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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zum Auswuchten einer Elektromaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8, einen Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine Elektromaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 13, eine Elektromaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14 und eine Hybridantriebseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
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Stand der Technik
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Elektromaschinen als Elektromotoren oder als Generatoren werden für verschiedene technische Anwendungen eingesetzt. Elektromaschinen weisen dabei einen Stator und einen Rotor auf. Der Rotor führt um eine Rotationsachse eine Rotationsbewegung aus und weist dabei im Allgemeinen Permanentmagnete auf. An den Rotoren können in der Herstellung Unwuchten auftreten. Aus diesem Grund sind die Rotoren im Allgemeinen mit zwei Auswuchtscheiben versehen. Dabei wird beim Auswuchten zunächst mit entsprechenden Messeinrichtungen die Unwucht des Rotors erfasst und anschließend durch das Entfernen von Material von den Wuchtscheiben der Rotor ausgewuchtet. Die Auswuchtscheiben sind dabei im Allgemeinen aus Metall hergestellt und weisen damit eine hohe Masse auf. Dies führt einerseits dazu, dass der Rotor insgesamt dadurch eine höhere Masse aufweist und andererseits aufgrund der magnetischen Eigenschaften der Auswuchtscheiben beim Entfernen von Material von den Auswuchtscheiben aufgrund der Permanentmagnete in den Rotoren, beispielsweise Metallspäne an den Auswuchtscheiben aufgrund magnetischer Kräfte gehalten werden.
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Aus der
DE 10 2007 014 763 A1 ist ein Verfahren zum Auswuchten eines Rotors einer elektrischen Maschine bekannt. In eine Mantelfläche eines Rotors wird ein Schlitz zur Reduktion von Wirbelstromverlusten eingebracht. Dabei wird dieser Schlitz dahingehend eingebracht, dass dieser hinsichtlich seiner Lage und/oder Formgebung derart ausgestaltet wird, dass er ferner eine Rotorunwucht kompensiert oder teilkompensiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäßer Rotor für eine Elektromaschine, umfassend einen Rotorkörper, wenigstens eine Auswuchtscheibe und vorzugsweise Magnete, insbesondere Permanentmagnete, wobei die wenigstens eine Auswuchtscheibe mit wenigstens einer Befestigungseinrichtung für wenigstens einen Ausgleichskörper zum Auswuchten des Rotors versehen ist. Die wenigstens eine Auswuchtscheibe ist mit wenigstens einer Befestigungseinrichtung versehen. Dadurch kann an der wenigstens einen Auswuchtscheibe der wenigstens eine Ausgleichskörper befestigt werden und somit eine Unwucht des Rotors reduziert oder beseitigt werden. In vorteilhafter Weise braucht damit an der wenigstens einen Auswuchtscheibe kein Material zum Auswuchten entfernt werden. Die wenigstens eine Auswuchtscheibe ist dabei vorzugsweise nicht Bestandteil des Rotorkörpers, sondern ein gesondertes Bauteil, das an dem Rotorkörper des Rotors befestigt ist. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Auswuchtscheibe form- und/oder stoff- und/oder kraftschlüssig an dem Rotorkörper befestigt.
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In einer Variante ist die wenigstens eine Befestigungseinrichtung als wenigstens eine Aussparung in der wenigstens einen Auswuchtscheibe ausgebildet.
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In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst oder ist die wenigstens eine Befestigungseinrichtung ein Gewinde. Mittels des Gewindes kann der wenigstens eine Ausgleichskörper an der wenigstens einen Auswuchtscheibe befestigt werden.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die wenigstens eine Aussparung eine axial die wenigstens eine Auswuchtscheibe vollständig durchlaufende Aussparung, beispielsweise eine axiale Bohrung.
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In einer ergänzenden Ausführungsform ist die wenigstens eine Aussparung eine Ringnut in der wenigstens einen Auswuchtscheibe.
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Zweckmäßig ist der wenigstens eine Ausgleichskörper form- und/oder kraft- und stoffschlüssig an der wenigstens einen Auswuchtscheibe, insbesondere in der wenigstens einen Aussparung zur Befestigung des wenigstens einen Ausgleichskörpers, befestigbar.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform ist an der wenigstens einen Auswuchtscheibe mittels der wenigstens einen Befestigungseinrichtung wenigstens ein Ausgleichskörper befestigt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der wenigstens eine Ausgleichskörper mittels Presssitz und/oder Verschraubung und/oder Verstemmung und/oder Klebung und/oder Schweißung an der wenigstens einen Auswuchtscheibe befestigt und/oder der wenigstens eine Ausgleichkörper ist form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig an der wenigstens einen Auswuchtscheibe befestigt.
