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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine.
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Stand der Technik
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Asynchronmotoren weisen in der Regel einen innerhalb eines Stators drehbar gelagerten Rotor auf, der aus einem von einer Welle getragenen Blechpaket und einem in das Blechpaket integrierten Läuferkäfig aufgebaut ist. Elektromagnetische Felder, die vom Stator erzeugt werden, führen zu Strömen in dem elektrisch leitfähigen Material des Läuferkäfigs, der wiederum ein Magnetfeld erzeugt, das in dem Feld des Stators den Rotor in Drehung versetzt.
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Rotoren für Asynchronmotoren werden häufig mit einem Läuferkäfig aus gegossenen Stäben und Kurzschlussringen hergestellt. Dazu werden beispielsweise Kupfer, Aluminium oder andere gießfähige und leitfähige Materialien unter hoher Temperatur und hohem Druck in das Rotorblechpaket eingespritzt.
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Hochdrehzahl-Motoren werden immer häufiger eingesetzt, da durch höhere Drehzahl die elektrische Maschine bei gleicher Leistung kleiner wird und dadurch Material und Gewicht reduziert werden.
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Die Drehzahlfestigkeit von Rotoren für Asynchronmotoren wird jedoch meist durch die Kurzschlussringe begrenzt. Bei hohen Drehzahlen kann sich ein Kurzschlussring abheben, bekommt Risse und der Rotor kann zerstört werden. Um die Drehzahlfestigkeit bei hohen Drehzahlen zu erhöhen, werden häufig Bandagen um die Kurzschlussringe gelegt oder andere drehzahlfeste Materialien um den Kurzschlussring gelegt. Auch kann ein Halteelement beim Spritzen in den Kurzschlussring eingegossen werden.
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Zusatzelemente müssen jedoch beim Spritzgießen in Position gehalten werden und führen zu Zusatzkosten. Bandagen benötigen Platz über dem Kurzschlussring und können ebenfalls kostenintensiv in der Herstellung sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, einen kostengünstigen Rotor für eine Asynchronmaschine bereitzustellen, der eine hohe Festigkeit bei hohen Drehzahlen aufweist.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem auch auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, z.B. einen Asynchronmotor. Der Rotor weist dabei einen gegossenen Kurzschlussring auf, der besonders gut für Hochdrehzahl-Anwendungen geeignet ist. Derartige Rotoren können beispielsweise für den Antrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs verwendet werden, da sie bei gleicher Leistung weniger Bauraum benötigen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Rotor ein um eine Welle angeordnetes Blechpaket aus einer Mehrzahl von in axialer Richtung aufeinander angeordnete Blechlamellen, einen Läuferkäfig aus einer Mehrzahl von in axialer Richtung verlaufenden Stäben und zwei an axialen Enden des Blechpakets angeordneten Kurzschlussringen, wobei das Blechpaket Öffnungen aufweist (die beispielsweise durch Stanzen der Blechlamellen erzeugt werden) und in denen die Stäbe aufgenommen werden. Die Stäbe können beispielsweise durch Eingießen eines Gussmaterials in die Öffnungen und die Kurzschlussringe durch Angießen des Gussmaterials an das Blechpaket erzeugt werden.
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An Stirnseiten des Blechpakets, in radialer Richtung gesehen innerhalb der Stäbe, sind mehrere zusätzliche Öffnungen im Blechpaket vorgesehen sind, die in Umfangsrichtung gesehen um die Welle herum angeordnet sind und in denen jeweils ein in axialer Richtung verlaufender Anker aufgenommen ist, der mit dem Kurzschlussring verbunden ist, so dass der Kurzschlussring im Blechpaket verankert ist. Auch die Anker können beim Gießen der Stäbe und der Kurzschlussringe mitgegossen werden.
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Die zusätzlichen Öffnungen sind jeweils aus zumindest teilweise übereinanderliegenden Löchern in mehreren Endlamellen gebildet, so dass der jeweilige Anker in axialer Richtung gesehen durch mehrere Lamellen des Blechpakets hindurch verläuft.
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Alle Lamellen des Blechpakets können in einem ersten Arbeitsschritt gestanzt werden, wobei sie eine ringförmige Grundform erhalten, in der mehrere Öffnungen, Aussparungen bzw. Löcher für die Käfigläufer-Stäbe und optional mehrere zusätzliche Öffnungen, Aussparungen bzw. Löcher für die Anker enthalten sind. Nur die Endlamellen, d.h. die äußeren Lamellen am axialen Ende des Blechpakets, erhalten die zusätzlichen Öffnungen, die zum Bilden der Anker für den jeweiligen Kurzschlussring dienen.
