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Die Erfindung betrifft ein Innenkühlkreislaufsystem für rotierende elektrische Maschinen mit Kurzschlussläufer insbesondere für oberflächengekühlte Drehstrommaschinen.
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Es ist allgemein bekannt bei oberflächengekühlten Drehstrommaschinen mit inneren Kühlkreislauf die entstehende Verlustwärme fast ausschließlich durch Wärmeleitung über das Ständerblechpaket und einen berippten Gehäusemantel in die umströmende Kuhlluft abzuführen. Zur Oberflächenkühlung sind zur Erzeugung des Kühlmittelstromes über den Gehäusemantel in der Regel mitlaufende auf der Läuferwelle befestigte Ventilatoren angeordnet. In den einzelnen Teilen des magnetischen Kreises sind Durchtrittsöffnungen und/oder Kühlkanäle angeordnet um einen inneren Kühlmittelskreislauf ausbilden zu können. Da solcherart Konstruktionen mittlerweile oftmals thermisch an die Grenzen der Belastbarkeit kommen werden zunehmend für hochausgenutzte Drehstrommaschinen Kühlsysteme auf der Basis der Wasserkühlung eingesetzt. Problematisch ist jedoch auch hierbei eine ausreichende Kühlung der Wickelköpfe und die ausreichende Abführung der Verlustwärme aus den Wicklungsköpfen in die Kühlkanäle des Ständerblechpaketes. Die Lösung dieses Problems mittels Flüssigkeitskühlung des äußeren Gehäusemantels beseitigt allerdings das Grundproblem der ausreichenden Kühlung der elektromagnetisch aktiven Teile im Inneren der elektrischen Maschine und insbesondere des Wickelkopfraums nicht.
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Zur Lösung dieser Kühlungsprobleme bei rotierende elektrische Maschinen mit Kurzschlussläufer für oberflächengekühlte Drehstrommaschinen ist der Einsatz von zwei getrennten Lüftern, das heißt ein Außenlüfter und ein gesonderter Innenlüfter bereits bekannt. Solch eine Konstruktion wird sowohl von Siemens in seiner Baureihe H-compact als auch von Leroy-Somer für Elektromotoren der Reihen FLS bis FLSC angewandt. Dabei ist jeweils der direkt nach dem Wickelkopf auf der Läuferwelle angeordnete Innenlüfter als ein mitlaufender drehrichtungsabhängiger Radiallüfter ausgebildet. Solche drehrichtungsabhängige Radiallüfter haben den Nachteil, dass diese einen erheblichen Leistungsbedarf besitzen und in der Regel weitere zusätzlich hörbare Geräusche erzeugen. Diese drehrichtungsabhängigen Radiallüfter sollen auch das Strömungsverhalten im inneren Kühlkreislauf verbessern.
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Aus der
DE 87 09 364 U1 ist eine technische Lösung bekannt, bei der zur Erzeugung unterschiedlicher Kühlluftströme bei einer rotierenden elektrischen Maschine auf einer Läuferwelle ein Doppellüfter für den äußeren Kühlluftstrom eingesetzt wird. Der Doppellüfter erzeugt dabei zwei getrennte axiale Kühlluftströme, zum einem zur Außenkühlung der Gehäuseoberfläche der rotierenden elektrischen Maschine und zum anderen zur Kühlung des angebauten Stromrichters. Der Doppellüfter ist dabei mit der Maschinenwelle direkt drehrichtungsabhängig verbunden und wird durch diese angetrieben. Die axialen gerichteten Kühlluftströme sind dabei nach entgegen gesetzten Richtungen als axiale Strömungskomponenten gerichtet.
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In der
DE 37 20 464 A1 ist eine Lüfteranordnung für eine außen- bzw. oberflächenbelüftete rotierende elektrische Maschine beschrieben, bei der ein Radiallüfter, der aus einer Tragscheibe mit darauf angeordneten Lüfterschaufeln besteht, außen deckscheibenlos auf der Läuferwelle angeordnet ist. Innerhalb der Lüfterhaube ist ein gesonderter zylindrischer Wandteil angeordnet, so dass keinerlei Nebenströmungen entstehen und die angesaugte Kühlluft auf kurzen direkten Weg in die Gehäuseberippung geleitet werden kann ohne dass zusätzliche Verwirbelungen entstehen.
