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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Statorteil
und einem Rotorteil, wobei der Statorteil den Rotorteil unter Ausbildung
eines ringzylindrischen Zwischenraumes zumindest teilweise umschließt
und in dem ringzylindrischen Zwischenraum ein Interrotor angeordnet
ist. Eine elektrische Maschine mit den vorgenannten Merkmalen geht
beispielsweise aus der
WO 03/075437 hervor.
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Elektrische
Maschinen können auf verschiedene Arten gekühlt
werden. Die Kühlung einer elektrischen Maschine kann beispielsweise
mit Hilfe einer Flüssigkeit, eines Gases, vorzugsweise
Luft bzw. einer Luftströmung, oder auch durch Festkörperwärmeleitung
erfolgen. Die einfachste Kühlung einer elektrischen Maschine
stellt die Kühlung mittels eines Luftstromes dar. Zu diesem
Zweck wird, wie allgemein aus dem Stand der Technik bekannt, ein
Lüfter mit der Rotorachse der betreffenden elektrischen
Maschine verbunden. Der auf diese Weise während des Betriebs
der elektrischen Maschine erzeugte Luftstrom wird wahlweise außen
am Gehäuse der elektrischen Maschine vorbeigeführt
oder bei gegenüber einem Außenraum gekapselten
Maschinen durch das Innere des Gehäuses der Maschine geleitet.
Gekapselte elektrische Maschinen können zusätzlich weitere
Lüfter aufweisen, welche eine Zwangskühlung des
Gehäuseinnenraumes bewirken.
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Eine
spezielle Art einer elektrischen Maschine stellt ein sogenanntes
elektrisches Getriebe dar. Ein elektrisches Getriebe besteht typischerweise
aus einem Generator, welcher mit einer Antriebsachse verbunden ist,
und einem Motor, welcher mit der von dem Generator erzeugten elektrischen
Energie betrieben wird und so eine Antriebsachse antreibt. Elektrische
Getriebe können weiterhin derart aufgebaut sein, dass ein
Stator, ein Rotor und ein Interrotor konzentrisch zueinander angeordnet
sind. Bei einem derartigen elektrischen Getriebe kann der Rotor
gemeinsam mit dem Interrotor als Generator wirken. Weiterhin kann
der Interrotor gemeinsam mit dem Statur als Motor wirken. Durch
eine derartige Bauform kann ein besonders kompaktes elektrisches
Getriebe angegeben werden. Ein solches elektrisches Getriebe geht
beispielsweise aus der
WO 03/075437 hervor.
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Elektrische
Getriebe verfügen über einen weiten Anwendungsbereich,
welcher vom Antrieb von Kraftfahrzeugen über Schienenfahrzeuge
bis zu dieselelektrisch angetriebenen Schiffen reicht. An ein elektrisches
Getriebe sind insbesondere hohe Leistungsanforderungen zu stellen.
Wird ein solches elektrisches Getriebe in einem Kraftfahrzeug verwendet,
so ist neben einer hohen Generator- bzw. Motorleistung eine kompakte
Bauform wünschenswert.
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Einhergehend
mit hohen Leistungsanforderungen steigen die Anforderungen hinsichtlich
einer effektiven Kühlung des elektrischen Getriebes. Dies ist
insbesondere für elektrische Getriebe relevant, welche über
einen sehr kompakten Aufbau verfügen sollen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Maschine anzugeben,
welche einen Statur und einen Rotor aufweist, welche konzentrisch unter
Ausbildung eines ringzylindrischen Zwischenraums angeordnet sind.
In dem ringzylindrischen Zwischenraum soll weiterhin ein Interrotor
angeordnet sein. Eine solche Maschine soll hinsichtlich der aus
dem Stand der Technik bekannten Lösung eine verbesserte
Kühlung bei reduziertem Konstruktionsaufwand aufweisen.
