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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere zum Antrieb eines Gebläses, mit einem Stator, mit einem Rotor, mit einer Welle, und mit Lagern, wobei der Rotor auf der Welle angeordnet ist.
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Elektromotoren zum Antrieb von Gebläsen sind in vielfältigen Ausführungen bekannt und bestehen aus einem Gehäuse, einem Stator und einem Rotor. Dabei ist der Rotor auf einer Welle befestigt, die an verschiedenen Stellen durch im Gehäuse vorhandene Lager gelagert ist. Vor dem Einbau der Welle in das Gehäuse muss mindestens ein Lager in das Gehäuse eingebracht worden sein, damit die Welle an einer ersten Lagerstelle aufgenommen werden kann. Nach dem Einführen der Welle in das Gehäuse wird meist das zweite Lager, welche sich in einem so genannten Lagerschild befindet, auf die Welle aufgeschoben und über das Lagerschild mit dem Gehäuse verbunden. Durch diese Bauweise können Elektromotoren erst im zusammengebauten Zustand gewuchtet werden. Zur Beseitigung vorhandener Unwuchten, beispielsweise durch Bohrungen im Rotor, muss der Elektromotor wieder zerlegt werden.
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Die oben genannte Bauweise führt auch zu einer erschwerten Montage des Elektromotors, da die Lager nur über das Gehäuse und die Welle mechanisch miteinander verbunden sind und eine mögliche Abweichung von einer gemeinsamen Mittelachse aufwendig, beispielsweise durch präzise Fertigung des Gehäuses und des Lagerschilds sowie Einbaumarkierungen am Lagerschild, verhindert werden muss.
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Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der mindestens eines der voranstehend aufgezeigten Probleme überwindet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Elektromotor mit dem in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Elektromotors sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der Elektromotor ist dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor eine Luftspalt-Lagerhülse aufweist, dass der Rotor, die Welle und die mindestens zwei Lager mit der Luftspalt-Lagerhülse eine Rotor-Baugruppe bilden, dass die Luftspalt-Lagerhülse zumindest abschnittsweise durch den Bereich zwischen Rotor und Stator reicht, und dass die Luftspalt-Lagerhülse über die Verbindung zwischen Luftspalt-Lagerhülse und Stator die Rotor-Baugruppe mit dem Stator verbindet. Besonders bevorzugt kann die Luftspalt-Lagerhülse vollständig in dem Bereich zwischen Rotor und Stator angeordnet sein. Der Bereich zwischen Rotor und Stator wird dabei oft als aktiver Bereich bezeichnet.
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Der Elektromotor bietet durch die Rotor-Baugruppe, bestehend aus dem Rotor, der Welle, den mindestens zwei Lagern sowie der Luftspalt-Lagerhülse die Möglichkeit, vor dem Einbau der Rotor-Baugruppe in den Stator die Rotor-Baugruppe zusammenzubauen und zu wuchten. Unwucht, beispielsweise infolge von Fertigungstoleranzen, können so bereits vor dem Einbau in das Gehäuse durch entsprechende Gegenmaßnahmen behoben werden und deren Auswirkungen, beispielweise hohe Vibrationen, hohe Geräuschemissionen sowie erhöhter Verschleiß minimiert oder verhindert werden. Ein aufwendiges Wuchten bereits zusammengebauter Elektromotoren entfällt somit.
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Zusätzlich vereinfacht die Rotor-Baugruppe den Zusammenbau des Elektromotors. Durch die Anordnung der Lager innerhalb der Luftspalt-Lagerhülse sind die Lager mechanisch miteinander verbunden und folglich auf einer gemeinsamen Mittelachse angeordnet und die die Lager enthaltene Rotor-Baugruppe kann als zusammenhängende Einheit in den Stator eingesetzt werden. Eine getrennte Montage der beiden Einzellager entfällt. Durch die Lagerung beider Lager in der Luftspalt-Lagerhülse werden in einem Elektromotor keine zusätzlichen Gehäuseteile zur Aufnahme der Lager benötigt und eine genaue Ausrichtung lagerhaltender Bauteile, beispielsweise Lagerschilde, während der Montage entfällt. Auch auf eine Kennzeichnung vor einer Demontage zu Wartungszwecken kann verzichtet werden.