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In einer anderen technischen Lösung nach der
DE 199 19 040 A1 ist eine Synchronmaschine oder Asynchronmaschine für große Windenergieanlagen beschrieben, bei der ein einziges Lüfterrad Kühlluft sowohl durch den Ständer über Ständerkühlkanäle als auch Kühlluft durch den Läufer durch Läuferkühlkanäle treibt, dass heißt der Kühlluftstrom wird in zwei Teilströme aufgeteilt, aber nur durch einen entsprechend groß dimensionierten Lüfter angetrieben.
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In der
EP 2 308 150 B1 ist eine andere Ausführung einer rotierenden elektrischen Maschine hohen Schutzgrades mit axialen Läufer- und Ständerkühlkanälen beschrieben, welche eine verbesserte Kühlung des Läufers bewirken soll. Der Läuferraum ist hierbei beidseitig strömungstechnisch mittels je einer speziellen Abdeckung von den Ständerkühlkanälen getrennt ausgeführt. Über mindestens einen Radialkanal in den Abdeckungen sind die Ständerkühlkanäle mit dem Läuferinnenraum strömungstechnisch verbunden, wobei eine Zwangsströmung durch mindestens einen angeordneten Lüfter ausbildet wird.
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Die
DE 10 2007 061 597 A1 beschreibt eine elektrische Maschine mit einem Axialdoppellüfter, der im Hinblick auf die zu kühlenden Teile drückend wirkt. Diese Art von Axiallüftern hat nur eine geringe Leistung gegenüber anzuströmender Hindernisse, wie insbesondere Kühlkanäle in Blechpaketen. Er besitzt zwei unterschiedlich angeordnete Schaufelkränze, wobei ein Schaufelkranz zur Kühlluftführung von einem trichterförmigen Rohr umschlossen ist.
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In der
GB 775 264 A ist eine spezielle innere Kühlluftführung beschrieben, welche nur im Bereich des Wickelkopfes einer elektrischen Maschine wirkt. Eine individuelle Leiteinrichtung ist so konstruiert, dass insbesondere das Lagerschild und das Maschinenlager besonders effektiv gekühlt werden kann. Des Weiteren sind am Läuferblechpaket zusätzliche Wirbler angeordnet, die eine zielgerichtete Strömung der Kühlluft von außen nach Innen entlang des Lagerschildes bewirken sollen.
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Die
DE 25 58 405 A1 beansprucht eine Kühleinrichtung für eine geschlossene elektrische Maschine mit einem Außen- und einem Innenlüfterkreis. Dabei ist neben einem Außenlüfter noch ein Innenlüfter angeordnet, der zwei getrennte Schaufelkränze aufweist, wobei die beiden Schaufelkränze durch eine Trennwand voneinander getrennt sind. Die Durchmesser der beiden Schaufelkränze sind zudem verschieden groß. Durch diese Schaufelkränze soll ein Luftgegenstromkreis im Läuferblechpaket aufgebaut werden, indem im Läuferblechpaket unmittelbar über der Läuferwelle getrennte axiale Kühlkanäle angeordnet sind. Die Abführung der von der Kühlluft aufgenommenen Wärme insbesondere aus dem Inneren des Läuferblechpakets in den Außenlüfterkreis erfolgt lediglich im Bereich der Wickelköpfe, wozu im Wickelkopfbereich des Gehäuses innen zusätzlich abwechselnd Rippen und Nuten angeordnet sind.