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Diese
Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst. Erfindungsgemäß wird eine elektrische
Maschine angegeben, welche ein einen Innenraum umschließendes
kühlbares Gehäuse aufweist. In diesem Innenraum
ist ein mit dem Gehäuse starr verbundener Statorteil, ein
mit einer ersten Achse verbundener Rotorteil, welcher von dem Statorteil
unter Ausbildung eines ringzylindrischen Zwischenraums zumindest
teilweise umschlossen ist, und zumindest ein Interrotor, der sich
in dem ringzylindrischen Zwischenraum befindet, angeordnet. An oder
in dem Statorteil befindet sich zumindest ein erster axialer Strömungskanal.
Zumindest ein zweiter axialer Strömungskanal befindet sich
an oder in dem Rotorteil. Der zumindest eine Interrotor ist jeweils
stirnseitig mit einem ersten radialen Halteelement gegenüber
der ersten Achse abgestützt und mit einem zweiten radialen
Halteelement mit der zweiten Achse starr verbunden. Zumindest eines
der Halteelemente ist als Lüfterrad zur Erzeugung einer Strömung
eines gasförmigen Mediums zumindest in dem ersten und zweiten
Strömungskanal ausgestaltet.
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Unter
einem Interrotor ist in diesem Zusammenhang zumindest ein Teil eines
besonderen Rotors zu verstehen, welcher sich im Wesentlichen zwischen
einem achsfernen äußeren Stator oder Statorteil,
welcher vorzugsweise mit einem Gehäuse einer Maschine verbunden
sein kann, und einem achsnahen Rotor oder Rotorteil, welches sich
insbesondere in mechanischer Verbindung mit einer Achse befinden
kann, zu verstehen. Der achsferne Stator oder Statorteil und der
achsnahe Rotor oder Rotorteil bilden einen zwischen diesen Elementen
liegenden ringzylindrischen Zwischenraum aus, in welchem der Interrotor
angeordnet sein soll.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Überlegung zugrunde zumindest
ein Halteelement des Interrotors derart auszugestalten, dass es
die Funktion eines Lüfterrades erfüllt. Ein solches
Lüfterrad sorgt für eine Strömung eines
gasförmigen Mediums innerhalb des kühlbaren Gehäuses,
welche zumindest den ersten und zweiten Strömungskanal
erfasst. Durch eine derartige Strömung eines gasförmigen Mediums
können zumindest Teile des Stators, des Rotors bzw. des
Interrotors mit dem kühlbaren Gehäuse thermisch
verbunden werden.
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Die
erfindungsgemäße elektrische Maschine verfügt über
eine besonders effektive Kühlung und ist gleichzeitig mit
verrin gertem Aufwand herzustellen, da das Halteelement sowohl eine
mechanische Funktion als auch die Funktion eines Lüfters
erfüllt.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen
hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1
mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise
auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden.
Demgemäß kann die elektrische Maschine nach der
Erfindung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:
- – Das gasförmige Medium kann
derart in dem ersten und zweiten Strömungskanal strömen,
dass die Strömungsrichtung in dem ersten Strömungskanal
im Wesentlichen in eine der Strömung in dem zweiten Strömungskanal
entgegengesetzte Richtung weist. Das gasförmige Medium
kann in dem Innenraum des kühlbaren Gehäuses,
wenn es auf die zuvor beschriebene Weise zirkuliert, in einem geschlossenen
Kreislauf zirkulieren. Durch eine derartige Zirkulation kann eine
hohe Geschwindigkeit des gasförmigen Mediums erreicht werden
und somit eine effektive thermische Ankopplung zwischen den Bereichen,
in denen sich der erste und zweite Strömungskanal befindet, und
dem gekühlten Gehäuse erreicht werden.
- – Das Lüfterrad kann als Axial- oder Radiallüfter ausgestaltet
sein. Ein Axial- bzw. Radiallüfter weist eine Geometrie
auf, die sowohl gute mechanische Eigenschaften hinsichtlich der
Halterung des Interrotors aufweist, als auch gute Lüftereigenschaften
aufweist und somit für eine effektive Zirkulation des gasförmigen
Kühlmediums sorgt.
