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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, vorzugsweise Innenläufermotor, mit einem allseits, mit Ausnahme insbesondere einer Durchführung für eine Abtriebswelle, geschlossenen Gehäuse, in welchem Gehäuse ein Stator und ein Rotor angeordnet sind, gemäß Anspruch 1.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Fluggerät, insbesondere einen personen- und/oder lasttragenden Multikopter mit einer Mehrzahl an Rotoren (Propeller), die mittels Elektromotoren antreibbar oder angetrieben sind, bei dem wenigsten einer der Elektromotoren erfindungsgemäß ausgebildet ist, gemäß Anspruch 16.
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Auf dem Gebiet der elektrisch angetriebenen Motoren (Elektromotoren oder einfach Motoren) ist es im Stand der Technik bekannt, ein Gebläse zur verbesserten Wärmeableitung durch das Innenteil des Motors und/oder die Außenfläche des Gehäuses zu verwenden, wobei das Gebläse direkt vom Elektromotor angetrieben wird. Beispielhaft sei diesbezüglich auf die
DE 10 2011 100 980 A1 , die
EP 1 100 182 A1 und die
JP-H-06169554 A verwiesen.
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Die meisten der oben beschriebenen Motoren sind mit einem offenen Gehäuse ausgeführt, d.h. Luft kann durch die inneren Teile des Gehäuses strömen und diejenigen Teile des Motors kühlen, die sich während des Betriebs erwärmen. Ein geschlossenes, abgedichtetes oder gekapseltes Motorgehäuse hat jedoch gegenüber offenen Gehäusen verschiedene Vorteile. Insbesondere in Bezug auf die Isolierung von hochspannungsführenden Teilen hat eine abgedichtete Konstruktion Vorteile gegenüber einer offenen. Darüber hinaus ist der Schutz der aktiven Teile gegen Korrosion und vor sonstigen Umgebungseinflüssen bei einem offenen Konstruktionskonzept eine große technische Herausforderung.
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Andererseits stellt speziell bei einer geschlossenen Motorgehäusekonstruktion die Gewährleistung einer ausreichenden Wärmeabfuhr aufgrund des vorhandenen Luftspalts zwischen z.B. Rotor und Gehäuse und aufgrund des insgesamt gekapselten Motor-Innenraums (bei dem entsprechend kein Luftaustausch zwischen Innen und Außen möglich ist) den Fachmann vor größere technische Herausforderungen. Eine nicht ausreichende Wärmeabfuhr kann dazu führen, dass der Motor (vorrübergehend) abgeschaltet werden muss. Bei einer Verwendung zum Antreiben eines Fluggeräts (Multikopter) kann dies in nachteiliger Weise mit einer zwingenden (Not-)Landung verbunden sein.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein abgedichtetes Gehäuse für einen Elektromotor bzw. einen Elektromotor mit einem solchen Gehäuse anzugeben, der gute Wärmeableitungseigenschaften aufweist. Dabei soll sich der erfindungsgemäße Elektromotor für die Verwendung bei einem vorzugsweise personen- und/oder lasttragenden Fluggerät in Form eines Multikopters eignen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor, vorzugsweise ein Innenläufermotor, mit einem allseits, mit Ausnahme insbesondere einer Durchführung für eine Abtriebswelle geschlossenen, d.h. gekapselten Gehäuse, vorzugsweise aus Metall, in welchem Gehäuse - neben einem Rotor - ein Stator angeordnet und wärmeleitend mit einer Wandung des Gehäuses verbunden ist, sind außen an der Wandung, d.h. an der Gehäuseaußenseite eine Anzahl von Vorsprüngen vorgesehen, die im Wesentlichen parallel zu der Abtriebswelle orientiert sind. Weiterhin ist außerhalb des Gehäuses an der Abtriebswelle ein Flügelrad angeordnet, dessen Flügel bei einer Drehung der Abtriebswelle, bei Betrachtung längs der Abtriebswelle, zumindest einen Bereich überstreichen, in welchem Bereich die Vorsprünge angeordnet sind, um auf diese Weise im Betrieb des Elektromotors einen Kühlluftstrom entlang der Vorsprünge zu erzeugen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Fluggerät, insbesondere einem personen- und/oder lasttragenden, senkrecht startenden und landenden Multikopter mit einer Mehrzahl an Rotoren, die mittels Elektromotoren antreibbar oder angetrieben sind, ist vorgesehen, dass wenigstens ein Elektromotor als ein erfindungsgemäßer Elektromotor ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist einzigartig aufgrund der Tatsache, dass das Verhältnis zwischen dem erforderlichen zusätzlichen Gewicht und der erreichbaren Verbesserung der Wärmeableitung im Vergleich zu herkömmlichen Zwangsluftströmungen und Kühlrippen deutlich verbessert ist, was gerade auf dem Gebiet der Luftfahrt einen entscheidenden Vorteil darstellt.
