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Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, umfassend einen Außenring, einen Innenring und dazwischen angeordnete, auf am Außen- und am Innenring vorgesehenen Laufbahnen wälzende Wälzkörper.
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Derartige Wälzlager kommen in den unterschiedlichsten Bereichen zur Anwendung. Ein Bespiel ist der Einsatz in Elektromotoren, die ebenfalls in unterschiedlichsten Fällen zur Anwendung kommen, zunehmend beispielsweise im Automobilbereich als Antriebe für einen teilelektrischen oder vollelektrischen Fahrbetrieb. Unter anderem werden Wälzlager zur Drehlagerung des Rotors eingesetzt, der zumeist mit hoher Drehzahl rotiert, weshalb üblicherweise Hochdrehzahllager eingesetzt werden, sogenannte High-Speed-Motor-Bearings (HSMB). Beim Betrieb von Elektromotoren kann es mitunter zu Lagerschäden aufgrund eines Stromflusses über das Wälzlager kommen. Ein solcher Stromdurchgang resultiert beispielsweise aus Zirkularströmen im Elektromotor. Resultierend aus dem Stromdurchgang kann es zu Blitzentladungen innerhalb des Wälzlagers kommen, die Schäden an den Laufbahnen, auf denen die Wälzkörper, bei denen es sich um Kugeln oder Rollen oder ähnliches handeln kann, wälzen, kommen kann. Im Extremfall können die Schäden derart gravierend sein, dass es zu einem Lagerausfall kommt. Um einen Stromdurchgang zu vermeiden, ist es bekannt, das Wälzlager quasi mit einer Isolationsebene auszurüsten, sodass aufgrund dieser elektrischen Isolierung kein Stromdurchgang möglich ist. Bekannt ist es, die Wälzlager als Keramikkörper, zumeist Keramikkugeln, auszuführen, das heißt, dass die Wälzkörper selbst die Isolationsebene bilden. Alternativ ist es auch bekannt, einen der Ringe mit einer Oxidkeramikschicht zu belegen, die ebenfalls isolierend wirkt. Diese Lagerausführungen sind jedoch in der Herstellung sehr aufwendig und teuer.
Bekannt sind desweiteren, beispielsweise aus der
JP7208462 , Lager mit isolierender Ummantelung, die durch einen Überzug aus Harz oder anderen Werkstoffen eine isolierende Wirkung erzeugen. Diese Ausführungen verbreitern jedoch, vor allem bei kleinen Lagerdimensionen, die Gesamtbreite des Lagers.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Wälzlager anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist ein Wälzlager der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring oder der Innenring, mit einer Isolierschicht aus einem Kunststoff versehen ist und die Ringschulter des Innenrings oder des Aussenrings mittels der Isolierschicht eine Funktionsfläche ausbildet.
Bei dem erfindungsgemäßen Wälzlager kommt eine aus Kunststoff, gebildete Isolierschicht zum Einsatz, die entweder auf den Außenumfang des Außenrings oder auf den Innenumfang des Innenrings sowie auf die jeweilige Ringstirnflächen und Ringschulter aufgebracht, vorzugsweise aufgespritzt ist. Diese Isolierschicht weist hinreichende elektrische Isolationseigenschaften auf, sodass über sie ein Stromdurchgang über das Wälzlager sicher verhindert werden kann.
Um eine ausreichende Haftung der isolierenden Ummantelung zu erreichen, wird oftmals der Werkstoff formschließend um die Stirnseiten des Lagers aufgebracht. In den genannten Einsatzgebieten, beispielsweise in Elektromotoren sowie den entsprechenden automotiven Anwendungen, herrscht jedoch in der Regel ein äußerst begrenzter Bauraum. Muss bei abgedichteten Lagern ein Dichtungseinstich vorgesehen werden, wird die stirnseitige Isolation des Lagers deutlich eingeschränkt. Um trotzdem eine ausreichende isolierende Wirkung sicherzustellen, muss oftmals der Lagerau-ßendurchmesser vergrößert werden. Somit resultiert die isolierende Ummantelung bei Lagern kleinerer Dimensionen des Öfteren in einer erkennbaren Abweichung vom Standardbauraum. Im Hinblick auf die Erfindung wird zudem ein, in Zeiten von Kosteneinsparungen unüblicher, weiterhin erhöhter Kunststoffeinsatz in Kauf genommen, um auch die Ringschulter zu ummanteln. Zwar müssen komplexere Formen, beispielsweise bei der Herstellung der Ummantelung im Spritzgießprozess, vorgesehen werden, jedoch können durch die Integration von Funktionsflächen so, durch die isolierende Beschichtung resultierende erhöhte Baubreiten, kompensiert werden.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Wälzlager können insbesondere dazu verwendet werden, Drehbewegungen mit möglichst geringen Reibungsverlusten zu ermöglichen. Wälzlager können insbesondere zur Fixierung und/oder Lagerung von Achsen und Wellen eingesetzt werden, wobei sie, je nach Bauform, radiale und/oder axiale Kräfte aufnehmen und gleichzeitig die Rotation der Welle oder der so auf einer Achse gelagerten Bauteile ermöglichen.
