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Die
Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine, die direkt oder indirekt
verbunden ist mit einem Motor, wobei eine Kraftübertragung
vom Motor auf die Arbeitsmaschine mit mindestens einen durch magnetische
oder elektromagnetische Felder angetriebenen Rotor erfolgt, insbesondere
ein Rotor zum Antrieb von Strömungsmaschinen, wobei der
Rotor mit über den Umfang verteilten Permanentmagneten
ausgestattet und für einen Betrieb in einer chemisch aggressiven
Umgebung ausgebildet ist.
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Solche
Arbeitsmaschinen finden häufig Anwendung im Bereich der
chemischen Industrie in Form einer Strömungs-Arbeitsmaschine,
häufig einer Fördereinrichtung in Form einer Pumpe;
ebenso bei Mischern und Rührern. Dort sind mit Permanentmagneten
ausgestattet Rotoren in Magnetkupplungen, Hysteresekupplungen oder
Spaltrohrmotoren eingesetzt. Für eine hermetische Abdichtung
einer mit aggressiven, gefährlichen oder kostbaren Flüssigkeiten beaufschlagten
Arbeitsmaschine sind derartige Rotoren innerhalb eines mit Fördermedium
gefüllten Spalttopfes oder Spaltrohres angeordnet. Dieses
im folgenden als Spaltelement bezeichnete Bauteil dient zur hermetischen
Abdichtung zwischen zwei Räumen, zum einen der Umgebung
und zum anderen einem mit gefährlichen Fördermedium
gefüllten, den Rotor enthaltenden Raum. Die Beanspruchungskriterien
ergeben sich aus den korrosiven, erosiven, abrasiven, kavitierenden
und tribologischen Faktoren und/oder Beanspruchungen.
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Auf
einen solchen mit Permanentmagneten ausgestatteten Rotor überträgt
ein zweites Element, gewöhnlich ein äußeres
Element, eine Antriebsenergie. Ist der Rotor Bestandteil von einem
elektronisch kommutierten Motor, so wäre das zweite Element
ein Stator mit einer Drehfeldwicklung. Durch deren umlaufende und
auf den mit Permanentmagneten ausgestatteten Rotor einwirkenden
magnetischen Drehfelder be sitzt ein solcher Antrieb einen wesentlich
höheren Systemwirkungsgrad. Dadurch fallen für
einen Anlagenbetreiber die Lebenszykluskosten einer durch einen
solchen Rotor angetriebenen Maschine günstiger aus. Und
ist der Rotor als Bestandteil einer Magnet- oder Hysteresekupplung
ausgebildet, so überträgt ein rotierend angeordneter
Außenrotor mit seinen Permanentmagneten seine Rotationsbewegung
auf den mit der Arbeitsmaschine verbundenen Rotor. Die Magnetkräfte
bewirken dabei den Mitnahmeeffekt. Bei einer hermetisch dichten
Kupplung ist zwischen Rotor und Außenrotor ein dichtendes
Spaltelement angeordnet.
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Solche
Rotoren mit am Umfang angeordneten Permanentmagneten bestehen aus
einem Rotoraktivteil für den magnetischen Rückschluss
der Permanentmagnete und sind zur Drehmomentübertragung
mit einer Welle verbunden. Das Rotoraktivteil ist von einer korrosionsbeständigen
Metallhülle ummantelt, um die Oberflächen der
Permanentmagnete vor dem Angriff durch die Flüssigkeit
zu schützen und im Betrieb auftretende Fliehkräfte
aufzunehmen. Eine solche Ummantelung reduziert zusätzlich
den hydraulischen Widerstand des innerhalb eines Spaltelementes
in der Flüssigkeit rotierenden Rotors. Das Drehmoment eines
solchen Rotors wird mit der Welle auf ein Element einer Arbeitsmaschine,
gewöhnlich ein Laufrad einer Pumpe, übertragen.
