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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Startergenerator für eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle, die in einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine drehbar gelagert ist, mit einer einen Rotor und einen Stator aufweisenden elektrischen Maschine, die vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb reversibel umsteuerbar ist und der Rotor mit der Kurbelwelle zur Drehkraftübertragung gekoppelt ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine solche elektrische Maschine kann als Startergenerator eingesetzt werden, so dass sie im Generatorbetrieb Strom für das Bordspannungsnetz eines mit der Brennkraftmaschine betriebenen Fahrzeugs bereitstellen und im Motorbetrieb zum Starten der Brennkraftmaschine verwendet werden kann.
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Anhand der
DE 10 2008 054 334 A1 ist ein Startergenerator bekannt geworden, der als Außenläufermotor ausgebildet ist und einen fest mit der Kurbelwelle des damit versehenen Verbrennungsmotors verbundenen Rotor und einen Stator aufweist, der direkt am Kurbelgehäuse angeschraubt ist oder in anderer Weise starr mit dem Kurbelgehäuse verbunden ist.
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Anhand der
DE 102 01 601 C1 ist ein Verbrennungsmotor mit einer im einem Kurbelgehäuse gelagerten Kurbelwelle und einem Startergenerator bekannt geworden, der im Gehäuse des Verbrennungsmotors integriert ausgebildet ist. Die Kurbelwelle weist Ausgleichsgewichte auf, an denen ein Haltering angeordnet ist, an dem über den Umfang verteilt Permanentmagnete vorgesehen sind. Auf diese Weise wird der Rotor des Startergenerators gebildet, während der Stator von zwei in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Umfangssegmenten ausgebildet ist, die im unteren Bereich des Zylinderkurbelgehäuses befestigt sind.
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Anhand der auf die Anmelderin zurückgehenden
DE 100 23 124 C1 ist ein Starter für eine Brennkraftmaschine bekannt geworden, der einen axial und drehfest mit der Kurbelwelle verbundenen Rotor aufweist, auf dem eine Kurbelwellenlagerschale angeordnet ist, die einen radial dazu angeordneten Stator mit Permanentmagneten trägt.
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Die Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine ist im Betrieb Drehungleichförmigkeiten ausgesetzt, denen Druck- und Massenkräfte überlagert werden, die zur Durchbiegung der Kurbelwelle zwischen ihren Lagerstellen führen.
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Eine Lagerung des Stators starr am Kurbelgehäuse mit einem auf der Kurbelwelle axial und drehfest angeordneten Rotor führt dazu, dass ein zwischen dem Stator und dem Rotor ausgebildeter Luftspalt nicht konstant bleibt. Der Luftspalt wirkt als magnetischer Widerstand, so dass sich bei veränderndem Luftspalt die elektrische Leistung der elektrischen Maschine als nicht gleich bleibend erweist, was die Auslegung der elektrischen Maschine negativ beeinflusst. Eine Verkleinerung des Luftspalts ist zwar zur Steigerung der elektrischen Leistung möglich, kann aber aufgrund der Durchbiegung der Kurbelwelle dazu führen, dass der üblicherweise an einem Kurbelwellenstumpf angeordnete Rotor den Stator berührt und es somit zu einer Beschädigung der Bauteile kommt.
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Um dies zu vermeiden, wird daher üblicherweise der Luftspalt groß gewählt und so ein Ausgleich der Kurbelwellenverformung sowie der üblichen Fertigungstoleranzen erzielt. Die nicht vorhandene Konstanz des Luftspalts und der groß gewählte Luftspalt führen zu einer Verringerung der Leistungsdichte der elektrischen Maschine.
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Der vorliegenden Erfindung liegt zur Beseitigung der geschilderten Nachteile die Aufgabe zu Grunde, einen Startergenerator für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem die Kurbelwellenverformung keinen negativen Einfluss auf die elektrische Leistung der elektrischen Maschine hat.
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Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Die Erfindung schafft einen Startergenerator für eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle, die in einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine drehbar gelagert ist, mit einer einen Rotor und einen Stator aufweisenden elektrischen Maschine, die vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb reversibel umsteuerbar ist und der Rotor mit der Kurbelwelle zur Drehkraftübertragung gekoppelt ist, wobei der Stator an der Kurbelwelle drehbar gelagert ist und der Stator am Kurbelgehäuse elastisch abgestützt ist.
