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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine Elektromaschine, mit einem Gehäusemantel und mit zwei an gegenüberliegenden Seiten zumindest mittelbar an dem Gehäusemantel angebrachten Deckeln, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Elektromaschine mit einem Rotor und einem Stator.
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Aufgrund des bekanntermaßen knapper werdenden Rohstoffs Erdöl werden in jüngster Zeit vermehrt Anstrengungen unternommen, bislang mit Benzin oder Diesel betriebene Kraftfahrzeuge elektromotorisch anzutreiben. Des weiteren sind Hybridantriebe bekannt, bei denen Brennkraftmaschinen mit Elektromaschinen kombiniert werden, um teilweise beträchtliche Kraftstoffeinsparungen zu erreichen. In schienengebundenen Fahrzeugen ist der Einsatz solcher Elektromaschinen bereits seit längerem üblich.
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Problematisch bei der Verwendung solcher Elektromaschinen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen ist ihre teilweise hohe Geräuschentwicklung, und zwar insbesondere in sehr hohen Frequenzbereichen, in denen die Fahrer üblicher Kraftfahrzeuge eine derartige Geräuschentwicklung nicht gewohnt sind. Insbesondere in U- oder S-Bahnen, in denen die Elektromotoren häufig direkt unterhalb des Bodens des Fahrgastraums angebracht sind, werden die von den Elektromaschinen erzeugten Geräusche ebenfalls häufig als störend empfunden..
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gehäuse für eine Elektromaschine zu schaffen, welche in der Lage ist, die von der Elektromaschine während ihres Betriebs ausgehende Geräuschentwicklung zu verringern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Durch das Gewebe bzw. das mikroperforierte Blech bzw. das Streckmetallblech ergibt sich in Zusammenhang mit dem Schalldämpfungsmaterial ein Schwingungssystem, welches von dem durch die Elektromaschine erzeugten Luftschall durchströmt und in Schwingungen versetzt wird. Der Luftschall wird nach Durchlaufen dieses Schwingungssystems an der jeweiligen äußeren Wandung des Gehäusemantels reflektiert und verläuft nochmals durch das Schwingungssystem aus dem Schalldämpfungsmaterial und dem Gewebe bzw. dem mikroperforierten Blech bzw. dem Streckmetallblech, wodurch die Schallschnelleenergie auf sehr effektive Weise in kinetische Energie und in Wärme umgewandelt wird. Dadurch ergibt sich eine sehr effektive Schalldämpfung bzw. Schallabsorption mittels der erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfungseinrichtungen. Die äußere Wandung des Gehäusemantels kann dabei vorzugsweise so beschaffen bzw. gestaltet sein, dass sie zusätzlich zu der reflektierenden Wirkung auch eine schalldämmende Wirkung hat und somit eine Schalltransmission nach außen verhindert. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Dicke und/oder eine geeignete Härte der äußeren Wandung erreicht werden.
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Durch die Bewegungen des Luftschalls werden in die Poren des Gewebes bzw. in die Mikroperforierungen des Blechs bzw. in die Schlitze des Streckmetallblechs gelangende Luftmoleküle in den Poren abgebremst und in Wärme umgewandelt, was zu der beschriebenen Schalldämpfung führt. Die Poren des Gewebes bzw. die Mikroperforierungen des Blechs bzw. die Schlitze des Streckmetallblechs sorgen also für eine Absorption des in dieselben gelangenden Schalls, wobei die Schallwellen durch die Strömungsumlenkungen einen Widerstand erfahren, der die Grundlage für die Schallabsorption darstellt. Der Strömungswiderstand des Gewebes bzw. des mikroperforierten Blechs bzw. des Streckmetallblechs steht dabei in Funktion zur Schallabsorption, wobei ein höherer Strömungswiderstand eine besser Schallabsorption erzeugt.
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Insbesondere bei der Verwendung eines Gewebes lässt sich die Porengröße durch Verringerung der Dicke des Gewebes, was beispielsweise mittels Walzen oder Pressen in einem Gesenk vorgenommen werden kann, verkleinern, so dass eine noch bessere Schallabsorption erreicht wird. Durch eine entsprechende Verringerung der Porengröße lässt sich das Gewebe auch sehr exakt auf die jeweils zu dämpfende Frequenz einstellen.
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Ein besonderer Vorteil der Verwendung eines Gewebes mit Kettdrähten und Schussdrähten besteht darin, dass ein Gewebe sehr einfach und schnell hergestellt werden kann. Für ein Gewebe können außerdem sehr dünne Drähte verwendet werden, die ein sehr flexibles Gewebe ergeben, das in der Lage ist, sehr viel Schallschnelleenergie umzuwandeln.
