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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem Rotor, ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine und ein Verfahren zum Herstellen des Rotors.
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Elektrische Maschinen mit einem Rotor werden in zunehmendem Maße in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen eingesetzt, überwiegend als Elektromotoren für den Antrieb eines Rads oder einer Achse eines solchen Fahrzeugs.
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Ein solcher Elektromotor ist zumeist mechanisch mit einem Getriebe zur Drehzahlanpassung gekoppelt. Daneben ist der Elektromotor in der Regel elektrisch mit einem Wechselrichter gekoppelt, der aus einer von einer Batterie gelieferten Gleichspannung eine Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors erzeugt, beispielsweise eine mehrphasige Wechselspannung.
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Es ist auch möglich, eine elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor als Generator zur Rekuperation von Bewegungsenergie eines Fahrzeugs zu betreiben. Hierzu wird die Bewegungsenergie zunächst in elektrische Energie und dann in chemische Energie einer Fahrzeugbatterie umgewandelt.
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Der Rotor kann ein Blechpaket (Rotorpaket) aufweisen, in dem mehrere Magnettaschen angeordnet sind, in denen sich jeweils Magnete (Permanentmagnete) befinden. Es muss sichergestellt werden, dass die Magnete ihre Position in den Magnettaschen beibehalten, insbesondere bei hohen Drehzahlen. Hierzu ist es üblich, die Magnete in den Magnettaschen mit einer Vergussmasse zu vergießen, so dass die Magnete sicher in dem Blechpaket befestigt werden.
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Beim Vergießen kann die Vergussmasse durch einen ersten Freiraum in einer Axialrichtung durch das Blechpaket strömen, umgelenkt werden und dann durch einen zweiten Freiraum in einer entgegengesetzten Axialrichtung durch das Blechpaket strömen. Zum Umlenken der Vergussmasse wird eine an einer axialen Seite des Blechpakets angeordnete Endplatte benötigt, in der ein Verbindungskanal gebildet ist, welcher den ersten Freiraum mit dem zweiten Freiraum verbindet. Das Vorsehen der Endplatte mit dem Verbindungskanal führt jedoch zu größerem Material- und Montageaufwand und damit erhöhten Kosten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Rotor mit einem Blechpaket und darin vergossenen Magneten bereitzustellen, der sich besonders kostengünstig herstellen lässt.
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Die Aufgabe wird mit einem Rotor gemäß der Erfindung gelöst, welcher folgende Bestandteile aufweist:
- - ein aus gestapelten Elektroblechen gebildetes Blechpaket mit mehreren Magnettaschen, die jeweils das Blechpaket axial durchdringen,
- - mehrere Magnete, von denen in jede der Magnettaschen mindestens einer eingesetzt ist,
- - mehrere Freiräume, die jeweils von den in eine der Magnettaschen eingesetzten Magneten und dem Blechpaket begrenzt sind,
- - ein an einer Axialseite des Blechpakets angeordnetes erstes Endblech und
- - ein an der gegenüberliegenden Axialseite des Blechpakets angeordnetes zweites Endblech mit einer axialen Wölbung, mit der ein Verbindungskanal gebildet ist, der einen ersten der Freiräume mit einem zweiten der Freiräume verbindet.
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Die Freiräume können mit einer Vergussmasse vergossen werden, wodurch die Magnete in dem Blechpaket fixiert, insbesondere mit dem Blechpaket verklebt werden. Das Vergießen stellt eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Art dar, die Magnete zu befestigen.
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Durch das Bilden des Verbindungskanals mit der Wölbung des zweiten Endbleches kann auf eine Endplatte zum Bilden des Verbindungskanals verzichtet werden. Das spart Material- und Montageaufwand, wodurch der Rotor besonders kostengünstig herstellbar ist.
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Insbesondere kann die Wölbung mittels Tiefziehen des zweiten Endbleches auf einfache Weise erzeugt werden. Die Wölbung kann aber auch auf eine andere Weise hergestellt werden. Weiterhin kann die Wölbung unter anderem einen rechteckigen, ovalen oder kreisrunden Grundriss aufweisen.