Die Welle ist aus einem gegenüber der jeweiligen Flüssigkeit
beständigen Material gefertigt. Aufgrund seiner Funktion
besteht der Rotor aus einem magnetisch hoch permeablen, korrosionsunbeständigen
Material. Deshalb sind zusätzlich zu der Ummantelung auch die
Stirnflächen des Rotoraktivteils und die Übergange
zur korrosionsbeständigen Welle durch zusätzliche
Mittel abzudichten und vor Korrosion zu schützen. Dies
erfolgt durch zusätzliche Schutzbleche oder Vergussmaßnahmen.
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Eine
andere Lösung zeigt die
EP 1 719 916 A1 für Pumpenaggregate
in Form von Heizungsumwälzpumpen, deren elektrische Antriebsmotoren
als Permanentmagnetmotoren ausgebildet sind. Die Schrift kritisiert
an den bekannten Permanentmagnetmotoren, das sie einen mit Permanentmagneten bestückten
Rotor aufweisen, der durch geeignete Bestromung von Statorspulen
in Rotation versetzt wird. Diese bekannten Rotoren sind mit einer
Rotorwelle in Gleitlagern im Statorgehäuse bzw. am Stator
drehbar gelagert, wobei der eigentliche Rotor mit den Permanentmagneten auf
der Rotorwelle fixiert ist. Die einzelnen Permanentmagnete sind
in Ausnehmungen eines Blechpaketes angeordnet, in dessen zentrale Öffnung
die Rotorwelle eingesetzt ist. Als Verbesserung soll es möglich
sein, die gesamte Rotorwelle mit einem magnetisierbaren Material
als Rotor zu umgeben und einzelne Magnetpole durch eine gezielte Magnetisierung
auszubilden. Um einen solchen Herstellungsaufwand zu reduzieren
und Kosten zu sparen ist bei der
EP 1 719 916 A1 der Rotor zumindest in einem
Teilbereich seiner axialen Erstreckung wellenlos und vollständig
aus einem magnetisierbaren, ferritischen Material ausgebildet ist
und die Magnetpole des Rotors werden durch Magnetisierung des ferritischen
Materials erzeugt. Eine solche Lösung eines aus verpressten
oder gesinterten Material erstellten Rotors ist nur bei den für
ein einfaches Fördermedium ausgelegten und kleine Leistungen
aufweisenden Heizungsumwälzpumpen verwendbar. Eine solche
Lösung ist aufgrund des ferritisches Materials im chemischen
Bereich aus Gründen der mangelnden Korrosionsbeständigkeit
nicht einsetzbar. Die dort notwendigerweise verwendeten Edelstähle
sind üblicherweise nicht magnetisierbare Austenite.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, für einen im chemischen Bereich
verwendbaren, flüssigkeitsumspülten Rotor einen
Aufbau zu entwickeln, womit eine hohe Beständigkeit gegenüber
korrosiven und/oder aggressiven Flüssigkeit gegeben und
ein hoher Wirkungsgrad für einen mit einem solchen Rotor
ausgestatteten Antrieb gewährleistet ist.
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Die
Lösung dieses Problems sieht vor, dass ein Rotoraktivteil
und eine damit verbundene Welle aus einem korrosionsbeständigen
Edelstahl aus der Gruppe ferritisch-austenischer Duplexstähle
mit 40–60% Ferrit hergestellt ist und dass in den Außenumfang
eines solchen Rotoraktivteiles integrierte Permanentmagnete vor
chemischen Angriffen geschützt sind. Durch die Ausbildung
von Rotoraktivteil und Welle aus einem korrosionsbeständigen
Edelstahl aus der Gruppe ferritisch-austenischer Duplexstähle
entfallen die bisher notwendigen Schutzmaßnahmen im Bereich
zwischen Rotoraktivteil und dem Übergang zur Welle. In
dem Rotoraktivteil kann die Welle oder können Wellenteile
in an sich bekannter Art als separate Teile angeordnet sein. Ebenso
kann der Rotor als ein einteiliger Rotor mit angeformter Welle gestaltet
sein. Hierfür hat sich die Verwendung eines gegossenen
oder geschmiedeten Vorformling und dessen spanabhebende Bearbeitung
als vorteilhaft erwiesen. Die Verwendung eines Edelstahles aus der
Gruppe ferritisch-austenischer Duplexstähle für
einen Rotor mit angeformter oder in dem Rotoraktivteil angeordneter
Welle oder Wellenteilen bedingen eine erhebliche Materialreduzierung
im gesamten Herstellungsprozess.