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In der
US 2010 / 0 133 933 A1 ist eine Innenkühlanordnung für eine elektrische Maschine beschrieben, welche insbesondere die Kühlung im Bereich der Wickelköpfe verbessern soll. Dabei ist ein speziell konstruierter Radialventilator aus mehreren voneinander beabstandeten glatten Scheiben angeordnet, der die Kühlluft entlang axialer Kühlkanäle durch den Läufer zieht. Der Ventilator wälzt die Luft im Wickelkopfbereich um und soll einen besonders intensiven Luftstrom im Bereich der Wickelköpfe bewirken. Umwälzventilator und Radialventilator sind dabei ein Bauteil.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System eines Innenkühlkreislaufs für rotierende elektrische Maschinen mit Kurzschlussläufer und Oberflächenkühlung zu schaffen, welches sowohl den Läufer über Läuferkühlkanäle, als auch den Ständer über Ständerkühlkanäle optimal kühlt, wobei auch der Wickelkopf ausreichend gekühlt wird und die Verlustwärme optimal über das oberflächengekühlte Gehäuse nach außen an die abgegeben wird, wobei der Kühlkreislauf im Inneren möglichst geringe Reibungsverluste aufweisen soll.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des 1. Patentanspruches gelöst. Die rückbezüglichen Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Das neuartige Innenkühlkreislaufsystem für rotierende elektrische Maschinen mit Kurzschlussläufer für oberflächengekühlte Drehstrommaschinen besteht, wie an sich bekannt, aus einer Vielzahl von in der Maschine kreisringförmig verteilt angeordneten axialen Läufer- und Standerkühlkanälen, deren Durchströmung durch einen oder mehrere Ventilatoren angetrieben wird. Erfindungsgemäß ist dabei ein Innenlüfter 23 als ein neuartiger Doppellüfter 25 ausgebildet. Der Doppellüfter 25 besteht aus einer Tragscheibe 26, einer Deckscheibe 28 und inneren und äußeren Schaufeln 29 und 30. Im Inneren der rotierenden elektrischen Maschine sind zwei zunächst unabhängige aufgeteilte Strömungskreise 1 und 2 ausgebildet. Der erste Strömungskreis 1 besteht aus einer Hauptströmung 16 durch die Läuferkühlkanäle 5, welche weiter geleitet wird durch den Wicklungskopfraum 14 in die Ständerkühlkanäle 12. Dabei wird der erste Strömungskreis 1 durch einen Teil des Innenlüfters 23, die äußeren Schaufeln 30 angetrieben. Der andere zweite Strömungskreis 2 wird aus einer Nebenströmung durch den Luftspalt 9 zwischen Läufer 3 Ständer 10 gebildet, welche durch den Wickelkopfraum 14 in die Ständerkühlkanäle 12 geleitet wird. Dieser andere zweite Strömungskreis 2 wird durch einen anderen Teil des Innenlüfters 23, die inneren Schaufeln 29 angetrieben. Die Ständerkühlkanalströmung 17 wird durch den Doppellüfter 25 angetrieben. Am Kurzschlussring 7 des Läufers 3 sind Wirbler 8 angeordnet. Mittels einer Gehäuseaußenströmung 18, welche durch einen separaten Außenlüfter 24 angetrieben wird, erfolgt dann die Oberflächenkühlung und Abführung der Verlustwärme. Durch eine Verlängerung der Deckscheibe 28 des Doppellüfters 25 bis an das Läuferblechpaket heran ist die Strömung der Kühlluft durch die Läuferkühlkanäle 5 zunächst völlig getrennt vom zweiten Strömungskreis 2, der durch den Luftspalt 9 gebildet wird und der als Nebenströmung 16 bezeichnet wird.
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Dadurch, dass der Innenlüfter 23 als ein Doppellüfter 25 ausgebildet ist, saugt der eine Teil des Innenlüfters 23 nur die Luft durch die im Inneren liegenden Läuferkühlkanäle 5 und der andere Teil die Luft durch den Luftspalt 9. Beide Luftströme werden durch die Wirkung der unterschiedlich ausgebildeten Schaufeln des Doppellüfters 25 in die Ständerkühlkanäle 12 gedrückt.