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In einer zusätzlichen Ausgestaltung besteht die wenigstens eine Auswuchtscheibe wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus einem elektrisch isolierendem und/oder einem unmagnetischen Material, insbesondere Kunststoff. Die wenigstens eine Auswuchtscheibe kann damit auch in unmittelbaren Kontakt zu Permanentmagneten des Rotors gebracht werden, ohne dass dadurch die Leistungsfähigkeit einer Elektromaschine reduziert wird aufgrund des Leitens von elektrischem Strom oder magnetischen Feldlinien durch die wenigstens eine Auswuchtscheibe. Die Auswuchtscheibe weist außerdem bei der Verwendung von Kunststoff als Material eine geringe Masse auf, sodass dadurch aufgrund der wenigstens einen Auswuchtscheibe die Masse des Rotors nur geringfügig erhöht wird. Damit kann in vorteilhafter Weise ein Rotor mit einer geringen Masse zur Verfügung gestellt werden. Die wenigstens eine Auswuchtscheibe kann dabei auch sehr einfach und preiswert aus Kunststoff, beispielsweise mittels Spritzgießens, hergestellt werden.
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In einer ergänzenden Ausführungsform weisen die Ausgleichskörper eine unterschiedliche Masse oder ein unterschiedliches Gewicht auf. Aufgrund der unterschiedlichen Massen oder des unterschiedlichen Gewichts der Ausgleichskörper können damit an einer identischen Befestigungseinrichtung der wenigstens einen Auswuchtscheibe, beispielsweise einer Bohrung, mittels Ausgleichskörper, die zwar die gleiche Größe, jedoch eine unterschiedliche Masse bzw. ein unterschiedliches Gewicht aufweisen, unterschiedliche Unwuchten an dem Rotor beseitigt werden. Die verschiedenen Ausgleichskörper mit verschiedenen Massen bzw. Gewichten sind dabei vorzugsweise unterschiedlich gekennzeichnet, beispielsweise mit entsprechenden unterschiedlichen Farben oder Zeichen, sodass dadurch bei der Montage und bei dem Auswuchten des Rotors Montagefehler aufgrund der Verwendung von falschen Ausgleichskörpern zur Reduzierung der Unwucht vermieden werden kann.
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Erfindungsgemäßes Verfahren zum Auswuchten eines Rotors mit einem Rotorkörper und wenigstens einer Auswuchtscheibe und das Auswuchten ausgeführt wird, indem die Masse der wenigstens einen Auswuchtscheibe verändert wird, wobei die Masse der wenigstens einen Auswuchtscheibe, vorzugsweise tangential lokal, erhöht wird, um den Rotor auszuwuchten. Zum Auswuchten des Rotors wird somit die Masse der wenigstens einen Auswuchtscheibe erhöht, sodass dadurch von der wenigstens einen Auswuchtscheibe kein Material zum Auswuchten abgetragen werden muss.
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In einer ergänzenden Ausführungsform wird zur Erhöhung der Masse der wenigstens einen Auswuchtscheibe an der wenigstens einen Auswuchtscheibe wenigstens ein Ausgleichskörper befestigt.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform wird der wenigstens eine Ausgleichskörper in wenigstens einer Aussparung der wenigstens einen Auswuchtscheibe, insbesondere form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig, befestigt.
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In einer ergänzenden Ausgestaltung wird die Masse der wenigstens einen Auswuchtscheibe reduziert, um den Rotor auszuwuchten, insbesondere indem in die wenigstens eine Auswuchtscheibe eine Aussparung, insbesondere eine Bohrung, eingearbeitet wird. Zum Auswuchten der wenigstens einen Auswuchtscheibe wird somit neben dem Erhöhen der Masse der Auswuchtscheibe auch die Masse der wenigstens einen Auswuchtscheibe reduziert. Dabei bezieht sich das Erhöhen oder das Reduzieren der Masse der wenigstens einen Auswuchtscheibe auf lokale Stellen innerhalb oder an der wenigstens einen Auswuchtscheibe, tangential betrachtet. Es kann somit an einer Stelle die Masse der Auswuchtscheibe mittels des wenigstens einen Ausgleichskörpers erhöht werden und an einer anderen, beispielsweise gegenüberliegenden Stelle bezüglich der Rotationsachse des Rotors, die Masse der wenigstens einen Auswuchtscheibe reduziert werden, insbesondere in dem in die Auswuchtscheibe an dieser Stelle eine Aussparung, insbesondere eine Bohrung, eingearbeitet oder eingebohrt wird. Damit kann auch auf diese Weise zusätzlich ein Auswuchten des Rotors erfolgen.
