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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für elektronisch umgepolte Motoren.
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Elektronisch
umgepolte Motoren erfreuen sich bei vielen Anwendungen aufgrund
ihrer Effizienz und Einfachheit hinsichtlich der Drehzahleinstellung, die
sie bieten, zunehmender Beliebtheit.
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Bürstenlose
elektronisch umgepolte Motoren werden z. B. zum Betreiben hermetischer
Kompressoren von Haushaltskühleinrichtungen
und weiter für Anwendungen
bei industriellen Einrichtungen mit Hinblick darauf verwendet, ihren
Energieverbrauch zu verringern.
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Ein
Rotor für
elektronisch umgepolte Motoren dieser Art sowie Verfahren und die
Ausrüstung
zu dessen Herstellung, sind Gegenstand einer Vielzahl von Patentveröffentlichungen.
Insbesondere offenbaren US-A-5040286 und US-A-5237737 einen im Wesentlichen
geschlossenen Rotor mit einem zylindrischen Kern aus magnetischen
Stahlschichten, einer Mehrzahl magnetisierbarer gesinterter Segmente
in Form von Segmenten eines Zylinders, die etwa dieselbe Länge wie
der Kern aufweisen und dazu ausgelegt sind, durch Kleben mit dessen
Außenfläche verbunden
zu werden, einer haltenden Hülle,
die man aus einer geschweißten
Röhre aus
nicht magnetischem rostfreiem Stahl erhält, und abschließenden Verschlussringen
aus Aluminium.
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Die
oben erwähnte
haltende Hülle
weist einen Innendurchmesser auf, der kleiner ist als der Außendurchmesser
der Rotorunteranordnung, die durch den Kern und die magnetisierbaren
Segmente gebildet wird, und der größer ist als der Außendurchmesser
der abschließenden
Verschlussringe.
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Aus
EP-A-0459355 ist auch ein Rotor für einen elektronisch umgepolten
Motor bekannt, bei dem Druckelemente in Umfangsrichtung zwischen
einer Mehrzahl segmentförmiger
Permanentmagneten mit verschiedenen Polen angeordnet sind und ein
Gussmaterial in die Lücken
gefüllt
ist, in denen die Druckelemente untergebracht sind.
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Die
Nachteile, die mit diesen Lösungen
nach dem Stand der Technik verbunden sind, ergeben sich in der Hauptsache
aus der großen
Abmessungstoleranzen der magnetisierbaren Segmente, so dass der Druck,
der durch die haltende Hülle
ausgeübt
wird, spürbaren
Schwankungen ausgesetzt ist und der Klebstoff, welcher unter anderem
eine recht lange Zeit zum Aushärten
benötigt,
besonders vorsichtig aufgetragen werden muss, um sicherzustellen,
dass er die Lücken
oder kleinen Sockel, die speziell zu diesem Zweck vorgesehen sind,
richtig ausfüllt.
Weiter stellt sich die letztliche Form des Rotors, die durch die
Außenfläche der
haltenden Hülle
definiert ist, aufgrund der Tatsache, dass letztere wenigstens zum Teil
der eigentlichen Firm der magnetisierbaren Segmente folgen muss,
nur selten als mit der theoretischen, d. h. in der Praxis zylindrischen,
Form vereinbar heraus, was einige Balanceprobleme herbeiführt.
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Alle
diese Nachteile können
sich recht einfach anhäufen,
so dass sie ein nicht zu vernachlässigendes Problem bilden, wenn
die Rotoren mit großen Herstellungsmengen
von einigen Tausend Stück
pro Tag herzustellen sind, wie das z. B. im Falle von Motoren der
Fall ist, die verwendet werden, um die hermetischen Kompressoren
von Haushaltskühleinrichtungen
anzutreiben. Tatsächlich
erweist es sich unter diesen Bedingungen als recht schwierig, hohe
Qualität
und verringerte Herstellungskosten zu kombinieren.