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Durch die erfindungsgemäßen Schalldämpfungseinrichtungen wird der von der Elektromaschine erzeugte Schall also sehr effektiv gedämpft, wodurch die von der in dem erfindungsgemäßen Gehäuse angeordneten Elektromaschine ausgehende Schallabstrahlung erheblich vermindert wird. Dies ermöglicht den Einsatz von Elektromaschinen auch bei Anwendungen, in denen Elektromaschinen bislang als zu laut angesehen wurden.
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Wenn in einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, dass das Gewebe oder das mikroperforierte Blech oder das mit Schlitzen versehene Streckmetallblech zwischen dem Schalldämpfungsmaterial und der Elektromaschine angeordnet ist, so ergibt sich eine besonders gute Schalldämpfung, da das Gewebe oder das mikroperforierte Blech oder das mit Schlitzen versehene Streckmetallblech in diesem Fall die von der Elektromaschine erzeugten Schallwellen innerhalb sehr kurzer Zeit nach ihrer Entstehung aufnimmt.
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Zusätzlich oder alternativ kann des weiteren vorgesehen sein, dass das Gewebe oder das mikroperforierte Blech oder das mit Schlitzen versehene Streckmetallblech zwischen zwei Lagen des Schalldämpfungsmaterials angeordnet ist. In diesem Fall wird der von der Elektromaschine erzeugte Schall über eine innere Lage des Schalldämpfungsmaterials an das Gewebe, das mikorperforierte Blech oder das mit Schlitzen versehene Streckmetallblech übertragen, wodurch sich eine zusätzliche Schalldämpfung ergibt.
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Wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Schalldämpfungsmaterial Schaumstoff ist, so ergibt sich zusätzlich zu der Schalldämpfung mittels des Gewebes, des mikroperforierten Blechs oder des mit Schlitzen versehenen Streckmetallblechs eine verbesserte Schalldämpfung aufgrund des verwendeten Materials. Ein weiterer Vorteil dieses Materials besteht in seiner Dauerhaltbarkeit.
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Wenn dabei offenporiger Schaumstoff verwendet wird, ist gewährleistet, dass der Luftschall sowohl das Gewebe bzw. das mikroperforierte Blech bzw. das Streckmetallblech als auch das Schalldämpfungsmaterial durchströmen und somit zu der den Schall reflektierenden, äußeren Wandung des Gehäuses gelangen kann.
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Eine sehr einfache Verbindung der Deckel mit dem Gehäusemantel ergibt sich, wenn die Deckel mittels jeweiliger Flansche an dem Gehäusemantel angebracht sind.
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Dabei kann das Übertragen von Schwingungen von dem Gehäusemantel zu den beiden Deckeln und umgekehrt verhindert werden, wenn zwischen den beiden Deckeln und den Flanschen und zwischen dem Gehäusemantel und den Flanschen jeweilige Dämpfungselemente angeordnet sind.
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Eine Elektromaschine mit einem Rotor, einem Stator und einem erfindungsgemäßen Gehäuse ist in Anspruch 1 angegeben.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
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Es zeigt:
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1 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Gehäuse für eine Elektromaschine nach der Linie I-I aus 2;
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2 eine Draufsicht auf einen der Deckel des erfindungsgemäßen Gehäuses gemäß dem Pfeil II aus 1;
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3 eine Draufsicht auf ein Gewebe der Schalldämpfungseinrichtung für das erfindungsgemäße Gehäuse;
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4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV aus 3;
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5 einen Schnitt nach der Linie V-V aus 3; und
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6 ein Diagramm, welches die von einer mit dem erfindungsgemäßen Gehäuse ausgestatteten Elektromaschine erzeugte Schallabstrahlung im Vergleich zu der von einer bekannten Elektromaschine erzeugten Schallabstrahlung darstellt.
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1 zeigt ein Gehäuse 1 für eine mittels gestrichelter Linien sehr schematisch angedeutete Elektromaschine 2. Unter einer Elektromaschine 2 im Sinne der vorliegenden Erfindung sind sowohl Elektromotoren als auch Generatoren jeglicher Bauart und für jeglichen Verwendungszweck zu verstehen. Das Gehäuse 1 dient unter anderen dazu, die Elektromaschine 2 vor äußeren Einflüssen, wie Schmutz, Wasser oder dergleichen zu schützen.