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Dem
vermeintlichen Nachteil einer schwierigeren Bearbeitung solcher
Duplexstähle steht der gravierende Vorteil eines einzigen
hochkorrosionsbeständigen Materials gegenüber.
Dadurch wird gegenüber der bisherigen Verwendung von verschiedenen Materialien
eine Bauteilstandarisierung, Materialminimierung und schnellere
Fertigung erreicht. Die bisher erforderlichen separaten Schutzmaßnahmen
einzelner Blechlamellen entfallen damit vollständig. Und im
Gegensatz zu einem Rotorkörper aus einem magnetisch hochpermeablen
Material weist der aus einem Duplexstahl bestehende Rotoraktivteil
eine wesentlich geringere Drehmomentwelligkeit auf, wodurch das
Rotationsverhalten verbessert wird.
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Ausgestaltungen
sehen vor, dass das Rotoraktivteil aus mehreren Rotormodulen zusammengesetzt
ist, wobei eine axiale Länge eines Rotormoduls durch die
Abmessungen von darin anzuordnenden Permanentmagneten definiert
ist. Die Rotormodule sind formschlüssig und/oder mittels
einer Welle oder mittels Wellenteilen aneinander befestigt. Dadurch
ist in einfacher Weise eine Anpassung an die jeweils benötigte
Rotorbaulänge zur Erlangung der für den jeweiligen
Anwendungsfall notwendigen permanentmagnetischen Energie möglich.
Auch können damit lange Rotorbaulängen einfach
realisiert werden. Jedes Rotormodul besteht hierbei aus einem massiven Edelstahlblock
aus der Gruppe der Duplexstähle. Eine Verwendung von Modulen
in Form von paketierten Blechschnitten, wie sie durch die
EP 1 657 800 A1 bekannt
ist, scheidet aus. Da keine sichere Abdichtung zwischen solchen
einzelnen, gestapelten Blechschnitten möglich ist, ist
infolgedessen auch kein Schutz der Permanentmagnete gegenüber
den korrosiven Medien möglich.
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Eine
Maßnahme, wonach die Permanentmagnete unterhalb der Rotoroberfläche
angeordnet sind, schützt die Permanentmagnete vor dem Angriff durch
korrosive oder aggressive chemische Fördermedien. Die Rotoroberfläche
kann hierbei durch eine dünnwandige Hülse aus
einem korrosionsbeständigen Edelstahl aus der Gruppe der
ferritisch-austenischen Duplexstähle gebildet sein. Eine
solche Hülse wird an einem Rotoraktivkörper oder
an einem aus Rotormodulen zusammengesetzten Rotoraktivkörper
dichtend befestigt. Dies kann mittels Laserschweißen oder
anderer bekannter Mittel erfolgen.
