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Die
Erfindung betrifft einen Rotor für
eine elektromagnetisch betätigbare
Reibscheibenkupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren
zur Herstellung eines solchen Rotors sowie eine elektromagnetisch
betätigbare
Reibscheibenkupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
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Stand der Technik
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Reibscheibenkupplungen
bzw. Rotoren für Reibscheibenkupplungen
der einleitend bezeichneten Art sind bereits in unterschiedlichsten
Ausführungsformen
bekannt geworden.
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Beispielsweise
werden Rotoren von elektromagnetischen Kupplungen aus Stahlrohlingen
hergestellt. Dabei erfolgt zunächst
eine Vorbereitung des Stahlrohlings, wobei eine sogenannte Vordrehkontur
am Stahlrohling ausgebildet wird. Hierbei können bahnförmige Vertiefungen vorgesehen
werden, in welche magnetisch isolierender Werkstoff, beispielsweise
Kupfer, thermisch eingeschmolzen wird. In einem Endbearbeitungsprozess
des Rotors wird der Rotor durch einen spanabhebenden Prozess auf seine
endgültigen
Abmaße
gebracht. Diese Vorgehensweise ist vergleichsweise zeitaufwendig
und kostenintensiv, da ein erheblicher Werkzeugeinsatz notwendig ist
und relativ große
Materialvolumina bearbeitet werden müssen.
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Des
Weiteren sind Rotoren bekannt, die durch Tiefziehen aus einem Blechteil
gefertigt werden und darin magnetische Sperrzonen durch Luftspalte
ausgebildet sind. Die Luftspalte können durch Stanzen, spanende
bzw. schneidende Bearbeitung realisiert werden. Die Herstellung
solcher Rotoren ist aufgrund der notwendigen Werkzeuge ebenfalls
vergleichsweise aufwendig.
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Die
US 4,567,975 zeigt z. B.
eine Anordnung mit einer elektromagnetischen Kupplung, welche einen
Anker und einen Rotor besitzt, die durch einen Luftspalt voneinander
getrennt sind. Der Rotor weist insbesondere einen durchgängig aus
einem Blechteil gebildeten im Schnitt L-förmigen Abschnitt auf. Über einen
Schenkel des L-förmigen
Abschnitts erfolgt eine Drehlagerung des Rotors.
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Die
US 3,703,227 betrifft eine
elektromagnetische Kupplung, welche einen Rotor mit einem L-förmigen Rotorteil
umfasst. Ein Schenkel des Rotorteils bildet ein Kontaktteil der
Kupplung und kann mit einer Ankerplatte reibschlüssig in Kontakt kommen. Der andere
Schenkel des Rotorteils ist beispielsweise durch ein Tiefzieh- oder
ein Biegeverfahren hergestellt und dient der Lagerung des Rotors über ein Wälzlager.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotor für eine elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung
bzw. eine solche Reibkupplung bereitzustellen, wobei der Rotor vergleichsweise einfach
und kostengünstig
herstellbar und eine mindestens vergleichbare Funktionalität gegenüber bekannten
Anordnungen besitzt.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1
bzw. durch eine elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung
mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Außerdem wird zur Lösung der
gestellten Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors
vorgeschlagen.
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In
den abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung aufgezeigt.
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Die
Erfindung geht zunächst
von einem Rotor für
eine elektromagnetisch betätigbare
Reibscheibenkupplung, die einen Elektromagneten und mit dem Rotor
in Kontakt bringbare Ankermittel aus magnetisch leitfähigem Werkstoff
umfasst, wobei der Rotor mehrteilig ausgebildet ist, wobei ein erstes
Teil einen als Flachteil ausgestalteten Grundkörper als Kontaktteil der Kupplung
umfasst, der quer zu einer Drehachse des Rotors ausgebildeten ist,
mit zwei sich flächig
erstreckenden Seiten und wobei an dem Grundkörper wenigstens ein Stegabschnitt
als weiteres Teil angebracht ist. Ein darin, dass auf einer der beiden
Seiten des Grundkörpers
der wenigstens eine Stegabschnitt ausschließlich mit seinen Schmalseiten
fest verbunden ist. Durch die Ausbildung des Rotors aus mehreren
Teilen, kann zum einen die Fertigung des Rotors verbessert werden,
insbesondere können
die einzelnen Bauteile effektiver bearbeitet werden bzw. aus relativ
einfachen Grundkomponenten erstellt werden. Beispielsweise lassen
sich die einzelnen Bauteile auf unterschiedliche Weise und auf das
jeweilige Teil abgestimmt in Form bringen, was den gesamten Vorgang
der Rotorfertigung vereinfacht. Außerdem können bisher auftretende Materialabfälle völlig bzw.
weitgehend vermieden werden.
