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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem Rotor, ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine und ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors.
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Ein solcher Rotor weist ein aus gestapelten Elektroblechen gebildetes Blechpaket (Rotorpaket) mit darin angeordneten Magnettaschen und mehreren Magneten auf, von denen in jede der Magnettaschen mindestens einer eingesetzt ist.
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Elektrische Maschinen mit einem derartigen Rotor werden in zunehmendem Maße in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen verwendet, überwiegend als Elektromotoren für den Antrieb eines Rads oder einer Achse eines derartigen Fahrzeugs.
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Ein solcher Elektromotor ist zumeist mechanisch mit einem Getriebe zur Drehzahlanpassung gekoppelt. Daneben ist der Elektromotor in der Regel elektrisch mit einem Wechselrichter gekoppelt, der aus einer von einer Batterie gelieferten Gleichspannung eine Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors erzeugt, beispielsweise eine mehrphasige Wechselspannung.
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Es ist auch möglich, eine elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor als Generator zur Rekuperation von Bewegungsenergie eines Fahrzeugs zu betreiben. Hierzu wird die Bewegungsenergie zunächst in elektrische Energie und dann in chemische Energie einer Fahrzeugbatterie umgewandelt.
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Bei dem Rotor muss sichergestellt werden, dass die Magnete ihre Position in den Magnettaschen beibehalten, insbesondere bei hohen Drehzahlen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine elektrische Maschine anzugeben, bei dem sichergestellt ist, dass die in die Magnettaschen eingesetzten Magnete ihre Position beibehalten.
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Zur Lösung der Aufgabe ist bei einem Rotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass er mehrere Freiräume aufweist, die jeweils von den in eine der Magnettaschen eingesetzten Magneten und dem Blechpaket begrenzt sind. Ferner verfügt der Rotor über eine an einer Axialseite des Blechpakets angeordnete erste Endplatte mit einer radialen Entlüftungsöffnung. Weiterhin besitzt der Rotor eine an der gegenüberliegenden Axialseite des Blechpakets angeordnete zweite Endplatte.
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Die Freiräume können mit einer Vergussmasse vergossen werden, wodurch die Magnete in dem Blechpaket fixiert, insbesondere mit dem Blechpaket verklebt werden. Das Vergießen stellt eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Art dar, die Magnete zu befestigen.
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Beim Vergießen kann in den Freiräumen enthaltene Luft durch die Entlüftungsöffnung aus dem Blechpaket entweichen. Dadurch verbleiben in dem Blechpaket keine unerwünschten Hohlräume, welche die Fixierung der Magnete beeinträchtigen oder einer Unwucht des Rotors verursachen könnten. Daher behalten die Magnete ihre Position bei, so dass ein störungsfreier Betrieb der elektrischen Maschine, zu welcher der Rotor gehört, sichergestellt ist.
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Dazu kann die Entlüftungsöffnung mit einem der Freiräume verbunden sein. Insbesondere kann die Entlüftungsöffnung einen der Freiräume mit der Außenseite beziehungsweise der Umgebung des Rotors verbinden. Dadurch kann beim Befüllen des Freiraums mit der Vergussmasse Luft aus dem Freiraum durch die Entlüftungsöffnung nach außen strömen.
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Die Anordnung der Entlüftungsöffnung radial in der ersten Endplatte ermöglicht den Verzicht auf eine entsprechende Entlüftungsöffnung als axiale Bohrung in der ersten Endplatte, was aerodynamisch ungünstiger wäre. Dazu kann die Entlüftungsöffnung unter anderem mit einer an der Innenseite der ersten Endplatte verlaufenden Nut realisiert sein, die axial von dem Blechpaket abgeschlossen wird. Die Entlüftungsöffnung und/oder die Nut können zum Beispiel einen rechteckförmigen oder halbkreisförmigen Querschnitt haben.
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Das Blechpaket kann aus den Elektroblechen gebildet werden, indem diese verschweißt, verklebt, stanzpaketiert oder auf andere Weise aneinander befestigt werden. Insbesondere kann das Blechpaket eine zylindrische Form haben. Ferner kann jedes Elektroblech eine zentrale Öffnung besitzen, die im montierten Zustand eine axiale Bohrung des Blechpakets bilden, durch die eine Rotorwelle des Rotors führen kann. Die Achse der Rotorwelle beziehungsweise des Rotors entspricht der Axialachse des Blechpakets.