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Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist vorgesehen, dass zwischen jeweils zwei benachbarten Vorsprüngen an der Gehäuse-Außenseite wenigstens ein zusätzliches Wärmeableitelement, insbesondere aus Metall, angeordnet ist, welches Wärmeableitelement mit wenigstens einem der beiden benachbarten Vorsprünge, vorzugsweise beiden, wärmeleitend verbunden ist, höchst vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere gelötet. Derartige Wärmeableitelemente vergrößern die zum Wärmeaustausch mit der Umgebung zur Verfügung stehende Oberfläche, was die Kühlleistung verbessert.
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Bei einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist vorgesehen, dass das Wärmeableitelement von dem Kühlluftstrom umströmt ist. Eine solche Anordnung verbessert durch die stattfindende Konvektion die Kühlleistung noch weiter.
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Um sicherzustellen, dass ein an dem Wärmeableitelement bzw. den Vorsprüngen vorbei strömender Luftstrom ausreicht, um die im Gehäuse erzeugte Wärme abzuführen, ist mit dem Flügelrad ein Lüfter direkt mit der Motorabtriebswelle gekoppelt. Vorzugsweise hat ein solcher Lüfter den gleichen Abstand von einer Motordrehachse bzw. der Abtriebswelle wie das/die Wärmeableitelement/e, so dass der Kühlluftstrom in diesem Bereich besonders hoch ist.
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Bei wieder einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist vorgesehen, dass das Wärmeableitelement eine relative große Erstreckung in einer ersten Richtung und eine relativ kleine Erstreckung in einer zweiten Richtung aufweist, wobei die erste Richtung im Wesentlichen parallel zur der Abtriebswelle und die zweite Richtung im Wesentlichen quer zu dieser orientiert ist. Auf diese Weise ergibt sich eine lamellenartige Ausgestaltung der Wärmeableitelemente (Kühlrippen), die entsprechend eine große effektive Oberfläche aufweisen, dem Kühlluftstrom aber nur einen verhältnismäßig geringen Widerstand entgegenstellen.
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Bei einer noch anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist vorgesehen, dass dieser eine Mehrzahl an Wärmeableitelementen zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen aufweist, welche Wärmeableitelemente in der zweiten Richtung voneinander beabstandet sind. Diese Ausgestaltung vergrößert die verfügbare Fläche nach Art eines Kühlrippenblocks und folglich die Kühlleistung noch weiter.
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Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist vorgesehen, dass wenigstens zwei (solche) Wärmeableitelemente zwischen zwei (gleichen) benachbarten Vorsprüngen einstückig miteinander verbunden sind, wobei vorzugsweise die Verbindung der Wärmeableitelemente untereinander im Bereich der Verbindung der betreffenden Wärmeableitelemente mit dem betreffenden Vorsprung vorgesehen ist. Hierdurch lässt sich eine konstruktive Vereinfachung erreichen, da die Wärmeableitelemente nicht einzeln mit dem Gehäuse bzw. den Vorsprüngen verbunden werden müssen, sondern eine bauliche Einheit darstellen.
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Bei einer ebenfalls vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei verbundenen Wärmeableitelemente mittels eines flachen, wellig oder faltenbalgartig aufgefalteten Elements (einer sog. Wellrippe) gebildet sind, dessen bzw. deren Wellenflanken die Wärmeableitelemente bilden, wobei vorzugsweise die Wellenflanken im Wesentlichen parallel zu einer Außenfläche des Gehäuses orientiert sind, und vorbei die Verbindung mit dem einen Vorsprung im Bereich eines Wellenscheitels vorgesehen ist. Alternativ kommt auch eine Formgebung nach Art einer Ziehharmonika mit zueinander leicht schräg stehenden Wärmeableitelementen oder eine Formgebung mit gekrümmten Wärmeableitelementen in Betracht, ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre. Die oben bereits angesprochene konstruktive Vereinfachung wird hierdurch noch verstärkt.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl an Vorsprüngen vorzugsweise gleichmäßig über einen Umfang des Gehäuses verteilt angeordnet sind. Hierdurch lässt sich die Kühlwirkung weiter verbessern, wobei zwischen jeweils zwei Vorsprüngen über den gesamten Umfang verteilt entsprechend wiederum auch Wärmeableitelemente vorgesehen sein können.