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Es
ist ein Zweck der vorliegenden Erfindung, einen Rotor eines elektronisch
umgepolten Motors bereitzustellen, der sogar von einer An sein kann,
die sich von der bürstenlosen
unterscheidet, der sich zur Massenproduktion eignet und gleichzeitig
die Nachteile der Lösungen
des bekannten Standes der Technik beseitigt.
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Ein
weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
bereitzustellen, welches einen solchen Rotor in die Lage versetzt,
als Massenware mit hohen Qualitätsstandards,
mit verringerten Herstellungskosten und mit der Verwendung relativ einfacher
Werkzeuge und Ausrüstungen
hergestellt zu werden.
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Diese
und weitere Ziele werden erreicht, wenn der Rotor und das Verfahren
zu seiner Herstellung die Merkmale und Eigenschaften haben, die
in den anliegenden Ansprüchen
genannt sind.
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Die
Erfindung wird in jedem Falle aus der Beschreibung einiger ihrer
bevorzugten Ausführungsformen,
welche unten anhand eines nicht beschränkenden Beispiels mit Bezug
auf die beiliegenden Zeichnungen angegeben ist, besser zu verstehen und
zu schätzen
sein. In den Zeichnungen ist
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1 eine vereinfachte Explosionsansicht einer
ersten Ausführungsform
des Rotors eines elektronisch umgepolten Motors vom bürstenlosen
Typ;
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2 eine Ansicht des Rotors
von 1, entsprechend
seiner Drehachse betrachtet;
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3 eine Ansicht desselben
Rotors, betrachtet längs
der Querschnittslinie III-III von 2, bei
der jedoch einige Teile vereinfacht dargestellt sind;
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4 dieselbe Ansicht wie diejenige
ist, welche in 2 gezeigt
ist, sich jedoch auf eine zweite Ausführungsform des Rotors bezieht;
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5 eine dreidimensionale
Ansicht einer Magnetfesthaltefeder ist, die in beiden oben erwähnten Ausführungsformen
des Rotors verwendet werden kann;
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6 eine Längsansicht der in 5 gezeigten Feder ist;
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7 eine Querschnittansicht
der Feder der 5 und 6 ist.
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Wie
in 2 gezeigt und, obwohl
vereinfacht, auch in den 1 und 3, bildet eine zylindrische
Schichtfolge aus magnetischen Schichten in einer ersten Ausführungsform
den im Wesentlichen zylindrischen Kern 1 eines Rotors,
der so ausgelegt ist, dass er mit einer Welle (nicht gezeigt) zusammengeführt werden
kann, die in dem Fall, in welchem der Rotor Teil eines bürstenlosen
Motors ist, der zum Antreiben eines hermetischen Kühlmittelkom pressors für Kühleinrichtungen
gedacht ist, in allgemein bekannter Weise eine gemeinsame Welle
sowohl für den
Motor als auch für
den Kompressor ist. Jede Schicht ist so gestanzt, dass sichergestellt
ist, dass drei radiale Vorsprünge,
z. B. in Form eines V, und sechs Längskerben mit im Wesentlichen
rechteckiger Form entlang ihres Randes zusätzlich zu den gewöhnlichen
Kerben und Vorsprüngen
vorgesehen sind, welche zu Handhabungs- und Zentrierungszwecken
vorgesehen sind. Der Kern 1, den man durch Stapeln einer
Mehrzahl Schichten erhält,
ist in dieser Weise mit drei prismatischen Längsrippen 2, 3 und 4,
die in 120°-Winkeln
voneinander beabstandet sind, sowie mit zylindrischen Kanälen 27 versehen. Nur
die Rillen 14, 15, die zwischen den Längsrippen 2, 3 und 4 vorgesehen
sind, sind in 1 gezeigt, wohingegen
auch die Rillen 16, 17 und 18, 19,
die zwischen den zwei anderen Rippenpaaren 3, 4 bzw. 4, 2 vorgesehen
sind, in 2 gezeigt sind.
