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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer elektrischen Antriebseinheit gemäß Anspruch 1 sowie einen Rotor gemäß Anspruch 12 und eine Pumpe mit einem solchen Rotor.
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Es ist allgemein bekannt, dass Rotoren einer elektrischen Antriebseinheit, die insbesondere in Fluidpumpen Anwendung finden, vor Flüssigkeiten oder Gasen geschützt werden müssen. Der Rotor, insbesondere das Blechpaket, wird durch eine Kunststoffumspritzung oder ein Gehäuse vor Flüssigkeiten oder Gasen geschützt. Die Umspritzung des Blechpakets erfolgt in der Praxis meist durch einen einstufigen Umspritzungsvorgang mit Duroplasten. Die flüssigen Duroplasten können viskositätsbedingt mit geringen Drücken in die Werkzeugkavität einlaufen. Viskositätsbedingt ist jedoch keine vollständige Umhüllung der Bauteile mittels einstufigem Umspritzungsvorgang möglich, da eine Gefahr eines Absinkens der Bauteile im flüssigen Kunststoff besteht, sodass ein zweistufiger Umspritzungsvorgang erforderlich ist. Beim zweistufigen Umspritzungsvorgang haftet die Verbindungsstelle der beiden Duroplast-Hüllkomponenten dabei nur leicht aneinander und es entsteht keine stoffschlüssige Verbindung. Zudem können anwendungstypische Temperaturwechsel leicht zum Aufbrechen der Kontaktstelle führen und ermöglichen so das Eindringen von korrosiven Medien in das Blechpaket des Rotors. Ein weiterer Nachteil bei Verwendung von Duroplasten für den Umspritzungsvorgang sind die Zykluszeiten zum Aushärten, die hohe Prozesskosten erzeugen. Zudem entstehen unerwünschte Grate an den Werkzeugtrennungen sowie Angussüberstände, die kostenintensive mechanische Nacharbeit erforderlich machen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer elektrischen Antriebseinheit anzugeben, mit dem die Zykluszeiten zum Aushärten reduziert und dadurch hohe Prozesskosten vermieden werden, unerwünschte Grate an den Werkzeugtrennungen zu vermeiden, kostenintensive mechanische Nacharbeiten zu vermeiden sowie aus Kostengründen eine schnelle, prozesssichere und ausschussarme Fertigung in Großserienstückzahl zu gewährleisten. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Rotor einer elektrischen Antriebseinheit sowie eine Pumpe mit einem solchen Rotor anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im Hinblick auf das Verfahren durch die Merkmale gemäß Anspruch 1, im Hinblick auf den Rotor durch die Merkmale gemäß Anspruch 12 und im Hinblick auf die Pumpe durch die Merkmale gemäß Anspruch 15 gelöst.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer elektrischen Antriebseinheit, insbesondere eines Elektromotors, vorgeschlagen, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- a) Bereitstellen eines Rotorblechpakets;
- b) Herstellung einer Abdeckscheibe mit einer Kronenstruktur durch Spritzgießen
- c) Montage der Abdeckscheibe auf einer axialen Stirnseite des Rotorblechpakets;
- d) Herstellung einer Vorbaugruppe durch axiales Montieren von Permanentmagneten in Magnetaufnahmetaschen des Rotorblechpakets;
- e) Einlegen der Vorbaugruppe in ein Spritzgusswerkzeug;
- f) Rotatorische Fixierung der Vorbaugruppe in dem Spritzgusswerkzeug durch eine Presspassung mit Verdrehsicherung zur Vorbaugruppe und über die Kronenstruktur der Abdeckscheibe;
- g) Herstellung einer mediendichten Ummantelung des Rotors durch Umspritzung der Vorbaugruppe und
- h) Entformung des umspritzen Rotors aus dem Spritzgusswerkzeug.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Rotors wird ein Rotorblechpaket bereitgestellt. Das Rotorblechpaket ist als sogenannter T-Rotor mit innenliegenden Magnetaufnahmetaschen ausgebildet, in denen die Permanentmagnete montiert werden. Alternativ kann das Rotorblechpaket aber auch als sogenannter I-Rotor mit Durchbrüchen in den Magnetaufnahmetaschen ausgebildet sein, in denen die Permanentmagnete montiert werden. Die Montage der Permanentmagnete im Rotorblechpaket ist in jede dem Fachmann bekannte Richtung (tangential, radial, axial) möglich.
