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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kommutatorlüftermotor,
insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugkühlerlüfters,
sowie einen Kraftfahrzeugkühlerlüfter mit einem
solchen Kommutatorlüftermotor.
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Derartige
Kommutatorlüftermotoren – nachfolgend auch kurz
als Motoren bezeichnet – kommen zum Antrieb von Kühlerlüftern
bei Kraftfahrzeugen, welche zum Beispiel ein Flügelrad
aufweisen, zum Einsatz. Allerdings können sie auch bei
anderen Lüftern, wie beispielsweise Lüfter für
Klimaanlagen, verwendet werden. Die vorliegende Erfindung sowie
die ihr zugrunde liegende Problematik wird nachfolgend mit Bezug
auf solche Kommutatorlüftermotoren für KFZ-Kühlerlüftern
erläutert, ohne allerdings die Erfindung dahingehend einzuschränken.
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Diese
Motoren sind in der Regel so ausgelegt, dass sie ihre volle Leistungsfähigkeit
dann erreichen, wenn sie bei Betrieb durchzugsbelüftet
und damit über den durch den Motor strömenden
Luftzug ausreichend gekühlt werden. Dazu ist es erforderlich, dass
der Motor auf beiden Lagerseiten zumindest teilweise offen gestaltet
ist, damit durch die Lagerschilde in der Regel auf der dem Flügelrad
gegenüberliegenden Seite des Motors (die auch B-Seite genannt
wird) Kühlluft in den Motor einströmen kann und
auf der Flügelradseite (die auch als A-Seite bezeichnet
wird) wieder ausströmen kann. Diese so genannte erzwungene
Strömung wird z. B. durch einen geeignet gestalteten Innenbereich
des Nabentopfes des Flügelrads realisiert, welcher mit
Stegen bestückt ist, die mit dem Nabentopf einen Radiallüfter bilden.
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Problematisch
ist allerdings, dass bei Umgebungsbedingungen mit hohem Staub-,
Schmutz- und Feuchtigkeitsgehalt, wie sie typischerweise im Motorraum
von Kraftfahrzeugen herrschen, ein mehr oder weniger großer
Staub- und Schmutzanteil in den Motor gesogen wird. Dieser Staub-
und Schmutzanteil setzt sich bei einem Kommutatormotor vor allem
im Bereich dessen Bürstenschächte ab, was zu so
genannten Kohleklemmern und in der Folge sogar zum Motorausfall
des Kühlerlüfters führen kann. Es sind zwar
auch Kohleführungen mit hoher Verschmutzungsresistenz,
wie z. B. das Hammerbürstensystem, bekannt. Dennoch wird
vielfach ein Verschluss des B-seitigen Lagerschildes einer solchen
Kommutatoreinheit präferiert. Das A-seitige Lagerschild,
welches durch den Nabentopf bzw. dessen Stirnwand abgedeckt wird,
bleibt typischerweise offen.
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Durch
diese Maßnahme wird der Luftstrom durch den Kommutatormotor
und die Luftumwälzung aber signifikant eingeschränkt.
Parasitäre Luftwirbel, wie sie z. B. durch eine Radiallüfterfunktion
der Wickelköpfe vorhanden sind, reichen meist nicht aus, um
den Motor von innen her ausreichend zu kühlen, dass heißt
die im Motor erzeugte Wärmeenergie von Wärmequellen
zu Wärmesenken zu transportieren. Die von dem Motor bereitgestellte
Leistung sinkt damit bei gegebenem Bauvolumen signifikant. Z. B. kann
sie bis auf die Hälfte der Leistung eines baugleichen Motors
mit Durchzugsbelüftung sinken. Eine Erhöhung der
Leistungsfähigkeit bei solchen Kommutatormotoren mit eingeschränkter
Luftumwälzung zieht eine Vergrößerung
des Bauvolumens des Motors nach sich, was es vor allem im Bereich
von Kühlerlüftern, bei denen der Bauraum sehr
begrenzt ist und eine kritische Größe darstellt,
zu vermeiden gilt.
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Zur
Kühlung von geschlossenen Kommutatormotoren kann z. B.
auf der Motorwelle ein zusätzlicher Lüfter angebracht
werden, der für eine Luftverwirbelung im Inneren des Motors
sorgt. Die Wärmeenergie wird dabei zum Motorgehäuse
und zu den Lagerschilden übertragen und von dort an die
Umgebung abgegeben.