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Durch die drehbare Lagerung des Stators direkt auf der Kurbelwelle wird erreicht, dass ein zwischen der Kurbelwelle und den Lagern des Stators angeordnetes Bauteil, welches eine zusätzliche Elastizität in das System einbringt, vermieden werden kann und so das System aus Kurbelwelle und Stator steifer ist als bei einem System, bei dem der Stator auf einem sich gemeinsam mit der Kurbelwelle drehenden rohrstückförmigen Bauteil, bei dem es sich um einen am Rotor ausgebildeten Lagerstutzen für die Aufnahme einer Lagerung des Stators handeln kann. Ein solches System ist durch die auf die Anmelderin zurück gehende unveröffentlichte
DE 10 2013 219 572 bekannt geworden. Das bekannte System hat sich bereits bestens bewährt, besitzt aber noch Raum für Verbesserungen, der durch das nun vorliegende System genutzt wurde.
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Durch die direkte Lagerung des Stators auf der Kurbelwelle fällt die Elastizität, die der Lagerstutzen in das System einbringt, weg und das System ist insgesamt steifer.
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Zusätzlich fällt die vom Lagerstutzen in das System zwangsweise eingebrachte Fertigungstoleranz des Lagerstutzens weg, was dazu verwendet werden kann, den Luftspalt zwischen Stator und Rotor weiter zu verringern.
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Auch ist zu erwähnen, dass durch den Wegfall des rohrstückförmigen Lagerstutzens das Rotationsträgheitsmoment des sich drehenden Systems aus Kurbelwelle und Rotor verringert werden kann, was dazu führt, dass das System eine Zieldrehzahl schneller erreicht als ein System, bei dem der Rotor mit einem Lagerstutzen für die Aufnahme der Lagerung des Stators versehen ist.
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Ein weiterer Vorteil gegenüber dem auf die Anmelderin zurückgehenden bekannten Startergenerator besteht darin, dass der Rotor aufgrund des Wegfalls des Lagerstutzens einfacher zu fertigen ist und somit ein Kostenvorteil erreicht werden kann.
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Der Erfindung sieht vor, dass der Stator am Kurbelgehäuse elastisch abgestützt ist. Damit die elektrische Maschine arbeiten kann, muss eine Relativdrehung zwischen Stator und Rotor ermöglicht werden, gleichzeitig ist dafür zu sorgen, dass das sich im Betrieb einstellende Reaktionsmoment zwischen Stator und Rotor abgestützt wird. Durch die elastische Abstützung des Stators am Kurbelgehäuse wird einerseits dafür gesorgt, dass sich der Stator nicht zusammen mit dem Rotor dreht und andererseits sorgt die elastische Abstützung des Stators auch dafür, dass das Reaktionsmoment über die elastische Abstützung in das Kurbelgehäuse eingeleitet werden kann und das so gebildete System nicht statisch überbestimmt ist.
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Im Betrieb der Brennkraftmaschine erwärmt sich das Kurbelgehäuse, was dazu führt, dass eine direkte Lagerung des Stators am Kurbelgehäuse zu einer Veränderung der Einbauposition des Stators relativ zum Rotor führt. Durch das Vorsehen einer elastischen Abstützung des Stators relativ zum Kurbelgehäuse wird erreicht, dass sich die ausdehnungsbedingte Formänderung des Kurbelgehäuses nicht auf den Stator überträgt, was wiederum dazu verwendet werden kann, den Luftspalt zwischen Stator und Rotor zu verringern.
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Zur Herbeiführung einer elastischen Abstützung des Stators am Kurbelgehäuse ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Stator mittels mindestens einer Elastomerhülsenfeder an einem am Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine festlegbaren Gehäusedeckel zur Momentenabstützung lösbar festlegbar ist.
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Bei der Elastomerhülsenfeder kann es sich um ein Bauteil aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten rohrstückförmigen Hülsen handeln in deren radialem Zwischenraum ein Elastomerkörper angeordnet ist. Wird der Gehäusedeckel vom Kurbelgehäuse abgenommen, kann der Startergenerator einfach am Kurbelwellenstumpf angeordnet werden, dort eine Nabe des Rotors axial und drehfest festgelegt werden und dann der Gehäusedeckel so am Kurbelgehäuse angeordnet werden, dass eine Aufnahme des Gehäusedeckels die mindestens eine Elastomerhülsenfeder aufnimmt und so der Stator relativ zum Gehäusedeckel um kleine Winkelbereiche elastisch verlagerbar ist und das Reaktionsmoment über die Elastomerhülsenfeder in den Gehäusedeckel und damit in das Kurbelgehäuse eingeleitet werden kann.
