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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, wobei der Rotor ein auf einer Rotorwelle befestigtes Geberrad mit integrierter Geberkontur aufweist. Das Geberrad mit der integrierten Geberkontur dient zur Bestimmung einer Lage des Rotors relativ zu einem Stator der elektrischen Maschine mittels eines in Wirkverbindung mit der Geberkontur stehenden Sensors.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem auf der Rotorwelle des Rotors befestigten Geberrad.
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Der Betrieb einer elektrischen Maschine erfordert eine genaue Bestimmung der Lage des Rotors relativ zum Stator. Hierfür sind im Stand der Technik Rotorlagesysteme mit einem statisch angeordneten Sensor und einem beweglichen Geber bekannt. Die Wahl des Rotorlagesystems bestimmt die Eigenschaften des Signalgebers. Beim Messprinzip Wirbelstrom (induktiver Sensor) wird ein elektrisch leitfähiger Geber benötigt. Je höher die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffes des Geberrads ist, desto genauer kann die Rotorlage ausgewertet werden.
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Im Stand der Technik ist bekannt, als Geber ein Geberrad mit integrierter Geberkontur bereitzustellen und das Geberrad mit dem Rotorträger zu verbinden. Um eine möglichst hohe Messgenauigkeit zu erreichen, ist es wichtig, dass durch die Verbindung des Geberrads mit dem Rotorträger keinerlei Verformungen des Geberrads selbst unter Temperatureinwirkung auftreten, da dies die Signalgüte entscheidend beeinflussen würde. Aus diesem Grund sind Schweiß- und Pressverbindungen ungünstig. Ferner muss die Verbindung eine hohe Drehzahlfestigkeit, in der Regel bis 8.000 Umdrehungen pro Minute, aufweisen.
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In der
EP 158 0 869 B1 wird eine elektrische Maschine mit einem drehfest auf einem Rotor angeordneten Ringmagneten, der eine Innenfläche aufweist, die mit einer äußeren radialen Oberfläche eines wellenförmigen Bauteils, das als Rotorwelle oder als eine drehfest auf der Rotorwelle angeordnete Aufnahmehülse ausgebildet ist, kraftschlüssig verbunden ist, beschrieben.
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Die
EP 060 1 228 B1 betrifft einen elektromotorischen Antrieb mit auf dessen Rotorwelle konzentrisch gehaltenem Magnetkörper. Der Magnetkörper ist zur radialen Lagesicherung mit einer entsprechenden Rotorwellenöffnung auf die Rotorwelle zentrierend, jedoch druck- bzw. zugspannungsfrei aufgesteckt.
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Die
WO 95/04398 bezieht sich auf einen elektromotorischen Antrieb mit einem auf der Rotorwelle befestigten Polrad als Magnetkörper zur Erzeugung eines drehzahlproportionalen Signals in einer statorseitigen Hallsondenvorrichtung. Für die Montage des Magnetkörpers sowie eines Andruckteils wird vorgeschlagen, dass der Magnetkörper lediglich im Schiebesitz auf die Rotorwelle aufgesteckt und das Andruckteil im Fest- bzw. Presssitz auf die Rotorwelle aufgedrückt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotor für eine elektrische Maschine mit einem auf der Rotorwelle befestigten Geberrad derart weiter zu verbessern, dass auch bei sehr geringem Bauraum eine hohe Genauigkeit der Lagebestimmung des Rotors relativ zum Stator der elektrischen Maschine möglich ist.
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Hierfür wird erfindungsgemäß ein Rotor für eine elektrische Maschine vorgeschlagen, wobei der Rotor ein auf einer Rotorwelle befestigtes Geberrad mit integrierter Geberkontur aufweist. Die Geberkontur dient zur Bestimmung einer Lage des Rotors relativ zu einem Stator der elektrischen Maschine mittels eines in Wirkverbindung mit der Geberkontur stehenden Sensors.
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Erfindungsgemäß ist das Geberrad mittels eines mit der Rotorwelle verrasteten und vorgespannten Halteblechs befestigt.
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Die Geberkontur kann aus Erhebungen, Vertiefungen und/oder Ausnehmungen bestehen und ist im Geberrad integriert. Das Geberrad ist als separates Bauteil ausgebildet und mittels des Halteblechs auf der Rotorwelle befestigt. Der Sensor ist Teil eines Rotorlagesystems der elektrischen Maschine und in Bezug auf den Rotor statisch und somit im Gegensatz zum Rotor nicht beweglich angeordnet. Der Sensor steht in Wirkverbindung mit der Geberkontur des Geberrads.
