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Die Erfindung betrifft ein Stromerzeugungs- und/oder Antriebsaggregat zur Vergrößerung der Reichweite eines von einer Elektromaschine angetriebenen Fahrzeugs, mit einem Generator, der ein Generatorgehäuse mit einem Stator und einem Rotor umfasst, sowie mit einer den Generator antreibenden Brennkraftmaschine, die eine sich in das Generatorgehäuse erstreckende und drehfest mit dem Rotor verbundene Abtriebswelle umfasst.
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Da Elektrofahrzeuge bereits eine relativ große und schwere Fahrzeugbatterie mitführen müssen, sollten der Generator und die Brennkraftmaschine des zur Vergrößerung der Reichweite dienenden Stromerzeugungs- und Antriebsaggregats so klein und leicht wie möglich sein.
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Aus der
WO 2010/089347 A2 ist bereits ein Stromerzeugungsaggregat der eingangs genannten Art mit einer als Kreiskolbenmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine und einem an die Brennkraftmaschine angeflanschten Generator bekannt, bei dem die Exzenterwelle des Kreiskolbenmotors axial aus dessen Motorgehäuse übersteht und in das Generatorgehäuse ragt, wo der Rotor des Generators auf dem freien Ende der Exzenterwelle befestigt ist. Um die vom Rotor auf die Exzenterwelle ausgeübte Biegebeanspruchung zu begrenzen, wird das freie Ende der Exzenterwelle dort durch einen innerhalb des Generatorgehäuses drehbar gelagerten, zur Exzenterwelle koaxialen Wellenzapfen abgestützt, der gleichzeitig ein Laufrad einer Kühlmittelpumpe zur Kühlung der Brennkraftmaschine und des Generators trägt. Wegen des Wellenzapfens muss jedoch das Generatorgehäuse auf der von der Brennkraftmaschine abgewandten Seite ein Stück weit verlängert werden, wodurch die Baulänge des Stromerzeugungsaggregats in unerwünschter Weise zunimmt. Auf der anderen Seite wäre zwar eine sehr kompakte und kurze Bauweise möglich, wenn die Exzenterwelle nicht durch einen im Generatorgehäuse gelagerten Wellenzapfen abgestützt würde, jedoch wären dann dem Gewicht des Rotors und damit der Leistung des Generators aufgrund der höheren Biegebeanspruchung der Exzenterwelle nach oben zu enge Grenzen gesetzt.
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Die Druckschrift
GB 2 358 742 A beschreibt einen Starter-Generator, der in einer Getriebeglocke zwischen einem Motorblock und einem Getriebe eines Fahrzeugs angeordnet ist. Der Starter-Generator ist mittels einer Stützanordnung befestigt, die ein stationäres Stützelement, ein im Wesentlichen kreisförmiges Dichtelement und ein äußeres, am Rotor anliegendes, Lager beinhaltet. Das Stützelement wirkt mit der Stützanordnung zusammen, um einen relativ präzisen und gleichförmigen Spalt, der weniger als 0,4 mm sein kann, zwischen einer Statoranordnung und einer Rotoranordnung des Starter-Generators zu bilden. Während des Befestigens ist das Stützelement zunächst relativ lose mit einer Wand verbunden. Die Rotoranordnung wird anschließend bezüglich eines Endabschnitts der Kurbelwelle ausgerichtet und zentriert und in ihre Betriebsposition bewegt. Sobald eine Führungsfläche der Rotornabe in den Endabschnitt der Kurbelwelle eingreift, greift die Dichtungsanordnung begleitend in einen Endabschnitt der Nabe ein, wobei der Spalt präzise gebildet wird. Anschließend werden Verriegelungen angezogen, um die Nabe sicher mit dem Endabschnitt zu verbinden.
