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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft elektrische Leistungsmotoren.
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HINTERGRUND
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Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und bilden möglicherweise nicht den Stand der Technik.
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Elektromotoren können elektrische Energie in mechanische Energie umsetzen und mechanische Energie in elektrische Energie umsetzen. Bekannte Elektromotoren sind mit einer Energiespeichervorrichtung verbunden, wodurch die Übertragung von Energie dazwischen ermöglicht wird. Induktionsmaschinen verwenden eine einphasige oder eine mehrphasige Leistung, um ein rotierendes Magnetfeld durch eine Reihe von Statoren zu erzeugen, um einen Rotor zu drehen. Das rotierende Magnetfeld induziert einen elektrischen Strom durch mehrere leitfähige Stäbe im Rotor. Der elektrische Strom in den leitfähigen Stäben reagiert mit dem von den Statoren erzeugten Magnetfeld, um eine Rotation im Rotor zu erzeugen, wodurch mechanische Energie in der Form eines Drehmoments erzeugt wird.
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Die Statoren enthalten mehrere Polpaare, die aus einer Reihe von Wicklungen geschaffen werden und um den Rotor herum verteilt sind. Ein geläufiger Rotortyp wird als Käfigrotor bezeichnet. Der Rotorabschnitt ist eine geschichtete Struktur mit Stäben, die durch Endringe verbunden sind. Der Käfigrotor weist eine allgemein zylindrische Form auf, die an einem Außenumfang mehrere leitfähige Stäbe entlang einer Länge eines Blechpakets enthält. Die mehreren leitfähigen Stäbe bestehen vorzugsweise aufgrund von thermischen und leitfähigen Eigenschaften aus Kupfer, es können aber andere Materialien wie etwa Aluminium verwendet werden. Die Stäbe im Käfig sind an ihren Enden durch zwei Endringe verbunden. Der Rotor wird aus einer Reihe elektrisch leitfähiger Stahlbleche durch die Mitte des Rotors zusammengesetzt, bis er an beiden Enden durch Kurzschlussringe abgedeckt wird. Die Endringe halten die Stäbe und das Blechpaket zusammen. Das Blechpaket ist das primäre flussführende Element, während die Stäbe den Strom zur Erzeugung der Magnetisierungskraft leiten.
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Bekannte Rotorfertigungsverfahren umfassen, dass das Stahlblechpaket mit Leiterstäben an einem Außenumfang des Rotors und mit Kurzschlussendringen an deren Enden zusammengebaut wird. Dies kann umfassen, dass das Stahlblechpaket in einer Gießform platziert wird. Geschmolzenes Material wird in offene Räume, die im Rotor ausgebildet sind, und in offene Räume zwischen der Gießform und dem Stahlblechpaket eingeleitet, um die Kurzschlussendringe und die Leiterstäbe auszubilden. Es ist bekannt, dass Oxideinschlüsse und Leerräume beim Einfüllen des geschmolzenen Materials in die Gießform und bei der Erstarrung in den Leiterstäben und den Kurzschlussendringen ausgebildet werden können. Während einer turbulenten Strömung des geschmolzenen Materials in die mehreren Leiterstabrillen hinein kann das geschmolzene Material teilweise aufgrund dessen, dass es Oberflächen der Leiterstabrillen ausgesetzt wird, abkühlen und teilweise erstarren. Das teilweise erstarrte geschmolzene Material kann die Strömung von geschmolzenem Material behindern und Leerräume, Oxideinschlüsse und andere Unstetigkeiten in den Leiterstäben und den Kurzschlussendringen verursachen.
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Eine Leistungsdichtenausgabe von einem elektrischen Induktionsmotor korreliert mit der Qualität der Leiterstäbe und der Massendichte der einzelnen Leiterstäbe. Es ist bekannt, dass während der Herstellung ausgebildete Leerräume in den Leiterstäben und den Kurzschlussendringen die Leistungsdichtenausgabe des elektrischen Induktionsmotors verringern. Das Vorhandensein von Oxideinschlüssen und Sprüngen aufgrund von Warmrissen verringert die elektrische Leitfähigkeit der Leiterstäbe und der Kurzschlussendringe, wodurch die Leistungsdichtenausgabe des Motors verringert wird.