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Hierzu sind zwischen einem Innenring und einem Außenring des Wälzlagers abrollende Wälzkörper angeordnet. Zwischen diesen drei Hauptkomponenten Innenring, Au-ßenring und den Wälzkörpern tritt innerhalb des Wälzlagers in der Regel hauptsächlich Rollreibung auf. Da die Wälzkörper im Innen- und Außenring bevorzugt auf gehärteten Stahlflächen mit optimierter Schmierung abrollen können, ist die Rollreibung derartiger Lager relativ gering.
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Der Innenring kann insbesondere die Wälzlager aufnehmende Welle mit dem Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Welle mit der der Welle zugewandten Seite der Mantelfläche des Innenrings verbunden sein, wobei auf der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Innenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Innenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Innenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
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Der Außenring kann insbesondere die Wälzlager aufnehmende Lagerung mit dem Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Lagerung mit der der Lagerung zugewandten Seite der Mantelfläche des Außenrings verbunden sein, wobei der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Außenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Außenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Au-ßenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
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Die Wälzkörper haben abhängig von der Wälzlagerbauart die Form einer Kugel oder einer Rolle. Sie wälzen sich auf den Laufbahnen des Wälzlagers ab und haben die Aufgabe, die auf ein Radialwälzlager wirkende Kraft vom Außenring auf den Innenring und umgekehrt zu übertragen. Bei einem Axialwälzlager übertragen die Wälzkörper die auf das Axialwälzlager wirkenden Kräfte zwischen den Laufscheiben. Rollenförmige Wälzkörper werden auch als Rollenwälzkörper und kugelförmige Wälzkörper als Lagerkugel bezeichnet.
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Rollenförmige Wälzkörper können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der symmetrischen Pendelrollen, der asymmetrischen Pendelrollen, der Zylinderrollen, der Nadelrollen und/oder der Kegelrollen.
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Wälzkörper können in einem Käfig oder durch Wälzkörperdistanzstücke geführt und voneinander beabstandet sein. Es ist grundsätzlich auch denkbar, ein käfigloses Wälzlager auszubilden, welches auch als vollrolliges Wälzlager bezeichnet wird. Bei vollrolligen Wälzlagern können sich benachbarte Wälzkörper kontaktieren.
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Die Wälzkörper können innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Innenringlaufbahn des Innenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Innenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht. Die Innenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Innenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Innenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn erlauben.
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Die Wälzkörper können innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Außenringlaufbahn des Außenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Außenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht.
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Die Außenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Außenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Außenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn erlauben.
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Ein Wälzlager kann eine Dichtung aufweisen, um ein Austreten von Schmiermittel aus dem Wälzlager oder ein Eintreten von Schmutz oder Feuchtigkeit in das Wälzlager zu verhindern. Hierzu können die eingesetzten Dichtungen mit einer oder mehreren Dichtlippen versehen sein, die an einem Bauteil des Wälzlagers anliegen können. Diese sind derart ausgelegt, dass sie zum einen möglichst über die gesamte Lebensdauer das Lager abdichten, andererseits die Reibung durch die anliegende Dichtung nicht zu hoch ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Funktionsfläche derart ausgebildet, dass die Funktionsfläche den Dichtungssitz bildet. Hierbei ist die Dichtung nicht beabstandet im Bereich der Isolierschicht angeordnet, sondern die Schicht formt den Dichtungssitz. Somit kann der Lagerring besonders schmal ausgeführt werden, da kein zusätzlicher Dichtungssitz im metallischen Grundwerkstoff zusätzlich vorgesehen werden muss.
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Ein Wälzlager kann des Weiteren einen Käfig aufweisen, wobei der Käfig die Wälzkörper führt. Der Käfig kann so ausgebildet sein, dass die Wälzkörperkugeln und/oder die Wälzkörperrollen voneinander beabstandet werden, damit beispielsweise die Reibung und Wärmeentwicklung der Wälzkörper möglichst geringgehalten wird. Ferner hält der Käfig die Wälzkörperkugeln und/oder Wälzkörperrollen in einem festen Abstand beim Abwälzen zueinander, wodurch eine gleichmäßige Lastverteilung erzielt werden kann. Der Käfig kann einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bildet die Funktionsfläche eine Anlauffläche eines Wälzlagerkäfigs aus. Dabei kann der Wälzlagerkäfig entweder reibungsarm durch eine geeignete Werkstoffkombination direkt an der Fläche geführt werden, oder sich lediglich im Sinne einer Notlaufeigenschaft an dieser Fläche abstützen.