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In einer ergänzenden Ausführungsform wird zuerst die Unwucht des Rotors erfasst und anschließend wird in Abhängigkeit von der erfassten Unwucht des Rotors die Masse der wenigstens einen Auswuchtscheibe, insbesondere mit dem wenigstens einen Ausgleichskörper, tangential lokal erhöht und/oder reduziert.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform weist der Rotor zwei Endabschnitte auf und an jedem Endabschnitt ist jeweils eine Auswuchtscheibe angeordnet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die Permanentmagnete in Lamellen angeordnet.
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Zweckmäßig sind die Permanentmagnete in axialer Richtung von der wenigstens einen Auswuchtscheibe mittelbar oder unmittelbar fixiert.
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In einer Variante sind die Permanentmagnete an und/oder innerhalb von Lamellen oder an Sinterstahl angeordnet.
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In einer ergänzenden Ausführungsform sind die Permanentmagnete außen an der Welle angerordnet und mittels eines äußeren, die Permanentmagnete umschließenden Zylinders an der Welle befestigt.
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Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine Elektromaschine mit den Schritten: zur Verfügung eines Rotorkörpers und vorzugsweise von Magneten, Herstellen wenigstens einer Auswuchtscheibe, Befestigen der Auswuchtscheibe und vorzugsweise der Magnete an dem Rotorkörper, wobei die wenigstens eine Auswuchtscheibe hergestellt wird, indem mit Strangpressen, insbesondere aus Aluminium, ein Strangteil hergestellt wird und aus dem Strangteil die wenigstens eine Auswuchtscheibe abgetrennt wird oder die wenigstens eine Auswuchtscheibe mit Umformen, insbesondere Tiefziehen, hergestellt wird oder die wenigstens eine Auswuchtscheibe mit Gießen, insbesondere aus Aluminium, hergestellt wird oder die wenigstens eine Auswuchtscheibe mit Spritzgießen aus Kunststoff hergestellt wird.
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Vorzugsweise wird die wenigstens eine Auswuchtscheibe mit Sägen oder Fräsen aus dem Strangteil abgetrennt.
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In einer weiteren Ausgestaltung werden die Magnete, insbesondere Permanentmagnete, mittelbar mit Lamellen bzw. einem Lamellenpaket an dem Rotorkörper befestigt.
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Zweckmäßig sind die Permanentmagnete in axialen Ausnehmungen der Lamellen bzw. des Lamellenpaketes angeordnet.
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Erfindungsgemäße Elektromaschine, umfassend einen Stator, vorzugsweise mit Elektromagneten, einen Rotor, von dem um eine Rotationsachse eine Rotationsbewegung ausführbar ist, wobei der Rotor als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebener Rotor ausgebildet ist und/oder der Rotor mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren ausgewuchtet ist.
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Eine erfindungsgemäße Hybridantriebseinrichtung mit einem Verbrennungsmotor und einer Elektromaschine umfasst eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Elektromaschine und/oder die Elektromaschine umfasst einen in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Rotor.
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In einer zusätzlichen Variante ist die Elektromaschine ein Elektromotor oder ein Generator.
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Zweckmäßig ist die Elektromaschine eine Synchronmaschine.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Elektromaschine eine elektronische Steuerschaltung zur Bestromung der Spulen am Stator.
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Zweckmäßig weist der Rotor Mittel zur Start-Positionierung des Rotors auf.
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In einer weiteren Variante ist der Rotor mittels einer Lagerung, insbesondere eine Gleitlagerung oder eine Wälzlagerung, gelagert.