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Zum
anderen kann durch die Mehrteiligkeit die Funktionalität verbessert
werden, indem die einzelnen Teile des Rotors in hohem Maße auf die
dem jeweiligen Bereich zugeordnete Funktion spezifisch angepasst
werden. Somit können
unterschiedliche Bereiche insbesondere im Hinblick auf chemische und
physikalische Eigenschaften kombiniert werden, womit sich die Funktionalität des Rotors
gegenüber bekannten
Rotoren merklich steigern lässt.
Des Weiteren kann ein mehrteiliger Rotor vergleichsweise einfach
in unterschiedlichsten bzw. vergleichsweise komplizierten Geometrien
gefertigt werden.
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Der
Grundkörper
ist vorzugsweise als flächiger
sich senkrecht zur Drehachse des Rotors erstreckender Rotationskörper ausgebildet,
der insbesondere scheibenförmig
ist.
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Der
scheibenförmige
Grundkörper
kann auf unterschiedlichste Weise ausgestaltet sein, beispielsweise
als ebenes Flachteil, aber auch als mit Konturen behaftetes Bauteil.
Die am Grundkörper angebrachten
Stegabschnitte sind in der Regel auf einer der beiden flächigen Seiten
des Grundkörpers angeordnet und
können
in ihrer Längserstreckung insbesondere
senkrecht zur Flachseite des Grundkörpers orientiert sein.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist
der wenigstens eine Stegabschnitt an dem Grundkörper angeschweißt. Grundsätzlich kommt
jede verzugsarme kraftschlüssige
Verbindetechnik in Frage, wie z. B. Löten, Kleben, Sintern oder Laserschweißen. Laserschweißen hat
neben einer hohen erzielbaren Stabilität der Verbindung den Vorteil,
dass benachbart zum Schweißbereich
liegende Abschnitte am Rotor vergleichsweise geringen thermischen
Beanspruchungen ausgesetzt werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotors
besteht der Grundkörper aus
einem anderen Material als der wenigstens eine Stegabschnitt. Typischerweise
muss der Grundkörper
bzw. müssen
Abschnitte am Grundkörper
besondere funktionsbedingte Eigenschaften aufweisen, die sich von
denen der Stegabschnitte unterscheiden. Neben einer ausreichenden
magnetischen Leitfähigkeit
muss der Grundkörper
insbesondere einen möglichst
hohen Verschleißwiderstand
als Kontaktteil in der Kupplung aufweisen. Hingegen müssen die
Stege, um einen optimierten magnetischen Kreis zu erhalten, eine
besonders große
magnetische Leitfähigkeit
zeigen. Dabei sind die mechanischen Anforderungen eher zweitrangig.
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Weiter
wird vorgeschlagen, dass der wenigstens eine Stegabschnitt aus einem
gekrümmten
Metallstreifen gebildet ist. Dies ist besonders für elektromagnetisch
betätigbare
Reibscheibenkupplungen vorteilhaft, bei denen konzentrisch zur Rotorachse verlaufende
Stegabschnitte mit insbesondere hoher magnetischer Leitfähigkeit
gewünscht
sind. Damit lassen sich insbesondere was den Einsatz an einem Rotor
angeht, die Stegabschnitte mit einer hohen Konzentrizität zur Drehachse
herstellen. Dabei kann es sich um Teilabschnitte oder einen vollständigen Kreis
ausbildenden Stegabschnitt handeln. Als Ausgangsmaterial kommt insbesondere
Metallblech in Frage, das eine hohe magnetische Leitfähigkeit
aufweist. Der herausgearbeitete Blechstreifen wird anschließend in
Form gebogen und kann dabei an seinen Stirnseiten verbunden werden,
beispielsweise form- bzw. kraftschlüssig. Hierzu eignen sich Verfahren
wie Schweißen,
Löten und
dergleichen und insbesondere Laserschweißen. Das Herausarbeiten der Metallstreifen
aus Metallblechen kann insbesondere durch Laserschneiden erfolgen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes sind im Grundkörper zwischen Anbringbereichen
der Stegabschnitte magnetisch isolierende Abschnitte ausgestaltet.