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Der Sensor und die Geberkontur stehen in einer Wirkverbindung zueinander. Hierunter ist keine direkte mechanische Verbindung zu verstehen. Vielmehr ist der Sensor beabstandet zur Geberkontur und beabstandet zum Rotor bzw. zur Rotorwelle und dem Geberrad angeordnet.
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Beispielsweise kann ein induktiver Sensor vorgesehen sein. Das Geberrad ist aus einem elektrisch gut leitfähigen Material gefertigt. Der Sensor, bzw. eine Spule im Sensor, kann mit einem hochfrequenten Strom beaufschlagt werden, wodurch in dessen näherer Umgebung ein hochfrequentes magnetisches Feld erzeugt wird, wobei durch die Geberkontur im Geberrad Wirbelströme erzeugt werden. Die Wirbelströme erzeugen ihrerseits wiederum ein dem Magnetfeld des Sensors bzw. der Spule des Sensors entgegengesetztes magnetisches Feld. Je nach Abstand zwischen Sensor und der Geberkontur ist dieses Gegenfeld unterschiedlich groß. Daraus kann der Abstand zwischen Sensor der Geberkontur bestimmt werden. Basierend auf dem ermittelten Abstand zwischen Sensor und der Geberkontur kann die genaue Lage des Rotors relativ zum Stator bestimmt werden.
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Das Geberrad ist erfindungsgemäß mittels des Halteblechs derart auf der Rotorwelle befestigt, dass das Geberrad starr mit der Rotorwelle verbunden ist und sich mit der Rotorwelle bewegt bzw. mitdreht. Erfindungsgemäß ist das Halteblech mit der Rotorwelle verrastet und vorgespannt. Die Verrastung des Halteblechs mit der Rotorwelle dient zur Sicherung bzw. Fixierung des Geberrads auf der Rotorwelle. Durch die Vorspannung des Halteblechs kann die unterschiedliche Wärmeausdehnung von der Rotorwelle und dem Geberrad ausgeglichen werden. Gleichzeitig erfüllt das Halteblech aber auch die Rastfunktion auf der Rotorwelle. Somit erfüllt das Halteblech zwei Funktionen, nämlich die Vorspannungsfunktion und die Verrastungsfunktion und vereint somit beide Funktionen in einem einzigen Bauteil. Hierdurch können insbesondere Gewicht, Bauraum und zusätzliche Bauteile eingespart werden. Es ermöglicht somit eine formschlüssige Verbindung in einem erheblich reduzierten Bauraum.
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Bevorzugterweise ist das Halteblech selbstsichernd ausgebildet. Hierunter ist zu verstehen, dass keine weiteren Befestigungsmittel, Sicherungsmittel und/oder Spannmittel erforderlich sind. Das Halteblech weist selbst Mittel zum Verrasten und Spannen bzw. Vorspannen auf.
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Zur Befestigung und zum Vorspannen des Halteblechs ist bevorzugterweise kein separates Bauteil, insbesondere keine Schraube oder Spannmutter, vorgesehen. Somit ist bevorzugterweise vorgesehen, dass das Geberrad ausschließlich mittels des Halteblechs auf der Rotorwelle befestigt wird. Alternativerweise kann das Halteblech und/oder das Geberrad umfangsseitig beziehungsweise tangential beispielsweise mittels eines Stifts oder einer Nut befestigt sein.
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Dadurch, dass das Halteblech derart ausgebildet ist, dass dieses umlaufend gegen das Geberrad drückt, und zur Vorspannung kein separates Bauteil, beispielsweise eine Spannmutter, erforderlich ist, kann ein umlaufender und im Wesentlichen gleichmäßiger Andruck erreicht werden. Hierdurch wird die Verformung des Geberrads weiter reduziert.
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Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Rotorwelle und das Geberrad unterschiedliche Werkstoffe aufweisen oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Beispielsweise kann die Rotorwelle aus Stahl bestehen und das Geberrad aus einem elektrisch sehr gut leitfähigen Werkstoff, zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, bestehen. Aufgrund der Vorspannung ist ein Ausgleich unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten möglich. Ein Verzug des Geberrads auch unter Temperatureinwirkung kann hierdurch vermieden werden, wobei gleichzeitig ein Geberrad mit einem Werkstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bereitgestellt wird. Dies erhöht die Genauigkeit der Lagebestimmung des Rotors relativ zum Stator.
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Das Halteblech ist bevorzugterweise ringförmig ausgebildet und umfänglich um die Rotorwelle herum angeordnet. Beispielsweise kann das Halteblech auf die Rotorwelle aufgeschoben sein. Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass das Halteblech zumindest bereichsweise auf einer Mantelfläche, das heißt der durch die Umfangsseite ausgebildeten Außenfläche, der Rotorwelle aufliegt.
