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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen EC-Motor, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bei Elektromotoren ist die Rotorwelle des Rotors durch wenigstens ein Drehlager in einer Statorbuchse drehbar gelagert. Als Drehlager werden üblicherweise Wälzlager eingesetzt. Am Lagerinnenring, der auf der Rotorwelle sitzt, wird ein elektrischer Isolator in Form einer Kunststoffumspritzung vorgesehen. Der elektrische Isolator führt allerdings dazu, dass im Bereich des temperaturempfindlichen Drehlagers ein Wärmestau auftritt. Er wirkt sich negativ auf die Gebrauchsdauer des Lagerfettes aus, wodurch auch die Lebensdauer des Elektromotors sowie des mit dem Elektromotor angetriebenen Aggregates, wie ein Ventilator, beeinträchtigt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Elektromotor so auszubilden, dass seine Einsatzdauer auch bei höherer Einsatz- oder Umgebungstemperatur nicht beeinträchtigt wird.
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Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Elektromotor erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Beim erfindungsgemäßen Elektromotor ist im Bereich des Lageraußenringes des Drehlagers der thermische Isolator vorgesehen. Er schirmt den Bereich des Drehlagers von der statorseitigen Wärmeentwicklung ab. Dadurch wird das im Drehlager befindliche Lagerfett nicht unzulässig stark erwärmt, so dass die Gebrauchsdauer des Lagerfettes hoch ist. Dies hat zur Folge, dass auch die Lebensdauer des Elektromotors und des von ihm angetriebenen Aggregates, beispielsweise eines Ventilators, erhöht wird. Der thermische Isolator sorgt dafür, dass im Bereich des thermisch sensitiven Drehlagers kein Wärmestau entsteht. Durch den thermischen Isolator ist es möglich, den Temperaturbereich, in dem der Elektromotor eingesetzt werden kann, zu erweitern.
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Beim erfindungsgemäßen Elektromotor erfolgt ein lagernaher Einsatz von Werkstoffen, die eine geringere thermische Leitfähigkeit haben als das Material der Statorbuchse, die z. B. ein Aluminium-Druckgussteil ist.
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Vorteilhaft ist der Isolator an der Innenwand der Statorbuchse vorgesehen. Dort lässt sich der Isolator einfach und dennoch sicher im Bereich des Lagersitzes anbringen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, den Isolator in die Statorbuchse einzuschrumpfen oder einzupressen. Auf diese Weise sitzt der Isolator fest innerhalb der Statorbuchse im Bereich des Lagersitzes. Wird anschließend das Drehlager in die Buchse eingesetzt, dann ist eine Lageveränderung des Isolators nicht zu befürchten.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung kann zur Bildung des Isolators auf die Innenwand der Statorbuchse ein entsprechender Werkstoff aufgespritzt oder durch einen Sputterprozess, durch einen Klebe- oder durch einen Schweißprozess aufgebracht werden. Auch in diesem Falle ist gewährleistet, dass der Isolator im Bereich des Lagersitzes ausreichend fest mit der Statorbuchse verbunden ist, so dass das Drehlager anschließend einfach eingebaut werden kann.
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Um eine gute Wärmeabschirmung zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn sich der Isolator zumindest über die Breite des Lageraußenringes erstreckt. Dann ist der Lageraußenring vollständig gegen die Wärmeentwicklung auf der Statorseite abgeschirmt.
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Je nach Anwendungs- und Einsatzfall kann der Isolator auch länger als der Lageraußenring sein. In diesem Falle ist es von Vorteil, wenn der Isolator den Lageraußenring an beiden Seiten axial überragt. Eine solche Ausbildung hat darüber hinaus den Vorteil, dass der Einbau des Drehlagers erleichtert wird, weil dann nicht auf eine genaue Position des Drehlagers relativ zum Isolator geachtet werden muss.
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Schließlich ist es bei einer solchen Ausgestaltung auch vorteilhaft, dass in die Statorbuchse mit dem Isolator unterschiedlich breite Drehlager eingesetzt werden können, so dass nicht für jede Breite eines Drehlagers ein entsprechend breiter Isolator an der Statorbuchse vorgesehen werden muss.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Isolator als Hülse ausgebildet ist. Sie erlaubt einen einfachen Einbau des Isolators in die Statorbuchse.