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Die Luftspalt-Lagerhülse des Elektromotors ist zumindest abschnittsweise im Bereich zwischen Rotor und Stator, dem so genannten aktiven Bereich, angeordnet und stellt die mechanische Verbindung zwischen den beiden Lagern her. Eine solche Anordnung verringert den Bauraum des Elektromotors. Insbesondere ermöglicht die Verkleinerung des Motors den Einsatz dieses Motors in kompakteren Gebläsen, beispielsweise in mobilen Reinigungsgeräten wie etwa Saugrobotern oder in leichten Handstaubsaugern.
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Die Verbindung zwischen Luftspalt-Lagerhülse und Stator in dem Elektromotor ermöglicht den Verzicht auf zusätzliche Bauteile zur Lagerung der Welle und Lager. Die Anzahl der Motorbauteile kann somit weiter reduziert werden und eine kostengünstigere und vereinfachte Fertigung kann ermöglicht werden. Der Verzicht auf zusätzliche Gehäusebauteile zur Lagerung der mindestens zwei Lager ermöglicht den Bau von leichteren Motoren und kann bei mobilen Reinigungsgeräten zur Reduzierung des Energieverbrauches des Fahrantriebs führen sowie durch geringeres Gewicht den Komfort für den Benutzer von Handstaubsaugern erhöhen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Elektromotors sind die äußeren Mantelflächen der Lager unmittelbar über die innere Mantelfläche der Luftspalt-Lagerhülse mit der Luftspalt-Lagerhülse verbunden. Die Verwendung von Lagerträgern ist somit nicht erforderlich und der Fertigungsprozess wird durch den Wegfall eines Montageschritts vereinfacht. Zeitgleich reduziert sich die Bauteilanzahl des Elektromotors und eine zusätzliche Materialeinsparung wird erreicht.
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Für eine weitere Materialeinsparung sind in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Elektromotors die Lager über ihre äußeren Mantelflächen unmittelbar und vorzugsweise stoffschlüssig über die innere Mantelfläche der Luftspalt-Lagerhülse mit der Luftspalt-Lagerhülse verbunden. So können auch Werkstoffkombinationen Luftspalt-Lagerhülse - Lager verwendet werden, bei denen ein Einpressen der Lager in die Luftspalt-Lagerhülse oder ein Aufschrumpfen der Luftspalt-Lagerhülse auf die Lager nicht möglich ist.
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In bevorzugter Weise verfügt die Luftspalt-Lagerhülse über radial nach außen weisende Verstärkungsrippen. Die Verstärkungsrippen versteifen die Luftspalt-Lagerhülse zusätzlich und ermöglichen es, die Luftspalt-Lagerhülse mit geringerem Materialeinsatz zu fertigen und/oder die Luftspalt-Lagerhülse bei gleichbleibender Wandstärke der Wandungen der Luftspalt-Lagerhülse zu verlängern, um beispielsweise einen größeren axialen Abstand der Lager zu erzielen. Dies ermöglicht den Bau von einer Vielzahl an Motorvarianten.
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In bevorzugter Weise können bei dem Elektromotor die radial nach außen weisenden Verstärkungsrippen der Luftspalt-Lagerhülse zur Positionierung der Rotor-Baugruppe in die Zwischenräume der Statorzähne eingreifen und dabei eine zuverlässige Positionierung der Rotor-Baugruppe im Stator ermöglichen. Beispielsweise kann die Rotor-Baugruppe während der Montage in den Stator eingeführt werden, wobei der Eingriff der radial nach außen weisenden Verstärkungsrippen ein ungewolltes oder selbstständiges Verrutschen der Rotor-Baugruppe im Stator verhindert. Im Anschluss kann beispielsweise zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung Kleber appliziert und ausgetrocknet werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Elektromotors kann der Querschnitt der radial nach außen weisenden Verstärkungsrippen ein geeignetes, beispielsweise ein eckiges, ein trapezförmiges oder halbkreisförmiges Profil besitzen. Dabei kann der Querschnitt der radial nach außen weisenden Verstärkungsrippen auf die Zwischenräume zwischen den einzelnen Statorzähnen abgestimmt sein, um die Rotor-Baugruppe exakt und sicher im Stator zu positionieren. Etwaige Ecken des Profils können vorzugsweise abgerundet sein.
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In bevorzugter Weise wird die Verbindung der Rotor-Baugruppe mit dem Gehäuse des Elektromotors mittelbar über die Verbindung zwischen der Luftspalt-Lagerhülse und den Statorzähnen hergestellt. Präferiert ist dabei eine stoff- oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der Luftspalt-Lagerhülse und den Statorzähne, um zusätzliche Verbindungsmittel einzusparen und die Fertigung des Elektromotors zu vereinfachen.
