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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer Drehmaschine.
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Hintergrund
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Ein Rotor eines Elektromotors ist durch Schichten einer großen Anzahl von magnetischen Stahlblechen ausgebildet, und ein Magnet ist in eine Öffnung, die in einer axialen Richtung vorgesehen ist, eingebettet. Ferner sind Endplatten an beiden Endflächen des Rotors angeordnet, um zu verhindern, dass der Magnet abfällt.
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Beispielsweise ist eine Struktur der Endplatten so vorgesehen, dass eine Harzendplatte an einem Ende des Rotors angeordnet ist und eine Endplatte einer integralen Struktur, die aus einem Harzendring und einem Metallendring aufgebaut ist, an dem anderen Ende angeordnet ist.
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Die
JP 2004 222 348 A offenbart beispielsweise einen Rotor für einen Elektromotor mit geringem Gewicht und der Möglichkeit, eine Auswuchtung vorzunehmen, wobei eine Endplatte, die einen geschichteten Eisenkern mit darin eingebetteten Magneten in axialer Richtung abgrenzt, eine integrierte Struktur mit einem harzhaltigen Endring und einem metallischen Endring aufweist. Ein einfach zu montierender und zu demontierender Rotor, der beidseitig des Rotorkerns jeweils Endplatten und Halteringe aufweist, die ein Herausfallen der Magneten aus dem Rotorkern verhindern, ist aus der
CN 2 02 550 727 U bekannt.
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Ein leichter und kostengünstiger Motor, der in der Lage ist ein Herausfallen der Permanentmagnete zu verhindern und eine geeignete Gewichtsverteilung zu realisieren, ist aus der
US 2009 0 315 423 A1 bekannt.
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Eine rotierende elektrische Maschine, die geeignet ist ein Drehmoment von einer Welle auf einen Ringkern effizient zu übertragen, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Maschine ist aus der
DE 11 2009 004 504 T5 bekannt.
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Ein Rotor für eine elektrische Maschine, bei dem das Magnetelement an mindestens einem in Axialrichtung liegenden Ende mittels einer elastischen Deckscheibe befestigt ist, um thermische Spannungen zwischen den aus unterschiedlichen Materialien hergestellten Teilen auszugleichen, ist aus der
DE 103 48 394 A1 bekannt.
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Ein Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine mit einem Endflächenelement, das einen Presspassungsabschnitt umfasst, an den die rotierende Welle gepresst wird, wobei das Endflächenelement mittels des Presspassungsabschnitts an einer Endfläche des Rotorkerns befestigt ist, aus der die rotierende Welle herausragt, ist aus der
EP 2 560 268 A2 bekannt.
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Technisches Problem
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Die Endplatten, die an den beiden Endflächen des Rotors des Elektromotors vorgesehen sind, sind aus einem nicht-magnetischen Material gefertigt, um einen Kurzschluss zwischen Magnetpolen zu vermeiden. Ein austenitisches rostfreies Material wird oft als das nicht-magnetische Material verwendet.
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Das rostfreie Material der Endplatten weist allerdings für eine Eisenwelle des Rotors einen hohen Grad der Wärmeausdehnung auf. Folglich besteht im Fall eines Magneten, dessen Temperatur sich ändert, ein Problem darin, dass sich ein Festsitz (interference) einer Schrumpfpassung zwischen der Endplatte und der Welle lockert, wenn die Endplatte, die mittels einer Presspassung an der Welle befestigt ist, einer Wärmeausdehnung unterzogen wird, und der Motor leerläuft.
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Die Erfindung wurde im Hinblick auf das oben dargelegte Problem getätigt und stellt einen Rotor für eine Drehmaschine bereit, bei dem das Lösen eines Festsitzes unterbunden werden kann, indem der Einfluss einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen einer Endplatte und einer Welle vermindert wird.