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Aus dem Stand der Technik ist weiterhin die Druckschrift
DE 100 07 262 B4 bekannt.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Stromerzeugungs- und/oder Antriebsaggregat der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass das Rotorgewicht und damit die Leistung des Aggregats bei der Stromerzeugung ohne eine Vergrößerung seiner Baulänge gesteigert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Rotor radial einwärts von einem Dauermagneten und radial auswärts von der drehfesten Verbindung mit der Abtriebswelle im Inneren des Generatorgehäuses in zwei beiderseits des Rotorträgers angeordneten Drehlagern gelagert ist, wobei die Drehlager Wälzlager mit jeweils einem drehfest mit dem Rotor verbundenen Außenring und einem stationären Innenring sind, dass der Rotor einen den Dauermagneten tragenden, in den Drehlagern gelagerten Rotorträger aufweist, der eine drehfest mit der Abtriebswelle verbundene Nabe umfasst, die durch einen radialen Mittelteil des Rotorträgers starr mit einem hohlzylindrischen Trägerteil des Rotorträgers verbunden ist, der auf seiner von der Abtriebswelle abgewandten Außenseite den Dauermagneten trägt, und dass sich die beiden Drehlager auf zwei zur Abtriebswelle koaxialen ringförmigen Vorsprüngen abstützen, die von entgegengesetzten Seiten her ins Innere des Generatorgehäuses ragen, wobei einer der Vorsprünge von einem die Abtriebswelle umgebenden Gehäuseteil eines Gehäuses der Brennkraftmaschine gebildet ist, in dem die Abtriebswelle in einem Gleitlager gelagert ist.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass es der Bauraum im Inneren des Generatorgehäuses in der Regel ermöglicht, einen den Dauermagneten des Rotors tragenden Rotorträger radial einwärts vom Dauermagneten und radial auswärts von der Verbindung mit der Abtriebswelle zu lagern. Da der Rotorträger in diesem Bereich nur verhältnismäßig kleine axiale Abmessungen haben muss, ist dort ausreichend Platz für mindestens ein Drehlager, mit dem der Rotor im Generatorgehäuse abgestützt werden kann. Durch die zusätzliche Lagerung bzw. Abstützung des Rotors braucht die Abtriebswelle der Brennkraftmaschine innerhalb des Generatorgehäuses nicht durch einen Wellenzapfen verlängert werden, was eine Verkürzung der Baulänge des Stromerzeugungs- und/oder Antriebsaggregats gestattet, ohne dass es bei hohen Leistungen infolge eines hohen Rotorgewichts zu einer unzulässig hohen Biegebeanspruchung der Abtriebswelle kommen kann.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Rotorträger des Rotors in einem bis zur Drehachse der Abtriebswelle reichenden halben Längsschnitt des Aggregats allgemein T-förmig ist und am freien Ende des Fußes des T eine drehfest mit der Abtriebswelle verbundene Nabe umfasst, die durch einen dem Fuß des T entsprechenden radialen Mittelteil starr mit einem den Armen des T entsprechenden hohlzylindrischen Trägerteil verbunden ist, der auf seiner von der Nabe und der Abtriebswelle abgewandten Außenseite den Dauermagneten trägt. Durch diese Ausgestaltung kann man dem Rotorträger in radialer Richtung eine hohe Zugfestigkeit verleihen, um die im Betrieb durch das rotierende Gewicht des Dauermagneten auftretenden Zentrifugalkräfte abzufangen.
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Alternativ ist es jedoch auch möglich, dem Rotorträger in einem entsprechenden halben Längsschnitt des Aggregats die Gestalt eines flachen U-Profils zu verleihen, wobei ein radial innerer Schenkel von einer drehfest mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine verbundenen Nabe des Rotorträgers gebildet wird, wobei ein dazu paralleler radial äußerer Schenkel von einem den Dauermagneten des Rotors tragenden allgemein hohlzylindrischen Trägerteil gebildet wird, und wobei benachbarte Enden der Nabe und des Trägerteils durch das Joch des U starr miteinander verbunden sind.
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Insbesondere dann, wenn der Rotorträger im Halbschnitt das zuerst genannte T-förmige Profil aufweist, ist es von Vorteil, beiderseits des Rotorträgers jeweils ein Drehlager zur drehbaren Lagerung des Rotors im Generatorgehäuse vorzusehen. Dadurch kann das Gewicht des Rotors bzw. des Dauermagneten über die gesamte axiale Länge des Rotorträgers gleichmäßig abgestützt werden. Vorteilhafterweise ist jeweils eines der beiden Drehlager beiderseits des radialen Mittelteils des Rotorträgers angeordnet, der dem Fuß des T entspricht, so dass der Trägerteil bzw. beide Arme des T nach innen in Richtung der Abtriebswelle auf den beiden Drehlagern abgestützt werden können. Die beiden Drehlager sind in diesem Fall zweckmäßig auf zwei zur Abtriebswelle koaxialen ringförmigen Vorsprüngen montiert, die von entgegengesetzten Seiten her ins Innere des Generatorgehäuses ragen. Vorteilhaft wird einer der beiden Vorsprünge von einem die Abtriebswelle umgebenden Gehäuseteil eines Motorgehäuses der Brennkraftmaschine gebildet, und zwar zweckmäßig einem die Abtriebswelle umgebenden Gehäuseteil, in dem die Abtriebswelle gleitgelagert ist, während der andere der Vorsprünge über einen Gehäuseteil des Generatorgehäuses übersteht, und zwar zweckmäßig über einen Gehäuseteil, der das Generatorgehäuse auf der von der Brennkraftmaschine abgewandten Seite verschließt.