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Bevorzugterweise sind Geberrad und Halteblech derart angeordnet, dass das Geberrad mittels des Halteblechs gegen einen radial von der Rotorwelle abstehenden umfänglichen Vorsprung gedrückt wird bzw. angepresst wird. Der umfängliche Vorsprung ist Teil der Rotorwelle. Unter umfänglich ist zu verstehen, dass der Vorsprung umlaufend um die Rotorwelle herum angeordnet ist. Dabei kann der Vorsprung vollumfänglich ununterbrochen oder vollumfänglich mit bereichsweisen Unterbrechungen ausgebildet sein. Besonders bevorzugterweise ist der Vorsprung scheibenförmig ausgebildet.
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Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass das Halteblech einen ersten umlaufenden Abschnitt und einen in einem Winkel zum ersten umlaufenden Abschnitt angeordneten zweiten umlaufenden Abschnitt aufweist. Der Winkel zwischen dem ersten umlaufenden Abschnitt und dem zweiten umlaufenden Abschnitt ist im nicht vorgespannten Zustand des Halteblechs bevorzugterweise größer als 90°. Der Winkel kann beispielsweise 180° sein, wobei die beiden Abschnitte miteinander verbunden sind. Ferner kann das Halteblech mit dem ersten umlaufenden Abschnitt zumindest bereichsweise auf einer Mantelfläche der Rotorwelle aufliegen. Mit dem zweiten umlaufenden Abschnitt drückt das Halteblech beispielsweise gegen das Geberrad bzw. wird das Geberrad gegen den umfänglichen Vorsprung gedrückt. Die beiden umlaufenden Abschnitte des Halteblechs sind blechförmig ausgebildet. Dadurch, dass der Winkel zwischen den beiden Abschnitten im nicht vorgespannten Zustand des Halteblechs größer als 90° ist, weist das Halteblech eine Federwirkung auf. Während des Andrückens des Halteblechs gegen das Geberrad wird der zweite umlaufende Abschnitt leicht in Richtung des ersten umlaufenden Abschnitts gedrückt und der Winkel zwischen den beiden Abschnitten verkleinert. Nach dem Andrücken, bzw. im vorgespannten Zustand, stehen die beiden Abschnitte besonders bevorzugterweise in einem Winkel größer als 90° zueinander.
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Das Halteblech kann ein vollumfänglich und ununterbrochen angeordnetes Rastmittel zum Verrasten des Halteblechs mit der Rotorwelle aufweisen. Alternativerweise kann das Halteblech mehrere umfänglich verteilte und beabstandet zueinander angeordnete Rastmittel zum Verrasten des Halteblechs mit der Rotorwelle aufweisen. Besonders bevorzugterweise weist das Halteblech mindestens drei, ganz besonders bevorzugterweise mindestens vier oder mindestens fünf umfänglich verteilte und beabstandet zueinander angeordnete Rastmittel auf. Ferner ist bevorzugterweise vorgesehen, dass das oder die Rastmittel im oder am ersten umlaufenden Abschnitt des Halteblechs beispielsweise angeformt, ausgeschnitten oder eingeschnitten sind.
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Auf der Rotorwelle ist bevorzugterweise mindestens ein zum Rastmittel oder zu den Rastmitteln korrespondierendes Aufnahmemittel zur Aufnahme des Rastmittels oder zur Aufnahme der Rastmittel angeordnet. Das mindestens eine Aufnahmemittel kann jede geeignete Ausgestaltung bzw. Form aufweisen. Beispielsweise kann das Aufnahmemittel als Ausnehmung oder auch als Vorsprung ausgebildet sein. Bevorzugterweise ist das mindestens eine Aufnahmemittel auf der Umfangsseite bzw. der Mantelfläche der Rotorwelle angeordnet. Es können auch mehrere umfänglich verteilt und beabstandet zueinander angeordnete Aufnahmemittel auf der Mantelfläche der Rotorwelle angeordnet sein. Alternativerweise kann auch für mehrere Rastmittel ein einziges vollumfänglich angeordnetes Aufnahmemittel vorgesehen sein.
