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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Welle, mindestens einem Stator sowie einem Läufer, der mit der Welle verbunden ist und einen radial nach außen stehenden Träger mit mindestens einem parallel zur Längsrichtung der Welle verlaufenden Schenkel aufweist.
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Aus
DE 10 2007 050 496 A1 ist ein Generator mit Multistator und Multirotor bekannt. Der Multirotor besitzt einen mit der Welle verbundenen Träger, der in radialer Richtung nach außen steht und in dem parallel zur Längsrichtung der Welle verlaufende Schenkel paarweise angeordnet sind.
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Aus
EP 1 641 101 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt, die einen mit der Welle verbundenen Rotorträger aufweist, der zwei Rotorschenkel aufweist. Die Rotorschenkel drehen sich konzentrisch um zwei innerhalb der Rotorschenkel angeordnete Statorpakete.
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Aus
WO 2008/078342 ist eine Windenergieanlage mit einem mehrteiligen Generator bekannt. Der mehrteilige Generator weist einen ersten zur Rotornabe der Windenergieanlage weisenden Generator und einen teilweise mechanisch mit diesem gekoppelten zweiten Generator auf.
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Aus
DE 102 33 589 ist ein mehrstufiger Windgenerator mit Wellen- und Kupplungssystem bekannt, bei dem mehrere Generatoren entweder hintereinander oder seitlich zueinander angeordnet sind und wahlweise über Kupplungssysteme miteinander verbunden werden können.
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DE 196 52 673 B4 ist eine Windkraftanlage bekannt, die eine modular aufgebaute Generatoreinheit besitzt, wobei die Generatormodule koaxial auf der Antriebswelle angeordnet und durch eine Steuereinheit wahlweise zuschaltbar sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine bereitzustellen, die bei kompakten geometrischen Abmessungen eine hohe Leistungsdichte besitzt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist eine Welle, mindestens einen Stator sowie einen Läufer auf. Der Läufer ist mit der Welle verbunden und besitzt einen in radialer Richtung nach außen stehenden Träger und mindestens einen parallel zur Längsrichtung der Welle verlaufende Schenkel. Der Stator ist radial innerhalb des Schenkels fest angeordnet. Erfindungsgemäß ist der mindestens eine Stator vollständig in eine Kühlung eingebettet, die ein Kühlmedium an den Statoren vorbei fördert. Bei der erfindungsgemäßen Maschine handelt es sich um eine Maschine, bei der mindestens zwei Luftspalte vorhanden sind. Die erhöhte Leistungsdichte wird durch eine intensive Kühlung mit einem Kühlmedium ermöglicht. Durch die Verwendung einer beidseitig gelagerten Welle für den Läufer wird ein Kippmoment des Rotors vermieden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Läufer T-förmig ausgebildet, wobei sich zwei Schenkel in beide Richtungen quer zum Träger und in Längsrichtung der Welle erstrecken. Bevorzugt stehen die Schenkel senkrecht zum Träger und verlaufen parallel zur Längsrichtung der Welle. Bei der bevorzugten Ausgestaltung besitzt die erfindungsgemäße Maschine auf der Außenseite des Läufers einen außenliegenden Luftspalt, der sich über die gesamte Länge der Schenkel erstreckt. Auf der Innenseite der Schenkel gibt es für jeden Schenkel einen innenliegenden Luftspalt, wobei die Luftspalte auf der Innenseite durch den Träger des Läufers voneinander getrennt sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die elektrische Maschine mindestens einen innenliegenden und einen außenliegenden Stator auf. Dabei ist der innenliegende Stator radial innerhalb und der außenliegende Stator radial außerhalb des mindestens einen Schenkels des T-förmigen Läufers angeordnet. Bei dieser als T-Läufer ausgestalteten Variante wirken die Schenkel des T-Läufers sowohl auf ihrer Innenseite als auch auf ihrer Außenseite mit einem der Statoren zusammen. Diese Variante wird auch als Innenläufer bezeichnet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Läufer F-förmig ausgebildet und besitzt zwei in radialer Richtung voneinander beabstandete Schenkelpaare. Die Schenkelpaare können dabei in Längsrichtung der Welle gleiche oder unterschiedliche Abmessungen besitzen. Für jedes Schenkelpaar erstrecken sich zwei Schenkel in beide Richtungen quer, bevorzugt senkrecht zum Träger.