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In einer Ausführungsform wird die Funktionsfläche des Wälzlagers ohne mechanische Nachbearbeitung im Spritzgießprozess erzeugt. Dies hat den Vorteil, dass die Kunststoffoberfläche besonders geeignet ausgeprägt, nämlich in der Form, dass beispielsweise bei fasergefüllten Kunststoffen keine freien Faserenden an die Oberfläche treten, welche hydrophobe Eigenschaften aufweisen können. Somit muss des Weiteren auch kein zusätzlicher Bearbeitungsschritt vorgesehen werden.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Kunststoff, aus dem die Isolierschicht aufgebaut ist, ein Duroplast ist. Als Duroplast kann ein geeignetes Harz verwendet werden, beispielsweise ein Epoxidharz oder ein Formaldehydharz respektive auf dieser Basis beruhende Materialien. Dies hat den Vorteil, dass die Schicht eine besonders hohe thermische Maßhaltigkeit aufweist.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Isolierschicht aufgespritzt ist und/oder aus einem faserverstärkten, insbesondere glasfaserverstärkten Duroplast besteht. Somit kann besonders effizient und maßhaltig eine Isolierbeschichtung erzeugt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Getriebe mit wenigstens einer Welle, wobei die Welle mit einer Wälzlagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gelagert ist.
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Im Weiteren wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine elektrische Maschine umfassend einen Rotor, welcher mittels eines Wälzlagers nach einem der Ansprüche 1-6 drehbar gegenüber einem Stator der elektrischen Maschine gelagert ist. Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
Der Rotor kann einen Rotorkörper und eine Rotorwelle umfassen. Unter einem Rotorkörper wird im Sinne der Erfindung der Rotor ohne Rotorwelle verstanden. Der Rotorkörper setzt sich demnach insbesondere zusammen aus dem Rotorblechpaket sowie den in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachten oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierten Magnetelementen sowie ggf. vorhandenen axialen Deckelteilen zum Verschließen der Taschen. Der Rotor kann bevorzugt eine Rotorwelle umfassen und einen oder mehrere drehfest auf der Rotorwelle angeordnete Rotorkörper. Die Rotorwelle kann hohl ausgeführt sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt.
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Die elektrische Maschine kann ferner einen hydraulischen Kühlkreislauf aufweisen. Besonders bevorzugt wird der hydraulische Kühlkreislauf mit einem fließfähigen Öl betrieben. Ganz besonders bevorzugt ist der, insbesondere geschlossene, hydraulische Kühlkreislauf so ausgebildet, dass das fließfähige Öl zur Schmierung einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung zur Lagerung des Rotors der elektrischen Maschine verwendet wird. Hierzu wird das Öl des hydraulischen Kühlkreislaufs bevorzugt durch das Wälzlager hindurchgeführt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1a eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers einer ersten Ausführungsform, im Schnitt,
- 1 b eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers einer weiteren Ausführungsform, im Schnitt,
- 1c eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers einer dritten Ausführungsform, im Schnitt,
- 1d eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers einer vierten Ausführungsform, im Schnitt,
- 2 eine elektrische Maschine mit einer Wälzlageranordnung in einer schematischen Axialschnittansicht.
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1a-d zeigen jeweils ein erfindungsgemäßes Wälzlager 1, umfassend einen Außenring 2 mit einer Laufbahn 3 sowie einen Innenring 4 mit einer Laufbahn 5, sowie mit einem Kranz umfassend eine Vielzahl von in einem Käfig 6 gehalterten Wälzkörpern 7 hier in Form von Kugeln, die auf den Laufbahnen 3, 5 wälzen. Bei dem Wälzlager 1 handelt es sich beispielsweise um ein Hochdrehzahllager, wie es beispielsweise für die Lagerung eines Rotors einer Elektromaschine zum Einsatz kommen kann. Ein solches Lager kann fettgefüllt und axial beidseits auch über Dichtungen geschlossen sein, wozu mittels der Isolierschicht 8 eine entsprechende Funktionsfläche ausgebildet ist, um entsprechende Aufnahmen für die ringförmigen Dichtungen vorzusehen. Diese Funktionsfläche kann entweder am Aussenring oder am Innenring des Lagers ausgebildet sein.
