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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zum Verbinden eines
Rotors einer elektrischen Maschine mit einer Antriebswelle gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 13.
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Stand der Technik
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Bei
der Fertigung von Rotoren für große elektrische
Maschinen sind Rotoren bekannt, die beispielsweise aus Lamellenpaketen
mit Permanentmagneten und einem sogenannten Rotorträger
bestehen. Diese Rotorträger werden im Allgemeinen mit einer
Antriebswelle, die zugleich als Fahrzeugtriebstrangverlängerung
dient, so verbunden, dass eine Drehmomentübertragung der
elektrischen Maschine vom Rotor auf die Antriebswelle ermöglicht wird.
Beispielsweise bei elektrischen Maschinen des Hybridantriebsmoduls
wird der Rotor mit der Antriebswelle so verbunden, dass die Drehmomentübertragung
vom Rotor in den Fahrzeugtriebstrang oder umgekehrt erfolgen kann.
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In
DE 100 00 253 A1 ist
ein Antriebssystem beschrieben, welches eine Elektromaschine mit
einer Rotoranordnung, welche mit einer Antriebswelle zur gemeinesamen
Drehung verbunden oder verbindbar ist, und eine Statoranordnung
sowie eine Kopplungseinrichtung, deren Eingangsbereich mit der Antriebswelle
zur gemeinsamen Drehung verbunden ist, umfasst, wobei an der Antriebswelle
ein Kopplungselement angebracht ist, das einen Rotor-Wechselwirkungsbereich
der Rotoranordnung trägt, und das mit dem Eingangsbereich
der Kopplungseinrichtung zur gemeinsamen Drehung verbunden ist.
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Insbesondere
ist der in
DE 100
00 253 A1 beschriebene Wechselwirkungsbereich der Rotoranordnung
durch eine Mehrzahl von Nietbolzen unter Zwischenlagerung einer
Distanzscheibe an einem scheibenartig ausgebildeten Kopplungselement
der Rotoranordnung getragen. Das scheibenförmig ausgebildete
Kopplungselement ist eine aus Blechmaterial gestanzte und dann umgeformte
Scheibe, die radial innen über eine Distanzhülse
und eine Mehrzahl von Schraubbolzen an der Antriebswelle festgelegt ist.
Das Kopplungselement dient nicht nur zur drehfesten Kopplung des
Rotorwechselwirkungsbereichs mit der Antriebswelle, sondern dient
gleichzeitig auch zur drehfesten Kopplung des einen Eingangsbereichs
der Kopplungseinrichtung bildenden Gehäuses mit der Antriebswelle.
Zu diesem Zweck ist das Kopplungselement mit einer ersten Eingriffsformation ausgebildet,
welche eine in Umfangsrichtung aufeinander folgend angeordnete und
nach Art einer Hirth-Verzahnung ausgebildeten Kopplungsvorsprüngen
umfasst, die von radial innen nach radial außen und sich
in Umfangsrichtung erweiternd ausgebildet sind und in Achsrichtung
in Richtung auf das Gehäuse zu sich verjüngend
ausgebildet sind. Dieser ersten Eingriffsformation zugeordnet ist
an dem Gehäuse eine zweite Eingriffsformation vorgesehen.
Die zweite Eingriffsformation umfasst ein Mitnahmeelement, welches
eine zweite Eingriffsformation in Form von Mitnahmevorsprüngen
aufweist, die zu den Kopplungsvorsprüngen komplementär
geformt sind. Das heißt, die erste und zweite Eingriffsformation sind
derartig gebildet, dass sie bei axialer Annäherung ineinander
eintreten können und dabei durch die nach Art einer Hirth-Verzahnung
ausgebildeten Vorsprünge ineinander eingreifen.
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Die
im Stand der Technik bekannte Konfiguration zur drehfesten Verbindung
des Rotors und der Antriebswelle ist jedoch konstruktiv aufwändig.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
eine elektrische Maschine bereitgestellt, welche einen Stator und
einen Rotor aufweist, wobei der Rotor über ein Verbindungselement
mit einer Antriebswelle gekoppelt ist, wobei die Antriebswelle und
das Verbindungselement durch Fügen direkt drehfest miteinander
verbunden sind. Somit wird auf einfache und daher kostengünstige
Art und Weise eine Verbindung zwischen dem Verbindungselement, welches
als Rotorträger einer elektrischen Maschine dient, und
der Antriebswelle, die zugleich eine Verlängerung des Triebstrangs
darstellt, erzeugt, die effektiv das geforderte Drehmoment und die
auftretenden Kräfte übertragen kann. Insbesondere
können durch Fügen der Antriebswelle und des Verbindungselements
die tangential auftretenden Kräfte übertragen
werden.
