicherweise sind die gestapelten Elektrobleche gegenüber einander elektrisch isoliert. Durch zeitlich veränderliche Magnetfelder entstehen Wirbelströme, die somit nicht zwischen den einzelnen Blechen fließen können. Vielmehr können Wirbelströme nur innerhalb der einzelnen Bleche auftreten. Durch die Berührung der Magnete mit den Elektroblechstapeln besteht jedoch die Gefahr, dass die einzelnen Bleche kurzgeschlossen werden und somit Wirbelströme über die Magnete fließen und sich dadurch in sämtliche Elektrobleche verteilen können. Dies hat einen signifikant erhöhten Verlust beim Betrieb der elektrischen Maschine zur Folge. Eine elektrische Isolation zwischen Magnet und Elektroblech unterdrückt zwar die Wirbelströme, erhöht aber zumeist auch den magnetischen Widerstand, was wiederum eine Reduktion der Leistung der elektrischen Maschine mit sich bringt.
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Aus dem Stand der Technik ist insbesondere die
DE 10 2010 026 263 A1 bekannt. Dieses Dokument beschreibt einen Stator einer elektrischen Maschine, der vollständig aus einem magnetisch leitfähigen Verbundwerkstoff gefertigt ist. Eine solche Fertigungsweise hat Vorteile hinsichtlich Wirbelstromverhalten, ist jedoch teuer und aufwendig. In dem zitierten Dokument wird das Fertigungsverfahren vorwiegend deshalb gewählt, weil eine komplizierte Statorgeometrie vorhanden ist, die sich nicht durch Stapeln einzelner Bleche erreichen lässt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Maschinenkomponente, insbesondere ein Rotor oder Stator, weist einen Grundkörper auf, der einfach und aufwandsarm mittels Blechstapel zu fertigen ist. Somit unterscheidet sich der Rotor oder Stator hinsichtlich seiner Herstellungsweise nicht von konventionellen Rotoren oder Statoren. Es wird lediglich zusätzlich zu dem Permanentmagneten eine elektrische Isolation bereitgestellt, die den Permanentmagneten von dem Grundkörper trennt und gleichzeitig eine magnetische Leitfähigkeit sicherstellt. Somit ist insbesondere ein Kurzschluss der Bleche durch den Magneten verhindert, während gleichzeitig ein Magnetfluss innerhalb der elektrischen Maschine nicht beeinträchtigt wird. Somit geht keine Leistung der elektrischen Maschine verloren.
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Die erfindungsgemäße Maschinenkomponente einer elektrischen Maschine, die insbesondere ein Rotor oder ein Stator ist, umfasst einen Grundkörper und eine elektrische Isolation. Der Grundkörper umfasst einen Stapel einzelner Bleche. Die Bleche sind insbesondere Elektrobleche. Der Grundkörper weist weiterhin zumindest eine Ausnehmung auf. In die Ausnehmung ist der Permanentmagnet einsetzbar. Weist der Grundkörper mehrere Ausnehmungen auf, so ist insbesondere vorgesehen, dass in jeweils eine Ausnehmung zumindest ein Permanentmagnet einsetzbar ist. In eine Ausnehmung können auch mehrere Permanentmagnete eingesetzt werden. Die Ausnehmung erstreckt sich vorteilhafterweise durch sämtliche Bleche des Stapels.