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Der
Rotor umfasst weiter folgendes:
- – drei Segmente
eines Zylinders 5, 6 und 7, welche aus
einem magnetisierbaren Material, vorzugsweise einem Sintermaterial
für Permanentmagneten,
bestehen, das dem Fachmann weitestgehend bekannt ist. Wie es weiter
unten in dieser Beschreibung genauer erläutert wird, sind die Segmente 5, 6 und 7 so
ausgelegt, dass sie an der Außenfläche des
Kerns 1 so fixiert werden können, dass sie eine so genannte
Rotorunteranordnung bilden. Aus diesem Grund weist jedes dieser
Segmente eines Zylinders 5, 6 und 7 einen Innendurchmesser,
der im Wesentlichen gleich dem Durchmesser der Außenfläche des
Kerns 1 in den Zonen ist, die zwischen den Längsrippen 2, 3 und 4 enthalten
sind, und eine Amplitude auf, die etwas weniger als 120° beträgt. Weiter
sind ihre Längskanten
mit Abschrägungen
versehen, die jeweils in Richtung der Drehachse X und der Außenseite
des Rotors (siehe 2)
ausgerichtet sind;
- – drei
Federklemmen 11, 12 und 13 aus Drahtsaitenstreifen,
die in dieser Beschreibung Zentrierfedern genannt werden. Wie im
vergrößerten Maßstab deutlich
zu sehen ist, der in 2 erscheint, wo
die zu der Rippe 4 gehörige
Federklemme 11 gezeigt ist, haben die Zentrierfedern 11, 12 und 13 einen
V-förmigen
Querschnitt, der der Form der Abschrägungen entspricht, die entlang
der Längskanten
der Seg mente eines Zylinders 5, 6, und 7 vorgesehen
sind, welche der Achse X des Rotors zugewandt sind. In jedem Fall
ist die Querabmessung T der Zentrierfedern 11, 12 und 13 nicht
kleiner als die Breite der Längsrippen 2, 3 und 4 (ungeachtet
der tatsächlichen
Form von solchen Rippen) entlang des Umfangs des Kerns 1,
wohingegen ihre Länge
vorzugsweise kleiner oder gleich der Höhe H des Kerns 1 ist
(siehe 1);
- – zwei
Endringe 8 und 9 aus einem nicht-magnetischen
Material, z. B. Aluminium, welche mit Zentrierausbuchtungen 28 und 29 versehen
sind;
- – eine
zylindrische Haltehülle 10 aus
einem nicht-magnetischen Material wie z. B. AISI 304-Stahl mit einer
Länge L,
die größer ist
als die Höhe
H des Kerns 1, und einem Innendurchmesser, der größer oder
gleich dem Außendurchmesser
der Ringe 8 und 9 ist;
- – eine
Mehrzahl gewellter Federklemmen, die in dieser Beschreibung als
Haltefedern bezeichnet und mit 21 bis 26 (siehe 2) bezeichnet sind, welche
aus einer Drahtsaite bestehen. Jede dieser Federn ist so ausgelegt,
dass sie in eine der Langrillen 14 bis 19 des
Kerns 1 eingeschoben werden kann. 3 zeigt z. B. die gewellte Feder 21,
die in die Rille 14 eingeschoben ist.
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Hinsichtlich
der Herstellung eines oben beschriebenen und in den 1 bis 3 gezeigten
Rotors umfasst ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren die folgenden
Phasen:
- 1) Realisierung des Kerns 1 durch
Stapeln einer Mehrzahl magnetischer Schichten, um die oben angedeuteten
Eigenschaften zu erhalten;
- 2) Einschieben der Haltefedern 21 bis 26 in
die Längsrillen 14 bis 19 des
Kerns 1;
- 3) Erstellen einer Rotorunteranordnung, die durch den Kern 1,
die Haltefedern 21 bis 26 und die längs der
Außenfläche des
Kerns 1 angeordneten Segmente eines Zylinders 5, 6 und 7 gebildet wird.