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Eine
weitere Möglichkeit beschreibt die
WO 2005/124972 A1 . Hier
ist ein zusätzlicher Radiallüfter auf dem Flügelradnabentopf
und dem Rotor im Inneren des Motors angebracht. Der Radiallüfter
auf der Motorwelle erzeugt eine axiale Durchströmung des Motors,
während der Radiallüfter des Lüfterrades Luft
in den Innenbereich eines doppelwandigen Gehäuses fördert
und somit die Oberfläche des Gehäuses kühlt.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, bei einem Kommutatorlüftermotor eine verbesserte
Durchlüftung bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch einen Kommutatorlüftermotor mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch einen Kraftfahrzeugkühlerlüfter
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
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Demgemäß ist
vorgesehen:
Ein Kommutatorlüftermotor, insbesondere
zum Antrieb eines Kraftfahrzeugkühlerlüfters eines
Kraftfahrzeuges, mit einem Motorgehäuse, welches einen
Rotorlüfter für einen Motorinnenstrom und ein
Lagerschild mit Öffnungen aufweist, mit einem Flügelrad, welches
auf einer Flügelradnabe angebrachte Lüfterflügel
für einen Lüfterstrom und eine innere Radiallüftereinrichtung
für einen Nabeninnenstrom aufweist, wobei die Flügelradnabe
Eintrittsöffnungen aufweist, welche den Öffnungen
des Lagerschilds gegenüber liegend angeordnet sind, und
wobei der Rotorlüfter als Axiallüfter ausgebildet
und innerhalb eines Ankerrotors auf einer Motorwelle angeordnet
ist.
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Ein
Kraftfahrzeugkühlerlüfter, mit einer Gehäusezarge,
mit zumindest einem Flügelrad, welches in der Gehäusezarge
drehbar gelagert ist, mit einem erfindungsgemäßen
Kommutatorlüftermotor, der zum Antreiben des Flügelrads
vorgesehen ist.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin,
im Betrieb des Kommutatorlüftermotors über die
Eintrittsöffnungen in einer Stirnwand der Flügelradnabe
Luft mittels einer Radiallüftereinrichtung von der Flügelradseite
her über das Motorgehäuse zu fördern.
Hierzu sind in dem Lagerschild des Motorgehäuses Öffnungen
vorgesehen, durch welche ein Motorinnenstrom mittels eines in dem
Ankerrotor angeordneten Axiallüfters gefördert
wird. Der Axiallüfter ist für eine Förderrichtung dergestalt
ausgelegt, dass durch äußere Öffnungen kühlere
Luft aus dem durch die Eintrittsöffnungen einströmenden
Luftstrom als Motorinnenstrom in den Motorinnenraum abgezweigt wird
und dort zur Wärmeabführung zur Verfügung
steht. Dieser Motorinnenstrom wird von dem Axiallüfter
durch den Ankerrotor hindurch durch innere Öffnungen im
Lagerschild gefördert, wobei er sich mit dem durch die
Eintrittsöffnungen einströmenden Nabeninnenstrom
in einer Vermischungszone vermischt. Dabei wird ein Großteil
der im Motorinnenraum aufgenommenen Wärmeenergie an den
Nabeninnenstrom abgegeben, wodurch von dort Wärmeenergie
an das Gehäuse über den äußeren
Luftstrom an die Umgebung abgegeben werden kann. Der Nabeninnenstrom
wird durch die Radiallüftereinrichtung erzwungen und strömt über Radialöffnungen
an der Außenseite der Flügelradnabe in den Luftstrom
des Flügelrades aus.
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Dazu
ist es bevorzugt, dass diese Radialöffnungen in Strömungsrichtung
hinter den Flügeln der Flügelradnabe angeordnet
sind. Ein Vorteil besteht hier darin, dass sich die Kühlung
des Kommutatorlüftermotors gegenüber bisher bekannten
Lösungen dadurch erheblich verbessert, ohne dass für
größere Leistungseinsatzfälle eine Bauvolumenvergrößerung oder
eines axi ale Verlängerung des Kommutatorlüftermotors
notwendig wäre. Somit erhöht sich auch die zulässige
Leistung aus dem vorhandenen Bauvolumen bei gegebener Drehzahl.