An dem Grundkörper ist zumindest ein Permanentmagnet angebracht. Dazu ist insbesondere vorgesehen, dass der zumindest eine Permanentmagnet durch die einzelnen Bleche des Grundkörpers ragt. Durch die elektrische Isolation ist ein elektrischer Kontakt zwischen Permanentmagnet und dem Grundkörper verhindert. Auf diese Weise ist verhindert, dass der Permanentmagnet den Grundkörper kurzschließen kann, insbesondere ist ein elektrischer Kurzschluss zwischen den einzelnen Blechen durch den Permanentmagnet verhindert. Somit ist eine elektrische Verbindung der Bleche durch einen der Permanentmagnete verhindert.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die elektrische Isolation einen weichmagnetischen Verbundwerkstoff umfasst. Dadurch ist die elektrische Isolation magnetisch leitfähig, weshalb ein magnetisches Feld nahezu unbeeinflusst weitergeleitet wird. Auf diese Weise lassen sich effektiv Wirbelströme bekämpfen, während gleichzeitig kein Leistungsverlust der elektrischen Maschine vorhanden ist, da der magnetische Fluss innerhalb der elektrischen Maschine nicht oder nahe nicht beeinflusst wird.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Vorteilhafterweise ist die elektrische Isolation in der Ausnehmung angeordnet. Somit ist sichergestellt, dass der Permanentmagnet keinerlei Kontakt zu dem Grundkörper aufweist. Auf diese Weise ist der Kurzschluss der einzelnen Bleche durch den Permanentmagnet sicher und zuverlässig verhindert.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Ausnehmung einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist. Der erste Bereich schließt an den zweiten Bereich an. Weiterhin ist vorgesehen, dass der erste Bereich zum Aufnehmen des Permanentmagneten dient. Gleichzeitig ist vorgesehen, dass in dem zweiten Bereich die elektrische Isolation angebracht ist. Insbesondere entspricht somit der erste Bereich einer herkömmlichen Ausnehmung, wie sie in elektrischen Maschinen, insbesondere in Rotoren, nach dem Stand der Technik bereits vorhanden ist. Der zweite Bereich stellt somit eine Erweiterung des ersten Bereichs dar, um zusätzlich zu dem Permanentmagneten auch die elektrische Isolation aufnehmen zu können. Dadurch, dass der erste Bereich an den zweiten Bereich anschließt, ist sichergestellt, dass eine zuverlässige Trennung von Grundkörper und Permanentmagnet durch die elektrische Isolation erreicht werden kann.
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Weiterhin ist besonders vorteilhaft vorgesehen, dass sich der erste Bereich zwischen zwei zweiten Bereichen erstreckt. Somit kann der Permanentmagnet durch die elektrische Isolation gerahmt werden. Auf diese Weise ist besagte vollständige Trennung zwischen Grundkörper und Permanentmagnet vorteilhafterweise erreichbar. An Stirnflächen, an denen kein zweiter Bereich den ersten Bereich umgibt, ist die Ausnehmung bevorzugt größer als der Permanentmagnet, wodurch erreicht ist, dass auch hier keinerlei Kontakt zwischen Grundkörper und Permanentmagnet vorhanden ist.
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Ist die elektrische Isolation in den Rotor eingesetzt, so lässt sich für jede Ebene jedes Blechs ein Querschnitt der Elektrische Isolation finden. Dies entspricht insbesondere demjenigen Teilbereich der elektrischen Isolation, der innerhalb des einzelnen Blechs vorhanden ist. Besagter Querschnitt weist Außenkanten auf, die ausschließlich an dem Permanentmagneten oder an dem Blech anliegen. Somit ist die elektrische Isolation vorteilhafterweise an solchen Außenflächen, an denen die elektrische Isolation nicht an dem Permanentmagneten anliegt, vollständig durch den Grundkörper geführt. Daher ist ein sicherer und zuverlässiger Halt der elektrischen Isolation innerhalb des Grundkörpers sichergestellt.
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Die einzelnen Bleche sind vorteilhafterweise elektrisch gegeneinander isoliert. Insbesondere sind die Bleche aus Elektroblech gefertigt und während des Stapelns durch eine elektrische Isolierung voneinander getrennt. Gleichzeitig sind die Bleche, insbesondere sämtliche Bleche, durch die elektrische Isolation gegenüber dem Permanentmagneten elektrisch isolierbar. Auf diese Weise ist vollständig verhindert, dass zwischen den einzelnen Blechen ein elektrischer Kontakt auftreten kann. So ist einerseits durch die elektrische Isolierung der Bleche gegeneinander verhindert, dass Wirbelströme zwischen den einzelnen Blechen fließen können, während durch die elektrische Isolation verhinderbar ist, dass Wirbelströme über den Permanentmagneten zwischen den einzelnen Blechen fließen. Auf diese Weise ist das Auftreten von Wirbelströmen erschwert oder verhindert. Somit ist ein Verlust beim Betrieb der elektrischen Maschine minimiert.