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Um die Luftführung insgesamt zu optimieren und den Strömungswiderstand oberhalb des Doppellüfters zu verbessern, ist bevorzugt an dieser Stelle noch ein zusätzliches Leitblech 31 angeordnet. Insgesamt kann die Temperatur während des Betriebes solcherart Elektromotoren um bis zu 50°K gesenkt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass beide Lagerschilde 20 gleichmäßiger als bisher mit Kühlluft umströmt werden, wodurch sich der Temperaturunterschied der beiden Maschinenlager 21 ebenfalls verringert. Die neuartige Konstruktion und Auslegung des Doppellüfters 25 führt zu einem verringerten Leistungsbedarf des Innenlüfters 23, wodurch sich erbliche Energieeinsparungen im Dauerbetrieb des Elektromotors ergeben. Speziell die Konstruktion und Dimensionierung der inneren Schaufeln 29 und der äußeren Schaufeln 30 des Doppelllüfters 25 ist an die jeweiligen Abmessungen des Luftspaltes 9 und der Läuferkühlkanäle 5 und damit an die speziellen Strömungsverhältnisse im Inneren der rotierenden elektrischen Maschinen mit Kurzschlussläufer für oberflächengekühlte Drehstrommaschinen angepasst. Dadurch wird der Strömungswiderstand im gesamten Kühlkreislauf verringert und die Kühlluftführung insgesamt verbessert.
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Von Vorteil ist es, wenn beim erfindungsgemäßen Innenkühlkreislaufsystem für rotierende elektrische Maschinen mit Kurzschlussläufer der Doppellüfter 25 mit unterschiedlich großen inneren Schaufeln 29 und äußeren Schaufeln 30 ausgebildet ist.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn beim Innenkühlkreislaufsystem für rotierende elektrische Maschinen mit Kurzschlussläufer der Doppellüfter 25 bestehend aus einer Tragscheibe 26, einer Deckscheibe 28 und inneren und äußeren Schaufeln 29 und 30 mit unterschiedlichen Geometrien und/oder Krümmungen der inneren Schaufeln 29 und äußeren Schaufeln 30 ausgebildet ist.
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Weitere Effekte und insbesondere eine Reduzierung des Leistungsbedarfs des Innenlüfters 23 lassen sich erzielen, wenn der Doppellüfter 25 drehrichtungsunabhängig als unabhängig angetriebener Fremdlüfter ausgebildet ist.
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Eine weitere Reduzierung der Reibungsverluste im neuartigen Innenkühlkreislaufsystem für rotierende elektrische Maschinen mit Kurzschlussläufer kann erfolgen, wenn im Wicklungskopfraum 14 ein oder mehrere Leitbleche 31 angeordnet sind.
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Beim neuartigen Innenkühlkreislaufsystem für rotierende elektrische Maschinen mit Kurzschlussläufer können weiter kritische thermische Nester vor allem im Lagerschild und der Maschinenlagerung vermieden werden, wenn an einer Tragscheibe 26 des Doppellüfters 25 zusätzliche Tragscheibenwirbler 27 angeordnet sind, welche eine Lagerschildströmung antreiben, wodurch sich ein eigener Strömungskreis auch an dieser Stelle unmittelbar innen zwischen Doppellüfterrücken und Lagerschild 20 ausbildet.
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Die Strömungsführung und die Reibungsreduzierung im Innenkühlkreislaufsystem für rotierende elektrische Maschinen mit Kurzschlussläufer lassen sich weiter verbessern, indem die Tragscheibe 27 und die Deckscheibe 28 für den Innenlüfter 24 im Durchmesser größer ausgebildet sind als der Durchmesser, der durch die Lüfterschaufeln gebildet wird.