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Das Blechpaket kann aus den Elektroblechen gebildet werden, indem diese verschweißt, verklebt, stanzpaketiert oder auf andere Weise aneinander befestigt werden. Insbesondere kann das Blechpaket eine zylindrische Form haben. Ferner kann jedes Elektroblech eine zentrale Öffnung besitzen, die im montierten Zustand eine axiale Bohrung des Blechpakets bilden, durch die eine Rotorwelle des Rotors führen kann. Die Achse der Rotorwelle beziehungsweise des Rotors entspricht der Axialachse des Blechpakets.
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Das erste Endblech und/oder das zweite Endblech können ein anderes Material als die Elektrobleche aufweisen, insbesondere ein nichtmagnetisches Material. Hierfür kommt vorzugsweise ein nicht magnetisierbarer Edelstahl in Frage. Ferner können die Endbleche jeweils eine zentrale Öffnung besitzen, durch welche die Rotorwelle des Rotors führen kann.
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Neben dem Rotor kann die elektrische Maschine über einen Stator verfügen, gegenüber dem der Rotor drehbar ist. Der Stator kann ein weiteres Blechpaket (Statorpaket) aufweisen, das aus gestapelten Elektroblechen gebildet ist. Daneben kann der Stator Wicklungen elektrischer Leiter besitzen, zum Beispiel als Spulenwicklungen oder Flachdrahtwicklungen.
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Die Magnettaschen können entlang des Umfanges des Blechpakets verteilt sein, zum Beispiel in gleichen Abständen voneinander. Optional können die Magnettaschen und die darin angeordneten Magnete jeweils verschiedene Größen aufweisen. Die in eine der Magnettaschen angeordneten Magnete sind zum Beispiel axial aneinandergereiht. Dadurch können bei der Montage des Rotors die Magnete einfach nacheinander in die Magnettasche eingesetzt beziehungsweise eingeschoben werden.
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Die axial aneinandergereihten Magnete werden als „Magnetstapel“ bezeichnet. Der Rotor kann mehrere solcher Magnetstapel aufweisen, die jeweils in einer Magnettasche angeordnet sind. Alternativ dazu kann in einer oder mehreren Magnettaschen jeweils anstelle mehrere Magnete nur ein einzelner Magnet angeordnet sein.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist das erste Endblech eine Einfüllöffnung, durch der erste Freiraum freigelegt ist, und eine Entlüftungsöffnung, durch die der zweite Freiraum freigelegt ist, auf. Dadurch kann das Befüllen des Blechpakets mit der Vergussmasse ausgeführt werden, nachdem das erste Endblech an dem Blechpaket angeordnet wurde.
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In diesem Fall kann der erste Freiraum an einer Seitenfläche einer der Magnettaschen ausgebildet sein und der zweite Freiraum kann an einer gegenüberliegenden Seitenfläche der Magnettasche ausgebildet sein. Dadurch lassen sich die zwischen den beiden Freiräumen angeordneten Magnete beim Vergießen besonders gut befestigen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verläuft der Verbindungskanal zwischen einem in die Magnettasche eingesetzten Magneten, welcher an dem Endblech angeordnet ist, und dem Endblech. Dadurch ist der Verbindungskanal vergleichsweise kurz und platzsparend.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ragt die Wölbung nach innen und der Magnet liegt an der Wölbung an. Das heißt, die Wölbung ragt axial in das Blechpaket hinein, so dass der Magnet von der Ebene des zweiten Endbleches beabstandet ist. Insbesondere kann die Wölbung etwas schmaler als der Magnet ausgebildet sein. Dadurch kann der Verbindungskanal zwischen dem Magneten und dem Endblech an einer Seite oder beidseitig der Wölbung verlaufen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ragt die Wölbung nach außen und der Magnet liegt am Rand der Wölbung an. Das heißt, die Wölbung ragt axial aus dem Blechpaket heraus, so dass der Magnet an der Ebene des zweiten Endbleches angeordnet ist. Dadurch kann der Verbindungskanal zwischen dem Magneten und dem Endblech durch die Wölbung verlaufen. Der Rand befindet sich dort, wo die Wölbung in den ebenen Bereich des Endbleches übergeht.
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In diesem Fall kann die Wölbung in Längsrichtung des Verbindungskanals etwas länger als der Magnet ausgebildet sein, so dass die Wölbung den Magneten an zwei gegenüberliegenden Seiten überragt. Dadurch können der erste Freiraum und der zweite Freiraum jeweils neben dem Magneten in den Verbindungskanal münden.