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Vorzugsweise
ist das Verbindungselement mit zumindest einem ersten Vorsprung
versehen, der mit zumindest einer entsprechend an der Antriebswelle
angeordneten zweiten Aussparung zusammenfügbar ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Antriebswelle
mit dem zumindest einen ersten Vorsprung versehen, wobei das Verbindungselement
mit der zumindest einen zweiten Aussparung versehen ist, wobei der
zumindest eine erste Vorsprung an der Antriebswelle und die zumindest eine
zweite Aussparung an dem Verbindungselement derartig angeordnet
sind, dass sie zusammenfügbar sind.
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Gemäß noch
einer weiteren Ausführungsform ist der zumindest eine erste
Vorsprung an dem Verbindungselement oder an der Antriebswelle durch Prägen
des Materials gebildet.
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Alternativ
kann, wenn es sich bei den zu verbindenden Elementen um Gussteile
handelt, der zumindest einen ersten Vorsprung an dem Verbindungselement
oder an der Antriebswelle direkt angegossen sein.
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Besonders
bevorzugt sind die Antriebswelle und das Verbindungselement durch
Spiel-/Übergangs- oder Presspassung gefügt, um
die tangential auftretenden Kräfte zu übertragen.
Die Verbindung durch Spiel-/Übergangspassung hat den Vorteil, dass
sie bei Bedarf zerstörungsfrei lösbar ist.
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Gemäß noch
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Antriebswelle
und das Verbindungselement zusätzlich verschraubt, vernietet oder
stoffschlüssig miteinander verbunden. Dies hat den Vorteil,
dass die zusätzlich axial auftretenden Kräfte
mittels Formschluss übertragen werden können.
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Auch
ist es besonders bevorzugt, wenn die Antriebswelle und das Verbindungselement
durch Durchsetzfügen gefügt sind. Eine derartige
Drehmomentübertragung hat den weiteren Vorteil, dass die zusätzliche
Fixierung mittels Schrauben oder Nieten entfallen kann, da bei den
durch Durchsetzfügen verbundenen Teilen, insbesondere bei
der durch Durchsetzfügen verbundenen Antriebswelle und
Verbindungselement, sowohl axiale als auch tangentiale Kräfte übertragen
werden können. Dies erleichtert die Montage und reduziert
ebenfalls die Kosten. Auch hat das Vorsehen der Verbindung mittels
Durchsetzfügen den weiteren Vorteil, dass im Gegensatz
beispielsweise zu Schweißverfahren kein Wärmeeintrag in
die Bauteile erfolgt, was somit einen thermischen Verzug der Teile
verhindert. Außerdem ist hierbei das Fügen ohne
Einbringen von Zusatzwerkstoffen oder Verbindungselementen möglich,
was wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt.
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Besonders
vorteilhaft ist auch, dass der zumindest eine erste Vorsprung zum
Auswuchten des Rotors nutzbar ist. Insbesondere besteht hier die Möglichkeit
zum subtraktiven Wuchten. Dabei kann direkt von dem ersten Vorsprung,
der auch als Verbindungsstelle dient, Material abgetragen wird,
solange die erforderliche Kraftübertragung nicht beeinträchtigt
wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein
zweiter Vorsprung an dem Verbindungselement oder an der Antriebswelle vorgesehen,
der zum Auswuchten des Rotors nutzbar ist. Durch das Vorsehen de
zumindest einen zusätzlichen zweiten Vorsprungs, er im
gleichen Arbeitsgang wie der zumindest eine erste Vorsprung beispielsweise
in einem Prägeverfahren, hergestellt werden kann, wird
die Verbindungsstelle zwischen dem ersten Vorsprung und der zweiten
Aussparung beim Abtragen von Material überhaupt nicht beeinflusst,
so dass eine optimale Kraftübertragung sichergestellt ist.
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Beim
Herstellen der Verbindung zwischen der Antriebswelle und dem Verbindungselement
mittels Durchsetzfügen ist die durch das Durchsetzfügen
erzielte Verbindungsstelle zum Auswuchten des Rotors nutzbar. Dabei
sind beim Verbinden der Antriebswelle und des Verbindungselements
mittels Durchsetzfügen zwei Varianten möglich.