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Die Öffnungen
des Lagerschilds sind vorzugsweise als äußere Öffnungen
und innere Öffnungen auf Teilkreisen angeordnet, wobei
der Durchmesser des Teilkreises der äußeren Öffnungen
größer ist als der Durchmesser des Teilkreises
der inneren Öffnungen.
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Die
Eintrittsöffnungen sind vorzugsweise in der Stirnwand so
angeordnet, dass sie zumindest den inneren Öffnungen in
einer Vermischungszone gegenüberstehen. Dadurch ist es
möglich, dass der Motorinnenstrom, der durch den Rotorlüfter
gefördert wird, als Frischluft durch die Eintrittsöffnungen
und äußeren Öffnungen zur Kühlung
des Motorinnenraums angesogen wird.
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Die
Radiallüftereinrichtung weist vorzugsweise in der Flügelradnabe
an der Innenseite der Stirnwand Radialstege auf, die sich an der
Innenseite der Flügelradnabe als Axialstege zur Erzeugung
eines Nabeninnenstroms weiter ausdehnen. Dabei wirkt die Radiallüftereinheit
im Inneren des Flügelradnabentopfes gleichzeitig als eine
Art Fliehkraftseparator, durch welchen durch die Eintrittsöffnungen
angesaugter Staub nicht in den Motorinnenraum gezogen wird.
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In
bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass die Eintrittsöffnungen
zwischen den Radialstegen angeordnet sind.
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In
einer dazu alternativen, ebenfalls bevorzugten Ausführung
sind die Eintrittsöffnungen in einem mit einem ringförmigen
Steg von den Radialstegen abgegrenzten Abschnitt angeordnet. Dieser
ringförmige Steg erstreckt sich z. B. axial. Dabei ist
es vorgesehen, dass der Rotorlüfter für eine axiale
Förderrichtung des Motorinnenstroms derart ausgebildet ist,
dass der Motorinnenstrom durch die inneren Öffnungen aus
der Vermischungszone einströmt und durch die äußeren Öffnungen
in die Vermischungszone ausströmt. Vorteilhafterweise sind
der ringförmige Steg unterhalb der äußeren Öffnungen
bzw. auf einem Teilkreis mit einem Durchmesser angeordnet, der kleiner
oder gleich dem Teilkreisdurchmesser der äußeren Öffnungen
ist. Da in diesem Fall die Radialstege an dem ringförmigen
Steg beginnen, wird die aus den äußeren Öffnungen
ausströmende Luft des Motorinnenstroms durch die Radialstege
radial nach außen beschleunigt. Der ringförmige
Steg bildet somit eine Art Schott, welches eine radiale Beschleunigung
der durch die Eintrittsöffnungen einströmenden Luft
verhindert. Diese wird direkt von diesen kommend durch die inneren Öffnungen
des Lagerschilds mittels des Rotorlüfters durch den Ankerrotor
hindurch durch den Motorinnenraum gefördert und strömt
in umgekehrter axialer Richtung durch die äußeren Öffnungen
in die Vermischungszone.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau
mit den Figuren der Zeichnung.
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Die
obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen
sich auf beliebige Art und Weise kombinieren.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen
Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 eine
axiale Teilschnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kommutatorlüftermotors;
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2 eine
Draufsicht eines beispielhaften Lagerschilds des erfindungsgemäßen
Kommutatorlüftermotors aus 1.
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In
den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente
und Merkmale – sofern nichts Anderes ausgeführt
ist – mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
eine axiale Teilschnittansicht einer beispielhaften Ausführung
eines erfindungsgemäßen Kommutatorlüftermotors
mit einem Motorgehäuse 10 mit kreisrundem Querschnitt,
welches auf einer geschlossenen Seite eine Kommutatoreinheit 13 und
auf der gegenüberliegenden Seite ein Lagerschild 12 mit Öffnungen 20, 21 aufweist,
wobei eine Motorwelle 26 mit einem darauf drehfest angebrachten
Ankerrotor 7 mit einem Ende in der Kommutatoreinheit 13 und
mit dem anderen Ende in dem Lagerschild 12 drehbar gelagert
ist und sich durch das Lagerschild 12 nach außen
erstreckt.