Aufgrund der Aktion, die durch die Haltefedern 21 bis 26 auf
die Segmente eines Zylinders 5, 6 und 7 ausgeübt wird,
wird diese Phase ohne Hilfe von Klebstoffen ausgeführt, anders
als es im Gegensatz dazu geschieht, wenn die Herstellungsverfahren
nach dem Stand der Technik verwendet werden, und dies stellt sich
als besonders vorteilig im Falle der sehr hohen Produktionsmengen
heraus, da es ermöglicht,
dass der Rotor mit deutlich erhöhten
Tagesproduktivitätsraten
hergestellt werden kann;
- 4) Einschieben der zylindrischen Hülle 10 entlang der
Drehachse X um die Rotorunteranordnung. Aufgrund der Anwesenheit
eines absichtlich vorgesehenen radialen Spiels, kann wegen des Innendurchmessers,
der für
die Hülle 10 gewählt wurde
und größer oder
gleich dem Außendurchmesser
der Rotorunteranordnung ist, sogar diese Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens
ausgeführt
werden, ohne irgendeiner besonderen Schwierigkeit zu begegnen, während wiederum ein
Beitrag zur Reduktion der Herstellungszeitanforderungen geleistet
wird. Die Außenfläche der Hülle 10 ist
auf diese Weise in der Lage, eine zylindrische Form zu behalten,
und als Ergebnis kann der Rotor viel einfacher ausbalanciert werden.
Die Haltefedern gleichen wiederum die Spiele in Längsrichtung
und in radialer Richtung aus, welche durch die verschiedenen Abmessungstoleranzen
der verschiedenen Teile eingebracht werden. Auf diese Weise kann
die Außenfläche der
Segmente eines Zylinders 5, 6 und 7 in
Kontakt mit der Innenfläche
der Hülle 10 bleiben,
wohingegen seine Innenfläche
auch von der Außenfläche des
Kerns 1 etwas beabstandet sein kann. Während des Betriebs des Motors
wird die Zentrifugalkraft auf diese Weise in dieselbe Richtung geführt wie
jene der Aktion, die durch die Haltefedern 21 bis 26 ausgeübt wird,
wodurch das Risiko minimiert wird, dass die Segmente eines Zylinders 5, 6 und 7 zusammenfallen,
wobei berücksichtigt
wird, dass, wenn diese Segmente aus gesintertem Metall bestehen,
diese eine relativ geringe mechanische Festigkeit aufweisen;
- 5) das Einschieben der Zentrierfedern 11, 12 und 13 entlang
der Drehachse X (was durch die in 1 auftretenden
drei parallelen Pfeile angedeutet ist), das von einer Stirnseite
der Hülle 10 begonnen
wird, um diese in die Lage zu versetzen, durch die Rippen 2, 3 und 4 gehalten
zu werden, und, wie es schon oben beschrieben wurde, um sie in die
Lage zu versetzen, mit den Abschrägungen, die der Achse X des
Ro tors zugewandt sind, die auf den fortgesetzten Längskanten
der Segmente eines Zylinders 5, 6 und 7 vorgesehen ist,
in Wechselwirkung zu treten. Eine genaue Beabstandung in Umfangsrichtung
zwischen den Segmenten eines Zylinders 5, 6 und 7 erhält man auf
diese Weise im Rotor ohne das Risiko, dass die Segmente miteinander
in Kontakt geraten, wobei die Beabstandung in Umfangsrichtung eine recht
wichtige Rolle dabei spielt zu ermöglichen, eine hohe elektrische
Effizienz des Motors zu erreichen;
- 6) das Einschieben der Ringe 8 und 9, um sie
in die Lage zu versetzen, mit den Stirnabschnitten des Kerns 1 in
Kontakt zu gelangen, ohne dass sie mit den Stirnabschnitten der
Hülle in
Wechselwirkung treten;
- 7) Verformung der Stirnabschnitte der Hülle in Umfangsrichtung auf
die Ringe 8 und 9, um sie in die Lage zu versetzen,
von Hand durch einen Gussfaltvorgang zusammengeführt zu werden, der eine zylindrische,
im Wesentlichen versiegelte Schale um den Kern 1 des Rotors
herbeiführt
(in diesem Zusammenhang sollte aus Gründen der Einfachheit dargelegt
werden, dass Rotor in 3 so
gezeigt ist, wie er vor erscheint, bevor diese Phase durchgeführt wird);
- 8) Magnetisierung des Rotors, um zu ermöglichen, dass die fortlaufenden
Längskanten
der Segmente eines Zylinders 5, 6, 7 entgegen
gesetzte magnetische Pole werden (siehe 1).