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Insbesondere kann der Magnet an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Randes anliegen. Dadurch kann der Verbindungskanal parallel zu den gegenüberliegenden Seiten verlaufen. Dazu kann die Wölbung quer zum Verbindungskanal etwas schmaler als der Magnet ausgebildet sein, so dass der Magnet die Wölbung an zwei gegenüberliegenden Seiten überragt.
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Bei einer weiteren Alternative kann der Magnet mit nur einer Ecke, mit nur zwei seiner Ecken oder mit nur drei seiner Ecken an dem Rand anliegen. Damit bestehen weitere Möglichkeiten für den Verlauf des Verbindungskanals zwischen dem Magneten und dem Endblech.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Magnete mit einer in die Freiräume eingebrachten Vergussmasse vergossen. Normalerweise werden die Freiräume vollständig mit Vergussmasse gefüllt. Es ist jedoch auch möglich, die Freiräume nur teilweise mit Vergussmasse zu füllen. Bei der Vergussmasse kann es sich unter anderem um ein Epoxidharz, eine Mischung aus einem Epoxidharz und einem Härter, oder einen Kleber handeln.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Blechpaket mehrere Blechpaketsegmente auf.
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In diesem Fall kann eines der Blechpaketsegmente gegenüber einem anderen der Blechpaketsegmente in Umfangsrichtung verdreht sein. Damit kann das Rotationsverhalten des Rotors verbessert sein.
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Die Aufgabe wird ferner mit einer elektrischen Maschine gelöst, die einen Rotor gemäß der Erfindung aufweist. Zusätzlich kann die elektrische Maschine über einen Stator verfügen, gegenüber dem der Rotor drehbar ist. Der Stator kann ein weiteres Blechpaket aufweisen, das aus gestapelten Elektroblechen gebildet ist. Daneben kann der Stator Wicklungen elektrischer Leiter besitzen, zum Beispiel als Spulenwicklungen oder Flachdrahtwicklungen. Optional kann die Maschine mit einem Gehäuse ausgestattet sein, in dem der Rotor und der Stator aufgenommen sind, wobei die Rotorwelle aus dem Gehäuse ragen kann.
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Weiterhin wird die Aufgabe mit einem Fahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine gelöst, die zum Antreiben des Fahrzeugs vorgesehen ist. Die Maschine kann insbesondere ein Rad oder eine Achse des Fahrzeugs antreiben.
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Ferner wird die Aufgabe mit einem Verfahren zum Herstellen eines Rotors gemäß der Erfindung gelöst. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:
- - Bilden eines Blechpakets mit mehreren Magnettaschen, die jeweils das Blechpaket axial durchdringen, aus gestapelten Elektroblechen,
- - Einsetzen mindestens eines Magneten in jede der Magnettaschen, wobei mehrere Freiräume verbleiben, die jeweils von den in eine der Magnettaschen eingesetzten Magneten und dem Blechpaket begrenzt werden,
- - Anordnen eines ersten Endbleches an einer Axialseite des Blechpakets,
- - Anordnen eines zweiten Endbleches mit einer axialen Wölbung, mit der ein Verbindungskanal gebildet wird, der einen ersten der Freiräume mit einem zweiten der Freiräume verbindet, an der gegenüberliegenden Axialseite des Blechpakets, und
- - Vergießen der Magnete mit einer Vergussmasse, welche in die Freiräume eingebracht wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine Schnittansicht eines Bereiches eines Rotors gemäß der Erfindung,
- 2 eine Schnittansicht eines Bereiches einer ersten Ausführungsform des Rotors,
- 3 eine Schnittansicht eines Bereiches einer zweiten Ausführungsform des Rotors,
- 4 eine Axialansicht eines Bereiches der zweiten Ausführungsform des Rotors,
- 5 ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine mit dem Rotor.
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1 zeigt eine Schnittansicht eines Bereiches eines Rotors gemäß der Erfindung. Der Rotor gehört zu einer elektrischen Maschine, die zum Antreiben eines Fahrzeugs vorgesehen ist.
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Der Rotor weist ein aus gestapelten Elektroblechen gebildetes Blechpaket 2 auf, welches aus sechs axial aneinandergereihten Blechpaketsegmenten gebildet ist. Auf die Segmentierung des Blechpakets kann aber auch verzichtet werden. In dem Blechpaket 2 befinden sich mehrere Magnettaschen 3, die jeweils das Blechpaket 2 axial durchdringen und von denen eine gezeigt ist. In der Magnettasche 3 sind sechs Magnete 6 axial aneinandergereiht, so dass sie einen Magnetstapel bilden.