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In einer Weiterbildung des F-förmig ausgestalteten Läufers liegt ein außenliegendes Schenkelpaar radial außerhalb und ein innenliegendes Schenkelpaar radial innerhalb von dem mindestens einen Stator. Bei dieser Ausgestaltung des F-förmigen Läufers erfolgt also ein Zusammenwirken der beiden Schenkelpaare mit mindestens einem zwischen den Schenkelpaaren angeordneten Stator. Diese Variante wird auch als Außenläufer bezeichnet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des F-förmigen Läufers weist der mindestens eine Stator zwei Statorhälften auf, von denen die radial außenliegende Statorhälfte mit dem außenliegenden Schenkelpaar und die radial innenliegende Statorhälfte mit dem innenliegenden Schenkelpaar zusammenwirkt. Die Teilung des Stators in zwei Statorhälften erlaubt es je nach anliegender Last die Statorhälften separat anzusteuern.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind entlang der Welle mindestens zwei Läufer hintereinander angeordnet. Bevorzugt besitzt die Welle mehrere Wellenabschnitte, die jeweils mit mindestens einem Läufer ausgestattet sind und die miteinander gekoppelt sind. Auf diese Weise entsteht eine elektrische Maschine, die sich modular an die Bedürfnisse anpassen lässt, indem mit der Welle bzw. den Wellenabschnitten weitere Läufer integriert werden. Hierbei können mehrere Innenläufer oder mehrere Außenläufer hintereinander angeordnet werden. Es ist auch möglich, sowohl Außen- als auch Innenläufer hintereinander anzuordnen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist jedem Schenkel des Läufers ein innenliegender und ein außenliegender Stator zugeordnet, der in ein Kühlmedium eingebettet ist, wobei das Kühlmedium an den Statoren vorbei gefördert wird. Bei der bevorzugten Ausgestaltung wirkt jeder Schenkel des Läufers mit zwei Statoren zusammen, um möglichst kompakt elektrische Leistung zu erzeugen. Um die dabei entstehende Wärmemenge gleichmäßig abzuführen, ist jeder Stator mit einer Kühlung durch ein Kühlmedium ausgestattet.
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Für eine besonders effektive Kühlung der Statoren ist bei dem T-förmigen Läufer jeder der innenliegenden Statoren über zylindrische Rohre gegenüber dem Rotorraum abgedichtet. Zylindrische Rohre, die sich im Luftspalt zwischen dem jeweiligen Stator und dem Rotor befinden, werden auch als Spaltrohre bezeichnet.
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Die Abdichtung gegenüber dem Rotorraum bewirkt, dass die Statoren über das Kühlmedium wirkungsvoll gekühlt werden können, weil das Kühlmedium in direkten Kontakt mit der wärmebildenden Wicklung gelangt. Durch eine Abdichtung der Statoren gegenüber dem drehenden Läufer werden Planschverluste vermieden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist jeder der außenliegenden Statoren gegenüber dem Rotorraum über ein zylindrisches Rohr abgedichtet, das zwischen dem Schenkel des Läufers und dem außenliegenden Stator angeordnet ist. Für den außenliegenden Stator kann auf ein zweites zylindrisches Rohr zur Abdichtung gegenüber dem Rotorraum verzichtet werden, da der den außenliegenden Stator umgebende Raum durch die kühlmitteldichte Innenseite der Mantelfläche des Gehäuses begrenzt und abgedichtet wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Statoren oder Statorhälften, die einem Läufer zugeordnet sind, über Kühlmittelleitungen miteinander verbunden, um einen gemeinsamen Kühlkreislauf für die Statoren eines Läufers zu bilden. Durch die Verwendung eines gemeinsamen Kühlkreislaufes ist es möglich, die an den Statoren entstehende Wärme effektiv abzuführen. Werden mehrere Wellenabschnitte mit ihren jeweiligen Läufern gekoppelt, so können die Kühlkreisläufe der einzelnen Läufer miteinander verbunden werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind Permanentmagnete auf der Innenseite und auf der Außenseite des mindestens einen Schenkels angeordnet. Durch die beidseitige Anordnung der Permanentmagnete auf dem Schenkel wirkt der Schenkel sowohl mit dem innenliegenden als auch mit dem außenliegenden Stator unmittelbar elektromagnetisch zusammen, so dass eine große Magnetflussdichte realisiert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist für die elektrische Maschine ein Gehäuse vorgesehen, in dem der Läufer und die Statoren angeordnet sind und dessen Stirnseite Lagerschilde aufweist, in denen die Welle über eine Lagerung drehbar gegenüber dem Gehäuse gelagert ist. In dieser Ausbildung eines Gehäuses mit stirnseitigen Lagerschilden ist eine Erweiterung der elektrischen Maschine um weitere Wellenabschnitte besonders einfach realisierbar. Hierzu werden die einander gegenüberliegenden Lagerschilde entfernt und die Wellenabschnitte miteinander gekoppelt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Blechpaket jedes der Statoren mit Durchlässen für das Kühlmittel ausgestattet. Das Kühlmittel kann so die sich in dem Stator bildende Wärme gut abführen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße elektrische Maschine als Innenläufer mit einem T-Läufer, bei der die innenliegenden und außenliegenden Statoren eine gemeinsame Kühlung besitzen,
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2 einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine mit zwei hintereinander angeordneten T-förmigen Läufern, deren Statoren über eine gemeinsame Kühlung gekühlt werden,
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3 eine elektrische Maschine wie in 2, jedoch mit einer zweiflutigen Kühlung,
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4 eine erfindungsgemäße elektrische Maschine als Außenläufer mit einem F-Läufer, bei der die Statoren zwischen den Schenkeln angeordnet sind,
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5 die elektrische Maschine aus 3 in einer schematischen Ansicht in dem Maschinenhaus einer Windenergieanlage,
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6–8 unterschiedliche Ausgestaltungen zur Kühlung der Statoren in einer Detailansicht.
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1 zeigt eine elektrische Maschine mit einer Welle 10 und einem T-förmigen Läufer 12. Der Läufer 12 besitzt einen Träger 14, der mit der Welle 10 verbunden ist und zwei Schenkel 16, die in beide Richtungen parallel zur Längsrichtung der Welle 10 von dem Träger 14 senkrecht abstehen. Die Schenkel 16 sind sowohl auf der innenliegenden Seite als auch auf der außenliegenden Seite mit Permanentmagneten 18 ausgestattet. Die Permanentmagnete 18 sind in der vorliegenden Figur und in den weiteren Figuren nur schematisch dargestellt. Gegenüber den Permanentmagneten 18 befinden sich die Statoren. Die innenliegenden Statoren 20, 22 sind in der Mitte voneinander beabstandet, so dass der Träger 14 zwischen den Statoren 20 und 22 durchgeführt werden kann. Die außenliegenden Statoren 24 und 26 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls als zwei getrennte Statorpakete dargestellt. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die außenliegenden Statoren 24 und 26 als ein einheitliches Statorpaket auszubilden. Wie im Aufbau elektrischer Maschinen üblich, richten sich Abmessung und Position der Statorpakete nach der Verteilung der Permanentmagnete 18 auf dem Läufer und umgekehrt.
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Die innenliegenden Statoren 20, 22 sind jeweils über zylindrischer Rohre 28, 30 gegenüber dem Rotorraum 32 abgedichtet. Die zylindrischen Rohre 28 und 30 besitzen zusätzlich an ihrer zu dem Träger 14 weisenden Stirnseite eine abdichtende Trennwand 34. Die innenliegenden Statoren 20 und 22 können, abgedichtet durch die zylindrischen Rohre 28 und 30 und die Trennwand 34, in ein Kühlmittel eingebettet werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der innenliegende Stator 20 eine Kühlmittelzufuhr 36 und der innenliegende Stator 22 eine Ableitung 38 für das Kühlmittel. Das Kühlmittel umspült den innenliegenden Stator 20 und wird über einen Verbindungskanal 40 zu den außenliegenden Statoren 26 und 24 geführt. Von hier aus wird das Kühlmittel über eine Verbindungsleitung 42 zu dem zweiten innenliegenden Stator 22 geführt, bevor es über die Leitung 38 wieder abgeführt wird.
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Die Leitungen für das Kühlmittel werden teilweise durch das stationäre Gehäuse 44 der elektrischen Maschine geführt. Die Welle 10 ist über Lager 46 gegenüber dem Gehäuse 44 gelagert.