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Ein
Flügelrad 1 mit einer Flügelradnabe 2, welche
auf dem anderen Ende der Motorwelle 26 mit einer Stirnwand 3 in
einem Abstand von dem Lagerschild 12 drehfest angebracht
ist, sind Lüfterflügel 4 für
einen axialen Lüfterstrom angebracht. Die Flügelradnabe
umgibt das Motorgehäuse 10 zumindest teilweise
und in ihrem Inneren ist eine Radiallüftereinheit zur Erzeugung
eines Nabeninnenstroms 24 angeordnet.
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Die
Radiallüftereinheit besteht in diesem Beispiel aus Radialstegen 5,
die an der Innenseite der Stirnwand 3 fast auf der ganzen
Seite beginnend in einem Abstand von der Motorwelle 26 bis
nach oben in einen sich axial zur Motorwelle 26 erstreckenden Nabentopfabschnitt
verlaufen, wobei sie dabei in Axialstege 6 übergehen.
An ihrem in der 1 rechten Ende sind in Strömungsrichtung
rechts bzw. hinter den Lüfterflügeln 4 umlaufend
Radialöffnungen 22 angeordnet, an deren rechten
Seiten ein umlaufender Steg zur Umlenkung des Nabeninnenstroms 24 angeformt
ist.
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Im
Bereich der Radialstege 6 sind in der Stirnwand 3 der
Flügelradnabe 2 Eintrittsöffnungen 19 vorgesehen.
Zwischen der Innenseite der Stirnwand 3 der Flügelradnabe 2 und
dem Lagerschild 12 ist ein Stirnzwischenraum 15 angeordnet,
welcher in radialer Richtung in einen das Motorgehäuse 10 umgebenden
Zwischenraum 17 zu den Axialstegen 6 der Flügelradnabe 2 übergeht.
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In
einem Motorgehäuseinnenraum 16 ist der Ankerrotor 7 mit
Ankerwicklungen 8 auf der Motorwelle 26 drehbar
angeordnet. In dem Ankerrotor 7 ist ein Rotorlüfter
in Gestalt eines Axiallüfters 9 zur Erzeugung
eines Motorinnenstroms 25 angeordnet. Dieser Axiallüfter
befindet sich zwischen dem Ankerrotor 7 und der Motorwelle 26 und
bildet Durchgänge für den Motorinnenstrom 25.
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An
der Innenwand des Motorgehäuses 10 befindet sich
eine Magneteinheit 11, welche aus Permanentmagneten oder/und
Elektromagneten besteht. Zwischen dem Lagerschild 12 und
dem Motorgehäuseinnenraum 16 ist ein Lagerschildraum 14 gebildet.
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Die
Eintrittsöffnungen 19 sind auf einem Teilkreis
der Stirnwand 3 verteilt angeordnet. Dabei bilden sie mit
den Radialstegen 5, dem Stirnzwischenraum 15 und
den Öffnungen 20, 21 eine Vermischungszone
von zwei unabhängigen Teilströmen, die unten beschrieben
werden. Die Öffnungen 20, 21 sind in äußere Öffnungen 20 und
innere Öffnungen 21 jeweils auf einem Teilkreis
des Lagerschilds 12 angeordnet, wobei die äußeren Öffnungen 20 einen größeren
Teilkreisdurchmesser als die inneren Öffnungen 21 aufweisen.
Die Eintrittsöffnungen 19 sind in diesem Beispiel
so angeordnet, dass sie die inneren Öffnungen 21 überdecken,
wobei die Unterseiten der äußeren Öffnungen 20 etwas über
den Oberseiten der Eintrittsöffnungen 19 liegen.
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Bei
Betrieb des Kommutatorlüftermotors dreht sich der Ankerrotor 7 mit
der Motorwelle 26 und dem darauf befestigten Flügelrad 1.
Durch die Radiallüftereinheit wird innerhalb der Flügelradnabe 2 ein Unterdruck
erzeugt, durch welchen ein Eintrittsstrom 23 durch die
Eintrittsöffnungen 19 in die Radialstege 5 und
den Stirnzwischenraum 15 einströmt und als Nabeninnenstrom 24 radial
gegen die Axialstege 6 gefördert wird. Dort verläuft
der Nabeninnenstrom 24 in axialer Richtung gegen den ringförmigen
Steg, an welchem er in die Austrittsöffnungen 22 umgelenkt wird
und sich mit dem Lüfterstrom der Lüfterflügel 4 vermischt.
