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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine, wobei der Rotor eine Welle und ein auf dieser angeordnetes Blechpaket aus einer Vielzahl einzelner, axial hintereinander gestapelter Bleche aufweist, wobei am Blechpaket mehrere Pole vorgesehen sind, um die Drähte zur Ausbildung einzelner Wicklungen gewickelt sind.
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Eine elektrische Maschine weist regelmäßig einen Stator, sowie einen, zumeist im Stator angeordneten, Rotor auf, der um eine Drehachse relativ zum positionsfesten Stator rotiert. Der Rotor besteht regelmäßig aus einer Welle und einem auf dieser angeordneten Blechpaket, das seinerseits aus einer Vielzahl, zumeist mehreren hundert, einzelnen Blechen mit einer Blechstärke von zumeist weniger als 1 mm besteht, wobei die einzelnen Bleche axial hintereinander gestapelt sind. Die einzelnen Bleche werden üblicherweise in einem Stanzverfahren aus einem dünnen Blechband gestanzt. An dem Blechpaket sind ferner mehrere radial außen liegende Pole ausgebildet, also axial und parallel zur Welle verlaufende Blechpaketabschnitte, um die Drähte zur Ausbildung einzelner Wicklungen in entsprechend dichter Packung gewickelt werden.
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Wie beschrieben werden die einzelnen Bleche aus einem Blechband gestanzt. Hierbei können sich verfahrensbedingt an den Stanzkanten der einzelnen Bleche Grate ausbilden. Das Blechpaket selbst wird auf die Welle aufgeschrumpft, wozu das Blechpaket erwärmt und/oder die Rotorwelle abgekühlt wird, sodass es thermisch bedingt durch das Erwärmen zu einem Ausdehnen respektive durch das Abkühlen zu einem Schrumpfen kommt.
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Nach dem Fügen des Blechpakets auf der Welle und einem anschließenden Temperaturausgleich ergibt sich eine extrem feste Schrumpfpassung. In Folge der beim Stanzen entstehenden Grate kann das aufgeschrumpfte Blechpaket zwischen den einzelnen Blechlagen schmale Luftspalte aufweisen, das heißt, dass die Bleche innerhalb des Blechpakets nicht gänzlich luftspaltfrei gestapelt sind. Wenngleich die einzelnen Luftspalte äußerst schmal sind und im Bereich weniger Mikrometer liegen, addieren sich die einzelnen Luftspalte doch zu einem entsprechenden Luftspaltvolumen. Diese Luftspalte führen beim anschließenden Bewickeln des Blechpakets mit dem Draht zu Problemen. Die ersten Drahtwicklungen respektive Wicklungslagen werden straff um den Pol gespannt, da die über die einzelnen Wicklungslagen aufgebrachte axiale Spannkraft auf das Blechpaket relativ gering ist. Mit steigender Wicklungslagenanzahl nimmt die axiale Spannkraft jedoch zu, was dazu führt, dass die Bleche axial geringfügig unter Verringerung des Luftspaltvolumens kompaktiert werden, also zusammengedrückt werden. Dies wiederum führt dazu, dass die ersten Drahtwicklungslagen ihre Vor- oder Wickelspannung verlieren, also nicht mehr hinreichend straff gewickelt sind und weitere aufgebrachte Wicklungslagen gegebenenfalls nicht mehr korrekt platziert werden können. Insgesamt kann dies zu einem sinkenden Kupferfüllgrad der aus Kupfer bestehenden Drähte und damit einem verschlechterten Wirkungsgrad des Rotors führen.
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Aus
EP 2 608 363 A1 ist die Integration durchlaufender Stangen in das Blechpaket bekannt. Dort werden die Stangen jedoch erst nach dem Bewickeln der Wickelpole gesetzt, um axial endständige Flanschbauteile an den Stirnseiten des Rotors zu fixieren.