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2 zeigt eine bevorzugte Weiterbildung der elektrischen Maschine, bei der zwei Läufer 12, 12' auf einer Welle 10 angeordnet sind. Der Aufbau und die Anordnung der innen- und außenliegenden Statoren 20–26 für den Läufer 12 sowie 20'–26' für den Läufer 12' entspricht dem Aufbau und der Anordnung der Statoren 20–26 aus 1. Auch der Pfad der Kühlmittelleitung entspricht dem bereits beschriebenen Pfad für das Kühlmittel in der elektrischen Maschine mit einem Läufer. Um für beide Läufer einen gemeinsamen Kühlmittelpfad herzustellen, wird der Ausgang 38' des innenliegenden Stators 22' mit dem Eingang 36 des innenliegenden Stators 20 verbunden. Auf diese Weise strömt das Kühlmittel in der folgenden Reihenfolge in die Statoren: 20', 26', 24', 22', 20, 26, 24, 22.
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3 zeigt im Hinblick auf die Läufer 12, 12' und die Anordnung der Statoren 20–26, 20'–26' im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie 2. Lediglich der Kühlmittelpfad weist einen veränderten Verlauf auf und ist zweiflutig ausgebildet, so dass es für die innenliegenden Statoren 20' und 22 jeweils eine separate Zuleitung 50', 50 für das Kühlmittel gibt. Die innenliegenden Statoren 22, 20' sind über Verbindungsleitungen 52, 52' mit den außenliegenden Statoren 24, 26 bzw. 24', 26' verbunden. Anschließend werden die innenliegenden Statoren 20 und 22' von dem Kühlmittel umspült, bevor das Kühlmittel über eine gemeinsame Ableitung 54 und die Leitungen 56 und 56' abgeführt wird.
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4 zeigt eine elektrische Maschine als Außenläufer mit einer Welle 110 und einem F-förmigen Läufer 112. Der Läufer 112 besitzt einen Träger 114, der mit der Welle 110 verbunden ist und zwei Schenkelpaare 115 und 116, die jeweils in beide Richtungen parallel zur Längsrichtung der Welle 110 senkrecht von dem Träger 114 abstehen. Das innenliegende Schenkelpaar 115 ist auf seiner radial nach außen weisenden Seite mit Permanentmagneten 118 ausgestattet. Das außenliegende Schenkelpaar 116 ist auf seiner radial nach innen weisenden Seite mit Permanentmagneten 119 ausgestattet. Zwischen den Schenkelpaaren 115 und 116 sind auf jeder Seite des Trägers 114 die Statoren 120 und 122 angeordnet. Die Statoren 120 und 122 befinden sich auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Trägers 114. Jeder der Statoren ist in zwei Statorhälften 124, 126 getrennt. Dabei wirkt die radial außenliegende Statorhälfte 126 mit dem außenliegenden Schenkelpaar 116 und dessen Magneten 119 zusammen. Die radial innenliegende Statorhälfte 124 wirkt mit dem innenliegenden Schenkelpaar 115 und dessen Magneten 118 zusammen. Aufgrund der Anordnung der Statoren 120 und 122 zwischen den Schenkelpaaren wird der Aufbau dieser Maschine auch als Außenläufer bezeichnet.
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Die Statoren 120 und 122 sind über jeweils ein zylindrisches Rohr 128 und 130 gegenüber einem Rotorraum 132 abgedichtet. Auf der zu dem Träger 114 weisenden Seite sind die Rohre 128 und 130 durch Trennwände 133 bzw. 134 abgedichtet.
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In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kühlmittelzufuhr jeweils zentral in die Statoren 120 und 122. Die Kühlung der Statoren ist symmetrisch aufgebaut und wird anhand des rechten unteren Stators 122 erläutert. Über eine zentrale Kühlmittelzufuhr 136 wird das Kühlmittel dem Stator 122 zugeführt und kann über mehrere radiale Kanäle 138 verteilt werden. Hierbei erfolgt ein Transport des Kühlmittels in Längsrichtung über den Zuführkanal 136 und in radialer Richtung über die Kanäle 138. Das Kühlmittel wird über zwei Austrittsöffnungen 140, 142 wieder abgeführt.
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Die Lagerung des Läufers und die Kopplung mehrerer Innenläufer mit F-förmigem Läufer erfolgt entsprechend den Ausführungsbeispielen aus den 1 bis 3.