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Zumindest ein Rastmittel ist bevorzugterweise als Ausschnitt, Ausnehmung oder Vertiefung im Halteblech ausgebildet. Dabei ist bevorzugterweise zumindest ein Aufnahmemittel als radial von der Rotorwelle abstehender Vorsprung ausgebildet. Besonders bevorzugterweise sind sämtliche Rastmittel als Ausschnitte, Ausnehmungen oder Vertiefungen im Halteblech ausgebildet und sämtliche Aufnahmemittel als radial von der Rotorwelle abstehende Vorsprünge ausgebildet. Beispielsweise kann ein Rastmittel als L-förmige Ausnehmung bzw. Vertiefung und das Aufnahmemittel als kleiner stiftförmiger Vorsprung ausgebildet sein. Dabei kann das Halteblech durch Aufpressen und anschließende Drehbewegung mit der Rotorwelle verrastet werden. Alternativerweise kann ein Rastmittel als Ausschnitt und ein Aufnahmemittel als kleiner Vorsprung ausgebildet sein. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann das Halteblech mittels Aufpressen mit der Rotorwelle verrastet werden.
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Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass zumindest ein Rastmittel als biegsamer Blechabschnitt des Halteblechs ausgebildet ist und zumindest ein Aufnahmemittel als eine in der Rotorwelle angeordnete Vertiefung ausgebildet ist. Ein biegsamer Blechabschnitt kann beispielsweise laschenförmig bzw. als eine Rastnase ausgebildet sein. Derartige Laschen bzw. Rastnasen können im zweiten umlaufenden Abschnitt des Halteblechs freigeschnitten werden. Das als Vertiefung ausgebildete Aufnahmemittel ist bevorzugterweise auf der Umfangsseite bzw. der Mantelfläche der Rotorwelle angeordnet. Besonders bevorzugterweise ist die Vertiefung umlaufend, zumindest bereichsweise umlaufend, beispielsweise als Nut ausgebildet.
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Erfindungsgemäß ist ferner eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem sich relativ zum Stator bewegenden Rotor und einem Rotorlagesystem zur Bestimmung einer Lage des Rotors relativ zum Stator vorgesehen. Der Rotor ist wie vorbeschrieben ausgebildet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen schematisch:
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1: einen Rotor mit Rotorwelle, Geberrad und Halteblech;
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2a und b: einen Rotor mit Geberrad und Halteblech;
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3: einen Rotor mit Geberrad und Halteblech;
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4a und b: einen weiteren Rotor mit Geberrad und Halteblech;
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5a und b: einen weiteren Rotor mit Geberrad und Halteblech; und
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6: eine elektrische Maschine mit auf einer Rotorwelle eines Rotors angeordnetem Geberrad.
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1 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt eines Rotors 100 in Explosionsdarstellung. Dabei ist ein stirnseitiges Ende einer Rotorwelle 10 dargestellt. Ein Geberrad 11 mit Geberkontur 12, welche aus Durchbrechungen besteht, wird mittels eines Halteblechs 14 auf der Rotorwelle 10 befestigt. Dabei wird das Geberrad 11 durch das Halteblech 14 gegen einen radial abstehenden umfänglichen Vorsprung 15 der Rotorwelle 10 angepresst. Das Halteblech 14 ist hierfür federnd ausgebildet, wodurch es beim Andrücken gegen das Geberrad 11 vorgespannt wird. Zur Fixierung weist das Halteblech 14 Rastmittel 20 auf, welche in ein als Nut ausgebildetes Aufnahmemittel 21 auf der Rotorwelle eingreifen.
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In den 2 bis 5 sind unterschiedliche Ausgestaltungen des Halteblechs 14, insbesondere unterschiedliche Ausgestaltungen der Rastmittel 20 des Halteblechs 14, sowie unterschiedliche Ausgestaltungen der auf der Rotorwelle 10 angeordneten Aufnahmemittel 21 gezeigt.
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In den 2a und 2b ist ein Ausschnitt eines Rotors 100 gezeigt, wobei das Halteblech 14 mehrere umfänglich verteilt und beabstandet zueinander angeordnete Rastmittel 20 aufweist, welche als biegsame Blechabschnitte, das heißt Laschen bzw. Rastnasen, ausgebildet sind. Nach Anpressen des Halteblechs 14 gegen das Geberrad 11 wird das Halteblech 14 vorgespannt und die Rastmittel 20 greifen in ein auf der Rotorwelle 10 angeordnetes Aufnahmemittel 21 ein. Das Aufnahmemittel 21 ist im in 2a und 2b gezeigten Beispiel als umfängliche Nut ausgebildet.