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Aus
US 2011 / 0 074 242 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ebenfalls entsprechende Zugstangen am Rotorblechpaket gesetzt werden. Diese dienen dort aber ausschließlich zur Einstellung der Steifigkeit des Blechpakets, wobei die einzelnen Stangen individuell verspannt werden, also mit individueller Spannkraft angezogen werden, um ein entsprechendes Spannmuster zu definieren, das dann für baugleiche Rotoren verwendet wird. Der dortige Rotor weist keine Pole auf, sondern längslaufende Nuten, in die entsprechende Kupferstäbe eingesetzt werden.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zu Grunde, ein demgegenüber verbessertes Herstellverfahren anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der Eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein mehrere axial durchlaufende Durchbrechungen aufweisendes Blechpaket verwendet wird, wobei vor dem Umwickeln der Pole durch jede Durchbrechung des Blechpakets eine Zugstange geführt und zur axialen Verspannung des Blechpakets endseitig arretiert wird, wonach die Drähte um die Pole gewickelt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit besonderem Vorteil das Blechpaket vor dem Bewickeln der Pole axial verspannt und ein etwaiges Luftspaltvolumen weitestgehend oder nahezu vollständig reduziert, wonach erst in diesem Zustand die Drahtwicklungen auf die Pole aufgebracht werden. Um das Luftspaltvolumen zu reduzieren, wird ein Blechpaket verwendet, das mehrere axial durchlaufende Durchbrechungen aufweist, durch die zum axialen Verspannen dienende Zugstangen, die auch als Zuganker bezeichnet werden können, geführt werden. Diese werden axial arretiert, also bezüglich des Blechpakets festgelegt, wobei über diese Arretierung eine axiale Spannkraft auf das Blechpaket, die einzelnen Bleche zusammendrückend, ausgeübt wird.
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Erfindungsgemäß kann diese axiale Verspannung des Blechpakets vor dessen Montage auf der Welle erfolgen, das heißt, dass die einzelnen Bleche zur Bildung des Blechpakets gestapelt und sodann die entsprechenden Zugstangen eingesetzt und verspannt werden, wonach erst das bereits verspannte Blechpaket auf die Welle aufgeschrumpft wird. Alternativ ist es aber auch möglich, zunächst das Blechpaket zu stapeln und auf die Welle aufzuschrumpfen, und erst dann die Zugstangen zu setzen und axial zu verspannen, um das Blechpaket zu kompaktieren.
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Unabhängig davon ist auf jeden Fall zu dem Zeitpunkt, zu dem die Wicklungen gesetzt werden, das Blechpaket axial verspannt und nahezu luftspaltfrei. Dies führt dazu, dass es beim Wickeln der einzelnen Wickellagen nicht zu einer Geometrieänderung des Blechpakets aufgrund der zunehmenden, durch die straff gewickelten Drahtlagen ausgeübten Axialkraft der sich aufbauenden Wicklung kommt und demzufolge auch die Straffheit der Wicklung der ersten Wickellagen sich nicht ändert. Dies führt wiederum dazu, dass die folgenden Wicklungslagen ebenfalls positionsmäßig korrekt und mit der erforderlichen Spannung gewickelt werden können, sodass sich insgesamt ein sehr hoher Kupferfüllgrad ergibt und die Wicklung als solche die gewünschte Wicklungsgeometrie aufweist.
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Bevorzugt wird die axiale Spannkraft, die über die Zugstangen ausgeübt wird, so eingestellt, dass das Luftvolumen nahezu vollständig herausgedrückt wird. Selbst wenn über das Bewickeln das marginal verbliebene Luftvolumen noch herausgedrückt und das Blechpaket marginal nioch axial kompaktiert wird, ändert dies nichts an der Wicklungsspannung, da die axiale Paketänderung vernachlässigbar ist. Bevorzugt wird das Luftvolumen jedoch komplett herausgedrückt, so dass alle Bleche vollständig auf Block gespannt sind. Dies führt wiederum dazu, dass nach dem Setzen der Zugstangen respektive Zuganker die Blechpaketgeometrie endgültig festgelegt ist, sie wird durch den Wickelprozess nicht mehr geändert.
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Zweckmäßigerweise wird ein Blechpaket verwendet, bei dem die Durchbrechungen in zumindest einem Teil der Pole vorgesehen sind. Dies ist dahingehend zweckmäßig, als die Wicklungen an den Polen gesetzt werden, sodass deren unmittelbare axiale Verspannung über eine Sicherstellung der Blechpaketgeometrie besonders zweckmäßig ist.
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Dabei ist bevorzugt in jedem Pol eine Durchbrechung vorgesehen, sodass in jeden Pol eine Zugstange eingesetzt werden kann. In jedem Pol können demzufolge gleiche Spannverhältnisse eingestellt werden, sodass die Wicklungen insgesamt alle nahezu identisch ausgeführt werden können. Die Durchbrechungen im Blechpaket sind dabei zweckmäßigerweise als Bohrungen ausgeführt, die Zugstangen sind im Querschnitt runde Stäbe. Der Bohrungsdurchmesser entspricht möglichst genau dem Stangendurchmesser, sodass die Zugstangen nur mit minimalem Spiel in dem Blechpaket aufgenommen sind. Dies stellt sicher, dass das Metallvolumen des Blechpakets durch ein zu großes Spiel innerhalb der Durchbrechungen nicht unnötig verringert wird.