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Eine Abdeckscheibe mit einer Kronenstruktur wird durch Spritzgießen hergestellt und auf einer axialen Stirnseite des Rotorblechpakets aufgesteckt, aufgepresst, geklebt oder durch andere dem Fachmann bekannte Befestigungsverfahren montiert. Anschließend werden Permanentmagnete in Magnetaufnahmetaschen des Rotorblechpakets axial montiert und eine Vorbaugruppe hierdurch hergestellt.
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Anschließend wird die Vorbaugruppe in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und rotatorisch durch eine Presspassung mit Verdrehsicherung zur Vorbaugruppe hin und über die Kronenstruktur der Abdeckscheibe fixiert. In einem Umspritzungsvorgang wird eine mediendichte Ummantelung des Rotors durch Umspritzung der Vorbaugruppe hergestellt, die den Rotor vor Flüssigkeiten, Gasen oder anderen korrosiven Medien schützt. An einem Außendurchmesser der Abdeckscheibe ist eine auslaufende Fase ausgebildet. Die mediendichte Ummantelung des Rotors weist Vorteile durch eine hohe Wuchtgüte auf. Die mediendichte Ummantelung des Rotors bedeckt dabei die Vorbaugruppe nicht vollständig. Die axiale Stirnseite der Abdeckscheibe wird von der Ummantelung ausgespart. Die Dichtheit des Rotors in diesem Bereich wird über die auslaufende Fase an der Abdeckscheibe und über das Vorheizen der Vorbaugruppe vor der Umspritzung erzielt.
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In einem letzten Prozessschritt wird der umspritzte Rotor aus dem Spritzgusswerkzeug entformt und dadurch aus dem Spritzgusswerkzeug ausgeworfen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung erfolgt eine X-Y-Positionierung der Vorbaugruppe zur Rotationsachse in dem Spritzgusswerkzug durch die Kronenstruktur der Abdeckscheibe. Dadurch ist sichergestellt, dass eine Verschiebung der Vorbaugruppe beim Umspritzen und somit eine Unwucht vermieden wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung bestehen die Ummantelung und/oder die Abdeckscheibe aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, insbesondere schlagzäh modifiziertem Polyphenylensulfid (PPS). Durch den, dem PPS zugesetzten, Schlagzähmodifikator werden Risse in der Ummantelung und/oder der Abdeckscheibe vermieden. Weitere Vorteile bei der Verwendung von PPS als Grundwerkstoff für die Ummantelung und/oder die Abdeckscheibe sind die chemische Beständigkeit gegenüber korrosiven Medien sowie eine erhöhte Temperaturbeständigkeit.
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Im Gegensatz zur Verwendung von duroplastischen Kunstoffmaterialien ist bei einer Ummantelung des Rotors mit thermoplastischem Kunststoffmaterial eine stoffliche Verbindung bzw. Verschweißung zwischen der Abdeckscheibe und der Ummantelung möglich. Auch sind die Zykluszeiten zum Aushärten des thermoplastischen Kunststoffmaterials geringer als bei duroplastischen Kunstoffmaterialien, die zu einer Senkung der Prozesskosten führen. Ein weiterer Vorteil von thermoplastischem Kunststoffmaterial ist, dass keine unerwünschten Grate an den Werkzeugtrennungen sowie Angussüberständen entstehen und somit sind keine kostenintensiven mechanischen Nacharbeiten erforderlich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist die mediendichte Ummantelung am Außendurchmesser des Rotors zumindest im Bereich der Permanentmagnete dünnwandig ausgebildet. Dies ermöglicht, dass ein magnetisch unwirksamer Luftspalt zwischen den Permanentmagneten und der Statorwicklung gering bleibt. Die Ummantelung ist hierbei dünnwandig, d. h. z. B. unter 1 mm, ausgebildet. Unter dünnwandig ist hierbei eine geringere Wandstärke der Ummantelung im Bereich der Permanentmagnete im Vergleich zur restlichen Wandstärke der Ummantelung außerhalb dieses Bereiches zu verstehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung liegen mindestens zwei Anspritzpunkte rotatorisch im dünnwandigen Bereich. Dadurch wird eine vollständige Füllung mit dem thermoplastischen Kunststoffmaterial gewährleistet. Die mindestens zwei Anspritzpunkte werden symmetrisch zur Rotor-Mittelachse angeordnet, um so eine Verschiebung der Vorbaugruppe beim Spritzgussverfahren zu vermeiden. Zusätzlich wird durch die Kronenstruktur an der Abdeckscheibe eine Verdrehung der Vorbaugruppe während des Füllvorgangs verhindert. Bei Verwendung nur eines Anspritzpunktes würde die Schmelze die Vorbaugruppe verschieben bzw. verkippen.