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Die Verwendung von Kupfermaterial für Leiterstäbe kann die Leistungsdichte und die Wärmetransfereigenschaften eines Induktionsmotors im Vergleich mit einem Induktionsmotor, der Aluminiumleiterstäbe verwendet, erhöhen. Kurzschlussendringe unter Verwendung von Aluminium können leichter gegossen werden als dass ein Kurzschlussendring aus Kupfer gegossen wird, wobei sie akzeptable Wärmetransfereigenschaften bereitstellen. Die bekannte Verwendung von Kupfermaterial für Leiterstäbe und Kurzschlussendringe erhöht Verarbeitungszeiten und Komplexität der Herstellung im Vergleich mit Leiterstäben und Kurzschlussendringen aus Aluminium. Bekannte Fertigungsprozesse umfassen, dass sowohl die Leiterstäbe als auch die Kurzschlussendringe aus dem gleichen Material gegossen werden und Leiterstäbe mit Kurzschlussendringen verschweißt oder hartverlötet werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Rotor für einen Induktionsmotor enthält einen Rotorkern mit ersten und zweiten Enden und mehreren Leiterstäben. Jeder Leiterstab weist ein jeweiliges erstes Ende auf, das sich über das erste Ende des Rotorkerns hinaus erstreckt. Jedes erste freiliegende Ende weist eine jeweilige umschlossene Öffnung auf. Der Rotor enthält auch einen Endring, der ein gegossenes Material umfasst, das zwischen den jeweiligen ersten Enden der Leiterstäbe und durch die jeweiligen geschlossenen Öffnungen strömen gelassen wurde.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine isometrische Ansicht einer teilweise zusammengebauten Rotoranordnung für einen Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt;
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2 eine Rotoranordnung für einen Induktionsmotor mit einem Rohgussteil und einer Teilschnittansicht eines Kurzschlussendrings am ersten Ende und einem Gussteil nach beendeter maschineller Bearbeitung eines Kurzschlussendrings am zweiten Ende gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt; und
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3 eine Rotoranordnung mit fertiggestellten Gussteilen von Kurzschlussendringen, die mehrere eingegossene Kühlkörper enthält, gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, in denen das Gezeigte nur zum Zweck der Darstellung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen ist und nicht zum Zweck der Begrenzung derselben, veranschaulicht 1 eine isometrische Ansicht einer Induktionsrotoranordnung 10 für einen Induktionsmotor. Der Induktionsmotor kann ein beliebiger Induktionsmotor sein, einschließlich eines Induktionsmotors zur Verwendung in einem Antriebsstrangsystem für ein Kraftfahrzeug. Die Rotoranordnung 10 ist an einer Rotorwelle, die auf eine Rotationsachse 15 zentriert ist, unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Mittels starr angebracht, z. B. einer Schrumpfpassung und einer Schloss- und Riegel-Drehmomentpassung [engl.: lock-arid-key torque fitting], wie allgemein in der Technik bekannt ist. Es ist festzustellen, dass die Rotoranordnung 10 im Anschluss an den Zusammenbau des Rotors auf der Rotorwelle montiert werden kann. Die Rotoranordnung 10 und die Rotorwelle verwenden die gleiche Rotationsachse 15.
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Die Rotoranordnung 10 umfasst ein erstes Ende 14 und ein zweites Ende 16. Die Rotoranordnung 10 ist so ausgestaltet, dass sie in einen Stator eines Induktionsmotors eingebaut werden und sich darin drehen kann.
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Die Rotoranordnung 10 enthält einen Rotorkern 20, vorzugsweise ein zusammengebautes, zylindrisch geformtes Stahlblechpaket, und mehrere der Länge nach orientierte Leiterstäbe 40. Der Rotorkern enthält erste und zweite Enden 24, 26, und die Leiterstäbe 40 sind am Umfang durch den Rotorkern hindurch mit freiliegenden Enden angeordnet, die sich über die Enden des Rotorkerns hinaus erstrecken. Das erste Ende 24 des Rotorkerns 20 entspricht dem ersten Ende 14 der Rotoranordnung 10 und das zweite Ende 26 des Rotorkerns 20 entspricht dem zweiten Ende 16 der Rotoranordnung 10.