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Der weichmagnetische Verbundwerkstoff der elektrischen Isolation umfasst vorteilhafterweise weichmagnetische Eigenschaften aufweisende Partikel, insbesondere ein ferromagnetisches Pulver. Die Partikel sind mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung beschichtet. Somit weist die elektrische Isolation einen hohen elektrischen Widerstand auf, der zur Verhinderung von Wirbelströmen dient, die zwischen dem Permanentmagneten und den einzelnen Blechen fließen kann. Gleichzeitig ist eine hohe magnetische Leitfähigkeit erreicht, so dass ein magnetischer Fluss innerhalb des Rotors oder Stators und damit innerhalb der elektrischen Maschine oder nahezu nicht beeinflusst wird. Auf diese Weise ist erreicht, dass Wirbelströme effektiv bekämpft werden können, während ansonsten kein Leistungsverlust der elektrischen Maschine auftritt. Die weichmagnetische Eigenschaften aufweisende Partikel umfassen insbesondere Eisen und/oder zumindest eine eisenhaltige Legierung.
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Vorteilhafterweise weisen die Permanentmagnete jeweils zwei sich gegenüberliegende Stirnseiten auf. Die Stirnseiten sind insbesondere von vier weiteren, insbesondere kleineren, Seiten umschlossen. Die elektrische Isolation ist jeweils an den Stirnseiten der Permanentmagnete vorgesehen. Vorteilhafterweise ist die elektrische Isolation als Beschichtung der Stirnseiten vorgesehen. Die Permanentmagnete sind jeweils an ihren isolierten Stirnseiten in der zugeordneten Ausnehmung mit einem vorbestimmten Übermaß eingepresst. Dadurch ist eine einfache und aufwandsarme Montage der Maschinenkomponente erreicht, wobei ebenso ein sicherer und zuverlässiger Halt des Permanentmagneten in der Ausnehmung des Grundkörpers der Maschinenkomponente sichergestellt ist. In den Ausnehmungen sind besonders vorteilhaft Mittel, insbesondere Aussparungen, vorgesehen, um eine bestimmte Position des jeweiligen Permanentmagneten in der zugeordneten Ausnehmung zu erreichen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine umfasst eine Maschinenkomponente wie zuvor beschrieben. Insbesondere umfasst die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator, wobei der Rotor und/oder Stator wie zuvor beschrieben ist. Somit sind in der elektrischen Maschine Wirbelströme bekämpft, während gleichzeitig ein Leistungsverlust der elektrischen Maschine aufgrund der Maßnahmen gegen Wirbelströme nicht auftritt.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass ein Permanentmagnet in eine Ausnehmung des Rotors oder Stators eingesetzt ist. Besagter Permanentmagnet ist von dem Rotor oder Stator getrennt und insbesondere elektrisch isoliert. Auf diese Weise ist ein Kurzschluss zwischen den Blechen des Rotors oder Stators und dem Permanentmagnet verhindert. Somit ist das Auftreten von Wirbelströmen erschwert. Da die elektrische Isolation wie zuvor beschrieben, weichmagnetisch ausgebildet ist, wird ein Magnetfluss innerhalb der elektrischen Maschine durch die elektrische Isolation nicht gestört.
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Schließlich ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass sämtliche Permanentmagnete der elektrischen Maschine gegenüber den Blechen des Rotors oder Stators durch die elektrische Isolation elektrisch isoliert sind. Somit ist an keiner einzigen Stelle innerhalb der elektrischen Maschine, insbesondere innerhalb des Rotors oder Stators, ein Kurzschluss zwischen Blech und Permanentmagnet ermöglicht. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass ein Auftreten von Wirbelströmen innerhalb der gesamten elektrischen Maschine erschwert oder verhindert ist.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrische Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2a eine erste alternative Ausgestaltung des Rotors der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2b eine zweite alternative Ausgestaltung des Rotors der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2c eine dritte alternative Ausgestaltung des Rotors der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2d eine vierte alternative Ausgestaltung des Rotors der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 2e eine fünfte alternative Ausgestaltung des Rotors der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Maschine 3 umfasst einen Rotor 1 und einen Stator 10. Der Rotor 1 ist durch den Stator 10 antreibbar, wodurch der Rotor 1 um eine Rotationsachse 100 rotierbar ist. Ein Antrieb erfolgt dabei einen magnetischen Fluss innerhalb der elektrischen Maschine 3.
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Der Rotor 1 umfasst einen Grundkörper 2, der einen Stapel einzelner Bleche 4 aufweist. Die einzelnen Bleche 4 sind insbesondere Stanzteile und aus Elektroblech gefertigt. Durch das Stapeln der einzelnen Bleche 4 ist der Grundkörper 2 einfach und aufwandsarm herstellbar.