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Die Hülse kann aus einem Stück bestehen. Es besteht auch die Möglichkeit, die Hülse aus wenigstens zwei aneinander gesetzten, vorteilhaft fest miteinander verbundenen teilringförmigen Segmenten zusammenzusetzen. Die Teilungsebene zwischen den Segmenten verläuft dann in Höhenrichtung der Hülse.
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Die Segmente sind vorteilhaft so ausbildet, dass sie in der Einbaulage mit ihren Stirnseiten aneinander liegen und dann den Lageraußenring vollständig umgeben.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform besteht der Isolator aus wenigstens zwei aneinander anliegenden, vorzugsweise fest miteinander verbundenen Ringen. Eine solche Ausbildung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Isolator eine größere Länge hat.
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Der Isolator kann auch ein Einlegeteil sein, das bei einem Gieß/Spritzprozess in die Form des Gieß/Spritzwerkzeuges eingelegt wird. Dies ist vorteilhaft dann anwendbar, wenn der Isolator beispielsweise aus keramischem Material besteht.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Isolator aus einem Material bestehen, das nicht nur thermisch, sondern auch elektrisch isolierende Eigenschaften hat.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Isolator aus keramischem Werkstoff, wie ZrO, AIO und dergleichen. Insbesondere wenn der Isolator aus keramischem Material besteht, lässt sich der Lageraußenring sicher am Isolator befestigen, indem das Drehlager in den Keramikmantel des Isolators eingepresst wird.
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Als Material für den Isolator kann auch ein Material eingesetzt werden, das thermisch isolierend, vorzugsweise auch elektrisch isolierend ist.
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Als Materialien, die thermisch und elektrisch isolierende Eigenschaften haben, kommen beispielsweise keramische Materialien, wie ZrO, AIO und dgl., Kunststoffe, wie etwa PE oder PP, oder auch Werkstoffe in Betracht, die durch einen Sinterprozess erzeugt wurden.
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Der Anmeldungsgegenstand ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch durch alle in den Zeichnungen und der Beschreibung offenbarten Angaben und Merkmale. Sie werden, auch wenn sie nicht Gegenstand der Ansprüche sind, als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen
- 1 im Axialschnitt einen erfindungsgemäßen Elektromotor,
- 2 in vergrößerter Darstellung und im Axialhalbschnitt zwei Drehlager für eine Rotorwelle des erfindungsgemäßen Elektromotors,
- 3 und 4 in Stirnansicht jeweils unterschiedliche Ausführungsformen von Isolatoren des erfindungsgemäßen Elektromotors.
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Im Folgenden wird anhand von 1 beispielhaft ein Elektromotor beschrieben, der als EC-Motor ausgebildet ist und ein Außenläufermotor ist. Der Elektromotor kann aber auch jede andere Ausbildung haben.
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Der Elektromotor hat einen Stator 1, der mit einer Statorbuchse 2 versehen ist. Sie steht von einem radial nach außen sich erstreckenden Statorflansch 3 ab, der den Boden eines Einbauraumes 4 bildet, in dem elektrische/elektronische Bauteile 5 zur Steuerung und zum Antrieb des Elektromotors untergebracht sind. Der Einbauraum 4 wird von einem Mantel 6 umgeben, der quer vom Statorflansch 3 auf der von der Statorbuchse 2 abgewandten Seite absteht. Die Statorbuchse 2, der Statorflansch 3 und der Mantel 6 sind vorteilhaft einstückig miteinander ausgebildet. Der Statorflansch 3 überragt den Mantel 6 radial. Auf die Stirnseite des Mantels 6 wird unter Zwischenlage wenigstens einer Dichtung 7 ein Deckel 8 aufgesetzt. Er ist vorteilhaft lösbar mit dem Mantel 6 verbunden.
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Die Statorbuchse 2 wird von einem Rotor 9 umgeben, der eine Rotorwelle 10 aufweist, die in der Statorbuchse 2 drehbar gelagert ist. Zur Drehlagerung ist in der Statorbuchse 2 wenigstens ein Drehlager untergebracht, Im Ausführungsbeispiel sind in der Statorbuchse 2 mit axialem Abstand voneinander zwei Drehlager 11, 12 untergebracht, die vorteilhaft Wälzlager, insbesondere Kugellager sind. Die beiden Drehlager 11, 12 sind nahe den beiden Enden der Statorbuchse 2 vorgesehen.
