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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend ein Gehäuse, einen Stator, wobei der Stator fest in dem Gehäuse angeordnet ist, einen Rotor, wobei der Rotor innerhalb des Stators angeordnet ist, eine Rotorwelle, wobei die Rotorwelle als Hohlwelle ausgebildet ist und der Rotor drehfest auf der Rotorwelle angeordnet ist, und ein Rohr, wobei das Rohr fest in dem Gehäuse angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen, wie Generatoren oder Elektromotoren, weisen im Allgemeinen ein Gehäuse, einen Stator und einen Rotor, der an einer Rotorwelle befestigt ist, auf.
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Wie bekannt wandelt ein Elektromotor elektrische Energie in mechanische Energie und ein Generator mechanische Energie in elektrische Energie. Diese Energiewandlung im Elektromotor/Generator ist jedoch verlustbehaftet. Ein Teil der beispielsweise an den Elektromotor abgegebenen elektrischen Energie wird nicht in mechanische Energie überführt, sondern im Elektromotor in Wärme umgesetzt. Dies führt zu einer Temperaturerhöhung im Elektromotor und bedingt eine unnötige thermische Belastung des Elektromotors bzw. der Bauteile des Elektromotors, wodurch zum einen mit einer Leistungseinschränkung aufgrund thermischer Grenzen von Bauteilen des Elektromotors zu rechnen ist und zum anderen die Lebensdauer des Elektromotors negativ beeinflusst wird.
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Einer derartigen Elektromotor-Erwärmung wird auf unterschiedlichste Arten, wie beispielsweise mittels Flüssigkeits- oder Luftkühlungen, entgegengewirkt. So beschreibt beispielsweise die Druckschrift
US 6,191,511 B1 eine asynchrone elektrische Maschine, insbesondere einen Motor oder einen Generator, mit einer Flüssigkeitskühlung zur Kühlung eines Rotors und eines Stators der elektrischen Maschine. Die Flüssigkeitskühlung wird dabei über einen geschlossenen Kühlkreislauf bewirkt. Eine Realisierung des geschlossenen Kühlkreislaufs erfolgt dabei unter anderem über die Integration einer Pumpe innerhalb der als Hohlwelle ausgeführten Rotorwelle. Die Pumpe bewirkt eine Zirkulation der Kühlflüssigkeit durch den Kühlkreislauf, wobei sich der Kühlkreislauf entlang der gesamten Länge des Rotors und des Stators erstreckt. Der stationäre Teil der Pumpe wird über eine zentrale Zuführröhre innerhalb der Rotorwelle ausgebildet.
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Das Dokument
US 2008/0272661 A1 zeigt einen flüssigkeitsgekühlten Rotor-Aufbau. Der Rotor umfasst eine Rotorwelle, die als Hohlwelle ausgebildet ist, und die ein offenes Ende sowie ein geschlossenes Ende aufweist. Eine Kühlflüssigkeitsröhre ist fest an der Rotorwelle befestigt. Kühlflüssigkeit ausgehend vom Bereich des offenen Endes der Rotorwelle durch die Kühlflüssigkeitsröhre gepumpt, tritt an dem geschlossenen Ende der Rotorwelle aus der Kühlflüssigkeitsröhre aus und fließt im Bereich zwischen der Außenwand Kühlflüssigkeitsröhre und der Innenwand der Rotorwelle wieder zurück.
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Eine weitere Herausforderung auf dem Gebiet der elektrischen Maschinen stellt die Erdung von unterschiedlichen Bauteilen, insbesondere der Rotorwelle, dar. Auf die Rotorwelle eines Elektromotors werden schädigende Spannungen induziert. Diese auf der Rotorwelle induzierten Spannungen suchen einen Weg zur Erdung, der üblicherweise durch die Lager der Rotorwelle im Gehäuse des Elektromotors verläuft. Dies führt zu irreversiblen Beschädigungen der Lager der Rotorwelle.
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In der Regel wird die Rotorwelle über einen mechanischen Schleifkontakt beispielsweise in Form einer Kohlebürste elektrisch kontaktiert und mit einem Erdungsanschluss verbunden.