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Alternativ muss ein einzelner Anspritzpunkt auf ein zusätzliches Rotorfeature (z. B. Flügelrad) gesetzt werden, das sich ausreichend weit entfernt von der Vorbaugruppe befindet, sodass die Fließfronten zunächst zusammengeführt werden und die neu entstehende gemeinsame Fließfront exakt gleichmäßig zylindrisch entlang der Vorbaugruppe fließt. Bei der Füllung über mehrere Anspritzpunkte ist es für die Wuchtgüte entscheidend, dass die zu umspritzende Vorbaugruppe durch die Schmelze weder in den Richtungen X-Y-Z verschoben, noch rotatorisch verdreht, noch verkippt wird. Für eine einstufige Umspritzung, wie z. B. mit duroplastischem Kunststoffmaterial, kann diese nicht prozesssicher gewährleistet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung wird die Vorbaugruppe gegenüber dem Spritzgusswerkzeug in z-Richtung über die gesamte Oberfläche der Abdeckscheibe abgestützt. Dies gewährleistet, dass die Permanentmagnete in den Magnetaufnahmetaschen während dem Spritzgussverfahren sicher positioniert bleiben.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist an einem Außendurchmesser der Abdeckscheibe eine auslaufende Fase ausgebildet. Die auslaufende Fase ermöglicht ein leichteres Anschmilzen der dünnen amorphen Randschicht der Abdeckscheibe. Leichte Grate in der Trennebene optimieren diesen Effekt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung weist das Rotorblechpaket abgestufte Blechpaketschnitte im Randbereich auf. Die Abstufung im Randbereich vermeidet eine Kerbwirkung, die Ursprung einer potentiellen Rissbildung bei Temperaturwechsel ist, und reduziert die Gefahr, dass die äußersten Bleche des Rotorblechpakets durch vorbeifließende Schmelze verbogen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung wird eine Lagerbuchse zu der Vorbaugruppe im Spritzgusswerkzeug zentriert. Eine präzise Zentrierung der Lagerbuchse zu der Vorbaugruppe ermöglicht eine hohe Wuchtgüte. Die Umspritzung stellt eine mechanische Verbindung zur Lagerbuchse her. Die Lagerbuchse kann aus einem metallischen Material oder aus einem anderen dem Fachmann bekannten Material ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung werden die Lagerbuchse und die Vorbaugruppe vor der Umspritzung vorgewärmt. Das Vorheizen erfolgt auf ungefähr 150°C. Es sind jedoch auch andere Vorheiztemperaturen möglich. Durch das Vorheizen wird die Verschweißung der Abdeckscheibe mit dem thermoplastischen Kunststoffmaterial optimiert und innere Spannungen in der Umspritzung vermindert, die eine Rissbildung in der Umspritzung hervorrufen können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist eine Entlüftung im Spritzgusswerkzeug am Fließwegende vorgesehen. Die Entlüftung kann hierbei als Auswerfer oder als Entlüftungsbohrung ausgebildet sein. Durch die Entlüftung im Spritzgusswerkzeug kann die Luft sicher vollständig entweichen und Fehlstellen können vermeiden werden. Eine kurzzeitige Stauung der Luft vor der Entlüftung optimiert die Verschweißung durch lokale Erwärmung der auslaufenden Fase an der Abdeckscheibe.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Rotor einer elektrischen Antriebseinheit mit einem Rotorblechpaket, das mediendicht mit einer Ummantelung umgeben ist, wobei eine Abdeckscheibe mit Kronenstruktur auf einer axialen Stirnseite des Rotorblechpaket montiert wird, wobei in das Rotorblechpaket Permanentmagnete in Magnetaufnahmetaschen axial montiert sind und eine Vorbaugruppe bilden, wobei die Vorbaugruppe in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt wird, wobei eine rotatorische Fixierung der Vorbaugruppe in dem Spritzgusswerkzeug durch eine Presspassung mit Verdrehsicherung zu der Vorbaugruppe und über die Kronenstruktur der Abdeckscheibe fixiert ist, wobei die mediendichte Ummantelung des Rotors durch Umspritzung der Vorbaugruppe erfolgt und wobei der umspritzte Rotor aus dem Spritzgusswerkzeug entformt wird.