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Ebenfalls bevorzugt weist die Luftspalt-Lagerhülse des Elektromotors einen konstanten Querschnitt auf. Durch diesen kann die Rotor-Baugruppe in axialer Richtung von beiden Seiten in den Stator eingeführt werden und eine Kennzeichnung der Einbaurichtung oder ein vorheriges Ausrichten der Rotor-Baugruppe ist nicht erforderlich. Zusätzlich können die Fertigung sowie die Nachbearbeitung, beispielsweise ein Ausdrehen oder Honen der Luftspalt-Lagerhülse auf üblichen Werkzeugmaschinen durchgeführt worden sein.
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Vorzugsweise sind die die Mantelflächen der Luftspalt-Lagerhülse bildenden Wandungen möglichst dünn ausgestaltet und ermöglichen einen Einsatz einer Luftspalt-Lagerhülse auch in Elektromotoren mit Rotor-Stator-Kombinationen mit kleinem oder sehr kleinem Luftspalt. Durch möglichst dünne Wandungen kann zusätzliches Material eingespart werden. Konstruktive Änderungen, beispielsweise das Vergrößern der dem Rotor zugewandten Statorinnenfläche und die damit einhergehende Verschlechterung des Wirkungsgrades, können entfallen.
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In bevorzugter Weise können die Lager des Elektromotors Wälz- und/oder Gleitlager sein. Somit können die Lager beziehungsweise die Lagerkombination den Anforderungen entsprechend, beispielsweise hinsichtlich Drehzahl, Lagerabstand und Langlebigkeit, ausgewählt werden. Beispielhaft können Wälzlager im Bereich der Hochdrehzahlelektromotoren verwendet werden.
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Luftspalt-Lagerhülsen mit einer langen Axialerstreckung können zur leichteren Fertigung und Bearbeitung der Luftspalt-Lagerhülse mehrteilig ausgeführt sein. Vorteilhaft können bei einer mehrteiligen Ausgestaltung an den jeweiligen Enden der Luftspalt-Lagerhülsen Lagersitze zur Aufnahme der Lager ausgebildet sein. Dabei können die Lager in einem dem Zusammenbau der Rotor-Baugruppe vorgelagerten Montageschritt in die Lagersitze eingebracht, vorzugsweise eingeklebt oder eingepresst werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Elektromotors kann auf die Wandungen zwischen den radial nach außen weisenden Verstärkungsrippen verzichtet werden. In diesem Falle sind die Verstärkungsrippen als Stege ausgebildet. Zusätzlich zur weiteren Materialeinsparung kann diese Ausgestaltung der Luftspalt-Lagerhülse in Motoren mit Schleifkontakten, beispielsweise Kohlebürsten oder Kommutatoren, eingesetzt werden.
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Ebenfalls bevorzugt weisen die Stege zentrale Ausnehmungen, beispielsweise Durchgangs- oder Gewindebohrungen zur Aufnahme von Befestigungsmitteln auf. Die Befestigungsmittel verbinden die mindestens zwei Teile der mehrteiligen Luftspalt-Lagerhülse. Beispielhaft können so bei dem Zusammenbau der Rotor-Baugruppe zunächst die Lager in den jeweiligen Lagersitz der Luftspalt-Lagerhülse eingebracht werden und anschließend wird jeweils eine Hälfte der mehrteiligen Luftspalt-Lagerhülse von einer axialen Richtung auf die Welle aufgeschoben. Im zusammengebauten Zustand sichern die Befestigungsmittel, beispielsweise Gewindeschrauben, die beiden Hälften der mehrteiligen Luftspalt-Lagerhülsen.