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Lösung des Problems
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Ein Rotor einer Drehmaschine der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser aufweist: eine Welle; einen Rotorkern, der an der Welle fixiert ist; ein ringförmiges Befestigungselement, das mittels einer Presspassung an der Welle befestigt ist, um eine Position des Rotorkerns in einer axialen Richtung der Welle zu begrenzen; und eine Endplatte, die an einer Außenumfangsseite des Befestigungselements fixiert ist, um eine Position eines Magneten, der in den Rotorkern eingebettet ist, in der axialen Richtung zu begrenzen, und wobei dieser dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Wert eines linearen Ausdehnungskoeffizienten des Befestigungselements ein Zwischenwert zwischen einem linearen Ausdehnungskoeffizienten der Welle und einem linearen Ausdehnungskoeffizienten der Endplatte ist und Einflüsse einer Differenz bzw. eines Unterschieds der Wärmeausdehnung zwischen der Welle und der Endplatte durch das Befestigungselement vermindert werden.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Ein Rotor einer Drehmaschine der Erfindung ist auf eine solche Weise aufgebaut, dass ein Befestigungselement die Rolle eines Zwischenelements spielt, und folglich besteht eine vorteilhafte Wirkung darin, dass eine Endplatte auf eine stabile Weise an einer Welle fixiert bzw. befestigt werden kann, selbst wenn die Temperatur schwankt.
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Die obige und andere Aufgaben, Charakteristika, Perspektiven und vorteilhafte Wirkungen der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung deutlicher, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu nehmen ist.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Querschnitt eines Hauptabschnitts einer Drehmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
- 2 ist ein Querschnitt eines Hauptabschnitts des Rotors der Drehmaschine gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
- 3 ist ein Querschnitt eines Hauptabschnitts eines Rotors einer Drehmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
- 4 ist ein Querschnitt eines Hauptabschnitts eines Rotors der Drehmaschine gemäß der zweiten Ausführungsform in einer alternativen Anordnung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Erste Ausführungsform
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Es werden ein Rotor und eine Drehmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der 1 und 2 beschrieben.
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1 ist ein Querschnitt eines Hauptabschnitts einer Drehmaschine (im Folgenden als Motor bezeichnet) 100. 2 ist ein Querschnitt eines Hauptabschnitts eines Rotors (im Folgenden als Rotor bezeichnet) 10 des Motors 100.
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Wie es in 1 gezeigt ist, ist ein Rotorkern 1, der durch Schichten von magnetischen Stahlblechen ausgebildet ist, mittels Presspassung oder Schrumpfpassung an eine Welle 4 befestigt. An beiden Endflächen des Rotorkerns 1 ist ein ringplattenförmiges Befestigungselement 3, das eine Bewegung des Rotorkerns 1 in einer axialen Richtung begrenzt, mittels einer Presspassung befestigt. Wie es in 2 gezeigt ist, ist ein maximaler Durchmesser des ringplattenförmigen Befestigungselements 3 festgelegt, um kleiner als eine radiale Abmessung des Rotorkerns 1 zu sein. An beiden Endflächen des Rotorkerns 1 ist eine Endplatte 2, die eine konzentrische ringförmige Platte ist, mittels einer Presspassung an einer Außenumfangsseite des Befestigungselements 3 befestigt.
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In dem Rotor 10 sind, wie es in 2 gezeigt ist, die Endplatten 2 an zwei Punkten in der axialen Richtung der Welle 4 angeordnet, und der Rotorkern 1 ist angeordnet, um zwischen den beiden Endplatten 2 sandwichartig vorgesehen zu sein.
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Die Endplatten 2 stehen mit beiden axialen Enden eines Magneten 5, der in dem Rotorkern 1 eingebettet ist, in Kontakt. Ferner sind die Endplatten 2 an der Welle 4 mittels der Befestigungselemente 3 befestigt. Folglich sind Bewegungen des Magneten 5 in der axialen Richtung begrenzt, wodurch vermieden wird, dass sich der Magnet 5 in der axialen Richtung verschiebt.
