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TECHNISCHES GEBIET
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Die Offenbarung betrifft elektrische Maschinen und insbesondere elektrische Maschinen, die eine kompressible Schicht zwischen einem Statorkern und einem Gehäuse beinhalten, um einen Presssitz zwischen dem Gehäuse und dem Statorkern zu ermöglichen.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Fahrzeuge, wie etwa Batterieelektrofahrzeuge und Hybridelektrofahrzeuge enthalten eine Traktionsbatteriebaugruppe, um als eine Energiequelle für das Fahrzeug zu dienen. Die Traktionsbatterie kann Komponenten und Systeme beinhalten, um bei der Verwaltung der Fahrzeugleistung und -vorgänge behilflich zu sein. Die Traktionsbatterie kann auch Hochspannungskomponenten und ein Luft- oder Fluidwärmeverwaltungssystem beinhalten, um die Temperatur der Batterie zu steuern. Die Traktionsbatterie ist mit einer elektrischen Maschine, die Drehmoment an angetriebene Räder bereitstellt, elektrisch verbunden. Elektrische Maschinen beinhalten typischerweise einen Stator und einen Rotor, die zusammenwirken, um elektrische Energie in mechanische Bewegung oder umgekehrt umzuwandeln.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einigen Ausführungsformen beinhaltet eine elektrische Maschine einen Statorkern, ein zylindrisches Gehäuse, das den Kern umschließt, und eine ringförmige kompressible Schicht. Die ringförmige kompressible Schicht ist auf dem Kern aufgenommen und weist eine Außenfläche auf, die gegen das Gehäuse angeordnet ist. Ein Durchmesser der Außenfläche ist größer als ein Durchmesser einer Innenfläche des Kerns, um einen Presssitz zwischen dem Gehäuse und der kompressiblen Schicht zu bilden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet eine elektrische Maschine einen Statorkern und ein zylindrisches Gehäuse, das den Kern umschließt. Das Gehäuse definiert eine innere Umfangsfläche. Zwischen dem Kern und dem Gehäuse ist eine ringförmige Hülse angeordnet. Die Hülse ist auf dem Kern aufgenommen und weist eine äußere Umfangsfläche auf, die gegen die Innenfläche angeordnet ist. Ein Durchmesser der Außenfläche ist größer als ein Durchmesser der Innenfläche, um einen Presssitz zwischen Gehäuse und Hülse zu bilden.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform beinhaltet eine elektrische Maschine einen Statorkern, ein zylindrisches Gehäuse, das den Kern umschließt, und eine ringförmige Hülse, die zwischen dem Kern und dem Gehäuse angeordnet ist. Die Hülse beinhaltet bogenförmige Segmente, die in Umfangsrichtung um den Statorkern herum in einer beabstandeten Beziehung angeordnet sind. Ein Außendurchmesser der Hülse ist größer als ein Innendurchmesser des Gehäuses, um einen Presssitz zwischen dem Gehäuse und der Hülse zu bilden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine.
- 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Stators der elektrischen Maschine.
- 3 ist eine perspektivische Ansicht einer ringförmigen kompressiblen Schicht der elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform.
- 4 ist eine Endansicht einer elektrischen Maschine mit einem Gehäusepresssitz an einem Stator. Wicklungen des Stators sind zum Zwecke der Veranschaulichung weggelassen.
- 5 ist eine auseinandergezogene Ansicht der elektrischen Maschine aus 4.
- 6 ist eine Endansicht einer elektrischen Maschine mit einer ringförmigen kompressiblen Schicht gemäß einer anderen Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Demnach sind hierin offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen veranschaulichter Merkmale stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
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Unter Bezugnahme auf 1 kann eine elektrische Maschine 20 in einem Fahrzeug, wie etwa einem vollständig elektrischen Fahrzeug oder einem hybridelektrischen Fahrzeug, verwendet werden. Die elektrische Maschine 20 kann als ein elektrischer Motor, ein Traktionsmotor, ein Generator oder dergleichen bezeichnet werden. Die elektrische Maschine 20 kann eine dauermagnetische Maschine, eine Induktionsmaschine oder dergleichen sein. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die elektrische Maschine 20 eine Dreiphasen-Wechselstrom(altemating current - AC)-Maschine. Die elektrische Maschine 20 ist in der Lage, sowohl als Motor zum Antreiben des Fahrzeugs als auch als Generator, wie beispielsweise beim regenerativen Bremsen, zu fungieren.