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Der Rotorkern 20 ist aus mehreren dünnen beschichteten Blechen 22 hergestellt, die aus einem eisenhaltigen Material ausgebildet sind. Bei einer Ausführungsform sind die beschichteten Bleche 22 0,33 mm (0,013 Zoll) dick. Die beschichteten Bleche 22 werden unter Verwendung eines Feinschneideprozesses gestanzt und werden vorzugsweise elektrisch isoliert, um Wirbelströme zu minimieren. Jedes beschichtete Blech 22 ist eine ebene ringförmig geformte Vorrichtung und enthält mehrere radial orientierte Öffnungen, die in der Nähe eines äußeren Umfangs derselben ausgebildet sind. Wenn die beschichteten Bleche 22 in den Rotorkern 20 eingebaut werden, werden die radial orientierten Öffnungen so ausgerichtet, dass sie Rillen 28 bilden, die der Länge nach parallel zu der Rotationsachse 15 des Rotors orientiert sein können und sich an einem äußeren Umfang 25 des Rotorkerns 20 befinden. Alternativ können die Rillen 28 einen spitzen Winkel in Bezug auf die Rotationsachse 15 umfassen. Die Rillen 28 und die Leiterstäbe 40 darin werden als der Länge nach orientiert erörtert; diese Orientierung ist jedoch so zu verstehen, dass sie entweder eine Ausrichtung umfasst, die parallel zu der Rotationsachse 15 ist, oder einen spitzen Winkel zur Parallelen mit Bezug auf die Rotationsachse 15 umfasst. Die Rillen 28 können eine beliebige geeignete Querschnittsform aufweisen und sind bei einer Ausführungsform im Wesentlichen rechteckig geformt. Die der Länge nach orientierten Rillen 28 sind um den Umfang 25 herum periodisch beabstandet, d. h. gleichmäßig oder mit einem auf ungleichmäßige Weise variierenden Abstand. In jeder der Rillen 28 ist jeweils ein Leiterstab 40 mitgeführt. Es ist festzustellen, dass die beschichteten Bleche 22 auf der Rotationsachse 15 unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Herstellungsverfahrens auf eine geschichtete Weise zusammengebaut sind.
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Die Leiterstäbe 40 werden vorzugsweise aus auf Kupfer beruhenden Materialien gefertigt und werden in jede der Rillen 28 durch einen beliebigen geeigneten Prozess eingebracht, einschließlich von z. B. Einschieben oder Gießen. Alternativ können die Leiterstäbe 40 aus einem auf Aluminium beruhenden oder ähnlichen elektrisch leitfähigen Materialien hergestellt werden. Die Leiterstäbe 40 sind so offenbart, dass sie Merkmale sowohl an einem ersten Ende als auch einem zweiten Ende der Leiterstäbe umfassen. Es ist festzustellen, dass die Stäbe die beschriebenen Merkmale nur am ersten Ende enthalten können, wobei andere Merkmale gemäß einem anderen Verfahren am zweiten Ende verwendet werden. Jeder Leiterstab 40 enthält einen ersten freiliegenden Abschnitt 42, einen Hauptabschnitt 44 und einen zweiten freiliegenden Abschnitt 46 und jeder weist einen peripheren Rand 45 auf. Der erste freiliegende Abschnitt 42 ragt über das erste Ende 24 des Rotorkerns 20 hinaus und enthält eine umschlossene Öffnung 48. Der zweite freiliegende Abschnitt 46 ragt über das zweite Ende 26 des Rotorkerns 20 hinaus und enthält eine umschlossene Öffnung 50. Bei einer Ausführungsform ist jede der umschlossenen Öffnungen 48, 50 eine kreisförmige Öffnung, obwohl andere Formen, z. B. rechteckig oder sternförmig, verwendet werden können. Der Hauptabschnitt 44 ist in den Rillen 28 befestigt, die im Rotorkern 20 ausgebildet sind. Der periphere Rand 45 jedes Leiterstabs 40 ragt durch die Rillen 28 am Umfang 25 entlang des Hauptabschnitts 44 hervor und er ragt weiter entlang dem ersten und zweiten freiliegenden Abschnitt 42 und 46 hervor. Es ist zu erkennen, dass die Leiterstäbe 40 eine parallele Beziehung zu der Rotationsachse der Rotorwelle aufweisen können oder einen spitzen Winkel mit der Rotationsachse der Rotorwelle bilden können.