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Vorzugsweise ist die Luftspalt-Lagerhülse des erfindungsgemäßen Elektromotors aus Keramik oder Kunststoff hergestellt. Zum einen können so Materialkosten eingespart werden und zum anderen kann eine hohe Isolationswirkung zwischen den einzelnen Statorzähnen erreicht werden.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher Erläutert. In der Zeichnung zeigen
- 1 einen Elektromotor mit einem Stator und einer Rotor-Baugruppe in einer schematischen Vertikalschnittansicht;
- 2 eine vertikal geschnittene Rotor-Baugruppe in einer perspektivischen Ansicht, wobei der Rotor und die Lager auf einer Welle angeordnet und in der Luftspalt-Lagerhülse gelagert sind;
- 3 einen Elektronmotor mit einem Stator und einer Rotor-Baugruppe in einer schematischen Horizontalschnittansicht;
- 4a eine Luftspalt-Lagerhülse mit Wandungen und radial nach außen weisenden Verstärkungsrippen in einer perspektivischen Ansicht;
- 4b eine Luftspalt-Lagerhülse mit Wandungen und radial nach außen weisenden Verstärkungsrippen in einer Draufsicht;
- 5 eine weitere Ausgestaltung der Luftspalt-Lagerhülse als mehrteilige Luftspalt-Lagerhülse ohne Wandungen und mit zentralen Bohrungen in den radial nach außen weisenden Stegen zur Aufnahme von Verbindungselementen.
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Der in 1 dargestellte erfindungsgemäße Elektromotor 1, insbesondere zum Antrieb eines Gebläses, besteht aus einem Stator 2, einem Rotor 4, einer Welle 6, mindestens zwei Lagern 8a, 8b sowie einer Luftspalt-Lagerhülse 10, wobei der Rotor 4 auf der Welle 6 befestigt ist und wobei der Rotor 4, die Welle 6, und die mindestens zwei Lager 8a, 8b mit der Luftspalt-Lagerhülse 10 eine Rotor-Baugruppe 3 bilden (vgl. 2). Die Rotor-Baugruppe 3 ist dabei innerhalb des Stators 2 angeordnet.
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Die Rotor-Baugruppe 3 ist so in dem Stator 2 positioniert, dass die Luftspalt-Lagerhülse 10 zumindest abschnittsweise in dem Bereich zwischen Stator 2 und Rotor 4 angeordnet ist. Dieser Bereich wird oft als aktiver Bereich bezeichnet. Dabei sind Stator 2 und Rotor 4 so zueinander ausgerichtet, dass die vertikalen Mitten des Stators 2 und des Rotors 4 in einer horizontalen, zur Zeichnungsebene senkrechten Ebene liegen und Stator 2 und Rotor 4 optimal im aktiven Bereich überlappen. Dabei sind die Lager 8a, 8b außerhalb des aktiven Bereiches angeordnet. Die Bauweise der Luftspalt-Lagerhülse 10 ermöglicht es somit, den prinzipbedingten Luftspalt 5 zwischen Stator 2 und Rotor 4 auszunutzen und die nötige Lagerung sowie mechanische Verbindung der beiden Lager 8a, 8b zu gewährleisten. Dementsprechend wird zur Lösung dieser Aufgaben kein zusätzlicher Bauraum benötigt und der Elektromotor 1 kann kompakter und kostengünstiger gefertigt werden.
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In der in 1 und 3 dargestellten Anordnung sind die Rotor-Baugruppe 3 und der Stator 2 durch die Luftspalt-Lagerhülse 10 über die Verbindung zwischen Luftspalt-Lagerhülse 10 und Stator 2 verbunden. Auf weitere Verbindungsstellen oder zusätzliche Verbindungsmittel, beispielsweise Lagerschilde, kann in dieser Ausführungsform verzichtet werden. Für den Zusammenbau des Elektromotors 1 wird die separat montiert und gewuchtete Rotor-Baugruppe 3 axial in Richtung der Mittelachse des Stators 2 eingeschoben.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Rotor-Baugruppe 3 im montierten Zustand. Vorzugsweise sind dabei die Lager 8a, 8b und die Luftspalt-Lagerhülse 10 der Rotor-Baugruppe 3 so dimensioniert, dass die äußeren Mantelflächen 9 der Lager 8a, 8b unmittelbar über die innere Mantelfläche 15 der Luftspalt-Lagerhülse 10 mit der Luftspalt-Lagerhülse 10 verbunden sind. Der Einsatz etwaiger Lagerträger ist somit nicht erforderlich. Die Lager 8a, 8b können, in Abhängigkeit des Materials der Luftspalt-Lagerhülse 10, kraft- oder stoffschlüssig mit der Luftspalt-Lagerhülse 10 verbunden sein.
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Zur Verbesserung der mechanischen Belastbarkeit der Luftspalt-Lagerhülse 10 bei dünnen Wandungen der Luftspalt-Lagerhülse 10 kann die Luftspalt-Lagerhülse 10 über radial nach außen weisende Verstärkungsrippen 16 verfügen (2, 3, 4a und 4b). Die radial nach außen weisende Verstärkungsrippen 16 erstrecken sich über die gesamte Länge der Luftspalt-Lagerhülse 10 (2, 4a und 4b). Die Anzahl und Beabstandung der Verstärkungsrippen 16 ist dabei der Anzahl der Statorzwischenräumen 14 angepasst.