Gemäß einer ersten Variante wird das Durchsetzfügen
ohne einen Vorlochvorgang durchgeführt. Bei dieser ersten Variante
kann durch Materialabtrag an den Durchsetzpunkten gewuchtet werden,
wobei jedoch die Übertragbarkeit der Kräfte gewährleistet
bleiben muss und die Ausführung und Anzahl der Durchsetzpunkte
entsprechend auszulegen ist. Bei einer zweiten Variante des Durchsetzfügens
ist zumindest eines der Fügeteile, die Antriebswelle oder
das Verbindungselement, vorgelocht oder vorab im Fügebereich
umgeformt. Bei dieser Variante kann durch additives Wuchten Material
in die Vertiefungen oder Löcher der Durchsetzpunkte eingebracht
werden. Hierfür anwendbare Verfahren sind z. B. Einkleben,
Anschweißen oder Verstemmen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht der Rotor
aus einem Lamellenpaket mit Permanentmagneten.
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Vorzugsweise
ist das Verbindungselement topfförmig ausgebildet. Das
Verbindungselement kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt
sein und/oder als einfache oder doppelte Topfform aufgebaut sein.
Die Bauform als Topf ist bevorzugt bei großformatigen elektrischen
Maschinen, wie Elektro- und Hybridantriebe, einsetzbar.
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Erfindungsgemäß wird
darüber hinaus ein Verfahren zum Verbinden eines Rotors
einer elektrischen Maschine mit einer Antriebswelle bereitgestellt,
wobei der Rotor an die Antriebswelle über ein Verbindungselement
gekoppelt wird, und wobei das Verfahren einen Schritt des Fügens
der Antriebswelle und des Verbindungselements umfasst.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren weiterhin einen Schritt des Verschraubens
der Antriebswelle und des Verbindungselements umfasst.
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Gemäß noch
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der
Schritt des Fügens ein Durchsetzfügen der Antriebswelle
und des Verbindungselements.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigt:
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1 eine
stark schematisierte Darstellung einer Hybridantriebseinrichtung,
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2 einen
Schnitt durch einen Abschnitt eines Triebstrangs,
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3a einen
Schnitt durch einen Rotor mit einem Verbindungselement mit einfacher
Topfform,
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3b einen
Schnitt durch einen Rotor mit einem Verbindungselement mit doppelter
Topfform,
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4a einen
Schnitt durch einen Abschnitt einer Antriebswelle und einen Abschnitt
eines Verbindungselements vor dem Fügen;
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4b einen
Schnitt durch den Abschnitt der Antriebswelle und den Abschnitt
des Verbindungselements von 4a nach
dem Fügen;
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5 einen
Schnitt durch einen Rotor, der mittels eines Verbindungselements
mit einer Antriebswelle mittels Durchsetzfügen verbunden
ist;
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6a, 6a', 6b, 6b' schematische
Darstellungen von Anordnungen zum Durchsetzfügen ohne Vorlochvorgang;
und
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6c, 6c', 6d, 6d' schematische
Darstellungen von Anordnungen zum Durchsetzfügen mit Vorlochvorgang.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
eine schematisch dargestellte Hybridantriebseinrichtung 1 für
ein Kraftfahrzeug dargestellt. Die Hybridantriebseinrichtung 1 für
ein Kraftfahrzeug umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 2 sowie
eine elektrische Maschine 3, die als Motor und Generator
fungiert, jeweils zum Antreiben oder Verzögern des Kraftfahrzeuges.
Die Verbrennungskraftmaschine 2 und die elektrische Maschine 3 sind
mittels einer Antriebswelle 4 miteinander verbunden. Die
mechanische Kopplung zwischen der Verbrennungskraftmaschine 2 und
der elektrischen Maschine 3 kann mittels einer Kupplung 5 hergestellt
und aufgehoben werden.
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Ferner
ist in der Antriebswelle 4, welche die Verbrennungskraftmaschine 2 und
die elektrische Maschine 3 miteinander koppelt, eine Elastizität 6 angeordnet.
Die elektrische Maschine 3 ist mit einem Differentialgetriebe 7 mechanisch
gekoppelt. In der Antriebswelle 4, welche die elektrische
Maschine 3 und das Differentialgetriebe 7 miteinander
verbindet, sind ein Wandler 8 und ein Getriebe 9 angeordnet. Mittels
des Differentialgetriebes 7 werden über die Radachsen 10 die
Antriebsräder 11 angetrieben. Die hier nicht im
Detail dargestellte elektrische Maschine 3 für
die Hybridantriebseinrichtung 1 kann als Innenpolmaschine
mit einem feststehenden Stator (nicht dargestellt) und einem rotierenden
Rotor (nicht dargestellt) ausgebildet sein, wobei der Rotor um eine Rotorwelle
drehbar gelagert ist.