- – Das erste und zweite Halteelement kann als Axiallüfter
ausgestaltet sein. Werden beide Halteelemente des Interrotors als
Axiallüfter ausgestaltet, so ergibt sich in dem kühlbaren
Gehäuse bzw. in dessen Innenraum eine schnelle Zirkulation
des gasförmigen Mediums. Bedingt durch die ho he Geschwindigkeit
des gasförmigen Mediums kann eine effektive Kühlung
zumindest von Teilen des Stators, Rotors und Interrotors erreicht
werden.
- – Das erste Halteelement kann als Radiallüfter und
das zweite Halteelement als Axiallüfter ausgestaltet sein.
Ebenso kann das erste Halteelement als Axiallüfter und
das zweite Halteelement als Radiallüfter ausgestaltet sein.
Ein Axiallüfter sorgt für eine radiale Ablenkung
der Strömung des gasförmigen Mediums. Innerhalb
des kühlbaren Gehäuses wird daher in axialer Richtung
betrachtet hinter einem Axiallüfter kein Raum für
die Zirkulation des gasförmigen Mediums benötigt. Dies
trifft sowohl in dem Fall zu, dass ein Axiallüfter als
erstes wie auch als zweites Halteelement Verwendung findet. Auf
der entsprechenden Seite an der der Axiallüfter innerhalb
des kühlbaren Gehäuses angeordnet ist, kann das
Gehäuse daher sehr kompakt gebaut werden.
- – Ein Halteelement kann als gelochte Scheibe ausgestaltet
sein. Unter einer gelochten Scheibe ist in diesem Zusammenhang ein
im Wesentlichen scheibenförmiges Halteelement zu verstehen,
welches regelmäßig oder unregelmäßig
angeordnete Durchbrüche, Löcher, Bohrungen oder ähnliches
aufweist. Diese Durchbrüche sorgen dafür, dass
in axialer Richtung ein Durchtritt des gasförmigen Mediums
durch die gelochte Scheibe möglich ist. Das Flächenverhältnis
zwischen Durchbrüchen und dem die gelochte Scheibe darstellenden
Material ist für den Begriff der gelochten Scheibe irrelevant.
Eine gelochte Scheibe findet gemäß der vorstehenden
Ausführungsform ihre Anwendung, da sie sowohl eine hohe
mechanische Stabilität als auch eine gute Durchlässigkeit
für das gasförmige Medium aufweist.
- – Ein Halteelement kann als gelochte Scheibe und ein
weiteres Halteelement kann als Axial- oder Radiallüfter
ausgestaltet sein. Die Kombination eines Axial- oder Radiallüfters
mit einer gelochten Scheibe sorgt für ein Höchstmaß an
Stabilität bei gleichzeitig erzwungener Zirkulation des gasförmigen
Mediums durch den entsprechenden Lüfter.
- – Das zweite radiale Halteelement kann als gelochte
Scheibe oder Radiallüfter ausgestaltet sein. Das zweite
radiale Halteelement ist mit der zweiten Achse starr verbunden.
Die Drehmomentübertragung zwischen dem Interrotor und der zweiten
Achse erfolgt also über das zweite radiale Halteelement.
Ein Radiallüfter oder eine gelochte Scheibe bieten ein
Maximum an mechanische Stabilität, insbesondere hinsichtlich
einer Drehmomentübertragung zwischen dem Interrotor und der
zweiten Achse.
- – Das gekühlte Gehäuse kann Kühlkanäle
zur Aufnahme eines Kühlmediums, insbesondere eines flüssigen
Kühlmediums, aufweisen. Das gekühlte Gehäuse
kann mit Hilfe von Kühlkanälen besonders einfach
und effektiv gekühlt werden. Wird das gekühlte
Gehäuse mit einer Flüssigkeit gekühlt,
so wird die Temperatur des gekühlten Gehäuses
die Siedetemperatur des flüssigen Mediums nicht wesentlich überschreiten.