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Neben dem Rotor kann die elektrische Maschine über einen Stator verfügen, gegenüber dem der Rotor drehbar ist. Der Stator kann ein weiteres Blechpaket (Statorpaket) aufweisen, das aus gestapelten Elektroblechen gebildet ist. Daneben kann der Stator Wicklungen elektrischer Leiter besitzen, zum Beispiel als Spulenwicklungen oder Flachdrahtwicklungen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Rotor sind die in eine der Magnettaschen eingesetzten Magnete vorzugsweise axial aneinandergereiht. Dadurch können bei der Montage die Magnete einfach nacheinander in die Magnettasche eingesetzt beziehungsweise eingeschoben werden. Die aneinandergereihten Magnete werden als „Magnetstapel“ bezeichnet. Der Rotor kann mehrere solcher Magnetstapel aufweisen, die jeweils in einer Magnettasche angeordnet sind.
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Vorzugsweise weist jede der Magnettaschen einen an einer Seitenfläche der Magnettasche ausgebildeten ersten der Freiräume und einen an einer gegenüberliegenden Seitenfläche der Magnettasche ausgebildeten zweiten der Freiräume auf. Damit lassen sich die zwischen den beiden Freiräumen angeordneten Magnete besonders gut vergießen.
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Die beiden Freiräume können durch einen Magneten oder einen Magnetstapel voneinander getrennt sein. Das Volumen der Freiräume wird in der Regel deutlich kleiner als das Volumen des Magnetstapels gewählt, um die Menge der zum Füllen der Freiräume benötigten Vergussmasse zu begrenzen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der erste Freiraum mit dem zweiten Freiraum zu einem durchgängigen Kanal verbunden ist. Dadurch kann in den ersten Freiraum eingebrachte Vergussmasse in den zweiten Freiraum strömen. Auf diese Weise kann der gesamte Kanal mit Vergussmasse gefüllt werden.
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Die Verbindung des ersten Freiraums mit dem zweiten Freiraum kann unter anderem mit einem Verbindungskanal realisiert werden, der in der zweiten Endplatte gebildet ist, beispielsweise in Form einer entlang der Innenseite der zweiten Endplatte verlaufenden Nut, die axial von dem Blechpaket abgeschlossen wird. Somit kann in den ersten Freiraum injizierte Vergussmasse durch den dritten Verbindungskanal in den zweiten Freiraum gelangen.
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Vorzugsweise verläuft der Kanal von einer in der ersten Endplatte angeordneten Einfüllöffnung zu einer in der ersten Endplatte radial angeordneten Entlüftungsöffnung. Dadurch kann beim Einfüllen von Vergussmasse in die Einfüllöffnung in dem Kanal verdrängte Luft aus der Entlüftungsöffnung ausströmen. Das ermöglicht, die entlang des Kanals angeordneten Magnete blasenfrei zu vergießen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Blechpaket mehrere Blechpaketsegmente auf.
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In diesem Fall kann eines der Blechpaketsegmente gegenüber einem anderen der Blechpaketsegmente in Umfangsrichtung verdreht sein. Damit kann das Rotationsverhalten des Rotors verbessert sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Rotor können die erste Endplatte und die zweite Endplatte unter Verwendung von Spannelementen miteinander verbunden sein.
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Dadurch wird das Blechpaket permanent mit einer Vorspannkraft beaufschlagt. Die Elektrobleche werden so zusammengepresst und ein unerwünschtes Lösen der Elektrobleche voneinander wird auch bei hohen Drehzahlen vermieden.
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Vorzugsweise ist eines der Spannelemente als Zugstange (engl. tie rod) ausgebildet, welche axial durch das Blechpaket und die Endplatten verläuft. Die Zugstange kann als Schraube ausgebildet sein, die an dem Blechpaket (und den Endplatten) mit einer Mutter gesichert ist. Alternativ dazu kann die Zugstange mit zwei Muttern an dem Blechpaket (und den Endplatten) gesichert sein. Hierfür ist jede der Muttern mit einem Gewinde der Zugstange verschraubt. Die Verspannung des Blechpakets kann jedoch auch ohne Verschraubung realisiert sein.
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Wie bereits erwähnt, sind die Magnete des erfindungsgemäßen Rotors vorzugsweise mit einer Vergussmasse vergossen, welche die Freiräume füllt. Normalerweise werden die Freiräume vollständig mit Vergussmasse gefüllt. Es ist jedoch auch möglich, die Freiräume nur teilweise mit Vergussmasse zu füllen. Als Vergussmasse kann unter anderem ein Epoxidharz, eine Mischung aus einem Epoxidharz und einem Härter, oder ein Klebstoff verwendet werden.