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Das Dokument
DE 10 2005 045 960 A1 beschriebt beispielsweise eine elektrische Rotationsmaschine, insbesondere einen Elektromotor. Um Lagerströme zu vermeiden ist eine Erdung des Rotors des Elektromotors mit Hilfe von Flüssigmetall-Kontaktelementen vorgesehen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine der genannten Art zu verbessern und diese insbesondere im Hinblick auf Betriebszuverlässigkeit, Herstellungskosten und Bauteilaufwand zu optimieren.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Elektrische Maschine umfassend ein Gehäuse, einen Stator, wobei der Stator fest in dem Gehäuse angeordnet ist, einen Rotor, wobei der Rotor innerhalb des Stators angeordnet ist, eine Rotorwelle, wobei die Rotorwelle als Hohlwelle ausgebildet ist und drehbar in dem Gehäuse angeordnet ist und wobei der Rotor drehfest auf der Rotorwelle angeordnet ist, und ein Rohr, wobei das Rohr fest in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Rohr zumindest teilweise derart innerhalb der Rotorwelle angeordnet ist, dass zwischen dem Rohr und der Rotorwelle ein gegenüber dem Rohr abgeschlossener Hohlraum ausgebildet wird, wobei der Hohlraum zumindest teilweise mit einem thermisch und elektrisch leitfähigen Fluid und/oder Feststoff gefüllt ist.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst ein Gehäuse, in welchem ein Stator drehfest angeordnet ist.
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Innerhalb des Stators ist ein Rotor angeordnet. Der Rotor ist drehfest auf einer Rotorwelle angeordnet oder mit der Rotorwelle einteilig ausgebildet.
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Die Rotorwelle ist erfindungsgemäß als Hohlwelle ausgeführt und an dem Gehäuse der elektrischen Maschine über Lager, wie beispielsweise Wälzlager, drehbar gelagert.
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Die Rotorwelle und mit ihr der Rotor sind um eine Rotationsachse rotierbar an dem Gehäuse gelagert.
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Während eines Betriebs der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine rotiert die Rotorwelle und mit ihr der Rotor um die Rotationsachse.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die elektrische Maschine ferner ein Rohr, das fest an dem Gehäuse der elektrischen Maschine angeordnet ist oder einteilig mit dem Gehäuse ausgebildet ist.
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Das Rohr ist erfindungsgemäß zumindest teilweise von der Rotorwelle des Rotors der elektrischen Maschine umgeben.
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Das Rohr ist statisch ausgebildet, d. h. nicht rotierbar innerhalb des Gehäuses gelagert.
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Während eines Betriebs der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine rotiert das Rohr nicht.
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Das Rohr ist erfindungsgemäß zumindest teilweise derart innerhalb der Rotorwelle angeordnet, dass zwischen dem Rohr und der Rotorwelle ein gegenüber dem Rohr abgeschlossener Hohlraum ausgebildet wird.
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Erfindungsgemäß ist der Hohlraum zumindest teilweise mit einem thermisch und elektrisch leitfähigen Fluid und/oder Feststoff gefüllt.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen einfachen und insbesondere in Bezug auf die Fertigung der elektrischen Maschine kostenoptimierten Aufbau auf.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung von Rotorwelle und Rohr kann auf einfache Art und Weise ein modularer Aufbau realisiert werden, zum anderen wird durch die Ausbildung des gegenüber dem Rohr abgeschlossenen Hohlraums ein bauteilreduzierter und leistungsoptimierter Aufbau der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Rohr aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Rohr von einem thermisch leitfähigen Kühlfluid durchflossen.
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Durch die oben genannten vorteilhaften Ausführungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine wird einerseits eine effektive Kühlung des Rotors/der Rotorwelle der elektrischen Maschine bewirkt und andererseits eine gezielte Erdung des Rotors/der Rotorwelle erreicht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist der Hohlraum gegenüber dem Gehäuseinnenraum des Gehäuses der elektrischen Maschine offen ausgebildet.
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Wird der Hohlraum beispielsweise mit einem thermisch und elektrisch leitenden Feststoff gefüllt, so entfällt die Notwendigkeit einer Abdichtung des Hohlraums gegenüber dem Gehäuseinnenraum des Gehäuses der elektrischen Maschine vollständig, was wiederum eine Vereinfachung in der Herstellung der elektrischen Maschine und weiterhin eine Kostenreduktion bedingt.
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Zudem wird durch die Ausführung des statischen Rohrs und dem Entfall von Dichtungselementen beispielsweise zwischen der Rotorwelle und dem Rohr keine Verlustleistung aufgrund einer Reibung zwischen dem Rohr und der Rotorwelle generiert, was zu einer gesteigerten Leistung der elektrischen Maschine führt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist der Hohlraum gegenüber dem Gehäuseinnenraum des Gehäuses der elektrischen Maschine abgeschlossen ausgebildet.