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Die einzelnen Bleche 4 sind elektrisch gegeneinander isoliert. Auf diese Weise ist verhindert, dass Wirbelströme zwischen den einzelnen Blechen 4 fließen können. Somit ist ein Auftreten von Wirbelströmen nur innerhalb der einzelnen Bleche 4 ermöglicht, was bereits zu einer erheblichen Reduktion des Auftretens von Wirbelströmen führt.
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Zusätzlich weist der Grundkörper 2 eine Vielzahl von Ausnehmungen 6 auf. Jede der Ausnehmungen 6 dient zum Aufnehmen jeweils eines Permanentmagneten 7. Die Ausnehmungen 6 erstrecken sich dazu insbesondere entlang der Rotationsachse 100 durch sämtliche Bleche 4 des Grundkörpers 2. Ebenso erstreckt sich der Permanentmagnet 7 vorteilhafterweise mindestens durch sämtliche Bleche 4 entlang der Rotationsachse 100.
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Durch das Einsetzen der Permanentmagnete 7, die üblicherweise aus elektrisch leitfähigen seltenen Erden hergestellt werden, besteht die Gefahr, dass ein Kurzschluss zwischen den einzelnen Blechen 4 entsteht. Um einen solchen Kurzschluss zu vermeiden, ist jeder Permanentmagnet 7 durch eine elektrische Isolation 5 von dem Grundkörper 2 getrennt. Die elektrische Isolation 5 ist aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff hergestellt. Gleichzeitig ist die elektrische Isolation 5 elektrisch isolierend ausgebildet. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff Partikel mit weichmagnetischen Eigenschaften aufweist. Die Partikel weisen eine elektrisch isolierende Beschichtung auf. Durch die weichmagnetischen Eigenschaften der Partikel ist die magnetische Leitfähigkeit erreicht. Somit ist sichergestellt, dass die elektrische Isolation 5 eine elektrische Isolation zwischen Grundkörper 2 und Permanentmagnet 7 etabliert, während gleichzeitig ein magnetischer Fluss innerhalb der elektrischen Maschine 3 durch die elektrische Isolation 5 nicht beeinflusst wird. Die Partikel umfassen insbesondere Eisen und/oder mindestens eine eisenhaltige Legierung.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in jeder Ausnehmung 6 ein Permanentmagnet 7 angeordnet. Ebenfalls innerhalb der Ausnehmung 6 ist die elektrische Isolation 5 angeordnet. Dazu weist die Ausnehmung einen ersten Bereich 8 auf, der zur Aufnahme des Permanentmagneten 7 vorgesehen ist. Ebenso weist die Ausnehmung 6 einen zweiten Bereich 9 auf, der zum Aufnehmen der elektrischen Isolation 5 vorgesehen ist. Auf diese Weise ist erreicht, dass sowohl die elektrische Isolation 5 als auch Permanentmagnet 7 sicher und zuverlässig in der Ausnehmung 6 angeordnet werden können.
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Besonders vorteilhaft rahmen zwei zweite Bereiche 9 einen ersten Bereich 8. Somit ist der Permanentmagnet 7 durch die elektrische Isolation 5 umgeben. Dies führt zu einer sicheren und zuverlässigen Trennung von Grundkörper 2 und Permanentmagnet 7. Gleichzeitig sind die elektrische Isolation 5 und der Permanentmagnet 7 sicher innerhalb der Ausnehmung 6 angebracht.
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Die elektrische Isolation 5 weist in dem in 1 gezeigten Querschnitt somit Außenkanten auf, die ausschließlich entweder in Kontakt mit dem Grundkörper 2 oder dem Permanentmagnet 7 stehen. Somit ist die elektrische Isolation vollständig in den Grundkörper 2 integriert. Dies führt dazu, dass ein optimaler magnetischer Fluss innerhalb der elektrischen Maschine 3 sichergestellt ist. Gleichzeitig ist die elektrische Isolation 5 sicher und zuverlässig in dem Grundkörper 2 gehalten. Durch das Anliegen an den Permanentmagneten 7 ist außerdem der Permanentmagnet 7 sicher und zuverlässig innerhalb des Grundkörpers 2 befestigt. Gleichzeitig ist besagte elektrische Isolation zwischen Grundkörper 2 und Permanentmagnet 7 erreicht.