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Bei einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist vorgesehen, dass ein lichter Abstand in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Vorsprüngen mit zunehmendem Abstand von der Abtriebswelle im Wesentlichen konstant ist. Sofern der Abstand zwischen den Vorsprüngen (oder Rippen) im Wesentlichen gleich bleibt, vorzugsweise konstant, wenn der radiale Abstand von der Abtriebswelle (oder Motordrehachse) zunimmt, können standardisierte Wellrippen als Wärmeableitelemente verwendet werden, was sich positiv auf die Herstellungskosten auswirkt.
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Das Gehäuse kann beispielsweise durch Fräsen oder ein anderes geeignetes spanendes Verfahren hergestellt sein. Bei einer wieder anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist vorgesehen, dass der Vorsprung oder die Vorsprünge einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet ist/sind, vorzugsweise aus Metall bzw. mittels eines spanabhebenden Verfahrens, insbesondere gedreht oder gefräst. Hierdurch ergibt sich eine kompakte und stabile Ausgestaltung der gesamten Anordnung mit guten Wärmeleiteigenschaften. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Gehäuse auch extrudiert sein.
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Bei einer noch anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist vorgesehen, dass das Gehäuse aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit größer oder gleich 50 W/(m*K) vorzugsweise größer oder gleich 100 W/(m*K) ausgebildet ist, höchst vorzugsweise Metall, insbesondere Aluminium oder dergleichen. Hierdurch lässt sich eine gute Wärmeableitung erreichen. Vorzugsweise sind auch die Wärmeableitelemente (oder Lamellen bzw. Wellrippen) aus einem vergleichbaren Material hergestellt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist vorgesehen, dass der Stator an einer Innenseite des Gehäuses angeordnet ist. Dabei kann er das Gehäuse vorzugsweise berühren, um im Betrieb entstehende Wärme direkt an das Gehäuse abzugeben.
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Um den (zusätzlichen) Luftwiderstand möglichst gering zu halten, kann eine Breite eines Lüfterflügels (des Flügelrads) relativ klein gewählt und nur im Bereich der Vorsprünge vergrößert sein, so dass der Luftwiderstand relativ klein bleibt. Bei einer entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist demnach vorgesehen, dass eine Abmessung des Flügelrads in Richtung einer Erstreckung der Abtriebswelle - vorzugsweise mit Ausnahme des genannten Bereichs - minimiert ist.
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Bei einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist vorgesehen, dass wenigstens ein zusätzliches wärmeleitendes Element zwischen Stator und Gehäuse angeordnet ist, vorzugsweise eine Heatpipe (Wärmerohr), deren eines Ende höchst vorzugsweise außerhalb des Gehäuses im Bereich des Kühlluftstroms angeordnet ist. Dadurch lässt sich die Wärmeableitung aus dem Inneren des Gehäuses weiter erhöhen. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Heatpipe jedoch auch direkt ober- oder unterhalb (in Längsachsenrichtung) des Stators ausgebildet sein. Möglich ist auch, die warme Seite der Heatpipe an der Innenseite eines Gehäusedeckels anzuordnen.
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Bei einer wieder anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist vorgesehen, dass wenigstens ein zusätzliches wärmeleitendes Element zwischen Stator und Gehäuse angeordnet ist, vorzugsweise ein thermoelektrisches Element mit einer kalten und einer warmen Seite, welche kalte Seite in Richtung einer Innenseite des Gehäuses angeordnet ist, während a) die warme Seite mit dem Gehäuse Wärme leitend gekoppelt ist, oder b) die warme Seite außerhalb des Gehäuses im Bereich des Kühlluftstroms angeordnet ist. Auf diese Weise kann Wärme in das Gehäuse verteilt und dann abgeführt werden. Wenn die warme Seite außerhalb des Gehäuses im Bereich des Kühlluftstroms angeordnet ist, ergibt sich entsprechend eine verbesserte Wärmeabfuhr. Dies gilt auch für den Fall, dass die warme Seite mit dem Gehäuse verbunden ist.