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In einer vorteilhaften Ausbildung ist die Lagerbuchse in einer Ausnehmung für eine Welle im Rotorblechpaket angeordnet, insbesondere eingespritzt. Die Lagerbuchse kann aber auch auf jede dem Fachmann bekannte Art in dem Rotor befestigt sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung bestehen die Ummantelung und/oder die Abdeckscheibe aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, insbesondere schlagzäh modifiziertem Polyphenylensulfid (PPS), und/oder das Rotorblechpaket aus magnetisierten Blechen besteht und dass die Permanentmagnete Seltenerden-Magnete und/oder kunstoffgebundene Magnete sind. Durch den, dem PPS zugesetzten, Schlagzähmodifikator werden Risse in der Ummantelung und/oder der Abdeckscheibe vermieden. Weitere Vorteile der Verwendung von PPS als Grundwerkstoff für die Ummantelung und/oder die Abdeckscheibe sind die chemische Beständigkeit gegenüber korrosiven Medien sowie eine erhöhte Temperaturbeständigkeit.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Pumpe mit einem zuvor offenbarten Rotor einer elektrischen Antriebseinheit, insbesondere Kühl-oder Heizmittelpumpe, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug oder ein Haushaltsgerät. Der erfindungsgemäße Rotor einer elektrischen Antriebseinheit kann auch in einer Ölpumpe oder einem Ölnebelabscheider Anwendung finden. Die im Zusammenhang mit dem Rotor genannten Vorteile und bevorzugten Ausbildungen gelten entsprechend auch für die elektrische Antriebseinheit und auch für die mit der elektrischen Antriebseinheit ausgestattete (Fluid-) Pumpe bzw. Ölpumpe sowie den mit der elektrischen Antriebseinheit ausgestatten Ölnebelabscheider.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbespielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1: eine Umspritzung des erfindungsgemäßen Rotors;
- 2: eine Draufsicht des Rotors gemäß 2;
- 3: eine Detailansicht des distalen Endes des erfindungsgemäßen Rotors gemäß 1;
- 4: eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Rotors gemäß 3;
- 5: eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Rotors gemäß 3.
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1 zeigt eine Umspritzung des erfindungsgemäßen Rotors (1) einer elektrischen Antriebseinheit, umfassend ein Rotorblechpaket (2) (hier nicht gezeigt), auf dem auf einer axialen Stirnseite eine Abdeckscheibe (3) mit einer Kronenstruktur (4) montiert ist und das durch Aufnahme von Permanentmagneten (5) (hier nicht gezeigt) in Magnetaufnahmetaschen (6) (hier nicht gezeigt) eine Vorbaugruppe (7) herstellt. Die Vorbaugruppe (7) wird in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und rotatorisch durch eine Presspassung mit Verdrehsicherung zur Vorbaugruppe hin und über die Kronenstruktur der Abdeckscheibe fixiert. In einem Umspritzungsvorgang wird eine mediendichte Ummantelung (9) des Rotors durch Umspritzung der Vorbaugruppe (7) hergestellt. Die mediendichte Ummantelung (9) des Rotors (1) bedeckt dabei die Vorbaugruppe (7) nicht vollständig. Die axiale Stirnseite der Abdeckscheibe (3) wird von der Ummantelung (9) ausgespart. An einem Außendurchmesser der Abdeckscheibe (3) ist eine auslaufende Fase (8) ausgebildet, die ein leichteres Anschmelzen der dünnen amorphen Randschicht der Abdeckscheibe (3) ermöglicht und sich mit der Ummantelung (9) während des Umspritzungsvorgangs verbindet. Beim Einlegen der Vorbaugruppe (7) in das Spritzgusswerkzeug kann zusätzlich eine Lagerbuchse (12) in das Spritzgusswerkzeug eingelegt werden. Die Lagerbuchse (12) wird dabei in einer Ausnehmung (13) für eine Welle in der Vorbaugruppe (7) eingelegt und zur Vorbaugruppe (7) hin im Spritzgusswerkzeug zentriert. Vor dem Umspritzen können die Vorbaugruppe (7) und die Lagerbuchse (12) vorgewärmt werden. Alternativ kann die Lagerbuchse (12) auch nachträglich in den Rotor (1) montiert werden.