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5 zeigt die elektrische Maschine aus 3 in einer schematischen Ansicht in dem Maschinenhaus 58 einer Windenergieanlage. Die Windenergieanlage besitzt eine Rotornabe 60 mit schematisch dargestellten Rotorblättern 62. Das aus dem Wind aufgenommene Drehmoment wird von der Rotornabe 60 über eine Welle 64 an die Welle 10 der elektrischen Maschine weitergeleitet. In der schematischen Darstellung aus 5 ist nicht näher dargestellt, ob die Welle 64 über ein Getriebe oder eine Kupplung mit der Welle 10 der elektrischen Maschine gekoppelt ist.
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Die 6 bis 8 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen der Kühlung für die Statoren, wie sie bereits auch in den 1 bis 4 zu erkennen sind.
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Die 6 bis 8 zeigen ausschnittsweise Teilansichten des außenliegenden Stators. Der Rotor 71 ist in den 6 bis 8 mit seinem näheren Aufbau nicht dargestellt. Zwischen dem Rotor 71 und dem innenliegenden Spaltrohr 78 befindet sich ein Teil des Luftspalts 73, der von dem Rotor 71 und dem Spaltrohr 78 eingeschlossen ist. Die nachfolgend für die außenliegenden Statoren beschriebenen Ausgestaltungen können auch für die innenliegenden Statoren eingesetzt werden.
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Der außenliegende Stator 75 besteht aus einem Blechpaket 66, in dem gestanzte Durchlässe 68 vorgesehen sind. Durch die Durchlässe 68 wird das Kühlmittel für den außenliegenden Stator 75 geleitet. Ferner sind in 6 entlang dem Umfang sich radial erstreckende Nuten 70 in dem Blechpaket 66 vorgesehen, in denen sich die Statorwicklungen 72 befinden.
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Weiterhin zeigt 6, dass zusätzliche Passagen 74 im Nutgrund der Nuten 70 vorgesehen sind, durch die das Kühlmittel unmittelbar in Kontakt mit der Wicklung gebracht wird.
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6 zeigt ferner eine weitere mögliche Ausgestaltung des außenliegenden Stators 75, bei der auf der zum Spaltrohr weisenden Seite des Blechpaketes 66 Stanznasen 76 als Abstandshalter für das Spaltrohr 78 vorgesehen sind. Die Innenseite des Spaltrohrs 78 ist zusätzlich mit Turbulatoren 80 versehen, die zur Verwirbelung des Kühlmittels dienen. Durch eine bessere Vermischung des Kühlmittels im Bereich zwischen dem Stator 75 und dem Spaltrohr 78 können Totbereiche des Külmittels vermieden werden.
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7 zeigt das Ausführungsbeispiel aus 6 mit einer zusätzlichen Kühlstruktur 82 auf der Außenseite des Gehäuses. Die zusätzliche Kühlstruktur 82 wird durch Passagen 84 für eine zusätzliche Wassermantelkühlung des Generators gebildet.
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Durch die Passagen 84 kann Kühlwasser oder ein anderes Kühlmittel geleitet und so Wärme abgeführt werden. Zusätzlich sind in 7 Kühlrippen 86 zu erkennen, die die Oberfläche des Gehäuses vergrößern und so eine bessere Wärmeabgabe sicherstellen. Beide Merkmale, sowohl die zusätzliche Wassermantelkühlung 84 als auch die Kühlrippen 86, können selbstverständlich auch unabhängig voneinander eingesetzt werden.
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8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das Spaltrohr 78' an seinen Enden eine Wellenstruktur aufweist, um die Oberfläche zu vergrößern. In 11 ist beispielsweise eine Wellenstruktur dargestellt, die aus Rechteckwellen besteht. Alternativ können auch andere Wellenstrukturen zur Oberflächenvergrößerung des Spaltrohrs eingesetzt werden. Insbesondere ist es denkbar, die Oberflächenvergrößerung des Spaltrohrs im Bereich der Wickelköpfe vorzusehen.
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Sämtliche der in den 6 bis 8 vorgestellten Varianten dienen einer besseren Wärmeableitung aus dem Generator, um einen kompaktbauenden Generator mit einer großen Leistung zur Verfügung zu stellen. Die in den 6 bis 8 dargestellten Merkmale können auch anderweitig miteinander kombiniert werden, um die Wärmeabfuhr aus dem Generator zu vergrößern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007050496 A1 [0002]
- EP 1641101 A1 [0003]
- WO 2008/078342 [0004]
- DE 10233589 [0005]
- DE 19652673 B4 [0006]