Bei elektromagnetisch betätigbaren
Reibscheibenkupplungen sind in der Regel mehrere, insbesondere konzentrische
Stegabschnitte am Grundkörper
vorzusehen. Um im bestromten Zustand des Elektromagneten den Verlauf
des magnetischen Flusses zu optimieren, sind im Rotor magnetisch
isolierende Abschnitte vorteilhaft. Dies kann dadurch erreicht werden,
dass im Grundkörper
zwischen Anbringbereichen der Stegabschnitte entsprechende magnetisch
isolierende Bereich ausgestaltet sind, z. B. mit durchtretenden Luftspalte
bzw. durch metallisch isolierende Materialien. Durch den Einsatz
hinsichtlich des magnetischen Verhaltens optimierter Stege, wird
in den meisten Fällen
das Erzeugen eines magnetisch isolierenden Bereichs im Grundkörper in
Form eines einfachen Ausschnitts, ohne eine andere Materialart einsetzten
zu müssen,
ausreichend sein. Die Luftspalte können durch Laserschneiden oder
Stanzen erstellt werden bzw. die magnetisch isolierenden Materialien durch
Laserschweißen
mit dem Grundkörper
verbunden werden.
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Es
ist besonders bevorzugt, wenn ein Lagerzapfen zur Lagerung des Rotors
durch einen angesetzten Stegabschnitt ausgebildet ist. Damit kann
der Lagerzapfen auf die gleiche Weise wie anderen Stegabschnitte
am Grundkörper
realisiert werden.
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Vorteilhafterweise
kann der Lagerzapfen im Hinblick auf seine Ausgestaltung und Materialeigenschaft
unabhängig
vom Grundkörper
ausgebildet bzw. vorgefertigt werden.
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Prinzipiell
kann der Lagerzapfen auch aus Rohr- oder Vollmaterial hergestellt
sein, und am Grundkörper
beispielsweise durch Laserschweißen angebracht werden.
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Außerdem geht
die Erfindung von einer elektromagnetisch betätigbaren Reibscheibenkupplung mit
einem Elektromagneten und einem zuvor beschriebenen Rotor und mit
dem Rotor in Kontakt bringbare Ankermittel aus magnetisch leitfähigem Werkstoff
aus.
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Außerdem wird
ein Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen Rotors vorgeschlagen,
das sich dadurch auszeichnet, dass der Grundkörper und der wenigstens eine
Stegabschnitt aus Blechmaterial hergestellt und anschließend der Grundkörper und
der wenigstens eine Stegabschnitt miteinander verbunden werden.
Blechmaterial steht in unterschiedlichsten Materialien bzw. in unterschiedlichsten
Vergütungszuständen zur
Verfügung. Die
mehrteilige Ausbildung des Rotors kann neben der einfachen Herstellung
besonders effektiv auf Änderungen
der Geometrie von Grundkörper
bzw. Stegabschnitt reagiert werden. Durch Herausarbeiten aus Blechmaterial,
insbesondere durch Laserschneiden, kann der dabei anfallende Materialabfall
minimiert werden. Das anschließende
Verbinden von Grundkörper
und Stegabschnitt kann zuverlässig,
z. B. formschlüssig
oder durch Laserschweißen
bzw. -löten
oder andere Verbindungstechniken erfolgen.
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Beschreibung der Figuren
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In
der Zeichnung werden in den Figuren weitere Merkmale und Vorteile
der Erfindung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Hierbei
zeigt:
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1a eine
Draufsicht auf eine mit Stegabschnitten ausgebildete Seite eines
erfindungsgemäßen Rotors,
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1b eine
Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Rotors gemäß der Schnittlinie
I-I aus 1a,
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1c einen
zu 1b vergleichbaren Schnitt durch einen alternativen
erfindungsgemäßen Rotor
und
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2 ein
erfindungsgemäßer Rotor
bzw. eine erfindungsgemäße elektromagnetisch
betätigbare
Reibscheibenkupplung im Einbauzustand.
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3 eine
perspektivische Ansicht einer Schnittdarstellung durch einen bekannten
Rotor einer Reibscheibenkupplung,
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4 einen
Schnitt durch ein Bauteil, welches zu einem alternativen bekannten
Rotor einer Reibscheibenkupplung weiter verarbeitet wird,
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In
den Figuren sind gleichwirkende Teile teils mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
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3 zeigt
einen bekannten Rotor einer elektromagnetischen Kupplung, der für geringe
magnetische Leistungsdichten ausgelegt ist. Der Rotor 1 ist
einteilig beispielsweise aus einem Blechtiefziehteil hergestellt,
wobei magnetische Sperrzonen durch Luftspalte 2 ausgebildet
sind. Der Rotor 1 weist vier in radialer Richtung zu einer
Drehachse des Rotors 1 unterschiedlich weit beabstandete
Luftspalt-Bereiche auf. Jeder Luftspalt-Bereich 2 ist durch
schmale Verbindungsabschnitte 3 von einem benachbarten Luftspalt
getrennt.