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Das Gehäuse 1 weist einen im vorliegenden Fall im Wesentlichen zylindrischen Gehäusemantel 3 und zwei an gegenüberliegenden Seiten des Gehäusemantels 3 angebrachte Deckel 4 und 5 auf. Hierbei weist der im vorliegenden Fall auf der linken Seite des Gehäuses 1 vorgesehene Deckel 4 eine Bohrung 6 auf, durch welche ein Wellenende 7 der Elektromaschine 2 durchgeführt ist. Selbstverständlich könnte der Gehäusemantel 3 auch jede andere Form aufweisen, z. B. quaderförmig, d. h. mit einem rechteckigen Querschnitt.
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Neben dem Wellenende 7 weist die Elektromaschine 2 auch einen Rotor und einen Stator auf, die jedoch in den Figuren nicht explizit dargestellt sind. Üblicherweise ist dem Rotor das Wellenende 7 zugeordnet.
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Die beiden Deckel 4 und 5 sind mittels jeweiliger Flansche 8, die im vorliegenden Fall identisch zueinander sind, an dem Gehäusemantel 3 angebracht. Zwischen den beiden Deckeln 4 und 5 und den ringförmig ausgebildeten Flanschen 8 sind jeweilige Dämpfungselemente 9 vorgesehen. In ähnlicher Weise sind auch zwischen dem Gehäusemantel 3 und den Flanschen 8 jeweilige Dämpfungselemente 10 vorgesehen. Im vorliegenden Fall bestehen die ebenfalls ringförmigen Dämpfungselemente 9 und 10 aus Gummi, so dass sie eine sehr gute Dämpfung zwischen den Deckeln 4 und 5 und den Flanschen 8 sowie zwischen dem Gehäusemantel 3 und den Flanschen 8 gewährleisten. Die dargestellte Verbindung zwischen den Deckeln 4 und 5 und dem Gehäusemantel 3 mittels der Flansche 8 und den zwischen den einzelnen Bauteilen angeordneten Dämpfungselementen 9 und 10 führt zu einer vollständigen Kapselung der Elektromaschine 2 mittels des Gehäuses 1. Die dargestellte Ausführungsform ist jedoch als rein beispielhaft anzusehen und kann bei entsprechend ausgeführten Elektromaschinen 2 bzw. den an dieselben angepassten Gehäusen 1 auch vollkommen anders gestaltet sein. Insbesondere kann das Gehäuse 1 annähernd jede beliebige Form aufweisen.
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In dem Schnitt gemäß 1 ist außerdem zu erkennen, dass die beiden Deckel 4 und 5 mittels jeweiliger Exzenterverschlüsse 11 an den Flanschen 8 und damit an dem Gehäusemantel 3 befestigt sind. Die Exzenterverschlüsse 11, deren Position auch in 2 erkennbar ist, ermöglichen ein einfaches und schnelles Abnehmen und Anbringen der beiden Deckel 4 und 5 von bzw. an dem Gehäusemantel 3.
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Das Gehäuse 1 dient dazu, die von der Elektromaschine 2 erzeugte Geräuschentwicklung zu dämpfen. Insbesondere in hohen Frequenzbereichen kommt es bei Elektromaschinen häufig zu einer verhältnismäßig starken Schallabstrahlung, die als sehr störend angesehen werden kann. Der Gehäusemantel 3 weist im vorliegenden Fall eine äußere Wandung 12 auf, die vorzugsweise aus einem metallischen Material, wie beispielsweise Stahlblech, gebildet ist. In ähnlicher Weise sind auch die beiden Deckel 4 und 5 mit jeweiligen äußeren Wandungen 13 und 14 versehen. Während die äußere Wandung 12 des Gehäusemantels 3 im Wesentlichen als zylindrische Mantelfläche ausgeführt ist, handelt es sich bei den beiden äußeren Wandungen 13 und 14 der Deckel 4 und 5 um jeweilige kreisrunde Planflächen. Bei einer wie oben erwähnten anderen Form des Gehäuses 1 könnten die Wandungen 12, 13 und 14 jedoch auch beliebige andere Ausgestaltungen aufweisen, wie z. B. rechteckige oder auch drei- oder mehreckige Formen.
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Zwischen der äußeren Wandung 12 des Gehäusemantels 3 und der Elektromaschine 2 ist eine Schalldämpfungseinrichtung 15 angeordnet, die für eine Dämpfung des wie oben beschrieben von der Elektromaschine 2 ausgehenden Schalls sorgt. In gleicher Weise sind auch zwischen den äußeren Wandungen 13 und 14 der Deckel 4 und 5 und der Elektromaschine 2 jeweilige Schalldämpfungseinrichtungen 16 und 17 angeordnet, die ebenfalls den von der Elektromaschine 2 abgestrahlten Schall dämpfen und wie nachfolgend beschrieben aufgebaut sind.