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Der Startergenerator kann so an einem freien Ende eines Kurbelwellenstumpfs angeordnet werden, der im Betrieb der Brennkraftmaschine aufgrund der Durchbiegung der Kurbelwelle eine Taumelbewegung ausführt, die bei der bekannten Konfiguration mit der Lagerung des Stators fest oder starr am Kurbelgehäuse zu einer periodischen Veränderung des Luftspalts zwischen Rotor und Stator führt. Durch die nach der Erfindung vorgesehene Lagerung des Stators an der Kurbelwelle und die elastische Abstützung des Stators am Kurbelgehäuse führt die Taumelbewegung des Kurbelwellenstumpfs dazu, dass sich der Luftspalt zwischen Stator und Rotor nicht mehr periodisch verändert, da die Relativlage zwischen Stator und Rotor aufgrund der Lagerung des Stators an der Kurbelwelle direkt benachbart zum Ort der Festlegung des Rotors an der Kurbelwelle nicht mehr periodischen Veränderungen unterzogen ist und der Luftspalt somit weitgehend konstant bleibt und daher eng gewählt werden kann, wodurch die Leistungsdichte der elektrischen Maschine vergrößert werden kann.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Rotor eine an der Kurbelwelle drehfest festlegbare Nabe mit einem Konus mit einer von der Kurbelwelle durchsetzbaren Innenausnehmung aufweist, an dessen Stirnfläche der Stator über Wälzlagermittel axialfest abstützbar ist. Damit wird erreicht, dass der Stator direkt benachbart zum Rotor an der Kurbelwelle angeordnet ist und sich somit die durch die Durchbiegung der Kurbelwelle im Betrieb einstellende Taumelbewegung auf Stator und Rotor weitgehend gleich übertragen wird, was dazu führt, dass der Luftspalt zwischen Stator und Rotor weitgehend konstant bleibt. Auch wird dadurch erreicht, dass zur axialen Festlegung des Rotors und des Stators an der Kurbelwelle nur ein Bauteil in der Form beispielsweise einer Spannschraube benötigt wird, mit der ein Wälzlagermittel zur Lagerung des Stators gegen eine Stirnfläche des Rotors in Anlage gehalten werden kann und somit der Rotor kein eigenständiges Bauteil zu seiner axialen Festlegung auf der Kurbelwelle benötigt. Dadurch wird wiederum der Montageaufwand und die Drehmasse des Systems verringert.
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Auf diese Weise kann der Rotor mit seiner Nabe zusammen mit dem Stator am Kurbelwellenstumpf einfach festgelegt werden und zwar so, dass sich die Nabe des Rotors relativ zum Stator frei drehen kann und eine periodische Winkelveränderung der Längsmittelachse des Kurbelwellenstumpfs im Betrieb der Brennkraftmaschine relativ zur Lage der Längsmittelachse des Kurbelwellenstumpfs der stillstehenden Brennkraftmaschine dazu führt, dass der Stator die Taumelbewegung des Kurbelwellenstumpfs gemeinsam mit dem Rotor beziehungsweise der Nabe des Rotors durchführt und somit der zwischen Stator und Rotor gebildete Luftspalt weitgehend gleich bleibt. Der Stator kann dabei mittels Wälzlagern relativ zur Kurbelwelle gelagert werden, so dass eine kostengünstige Konfiguration gebildet wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es auch vorgesehen, dass der Stator einen von Kühlfluid durchströmbaren Kühlkörper aufweist, an dessen Stirnseiten axial beidseits Verschlussdeckel angeordnet sind und am Stator Anschlüsse zum Einleiten und Ausleiten von Kühlfluid vorgesehen sind. Auf diese Weise kann die elektrische Maschine effizient gekühlt werden und so auch über die Brennkraftmaschine in den Startergenerator eingetragene Wärme abgeführt werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der Rotor eine an der Nabe mittels einer Nietverbindung festlegbare topfförmige Rotorglocke aufweist, an deren Innenumfang verteilt Permanentmagnete angeordnet sind. Damit ist eine kostengünstige Ausführungsform möglich, da die Nabe und die Rotorglocke nicht einstückig ausgebildet werden müssen, sondern die Rotorglocke aus einem kostengünstigen Blechbauteil gebildet werden kann, welches über eine einfache Nietverbindung an der Nabe axialfest und drehfest festgelegt werden kann.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es auch vorgesehen, dass die Nabe eine kegelstumpfförmig ausgebildete Innenkontur aufweist, die an einer komplementär ausgebildeten Außenkontur der Kurbelwelle mittels eines Presssitzes lösbar festgelegt werden kann. Ein solcher Preßsitz sorgt einerseits für eine verdrehsichere Anordnung der Nabe am Kurbelwellenstumpf und andererseits auch dafür, dass die Wellen-Nabenverbindung verschleißfrei ausgeführt werden kann.