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Die Erfindung soll nachstehend an Hand der 1 in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Innenkühlkreislaufsystems für rotierende elektrische Maschinen mit Kurzschlussläufer für oberflächengekühlte Drehstrommaschinen. Das neuartige Innenkühlkreislaufsystem besteht, wie an sich bekannt, aus einer Vielzahl von in der Maschine kreisringförmig verteilt angeordneten axialen Läufer- 5 und Standerkühlkanälen 12. Die Kühlluftströmung durch diese axialen Läufer- 5 und Standerkühlkanäle 12 wird durch einen Doppellüfter 25 bewirkt, welcher die Durchströmung mit Kühlluft erheblich verbessert. Dabei ist ein Innenlüfter 23 als ein neuartige ausgebildeter Doppellüfter 25 auf der Läuferwelle 4 angeordnet. Im Inneren der rotierenden elektrischen Maschine im Bereich des Läufers 3 sind hier zwei völlig zunächst unabhängige aufgeteilte Strömungskreise 1 und 2 ausgebildet. Der erste Strömungskreis 1 besteht aus einer Hauptströmung 15 allein durch die Läuferkühlkanäle 5, welche weiter geleitet wird durch den Wicklungskopfraum 14 in die Ständerkühlkanäle 12.
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Durch eine Verlängerung der Deckscheibe 28 des Doppellüfters 25 bis an das Läuferblechpaket heran ist die Strömung der Kühlluft durch die Läuferkühlkanäle 5 zunächst völlig getrennt vom zweiten Strömungskreis 2, der durch den Luftspalt 9 gebildet wird, und der als Nebenströmung 16 bezeichnet wird. Dabei wird der erste Strömungskreis 1 allein durch einen außen liegenden Teil und eine spezielle Form und Dimensionierung der äußeren Schaufeln 30 des Doppellüfters 25 angetrieben. Der andere zweite Strömungskreis 2 wird aus der Nebenströmung 16 durch den Luftspalt 9 zwischen Läufer 3 Ständer 10 gebildet, welcher frei durch den Wickelkopfraum 14 in die Ständerkühlkanäle 12 geleitet wird. Dieser andere zweite Strömungskreis 2 wird wesentlich durch einen anderen inneren Teil und deren speziell gestaltete und dimensionierte innere Schaufeln 29 des Doppellüfters 25 angetrieben. Dann vereinigen sich die beiden Strömungskreise 1 und 2 oberhalb des Doppellüfters 25 und werden als Ständerkühlkanalströmung 17 durch die Ständerkühlkanäle 12 gedrückt. Diese Ständerkühlkanalströmung 17 wird hauptsächlich durch den Doppellüfter 25 angetrieben. Die Ständerkühlkanalströmung 17 entzieht aus dem Ständerblechpaket die aus der Ständerwicklung 11 stammende Verlustwärme des Ständers 10. Um den Strömungswiderstand nach der Zusammenführung der beiden Strömungskreise 1 und 2 vor dem Eintritt in die Ständerkühlkanäle 12 zu verringern, sind oberhalb des Wicklungskopfes 13 noch ein oder mehrere gebogene Leitbleche 31 angeordnet. Am Kurzschlussring 7 der Läuferwicklung 6 des Läufers 3 sind zusätzliche Wirbler 8 angeordnet, welche für eine bessere Verwirblung der Kühlluft im Bereich der Wicklungsköpfe 13 sorgen und wodurch die Wicklungsköpfe 13 besser umströmt werden. Hier bildet sich im Wicklungskopfraum 14 eine eigene, angetriebene starke Verwirblung der Kühlluft mit entsprechend besserer Kühlungswirkung auf die Wicklungsköpfe 13 aus.