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Derart kann insbesondere eine zuverlässige Füllung des Hohlraums mit einem thermisch und elektrisch leitfähigen Fluid gewährleistet werden.
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Ein zum Gehäuseinnenraum des Gehäuses abgeschlossener Hohlraum lässt sich auf einfach Art und Weise durch die Integration von Dichtungselementen beispielsweise zwischen der Rotorwelle und dem Rohr erzielen.
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Besonders bevorzugt ist der Hohlraum zumindest teilweise mit einem metallischen Feststoff, wie beispielsweise Kupfer, gefüllt.
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Es sind jedoch auch andere Feststoffe, wie beispielsweise Verbundmaterialien jeder Art sowie kohlenstoffbasierende Materialen, zur Füllung des Hohlraums denkbar.
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Beispiele für zur Füllung des Hohlraums geeignete Fluide sind Luft, ein Luft-Ölgemisch, ein Wasser-Glykol Gemisch, Öl etc.
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Die beispielhafte Aufzählung von thermisch und elektrisch leitfähigen Fluiden und/oder Feststoffen ist jedoch nicht als erschöpfend anzusehen. Vielmehr sind darunter sämtliche Fluide und/oder Feststoffe zu verstehen, die thermisch und elektrisch leitende Eigenschaften zeigen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist das Rohr eine erste Kühlfluidöffnung und eine zweite Kühlfluidöffnung auf, so dass durch das Rohr ausgehend von der ersten Kühlfluidöffnung hin zur zweiten Kühlfluidöffnung, oder umgekehrt, nämlich von der zweiten Kühlfluidöffnung hin zur ersten Kühlfluidöffnung, Kühlfluid transportiert werden kann.
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Vorzugsweise weist die Rotorwelle eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung auf.
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Das Rohr erstreckt sich vorzugsweise axial von einer ersten Seite des Gehäuses durch die Eingangsöffnung der Rotorwelle über den Innenraum der Rotorwelle, durch die Ausgangsöffnung der Rotorwelle bis hin zu einer zweiten Seite des Gehäuses.
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Die Richtungsangabe „axial” entspricht einer Richtung entlang oder parallel zu einer zentralen Drehachse der Rotorwelle der elektrischen Maschine.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Rohrs und der Rotorwelle ist es möglich beispielsweise in einem kombinierten Aufbau der elektrischen Maschine mit einem Getriebe ebenso das Getriebe, insbesondere die Getriebeeingangswelle, mittels des mit Kühlfluid durchflossenen Rohrs zu kühlen.
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Die Länge sowie der Durchmesser des Rohrs sind aufgrund des modularen Aufbaus variabel gestaltbar. Daraus ergibt sich die Möglichkeit einer sehr flexiblen Gestaltung der Kühlung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt einen Längsschnitt einer bespielhaften elektrischen Maschine.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In 1 ist ein Längsschnitt einer beispielhaften elektrischen Maschine 1 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Der Längsschnitt stellt einen Schnitt in einer Ebene entlang einer Rotationsachse 16 einer Rotorwelle 5 dar.
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Die elektrische Maschine 1 weist ein Gehäuse 2 auf, wobei in dem Gehäuse 2 ein Stator 3 drehfest angeordnet ist.
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Der Stator 3 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und umschließt einen Rotor 4.
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Der Rotor 4 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und auf einer Rotorwelle 5 drehfest angeordnet.
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Die Rotorwelle 5 ist als Hohlwelle mit einer zentralen Bohrung, die einen Innenraum 13 der Rotorwelle 5 ausbildet, ausgeführt.
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Die Rotorwelle 5 ist über ein erstes Wälzlager 17 und ein zweites Wälzlager 18 an dem Gehäuse 2 der elektrischen Maschine 1 drehbar gelagert.
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Die Rotorwelle 5 weist eine Eingangsöffnung 11 und eine Ausgangsöffnung 12 auf und umschließt zumindest teilweise ein Rohr 6.
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Im Bereich der Ausgangsöffnung 12 der Rotorwelle 5 ist die Rotorwelle 5 mit einer Getriebeeingangswelle 19 eines Getriebes antriebswirksam verbunden.