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Gemäß der Erfindung ist die Endplatte 2, wie es in 2 gezeigt ist, ein ringförmiges Element, das im Wesentlichen einen L-förmigen Querschnitt hat und mit einem Außenumfang des Befestigungselements 3 und der Endfläche des Magneten 5 in dem Rotorkern 1 in engem Kontakt steht. Hier ist die Endplatte 2 aus einer flachen Platte gefertigt, die dünner als das Befestigungselement 3 ist. Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass die Endplatten 2 irgendeine Form haben können, die sich von der, die in 2 gezeigt ist, unterscheidet. Gleichermaßen kann die Form des Befestigungselements 3 der Erfindung, das beispielhaft wie eine Ringplatte geformt ist, abgeändert werden. Modifikationen dieser Komponenten werden unten im Rahmen einer zweiten Ausführungsform beschrieben.
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Ferner wird zunächst das Befestigungselement 3 an der Welle 4 befestigt, gefolgt von der Endplatte 2. Genauer gesagt wird das Befestigungselement 3 an der Außenumfangsseite der Welle 4 befestigt und wird die Endplatte 2 an der Außenumfangsseite des Befestigungselements 3 befestigt, so dass alle befestigt bzw. fixiert sind, während alle in einer radialen Richtung ausgerichtet sind. In anderen Worten ist das Befestigungselement 3 an einen Bohrungsdurchmesser der Endplatte 2 angepasst und ist die Welle 4 an einen Bohrungsdurchmesser des Befestigungselements 3 angepasst.
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Ein Material der Welle 4 ist beispielsweise ein magnetischer Eisenkörper, wie beispielsweise Stahl. Die Endplatte 2 in Kontakt mit dem Magneten 5 ist ein nicht-magnetischer Körper, der ein Entweichen eines Magnetflusses unterbindet. Das Befestigungselement 3 ist ein magnetisches Stahlblech. Beispielsweise ist die Endplatte 2 aus einer dünnen Platte, etwa 2 bis 5 mm, gefertigt, wie es in 2 gezeigt ist, wobei der Querschnitt im Wesentlichen L-förmig ausgebildet ist. Bezüglich der Endplatte 2 steht ein ebener Abschnitt senkrecht zur Achse in Kontakt mit der Seitenfläche des Magneten 5, und ein ebener Abschnitt, der sich in der axialen Richtung entlang der Seitenfläche der Welle 4 erstreckt, steht mit der Außenfläche des Befestigungselements 3 in Kontakt.
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Gemäß der ersten Ausführungsform ist der Grad des Vorsprungs der Endplatte 2 in der axialen Richtung vergleichbar mit der Dicke des Befestigungselements 3.
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Ferner ist das Befestigungselement 3, das als ein Zwischenelement zwischen der Welle 4 und der Endplatte 2 dient, so ausgewählt, dass ein linearer Ausdehnungskoeffizient gleich einem Zwischenwert zwischen linearen Ausdehnungskoeffizienten der Welle 4 und der Endplatte 2 wird.
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Beispielsweise wird unter der Annahme, dass der lineare Ausdehnungskoeffizient des Befestigungselements 3 gleich dem der Welle 4 ist, erwartet, dass sich ein Grad der Anpassung zwischen dem Befestigungselement 3 und der Endplatte 2 bei einer Temperaturänderung verringert. Demgegenüber wird unter der Annahme, dass der Wert des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Befestigungselements 3 gleich dem der Endplatte 2 ist, erwartet, dass sich der Grad der Anpassung zwischen der Welle 4 und dem Befestigungselement 3 bei einer Änderung der Temperatur verringert.