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2 veranschaulicht eine Rotoranordnung 10 für einen Induktionsmotor mit einem Rohgussteil und einer Teilschnittansicht eines Kurzschlussendrings 30 am ersten Ende 14 und einem Gussteil mit abgeschlossener maschineller Bearbeitung eines Kurzschlussendrings 32 am zweiten Ende 26. Jeder der ringförmig geformten Kurzschlussendringe 30, 32 ist vorzugsweise vor Ort aus auf Aluminium basierenden Materialien gegossen. Alternativ können die Kurzschlussendringe 30, 32 aus auf Kupfer basierenden oder anderen elektrisch leitfähigen Materialien gegossen sein. Jeder Kurzschlussendring 30, 32 wird an einem Ende des Blechpakets 20 vor Ort gegossen, indem die Rotoranordnung 10 in ein Ausformwerkzeug oder eine Gießform eingebracht wird und geschmolzenes Material an das erste und zweite Ende 14, 16 durch einen beliebigen bekannten Gießprozess eingeleitet wird. Sowohl das erste als auch das zweite Ende 14, 16 durchlaufen den gleichen Prozess. Daher wird der Prozess beispielhaft hinsichtlich des ersten Endes 14 erörtert.
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Das geschmolzene Material strömt in das Ausformwerkzeug und füllt den von dem Ausformwerkzeug erzeugten Hohlraum einschließlich der Leerräume zwischen den ersten freiliegenden Abschnitten 42 der Leiterstäbe 40 und bis zum ersten Ende 24 des Rotorkerns 20. Während das Ausformwerkzeug gefüllt wird, strömt das geschmolzene Material durch die umschlossenen Öffnungen 48 der Leiterstäbe 40 und füllt diese. Es kann wünschenswert sein, die Rotoranordnung vorzuwärmen, etwa in einem Industrieofen oder einer Induktionsheizungsvorrichtung, bevor geschmolzenes Material eingegossen wird, um die Integrität des Gusses zu fördern, indem ein Abschrecken des geschmolzenen Materials verhindert wird, wenn es die freiliegenden Enden und den Rotorkern kontaktiert. Das geschmolzene Material erzeugt eine metallurgische Bindung mit den Leiterstäben 40 und kühlt ab, um den Kurzschlussendring 30 als ein monolithisches Gussteil zu bilden. Der Kurzschlussendring 30 enthält einen Abschnitt, der sich durch jeden Leiterstab 40 an den umschlossenen Öffnungen 48 hindurch erstreckt, um eine mechanische Verriegelung 52 an der umschlossenen Öffnung 48 zu erzeugen. Die mechanische Verriegelung 52 bildet eine Verriegelung zwischen dem Kurzschlussendring 30 und den Leiterstäben 40 aus. Der Querschnitt der mechanischen Verriegelung 52 kann auf der Grundlage der Größe der umschlossenen Öffnung 48 auf Scherfestigkeit hin eingestellt werden, d. h. die Scherfestigkeit der mechanischen Verriegelung 52 kann erhöht werden, indem die Menge des Materials in den umschlossenen Öffnungen 48 erhöht wird.
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Die mechanische Verriegelung 52 kann auch auf Richtungsbeanspruchbarkeit entsprechend der Richtung mit hoher Belastung eingestellt werden, d. h. die umschlossene Öffnung 48 kann in die Richtung mit der höchsten Belastung bei Betriebsbedingungen verlängert werden. Zusätzlich kann die umschlossene Öffnung 48 auf elektrische Leitfähigkeit hin zwischen den Leiterstäben 40 und dem Kurzschlussendring 30 optimiert werden, d. h. die umschlossene Öffnung kann eine Form, z. B. eine Sternform, aufweisen, die einen Oberflächenkontakt zwischen dem Leiterstab 48 und dem Kurzschlussendring 30 erhöht. Obwohl die umschlossene Öffnung 48 so erörtert ist, dass sie an jedem der Leiterstäbe 40 vorhanden ist, ist zu erkennen, dass eine begrenztere Anzahl von Leiterstäben 40 die umschlossene Öffnung 48 enthalten kann, z. B. kann eine Hälfte oder ein Drittel der Leiterstäbe 40 die umschlossene Öffnung 48 aufweisen.
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Die Rotoranordnung 10 wird aus dem Ausformwerkzeug entfernt und maschinell bearbeitet, um überschüssiges Gussmaterial zu entfernen, das während des Gießprozesses auftritt. Bei dem Kurzschlussendring 30 wird das überschüssige Gussmaterial entfernt und er kann den peripheren Rand 45 der Leiterstäbe 40 und das Ende des ersten freiliegenden Abschnitts 42 der Leiterstäbe 40 freilegen, wie es durch den Kurzschlussendring 32 dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass auch ein Netto-Null-Gießprozess, ein Prozess, der keine maschinelle Bearbeitung nach dem Gießen benötigt, verwendet werden kann. Als Folge enthalten die Kurzschlussendringe 30 und 32 eine Rotationsachse, die mit der Rotoranordnung 10, der Rotorwelle und dem Rotorkern 20 übereinstimmt.