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Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Rotor der beschriebenen Art. Neben dem Rotor verfügt die elektrische Maschine über einen Stator, gegenüber dem der Rotor drehbar ist. Der Stator kann ein Statorpaket besitzen, das aus gestapelten Elektroblechen gebildet ist. Daneben kann der Stator Wicklungen elektrischer Leiter aufweisen, zum Beispiel als Spulenwicklungen oder Flachdrahtwicklungen. Optional kann die Maschine außerdem mit einem Gehäuse ausgestattet sein, in dem der Rotor und der Stator aufgenommen sind. In diesem Fall kann die Rotorwelle aus dem Gehäuse ragen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine der beschriebenen Art, die zum Antreiben des Fahrzeugs vorgesehen ist. Die Maschine kann unter anderem mit einer Achse oder einem Rad des Fahrzeugs gekoppelt sein.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine, mit den folgenden Schritten: Bilden eines Blechpakets, in dem Magnettaschen angeordnet sind, aus gestapelten Elektroblechen, Einsetzen mindestens eines Magneten in jede der Magnettaschen, so dass Freiräume verbleiben, die jeweils von den in eine der Magnettaschen eingesetzten Magneten und dem Blechpaket begrenzt sind, Anordnen einer ersten Endplatte mit einer radialen Entlüftungsöffnung an einer Axialseite des Blechpakets, Anordnen einer zweiten Endplatte an der gegenüberliegenden Axialseite des Blechpakets, Verspannen der beiden Endplatten miteinander unter Verwendung von Spannelementen und Vergießen der in die Magnettaschen eingesetzten Magnete mit einer Vergussmasse, die in die Freiräume eingebracht wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise so durchgeführt, dass beim Vergießen der Vergussmasse Luft aus dem Blechpaket durch die Entlüftungsöffnung entweicht. Unter anderem kann beim Einfüllen von Vergussmasse in die Einfüllöffnung in dem Kanal befindliche Luft durch die Entlüftungsöffnung aus dem Blechpaket strömen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Blechpakets und einer Rotorwelle eines erfindungsgemäßen Rotors,
- 2 einen Ausschnitt des in 1 gezeigten Blechpakets,
- 3 eine perspektivische Ansicht des Rotors,
- 4 einen Ausschnitt einer Endplatte Rotors,
- 5 eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs des Rotors,
- 6 eine Schnittansicht eines Bereichs des Rotors und
- 7 ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine mit dem Rotor.
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Das in den 1 und 2 gezeigte zylinderförmige Blechpaket 2 gehört zu einem erfindungsgemäßen Rotor für eine elektrische Maschine. Das Blechpaket 2 umschließt eine Rotorwelle 4 des Rotors und ist aus in Axialrichtung gestapelten Elektroblechen zusammengesetzt, bei denen es sich um identisch ausgebildete Stanzteile handelt.
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Entlang seines Umfanges sind mehrere Magnettaschen 3, 5 in dem Blechpaket 2 angeordnet, die sich jeweils von einer Axialseite des Blechpaktes 2 bis zur gegenüberliegenden Axialseite des Blechpakets 2 erstrecken. In jeder Magnettasche 3, 5 sind mehrere quaderförmige Magnete 6, 7 aneinandergereiht, die einen Magnetstapel bilden. In dem Blechpaket sind insgesamt 32 solche Magnetstapel untergebracht, wobei auch eine andere Anzahl Magnetstapel verwendet werden kann.
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Die Magnettaschen 3, 5 sind unterschiedlich groß. Insbesondere kann zwischen größeren Magnettaschen 3 mit längeren axialen Öffnungen und kleineren Magnettaschen 5 mit kürzeren axialen Öffnungen unterschieden werden. In den größeren Magnettaschen 3 sind größere Magnete 6 mit längeren axialen Stirnflächen axial aneinandergereiht, während in den kleineren Magnettaschen 5 kleinere Magnete 7 mit kürzeren axialen Stirnflächen axial aneinandergereiht sind.
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Zwei benachbarte größere Magnettaschen 3 sind bezüglich einer (nicht gezeigten) radialen Achse des Blechpakets 2 symmetrisch zueinander angeordnet, wobei die beiden Magnettaschen 3 eine V-Form bilden. Ebenso sind zwei benachbarte kleinere Magnettaschen 5 bezüglich der radialen Achse symmetrisch zueinander angeordnet, wobei die beiden Magnettaschen 5 ebenfalls eine V-Form bilden.