Durch Wahl eines geeigneten Kühlmediums kann auf diese Weise
eine maximal für die elektrische Maschine zulässige
Temperatur eingestellt werden.
- – Das Kühlmedium kann wasserhaltig, wässrig oder
ein beliebiges Gemisch wasserhaltiger und wässriger Medien
sein. Wasserhaltige oder wässrige Medien weisen typischerweise
Siedetemperaturen von 150°C oder darunter auf. Das kühlbare
Gehäuse wird im Wesentlichen eine Temperatur annehmen,
die in etwa der Siedetemperatur des Kühlmediums entspricht.
Die Temperatur des kühlbare Gehäuses wird ggf.
leicht oberhalb der Temperatur des Kühlmediums liegen.
Temperaturen von 150°C und darunter sind in der Regel für die
Bauteile einer elektrischen Maschine unkritisch. Zum Schutz der
elektrischen Maschine vor einer thermischen Überlastung
kann daher vorteilhaft ein Kühlmedium mit einer Siedetemperatur von
150°C oder darunter verwendet werden.
- – Die elektrische Maschine kann als Teil eines elektrischen
Getriebes ausgebildet sein. An die elektrischen Getriebe werden
hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer Leistung gestellt. Damit einhergehend
werden ebenfalls hohe Anforderungen an die Kühlung eines
solchen elektrischen Getriebes gestellt. Eine elektrische Maschine
mit einer effektiven Kühlung ist daher als elektrisches
Getriebe besonders geeignet.
- – Das elektrische Getriebe kann Teil eines Kraftfahrzeuges
mit einer Verbrennungsmaschine sein. Weiterhin kann als Kühlmedium
zumindest teilweise das Kühlwasser der Verbrennungsmaschine
verwendet werden. Das Kühlwasser einer Verbrennungsmaschine
weist typischerweise eine Temperatur von maximal ca. 150°C
auf. Wird das Kühlwasser der Verbrennungsmaschine zur Kühlung
des kühlbaren Gehäuses des elektrischen Getriebes
verwendet, so kann neben der Verbrennungsmaschine auch das elektrische
Getriebe vor thermischen Schäden weitgehend bewahrt werden.
Weiterhin stellt ein gemeinsames Kühlsystem von Verbrennungsmaschine
und elektrischem Getriebe eine besonders einfache Ausgestaltung
beider Kühlsysteme in einem Kraftfahrzeug dar.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
elektrischen Maschine gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen
Ansprüchen sowie insbesondere aus der nachfolgend erläuterten Zeichnung
hervor. Dabei zeigt deren Figur einen Längsschnitt durch
eine elektrische Maschine.
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Die
Figur zeigt in leicht schematisierter Form einen Längsschnitt
durch eine elektrische Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die allgemein mit 100 bezeichnete elektrische Maschine
weist ein kühlbares Gehäuse 101 auf,
in welches Kühlkanäle 102 eingelassen
sein können. Die Kühlkanäle 102 können
weiterhin, anstatt in das Gehäuse 101 eingelassen
zu sein, thermisch mit diesem verbunden sein und z. B. auf dieses
von außen aufgesetzt sein. Zur weiteren Verbesserung der
Wärmeabfuhr von dem Gehäuse 101 kann
dieses ferner Kühlrippen oder weitere Maßnahmen
zur Wärmeabfuhr aufweisen. Ebenfalls können sich
innerhalb des Gehäuses 101 zusätzliche
Kühlflächen befinden, welche die Wärmeabfuhr
aus dem Inneren des Gehäuses 101, vorzugsweise
an ein in den Kühlkanälen 102 strömendes
Kühlmedium, verbessern. Bei dem Kühlmedium kann
es sich um ein wässriges Medium handeln, insbesondere kann
Wasser als Kühlmedium verwendet werden.