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Das Ausstanzen der zusätzlichen Löcher kann beispielsweise mit zu- und abschaltbaren Stempeln im Stanzwerkzeug durchgeführt werden.
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Nachdem das Blechpaket gebildet wurde, wird der Läuferkäfig durch Spritzgießen hergestellt. Beim Spritzgießen der Stäbe und des Kurzschlussrings füllen sich diese Öffnungen mit Gussmaterial. Das verfestigte Gussmaterial (d.h. die Anker) in den zusätzlichen Öffnungen erhöht die Drehzahlfestigkeit des Rotors beispielsweise dadurch, dass sich der Kurzschlussring nicht vom Blechpaket abheben kann, da er in den durch die zusätzlichen Öffnungen gebildeten Hinterschneidungen gehalten wird.
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Auf diese Weise kommt der Rotor ohne Zusatzteile aus und es sind keine zusätzlichen Prozessschritte bei der Herstellung notwendig.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen Endlamellen für eine der zusätzlichen Öffnungen jeweils gleich große Löcher auf, so dass der jeweilige Anker dornartig in das Blechpaket ragt. Eine oder mehrere Endlamellen können somit eine zusätzliche Öffnung in der Form eines Sacklochs bilden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist für eine der zusätzlichen Öffnungen wenigstens eine der inneren Endlamellen ein Loch auf, das größer als ein Loch einer äußeren Endlamelle ist, so dass sich der jeweilige Anker pilzförmig aufweitet. Die äußeren Endlamellen sind dabei in axialer Richtung am weitesten außen angeordnet. Die inneren Endlamellen befinden sich zwischen den normalen Lamellen des Blechpakets, ohne zusätzliche Öffnungen, und den äußeren Lamellen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist eine äußere Endlamelle für eine zusätzliche Öffnung zwei nebeneinander angeordnete Löcher auf, die wenigstens ein Loch in einer inneren Endlamelle überdecken, so dass in der äußeren Endlamelle ein Steg aus Blechmaterial entsteht, der von dem zugehörigen Anker umgeben wird. Es versteht sich, dass der Steg auch von mehreren Endlamellen gebildet werden kann. Auf diese Weise kann der jeweilige Anker über die zwei nebeneinander angeordneten Löcher zweimal, d.h. über zwei Materialbrücken, mit dem Kurzschlussring verbunden sein. Durch zweifache Anbindung an den Kurzschlussring bzw. Bypass kann die Bildung von Lufteinschlüssen vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die innere Endlamelle zwei nebeneinander angeordnete Löcher auf. Die Löcher der inneren Endlamelle können dabei quer zu den Löchern der äußeren Endlamelle orientiert sein. Auf diese Weise entsteht eine käfigartige Struktur, die bei nur geringem Volumen, das vom Blechpaket weggenommen werden muss, eine hohe Verankerungswirkung bieten kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist eine innere Endlamelle für eine zusätzliche Öffnung ein Loch auf, das mit einem Loch für einen Stab des Läuferkäfigs verbunden ist, so dass ein Bypass-Kanal entsteht, über den der zugehörige Anker im Inneren des Blechpakets mit dem Stab verbunden ist. Über eine oder mehrere innere Endlamellen kann somit gewährleistet werden, dass beim Gießen keine Luftlöcher entstehen, da das Gussmaterial auch durch den Bypass-Kanal in die zusätzliche Öffnung strömen kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen Löcher in den Endlamellen für eine zusätzliche Öffnung eine längliche Form auf. Beispielsweise können die Löcher rechteckig oder oval sein. Eine Längsachse der Löcher kann sich dabei in Umfangsrichtung erstrecken. Auf diese Weise können die zusätzlichen Öffnungen einen unterbrochenen Ring um die Welle bilden. Es ist aber auch möglich, dass die zusätzlichen Öffnungen einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die zusätzlichen Öffnungen für die Anker zumindest teilweise radial außerhalb eines Innenumfangs des Kurzschlussrings angeordnet. Die Anker können somit in axialer Richtung unterhalb oder zumindest teilweise unterhalb des Kurzschlussrings gebildet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die zusätzlichen Öffnungen für die Anker in Umfangsrichtung versetzt zu den Öffnungen für die Stäbe angeordnet. Auf diese Weise kann die Schwächung des Materials der Blechlamellen in radialer Richtung besser verteilt werden
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Stäbe, die Kurzschlussringen und die Anker einstückig aus einem Material gebildet, das Material elektrisch leitfähige ist, wie etwa Kupfer oder Aluminium. Das Blechpaket bzw. die Blechlamellen können aus Eisen- oder Stahlblechen hergestellt sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Blechpaket für einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Rotor aus 1.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Blechpaket für einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Rotor aus 3.