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Die Isolierschicht 8 kann aus einem, vorzugsweise mit Glasfasern verstärkten, Duroplast aufgebracht sein, bevorzugt im Spritzgießprozess. Der Innendurchmesser des Innenrings 4 kann hierzu auch etwas vergrößert sein im Vergleich zu einem für denselben Zweck verwendbaren Lagers bzw. Innenrings. Die Isolierschicht 8 erstreckt sich nicht nur über die äußere, respektive innere, Mantelfläche, sondern auch über die beiden Stirnflächen 10 und übergreift diese teilweise und bildet an der Ringschulter 11 die Funktionsfläche aus.
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Die Dicke der Isolierschicht 8 wird so bemessen, dass eine bestmögliche Stromisolation des Wälzlagers gegen einen Stromdurchgang gegeben ist. Dabei kann der Bauraum im Vergleich zu einem nichtisolierten Lager gleich bleiben oder minimal vergrö-ßert werden.
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Bei dem Duroplast handelt es sich um ein solches mit hinreichender elektrischer Isoliereigenschaft. Es kann sich beispielsweise um ein Epoxidharz handeln oder ein Formaldehydharz, beispielsweise Phenol-Formaldehydharz oder MelaminFormaldehydharz. Der Duroplast ist bevorzugt faserverstärkt, wozu sich Glasfasern anbieten, aber auch Kohlenstofffasern.
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1a-d zeigen jeweils eine geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 1, wobei vergleichbare Bauteile gleiche Bezugszeichen aufweisen. Vorgesehen ist hier ein Außenring 2, ein Innenring 4 sowie Wälzkörper 7, die in einem Käfig 6 geführt sind.
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Am Außenumfang sowie den Seitenwangen bis hin zum Innenumfang des Außenrings, der sogenannten Ringschulter 11, ist eine Isolierschicht 8 aus Kunststoff, bevorzugt einem Duroplast, aufgebracht. Dies kann jedoch gleichwertigerweise auch am Innenumfang, den Seitenwangen sowie der Ringschulter des Innenrings, oder dem Außenring und dem Innenring, aufgebracht sein. Demnach erstreckt sich diese Isolierschicht 8 dabei über die Ringschulter mindestens eines der Lagerringe. In der Ausführungsform gemäß 1a hat die mittels der Isolierschicht 8 erzeugte Funktionsfläche die Aufgabe, den Sitz der Dichtung, also den Dichtungseinstich 12, auszubilden. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass zum einen die Geometrie direkt im Fertigungsprozess der Isolierschicht 8 erzeugt werden kann, zum anderen, dass keine weitere Fläche im Lagerring für den Dichtungssitz bereitgestellt werden muss. Somit resultiert aus dieser Umsetzung eine Bauraum- und Fertigungskostenersparnis. Bei der Ausführungsform gemäß 1b, ist exemplarisch ein zylindrischer Dichtungseinstich 12 ausgeführt.
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Bei den Ausführungsformen gemäß 1c und 1d hat die mittels der Isolierschicht 8 erzeugte Funktionsfläche die Aufgabe einer Käfigführungsfläche 13, also den Käfig zu führen, oder zumindest eine Notlaufeigenschaft des Käfigs an der Funktionsfläche zu ermöglichen. Dabei kann des Weiteren der Dichtungssitz funktional mit an die Führungsfläche des Käfigs angefügt sein.
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In allen Ausführungsform nach Figure 1a-d kann der metallische Lagerring beispielsweise auch eine Ringnut am Umfang oder der Ringschulter aufweisen, die mit der Isolierschicht 8 respektive dem Duroplast gefüllt ist. Hierüber wird eine noch bessere Verankerung der Isolierschicht 8 einerseits aufgrund der größeren Kontaktoberfläche, andererseits aufgrund des Formschlusses erreicht.
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2 zeigt eine elektrische Maschine 14 umfassend einen Rotor 15, welcher mittels eines Wälzlagers 1, wie es aus der 1 bekannt ist, gegenüber einem Stator 17 der elektrischen Maschine 14 gelagert ist. 2 ist auch gut entnehmbar, dass der Rotor 15 einer elektrischen Maschine 14 eines Antriebsstrangs eines hybriden oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs von einem Wälzlager 1 gelagert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlager
- 2
- Außenring
- 3
- Laufbahn
- 4
- Innenring
- 5
- Laufbahn
- 6
- Käfig
- 7
- Wälzkörper
- 8
- Isolierschicht
- 9
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- 10
- Stirnfläche
- 11
- Ringschulter
- 12
- Dichtungseinstich
- 13
- Käfigführungsfläche
- 14
- Elektrische Maschine
- 15
- Rotor
- 16
- Öl
- 17
- Stator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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