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Neben jedem Magnetstapel befinden sich zwei Freiräume 8, 9, die jeweils von dem Magnetstapel und dem Blechpaket 2 begrenzt sind. Insbesondere weist jede Magnettasche 3, 5 einen an einer ersten Seitenfläche der Magnettasche 3, 5 ausgebildeten ersten Freiraum 8 und einen an einer gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche der Magnettasche 3, 5 ausgebildeten zweiten Freiraum 9 auf, die durch einen Magnetstapel voneinander getrennt sind. Der erste Freiraum 8 und der zweite Freiraum 9 verlaufen parallel zueinander von einer Axialseite bis zur gegenüberliegenden Axialseite des Blechpakets 2, wobei der zweite Freiraum 9 radial außerhalb des ersten Freiraums 8 verläuft.
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3 zeigt den Rotor 1 mit einer ersten Endplatte 10 und einer zweiten Endplatte 11 in einer perspektivischen Ansicht. Die Endplatten 10, 11 sind an gegenüberliegenden Axialseiten des Blechpakets 2 angeordnet und unter Verwendung von Spannelementen miteinander verbunden. Dadurch wird das Blechpaket 2 permanent mit einer Druckkraft oder Vorspannkraft beaufschlagt. Damit wird vermieden, dass sich die Elektrobleche des Blechpakets 2 voneinander lösen, insbesondere bei hohen Drehzahlen des Rotors 1.
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Die Spannelemente sind als Schrauben 12 ausgebildet. Jede der acht Schrauben 12 verläuft axial durch die erste Endplatte 10, das Blechpaket 2 und die zweite Endplatte 11. Hierfür sind die Endplatten 10, 11 und das Blechpaket jeweils mit axialen Bohrungen versehen. Die Köpfe der Schrauben 12 sind an der ersten Endplatte 10 angeordnet und an der zweiten Endplatte 11 sind die Schrauben 12 mit Muttern verschraubt.
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4 zeigt einen Ausschnitt der ersten Endplatte 10 in einer perspektivischen Ansicht. Die erste Endplatte 10 weist eine erste Einfüllöffnung 13 und eine zweite Einfüllöffnung 14 auf, die zum Einfüllen von Vergussmasse in das Blechpaket 2 bestimmt sind.
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Durch die erste Einfüllöffnung 13 sind zwei der ersten Freiräume 8 freigelegt, die zu größeren Magnettaschen 3 gehören. Durch die zweite Einfüllöffnung 14 sind zwei weitere der ersten Freiräume 8 freigelegt, die zu kleineren Magnettaschen 5 gehören.
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5 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs des Rotors. Dort sind am Umfang der ersten Endplatte 10 mehrere radiale Entlüftungsöffnungen 15 zu erkennen, die jeweils mit dem zweiten Freiraum 9 einer Magnettasche 3, 5 verbunden sind. Die Entlüftungsöffnungen 15 haben jeweils einen rechteckförmigen Querschnitt. Sie werden jeweils an drei Seiten von der ersten Endplatte 10 und an der vierten Seite von dem Blechpaket 2 begrenzt.
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6 zeigt eine Schnittansicht eines Bereichs des Rotors 1. In der Schnittebene liegen ein erster Freiraum 8 einer größeren Magnettasche 3 und ein zweiter Freiraum 9 der Magnettasche 3.
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Insbesondere ist eine Entlüftungsöffnung 15 zu erkennen, die den zweiten Freiraum 9 der Magnettasche 3 mit der Außenseite beziehungsweise Umgebung des Rotors 1 verbindet. Die Entlüftungsöffnung 15 ist mit einer an der Innenseite der ersten Endplatte 10 verlaufenden Nut realisiert, die axial von dem Blechpaket 2 abgeschlossen wird.
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Im vorliegenden Fall ist geht die Entlüftungsöffnung 15 nach innen in einen Kanalabschnitt über, der sich von dem zweiten Freiraum 9 bis zu der Einfüllöffnung 13 erstreckt und nach unten von einem Magneten 6 abgeschlossen wird. Optional ist der Kanalabschnitt so breit ausgebildet, dass der Magnet 6 hineinragen kann. Auf den Kanalabschnitt kann jedoch auch verzichtet werden.
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Der erste Freiraum 8 ist über einen in der zweiten Endplatte 11 ausgebildeten (nicht gezeigten) Verbindungskanal mit dem zweiten Freiraum 9 zu einem durchgängigen Kanal verbunden. Damit besteht eine durchgängige Verbindung von der Einfüllöffnung 13 bis zur Entlüftungsöffnung 15 der Magnettasche 3. Der Verbindungskanal kann mit einer an der Innenseite der zweiten Endplatte 11 verlaufenden Nut (nicht gezeigt) realisiert sein, die axial von dem Blechpaket 2 abgeschlossen wird.