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Mittels einer äußeren Gehäuseaußenströmung 18, welche durch einen separaten Außenlüfter 24 angetrieben wird, erfolgt dann eine umfangreiche Oberflächenkühlung des Gehäuses 19 und damit die eigentliche Abführung der Verlustwärme an die Umgebung. Dieser Außenlüfter 24 ist ebenfalls direkt auf der Läuferwelle 4 angeordnet und von einer Lüfterhaube 22 umhaust. Dadurch dass der Innenlüfter 23 als ein Doppellüfter 25 ausgebildet ist, saugt der eine Teil des Doppellüfters 25 nur die Luft durch die im inneren des Läufers 3 liegenden Läuferkühlkanäle 5 und der andere Teil die Luft nur durch den Luftspalt 9 wodurch getrennte Strömungskreise 1 und 2 entstehen. Beide Kühlluftströme werden durch die Wirkung der unterschiedlich ausgebildeten Schaufeln des Doppellüfters 25 in die Ständerkühlkanäle 12 gedrückt. Der Doppellüfter 25 ist über eine speziell geformte Tragscheibe 26 mit der Läuferwelle 4 verbunden. Damit das Lagerschild 20 gleichmäßiger als bisher von der Kühlluft an- und umströmt wird, sind an der Tragscheibe 26 noch zusätzliche Tragscheibenwirbler 27 angeordnet. Dadurch verringert sich der Temperaturunterschied der beiden Maschinenlager 21. Die neuartige Konstruktion und Auslegung des Doppellüfters 25 führt zu einem verringerten Leistungsbedarf des Innenlüfters 23, wodurch sich erbliche Energieeinsparungen im Dauerbetrieb des Elektromotors ergeben. Speziell die Konstruktion und Dimensionierung der inneren Schaufeln 29 und der äußeren Schaufeln 30 des Doppelllüfters 25 ist an die jeweiligen Abmessungen des Luftspaltes 9 und der Läuferkühlkanäle 5 und damit an die speziellen Strömungsverhältnisse im Inneren der rotierenden elektrischen Maschinen mit Kurzschlussläufer für oberflächengekühlte Drehstrommaschinen angepasst. Dadurch wird insbesondere der Strömungswiderstand im gesamten Kühlkreislauf verringert, die Kühlluftführung verbessert und auch die Kühlung der gesamten rotierenden elektrischen Maschine optimiert.
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Weitere Effekte und insbesondere eine Reduzierung des Leistungsbedarfs des Innenlüfters 23 lassen sich erzielen, wenn der Doppellüfter 25 drehrichtungsunabhängig als unabhängig angetriebener Fremdlüfter ausgebildet und angeordnet ist. Mittels geeigneter Temperatursensoren kann dann die Drehzahl des Doppellüfters 25 in Abhängigkeit vom tatsächlichen Erwärmungszustand im Inneren der rotierenden elektrischen Maschine aktiv gesteuert werden. Generell ist es ebenfalls für spezielle Anwendungen denkbar auch den Außenlüfter 24 mit einem extra Antrieb auszustatten und drehrichtungsunabhängig auszubilden. Dadurch wird es möglich die Kühlung der gesamten elektrischen Maschine insgesamt zu verbessern, den für die Kühlung eingesetzten Energiebedarf zu optimieren und die durch die beiden Lüfter (Außenlüfter 24 und Innenlüfter 23) hervorgerufene Geräuschemission zu senken.
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Die Erfindung ist auch anwendbar bei oberflächengekühlten Drehstrommotoren mit Gehäuse.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strömungskreis
- 2
- Strömungskreis
- 3
- Läufer
- 4
- Läuferwelle
- 5
- Läuferkühlkanäle
- 6
- Läuferwicklung
- 7
- Kurzschlussring
- 8
- Wirbler
- 9
- Luftspalt
- 10
- Ständer
- 11
- Ständerwicklung
- 12
- Ständerkühlkanäle
- 13
- Wicklungskopf
- 14
- Wicklungskopfraum
- 15
- Hauptströmung
- 16
- Nebenströmung
- 17
- Ständerkühlkanalströmung
- 18
- Gehäuseaußenströmung
- 19
- Gehäuse
- 20
- Lagerschild
- 21
- Maschinenlager
- 22
- Lüfterhaube
- 23
- Innenlüfter
- 24
- Außenlüfter
- 25
- Doppellüfter
- 26
- Tragscheibe
- 27
- Tragscheibenwirbler
- 28
- Deckscheibe
- 29
- Innere Schaufeln
- 30
- Äußere Schaufeln
- 31
- Leitblech