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Zur axialen Verspannung des Blechpakets ist es erforderlich, die Zugstangen an beiden Paketseiten axial festzulegen, also zu arretieren. Die Arretierung kann dabei auf unterschiedliche Weise erfolgen. Gemäß einer ersten Erfindungsvariante kann die Arretierung der Zugstangen über auf endseitige Gewindeabschnitte der Zugstangen aufgeschraubte Muttern erfolgen. Das heißt, dass zum Arretieren lediglich zwei endständige Muttern aufgeschraubt werden müssen, die axial abgestützt werden, wobei je nachdem, wie stark die Muttern angezogen werden, die Vorspannkraft variiert werden kann. Alternativ ist es auch denkbar, jede Zugstange über eine durch Umformung erzeugte Formschlussverbindung zu arretieren. Diese Formschlussverbindung kann beispielsweise durch Clinchen erwirkt werden.
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Dabei kann gemäß einer ersten Erfindungsausgestaltung jede Mutter oder Formschlussverbindung in einer, in einer axialen Stirnfläche des Blechpakets vorgesehenen, Ausnehmung vertieft angebracht werden. Die Mutter respektive Formschlussverbindung ist also an den Stirnflächen vertieft gesetzt. Sie greift also nicht an der äußersten Blechlage an, sondern an einer etwas im Paketinneren liegenden Blechlage, wo sie axial abgestützt ist. Die wenigen äußeren, hierüber nicht unmittelbar verspannten Blechlagen können ohne weiteres über die einzelnen Wicklungen selbst axial verspannt werden. Diese axiale Verspannung kann über regelmäßig auf die axialen Stirnflächen des Blechpakets aufgesetzte Sternscheiben erfolgen, die in die einzelnen Wicklungen mit eingewickelt sind, von diesen also umschlossen sind. Die Sternscheiben werden nicht über die Zugstangen mit verspannt, sondern werden anderweitig fixiert, in jedem Fall aber über die Wicklungen axial gegen den Pol gespannt. Durch die versenkte Anordnung der Muttern oder Formschlussverbindungen ist eine flächige Anlage der Sternscheibe an der Blechpaketstirnseite möglich.
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Alternativ ist es auch denkbar, dass vor dem Arretieren der Zugstangen an beiden Seiten des Blechpakets jeweils eine Sternscheibe axial aufgesetzt wird, wobei jede Mutter oder Formschlussverbindung entweder in einer axialen Stirnfläche der Sternscheibe vorgesehenen Ausnehmung vertieft angebracht wird oder auf der axialen Stirnseite der Sternscheibe aufsitzt. Hier ist demzufolge der gesamte axiale Aufbau bestehend aus den beiden Sternscheiben sowie dem Blechpaket axial über die Zugstangen verspannt, wobei die entsprechenden Arretierverbindungen, also Muttern oder Formschlussverbindungen, entweder an der Sternscheibe vertieft angeordnet sein können oder axial aufsitzen können.
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Weiterhin ist es denkbar, die Zugstangen nach dem Bewickeln der Pole aus ihrer Arretierung zu lösen und dem Blechpaket zu entnehmen. Dies ist dann möglich, wenn die Zugstangen in einer Position an den Polen sind, in der sie nicht von der Wicklungen axial gesehen umwickelt sind. Sind die Zugstangen an den radial äußeren Kopfenden der im Querschnitt regelmäßig T-förmigen Pole angeordnet, so werden sie nicht mit umwickelt, können also bei Bedarf wieder gezogen werden. Alternativ können sie natürlich auch in ihrer Position verbleiben.
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Neben dem Verfahren selbst betrifft die Erfindung ferner einen Rotor, hergestellt nach dem beschriebenen Verfahren.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, umfassend einen derartigen Rotor.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen sowie aus den Figuren. Diese zeigen schematisch:
- 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Rotors während seiner Montage in einer Explosionsdarstellung
- 2 eine vergrößerte Teilansicht eines Blechs des Blechpakets,
- 3 der geschnittene Darstellung des Rotor aus 1 im fertig montierten Zustand mit angedeuteten Wicklungen,
- 4 den erfindungsgemäßen Rotor mit ausgesetzten Sternscheiben und angedeuteten Wicklungen,
- 5 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors ohne dargestellte Wicklungen, und
- 6 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors.