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5 zeigt eine schematische perspektivische Querschnittsansicht eines Rotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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6 zeigt eine schematische Draufsicht auf Blechlamellen für einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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8 zeigt eine schematische perspektivische Querschnittsansicht eines Rotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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9 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Blechpaket für einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Rotor aus 9.
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11 zeigt eine schematische perspektivische Querschnittsansicht eines Blechpakets für einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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12 zeigt eine schematische perspektivische Querschnittsansicht eines Rotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 und 2 zeigen einen Rotor 10, bei dem ein Blechpaket 12 von einer Welle 14 getragen wird. Das Blechpaket 12 weist eine Mehrzahl von Blechlamellen 16 auf, die in axialer Richtung (bezüglich der Welle 14) aufeinandergestapelt sind. Die Blechlamellen weisen Öffnungen bzw. Löcher 18 auf, die in regelmäßigem Abstand in Umfangsrichtung um die Welle 14 herum angeordnet sind. Dabei sind die Blechlamellen 16 so zueinander ausgerichtet, dass Öffnungen 20 im Blechpaket 12 entstehen, durch die die Stäbe 22 eines Läuferkäfigs verlaufen. Auf den Stirnseiten des Blechpaketes 12 befinden sich Kurzschlussringe 24, die die Welle 14 ringförmig umgeben und die an ihrer Innenseite mit den Stäben 22 verbunden sind.
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Der Läuferkäfig wird so gefertigt, dass nach dem Zusammenstellen des Blechpakets 12, ein Gussmaterial unter Druck in die Öffnungen 20 gespritzt wird und gleichzeitig eine Form für die Kurzschlussringe auf die Stirnseiten des Blechpakets 12 gelegt wird, so dass die Stäbe 22 und der Kurzschlussring 24 in einem Arbeitsschritt gegossen werden können.
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Das Blechpaket 12 wird an beiden Enden von Endlamellen 26 begrenzt, die genauso wie die Blechlamellen 16 geformt sein können, aber zusätzliche Öffnungen bzw. Löcher 28 aufweisen, die zusätzliche Öffnungen 30 im Blechpaket 12 bilden, die aber im Gegensatz zu den Öffnungen 20 für die Stäbe 22, nicht durch das gesamte Blechpaket verlaufen, sondern nur durch eine geringe Anzahl an Endlamellen 26.
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Diese zusätzlichen Öffnungen 30, die am unteren Radius des Kurzschlussrings 24 angeordnet sein können und/oder in axialer Richtung verlaufen, werden beim Gießen des Läuferkäfigs mit Gussmasse gefüllt, wodurch sich in jeder der Öffnungen 30 ein Anker 32 bildet, der den Kurzschlussring 24 auch in der Gegend seines Innenradius am Blechpaket 12 verankert. Bei hohen Drehzahlen wird ein Abheben des Kurzschlussrings 24 vom Blechpacket 12 vermieden.
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Wie aus 1 hervorgeht, können die Öffnungen 30 eine längliche Form aufweisen, deren Längsachse in Umfangsrichtung ausgerichtet ist. Die Anzahl und Form der Öffnungen 30 kann variieren.
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Auch können die Öffnungen 30 eine, zwei oder mehrere Endlamellen 26 durchdringen. In der 2 ist gezeigt, dass die Löcher 28 alle gleich geformt sein können, so dass sich ein dornförmiger Anker 32 ergibt. Die Endlamellen 26 können also für eine der zusätzlichen Öffnungen 30 jeweils gleich große Löcher 28 aufweisen, so dass der jeweilige Anker 32 dornartig in das Blechpaket 12 ragt.
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In den 3 und 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Rotors 10 gezeigt, bei dem eine oder mehrere äußere Endlamellen 26 je Öffnung 30 kleinere Löcher 28 aufweisen, als eine oder mehrere innere Endlamellen 26‘ mit größeren Löchern 28‘. Auf diese Weise entsteht ein pilzförmiger Anker 32, der sich nicht von dem Blechpaket 12 lösen kann.
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Ein pilzförmiger Anker 32 wird auch in der 5 gezeigt. Im Gegensatz zu 4, bei der lediglich eine Endlamelle 26 ein kleineres Loch 28 aufweist, weist das Blechpaket 12 der 5 für jede der zusätzlichen Öffnungen 30 mehrere äußere Endlamellen 26 mit einem kleineren Loch 28 auf.