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Damit die Nabe einfach aus Ihrem Pressverband mit dem Kurbelwellenstumpf gelöst werden kann, kann sie auch mit einer Eingriffsfläche zum Eingriff mit einem Abziehwerkzeug zum Abziehen der Nabe vom Kurbelwellenstumpf ausgebildet sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur eine Schnittansicht einer Brennkraftmaschine mit nur einem Zylinder mit einem an einem Kurbelwellenstumpf festgelegten Startergenerator nach einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem in der Zeichnung dargestellten Verbrennungsmotor handelt es sich um einen Einzylinder-Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle 1, die über Rollenlager, von denen in der Zeichnung ein Zylinderrollenlager 2 dargestellt ist, in einem nur abschnittsweise dargestellten Kurbelgehäuse 3 drehbar gelagert ist.
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An einem in der Zeichnungsebene auf der rechten Seite dargestellten Kurbelwellenstumpf 4 ist ein Startergenerator 5 vorgesehen, der zur Erzeugung von Strom über die Kurbelwelle 1 angetrieben werden kann und zum Starten der Brennkraftmaschine im Motorbetrieb die Kurbelwelle 1 antreiben kann.
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Um den Austritt von Motoröl in den Bereich der Startergenerators 5 zu vermeiden, ist das Kurbelgehäuse 3 der Brennkraftmaschine 1 über einen Wellendichtring 7 abgedichtet. Der Aufnahmeraum 8 für den Startergenerator 5 wird über einen Gehäusedeckel 9 verschlossen.
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Der Startergenerator 5 weist einen Rotor 10 und einen Stator 11 auf. Der Rotor 10 besitzt eine Nabe 12, die mittels eines Kegelpresssitzes 6 lösbar am Kurbelwellenstumpf 4 festgelegt werden kann und zwar über eine Spannschraube 13.
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An dem Kurbelwellenstumpf 4 sind über eine Distanzhülse 29 beabstandet zwei Rillenkugellager 14 vorgesehen, über die der Stator 11 so drehbar an der Kurbelwelle 1 angeordnet werden kann, dass sich die mit einer Innenausnehmung versehene Statornabe 15 frei relativ zur Kurbelwellenstumpf 4 verdrehen kann, axial aber relativ zum Rotor 10 festgelegt ist und zwar mittels der Spannschraube 13, die an einer Stirnseite an einer Wälzlagerschale 30 eines Rillenkugellagers 14 zur Anlage gebracht werden kann, die sich über die Distanzhülse 29 an einer Wälzlagerschale 31 des zweiten Rillenkugellagers 14 abstützt. Die Wälzlagerschale 31 wiederum stützt sich an einer Stirnfläche 32 der Nabe 12 ab, wodurch auch der Rotor 10 relativ zum Kurbelwellenstumpf 4 axial festgelegt ist.
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Wenn sich die Kurbelwelle 1 dreht und der nicht näher dargestellte Kolben der Brennkraftmaschine vom Verbrennungsdruck beaufschlagt wird, kann sich die Kurbelwelle 1 verformen, was dazu führt, dass der Kurbelwellenstumpf 4 eine taumelförmige Bewegung ausführt und sich die gedachte Längsmittelachse des Startergenerators 5 so dreht, dass die Umhüllende der Drehbewegung eine Kegelspitze ausbildet.
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Zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 11 ist ein Luftspalt 16 von etwa 0.5 bis 1 mm Spaltbreite ausgebildet, der auch bei einer Taumelbewegung des Startergenerators 5 aufgrund einer Verformung der Kurbelwelle 1 weitgehend konstant bleibt, da die Nabe 12 des Rotors 10 axial fest auf der Kurbelwelle 1 angeordnet ist und der Stator 11 mit seiner Lagerung über die Rillenkugellager 14 direkt benachbart zum Rotor 10 an der Kurbelwelle 1 gelagert ist und so der Rotor 10 und der Stator 11 einer durch Biegung des Kurbelwellenstumpfs 4 bedingten Taumelbewegung gemeinsam folgen und dadurch der Luftspalt 16 zwischen Rotor 10 und Stator 11 weitgehend konstant bleibt.