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Die elektrische Maschine 20 kann von einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs angetrieben werden. Die Traktionsbatterie kann eine Hochspannungsgleichstrom(direct current - DC)-Leistung von einem oder mehreren Batteriezellenarrays, mitunter als Batteriezellenstapel bezeichnet, innerhalb der Traktionsbatterie bereitstellen. Die Batteriezellenarrays können eine oder mehrere Batteriezellen beinhalten, die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Die Zellen können ein Gehäuse, eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) umfassen. Ein Elektrolyt ermöglicht es, dass sich Ionen während der Entladung zwischen der Anode und Kathode bewegen und dann während der Wiederaufladung zurückkehren. Anschlüsse können zulassen, dass Strom zur Verwendung durch das Fahrzeug aus den Zellen strömt.
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Die Traktionsbatterie kann mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen elektrisch verbunden sein. Die Leistungselektronikmodule können elektrisch mit den elektrischen Maschinen 20 verbunden sein und können die Möglichkeit bereitstellen, elektrische Energie bidirektional zwischen der Traktionsbatterie und der elektrischen Maschine 20 zu übertragen. Beispielsweise kann eine typische Traktionsbatterie eine Gleichspannung bereitstellen, während die elektrische Maschine 20 eine Dreiphase-(Wechsel-)Spannung erfordern kann. Das Leistungselektronikmodul kann einen Wechselrichter beinhalten, der die Gleichspannung in eine Dreiphasen-Wechselspannung umwandelt, wie durch die elektrischen Maschine 20 erfordert. In einem regenerativen Modus kann das Leistungselektronikmodul die Dreiphasen-Wechselspannung der als Generator fungierenden elektrischen Maschine 20 in die von der Traktionsbatterie benötigte Gleichspannung umwandeln. Während die elektrische Maschine 20 als Traktionsmotor für ein Fahrzeug beschrieben wird, ist diese Offenbarung nicht auf eine bestimmte Anwendung beschränkt. Die elektrische Maschine 20 kann zum Beispiel auch in Industrieanlagen, zur Stromerzeugung und dergleichen eingesetzt werden.
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Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beinhaltet die elektrische Maschine 20 ein Gehäuse 21, das den Stator 22 und den Rotor 24 einschließt. Der Stator 22 ist am Gehäuse 21 befestigt und beinhaltet einen zylindrischen Kern 26 mit einer inneren Umfangsfläche 28, die ein Loch 30 definiert, und einer äußeren Umfangsfläche 29. Der Kern 26 kann aus einer Vielzahl von gestapelten Lamellen 32 gebildet sein. Der Rotor 24 ist zur Drehung innerhalb des Lochs 30 abgestützt. Der Rotor 24 kann Wicklungen oder Dauermagneten beinhalten, die mit Wicklungen des Stators 22 interagieren, um Drehung des Rotors 24 zu erzeugen, wenn die elektrische Maschine 20 mit Energie versorgt wird. Der Rotor 24 kann an einer Antriebswelle 34, die durch das Gehäuse 21 verläuft, abgestützt sein. Die Antriebswelle 34 ist dazu konfiguriert, sich mit einem Antriebsstrang des Fahrzeugs zu koppeln.
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Der Kern 26 definiert eine Vielzahl von Zähnen 35, die sich radial nach innen erstrecken. Benachbarte Zähne 35 kooperieren, um Schlitze 36 zu definieren, die in Umfangsrichtung um den Kern 26 herum angeordnet sind. Die Schlitze 36 können gleichmäßig um den Umfang beabstandet sein und axial von einem ersten Ende 38 des Kerns 26 zu einem zweiten Ende 39 verlaufen. Eine Vielzahl von Spulenwicklungen 40 ist um den Statorkern 26 gewickelt und in den Schlitzen 36 angeordnet. Abschnitte der Drähte verlaufen im Allgemeinen in axialer Richtung durch die Schlitze 36. An den Enden des Statorkerns 38, 39 biegen sich die Wicklungen 40 so, dass sie sich in Umfangsrichtung um die Oberseite oder Unterseite des Statorkerns 26 erstrecken und die Endwicklungen 42 bilden.