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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 einen Längsschnitt einer Elektromaschine mit zwei Auswuchtscheiben,
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2 eine Vorderansicht der Auswuchtscheibe in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 eine Vorderansicht der Auswuchtscheibe in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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4 eine Vorderansicht der Auswuchtscheibe in einem dritten Ausführungsbeispiel,
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5 einen Schnitt A-A gemäß 4 der Auswuchtscheibe in dem dritten Ausführungsbeispiel,
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6 eine perspektivische Ansicht eines Ausgleichskörpers in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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7 eine perspektivische Ansicht des Ausgleichskörpers in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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8 eine perspektivische Ansicht des Ausgleichskörpers in einem dritten Ausführungsbeispiel,
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9 eine perspektivische Ansicht des Ausgleichskörpers in einem vierten Ausführungsbeispiel,
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10 eine stark vereinfachte Darstellung einer Hybridantriebseinrichtung und
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11 eine perspektivische Ansicht eines mit Strangpressen hergestellten Strangteils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Elektromaschine 1 dargestellt, die als Elektromotor 2 oder Generator 3, beispielsweise in einer Hybridantriebseinrichtung 21 mit einem Verbrennungsmotor 22 und der Elektromaschine 1, eingesetzt werden kann (10). Die Hybridantriebseinrichtung 21 kann beispielsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden und weist dann vorzugsweise zusätzlich Batterien 13 auf. Die Batterien 13 können beispielsweise bei einem Stillstand des nicht dargestellten Kraftfahrzeuges aufgeladen und mittels elektrischer Energie aus den Batterien 13 sowie der Elektromaschine 2 kann das Kraftfahrzeug bewegt werden.
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Die Elektromaschine 1 (1) weist eine um eine Rotationsachse 14 rotierende Welle 5 auf. An der Welle 5 bzw. einem Rotorkörper 24 aus Stahl sind von einer nicht dargestellten Isolierung umgebene Lamellen 16 in axialer Richtung der Rotationsachse 14 übereinander zu einem Lamellenpaket angeordnet oder geschichtet. Die Lamellen 16 bzw. das Lamellenpaket weisen dabei axiale Ausnehmungen auf, in denen Magnete 15 als Permanentmagnete 15 angeordnet sind. Ein Rotor 4 der Elektromaschine 1 umfasst somit die Welle 5, die Permanentmagnete 15, die Lamellen 16 bzw. das Lamellenpaket und ferner zwei Auswuchtscheiben 6. Der Rotor 4 weist dabei einen ersten Endabschnitt 11 und einen zweiten Endabschnitt 12 auf. Jeweils an dem ersten und zweiten Endabschnitt 11, 12 sind dabei die Auswuchtscheiben 6 angeordnet. Die Auswuchtscheiben 6 dienen dazu, Unwuchten an dem Rotor 4 auszugleichen. Hierzu wird der Rotor 4 an einem Prüfstand in eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse 14 gesetzt und vorhandene Unwuchten erfasst. Ein Gehäuse 20 der Elektromaschine 1 ist mittels einer Wälzlagerung 19 an der Welle 5 gelagert. An dem Gehäuse 20 ist ein Stator 17 mit Elektromagneten 18 angeordnet. Die Auswuchtscheiben 6 sind mit Ausgleichskörpern 7 versehen. Die Ausgleichskörper 7 sind dabei in Bohrungen 10 der Auswuchtscheibe 6 befestigt und dienen zum Ausgleich einer Unwucht des Rotors 4.
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In den 2 bis 5 sind drei verschiedene Ausführungsbeispiele für die Auswuchtscheibe 6 dargestellt. Im ersten Ausführungsbeispiel (2) der Auswuchtscheibe 6 weist die Auswuchtscheibe 6 axiale Bohrungen 10, die als Aussparungen 9 eine Befestigungseinrichtung 8 für Ausgleichskörper 7 darstellen, auf. Die Ausgleichskörper 7 zur Befestigung in der Auswuchtscheibe 6 gemäß 2 als erstes Ausführungsbeispiel sind dabei in den 6 und 7 abgebildet. Die Ausgleichskörper 7 sind dabei als Bolzen 25 ausgebildet, die in der Darstellung gemäß in 7 außerdem Rillen 27 in einer Längsrichtung aufweisen. Die Bolzen 25 können dabei beispielsweise form- und/oder kraftschlüssig, beispielsweise mittels eines Presssitzes und/oder eines Gewindes (nicht dargestellt) in den Bohrungen 10 befestigt werden. Zum Auswuchten des Rotors 4 werden zunächst die Auswuchtscheiben 6 an dem Rotorkörper 24 bzw. der Welle 5 mit den Lamellen 16 und den Permanentmagneten 15 befestigt. Nach dem Erfassen der Unwucht des Rotors 4 wird anschließend in die Bohrungen 10 der Auswuchtscheibe 6 ein oder mehrere Bolzen 25 als Ausgleichskörper 7 befestigt. Damit braucht in vorteilhafter Weise beim Auswuchten des Rotors 4 an der Auswuchtscheibe 6 nicht in aufwendiger Weise Material entfernt werden. Die Ausgleichskörper 7 bestehen aus einem Werkstoff mit einer hohen Dichte, beispielsweise handelt es sich somit um Stahlwerkstoffe, Kupfer, Bronze, Messing, Blei oder auch um entsprechende Kunststoffe.