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An der Nabe 12 des Rotors 10 ist über eine Niete 17 aufweisende Nietverbindung eine Rotorglocke 18 aus einem Aluminiumblechteil festgelegt, an dessen Innenumfang Permanentmagnete 19 gleichverteilt angeordnet sind. Der Stator 11 weist an einem Blechpaket 20 über einen Kunststoffträger 21 getrennt einen Kupferleiter 22 auf und besitzt auf beiden Stirnseiten jeweils einen abdichtenden Verschlussdeckel 23, so dass über einen Anschluss 24 Kühlfluid in den Stator 11 geleitet werden kann und über einen nicht näher dargestellten weiteren Anschluss das erwärmte Kühlfluid aus dem Stator 11 wieder abgeführt werden kann. Dabei dichtet eine Dichtmanschette 25 den Aufnahmeraum gegen den Eintritt von Staub und Fremdkörper ab.
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Der Stator 11 ist über am Gehäusedeckel 9 abstützbare Elastomerhülsenfedern 26, von denen bei der dargestellten Ausführungsform drei Federn vorgesehen sind, elastisch gelagert und zwar mittels Bolzen 27, die in die Statornabe 15 eingreifen und an deren jeweiliger Kopfseite die Elastomerhülsenfedern 26 festgelegt sind, so dass das über den Rotor 10 in den Stator 11 eingeleitete Reaktionsmoment über die Elastomerhülsenfedern 26 in den Gehäusedeckel 9 eingeleitet werden kann, der sich wiederum über Schrauben 28 am Kurbelgehäuse 3 abstützt.
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Führt der Startergenerator 5 aufgrund der Verformung der Kurbelwelle 1 eine Taumelbewegung aus, ändert sich der Luftspalt 16 nicht und gleichzeitig wird das Reaktionsmoment über die Elastomerhülsenfedern 26 statisch bestimmt in das Kurbelgehäuse 3 der Brennkraftmaschine eingeleitet.
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Da der Luftspalt 16 nicht mehr so ausgebildet werden muss, dass eine Verformung der Kurbelwelle 1 dazu führt, dass Stator 11 und Rotor 10 einander nicht berühren, kann der Luftspalt 16 wesentlich enger ausgewählt werden, als dies bei den bekannten Vorrichtung in der Fall ist, wodurch die Leistungsdichte des Startergenerators 5 nach der vorliegenden Erfindung erhöht werden kann, das sich einstellende Magnetfeld zwischen Stator und Rotor bei einer Drehbewegung der Kurbelwelle 1 gleichförmiger verläuft als dies bei den bekannten Vorrichtung in der Fall ist und damit auch beim Startvorgang der Brennkraftmaschine gleichförmiger verläuft und der erfindungsgemäße Startergenerator verglichen mit den bekannten Startergeneratoren einen gleichförmigeren Drehmomentverlauf zur Verfügung stellt.
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Hinsichtlich vorstehend im Einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurbelwelle
- 2
- Zylinderrollenlager
- 3
- Kurbelgehäuse
- 4
- Kurbelwellenstumpf
- 5
- Startergenerator
- 6
- Kegelpresssitz
- 7
- Wellendichtung
- 8
- Aufnahmeraum
- 9
- Gehäusedeckel
- 10
- Rotor
- 11
- Stator
- 12
- Nabe
- 13
- Spannschraube
- 14
- Rillenkugellager, Lagermittel
- 15
- Statornabe
- 16
- Luftspalt
- 17
- Niete
- 18
- Rotorglocke
- 19
- Permanentmagnete
- 20
- Blechpaket
- 21
- Kunststoffträger
- 22
- Kupferleiter
- 23
- Verschlussdeckel
- 24
- Anschluss
- 25
- Dichtmanschette
- 26
- Elastomerhülsenfeder
- 27
- Bolzen
- 28
- Schraube
- 29
- Distanzhülse
- 30
- Wälzlagerschale
- 31
- Wälzlagerschale
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008054334 A1 [0003]
- DE 10201601 C1 [0004]
- DE 10023124 C1 [0005]
- DE 102013219572 [0012]