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Die
elektrische Maschine 100 weist einen innerhalb des kühlbaren
Gehäuses 101 angeordneten, allgemein mit 105 bezeichnete
Stator 105, mit einer Statorwicklung 103 und einem
Statorblechpaket 104 auf. Der Stator 105 ist starr
mit dem Gehäuse 101 verbunden. Der Stator 105 weist
einen ersten axialen Strömungskanal 106 auf. Vorzugsweise
kann der Stator 105 eine Vielzahl von Strömungskanälen 106 aufweisen.
Wird im Folgenden Bezug auf einen Strömungskanal 106 genommen,
so ist darunter stets sowohl der Fall eines einzelnen Strömungskanals 106 als
auch der Fall zu verstehen, in dem es sich eine Vielzahl von Strömungskanälen 106 handelt.
Der erste Strömungskanal 106 kann (wie in der
Figur dargestellt) zwischen dem Statorblechpaket 104 und
weiteren Teilen des Stators, welche mit dem Gehäuse 101 starr
verbunden sind, verlaufen. Der erste Strömungskanal 106 kann
ebenfalls in axialer Richtung durch das Statorblechpaket 104 oder
zumindest Teile des Statorblechpaketes verlaufen. Zu einer Verbesserung
der Wärmeabfuhr, insbesondere aus dem Bereich der Statorwicklung 103 bzw.
des Statorblechpaketes 104, kann der erste axiale Strömungskanal 106 auf
seiner Innenseite eine vergrößerte Oberfläche aufweisen.
Beispielsweise kann der erste axiale Strömungskanal 106 zusätzlich
mit in axialer Richtung orientierten Rippen oder anderen seine Oberfläche vergrößernde
Maßnahmen ausgestaltet sein.
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Die
elektrische Maschine 100 verfügt weiterhin über
eine erste Achse 107 und zweite Achse 108, welche über
Lager 109 gegenüber dem kühlbaren Gehäuse 101 drehbar
gelagert sind. Sowohl die erste Achse 107 wie auch die
zweite Achse 108 können eine Antriebs- oder auch
eine Abtriebsachse sein. Mit der ersten Achse 107 ist kraftschlüssig
ein allgemein mit 110 bezeichneter Rotor mit einer Rotorwicklung 111 und
einem Rotorblechpaket 112 verbunden. Der Rotor 110 sowie
die mit diesem kraftschlüssig verbundene erste Achse 107 sind
gegenüber der zweiten Achse 108 mit einem Lager 113 abgestützt.
Der Rotor 110 weist einen zweiten axialen Strömungskanal 114 auf.
Insbesondere kann der Rotor 110 eine Vielzahl von Strömungskanälen 114 aufweisen.
Wird im Folgenden Bezug auf einen Strömungskanal genommen,
so ist darunter stets sowohl der Fall eines Strömungskanals 114,
als auch der Fall einer Vielzahl von Strömungskanälen 114 zu
verstehen. Der zweite axiale Strömungskanal 114 kann
sich zwischen dem Rotorblechpaket 112 und weiteren mit
der ersten Achse 107 verbundenen Teilen des Rotors 110 befinden
(wie in der Figur gezeigt). Der zweite axiale Strömungskanal 114 kann
ebenso in axialer Richtung durch das Rotorblechpaket 112 oder
zumindest durch Teile des Rotorblechpaketes 112 geführt sein.
Ebenso wie der erste axiale Strömungskanal 106 kann
auch der zweite axiale Strömungskanal 114 mit
Mitteln zur Vergrößerung seiner Oberfläche
ausgestaltet sein.