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Die Schalldämpfungseinrichtungen 15, 16 und 17 weisen jeweils ein Schalldämpfungsmaterial 18 auf, das im vorliegenden Fall als Schaumstoff, insbesondere als offenporiger Schaumstoff, ausgebildet ist. Statt als Schaumstoff kann das Schalldämpfungsmaterial 18 auch als Wabenmaterial ausgebildet sein, welches neben der Schalldämpfung auch eine Kassettierung des Schalls ermöglicht.
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Des weiteren weisen die Schalldämpfungseinrichtungen 15, 16 und 17 ein Gewebe 19 auf, welches in den 3, 4 und 5 detaillierter dargestellt ist und Kettfäden bzw. Kettdrähte 20 und Schussfäden bzw. Schussdrähte 21 sowie sich zwischen den Kettdrähten 20 und den Schussdrähten 21 befindliche Poren 22 aufweist. Statt des Gewebes 19 kann in nicht dargestellter Weise auch ein mikroperforiertes Blech oder ein mit Schlitzen versehenes Metallblech eingesetzt werden. Sämtliche nachfolgend beschriebenen Möglichkeiten der Anordnung und der Ausführung des Gewebes 19 gelten auch für das mit Schlitzen versehene Streckmetallblech oder das mikroperforierte Blech.
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Im vorliegenden Fall weist jede der Schalldämpfungseinrichtungen 15, 16 und 17 zwei der Gewebe 19 auf, wobei eines der Gewebe 19 zwischen dem Schalldämpfungsmaterial 18 und der Elektromaschine 2 und das andere Gewebe 19 freischwimmend, d. h. nicht befestigt, zwischen zwei Lagen 18a und 18b des Schalldämpfungsmaterials 18 angeordnet ist. Selbstverständlich wäre es auch möglich, auf jeweils eines der Gewebe 19 zu verzichten, wobei dann vorzugsweise auf das zwischen den beiden Lagen 18a und 18b des Schalldämpfungsmaterials 18 befindliche Gewebe 19 verzichtet werden würde. In diesem Fall könnte das Schalldämpfungsmaterial 18 einlagig ausgeführt sein. Gegebenenfalls können auch mehrere Lagen des Gewebes 19 vorgesehen sein, was die schalldämpfende Wirkung der Schalldämpfungseinrichtungen 15, 16 oder 17 verstärkt. Dies gilt sowohl für das zwischen dem Schalldämpfungsmaterial 18 und der Elektromaschine 2 angeordnete Gewebe 19 als auch für das zwischen den beiden Lagen 18a und 18b angeordnete Gewebe 19.
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Zwischen den beiden Lagen 18a und 18b kann statt des Gewebes 19 auch ein massives, aber schwingfähiges Bauteil, beispielsweise ein Stahlblech, angeordnet sein. Dieses wird durch die Schallschwingungen ebenso zum Schwingen angeregt und verbraucht durch dieses Schwingen Schallenergie.
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In den 3, 4 und 5 ist das Gewebe 19 detailliert dargestellt.
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In den sich zwischen den Kettdrähten 20 und den Schussdrähten 21 befindlichen Poren 22 wird die Schallenergie des von der Elektromaschine 2 erzeugten, auf das Gewebe 19 auftreffenden Schalls in Wärme umgewandelt, wodurch die Schallwellen absorbiert werden. Hierbei sollte die Größe der Poren 22 möglichst geringer sein als die Größe der an dem Gewebe 19 anliegenden Luftgrenzschicht, sodass die Luftmoleküle in den Poren 22 abgebremst und die Schallschnelleenergie in Wärme umgewandelt wird. Dabei schwingt die Luft in den vielen nebeneinander liegenden Poren 22 als Feder-Masse-Resonator. Im vorliegenden Fall beträgt die Größe der Luftgrenzschicht ca. 0,05 mm, die Größe der Poren 22 ca. 0,025 mm.
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Zur Herstellung des Gewebes 19 werden die Kettdrähte 20 und die Schussdrähte 21 mit einem an sich bekannten Webverfahren, wie zum Beispiel einem Webverfahren zum Herstellen einer Köperbindung oder einer sogenannten ”glatten Tresse”, miteinander verwebt, wobei jedoch annähernd alle bekannten Webverfahren eingesetzt werden können. Der Werkstoff der Kettdrähte 20 und der Schussdrähte 21 kann beispielsweise ein Aluminiumwerkstoff, insbesondere eine Aluminiumlegierung, ein Stahlwerkstoff, beispielsweise Edelstahl, oder ein Kupferwerkstoff sein. Des weiteren kann auch ein Kunststoff, Edelstahl oder Keramik als Material für die Kettdrähte 20 und/oder Schussdrähte 21 eingesetzt werden. Vorzugsweise bestehen die Kettdrähte 20 und die Schussdrähte 21 aus demselben Material, es kann jedoch auch unterschiedliches Material verwendet werden, d. h. es ist auch eine Kombination aus Kunststoff und Metall oder eine beliebige andere Kombination der oben genannten Werkstoffe möglich.