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Bei
einem Verzicht auf eine zusätzliche Hülse zur
Ausbildung der zylindrischen Rotoroberfläche können
die Permanentmagnete direkt innerhalb der Oberfläche des
Rotoraktivkörpers angeordnet sein. Hierbei werden die Permanentmagnete
dicht unterhalb der äußeren Oberfläche
beziehungsweise der zylindrischen Außenumfangsfläche
innerhalb des Rotoraktivkörpers angeordnet, um durch die
massive Rotoroberfläche einen Schutz gegen Korrosionsangriffe
auf die gefährdeten Permanentmagnete zu erhalten. Ein solches
Einsetzen der Permanentmagnete in den Rotor, den Rotoraktivkörper
oder in mehrere massiv ausgebildete Rotormodule sieht Taschen vor, die
sich von einer Rotorstirnseite aus in axialer Richtung dicht unter
der Außenumfangsfläche erstrecken und die Permanentmagnete
aufnehmen. In Abhängigkeit von Art und Aufbau solcher Taschen
müssen nach einer Montage an einer oder beiden Rotorstirnseiten
nur die Aufnahmeöffnungen der Taschen abgedichtet werden.
Dazu sind die an mindestens einer Rotorstirnseite angeordneten Aufnahmeöffnungen der
Magnettaschen durch separate Mittel verschlossen. Zwar ist durch
die
DE 10 2005
041 352 A1 ein Rotor bekannt, bei dem Permanentmagnete
in den Taschen eines Läuferblechpakets angeordnet sind. Infolge
des laminierten Aufbaues kann die Flüssigkeit durch die
Spalte zwischen den einzelnen Blechen hindurch zu den Permanentmagneten
gelangen und diese beschädigen.
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Bei
Verwendung von mehreren Rotormodulen wird die Abdichtung der Permanentmagnete
an jedem Rotormodul vorgenommen. Ein aus Duplexstahl gefertigtes
Rotormodul mit fertigungstechnisch optimierter Axiallänge
wäre auf einer CNC-Werkzeugmaschine als ein Serienprodukt
nahezu vollautomatisch herstellbar.
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Ausgestaltungen
der Erfindung sehen vor, dass die in Taschen des Rotoraktivteiles
angeordneten Permanentmagnete schalenförmig, stabförmig, quaderförmig
oder ähnlich ausgebildet sind.
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Ebenso
ist es möglich, einen Rotor mit oder ohne Flusssperren
zwischen den im Außenumfang angeordneten Permanentmagneten
auszustatten. Einem für die Flusssperren bedingter geringfügig
erhöhter Fertigungsaufwand steht der längerfristige Vorteil
einer entsprechenden Reduzierung des Polstreuflusses gegenüber.
Somit ist eine langfristige Energieeinsparung für eine
damit ausgerüstete Arbeitsmaschine gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass die Verwendung eines Edelstahles aus der Gruppe der ferritisch-austenischen
Duplexstähle für solche permanent erregten Rotoren
praktisch keinen energetischen Effizienznachteil bedeutet. Zwar
besitzen korrosionsbeständige Materialien in Form der Duplexstähle
eine kleinere magnetische Permeabilität, welche den magnetischen
Spannungsabfall in einem Rotorkörper erhöht. Dadurch
sinken die permanenterregte Luftspaltinduktion und die sogenannte
Polradspannung und damit das Luftspaltdrehmoment nur leicht. Da
aber mit abnehmender Luftspaltinduktion gleichzeitig auch die bisherigen
Eisenverluste in einem den Rotor umgebenden Ständer eines
Antriebsmotors und auch im Rotor selbst zurück gehen, ändert
sich der Wirkungsgrad eines solchen Antriebsmotors bei geeigneter
Auslegung der Material- und Wandstärken nur unwesentlich
gegenüber den bisherigen Ausführungen mit magnetisch
hoch permeablem aber nicht korrosionsbeständigem Material.
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Beim
Einsatz des Rotors als Teil einer durch Magnetkräfte angetriebenen
Kupplung verhält es sich analog. Bei Magnet- oder Hysteresekupplungen ist
das innere Kupplungsteil ebenfalls ein permanentmagneterregter Rotor,
der im Prinzip baugleich wie beim permanenterregten Pumpenmotor
ist. Somit ist eine Teileverkopplung grundsätzlich möglich.
Durch den modularen Aufbau des Rotors ergibt sich der Vorteil ei ner
Drehmomentstaffelung für eine Produktbaureihe unterschiedlicher
Antriebsleistungen.