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Die Rotorwelle 10 ist mit ihrem über das Drehlager 12 axial vorstehenden Ende in einem Lager 13 befestigt, das an einem Boden 14 des Rotors 9 befestigt ist. Das Lager 13 ist an der dem Drehlager 12 zugewandten Seite des Bodens 14 vorgesehen, der vorteilhaft einstückig mit einem Rotormantel 15 ausgebildet ist. Er ist an seinem vom Boden 14 abgewandten Ende mit einem radial nach außen gerichteten Flansch 16 versehen, der dem radial äußeren Bereich des Statorflansches 3 mit axialem Abstand gegenüberliegt.
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Der den Mantel 6 radial überragende Teil des Statorflansches 3 ist auf seiner dem Flansch 6 zugewandten Seite mit Kühlrippen 17 versehen, die in Abständen über den Umfang des Statorflansches 3 verteilt angeordnet sind. Die Kühlrippen 17 können sich radial oder schräg zur Umfangsrichtung des Statorflansches 3 erstrecken. Die Kühlrippen 17 können auch V-Form, eine Wellenform und dergleichen aufweisen.
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Auch der Flansch 16 des Rotors 9 kann auf seiner den Kühlrippen 17 zugewandten Seite mit Kühlrippen 18 versehen sein. Sie können sich ebenfalls radial oder auch schräg zur Umfangsrichtung des Flansches 16 erstrecken, aber auch V-Form, Wellenform und dergleichen haben. Die Kühlrippen 18 können beispielsweise weniger weit axial über den Flansch 16 vorstehen als die Kühlrippen 17 über den Statorflansch 3.
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Das freie Ende des Rotormantels 15 ist radial nach innen versetzt angeordnet und ragt derart in eine Ringnut 19 des Statorflansches 3, dass eine Labyrinthdichtung 20 gebildet wird.
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Auf der Statorbuchse 2 sitzt ein zylindrisches Statorpaket 21, das aus aufeinander sitzenden und fest miteinander verbundenen ringförmigen Lamellen gebildet ist. Das Statorpaket 21 ist von einer elektrisch isolierenden Ummantelung 22 umgeben.
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An der Innenseite des Rotormantels 15 sind in bekannter Weise Permanentmagnete 23 befestigt, die das Statorpaket 21 unter Bildung eines ringförmigen Luftspaltes 24 umgeben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete 23 in zwei übereinander liegenden, in Umfangsrichtung sich erstreckenden Reihen angeordnet.
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An der Innenseite des Bodens 14 des Rotors 9 befinden sich Flügel 25, die über den Umfang des Bodens 14 verteilt angeordnet sind und bei drehendem Rotor 9 einen Kühlluftstrom erzeugen, mit dem das Statorpaket 21 gekühlt wird.
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Vorteilhaft sind der Rotormantel 15, der Flansch 16 mit den Kühlrippen 18, der Boden 14 und die Flügel 25 einstückig miteinander ausgebildet.
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Das Statorpaket 21 ist mit einer Wicklung 26 versehen, die das Statorpaket 21 auf beiden Seiten axial überragt.
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Die Drehlager 11, 12 sind so ausgebildet, dass die im Betrieb des Elektromotors auftretenden erhöhten Temperaturen die Fettgebrauchsdauer und damit die Lebensdauer des Elektromotors nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigen. Dies wird dadurch erreicht, dass die an den Drehlagern 11, 12 auftretenden Temperaturen so verringert werden, dass die Gebrauchsdauer des Lagerfettes und damit die Lebensdauer des gesamten Elektromotors erhöht werden. Dies wird anhand der 2 bis 4 näher erläutert.
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Wie 2 zeigt, sind die beiden Drehlager 11, 12 zwischen der Statorbuchse 2 und der Rotorwelle 10 angeordnet. Die beiden Drehlager 11, 12 sind gleich ausgebildet, so dass im Folgenden nur das eine Drehlager 11 näher erläutert wird. Das Drehlager 11 hat einen Lageraußenring 27 und einen Lagerinnenring 28, zwischen denen sich Wälzkörper 29 befinden, die im Ausführungsbeispiel Kugeln sind. Der Lageraußenring 27 sitzt fest an der Innenwand der Statorbuchse 2 und der Lagerinnenring 28 fest auf der Rotorwelle 10.