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Zusätzlich befinden sich in der Magnettasche 3 ein erster Freiraum 8 und ein zweiter Freiraum 9, die jeweils von dem Magnetstapel und dem Blechpaket 2 begrenzt sind. Der erste Freiraum 8 ist an einer Seitenfläche der Magnettasche 3 ausgebildet und der zweite Freiraum 9 ist an einer gegenüberliegenden Seitenfläche der Magnettasche 3 ausgebildet
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An der oberen Axialseite des Blechpakets 2 ist ein erstes Endblech 10 angeordnet, das eine Einfüllöffnung 4 und eine Entlüftungsöffnung 5 aufweist. Durch die Einfüllöffnung 4 ist der erste Freiraum 8 freigelegt und durch die Entlüftungsöffnung 5 ist der zweite Freiraum 9 freigelegt.
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Weiterhin ist an der unteren Axialseite des Blechpakets 2 ein zweites Endblech 11 angeordnet, an dem ein Verbindungskanal 7 verläuft, der den ersten Freiraum 8 mit dem zweiten Freiraum 9 verbindet. Der Verbindungskanal 7 ist mit einer axialen Wölbung (in 1 nicht gezeigt) des Blechpakets 2 gebildet und verläuft zwischen dem untersten der Magnete 6 und dem zweiten Endblech 11.
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2 zeigt eine Schnittansicht eines Bereiches einer ersten Ausführungsform des Rotors. Der Bereich ist links aus einer ersten Perspektive und rechts aus einer um 90 Grad gedrehten zweiten Perspektive dargestellt.
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Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ragt die Wölbung 12 axial nach innen und der unterste Magnet 6 liegt an der Wölbung 12 an. Das heißt, die Wölbung 12 ragt in das Blechpaket 2 hinein, so dass der Magnet 6 von der Ebene des zweiten Endbleches 11 beabstandet ist.
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Außerdem ist die Wölbung 12 etwas schmaler als der Magnet 6 ausgebildet, so dass der Magnet 6 die Wölbung 12 an zwei gegenüberliegenden Seiten überragt. Dadurch kann der Verbindungskanal 7 zwischen dem Magneten 6 und dem Endblech 11 beidseitig der Wölbung 12 verlaufen.
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3 zeigt eine Schnittansicht eines Bereiches einer zweiten Ausführungsform des Rotors. Der Bereich ist links aus einer ersten Perspektive und rechts aus einer um 90 Grad gedrehten zweiten Perspektive dargestellt.
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Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ragt die Wölbung 12 axial nach außen und der unterste Magnet 6 liegt am Rand 13 der Wölbung 12 an. Das heißt, die Wölbung 12 ragt aus dem Blechpaket 2 heraus, so dass der Magnet 6 an der Ebene des zweiten Endbleches 11 angeordnet ist. Dadurch kann der Verbindungskanal 7 zwischen dem Magneten 6 und dem Endblech 11 durch die Wölbung 12 verlaufen.
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Insbesondere ist die Wölbung 12 in Längsrichtung des Verbindungskanals 7 etwas länger als der Magnet 6 ausgebildet, so dass die Wölbung 12 den Magneten 6 an zwei gegenüberliegenden Seiten überragt. Dadurch können der erste Freiraum 8 und der zweite Freiraum 9 jeweils neben dem Magneten 6 in den Verbindungskanal 7 münden.
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Der Rand 13 befindet sich dort, wo die Wölbung 12 in den ebenen Bereich des Endbleches 11 übergeht. Insbesondere liegt der Magnet 6 an zwei gegenüberliegenden Seiten des Randes 13 an, so dass der Verbindungskanal 7 parallel zu diesen Seiten verläuft. Dazu ist die Wölbung 12 quer zum Verbindungskanal 7 etwas breiter als der Magnet 6 ausgebildet, so dass der Magnet 6 die Wölbung an zwei gegenüberliegenden Seiten überragt.
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4 zeigt eine Axialansicht eines Bereiches des zweiten Blechpakets 2 von unten gemäß der zweiten Ausführungsform des Rotors. Das zweite Endblech 11 ist nicht gezeigt, um einen Blick auf den Verbindungskanal 7 zu ermöglichen. In 4 ist besonders deutlich zu erkennen, dass der Magnet 6 an zwei gegenüberliegenden Seiten des Randes 13 anliegt, wobei der Verbindungskanal 7 parallel zu diesen Seiten verläuft und die Freiräume 8, 9 in den Verbindungskanal 7 münden.