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Ausgestaltungen
der Erfindung sehen vor, dass die Permanentmagnete schalenförmig,
stabförmig, quaderförmig oder ähnlich
ausgebildet sind.
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Ebenso
ist es möglich, einen Rotor mit oder ohne Flusssperren
zwischen den im Außenumfang angeordneten Permanentmagneten
auszustatten, um somit diesen einen magnetischen Kurzschluss zu verhindern.
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Bei
dem korrosionsbeständigen ferritisch-austenitischen Duplexstahl
mit 40–60% Ferrit handelt es sich um einen Werkstoff, wie
er beispielsweise durch die Werkstoffnummern bekannt ist: 1.4362,
1.4410, 1.4460, 1.4462, 1.4464, 1.4469, 1.4470, 1.4517, 1.4593
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im
folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
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1 und 2 zeigen
Querschnitte durch direkt angetriebene Arbeitsmaschinen,
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3 zeigt
eine Arbeitsmaschine mit indirektem Motorantrieb
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4 bis 6 zeigen
verschiedene Luftsperren
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1 zeigt
einen Querschnitt durch eine Arbeitsmaschine 1 in Form
einer direkt angetriebenen Kreiselpumpe. Diese Arbeitsmaschine ist
zur Förderung von chemisch aggressiven Fluiden ausgebildet und
hier mit einem Motor 2 in Form eines Spaltrohrmotors ausgestaltet,
wobei dessen mit Permanentmagneten 3 versehene Rotor 4 direkt
den chemischen Fluiden ausgesetzt ist. Der hier einteilige Rotor 4 besteht
aus einem Rotoraktivteil 5 und einer damit verbundenen,
direkt angeformten Welle 6, wobei diese Teile aus einem
korrosionsbeständigen ferritisch-austenitischen Duplexstahl
hergestellt sind. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, einen solchen
Rotor 4 aus einem gegossenen oder geschmiedeten Vorformling
herzustellen und in span abhebender Bearbeitung die Abmessungen von
dem Rotoraktivteil 5 und der angeformten Welle 6 und
somit der Rotoraußenkontur herzustellen.
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Der
Rotoraktivteil 5 verfügt über den Umfang verteilt über
mehrere Taschen 7, in denen jeweils ein oder mehrere Permanentmagnete 3 angeordnet sind.
Die Permanentmagnete 3 sind innerhalb der Taschen 7 vor
Angriffen durch ein aggressives Fluid geschützt. Die Taschen 7 sind
unterhalb der Oberfläche vom Außenumfang in den
Rotoraktivteil 5 eingearbeitet.
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2 zeigt
eine andere Ausgestaltung des Rotors 4 von 1,
wobei innerhalb des einteiligen Rotoraktivteiles 5 zwei
Wellenteile 6.1 und 6.2 zur Lagerung desselben
befestigt sind. Alle Teile stehen aus dem korrosionsbeständigen
ferritisch-austenitischen Duplexstahl. Als weitere Abwandlung zur 1 ist
eine andere Ausbildung der Taschen 7 für eine
Aufnahme der Permanentmagnete 3 gezeigt. Aus Gründen
einer besseren Erkennbarkeit wurden in der im Schnitt oberen Tasche 7 die
Permanentmagnete 3 nicht eingezeichnet. Eine separate,
aus einem gleichen korrosionsbeständigen, ferritisch-austenitischen
Duplexstahl bestehende, 40–60% Ferrit aufweisende Hülse 8 bildet
die Oberfläche des Rotoraktivteiles 5. Die dichte
Verbindung einer solchen Hülse 8 mit dem Rotoraktivteil 5 erfolgt
durch einfache umlaufende Schweiß-, Löt-, Klebe-,
Schrumpf- oder andere Dichtverbindungen. Die Taschen 7 zur Aufnahme
von Permanentmagneten 3 werden von einem Innendurchmesser
der Hülse 8 und von Nuten gebildet, die in die
Oberfläche des Rotoaktivteiles 5 eingearbeitet
sind.