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Die Getriebeeingangswelle 19 ist ebenso wie die Rotorwelle 5 als Hohlwelle ausgeführt.
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Das Rohr 6 erstreckt sich axial, nämlich in Richtung der Rotationsachse 16 des Rotors 4 der elektrischen Maschine 1, von einer ersten Seite 14 des Gehäuses 2 durch die Eingangsöffnung 11 der Rotorwelle 5 über den Innenraum 13 der Rotorwelle 5, durch die Ausgangsöffnung 12 der Rotorwelle 5 und durch die Getriebeeingangswelle 19 hindurch bis zu einer zweiten Seite 15 des Gehäuses 2.
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Derart wird eine besonders kompakte Kühlung für die elektrische Maschine 1, insbesondere für die Rotorwelle 5/den Rotors 4 und zudem für die Getriebeeingangswelle 19 des Getriebes geschaffen.
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Das Rohr 6 weist eine erste Kühlfluidöffnung 9 und eine zweite Kühlfluidöffnung 10 auf, so dass durch das Rohr 6 ausgehend von der ersten Kühlfluidöffnung 9 in Richtung zur zweiten Kühlfluidöffnung 10, oder umgekehrt, nämlich von der zweiten Kühlfluidöffnung 10 in Richtung zur ersten Kühlfluidöffnung 9, Kühlfluid transportiert werden kann.
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Das Rohr 6 ist fest mit dem Gehäuse 2 der elektrischen Maschine 1 verbunden und derart nicht drehbar in dem Gehäuse 2 angeordnet.
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Das Rohr 6 ist somit statisch ausgebildet und rotiert nicht gemeinsam mit der Rotorwelle 5 des Rotors 4.
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Das Rohr 6 ist zum Teil innerhalb der der Rotorwelle 5 angeordnet, wobei das Rohr 6 derart innerhalb der Rotorwelle 5 angeordnet ist, dass zwischen dem Rohr 6 und der Rotorwelle 5 ein gegenüber dem Rohr 6 abgeschlossener Hohlraum 7 ausgebildet wird.
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Der Hohlraum 7 bildet sich somit zwischen der Innenwand 20 der Rotorwelle 5 und der der Außenwand 21 des Rohrs 6 aus und ist um die von der Rotorwelle 5 umschlossenen Außenwand 21 des Rohrs 6 umlaufend ausgebildet.
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Der Hohlraum 7 ist mit einem thermisch und elektrisch leitenden Fluid und/oder Feststoff gefüllt.
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Das Rohr 6 ist aus einem thermisch und elektrisch leitfähigen Material gefertigt.
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Das Rohr 6 ist von einem thermisch leitfähigen Kühlfluid durchflossen.
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In der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 ist der Hohlraum 7 gegenüber dem Gehäuseinnenraum 8 des Gehäuses 2 der elektrischen Maschine 1 offen ausgebildet.
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Um den Hohlraum 7 gegenüber dem Gehäuseinnenraum 8 des Gehäuses 2 der elektrischen Maschine 1 geschlossen auszubilden, könnte zum Beispiel im Bereich der Eingangsöffnung 11 zwischen der Rotorwelle 5 und dem Rohr 6 ein erstes Dichtelement angeordnet und im Bereich der Ausgangsöffnung 12 zwischen der Rotorwelle 5 und in diesem Fall der Getriebeeingangswelle 19 ein zweites Dichtelement und zwischen der Getriebeeingangswelle 19 und dem Rohr 6 ein drittes Dichtelement angeordnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 2
- Gehäuse
- 3
- Stator
- 4
- Rotor
- 5
- Rotorwelle
- 6
- Rohr
- 7
- Hohlraum
- 8
- Gehäuseinnenraum
- 9
- Erste Kühlfluidöffnung
- 10
- Zweite Kühlfluidöffnung
- 11
- Eingangsöffnung
- 12
- Ausgangsöffnung
- 13
- Innenraum (der Rotorwelle)
- 14
- Erste Seite (des Gehäuses)
- 15
- Zweite Seite (des Gehäuses)
- 16
- Rotationsachse
- 17
- Erstes Wälzlager
- 18
- Zweites Wälzlager
- 19
- Getriebeeingangswelle
- 20
- Innenwand (der Rotorwelle)
- 21
- Außenwand (des Rohrs)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6191511 B1 [0004]
- US 2008/0272661 A1 [0005]
- DE 102005045960 A1 [0008]