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Durch Festlegen des Werts des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Befestigungselements 3 auf einen Zwischenwert zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten der Welle 4 und der Endplatte 2, wie in der ersten Ausführungsform der Erfindung, werden eine Differenz des linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Welle 4 und dem Befestigungselement 3 und eine Differenz des linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Befestigungselement 3 und der Endplatte 2 kleiner gemacht als eine Differenz der linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Welle 4 und der Endplatte 2. Folglich werden Einflüsse einer Differenz der Wärmeausdehnung zwischen der Welle 4 und der Endplatte 2 verringert, und folglich kann ein Lösen bzw. Lockern des Festsitzes unterbunden werden.
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Ein linearer Ausdehnungskoeffizient ist ein Wert, der eine Änderung der Länge eines Materials kennzeichnet, die bei einer Temperaturänderung auftritt, und ein Wärmeausdehnungskoeffizient (Grad der Wärmeausdehnung) ist ein Wert, der eine Änderung des Volumens kennzeichnet.
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In einem Fall, in dem die Endplatte eine Endplatte ist, die aus einem nicht-magnetischen Körper gefertigt ist und direkt an eine Eisenwelle angepasst und daran befestigt ist, verringert sich der Festsitz (interference) und die Endplatte kann sich möglicherweise in einer Drehrichtung verschieben, während der Motor läuft, wenn die Temperatur des Motors ansteigt. In einem Fall, in dem ein Ausgleich des Rotors durch die Endplatten beibehalten wird, werden anormale Geräusche und Schwingungen erzeugt, wenn die Endplatte sich in der Drehrichtung verschiebt bzw. wenn sich deren Ausrichtung in der Drehrichtung verändert. Folglich entsteht ein Problem darin, dass sich die Motorleistung verschlechtert. Um zu vermeiden, dass sich die Endplatte dreht, wenn die Temperatur groß ist, ist eine exakte Kontrolle der Abmessung bezüglich des Presspassabschnitts erforderlich. Eine solche Forderung bringt das Problem mit sich, dass der Rotor nicht mit geringen Kosten hergestellt werden kann. All diese Probleme können allerdings durch Anwenden der Struktur des Rotors 10 der Drehmaschine gemäß der Erfindung gelöst werden.
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Gemäß der Struktur des Rotors 10 der Erfindung hat das Befestigungselement 3, das als ein Zwischenelement zwischen der Welle 4 und der Endplatte 2 dient, einen linearen Ausdehnungskoeffizienten, der zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten der Welle 4 und der Endplatte 2 liegt. Folglich kann eine Verringerung des Festsitzes einer Komponente, die an der Welle 4 mittels einer Presspassung befestigt ist, unterbunden werden, selbst wenn die Temperatur des Motors stark ansteigt. Folglich kann ein Motor mit einer stabilen Leistung bereitgestellt werden.
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Insbesondere kann bei dem Rotor 10 der Erfindung eine Verringerung des Festsitzes unterdrückt werden, selbst wenn die Temperatur des Motors 100 stark ansteigt, durch Befestigen der Endplatte 2 an der Welle 4 mittels einer Presspassung, über das Befestigungselement 3. Folglich verschiebt sich die Endplatte 2 in der Drehrichtung nicht, während der Motor 100 läuft. Da die Endplatte 2 sich nicht in der Drehrichtung verschiebt, werden ferner keine anormalen Geräusche und Schwingungen erzeugt, selbst in einem Fall, in dem ein Ausgleich des Rotors 10 durch die Endplatten 2 beibehalten wird. Im Vergleich mit einem Fall, in dem die Endplatte direkt mittels einer Presspassung an der Welle befestigt ist, ist eine exakte Kontrolle der Abmessung bezüglich der Presspassabschnitte folglich nicht erforderlich, wenn das Befestigungselement 3 mittels einer Presspassung an die Welle 4 befestigt wird und die Endplatte 2 mittels einer Presspassung an das Befestigungselement 3 befestigt wird. Der Rotor 10 kann folglich mit geringen Kosten hergestellt werden.