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Das Gehäuse 21 kann am Statorkern 26 durch einen Presssitz (Presspassung) befestigt werden. Der Presssitz kann durch Befestigungselemente oder andere Verbindungsmittel ergänzt werden. Ein Presssitz kann durch Einsetzen einer inneren Komponente in eine äußere Komponente, die einen Innendurchmesser aufweist, der kleiner ist als ein Außendurchmesser der inneren Komponente, gebildet werden. Die Dichtigkeit eines Presssitzes basiert auf dem Ausmaß der Interferenz (Größenunterschied zwischen dem Innen- und dem Außendurchmesser). Die elektrische Maschine 20 kann das Gehäuse 21 über einen Presssitz mit dem Stator 22 verbinden. Das Verbinden des Gehäuses direkt mit dem Kern über einen Presssitz ist jedoch problematisch, wenn das Gehäuse und der Statorkern aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) bestehen.
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Der Statorkern 26 ist typischerweise aus Stahl gebildet, während das Gehäuse 21 typischerweise aus einem leichteren Material wie Aluminium gebildet ist. Der WAK von Aluminium ist etwa doppelt so hoch wie der von Stahl. Diese WAK-Differenz bewirkt, dass sich das Ausmaß der Interferenz zwischen dem Stahlkern und dem Aluminiumgehäuse temperaturabhängig ändert. Bei hohen Temperaturen wird die Interferenz durch die Ausdehnung des Gehäuses relativ zum Kern reduziert und bei niedrigen Temperaturen wird die Interferenz durch die Kontraktion des Aluminiumgehäuses relativ zum Stahlkern erhöht.
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Prüfung und Simulation durch den Antragsteller haben ergeben, dass im oberen Temperaturbereich eines Traktionsmotors ein Interferenzverlust auftreten kann, der zur Freigabe des Statorkerns aus dem Gehäuse führt, und dass im unteren Temperaturbereich des Traktionsmotors übermäßige Interferenz auftreten kann, die zu Stator- oder Gehäusebeschädigung führt. So kann das Aluminiumgehäuse beispielsweise durch übermäßige Interferenz bei niedrigeren Temperaturen reißen.
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Diese Offenbarung schlägt vor, eine kompressible Schicht 48 zwischen dem Statorkern 26 und dem Gehäuse 21 hinzuzufügen, sodass ein ordnungsgemäßer Presssitz über den Betriebstemperaturbereich der elektrischen Maschine 20 hinweg aufrechterhalten wird. Die kompressible Schicht 48 ermöglicht einen anfänglich engeren Presssitz bei Raumtemperatur, sodass eine ordnungsgemäße Interferenz bei den höheren Temperaturen des Betriebsbereichs aufrechterhalten wird, und ist kompressibel, um Beschädigungen des Gehäuses 21 oder des Statorkerns 26 bei niedrigeren Temperaturen des Betriebsbereichs zu vermeiden. Die kompressible Schicht 48 kann aus einem Material mit einem niedrigeren Elastizitätsmodul als das Gehäuse und/oder der Statorkern gebildet sein. Die kompressible Schicht kann aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul zwischen 0,1 und 6,5 Gigapascal (GPA) gebildet sein. Zu beispielhaften Materialien gehören Magnesium oder Polymere. Die für die kompressible Schicht 48 gewählten Materialien können von den Materialien des Statorkerns 26 und des Gehäuses 21 abhängig sein. Eine geeignete Kombination ist die Verwendung einer kompressiblen Magnesium- oder Polymerschicht mit einem Stahlkern und einem Al umini umgehäuse.
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Die kompressible Schicht 48 kann ringförmig sein, um den Statorkern 26 zu umschließen. Die kompressible Schicht 48 kann aus einer einzelnen Komponente gebildet werden oder mehrere Stücke beinhalten, die in Umfangsrichtung um die Außenfläche 29 des Statorkerns angeordnet sind. Die kompressible Schicht 48 beinhaltet eine innere Umfangsfläche 49 mit einem Innendurchmesser 50, die auf dem Außendurchmesser 29 des Statorkerns angeordnet ist, und eine äußere Umfangsfläche 52, die mit einer Innenfläche 44 des Gehäuses 21 in Eingriff steht. Die Außenfläche 52 weist einen Außendurchmesser auf, der größer ist als der Innendurchmesser der Fläche 44, um einen Presssitz zwischen dem Gehäuse 21 und der kompressiblen Schicht 48 zu bilden. In einer Ausführungsform ist die kompressible Schicht 48 eine Hülse. Die Hülse kann einteilig sein, wie in 3 gezeigt, oder kann mehrere bogenförmige Segmente beinhalten, die in Umfangsrichtung um den Statorkern 26 herum in einer beabstandeten Beziehung angeordnet sind, wie in 4 gezeigt.