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4 zeigt
ein Bauteil 4, welches als Vorstufe zu einem bekannten
Rotor einer elektromagnetischen Kupplung weiterverarbeitet wird.
Zunächst wird
bisher ein Stahlrohling 5 hergestellt, dessen Außenkontur
beispielsweise durch spanende Bearbeitungsschritte erstellt wird.
Dabei werden nutartige Vertiefungen 6 ausgebildet, in die
in einem weiteren Bearbeitungsschritt magnetisch isolierende Materialien
eingebracht, beispielsweise magnetisch isolierende Kupferbahnen 7 thermisch
eingeschmolzen werden. Anschließend
erfolgt die Endbearbeitung des Bauteils 4 zum fertigen
Rotor. Hierzu wird das Bauteil 4 gemäß der strichpunktartig dargestellten Drehkontur 8 auf
die Endmaße
z. B. abgedreht.
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Der
in 1a und 1b gezeigte
erfindungsgemäße Rotor 9 setzt
sich aus mehreren Blechelementen zusammen. Der Rotor 9 weist
an einer Rotorscheibe 10 auf einer Seite (s. 1a)
daran angebrachte Stege 11, 12 und einen Lagerzapfen 13 auf.
Die Stege 11 und 12 sind als ringstreifenförmige Bleche
jeweils mit einer Schmalseite an der Rotorscheibe 10 fest
angebracht, beispielsweise angeschweißt, insbesondere lasergeschweißt. Die
Stege 11 und 12 erstrecken sich in Bezug zu einer
Drehachse S des Rotors 9 in axialer Richtung, hier beispielsweise
mit einer axialen Erstreckung a. Die axiale Erstreckung a ist typischerweise
um ein mehrfaches größer als
die axiale Dicke b der Rotorscheibe 10. Die Stege 11 und 12 verlaufen
präzise
symmetrisch konzentrisch um die Drehachse S. Im Bereich nahe der
Drehachse S ist zu dieser konzentrisch der Lagerzapfen 13 angeordnet.
Der Lagerzapfen 13, der zur Lagerung des Rotors 9 auf
einer Welle oder einem Kugellager dient, weist hier an seinem Innenumfang
ein Zahnprofil 13a auf, das beispielsweise mit einem entsprechenden
Außenzahnprofil
einer Antriebswelle (nicht dargestellt) einer Antriebseinheit zusammenwirken
kann. Die axiale Erstreckung des Lagerzapfens 13 ist auf
die notwendige Verbindung mit der Antriebswelle abgestimmt. An der
mit den Stegen 11, 12 und dem Lagerzapfen 13 versehenen Seite
der Rotorscheibe 10 sind an Verbindungsbereichen 10a jeweils
die Schmalseiten der Stege 11, 12 und des Lagerzapfens 13 beispielsweise
durch Verschweißung
fest verbunden.
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Die
Stege 11, 12 sind als kreisförmig gebogene Blechstreifen
realisiert, die aus Blechstreifen lasergeschnitten sein können und
in einem anschließenden
Prozess auf die erforderliche exakte Rundstreifenform präzisionsgerollt
werden. Die Verbindung der Endabschnitte der Stege 11, 12 in
Umfangsrichtung zur Ausbildung eines Ringstreifens kann einerseits
formschlüssig
oder durch beispielsweise. Laserschweißen bzw. -löten oder andere Verbindungstechniken
erfolgen. Falls eine Verbindung in Umfangsrichtung funktional nicht
erforderlich ist, kann diese auch entfallen.
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Die
Stege 11, 12 bestehen insbesondere aus magnetisch
hoch leitfähigem
Material und dienen in erster Linie zur Magnetlinienweiterleitung,
wohingegen deren Anforderungen an mechanische Festigkeitswerte vergleichsweise
gering ist. So ist in der Regel eine Oberflächenbearbeitung, beispielsweise zur
Oberflächenhärtung der
Stege 11, 12 nicht erforderlich.
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In
der Rotorscheibe 10 sind konzentrisch zur Drehachse S verlaufende
Luftspalte 14 eingebracht, die auf bewährte Weise magnetisch nicht
leitende Sperrzonen darstellen. Die Luftspalte 14 auf einer konzentrisch
zur Drehachse S verlaufenden Kreislinie sind zur Aufrechterhaltung
des Zusammenhalts der Rotorscheibe 10 durch schmale Zwischenstege unterbrochen.