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Der
Stator 105 umschließt den Rotor 110 unter
Ausbildung eines im Wesentlichen ringzylindrischen Zwischenraumes
Z. In diesem Zwischenraum Z ist ein Interrotor, welcher allgemein
mit 115 bezeichnet ist, angeordnet. Der Körper 116 des
Interrotors 115, bzw. in der Figur nicht näher
ausgeführte Teile des Interrotors 115 wie z. B.
dessen Wicklung, Blechpakete etc. sind mit einem ersten Halteelement 117 gegenüber
der ersten Achse 107 mit einem Lager 119 abgestützt
und auf der gegenüberliegenden Seite stirnseitig mit einem
zweiten Halteelement 118 mit der zweiten Achse 108 kraftschlüssig
verbunden.
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Die
gesamte elektrische Maschine kann insbesondere bezüglich
der Achse A im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut sein.
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Mindestens
eines der beiden Halteelemente 117, 118 ist als
Lüfter ausgestaltet. Auf diese Weise kann, wie mit den
Pfei len 120 angedeutet, eine Zirkulation eines gasförmigen
Mediums innerhalb des Gehäuses 101 erzeugt werden.
Die Zirkulation des gasförmigen Mediums erfasst dabei zumindest
den ersten axialen Strömungskanal 106 und den
zweiten axialen Strömungskanal 114. Auf diese
Weise kann mittels der in dem kühlbaren Gehäuse 101 erzeugten Zirkulation
des gasförmigen Mediums eine Wärmeabfuhr aus dem
Bereich des ersten Strömungskanals 106 und zweiten
Strömungskanals 114 erreicht werden. Die in den
zuvor genannten Bereichen abgeführte Wärme wird
im Wesentlichen an das kühlbare Gehäuse 101 abgegeben.
Mittels dem in den Kühlkanälen 102 des
kühlbaren Gehäuses 101 strömenden Kühlmediums
kann die Wärme schließlich von der in der Figur
gezeigten elektrischen Maschine 100 abgeführt
werden, und z. B. einem Rückkühlkreislauf zugeführt
werden.
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Die
Zirkulation des gasförmigen Mediums innerhalb des kühlbaren
Gehäuses 101 kann insbesondere derart erfolgen,
dass die Strömung des gasförmigen Mediums in dem
ersten axialen Strömungskanal 106 in eine Richtung
zeigt, die im Wesentlichen der Strömungsrichtung des gasförmigen
Mediums in dem zweiten axialen Strömungskanal 114 entgegensteht.
Auf diese Weise kann eine Zirkulation des gasförmigen Mediums
innerhalb des kühlbaren Gehäuses 101 in
einem geschlossenen Kreislauf erfolgen. Weiterhin kann auf den Strömungskanal 106 in
dem Stator 105 verzichtet werden. In diesem Fall stellt sich
eine wie folgt zu beschreibende Strömung ein. Der Anteil
der Strömung, welcher bisher durch den in dem Stator 105 angeordneten
Strömungskanal 106 strömt, wird nun im
Bereich der Statorwicklung 103 zwischen dem Stator und
dem Interrotor 116 verlaufen. Auf diese Weise kann die
Statorwicklung sehr direkt gekühlt werden.
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Das
gasförmige Medium, insbesondere Luft oder ein anderes geeignetes
Gas oder Inertgas oder Gasgemisch, kann auf diese Weise in eine
Zirkulation mit einer hohen Zirkulationsgeschwindigkeit versetzt
werden. Bedingt durch diese hohe Zirkulationsgeschwindigkeit kann
eine effektive Wärmeabfuhr aus den Bereichen des ersten
Strömungskanals 106 und zweiten Strömungskanals 114,
also aus dem Bereich des Stators, insbesondere des Statorblechpaketes 104 und
des Rotors 110 bzw. des Rotorblechpaketes 112,
erfolgen. Die Zirkulation des gasförmigen Mediums innerhalb
des kühlbaren Gehäuses 101 kann ggf.
durch weitere Maßnahmen, wie z. B. weitere Lüfter
oder Luftleitbleche gesteuert oder verstärkt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 03/075437 [0001, 0003]