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Unter Bezugnahme auf 3 ist eine Hülse 60 dazu ausgestaltet, dass sie zwischen einem Statorkern und einem Gehäuse angeordnet wird, um als kompressible Schicht zu wirken, um den Presssitz zwischen dem Statorkern und dem Gehäuse zu ermöglichen. Die Hülse 60 beinhaltet einen Spalt 62, der sich entlang einer Länge der Hülse erstreckt, um die radiale Ausdehnung und Kontraktion der Hülse 60 zu ermöglichen. Der Spalt 62 erstreckt sich durch eine Dicke der Hülse. Die Hülse 60 beinhaltet einen Außendurchmesser 64 und einen Innendurchmesser 66. Der Innendurchmesser 66 kann so bemessen sein, dass er dem Außendurchmesser des Statorkerns im Wesentlichen entspricht. Der Außendurchmesser 64 ist so bemessen, dass er größer als der Innendurchmesser des Gehäuses ist, sodass bei der Installation ein Presssitz zwischen der Hülse 60 und dem Gehäuse gebildet wird. Die Länge der Hülse 60 kann der Länge des Statorkerns entsprechen.
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In der veranschaulichten Ausführungsform weist die Hülse 60 eine glatte Innen- und Außenfläche auf, in anderen Ausführungsformen kann die Hülse 60 jedoch Verbindungsmerkmale zur Verbindung mit dem Gehäuse oder dem Statorkern beinhalten. So beinhaltet beispielsweise eins des Kerns und der Hülse einen Vorsprung und beinhaltet das andere des Kerns und der Hülse eine Aufnahme, die den Vorsprung darin aufnimmt. In einigen Ausführungsformen können mehrere Vorsprünge und Aufnahmen zur Befestigung der Hülse und des Kerns verwendet werden. Die Verbindungsmerkmale helfen dabei, die Hülse während der Installation des Gehäuses am Kern zu halten und die Hülse während der Kontraktion und Ausdehnung des Gehäuses und des Kerns aufgrund von Temperaturänderungen an ihrem Platz zu halten. In einigen Ausführungsformen können die Verbindungsmerkmale zwischen dem Gehäuse und der Hülse statt zwischen der Hülse und dem Kern vorhanden sein.
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Unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beinhaltet eine elektrische Maschine 80 eine Hülse mit mehreren Segmenten (kompressible Schicht) 82, die durch Verbindungsmerkmale am Statorkern 84 gehalten wird. Bis auf die Verbindungsmerkmale gleicht der Statorkern 84 dem Statorkern 26. Das Gehäuse 86 kann dem Gehäuse 21 gleichen. Die Hülse 82 beinhaltet eine Vielzahl von bogenförmigen Segmenten 88, die in Umfangsrichtung um den Statorkern 84 herum angeordnet sind, sodass die Segmente 88 beabstandet sind, um Zwischenräume 89 zu definieren. Das Aufteilen der Hülse in mehrere Segmente kann die Montage der elektrischen Maschine erleichtern und die Zwischenräume 89 können einen Freiraum für die radiale Ausdehnung und Kontraktion der Hülsen bereitstellen. Jedes der Segmente 88 beinhaltet eine Innenfläche 90, die auf dem Statorkern 84 sitzt, und eine Außenfläche 92, die gegen das Gehäuse 86 angeordnet ist. Die Außenflächen 92 kooperieren, um eine diskontinuierliche Außenfläche 94 der Hülse 82 zu bilden. Der Außendurchmesser der Hülse 82 ist größer als der Innendurchmesser 96 des Gehäuses 86, um einen Presssitz zu bilden.