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2 zeigt eine Draufsicht des Rotors gemäß 2, umfassend eine Abdeckscheibe (3) mit einer Kronenstruktur (4), die auf einer axialen Stirnseite der Vorbaugruppe (7) montiert ist. Die Vorbaugruppe (7) wird in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und rotatorisch durch eine Presspassung mit Verdrehsicherung zur Vorbaugruppe hin und über die Kronenstruktur der Abdeckscheibe fixiert. In einem Umspritzungsvorgang wird eine mediendichte Ummantelung (9) des Rotors durch Umspritzung der Vorbaugruppe (7) hergestellt. Die mediendichte Ummantelung des Rotors bedeckt dabei die Vorbaugruppe nicht vollständig. Die axiale Stirnseite der Abdeckscheibe (3) wird von der Ummantelung ausgespart. Die Ummantelung (9) verschmilzt lediglich mit dem Randbereich der Abdeckscheibe (3). Beim Einlegen der Vorbaugruppe (7) in das Spritzgusswerkzeug kann zusätzlich eine Lagerbuchse (12) in das Spritzgusswerkzeug eingelegt werden. Die Lagerbuchse (12) wird dabei in eine Ausnehmung (13) für eine Welle in der Vorbaugruppe (7) eingelegt und zur Vorbaugruppe (7) hin im Spritzgusswerkzeug zentriert. Vor dem Umspritzen können die Vorbaugruppe (7) und die Lagerbuchse (12) vorgewärmt werden. Alternativ kann die Lagerbuchse (12) auch nachträglich in den Rotor (1) montiert werden.
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3 zeigt eine Detailansicht des distalen Endes des erfindungsgemäßen Rotors (1) einer elektrischen Antriebseinheit, die eine mediendichte Ummantelung (9) des Rotors (1) durch Umspritzung der Vorbaugruppe (7) aufweist. Die Ummantelung (9) des Rotors (1) ist zumindest im Bereich der Permanentmagnete (5) (hier nicht gezeigt) dünnwandig ausgebildet. Im dünnwandigen Bereich liegen rotatorisch mindestens zwei Anspritzpunkte (10), die eine vollständige Füllung des Rotors (1) mit dem thermoplastischen Kunststoffmaterial gewährleisten. Die mindestens zwei Anspritzpunkte (10) werden symmetrisch angeordnet, um so eine Verschiebung oder Verkippung der Vorbaugruppe (7) beim Spritzgussverfahren zu vermeiden. An dem Außendurchmesser der Abdeckscheibe (3) ist eine auslaufende Fase (8) ausgebildet. Der umspritzte Rotor (1) weist hier eine eingespritzte Lagerbuchse (12) auf. Alternativ kann die Lagerbuchse (12) auch nach dem Umspritzungsvorgang montiert werden.
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4 zeigt eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Rotors (1) gemäß 3, umfassend eine mediendichte Ummantelung (9) des Rotors (1) durch Umspritzung der vollständigen Vorbaugruppe (7), mindestens zwei Anspritzpunkte (10), die rotatorisch im dünnwandigen Bereich angeordnet sind, eine auslaufende Fase (8) an dem Außendurchmesser der Abdeckscheibe (3) sowie eine Lagerbuchse (12).
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5 zeigt eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Rotors (1) gemäß 3, umfassend ein Rotorblechpaket (2), auf dem auf einer axialen Stirnseite eine Abdeckscheibe (3) mit einer Kronenstruktur (4) montiert ist und das durch Aufnahme von Permanentmagneten (5) in Magnetaufnahmetaschen (6) eine Vorbaugruppe (7) herstellt. Die Abdeckscheibe (3) weist an ihrem Außendurchmesser eine auslaufende Fase (8) auf. Das Rotorblechpaket (2) weist im Randbereich abgestufte Blechpaketschnitte (11) auf. In der Vorbaugruppe (7) ist eine Lagerbuchse (12) zentriert zur Vorbaugruppe hin in einer Ausnehmung (13) für eine Welle montiert. Die Vorbaugruppe (7) ist mit einer mediendichten Ummantelung (9) aus thermoplastischem Kunststoffmaterial umgeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Rotorblechpaket
- 3
- Abdeckscheibe
- 4
- Kronenstruktur
- 5
- Permanentmagnet
- 6
- Magnetaufnahmetasche
- 7
- Vorbaugruppe
- 8
- Fase
- 9
- Ummantelung
- 10
- Anspritzpunkt
- 11
- Abgestufte Blechpaketschnitte
- 12
- Lagerbuchse
- 13
- Ausnehmung