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1 zeigt zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Explosionsdarstellung einen Rotor 1 während der Montage. Der Rotor 1 weist eine hier hohle Welle 2 auf, auf der ein Blechpaket 3 bestehend aus einer Vielzahl, üblicherweise mehrere hundert einzelnen Blechen 4 angeordnet ist. Das Blechpaket 3 ist auf die Welle 2 in an sich bekannter Weise aufgeschrumpft.
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Zwischen den Blechen 4 sind Luftspalte 5 gegeben, die aus Darstellungszwecken in der Prinzipdarstellung übertrieben groß dargestellt sind. Diese Luftspalte 5 resultieren aus Stanzgraten, die beim Stanzen der einzelnen Bleche 4 aus einem Blechband am Stanzabriss bestehen bleiben und über die die einzelnen benachbarten Bleche 4 aneinander anliegen. Aufgrund dieser Stanzgrate können sie nicht luftspaltfrei auf die Welle 2 gesetzt werden. Die Luftspalte 5 liegen im Bereich weniger µm, sie sind, wie beschrieben, in 1 übertrieben deutlich dargestellt.
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Gezeigt ist ferner, dass am Blechpaket mehrere Pole 6 ausgebildet sind, wozu, wie 2 jedes einzelne Blech 4 einen entsprechenden Polabschnitt 5 aufweist, der quasi einen T-förmigen Querschnitt zeigt, sodass, von Stirnseite des Blechpakets 3 gesehen, der jeweilige Pol 6 ebenfalls im Querschnitt T-förmig ist. An jedem Pol 6 sind entsprechende Wickelnuten 8 ausgebildet, in die eine nachfolgend aufzubringende Drahtwicklung zur Bildung der jeweiligen Wickelung eingewickelt wird.
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Das Blechpaket 3 respektive jedes Blech 4 weist des Weiteren im Bereich des Pols 6 beziehungsweise Polabschnitts 7 eine Durchbrechung 9 in Form einer kreisrunden Bohrung auf, wobei einige wenige endständige Bleche 4 im gezeigtem Ausführungsbeispiel auch eine vergrößerte Durchbrechung 10, wie in 2 gestrichelt dargestellt, aufweisen, die, wie nachfolgend noch beschrieben wird, der versenkten Aufnahme einer Mutter dient. Die Bleche 4 sind so angeordnet, dass die Durchbrechungen 9 beziehungsweise 10 allesamt miteinander fluchten, sodass sich eine durch das Blechpaket 3 durchlaufende Durchbrechung 11 ausbildet. Diese Durchbrechung 11 dient dem axialen Verspannen des noch nicht luftspaltfreien Blechpakets 3 gem. 1. Hierzu dienen Zugstangen 12, wie in 1 dargestellt. Die Zugstangen, ebenfalls rund im Querschnitt, sind an ihrem Ende mit einem Gewinde 13 versehen, sodass eine entsprechende Mutter 14 aufgeschraubt werden kann. Nach Aufschrumpfen des Blechpakets 3 (in einer Verfahrensvariante aber auch möglicherweise bereits vor dem Aufschrumpfen des Blechpakets 3), wenn also die einzelnen Bleche 4 hintereinander gestapelt sind, werden die Zugstangen 12 in die jeweiligen Durchbrechungen 11 eingeschoben und die Muttern 14 endseitig aufgeschraubt. Die Muttern 14 werden entsprechend angezogen, sodass das gesamte Blechpaket 3 axial verspannt wird, wie in 3 gezeigt ist. Dies führt dazu, dass die Bleche 4, zumindest im Bereich der Pole 6, axial nahezu oder vollständig luftspaltfrei gegeneinander gepresst werden, also das Blechpaket 3 axial verspannt wird. Dies bewirkt, dass beim anschließenden, also nach diesem axialen Verspannen erfolgenden Umwickeln der Pole mit einem Draht zur Ausbildung der jeweiligen polseitigen Wicklung 15 eine Geometrieänderung des Blechpakets 3 im Bereich des Pols 6 nicht mehr möglich ist und demzufolge die Drahtspannung in jeder Drahtwicklung auch bei fortschreitendem Wicklungsgang unverändert bleibt. In 3 sind zwei eingewickelte Wicklungen 15 gestrichelt dem Prinzip nach dargestellt. Tatsächlich verlaufen die einzelnen Drahtwicklungen respektive Wicklungslagen in den jeweiligen Wickelnuten 8. Da die axiale Vorspannung, die über die verschraubten Zugstangen 12 auf das Blechpaket 3 ausgeübt wird, mindestens gleich, vorzugsweise aber größer ist als die gesamte axiale Vorspannung, die über die einzelnen Wicklungen 15 respektive die Gesamtheit der einzelnen Wicklungslagen einer Wicklung 15 auf den jeweiligen Pol 6 aufgebracht werden, ist sichergestellt, dass diese wicklungsseitige Vorspannkraft nicht dazu führt, dass es wicklungsbedingt noch zu einer weiteren Kompaktierung des bereits verspannten Pols 6 kommt.