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Im Betrieb wird im Motor Wärme erzeugt. Die Wärme kann gemäß einer Anzahl von Verfahren vom Motor weg transportiert werden. Ein flüssiges Kühlmittel kann verwendet werden, um den Motor zu kühlen. Alternativ kann Luft verwendet werden, um den Motor zu kühlen. 3 veranschaulicht eine Rotoranordnung 10 mit fertiggestellten Gussteilen der Kurzschlussendringe 30, 32, die mehrere eingegossene Kühlkörper 56 enthält. Die Kühlkörper 56 können in luftgekühlten Motoren verwendet werden und können Erweiterungen der Endringe 30, 32 sein, die gleichmäßig um den Umfang des ersten bzw. zweiten Endes 14, 26 herum wiederholt werden. Die Kühlkörper 56 übertragen Wärme, die von einer rotierenden Rotoranordnung 10 erzeugt wird, von dem ersten und zweiten Ende 14, 26 an jeden der mehreren Kühlkörper 56. Die Kühlkörper 56 stellen eine zusätzliche Oberfläche zum Übertragen absorbierter Wärme an vorbeistreichende Luft bereit, wenn sich die Rotoranordnung 10 dreht. Die Kühlkörper 56 können entweder am ersten oder am zweiten Endring 30, 32 oder sowohl am ersten als auch am zweiten Endring 30, 32 angeordnet sein. Die Kühlkörper 56 werden direkt vor Ort gegossen, wenn ein Netto-Null-Gießprozess verwendet wird, und werden maschinell herausgearbeitet, wenn ein Überschussgießen von Material verwendet wird.
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Ein Bindemittel 36 kann als eine Oberflächenbehandlung auf jeden der Leiterstäbe 40 aufgebracht werden, um eine robustere metallurgische Bindung zwischen den Leiterstäben 40 und den Kurzschlussendringen 30, 32 zu erzeugen. Bei einer Ausführungsform kann das Bindemittel 36 ein Flussmaterial sein, wie in der Technik bekannt ist, das auf die Leiterstäbe 40 aufgebracht wird. Das Flussmaterial entfernt Oxide, die sich an den Leiterstäben 40 und während der schnellen Abkühlung des geschmolzenen Materials ausbilden können, wodurch eine bessere metallurgische Bindung zwischen den Leiterstäben 40 und den Kurzschlussendringen 30, 32 erzeugt wird. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Bindemittel 36 ein Zwischenelement sein, z. B. Zinn, das auf die Leiterstäbe 40 aufgebracht wird. Beispielhafte Zwischenelemente enthalten einen niedrigen Schmelzpunkt und bevorzugte Reaktionen mit den Materialien der Leiterstäbe 40 und den Kurzschlussendringen 30, 32 gemäß von Materialeigenschaften, die in der Technik bekannt sind. Das Bindemittel 36 kann auf den gesamten Leiterstab 40 oder nur auf den ersten und zweiten freiliegenden Abschnitt 42, 46 aufgebracht werden. Durch das Aufbringen eines Bindemittels 36 auf die Leiterstäbe 40 vor dem Gießen der Kurzschlussendringe 30, 32 kann die Leistungsdichtenausgabe des Motors beibehalten oder verbessert werden.
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Die Trennung der Endringe 30, 32 von den Leiterstäben 40 wird durch sowohl die mechanische Verriegelung 52 als auch die metallurgische Bindung zwischen den Kurzschlussendringen 30, 32 und den Leiterstäben 40 gehemmt. Die Kombination aus der mechanischen Verriegelung 52 und der metallurgischen Bindung schafft eine Gesamtbindung. Die benötigte Festigkeit der Gesamtbindung ist so bestimmt, dass eine Trennung der Endringe von den Stäben vermieden wird, wenn die Massenträgheit bei hohen Motordrehzahlen zunimmt.
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Das vorstehende Verfahren zum Gießen eines Kurzschlussendrings an einen Rotor kann an einem oder beiden Enden des Rotors verwendet werden.
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Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Modifikationen dazu beschrieben. Anderen werden beim Lesen und Verstehen der Beschreibung weitere Modifikationen und Veränderungen begegnen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, die als die beste Art angesehen werden, um diese Offenbarung auszuführen, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen enthalten wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.