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Wenn der Rotorträger im Halbschnitt das zuletzt genannte U-förmige Profil besitzt, ist dagegen ein einziges Drehlager von Vorteil, das innerhalb einer vom U-Profil begrenzten Ausnehmung radial einwärts vom Trägerteil bzw. vom radial äußeren Schenkelteil angeordnet ist, so dass sich der Trägerteil bzw. Schenkel mit seiner der Abtriebswelle zugewandten Innenseite auf dem Drehlager abstützen kann.
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Als Drehlager für den Rotor wird ein Wälzlager mit einem drehfest mit dem Rotor verbundenen Außenring und einem stationären Innenring verwendet, während die Abtriebswelle der Brennkraftmaschine vorteilhaft in Gleitlagern eines Motorgehäuses der Brennkraftmaschine gelagert ist. Das Drehlager des Rotors wird vorteilhaft mit Motoröl der Brennkraftmaschine geschmiert und ist zu diesem Zweck gegenüber einem den Stator, die Statorwicklung und den Dauermagneten des Rotors enthaltenden Innenraum des Generatorgehäuses abgedichtet, vorteilhaft durch mindestens eine Wellendichtung, die neben dem Drehlager in einem Ringspalt zwischen dem Vorsprung und dem Rotorträger angeordnet ist.
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Bei der drehfesten Verbindung zwischen der Abtriebswelle des Motors und dem Rotorträger des Rotors handelt es sich vorzugsweise um eine formschlüssige Keilwellenverbindung oder Kerbzahnverbindung, bei der das freie Ende der Abtriebswelle mit einem Außenvielzahn und eine Nabe des Rotorträgers mit einem komplementären Innenvielzahn versehen ist, so dass sich der Rotorträger bei Bedarf zur Demontage zusammen mit dem darauf montierten Dauermagneten in axialer Richtung von der Abtriebswelle abziehen lässt.
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Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich vorzugsweise um einen auch als Wankelmotor bekannten Kreiskolbenmotor, wobei die Abtriebswelle von einer Exzenterwelle des Kreiskolbenmotors gebildet wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. 1 zeigt eine Längsschnittansicht einer Hälfte eines erfindungsgemäßen Stromerzeugungs- und/oder Antriebsaggregats.
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Das in der Zeichnung nur teilweise dargestellte Stromerzeugungs- und/oder Antriebsaggregat 1 besteht im Wesentlichen aus einer Brennkraftmaschine 2 und einem Generator 3 und ist als so genannter Range-Extender dazu bestimmt, die Reichweite eines normalerweise von einem Elektromotor angetriebenen Kraftfahrzeugs zu vergrößern. Dabei kann das Aggregat 1 als Stromerzeuger genutzt werden, um eine zur Speisung des Elektromotors dienende Fahrzeugbatterie aufzuladen, oder als Antrieb, um das Kraftfahrzeug im Bedarfsfall allein mittels der Brennkraftmaschine anzutreiben.
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Um die Baugröße und das Baugewicht des Aggregats 1 klein zu halten, ist die Brennkraftmaschine 2 als Kreiskolben- oder Wankelmotor ausgebildet und umfasst ein Motorgehäuse 4 sowie einen im Motorgehäuse 4 drehbaren, im Querschnitt etwa dreieckigen Läufer oder Kreiskolben 5, der durch die Verbrennung von Kraftstoff in jeweils einer von drei zwischen dem Motorgehäuse 4 und dem Kreiskolben 5 angeordneten Brennkammern 6 (nur eine sichtbar) in Bezug zum Motorgehäuse 4 in Drehung versetzt wird. Der Kreiskolben 5 treibt eine in Gleitlagern 7, 8 des Motorgehäuses 4 gelagerte Exzenterwelle 9, welche die Abtriebwelle des Motors 2 bildet. Die Exzenterwelle 9 ist im Inneren des Kreiskolbens 5 mit einem Exzenter 10 versehen, dessen zylindrische äußere Umfangsfläche 12 in einem Gleitlager 11 des Kreiskolbens 5 gelagert ist, wodurch der Exzenter 10 und damit die Exzenterwelle 9 vom rotierenden Kreiskolben 5 mitgenommen wird.