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Zweite Ausführungsform
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Im Rahmen einer zweiten Ausführungsform werden Modifikationen des Befestigungselements 3 und der Endplatte 2 beschrieben, die in der ersten Ausführungsform oben beschrieben sind.
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3 ist ein Querschnitt eines Rotors 10 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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In der ersten Ausführungsform oben ist das Befestigungselement 3 wie eine Ringplatte geformt. Demgegenüber, wie es in 3 gezeigt ist, die einen Querschnitt eines Hauptabschnitts des Rotors 10 darstellt, weist ein Befestigungselement 3a eine Ringform auf, die im Wesentlichen einen U-förmigen Querschnitt hat, und ist aus einer dünnen Platte, die aus einem Metallmaterial gefertigt ist, hergestellt.
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Das Befestigungselement 3a, das im Wesentlichen einen U-förmigen Querschnitt aufweist, ist auf eine solche Weise angeordnet, dass sich drei Ebenen an der Außenseite mit einer Außenfläche der Welle 4, einer Endfläche des Rotorkerns 1 in der axialen Richtung und einer Innenfläche der Endplatte 2 entlang eines Bohrungsdurchmessers entsprechend in Kontakt befinden.
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Kurz gesagt ist die Welle 4 mittels einer Presspassung an einer Innenseite eines dünnen ringförmigen Abschnitts des Befestigungselements 3a an einer Innenumfangsseite des Rotors 10 befestigt. Ferner ist die Endplatte 2, die eine konzentrische ringförmige Platte ist, mittels einer Presspassung an einen dünnen ringförmigen Abschnitt des Befestigungselements 3a an einer Außenumfangsseite des Rotors 10 befestigt.
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Wie es in der ersten Ausführungsform oben beschrieben wurde, erzeugt in einem Fall, in dem das Befestigungselement 3 solide bzw. fest ist (wie eine einfache flache Platte gestaltet), ein zu starker Festsitz eine Belastung entlang des Umfangs, die größer als ein zulässiger Materialwert ist, wenn das Befestigungselement 3 an die Welle 4 mittels einer Presspassung befestigt wird. Es ist folglich schwierig, Abmessungen der Komponenten zu kontrollieren. In einem solchen Fall wird die Kontrolle der Abmessung gemäß der ersten Ausführungsform oben durch Auswählen eines Materials des Befestigungselements 3 unter Verwendung eines Werts des linearen Ausdehnungskoeffizienten als ein Parameter vereinfacht.
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Demgegenüber wendet die zweite Ausführungsform eine Zwischenelementstruktur an, bei der sich die Belastung entlang des Umfangs kaum erhöht, durch Verringerung einer Dicke des Presspassabschnitts des Befestigungselements 3a bezüglich der Welle 4 und einer Dicke des Presspassabschnitts des Befestigungselements 3a bezüglich der Endplatte 2. Durch Verwendung einer dünnen Platte als ein Material für das Befestigungselement 3a kann der Festsitz vergrößert werden, während die Belastung entlang des Umfangs im Vergleich mit einem Fall unterdrückt wird, bei dem ein dickes Material verwendet wird. Folglich kann eine Differenz der Abweichung des Festsitzes, die aus einer Differenz der linearen Ausdehnungskoeffizienten herrührt, durch Verringern einer Dicke des Materials des Befestigungselements 3a absorbiert werden.
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Durch Zwischenstellen des Befestigungselements 3a, das aus einer dünnen Platte gefertigt ist, als ein Zwischenelement zwischen der Welle 4 und der Endplatte 2 auf diese Weise, können Einflüsse einer Differenz bezüglich der Wärmeausdehnung zwischen der Welle 4 und der Endplatte 2 verringert werden.
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Alternativ, wie es in 4 gezeigt ist, kann das Befestigungselement 3a umgedreht werden und an der Welle 4 befestigt werden, so dass das Befestigungselement 3a in dem Rotor 10 als Befestigungselement 3b angeordnet ist.