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In 3 sind die Rastmittel 20 des Halteblechs als im Wesentlichen L-förmige Ausnehmungen in einem ersten umlaufenden Abschnitt 16 des Halteblechs 14 angeordnet. Das Halteblech 14 wird in einem ersten Schritt auf die Rotorwelle 10 geschoben und gegen das Geberrad 11 angepresst, wobei die als kleine Vorsprünge ausgebildeten Aufnahmemittel 21 auf der Mantelfläche 19 der Rotorwelle 10 in die Rastmittel 20 des Halteblechs 14 eingreifen. Dabei wird das Halteblech 14 vorgespannt. In einem zweiten Schritt wird mittels einer Drehbewegung des Halteblechs 14 das Halteblech 14 auf der Rotorwelle 10 fixiert.
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In sämtlichen 1 bis 5 ist das Halteblech 14 ringförmig ausgebildet und wird auf die Rotorwelle 10 aufgeschoben und gegen das Geberrad 11 gepresst und dabei vorgespannt. Das ringförmig ausgebildete Halteblech 14 weist in jedem dieser Beispiele zwei umlaufende Abschnitte 16, 17, nämlich einen ersten umlaufenden Abschnitt 16 und einen zweiten umlaufenden Abschnitt 17, auf. Im oder am ersten umlaufenden Abschnitt 16 sind die Rastmittel 20 angeordnet. Mit dem ersten umlaufenden Abschnitt 16 liegt das Halteblech 14 auf der Mantelfläche 19 der Rotorwelle 10 auf. Mit dem zweiten umlaufenden Abschnitt 17 drückt das Halteblech 14 gegen das Geberrad 11 und somit das Geberrad 11 gegen den radial abstehenden umfänglich angeordneten Vorsprung 15 auf der Rotorwelle 10. Die beiden umlaufenden Abschnitte 16, 17 des Halteblechs 14 stehen in einem Winkel 18 zueinander, welcher im nicht vorgespannten Zustand des Halteblechs 14 größer als 90° ist. Beim Andrücken des Halteblechs 14 gegen das Geberrad 11 wird der zweite umlaufende Abschnitt 17 leicht in Richtung des ersten umlaufenden Abschnitts 16 gedrückt und dabei der Winkel 18 verkleinert. Dabei wird das Halteblech 14 vorgespannt. Der Winkel 18 ist der besseren Übersicht halber lediglich in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eingezeichnet.
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In den 4a und 4b ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei die Rastmittel 20 als Ausnehmungen im Halteblech 14 bzw. im ersten umlaufenden Abschnitt 16 des Halteblechs 14 ausgebildet sind. Auf der Mantelfläche 19 der Rotorwelle 10 sind die Aufnahmemittel 21 in Form von kleinen radial von der Rotorwelle 10 abstehenden Vorsprüngen ausgebildet.
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In den 5a und 5b ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei das Halteblech 14 nur ein einziges Rastmittel 20, nämlich eine umlaufende biegsame Lasche, aufweist. Dabei ist der erste umlaufende Abschnitt 16 des Halteblechs 14 als Rastmittel 20 ausgebildet. Das Aufnahmemittel 21 ist als vollumfängliche Nut auf der Mantelfläche 19 der Rotorwelle 10 ausgebildet.
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6 zeigt eine elektrische Maschine 200 mit einem Rotor 100. Der besseren Übersicht halber ist der Stator der elektrischen Maschine 200 nicht dargestellt. Die Rotorwelle 10 des Rotors 100 ist um eine Drehachse drehbar und in einem Gehäuse 22 mittels einer Lagerung 23 gelagert. Im Bereich eines ersten stirnseitigen Endes weist die Rotorwelle 10 einen radial von der Rotorwelle abstehenden umfänglich angeordneten Vorsprung 15 auf. Mittels eines mit der Rotorwelle verrasteten und vorgespannten Halteblechs 14 ist ein Geberrad 11 gegen den umfänglichen Vorsprung 15 der Rotorwelle 10 gedrückt und somit auf der Rotorwelle befestigt. Das Geberrad 11 weist eine Geberkontur 12 auf, welche in Wirkverbindung mit einem statisch angeordneten Sensor 13 steht. Hierdurch kann die Lage des Rotors 100 relativ zum Stator der elektrischen Maschine 200 jederzeit und genau bestimmt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Rotor
- 200
- Elektrische Maschine
- 10
- Rotorwelle
- 11
- Geberrad
- 12
- Geberkontur
- 13
- Sensor
- 14
- Halteblech
- 15
- umfänglicher Vorsprung
- 16
- erster umlaufender Abschnitt
- 17
- zweiter umlaufender Abschnitt
- 18
- Winkel
- 19
- Mantelfläche der Rotorwelle
- 20
- Rastmittel
- 21
- Aufnahmemittel
- 22
- Gehäuse
- 23
- Lagerung
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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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- EP 1580869 B1 [0005]
- EP 0601228 B1 [0006]
- WO 95/04398 [0007]