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4 zeigt den Rotor 1 der vorstehenden Figuren, wobei hier zusätzlich zwei an den axialen Stirnseiten angesetzte Sternscheiben 16 gezeigt sind, die in die jeweiligen Wicklungen 15 gemäß 3 mit eingewickelt sind. Durch das versenkte Anordnen der Muttern 14 kann die jeweilige Sternscheibe 16 plan auf die Stirnseite des Blechpakets 3 aufgesetzt werden, sie sind also axial bestmöglich am Blechpaket 3 abgestützt. Beim Umwickeln zur Bildung der Wicklung 15 ergibt sich demzufolge auch im Bereich der Sternscheiben 16 und deren Abstützung keine weitere Geometrieänderung, die sich in irgendeiner Weise negativ auf die Spannung der Wickellagen auswirken würde.
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5 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Rotors 1, dessen Aufbau insoweit dem aus den vorstehenden Figuren entspricht. Bei dieser Variante sind jedoch alle Bleche 4 identisch ausgeführt und weisen allesamt nur die kleinere Durchbrechung 9 respektive Bohrung auf, in die die Zugstange 12 eingesetzt ist. Die Zugstange 12 ist hier jedoch länger, sie erstreckt sich auch durch entsprechende Bohrungen in den endständigen Sternscheiben 16. Die jeweiligen Muttern 14 sind hier in entsprechenden Vertiefungen 17 an den jeweiligen Sternscheiben aufgenommen, also wiederum versenkt angeordnet und axial an den Sternscheiben 16 abgestützt. Montagetechnisch bedeutet dies, dass die Sternscheiben 16 vor dem Setzen der Zugstangen 12 und Verschrauben über die Muttern 14 positioniert werden, anders als beim Ausführungsbeispiel zur ersten Variante, wo die Sternscheiben 16 erst nach dem Verspannen des Blechpakets positioniert werden. Gleichwohl wird auch bei dieser Variante, da die Sternscheiben 16 axial unmittelbar und flächig auf den axialen Stirnflächen des Blechpakets abgestützt sind, auch hier eine nahezu vollständige oder vollständige luftspaltfreie Kompaktierung des Blechpakets 3 erreicht.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit die Zugstangen 12 nebst Muttern 14 im Rotor auch nach dem Aufbringen der Wicklungen 15 zu belassen, was zwingen ist, wenn die Muttern 14 axial überwickelt sind. Denkbar wäre es aber auch, wenn die Durchbrechungen 11 radial außen liegend im nicht bewickelten Bereich der Pole 6 sind, die Muttern 14 auch wieder zu lösen und die Zugstangen 12 zu entnehmen. An der Geometrie des Blechpakets 3 ändert sich hierdurch nichts, da das Blechpaket über die jeweiligen straff umwickelten Wicklungen 15 axial verspannt und fixiert ist.
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Eine solche Variante eines Rotors ist, neben der Ausgestaltung nach 1, in 6 gezeigt. Die Durchbrechungen 11 und damit die Zugstangen 12 liegen hier weiter außen an den Polen, so dass sie nicht umwickelt sind. Die Muttern 14 sind auch hier beispielhaft stirnseitig aufliegend an der jeweiligen Sternscheibe 16 angeordnet. Denkbar wäre auch eine vertiefte Anordnung. In jedem Fall sind die Muttern auch nach dem Bewickeln zugänglich und können daher nachträglich gelöst werden, so dass die Zugstangen 12 entfernt werden können, wodurch das Gewicht des Rotors 1 reduziert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2608363 A1 [0005]
- US 20110074242 A1 [0006]