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Das Beispiel der 3 zeigt einen Fall, in dem das Befestigungselement 3a, das aus einer dünnen Platte gefertigt ist, die im Wesentlichen einen U-förmigen Querschnitt hat, so angeordnet ist, dass sich eine Ebene mit einer Seitenfläche des Rotorkerns 1 in Kontakt befindet. Auf der anderen Seite zeigt das Beispiel der 4 einen Fall, in dem Ebenen des Befestigungselements 3b, das aus einer dünnen Platte gefertigt ist, die im Wesentlichen einen U-förmigen Querschnitt aufweist, sich mit einer Außenfläche der Welle 4 und einer Innenfläche der Endplatte 2 (oder 2a oder 2b) in Kontakt befinden, wobei vermieden wird, dass das Befestigungselement 3b in einen Flächenkontakt mit einer Endfläche (Fläche senkrecht auf der Achse) eines Rotorkerns 1 gerät. Selbst wenn das Befestigungselement 3b auf diese Weise angeordnet wird, können vorteilhafte Wirkungen, wie die der Befestigungselemente 3 und 3a, erhalten werden.
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1 bis 3 zeigen eine Endplatte, die aus einer dünnen Platte gefertigt ist, die im Wesentlichen einen L-förmigen Querschnitt hat, beispielhaft als die Endplatte 2. Allerdings kann auch die ringplattenförmige Endplatte 2b, wie es in 4 gezeigt ist, verwendet werden.
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In beiden Fällen befindet sich ein vorderes Ende des U-förmigen Querschnitts des Befestigungselements 3a oder 3b in einem Zustand, bei dem dieses näher an der dünnen Platte liegt, und eine Belastung entlang des Umfangs in diesem Abschnitt ist verringert. Folglich kann gesagt werden, dass beide Formen für ein Zwischenelement geeignet sind.
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Dritte Ausführungsform
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Gemäß der ersten Ausführungsform oben wurde beschrieben, dass ein Wert des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Befestigungselements 3 ein Zwischenwert zwischen denen der Welle 4 und der Endplatte 2 ist und dass ein magnetisches Stahlblech für das Befestigungselement 3 verwendet wird. Gemäß der zweiten Ausführungsform oben wurde beschrieben, dass die Befestigungselemente 3a und 3b aus einer dünnen Platte gefertigt sind, die im Wesentlichen einen U-förmigen Querschnitt hat. Gemäß einer dritten Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, bei dem ein Federmaterial für das Befestigungselement 3 (3a oder 3b) verwendet wird.
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Das Federmaterial, auf das hierin Bezug genommen wird, ist ein Material, das eine Federeigenschaft hat und im Allgemeinen oft für eine Blattfeder (sheet spring) und als Unterlegscheibe verwendet wird. Vertreter dieser Materialien umfassen, sind darauf aber nicht beschränkt, einen Edelstahlstreifen für eine Feder, als SUS-Federmaterial bezeichnet, wie beispielsweise SUS304CSP und SUS301CSP.
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Durch Anwenden eines Federmaterials für das Befestigungselement 3 (3a oder 3b) kann eine Befestigungskraft durch die Federkraft des Federmaterials erhöht werden. Folglich können die Welle 4, das Befestigungselement 3 (3a oder 3b) und die Endplatte 2 (2b) fester fixiert werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die jeweiligen Ausführungsformen der Erfindung ohne Einschränkung kombiniert werden können und die jeweiligen Ausführungsformen je nach Erfordernis modifiziert werden können und Weglassungen haben können, innerhalb des Gegenstands der Erfindung.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Ein Rotor einer Drehmaschine der Erfindung kann als ein Rotor eines Elektromotors verwendet werden, der mit einer Endplatte ausgestattet ist, die verwendet wird, um zu vermeiden, dass ein Magnet sich löst bzw. abfällt.