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Eine
zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rotors
ist in 4 gezeigt.
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Mit
Bezug auf die oben beschriebene erste Ausführungsform bleibt der Rotor
praktisch in seinen folgenden Merkmalen unverändert:
- – die drei
Segmente eines Zylinders, bestehend aus magnetisierbarem Material,
die jetzt durch die Bezugszeichen 31, 32 und 33 angedeutet
sind;
- – die
beiden Abschlussringe, bestehend aus einem nicht magnetischen Material,
von denen nur der eine gezeigt ist, der jetzt mit 34 bezeichnet
ist;
- – die
zylindrische Hülle,
welche auch aus einem nicht magnetischen Metallmaterial besteht
und jetzt mit 36 bezeichnet ist;
- - die Haltefedern, welche jetzt mit 37 bis 42 bezeichnet
sind.
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Verglichen
mit der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, führt die
zweite Ausführungsform
die folgenden Varianten ein:
- – der Kern 30,
welcher immer noch durch einen Stapel aus magnetischen Schichten
gebildet wird, ist zusätzlich
zu den Längsrillen,
die gleichmäßig voneinander
um einen Winkel von 60° beabstandet
sind und jetzt mit 43 bis 48 in der Figur bezeichnet
sind, für
die Haltefedern 37 bis 42 mit drei peripheren
Schlitzen 49, 50 und 51 versehen. Die
Schlitze, die einen Querschnitt im Wesentlichen in Form eines Ω aufweisen
und voneinander um einen Winkel von 120° beabstandet sind, erstrecken
sich für
eine relativ kurze radiale Länge, die
an der Außenfläche des
Kerns 30 beginnt;
- – die
drei Zentrierfedern, welche jetzt mit 52, 53 und 54 in
der Figur bezeichnet sind, haben einen Querschnitt in Form eines Ω und sind
so bemessen, dass sie in den peripheren Schlitzen 49, 50 und 51 des
Kerns 30 mit ihren Enden untergebracht werden können, die
zu der Form eines V gebogen sind, so dass sie dazu ausgelegt sind, mit
den Abschrägungen,
die der Achse des Rotors zugewandt und entlang der fortlaufenden Längskantender
Segmente eines Zylinders 31, 32 und 33 vorgesehen
sind, in Wechselwirkung zu treten. Diese Merkmale sind in dem Ausschnitt gezeigt,
der in 4 in einem vergrößerten Maßstab gezeigt
ist, der nur den Schlitz 49 und die dazu gehörende Zentrierfeder 52 mit
ihren gebogenen Endabschnitten 55 und 56 zeigt.
Aus Gründen
der Einfachheit werden hier die Teile nicht erwähnt, die hinsichtlich denen,
die schon in Verbindung mit der oben zitierten ersten Ausführungsform
beschrieben wurden, gleich oder unverändert sind, solange sie keine
direkte Relevanz zur vorliegenden Erfindung aufweisen.
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Das
Herstellungsverfahren für
diese zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rotors
ist im Wesentlichen dasselbe wie jenes, welches im Zusammenhang
mit der oben erwähnten
ersten Ausführungsform
beschrieben wurde, von dem es die grundlegenden Merkmale und besonderen
Vorteile behält. Insbesondere
wird das Einschieben der Hülle 36 um die
Rotorunteranordnung durch die Tatsache vereinfacht, dass der Innendurchmesser
von ersterer nicht kleiner ist als der Außendurchmesser der letzteren; die
Spiele in Längsrichtung
und in radialer Richtung, welche durch die unterschiedlichen Abmessungstoleranzen
der verschiedenen Teile des Rotors hervorgerufen werden, werden
durch die Haltefedern 37 bis 42 kompensiert, die
sicherstellen, dass die Außenfläche der
Segmente eines Zylinders 31, 32 und 33 in Kontakt
mit der Innenfläche
der Hülle 36 verbleiben kann;
die Aktion, die durch die gekrümmten
V-förmigen
Enden der Zentrierfedern 52, 53 und 54 aufgrund ihrer
Wechselwirkungen ausgeübt
werden, stellt sicher, dass eine genaue Beabstandung in Umfangsrichtung
zwischen den Segmenten eines Zylinders 31, 32 und 33 beibehalten
wird.