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Das Motorgehäuse 4 umfasst eine äußere, im Querschnitt doppelbogige Umfangswand 13, zwei ebene Stirnwände 14, 15 an den entgegengesetzten Stirnseiten des Motors 2, sowie zwei ebenfalls an den Stirnseiten des Motors 2 um die Exzenterwelle 9 herum angeordnete Gehäuseteile 16, 17, in denen die Exzenterwelle 9 in den Gleitlagern 7,8 drehbar gelagert ist. Die beiden Gehäuseteile 16, 17 liegen jeweils mit einem Ringflansch gegen die benachbarte Stirnwand 14, 15 des Motorgehäuses 4 an, mit der sie durch axiale Befestigungsschrauben 18 verbunden sind. Die beiden Gehäuseteile 16, 17 erstrecken sich jeweils durch eine zur Drehachse 19 der Exzenterwelle 9 koaxiale Durchtrittsöffnung in der benachbarten Stirnwand 14, 15 und bilden die Außenschalen der Gleitlager 7, 8.
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Die Exzenterwelle 9 erstreckt sich nach beiden Stirnseiten aus dem Motorgehäuse 4 heraus, wobei sie auf der vom Generator 3 abgewandten Stirnseite des Motors 2 mittels einer Wellendichtung 20 gegenüber dem Gehäuseteil 17 abgedichtet ist. Das über die Stirnwand 15 des Motors 4 überstehende, in der Zeichnung rechts dargestellte Stirnende 21 der Exzenterwelle 9 ist über eine Kupplung (nicht dargestellt) mit einem Gegengewicht (nicht dargestellt) sowie einem Multipolrad (nicht dargestellt) zur Steuerung der Motorzündung verbunden. Das andere, in der Zeichnung links dargestellte Stirnende 22 der Exzenterwelle dient zum Antreiben des direkt an den Motor 2 angeflanschten Generators 3 und steht ebenfalls nach außen über die benachbarte Stirnwand 14 über.
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Der flüssigkeitsgekühlte Motor 2 weist im Inneren der Umfangswand 13 und der beiden Stirnwände 14, 15 angeordnete Kühlkanäle 23 auf, durch die von einer Kühlmittelpumpe Kühlflüssigkeit umgewälzt wird.
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Der Generator 3 besteht im Wesentlichen aus einem Generatorgehäuse 24, einem stationär im Generatorgehäuse 24 montierten Stator 25 mit einer Statorwicklung 26, sowie einem im Generatorgehäuse 24 drehbaren Rotor 27 mit einem durch einen Luftspalt vom Stator 25 bzw. von der Statorwicklung 26 getrennten Permanent- oder Dauermagneten 28. In den Rotor 27 ist auch ein zweites Gegengewicht (nicht dargestellt) integriert.
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Das allgemein zylindrische Generatorgehäuse 24 ist koaxial zur Drehachse 19 der Exzenterwelle 9 des Motors 2 ausgerichtet, so dass die Drehachse des Rotors 27 mit der Drehachse der Exzenterwelle 9 zusammenfällt. Das Generatorgehäuse 24 umfasst einen Umfangswandteil 29, der den Stator 25 umgibt und mit der zum Generator 3 benachbarten Stirnwand 14 des Motorgehäuses 4 verschraubt ist, sowie einen Deckelteil 30, der das Generatorgehäuse 24 an seiner vom Motor 2 abgewandten Stirnseite verschließt und mit dem Umfangswandteil 29 verschraubt ist. Der Umfangswandteil 29 umschließt wie die Wände 13, 14, 15 des Motorgehäuses 4 Kühlkanäle 23, durch die ebenfalls Kühlflüssigkeit umgewälzt wird
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Der Rotor 27 umfasst neben dem Gegengewicht einen die Rotorwicklung 28 tragenden Rotorträger 31, der einen allgemein T-förmigen Querschnitt besitzt. Der einstückig ausgebildete Rotorträger 31 umfasst eine am freien Ende des Fußes des T angeordnete Nabe 32, die durch eine Keilwellenverbindung 33 drehfest und lösbar mit dem in das Innere des Generatorgehäuses 24 ragenden Stirnende 22 der Exzenterwelle 9 verbunden ist, so dass der Rotor 27 zu Reparaturzwecken nach dem Abnehmen des Deckelteils 30 des Generatorgehäuses 24 von der Exzenterwelle 9 abgezogen werden kann. Der Rotorträger 31 umfasst weiter einen radial ausgerichteten scheibenförmigen Mittelteil 34, der sich entlang des Fußes des T von der Nabe 32 bis zu einem hohlzylindrischen Trägerteil 35 erstreckt, der im Querschnitt die beiden Arme des T bildet. Der Trägerteil 35 steht in axialer Richtung nach beiden Seiten etwa gleich weit über den Mittelteil 34 über und trägt auf seiner von der Nabe 32 abgewandten Außenseite den Dauermagneten 28.