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Die
zweite sich flächig
erstreckende Seite der Rotorscheibe 10, die der Seite mit
den Stegen 11, 12 bzw. dem Lagerzapfen 13 gegenüberliegt,
weist Reibflächen 10b auf,
die einen vergleichsweise hohen Verschleißwiderstandswert aufweisen.
In 1b sind die Reibflächen 10b nur in Teilbereichen
der einen Seite der Rotorscheibe 10 ausgebildet, was beispielsweise
durch dazwischen liegende geringfügig tiefer als die Reibflächen 10b liegende
Einsenkungen realisierbar ist. Die Reibfläche 10b kann aber
auch durchgängig über die
ganze bzw. nahezu ganze betreffende Flachseite der Rotorscheibe 10 ausgebildet sein.
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Die
Rotorscheibe 10 ist typischerweise aus magnetisch vergleichsweise
gut leitfähigem
Material hergestellt, wobei die magnetische Leitfähigkeit
geringer sein kann, als die der Stegabschnitte 11, 12 bzw.
des Lagerzapfens 13. Das Material der Rotorscheibe 10 ist
in der Regel nicht identisch mit dem Material der Bauteile 11, 12 und 13.
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Die
Formgebung bzw. Bearbeitung insbesondere der Flachseiten der Rotorscheibe 10,
z. B. zur Erstellung der Luftspalte 14, kann beispielsweise werkzeugfrei
durch Laserschneiden oder vergleichbare Schneidverfahren erfolgen.
Prinzipiell können beide
Flachseiten der Rotorscheibe 10 Konturen aufweisen, beispielsweise
Vertiefungen bzw. Erhöhungen.
Es ist es auch denkbar, dass im Bereich der Verbindungsbereiche 10a,
an denen die Stege 11, 12 bzw. der Lagerzapfen 13 angrenzend
verbunden ist, zur restlichen Flachseite vertieft oder auch erhöht ausgebildet
ist. Dies kann ggf. den Verbindungsvorgang erleichtern.
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1c zeigt
eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Rotors 15.
Beim Rotor 15 sind im Unterschied zum Rotor 9 die
magnetisch isolierenden Zonen nicht durch Luftspalte 14 ausgebildet,
sondern werden durch nicht magnetische Bandstreifen 16 in
der Rotorscheibe 10 realisiert. Die Bandstreifen 16 können voll
umfänglich
bzw. ringförmig
geschlossen oder als Ringsegmente ausgebildet sein. Die Bandstreifen 16 können kraftschlüssig mit der
Rotorscheibe beispielsweise durch Laserschweißen verbunden werden.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäßer Rotor 17 bzw.
eine erfindungsgemäße elektromagnetisch
betätigbare
Reibscheibenkupplung 18 in einem möglichen Einbauzustand gezeigt.
Die Reibscheibenkupplung 18 ist beispielhaft als Lüfterkupplung
dargestellt, es können
jedoch auch vielfältige
weitere Ausführungsformen
der elektromagnetisch betätigbaren Reibscheibenkupplung 18 in
Betracht kommen, beispielsweise als Wasserpumpenkupplung, Aggregatskupplung
und dergleichen.
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Im
in Bild 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind
neben weiteren Komponenten Elektromagneten 19, 20 im
Bereich zwischen Stegen 21, 22 bzw. einem Lagerzapfen 23 positioniert.
Außerdem
sind mit dem Rotor 17 zusammenwirkende Ankermittel 24 vorgesehen,
die auf bewährte
Weise zur Bewegungsübertragung
ausgestaltet sind.
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- 1
- Rotor
- 2
- Luftspalt
- 3
- Verbindungsabschnitt
- 4
- Bauteil
- 5
- Stahlrohling
- 6
- Vertiefung
- 7
- Kupferbahn
- 8
- Drehkontur
- 9
- Rotor
- 10
- Rotorscheibe
- 10a
- Verbindungsbereich
- 10b
- Reibfläche
- 11
- Steg
- 12
- Steg
- 13
- Lagerzapfen
- 13a
- Zahnprofil
- 14
- Luftspalt
- 15
- Rotor
- 16
- Bandstreifen
- 17
- Rotor
- 18
- Reibscheibenkupplung
- 19
- Elektromagnet
- 20
- Elektromagnet
- 21
- Steg
- 22
- Steg
- 23
- Lagerzapfen
- 24
- Ankermittel