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In 3 ist das zweite Ausführungsbeispiel der Auswuchtscheibe 6 abgebildet. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 im Wesentlichen dadurch, dass die Aussparungen 9 eine andere Geometrie aufweisen. Der in den Aussparungen 9 des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 3 zu befestigende Ausgleichskörper 7 ist in 8 dargestellt. Dieser ist auch als Bolzen 25 ausgebildet und weist eine Geometrie auf, die komplementär zur Geometrie der Aussparung 9 der Auswuchtscheibe 6 in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist. Die in 2 und 3 dargestellten Auswuchtscheiben sind einfach und preiswert mittels Spritzgießen aus Kunststoff hergestellt. Hierzu braucht somit lediglich ein entsprechendes Werkzeug mit der Geometrie gemäß der in den 2 und 3 dargestellten Auswuchtscheiben 6 zur Verfügung gestellt werden und die Auswuchtscheiben 6 können somit preiswert auch in größeren Stückzahlen hergestellt werden.
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In 4 und 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Auswuchtscheibe 6 dargestellt. Die Auswuchtscheibe 6 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist dabei nicht aus Kunststoff mittels Spritzgießen hergestellt, sondern aus Metall, beispielsweise Aluminium als ein Tiefziehteil. Die Auswuchtscheibe 6 in dem dritten Ausführungsbeispiel weist dabei eine Ringnut 23 auf. In der Ringnut 23 ist eine Kugel 26 als Ausgleichskörper 7 form- und kraftschlüssig befestigt. Die Kugel 26 weist hierzu einen größeren Durchmesser auf als der radiale Durchmesser der Ringnut 23 als Befestigungseinrichtung 8 ist. Somit kann mittels eines Presssitzes die Kugel 26 in der Ringnut 23 zum Auswuchten befestigt werden. Die Kugel 26 ist dabei in 9 abgebildet.
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In 11 ist ein Strangteil 28 dargestellt. Zur Herstellung der Auswuchtscheiben 6 wird mit Strangpressen aus Aluminium das Strangteil 28 als Zylinder hergestellt und anschließend werden von dem Strangteil 28 die Auswuchtscheiben 6 abgetrennt, beispielsweise mit Sägen. In diese abgetrennten Auswuchtscheiben 6 werden anschließend die Bohrungen 10 eingearbeitet, beispielsweise spanabhebend mit Bohren. Die zentrische Ausnehmung in den Auswuchtscheiben 6 zum Aufschieben auf dem Rotorkörper 24 wird bereits beim Strangpressen des Strangteils 28 mit hergestellt oder wird nachträglich spanabhebend nach dem Abtrennen der Auswuchtscheiben 6 von dem Strangteil 28 eingearbeitet. Abweichend hiervon können auch die Bohrungen 10 bereits beim Strangpressen des Strangteils 28 mit hergestellt werden, so dass diese nicht nachträglich spanabhebend eingearbeitet werden müssen.
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Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Rotor 4 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Auswuchten des Rotors 4 wesentliche Vorteile verbunden. Die Auswuchtscheibe 6 kann preiswert, beispielsweise mittels Spritzgießen aus Kunststoff, hergestellt werden und das Auswuchten des Rotors 4 wird durch eine Erhöhung der Masse der Auswuchtscheibe 6 mittels Ausgleichskörpern 7 ausgeführt. Die Auswuchtscheiben 6 können somit einfach und preiswert hergestellt werden, die mit dem spanabhebenden Abtragen von Material an den Auswuchtscheiben 6 aus Metall, wie im Stand der Technik, verbundenen Probleme treten nicht auf. Ferner können die Aussparungen 9 und Bohrungen 10 in der Auswuchtscheibe 6 auch die Kühlung der Magnete 15, insbesondere Permanentmagnete 15, des Rotors 4 sowie der Lamellen 16 erhöhen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007014763 A1 [0003]