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Im Bereich des Lageraußenringes 27 ist wenigstens ein thermischer Isolator 30 vorgesehen, der dafür sorgt, dass das im Drehlager befindliche Lagerfett nicht unzulässig hoch erwärmt wird.
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Der Isolator 30 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Hülse, die den Lageraußenring 27 über den Umfang umschließt. Vorteilhaft ist der Isolator 30 so vorgesehen, dass er den Lageraußenring 27 an beiden Enden axial überragt. Dadurch wird der Wärmeübergang vom Statorpaket 21 mit seinen Wicklungen 26 auf das Drehlager 11, 12 zuverlässig verhindert oder so weit abgeschirmt, dass sich die Drehlager und damit das in ihnen befindliche Lagerfett nicht unzulässig stark erwärmen.
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Je nach Einbaulage der Drehlager 11, 12 kann der Isolator 30 auch so gestaltet sein, dass er den Lageraußenring 27 nicht axial überragt. Treten im Betrieb des Elektromotors keine hohen Temperaturen auf, kann der Isolator 30 auch axial kürzer sein als der Lageraußenring 27.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Isolator 30 als Hülse ausgebildet ist. Sie umgibt den Lageraußenring 27 vollständig, wodurch ein optimaler Wärmeschutz gewährleistet ist.
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Die Wanddicke des Isolators 30 hängt u.a. von der Wanddicke der Statorbuchse 2 ab. Die Wanddicke kann zwischen wenigen Nanometern bis zu mehreren Millimetern betragen. Ein vorteilhafter Wanddickenbereich liegt zwischen etwa 10 nm bis etwa 80 % der Wanddicke der Statorbuchse 2.
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Ist der Isolator 30 als Hülse ausgebildet, kann sie in vorteilhafter Weise in die Statorbuchse 2 eingeschrumpft werden. Der Lageraußenring 27 seinerseits wird vorteilhaft in den hülsenförmigen Isolator 30 eingepresst.
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Als Materialien für den Isolator kommen alle thermisch isolierenden Werkstoffe in Betracht, insbesondere Keramiken, faserverstärkte Kunststoffe und dergleichen.
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Besteht der Isolator 30 beispielsweise aus keramischem Material, kann er auch beim Gieß/Spritzprozess als Einlegeteil direkt eingebracht werden. In diesem Fall kann der Isolator 30 eine nahezu beliebige Außenform haben, beispielsweise an den Enden angefast oder angeschrägt sein.
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Es ist weiter möglich, das Einlegeteil so auszubilden, dass es beispielsweise im Axialschnitt bauchige Form hat.
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Alternativ wäre auch ein Einlegen des Isolators 30 mit der Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung des Isolators mit der Statorbuchse 2 während des Betriebes möglich.
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Zur Aufnahme des Isolators 30 kann in der Innenwand 31 der Statorbuchse 2 eine ringförmige Vertiefung 32 vorgesehen sein. Sie sichert den Isolator 30 zuverlässig in Axialrichtung.
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Der Lageraußenring 27 liegt unter Druck flächig an der Innenseite des Isolators 30 an. Besteht er bei einer bevorzugten Ausbildung aus keramischem Werkstoff, dann kann durch Einpressen des Drehlagers 11, 12 in den Keramikmantel ein zuverlässiger Sitz des Drehlagers 11, 12 in der Statorbuchse 2 erreicht werden.
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Der Isolator 30 kann auch durch direktes Einbringen entsprechender Werkstoffe im Lagersitzbereich der Statorbuchse 2 vorgesehen werden. Dies kann beispielsweise durch Aufspritzen oder einen Sputterprozess, durch Kleben oder durch Schweißen erfolgen. Als Materialien hierfür kommen alle geeigneten Werkstoffe in Betracht, wie entsprechende Kunststoffe oder auch keramische Werkstoffe, zum Beispiel ZrO, AIO und dergleichen.
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Wenn der Isolator 30 in Form einer Hülse ausgebildet ist (3), hat er vorteilhaft über seinen Umfang und seine axiale Länge konstante Dicke. Die Dicke des Isolators 30 richtet sich danach, wie hoch die Temperaturen sind, die beim Betrieb des Elektromotors im Bereich der Lagersitze zu erwarten sind.
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Der Isolator 30 wirkt als thermischer Isolator und schirmt den Bereich der Drehlager 11, 12 von der statorseitigen Wärmeentwicklung durch die Wicklung 26 bzw. das Statorpaket 21 wirksam ab.