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Die 6 zeigt eine äußere Endlamelle 26 mit zwei länglichen, in Umfangsrichtung ausgerichteten Löchern 28 und eine innere Endlamelle 26‘ mit zwei länglichen, in radialer Richtung ausgerichteten Löchern 28‘.
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Die 7 zeigt einen Rotor 10, der die Endlamellen 26, 26‘ aus der 6 als äußere Endlamellen 26, 26‘ umfasst. Wie aus 7 hervorgeht, überdecken sich die Löcher 28 und 28‘ teilweise, wenn die beiden Typen von Endlamellen 26, 26‘ aufeinandergelegt werden. Auf diese Weise bildet sich ein gitterförmiger Anker 32, der von einem Steg 34 gehalten wird. Der Steg 34 wird von dem Material der Endlamelle 26 gebildet, das sich zwischen den beiden Löchern 28 befindet. Zusätzlich kann sich das flüssige Gussmaterial besser in der Öffnung 30 verteilen, obwohl die Löcher 28, 28‘ relativ klein gehalten werden können.
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Weiter können die Löcher 28, 28‘ in den Endlamellen 26, 26‘ für eine zusätzliche Öffnung 30 eine längliche Form aufweisen. Die Längsachse der Löcher 28 kann sich in Umfangsrichtung des Rotors 10 erstrecken. Die Längsachse der Löcher 28‘ kann sich in radiale Richtung des Rotors 10 erstrecken.
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Die 8 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die inneren Endlamellen 28‘ lediglich ein Loch 28‘ je Öffnung 30 aufweisen.
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Im allgemeinen kann für eine zusätzliche Öffnung 30 eine äußere Endlamelle 26 zwei nebeneinander angeordnete Löcher 28 aufweisen, die wenigstens ein Loch 28‘ in einer inneren Endlamelle 26‘ überdecken, so dass in der äußeren Endlamelle 26 ein Steg 34 aus Blechmaterial entsteht, der von dem zugehörigen Anker 32 umgeben wird und so dass der jeweilige Anker 32 über die zwei nebeneinander angeordneten Löcher 28 zweimal mit dem Kurzschlussring 24 verbunden ist. Wie aus den 8 hervorgeht, kann die innere Endlamelle 26‘ je Öffnung 30 genau ein Loch 28‘ aufweisen. Wie aus den 6 und 7 hervorgeht kann die innere Endlamelle 28‘ zwei nebeneinander angeordnete Löcher 28‘ aufweisen. Auch können die Löcher 28‘ der inneren Endlamelle 26 quer zu den Löchern 28 der äußeren Endlamelle 26 orientiert sein.
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In den 9 bis 12 ist gezeigt, dass für eine zusätzliche Öffnung 30 eine innere Endlamelle 26‘ ein Loch 28‘ aufweisen kann, das mit einem Loch 18 für einen Stab 22 des Läuferkäfigs verbunden ist, so dass ein Bypass-Kanal 36 entsteht, über den der zugehörige Anker 32 im Inneren des Blechpakets 12 mit dem Stab 22 verbunden ist.
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Insbesondere zeigen die 9 und 10 eine weitere Ausführungsform eines Rotors 10, bei dem bei einer inneren Blechlamelle 26‘, das Loch 28‘ mit dem Loch 18, durch das ein Stab 22 verläuft, verbunden ist. Die Aussparung in der Blechlamelle 26‘ kann auch als ein einziges Loch 28‘ aufgefasst werden.
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Auf diese Weise kann verhindert werden, dass der Anker 32 aus der Öffnung 30 rutscht. Zusätzlich bildet sich ein Bypass-Kanal 36, durch den flüssiges Gussmaterial von hinten in die Öffnung 30 gelangen kann. Durch den durchgängigen Bypass-Kanal 36 kann auch vermieden werden, dass ein Luftpolster in der Öffnung 30 entsteht. Dadurch ist eine gute Füllung des Ankers 32 gewährleistet. Die Anzahl der Endlamellen 26‘, die den Kanal 36 bilden, kann abhängig von der Blechdicke und einer erforderlichen Kanalbreite ausgewählt werden.
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Die 11 zeigt einen Schnitt durch ein Blechpaket 12, bei dem der Bypass-Kanal 36 erkennbar ist, der lediglich in einer einzigen Blechlamelle 26‘ gebildet sein kann.
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Die 12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Rotors 10, bei dem der Anker 32 über einen Bypass-Kanal mit einem Stab 22 verbunden ist.
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Abschließend ist zu erwähnen, dass die Anzahl der Endlamellen 26, 26‘, die gleich oder abwechselnd gestapelt werden, aufgrund von Blechdicken und Spritzgießanforderungen variieren kann.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.