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Die 2 zeigt fünf verschiedene Alternativen des Aufbaus des Rotors 1. Dabei ist in 2 lediglich ein Segment des Rotors 1 gezeigt.
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In einer in 2a gezeigten ersten Alternative sind zwei Ausnehmungen 6 vorhanden, die in Bezug auf die Rotationsachse 100 radial versetzt sind. Dies bedeutet, dass die eine Ausnehmung 6 radial weiter außen als die zweite Ausnehmung 6 angebracht ist. In jeder Ausnehmung 6 sind außerdem drei Permanentmagnete 7 angebracht, wobei die Permanentmagnete 7 durch die elektrische Isolation gerahmt ist. Auf diese Weise ist eine hohe Anzahl an Permanentmagneten innerhalb eines Rotorsegments vorhanden. Gleichzeitig ist durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen sichergestellt, dass keinerlei Kurzschluss zwischen den einzelnen Blechen 4 des Grundkörpers 2 auftreten kann. Insbesondere durch das Bereitstellen von jeweils zwei Grundkörpern 5 pro Permanentmagnet 7 ist sichergestellt, dass sämtliche Permanentmagnete 7 elektrisch isoliert von den einzelnen Blechen 4 innerhalb des Grundkörpers 2 angebracht sind.
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Die in 2b dargestellte zweite Alternative umfasst eine Ausnehmung 6 pro Segment des Rotors 1. In jeder Ausnehmung 6 sind zwei Permanentmagneten 7 angeordnet. Somit ist gegenüber der ersten Alternative, die in 2a gezeigt ist, die Anzahl der Permanentmagnete 7 reduziert. Wie zuvor beschrieben, rahmt die elektrische Isolation 5 jeden Permanentmagnet 7, wodurch der Permanentmagnet 7 sicher und zuverlässig von den einzelnen Blechen 4 des Grundkörpers 2 des Rotors 1 elektrisch isoliert ist.
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In der dritten Alternative wie in 2c gezeigt, sind wiederum zwei Ausnehmungen 6 vorhanden. In dieser Alternative weisen die Ausnehmungen 6 eine Krümmung auf. Wiederum ist vorgesehen, dass eine der Ausnehmungen 6 radial außerhalb der anderen Ausnehmung 6 angeordnet ist. In jedem Fall ist vorgesehen, dass jeder Permanentmagnet 7 durch die elektrische Isolation 5 gerahmt ist.
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In einer vierten Alternative wie in 2d gezeigt, ist vorgesehen, dass der Permanentmagnet 7 radial außen an dem Grundkörper 2 des Rotors 1 befestigt ist. Somit ist keine Ausnehmung 6 vorhanden. Vielmehr wird der Permanentmagnet 7 von radial außen auf den Grundkörper 2 aufgebracht. Um dennoch eine elektrische Isolierung zwischen Grundkörper 2 und Permanentmagnet 7 sicherzustellen, ist die elektrische Isolation 5 vorhanden. Die elektrische Isolation 5 kann entweder in einer eigenen Ausnehmung innerhalb des Rotors 1 angeordnet sein, so dass das Anbringen des Permanentmagneten 7 analog zu bekannten Rotoren aus dem Stand der Technik erfolgen kann. Ebenso ist möglich, vor Aufbringen des Permanentmagneten 7 den Grundkörper 2 des Rotors 1 radial von außen mit der elektrischen Isolation 5 zu versehen. Auch in diesem Fall befindet sich die elektrische Isolation 5 zwischen Permanentmagneten 7 und Grundkörper 2, wodurch eine elektrische Isolierung zwischen Blech 4 und Permanentmagnet 7 erreicht ist.
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Eine fünfte Alternative ist 2e gezeigt. Hier ist die Ausnehmung 6 an spezielle Bedürfnisse der elektrischen Maschine 3 angepasst. Wiederum ist jedoch ersichtlich, dass die Ausnehmung 6 einen ersten Bereich 8 umfasst, der von zwei zweiten Bereichen 9 umrahmt ist. Somit ist der Permanentmagnet 7 durch die elektrische Isolation 5 gerahmt, wodurch sichergestellt ist, dass der Permanentmagnet 7 zuverlässig von den einzelnen Blechen 4 des Grundkörpers 2 getrennt ist und damit von diesem elektrisch isoliert ist. Ein Auftreten von Wirbelströmen ist somit wiederum sicher und zuverlässig verhindert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010026263 A1 [0004]