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5 zeigt ein Fahrzeug 21 mit einer elektrischen Maschine 22, die zum Antreiben des Fahrzeugs 21 dient. Die Maschine 22 weist ein Gehäuse 23 auf, in dem der erfindungsgemäße Rotor 1 und ein Stator 24 aufgenommen sind, der den Rotor 1 umgibt.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren ein Verfahren zum Herstellen des Rotors gemäß der Erfindung beschrieben. Bei dem Verfahren werden folgende Schritte ausgeführt:
- Bei einem ersten Verfahrensschritt wird das Blechpaket 2 mit mehreren Magnettaschen 3, die jeweils das Blechpaket 2 axial durchdringen, aus gestapelten Elektroblechen zusammengesetzt.
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Bei einem zweiten Verfahrensschritt werden in jede Magnettasche 3 mehrere Magnete 6 eingesetzt. Insbesondere werden die Magnete 6 axial aneinandergereiht, so dass sie einen Magnetstapel bilden. Neben jedem Magnetstapel verbleiben zwei Freiräume 8, 9 die jeweils von dem Magnetstapel und dem Blechpaket 2 begrenzt sind.
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Bei einem dritten Verfahrensschritt wird das erste Endblech 10 an einer Axialseite des Blechpakets 2 angeordnet. Das erste Endblech 10 besitzt Einfüllöffnungen 4 und Entlüftungsöffnungen 5, durch jeweils einer der Freiräume 8, 9 freigelegt wird.
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Bei einem vierten Verfahrensschritt wird das zweite Endblech 11 an der gegenüberliegenden Axialseite des Blechpakets 2 angeordnet. Das zweite Endblech 11 besitzt axiale Wölbungen 12, mit denen jeweils ein Verbindungskanal 7 gebildet wird, der einen ersten der Freiräume 8 mit einem zweiten der Freiräume 9 verbindet. Die Wölbungen 12 können mittels Tiefziehen des zweiten Endbleches 11 erzeugt worden sein. Der auf diese Weise komplettierte Rotor wird senkrecht ausgerichtet, mit dem ersten Endblech 10 nach oben.
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Bei einem fünften Verfahrensschritt werden die Magnete 6 mit einer Vergussmasse vergossen, welche in die Freiräume 8, 9 eingebracht wird. Dazu wird die Düse einer Dosiereinrichtung auf jede Einfüllöffnung 4 aufgesetzt. Dann wird jeweils mit der Düse die Vergussmasse unter Überdruck in den zugehörigen Freiraum 8 gepresst. Auf diese Weise werden die Magnete 6 in der zugehörigen Magnettasche 3 vergossen.
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Im Einzelnen strömt die Vergussmasse zunächst durch den ersten Freiraum 8 axial nach unten bis zum zweiten Endblech 11. Dann strömt die Vergussmasse durch den Verbindungskanal 7 zu dem zweiten Freiraum 9. Anschließend strömt die Vergussmasse durch den zweiten Freiraum 9 axial nach oben bis zum ersten Endblech 10. Dabei kann in der Magnettasche 3 vorhandene Luft durch die Entlüftungsöffnung 5 entweichen und mit der Vergussmasse ersetzt werden. Die Strömungsrichtung der Vergussmasse beziehungsweise Luft ist in den Figuren mit gestrichelten Pfeilen dargestellt.
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Nach dem Vergießen wird die Vergussmasse ausgehärtet. Außerdem kann die Rotorwelle durch eine axial verlaufende zentrale Durchgangsöffnung des Blechpakets 2 (und entsprechende Öffnungen der Endbelche 10, 11) geführt werden, so dass das Blechpaket 2 die Rotorwelle umschließt beziehungsweise daran befestigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Blechpaket
- 3
- Magnettasche
- 4
- Einfüllöffnung
- 5
- Entlüftungsöffnung
- 6
- Magnet
- 7
- Verbindungskanal
- 8
- Freiraum
- 9
- Freiraum
- 10
- Endblech
- 11
- Endblech
- 12
- Wölbung
- 13
- Rand
- 21
- Fahrzeug
- 22
- Elektrische Maschine
- 23
- Gehäuse
- 24
- Stator