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2 zeigt
einen Schnitt durch einen Abschnitt eines Triebstrangs 12 mit
einem Ausschnitt der in 1 schematisch dargestellten
elektrischen Maschine 3. Die Längsachse des Triebstrangs 12 ist mit
L gekennzeichnet. Die Antriebswelle 13, die hier als Teil
des Triebstrangs 12, welcher in Richtung des Pfeils P zum
Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) und in Richtung des Pfeils
P' zum Getriebe (nicht dargestellt) führt, dargestellt
ist, ist mit dem als Rotorträger dienenden Verbindungselement 14 mit
einem ersten Abschnitt 15 des Verbindungselements 14 direkt
drehfest verbunden. Das Verbindungselement 14 ist in der
Ausführungsform einstückig und topfförmig
ausgebildet und ist darüber hinaus an einem zweiten Abschnitt 16 mit
einem Lamellenpaket 17 eines Rotors 18 verbunden.
Die durch ein Fügeverfahren hergestellte drehfeste Verbindung
zwischen dem ersten Abschnitt 15 des Verbindungselements 14 und
der Antriebswelle 13 wird mit Bezug auf die 4 bis 6 noch
näher erläutert werden.
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3a und 3b zeigen
jeweils einen Schnitt durch einen aus Lamellenpaketen 17 hergestellten
Rotor 18, der für große elektrische Maschinen
einsetzbar ist. In 3a ist der Rotor 18 dabei
in einem als Rotorträger dienenden Verbindungselement 14 mit
einfacher Topfform fixiert, wohingegen der Rotor 18 in 3b in
einem Verbindungselement 14 mit sogenannter T-förmig
ausgebildeter Topfform fixiert ist.
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4a zeigt
einen Schnitt durch einen Abschnitt einer Antriebswelle 13 und
einen Abschnitt eines Verbindungselements 14 vor dem Fügen,
wohingegen 4b einen Schnitt durch den Abschnitt
der Antriebswelle 13 und den Abschnitt des Verbindungselements 14 von 4a nach
dem Fügen zeigt. Der erste Abschnitt 15 des Verbindungselements 14 ist
mit einer Vielzahl von ersten Vorsprüngen 19 versehen,
die von einer Oberfläche 20 des ersten Abschnitts 15 abragen.
In der Ausführungsform sind die ersten Vorsprünge 19 als
hervorstehende Noppen ausgebildet, die mittels eines Prägeverfahrens
in das Material des Verbindungselements 14 geprägt
worden sind. Wenn es sich beispielsweise bei dem Verbindungselement 14 dagegen
um ein Gussteil handelt, können die ersten Vorsprünge 19 direkt
an die Oberfläche 20 angegossen sein. Es können
auch hier nicht dargestellte zweite Vorsprünge vorgesehen
sein, die in einem Arbeitsschritt mit den ersten Vorsprüngen 19 wie
diese hergestellt werden, welche jedoch nicht zum Fügen
sondern lediglich zum Wuchten des Rotors 18 verwendet werden.
Wie bereits erwähnt, können aber auch bereits
die ersten Vorsprünge 19 zum Auswuchten des Rotors 18 dienen.
Weiterhin sind in der Oberfläche 20 erste Aussparungen 21 in
Form von Durchgangsbohrungen vorgesehen. Die Oberfläche 20 des
ersten Abschnitts 15 liegt beim Fügen einer Oberfläche 22 eines
an der Antriebswelle 13 vorgesehen flanschförmigen
Abschnitts 23 gegenüber. In der Oberfläche 22 sind
ebenfalls erste Aussparungen 21 in Form von Durchgangsbohrungen
vorgesehen, welche, wenn die Antriebswelle 13 und das Verbindungselement 14 zusammengefügt
sind, jeweils den Positionen der in dem Verbindungselement 14 vorgesehenen
ersten Aussparungen 21 entsprechen und eine gemeinsame
Durchgangsbohrung bilden. Darüber hinaus sind in dem umlaufenden
flanschförmigen Abschnitt 23 zweite Aussparungen 24 ebenfalls
in der Ausführungsform in Form von Durchgangsbohrungen
vorgesehen, deren Positionen, wenn die Antriebswelle 13 und
das Verbindungselement 14 zusammengefügt sind,
jeweils den Positionen der ersten Vorsprünge 19 entsprechen.