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Eine
Variante der obigen Ausführungsformen
ist in den 5 bis 7 gezeigt, in denen die Verwendung
vorteilhafterweise durch eine einzige Haltefeder 60, die
aus einer Stahlsaite besteht und in die Konfiguration eines „zylindrischen
Käfigs" geformt ist, anstelle
der Mehrzahl der oben beschriebenen elementaren Haltefedern vorgesehen
ist. Die Haltefeder 60 besteht aus:
- – ersten
sich parallel erstreckenden Teilen, die durch 61 bis 66 in
den Figuren bezeichnet sind, welche in gleicher Anzahl wie die entsprechenden Rillen
am Rand des Rotorkerns vorgesehen sind (d. h. sechs in diesem besonderen
Ausführungsbeispiel) – siehe 5 und 6;
- – zweien
Teilen in Form von Bögen
eines Kreises und bezeichnet mit 67 bis 72 in
den Figuren, welche in zwei Gruppen gleicher Anzahl zwischen den
Enden der ersten Teile 61 bis 66 unterteilt sind
(d. h. drei plus drei in diesem besonderen Ausführungsbeispiel) – siehe 5;
- – kurzen
radialen Verbindungsteilen, die mit 73 bis 84 in
den Figuren bezeichnet sind, welche zwischen den Enden von jedem
der Teile 61 bis 66 und der angrenzenden Teile 67 bis 72 vorgesehen sind
(siehe 7), so dass sie
natürlich
in einer Anzahl vorgesehen sind, die dem Doppelten ihrer Anzahl
entspricht (d. h. in der Anzahl von 12 in diesem Ausführungsbeispiel) – siehe 5.
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Weitere
Merkmale der Haltefeder 60 sind wie folgt:
- – sowohl
die ersten Teile 61 bis 66 als auch die zweiten
Teile 67 bis 72 sind nicht geradlinig, sondern
gewellt, d. h. eine Tatsache, die ihre inelastische Streckeigenschaft
in allen Richtungen und damit ihre Fähigkeit, verschiedene Abmessungstoleranzen
der verschiedenen Teile zu kompensieren, verbessert (siehe 5 und 6);
- – ihre
Länge (d.
h. der Abstand zwischen den beiden Gruppen der zweiten Teile 67 bis 72)
ist im Wesentlichen gleich der Höhe
H des Rotorkerns (siehe 5);
- – die
radiale Ausdehnung der Verbindungsteile 73 bis 84 ist
kleiner als die Dicke der Segmente eines Zylinders der Rotorunteranordnung,
gemessen auf einer Ebene, die senkrecht zur ihrer Drehachse liegt.
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Die
Verwendung einer einzigen Haltefeder 60 ermöglicht,
dass alle Segmente eines Zylinders gleichzeitig und äußerst genau
um den Kern herum positioniert werden können. Wenn dieses Merkmal den
anderen zuvor erwähnten
Vorteilen hinzugefügt wird,
entsteht die Möglichkeit,
sowohl die Herstellungsproduktivität als auch die Qualität des Rotors weiter
zu steigern.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass weitere Ausführungsformen
und Varianten der vorliegenden Erfindung, insbesondere soweit es
die Merkmale betrifft wie die Zahl und die Form der Segmente eines Zylinders
(oder irgendwelcher anderen magnetisierbaren Elemente der Rotorunteranordnung),
die Zentrierfedern, die Haltefedern, den Aufbau des Kerns, das Verfahren
zum Zusammenführen
der Hülle
und der Ringe (oder irgendwelchen anderen Endelementen, die verwendet
werden können),
durch den Fachmann in irgendeiner anderen Art und Weise entwickelt
werden können,
ohne vom Umfang der anliegenden Ansprüche abzukehren.