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Da
gleichzeitig mit der Rotation des Ankerrotors 7 auch der
Axiallüfter 9 im Ankerrotor 7 einen Unterdruck
im Motorgehäuseinnenraum 16 erzeugt, wird aus
dem Nabeninnenstrom 24 in der Vermischungszone 18 ein
Teil als Motorinnenstrom 25 durch die äußeren Öffnungen 20 abgezweigt.
Der Axiallüfter 9 ist so gestaltet, dass er einen
erzwungenen Motorinnenstrom 25 in axialer Richtung in einer Förderrichtung
erzeugt, die von den äußeren Öffnungen 20 durch
die Magneteinheit 11 gegen die Kommutatoreinheit 13 erfolgt,
an dieser umgelenkt wird und durch den Axiallüfter 9 durch
den Ankerrotor 7 zu den inneren Öffnungen 21 verläuft.
Dabei umströmt der Motorinnenstrom 25 die Ankerwicklung 8,
den Ankerrotor 7 und Abschnitte der Kommutatoreinheit 13,
wobei ein Wärmeübergang und -abtransport erfolgt.
Nach Ausströmen aus den inneren Öffnungen 21 vermischt
sich der Motorinnenstrom 25 in der Vermischungszone 18 mit
dem Nabeninnenstrom 24 in den Radialstegen 5 und
wird mit diesem unter Wärmeabgabe durch die Austrittsöffnungen 22 nach
außen befördert. Wärmeabgabe erfolgt
auch an die Flügelradnabe 2, deren Oberfläche
die Wärme nach außen an die Umgebung abgibt.
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2 zeigt
eine Draufsicht eines beispielhaften Lagerschilds 12 des
erfindungsgemäßen Kommutatorlüftermotors
nach 1. Hierbei sind die äußeren Öffnungen 20 kreisrund
und die inneren Öffnungen 21 als Kreisabschnitte
ausgebildet. Andere Formen und Anzahlen sind selbstverständlich möglich.
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Die
Erfindung ist nicht auf das angegebene Ausführungsbeispiel
beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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So
kann zum Beispiel die Förderrichtung des Axiallüfters 9 so
gestaltet sein, das die Einströmung durch die inneren Öffnungen 21 und
die Ausströmung durch die äußeren Öffnungen 20 erfolgt.
Dabei ist es zweckmäßig, dass der Abschnitt, in
dem die Eintrittsöffnungen 19 auf der Innenseite
der Stirnwand 3 angeordnet sind, keine Radialstege 5 aufweist,
damit der Eintrittsstrom 23 in die inneren Öffnungen 21 einströmen
kann. Dieser Abschnitt ist in dieser Ausführung von einem
kreisrunden Steg begrenzt, der an den Oberseiten der Eintrittsöffnungen 19 angeformt
ist. Erst an diesem Steg beginnen in diesem Fall die Radialstege 5.
Dieser kreisrunde Steg liegt vorzugsweise unterhalb der äußeren Öffnungen 20,
so dass der aus diesen ausströmende Motorinnenstrom 25 in
die Radialstege 5 eingeleitet wird.
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- 1
- Flügelrad
- 2
- Flügelradnabe
- 3
- Stirnwand
- 4
- Lüfterflügel
- 5
- Radialsteg
- 6
- Axialsteg
- 7
- Ankerrotor
- 8
- Ankerwicklung
- 9
- Rotorlüfter
- 10
- Motorgehäuse
- 11
- Magneteinrichtung
- 12
- Lagerschild
- 13
- Kommutatoreinrichtung
- 14
- Lagerschildraum
- 15
- Stirnzwischenraum
- 16
- Motorgehäuseinnenraum
- 17
- Zwischenraum
- 18
- Vermischungszone
- 19
- Eintrittsöffnung
- 20
- Außenöffnung
- 21
- Innenöffnung
- 22
- Radialöffnung
- 23
- Eintrittsstrom
- 24
- Nabeninnenstrom
- 25
- Motorinnenstrom
- 26
- Motorwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/124972
A1 [0007]