In 4b kann erkannt werden, dass nach dem Fügen,
z. B. durch Spiel-/Übergangs- oder Presspassung, die ersten
Vorsprünge 19 in die zweiten Aussparungen 24 des
flanschförmigen Abschnitts 23 gefügt
sind. Durch das Fügen werden die tangential auftretenden
Kräfte übertragen. Darüber hinaus sind
in die durch die jeweils bezüglich der Position übereinstimmenden
ersten Aussparungen 24 in dem Verbindungselement 14 und
den flanschförmigen Abschnitt 23 Schrauben 25 eingeführt,
die die axial auftretenden Kräfte mittels Formschluss übertragen.
Alternativ können auch statt der Schrauben 25 Niete
oder dergleichen verwendet werden.
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Ebenfalls
können auch alternativ die ersten Vorsprünge 19 in
dem flanschförmigen Abschnitt 23 der Antriebswelle 13 und
die zweiten Aussparungen 24 in dem ersten Abschnitt 15 des
Verbindungselements 14 vorgesehen sein.
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5 zeigt
einen Schnitt durch einen Rotor 18, der mit einer Antriebswelle 13 als
Teil eines Triebstrangs 12 über ein Verbindungselement 14 verbunden
ist, wobei im Gegensatz zu der in 4a und 4b dargestellten
Ausführungsform die Verbindungsstellen 26 zwischen
dem Verbindungselement 14 und der Antriebswelle 13 bzw.
zwischen dem ersten Abschnitt 15 des Verbindungselements 14 und dem
flanschförmigen Abschnitt 23 der Antriebswelle 13 durch
Durchsetzfügen erzielt werden. Auch entfällt in
dieser Ausführungsform die zusätzliche Fixierung
der beiden Elemente mittels Schrauben oder dergleichen. Die Anzahl
und Ausführung der Verbindungsstellen 26 ist variabel
und hängt von den zu übertragenden Kräften
ab.
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6a, 6a', 6b und 6b' zeigen eine
schematische Darstellung von Anordnungen zum Durchsetzfügen
ohne Vorlochvorgang. Dabei ist in 6a und 6b jeweils
eine glatte Fläche vor dem Durchsetzfügen dargestellt,
welche z. B. dem ersten Abschnitt 15 des Verbindungselements 14 entspricht.
Es kann alternativ aber auch die Fläche des flanschförmigen
Abschnitts 23 der Welle 13 verwendet werden. 6a' und 6b' zeigen
die in 6a und 6b jeweils
dargestellten Flächen nach dem mittels eines entsprechenden
Werkzeugs 27 durchgeführten Durchsetzfügen.
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Schließlich
zeigen 6c, 6c', 6d und 6d' eine weitere schematische Darstellung von
Anordnungen zum Durchsetzfügen mit Vorlochvorgang. In dem
in 6c dargestellten Beispiel wird die Oberfläche 20 des
ersten Abschnitts 15 des Verbindungselements 14 vor
dem Durchsetzfügevorgang dabei mit einer Aussparung 28 versehen,
die jedoch nicht durchgehend ist, wohingegen die in 6d dargestellte
Ausführungsform vor dem Durchsetzfügevorgang mit
einer Aussparung 28' in der Oberfläche 20 des
ersten Abschnitts 15 versehen ist, die durchgehend ist. 6c' und 6d' zeigen die
in 6c und 6d jeweils
dargestellten Flächen nach dem mittels des entsprechenden
Werkzeugs 27 durchgeführten Durchsetzfügens.
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Wie
auch bezüglich der in 6a und 6b dargestellten
Ausführungsformen, kann es sich bei der Oberfläche,
in welche die Aussparungen 28 oder 28' eingebracht
werden, alternativ um die Oberfläche 22 des flanschförmigen
Abschnitts 23 der Antriebswelle 13 handeln.
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Die
Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsbeispiele können
miteinander kombiniert werden, sofern nichts Gegenteiliges erwähnt
wird.
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Insgesamt
betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine 3 wesentliche Vorteile verbunden. Es wird auf
einfache und somit kostengünstige Art und Weise eine drehfeste
Verbindung zwischen dem Rotor 18 und der Antriebswelle 13 geschaffen,
wobei die Verbindungsstellen zwischen dem Verbindungselement 14 und
der Antriebswelle 13 darüber hinaus zum Auswuchten
des Rotors 18 nutzbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10000253
A1 [0003, 0004]