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Optional können die Magnete 6, 7 des Blechpakets 2 mit einer in die Freiräume 8, 9 eingebrachten Vergussmasse vergossen sein, so dass die Magnete 6, 7 in dem Blechpaket 2 befestigt sind.
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7 zeigt schematisch ein Fahrzeug 16 mit einer elektrischen Maschine 17, zu welcher der Rotor 1 gehört. Die Maschine 17 weist ein Gehäuse 18 auf, in dem ein Stator 19 aufgenommen ist, der den Rotor 1 umgibt. Die elektrische Maschine 17 dient zum Antreiben des Fahrzeugs 16.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Rotors 1 werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt:
- Bei einem ersten Verfahrensschritt wird das Blechpaket 2, in dem die Magnettaschen 3, 5 angeordnet sind, aus gestapelten Elektroblechen zusammengesetzt.
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Bei einem zweiten Verfahrensschritt werden in jede Magnettasche 3, 5 mehrere Magnete 6, 7 eingesetzt. Insbesondere werden die Magnete 6, 7 axial aneinandergereiht, so dass die Magnete 6,7 Magnetstapel bilden. Neben jedem Magnetstapel verbleiben zwei Freiräume 8, 9, die jeweils von dem Magnetstapel und dem Blechpaket 2 begrenzt sind.
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Bei einem dritten Verfahrensschritt wird die erste Endplatte 10 mit den radialen Entlüftungsöffnungen 15 an einer Axialseite des Blechpakets 2 angeordnet.
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Bei einem vierten Verfahrensschritt wird die zweite Endplatte 11 an der gegenüberliegenden Axialseite des Blechpakets 2 angeordnet.
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Bei einem fünften Verfahrensschritt werden die beiden Endplatten 10, 11 mit den Schrauben 12 und den zugehörigen Muttern verspannt. Der auf diese Weise komplettierte Rotor 1 wird senkrecht ausgerichtet, mit der ersten Endplatte 10 oben.
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Bei einem sechsten Verfahrensschritt werden die Magnete 6, 7 mit einer Vergussmasse vergossen, so dass die Freiräume 8, 9 mit der Vergussmasse gefüllt werden.
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Dazu wird durch jede Einfüllöffnung 13, 14 der ersten Endplatte 10 eine Düse einer Befülleinrichtung auf die ersten Freiräume 8 aufgesetzt, welche durch die Einfüllöffnung 13, 14 freigelegt sind. Ferner wird die Vergussmasse mit Überdruck in die ersten Freiräume 8 gepresst, so dass die Vergussmasse durch die ersten Freiräume 8 bis in die zweiten Freiräume 9 strömt. Optional kann die Vergussmasse gleichzeitig in beide erste Freiräume 8 einer Einfüllöffnung 13, 14 gepresst werden.
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Im Einzelnen strömt die Vergussmasse zunächst durch die ersten Freiräume 8 axial nach unten bis zur zweiten Endplatte 11, dann durch Verbindungskanäle horizontal bis zu den zweiten Freiräumen 9 und anschließend durch die zweiten Freiräume 9 axial nach oben bis zur gegenüberliegenden Axialseite des Blechpakets 2.
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Währenddessen entweicht Luft aus dem Blechpaket 2, insbesondere aus den Freiräumen 8, 9 und Verbindungskanälen, durch die Entlüftungsöffnungen 15. Das ermöglicht ein blasenfreies Vergießen der Magnete 6, 7, so dass diese sicher in dem Blechpaket 2 befestigt werden.
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Nach dem Vergießen wird die Vergussmasse ausgehärtet. Außerdem kann die Rotorwelle 4 durch eine axial verlaufende zentrale Durchgangsöffnung des Blechpakets 2 (und entsprechende Öffnungen der Endplatten 10, 11) geführt werden, so dass das Blechpaket 2 die Rotorwelle 4 umschließt beziehungsweise daran befestigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Blechpaket
- 3
- Magnettasche
- 4
- Rotorwelle
- 5
- Magnettasche
- 6
- Magnet
- 7
- Magnet
- 8
- Freiraum
- 9
- Freiraum
- 10
- Endplatte
- 11
- Endplatte
- 12
- Schraube
- 13
- Einfüllöffnung
- 14
- Einfüllöffnung
- 15
- Entlüftungsöffnung
- 16
- Fahrzeug
- 17
- elektrische Maschine
- 18
- Gehäuse
- 19
- Stator