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Während der Montage des Elektromotors 1 können zur Positionierung der Luftspalt-Lagerhülse 10 im Stator 2 und somit zur Positionierung der Rotor-Baugruppe 3 die radial nach außen weisenden Verstärkungsrippen 16 in die Zwischenräume 14 der Statorzähne 12 eingreifen und ein unsachgemäßes Einführen der Rotor-Baugruppe 3 in den Stator 2 verhindern. Zusätzlich wird die durch das Eingreifen der radial nach außen weisenden Verstärkungsrippen 16 in die Zwischenräume 14 der Statorzähne 12 die Rotor-Baugruppe 3 ausgerichtet.
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Für die Verbindung zwischen Luftspalt-Lagerhülse 10 und Stator 2 kann der Querschnitt der radial nach außen weisenden Verstärkungsrippen 16 ein für eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung geeignetes Profil 18, insbesondere ein eckiges, ein trapezförmiges oder halbkreisförmiges Profil mit oder ohne abgerundete Ecken aufweisen. Entsprechend der Ausgestaltung des Profils 18 sowie der Werkstoffwahl der Luftspalt-Lagerhülse 10 kann die abgeschlossene Rotor-Baugruppe 3 durch eine stoff- oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der Luftspalt-Lagerhülse 10 und den Statorzähnen 12 mit dem Stator 2 verbunden werden.
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Für einen einfachen Zusammenbau des Elektromotors 1 ist es besonders vorteilhaft, dass die Luftspalt-Lagerhülse 10 einen konstanten Querschnitt aufweist. So kann beim Zusammenbau die Rotor-Baugruppe 3 von einer beliebigen axialen Richtung her die in den Stator 2 eingeführt werden.
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Durch die Verwendung von radial nach außen weisenden Verstärkungsrippen 16 können die die Mantelflächen 17 der Luftspalt-Lagerhülse 10 bildenden Wandungen 13 möglichst dünn ausgestaltet sein und die Luftspalt-Lagerhülse 10 auch in Elektromotoren 1 mit kleinem Luftspalt 5 verwendet werden.
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Je nach Anforderungen an die Lager 8a, 8b können Wälz- und/oder Gleitlagern in der Rotor-Baugruppe 3 verwendet werden. Beispielhaft können die in der Zeichnung dargestellten Kugellager 8a, 8b im Bereich der Hochdrehzahlelektromotoren verwendet werden, wie sie üblicherweise in Gebläsen zur Erzeugung der Saugluftströmung in Staubsaugern zum Einsatz kommen. Alternativ können für geräuschärmere oder starken Erschütterungen ausgesetzten Elektromotoren auch Gleitlager vorgesehen werden.
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Die in 5 dargestellte Ausführungsform einer Luftspalt-Lagerhülse 10 zeigt eine mehrteilige Ausgestaltung der Luftspalt-Lagerhülse 10 bei der die nach außen weisenden Verstärkungsrippen 16 als Stege 20 ausgebildet sind und auf die Wandungen 13 verzichtet wurde. Durch den Verzicht auf die Wandungen 13 der Luftspalt-Lagerhülse 10 kann diese auch in Elektromotoren 1 mit Schleifkontakten eingesetzt werden.
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Im Falle einer mehrteiligen Luftspalt-Lagerhülse 10, sowohl mit als auch ohne Wandungen 13 kann an dem jeweiligen Ende einer Hälfte einer Luftspalt-Lagerhülse 10 ein Lagersitz 22 ausgebildet sein. Vorzugsweise können die Lager 8a, 8b der Rotor-Baugruppe 3 in diese Lagersitze 22 eingebracht, vorzugsweise eingepresst sein.
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Zur Verbindung der einzelnen Teile einer mehrteiligen Luftspalt-Lagerhülse 10 weisen die Stege 20 zentrale Ausnehmungen 24, insbesondere Bohrungen, für die Aufnahme von (nicht gezeigten) Befestigungsmitteln auf.
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Alle Ausgestaltungen der Luftspalt-Lagerhülsen 10 für einen Elektromotor 1 können aus nicht- oder schlechtleitendem Material, vorzugsweise Keramiken oder Kunststoffen hergestellt sein.