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Wenn ein Aluminiumwerkstoff für die Kettdrähte 20 und die Schussdrähte 21 verwendet wird, so ergibt sich ein leichtes Gewebe 19, wobei auch eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine gute Umformbarkeit gegeben sind. Gerade bei einem Aluminiumwerkstoff hat es sich gezeigt, dass durch eine Verringerung der Dicke des Gewebes 19, vorzugsweise durch Walzen in einer Kalanderwalze oder dergleichen, die Festigkeit und der Zusammenhalt des Gewebes 19 erheblich erhöht werden kann. Des weiteren kann auf diese Weise die Porosität des Gewebes 19, d. h. die Größe der einzelnen Poren 22, eingestellt werden, wodurch das Gewebe 19 an die Frequenz des jeweils zu dämpfenden Schalls angepasst werden kann. Selbstverständlich ist ein solches Walzen des Gewebes 19, bei dem ich die Kettdrähte 20 und die Schussdrähte 21, wie in 5 zu erkennen, ineinander pressen, auch bei der Verwendung anderer Materialien möglich und kann sinnvoll sein.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Kettdrähte 20 und die Schussdrähten 21 im Wesentlichen denselben Durchmesser auf, d. h. es ergeben sich maximale Unterschiede von 0,01–0,5 mm zwischen denselben. Selbstverständlich können die Kettdrähte 20 und die Schussdrähte 21 auch erheblich unterschiedlichere. Durchmesser aufweisen.
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Um einen besseren Zusammenhalt der Kettdrähte 20 mit den Schussdrähten 21 an den Berührungspunkten zu erreichen, kann das Gewebe 19 nach seiner Herstellung oder nach seiner Umformung galvanisch behandelt werden. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise ein aus einem relativ einfachen und damit kostengünstigen Stahlwerkstoff bestehendes Gewebe 19 verzinken, vernickeln, verkupfern oder mit einem anderen geeigneten Werkstoff galvanisch überziehen. Auf diese Weise können Kosten eingespart werden, in dem ein billigeres Material für die Kettdrähte 20 und die Schussdrähte 21 verwendet wird, welches anschließend mit einem galvanischen Überzug versehen wird. Alternativ können auch galvanisch und/oder mit Flüssigmetall behandelte Kettdrähte 20 und Schussdrähte 21 zur Herstellung des Gewebes 19 verwendet werden. Dabei steht dann der Korrosionsschutz des Gewebes 19 im Vordergrund, der selbstverständlich auch durch die galvanische Beschichtung des gesamten Gewebes 19 gegeben ist.
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6 zeigt ein Diagramm, in welchem die von einer mit dem erfindungsgemäßen Gehäuse ausgestatteten Elektromaschine erzeugte Schallabstrahlung im Vergleich zu einer von einer Elektromaschine ohne Gehäuse erzeugte Schallabstrahlung dargestellt ist. Dabei ist zu erkennen, dass die obere, mit dem Bezugszeichen 23 versehene Linie, die von der Elektromaschine ohne das Gehäuse erzeugt wurde, über den gesamten, auf der x-Achse aufgetragenen Drehzahlbereich der Elektromaschine 2 eine erheblich höhere Schallabstrahlung erkennen lässt, als eine mit dem Bezugszeichen 24 versehene Linie der Schallabstrahlung einer mit dem Gehäuse 1 versehenen Elektromaschine 2. Es ist also erkennbar, dass das Gehäuse 1 eine sehr effektive Schalldämpfung ermöglicht.
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Zusätzlich zu den die Schalldämpfung sicherstellenden Schalldämpfungseinrichtungen 15, 16 und 17 kann das Gehäuse 1 auch zur Kühlung der Elektromaschine 2 geeignete Einrichtungen beinhalten, wie zum Beispiel von Luft, Wasser oder einem anderen geeigneten Strömungsmedium durchflossene Kühlkanäle oder dergleichen.
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Des weiteren können Einrichtungen vorgesehen sein, welche zur Abschirmung der Elektromaschine 2 gegenüber elektromagnetischen Feldern dienen. Diese Einrichtungen können auch so beschaffen sein, dass sie auch die von der Elektromaschine 2 erzeugten elektromagnetischen Felder gegenüber der Umgebung abschirmen.