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Wie aus 4 hervorgeht, kann der Isolator 30 auch aus einzelnen Segmenten 33 bis 35 gebildet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Segmente 33 bis 35 vorgesehen, die in der Einbaulage mit ihren Stirnseiten aneinander liegen, aber auch geringen Abstand voneinander haben können. Die Segmente 33 bis 35 bestehen aus entsprechendem thermisch und elektrisch isolierendem Material, wie aus Keramiken, faserverstärktem Kunststoff oder Ähnlichem. Die Segmente können in gleicher Weise eingebaut werden, wie anhand des hülsenförmigen Isolators 30 gemäß 3 beschrieben worden ist.
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Die Segmente 33 bis 35 sind beispielhaft 120°-Segmente. Je nach Außendurchmesser des Lageraußenringes 27 können auch mehr Segmente oder auch nur zwei Segmente vorgesehen sein, aus denen der Isolator 30 gebildet wird.
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Die Drehlager 11, 12 können mit oder ohne einen Zwischenstoff in den Isolator 30 eingepresst werden. Zwischenstoffe können z.B. Tefloneinsätze/- folien sein, welche die Reibung zwischen dem hülsenförmigen Isolator 30 und der Statorbuchse 2 verringern.
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Der Isolator 30 nimmt nur wenig Raum in Anspruch. So kann die Dicke 36 (3) des Isolators 30 nur etwa 1 mm betragen. Durch Variation der Dicke 36 ist es möglich, die Drehlager 11, 12 und das darin befindliche Lagerfett optimal vor unzulässig starker Erwärmung zu schützen. Dies führt zu einer gesteigerten Lagerfett-Gebrauchsdauer, was sich auf die Laufdauer der Drehlager 11, 12 sowie des gesamten Elektromotors vorteilhaft auswirkt.
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Der Isolator 30 kann vorteilhaft aus einem Material bestehen, das nicht nur thermisch isolierende, sondern auch elektrisch isolierende Eigenschaften hat, wie keramische Materialien, z. B. ZrO, AIO und dgl., oder entsprechende Kunststoffe, wie z.B. PE, PP, oder Werkstoffe, die durch einen Sinterprozess erzeugt wurden. Da der Isolator 30 auf der Statorseite vorgesehen ist, kann bei solchen Materialien auf eine sonst übliche Kunststoffumspritzung der Rotorwelle zur Erzielung einer elektrischen Isolation verzichtet werden.
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Wenn der Isolator 30 aus keramischem Material besteht, werden mechanisch induzierte Schäden am rotorwellenseitigen Lagersitz vermieden, da keramische Werkstoffe sehr widerstandsfähig gegen Druck sind.
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Aufgrund der beschriebenen thermischen Abschirmung der Drehlager 11, 12 kann der Einsatzbereich des Elektromotors im Hinblick auf die thermischen Einsatzbedingungen (Umgebungstemperaturen) erweitert werden. Das Material und/oder die Dicke des Isolators 30 werden in Abhängigkeit von den thermischen Einsatzbedingungen so gewählt, dass das Lagerfett in den Drehlagern 11, 12 nicht unzulässig stark erwärmt wird. Wird der Elektromotor mit den Drehlagern 11, 12 bei höheren Umgebungstemperaturen eingesetzt, dann kann durch entsprechende Dicke 36 des Isolators 30 eine zuverlässige thermische Abschirmung der Drehlager 11, 12 sichergestellt werden.
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Mit dem Isolator 30 wird nicht nur der thermische Zustand der Drehlager 11, 12 verbessert, sondern auch die mechanische Festigkeit des Lagersitzes.
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Der Isolator 30 kann mit minimalen Modifikationen auch bei bereits bestehenden Elektromotoren modular eingesetzt werden, um auch bei ihnen den thermischen Zustand sowie die mechanische Festigkeit des Lagersitzes zu verbessern.
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Der Isolator 30 ist ein konstruktiv und geometrisch sehr einfaches Bauteil, das einfach hergestellt und eingebaut werden kann. Es kann, wie anhand der Ausführungsbeispiele erläutert, aus einer einstückigen Hülse oder aus zumindest zwei Teilringsegmenten bestehen. Es ist weiter möglich, den Isolator 30 aus wenigstens zwei Ringen zu bilden, die axial aneinandergesetzt und vorteilhaft fest miteinander verbunden werden.