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Radial einwärts von dem hohlzylindrischen Trägerteil 35 und radial auswärts von der Nabe 32, d.h. mit anderen Worten beiderseits des Mittelteils 34 des Rotorträgers 31, befinden sich zwei als Wälzlager ausgebildete Radiallager 36, 37 zur Lagerung und Abstützung des Rotors 27. Die beiden Radiallager 36, 37 weisen jeweils einen drehfest mit dem Trägerteil 35 verbundenen Außenring, einen stationären Innenring sowie eine Mehrzahl von Wälzkörpern auf. Der Innenring des motorseitigen Lagers 37 ist auf einer nach außen weisenden Schulter eines stationären ringförmigen Vorsprungs 38 montiert, der von einem axial überstehenden Abschnitt des Gehäuseteils 16 des Motorgehäuses 4 gebildet wird, der das überstehende Stirnende 22 der Exzenterwelle 9 teilweise umgibt und sich zusammen mit diesem in das Generatorgehäuse 24 hinein erstreckt. Der Innenring des anderen Lagers 37 ist auf einer nach außen weisenden Schulter eines zur Drehachse 19 der Exzenterwelle 9 koaxialen ringförmigen Vorsprungs 39 montiert, der in axialer Richtung zum Motor 2 hin über die Innenseite des Deckelteils 30 des Generatorgehäuses 24 übersteht. Die beiden Vorsprünge 38, 39 reichen bis in die Nähe des Mittelteils 34 des Rotorträgers 31, sind jedoch durch Luftspalte von diesem getrennt.
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Neben jedem der beiden Radiallager 36, 37 ist eine Wellendichtung 40 zwischen dem Vorsprung 38, 39 einerseits und der gegenüberliegenden Innenseite des Trägerteils 35 des Rotorträgers 31 angeordnet. Die Wellendichtung 40 dichtet den Ringspalt zwischen dem stationären Vorsprung 38, 39 und dem rotierenden Rotorträger 31 jenseits der Radiallager 36, 37 ab und gestattet es, die Lager 36, 37 mit dem Schmieröl des Motors 2 zu schmieren. Das Schmieröl zur Schmierung der Lager 36, 37 wird vom Motor 2 aus in einen radial einwärts von den Vorsprüngen 38, 39 gelegenen Schmierölraum 41 im Inneren des Generatorgehäuses 24 zugeführt, wo es vom rotierenden Rotorträger 31 mitgerissen und durch Fliehkräfte nach außen zu den beiden Lagern 36, 37 transportiert wird. Die Wellendichtungen 40 verhindern, dass das Schmieröl über die Lager 36, 37 hinaus in denjenigen Teil des Generatorgehäuses 24 gelangt, der den Stator 25, die Statorwicklung 26 und den Dauermagneten 28 des Rotors 27 beherbergt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stromerzeugungs- und/oder Antriebsaggregat
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Generator
- 4
- Motorgehäuse
- 5
- Kreiskolben
- 6
- Brennraum
- 7
- Gleitlager
- 8
- Gleitlager
- 9
- Exzenterwelle
- 10
- Exzenter
- 11
- Gleitlager
- 12
- Umfangsfläche
- 13
- Umfangswand Motorgehäuse
- 14
- Stirnwand Motorgehäuse
- 15
- Stirnwand Motorgehäuse
- 16
- Gehäuseteil Motorgehäuse
- 17
- Gehäuseteil Motorgehäuse
- 18
- Befestigungsschrauben
- 19
- Drehachse
- 20
- Wellendichtung
- 21
- Stirnende Exzenterwelle
- 22
- Stirnende Exzenterwelle
- 23
- Kühlkanäle
- 24
- Generatorgehäuse
- 25
- Stator
- 26
- Statorwicklung
- 27
- Rotor
- 28
- Dauermagnet
- 29
- Umfangswandteil
- 30
- Deckelteil
- 31
- Rotorträger
- 32
- Nabe Rotorträger
- 33
- Keilwellenverbindung
- 34
- Mittelteil Rotorträger
- 35
- Trägerteil Rotorträger
- 36
- Radiallager
- 37
- Radiallager
- 38
- Vorsprung
- 39
- Vorsprung
- 40
- Wellendichtung
- 41
- Schmierölraum