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Die 3 zeigt
eine Arbeitsmaschine, die indirekt von einem Motor 3 in
Form eines üblichen Normmotors unter Zwischenschaltung
einer mit Permanentmagneten 3 ausgestatteten Magnetkupplung 9 angetrieben
wird. Der innere Rotor 10 der Magnetkupplung 9 ist
eine weitere Variante des Rotoraufbaues. Das hier mehrteilige Rotoraktivteil 5 ist
aus zwei oder mehreren Rotormodulen 5.1, 5.2 zusammengesetzt,
die jeweils aus einem massiven ferritisch-austenitischen Duplexstahl
hergestellt sind. Dieses zusammengesetzte Rotoraktivteil 5 ist
drehmomentübertragend mit einem Wellenteil 6.3 aus dem
gleichen Material verbunden. Mit diesem Wellenteil 6.3 ist der
Rotoraktivteil 5 innerhalb der Magnetkupplung 9 oder
einer entsprechend ausgebildeten Hysteresekupplung drehbar gelagert
und gleichzeitig kräfteübertragend mit der Arbeitsmaschine 1 verbunden.
Der innere Rotor 10 kann auch analog dem Rotor von 1 oder 2 aufgebaut
sein.
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Die
Arbeitsmaschine kann hierbei – wie dargestellt – eine
Pumpe 1 oder ein Rührer, ein Mischer oder ein
sonstiges Gerät sein. Die Rotormodule 5.1, 5.2 sind
formschlüssig miteinander verbunden und die Fügestellen
form- und stoffschlüssig abgedichtet. Die Rotormodule 5.1, 5.2 des
mehrteiligen Rotoraktivteiles 5 weisen unterhalb der Rotoroberfläche
in axialer Richtung verlaufende Taschen 7 auf, in denen Permanentmagnete 3 fest
und flüssigkeitsdicht eingelagert sind. Die Lagerung solcher
Permanentmagnete 3 erfolgt mit bekannten Mitteln. Die Abdichtung der
Taschen 7 erfolgt durch separate Mittel, um somit einen
Zutritt der chemischen Flüssigkeit zu den Permanentmagneten 3 auszuschließen.
Die Verbindung zwischen den Abdichtmitteln und Rotoraktivteil 5 oder
den Rotormodulen 5.1, 5.2, muss hierbei gegenüber
den jeweiligen chemischen aggressiven Flüssigkeiten beständig
ausgebildet sein. Schweißverbindungen haben sich als sehr
vorteilhaft erwiesen.
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Sind
solche Taschen 7 nach Art von Sackbohrungen ausgebildet,
welches durch einfache spanabhebende Bearbeitung erfolgen kann,
so reduziert dies den Einsatz der abdichtenden Mittel und auch den
Aufwand zu deren Anordnung.
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In
der 4 bis 6 sind als Ausschnitte drei
Querschnitte durch Rotoren gezeigt, in denen die Taschen 7 mit
darin eingesetzten Permanentmagneten 3 und die Verwendung
von Flusssperren 11 dargestellt sind. In der 4 sind
die Flusssperren 11 als geschlossene Luftsperren in Form
von Schlitzen dargestellt. Die Flusssperren befinden sich hier unterhalb
der Rotoroberfläche. Eine andere Ausführungsform
zeigt die 5, bei der die Flusssperren 11 als
geschlitzte offene Luftsperren in die Oberfläche des Rotoraktivteiles 5 eingebaut
sind. Und 6 zeigt eine Form von runden,
gebohrten Luftsperren 11. Hier findet auch eine andere
Form von Permanentmagneten 7 Anwendung. Diese sind quaderförmig
ausgebildet und nebeneinander angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1719916
A1 [0005, 0005]
- - EP 1657800 A1 [0009]
- - DE 102005041352 A1 [0011]