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In der veranschaulichten Ausführungsform sind die Verbindungsmerkmale Zähne 100, die auf der Außenfläche 98 des Statorkerns 84 definiert sind, und Zähne 102, die auf den Innenflächen 90 der Segmente 88 definiert sind. Die Zähne 100 und 102 greifen ineinander, um die Segmente 88 am Statorkern 84 zu befestigen. In anderen Ausführungsformen können die ineinandergreifenden Zähne durch Vorsprünge und Aufnahmen ersetzt werden. Obwohl in Verbindung mit den Verbindungsmerkmalen veranschaulicht, kann die Hülse 82 mit mehreren Segmenten in elektrischen Maschinen verwendet werden, die keine Verbindungsmerkmale beinhalten.
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Unter Bezugnahme auf 6 kann die kompressible Schicht ein elastisches Element sein, das im Vergleich zur oben beschriebenen Hülse ein hohes Maß an Elastizität aufweist. So kann eine elektrische Maschine 110 beispielsweise eine Wellfeder 112 beinhalten, die zwischen dem Statorkern 114 und einem Gehäuse 113 angeordnet ist. Die Feder 112 kann aus Federstahl bestehen. Die Wellfeder 112 ist dazu konfiguriert, dass sie sich hauptsächlich in der radialen Richtung (R) ausdehnt und zusammenzieht. Die Wellfeder 112 beinhaltet radial innere Kontakte 116, die auf einer Außenfläche 117 des Kerns 114 sitzen, und radial äußere Kontakte 118, die auf einer Innenfläche des Gehäuses 120 sitzen. Die Wellfeder 112 kann zusammengedrückt werden, um die Innen- und Außenkontakte 116, 118 zueinander zu bewegen, um den Außendurchmesser 119 der Feder 112 zu verringern, und kann ausgedehnt werden, um die Innen- und Außenkontakte 116, 118 voneinander weg zu bewegen, um den Außendurchmesser 119 der Feder 112 zu vergrößern.
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Ein Ruheaußendurchmesser 119 der Wellfeder 112 (gemessen zwischen diametral gegenüberliegenden Außenkontakten 118) ist größer als der Innendurchmesser des Gehäuses 120, sodass die Wellfeder 112 zusammengedrückt wird, wenn sie installiert wird. Die Kompression der Feder 112 erzeugt eine ausreichende Reibung zwischen den Innen- und Außenkontakten 116, 118 bzw. dem Statorkern 114 und dem Gehäuse 120, um das Gehäuse 120 ähnlich dem Presssitz der oben beschriebenen Ausführungsformen am Statorkern 114 zu sichern. Die Feder 112 ist dazu konfiguriert, sich zu auszudehnen, um den Reibungseingriff aufrechtzuerhalten, wenn sich das Gehäuse bei höheren Temperaturen relativ zum Statorkern 114 ausdehnt, und ist dazu konfiguriert, Beschädigungen zu verhindern, wenn sich das Gehäuse 120 bei niedrigeren Temperaturen relativ zum Statorkern 114 zusammenzieht.
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Die Feder 112 kann rohrförmig sein, um sich axial entlang eines wesentlichen Abschnitts des Statorkerns 114 zu erstrecken. In einigen Ausführungsformen kann die Wellfeder 112 so lang sein wie der Statorkern 114. Alternativ können mehrere kürzere Federn verwendet werden.
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Wenngleich vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Patentansprüche eingeschlossen sind. Bei den in der Beschreibung verwendeten Ausdrücken handelt es sich um beschreibende und nicht um einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen zu bilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften als vorteilhaft oder bevorzugt beschrieben sein können, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erzielen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängen. Zu diesen Attributen können unter anderem Kosten, Festigkeit, Langlebigkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Betriebsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. gehören. Demnach liegen Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik beschrieben sind, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
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In einem Aspekt der Erfindung ist die ringförmige kompressible Schicht aus Kupfer, Magnesium oder einem Polymer gebildet.
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In einem Aspekt der Erfindung definiert der Kern eins von einem Vorsprung und einer Aufnahme und definiert die Hülse das andere des Vorsprungs und der Aufnahme, wobei der Vorsprung in der Aufnahme aufgenommen wird.
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In einem Aspekt der Erfindung ist die vorstehende Erfindung ferner dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor zur Drehung innerhalb des Statorkerns gestützt ist.