- 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Elektromotor noch ohne Flügelrad;
- 2 zeigt ein Detail des Elektromotors auf 1 bei Blickrichtung von oben, parallel zur Drehachse der Abtriebswelle;
- 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Elektromotor gemäß 1 mit Flügelrad; und
- 4 zeigt eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Elektromotors bei einem personentragenden Multikopter.
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In 1 ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Elektromotor noch ohne Flügelrad. Der Elektromotor ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 und die Längsachse mit dem Bezugszeichen L bezeichnet. Der Elektromotor 1 ist - ohne Beschränkung - als Innenläufermotor ausgebildet und weist ein allseits, mit Ausnahme einer Durchführung für eine Abtriebswelle 2 geschlossenes (gekapseltes) Gehäuse 3 auf, welches Gehäuse 3 eine zylindrische Seitenwand oder Wandung 3a sowie einen oberen Deckel 3b und einen unteren Deckel 3c umfasst. In dem Gehäuse 3 ist innen bei Bezugszeichen 4 ein Rotor und außen bei Bezugszeichen 5 ein Stator angeordnet, wobei letzterer wärmeleitend von innen mit der Wandung 3a des Gehäuses 3 verbunden ist, vorzugsweise stoffschlüssig. Der Rotor 4 ist drehfest mit der Abtriebswelle 2 verbunden. Das Gehäuse 3 besteht vorzugsweise aus Metall, z.B. aus Aluminium, welches leicht ist und gute Wärmeleiteigenschaften aufweist. Außen an der Wandung 3a bzw. an dem Gehäuse 3 sind eine Anzahl von Vorsprüngen 6 vorgesehen, von den in 1 aufgrund der gewählten Darstellung nur zwei erkennbar sind. Vorzugsweise sind entsprechende Vorsprünge (oder Rippen) 6 im regelmäßigen Abstand über den Umfang des Gehäuses 3 verteilt angeordnet. Dabei sind die Vorsprünge 6 im Wesentlichen parallel zu der Abtriebswelle 2 bzw. der Längsachse L orientiert, welche Längsachse L mit einer Drehachse des Elektromotors 1 bzw. der Abtriebswelle 2 zusammenfällt.
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2 zeigt anhand einer Draufsicht mit Blickrichtung parallel zur Längsachse L (1) drei der genannten Vorsprünge oder Rippen 6. Diese sind außen an der Gehäuse-Wandung 3a angeordnet und gleichmäßig voneinander beabstandet. Vorzugsweise verbreitern sich die Vorsprünge 6 nach außen hin, sodass ein lichter Abstand A zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen 6 mit zunehmendem Abstand von der Längsachse (1) im Wesentlichen konstant bleibt. Zwischen jeweils zwei benachbarten Vorsprüngen 6 ist ein wellenförmig gefaltetes Metallblech 7 angeordnet, das sog. Wellrippen ausbildet. Diese sind im Bereich ihrer Wellenberge bei Bezugszeichen 7a vorzugsweise stoffschlüssig mit den Vorsprüngen 6 verbunden, insbesondere verlötet. Die einzelnen Rippen 7b bilden Wärmeableitelemente und sind als solche lamellenartig ausgestaltet, wobei sie sich im Wesentlichen in Richtung des Längsachse L (1) erstrecken. 2 zeigt den Blick auf die schmale (Ober-)Kante der Rippen 7b.
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Beim Betrieb des Elektromotors 1 dreht sich der Rotor 4 innerhalb des Stators 5, was zu einer Drehung der Abtriebswelle 2 und entsprechend zum Bereitstellen eines entsprechenden Abtriebs- oder Antriebsmoments führt. Dabei erwärmt sich insbesondere der Stator 5, wobei die entstehende Wärme an die Wandung 3a und von dort zu den Vorsprüngen 6 und den Wellrippen 7 abgeleitet wird (mittels Wärmeleitung). Um nun die Wärme effizient weiter abzuleiten, ist außerhalb des Gehäuses 3 an der Abtriebswelle 2 ein Flügelrad (oder Lüfterrad) 8 angeordnet ist, wie in 3 dargestellt. Dessen Flügel 8a überstreichen bei einer Drehung der Abtriebswelle, bei Betrachtung längs der Abtriebswelle, zumindest den Bereich, in welchem Bereich die Vorsprünge 6 und die Wellrippen 7 (2) angeordnet sind, um einen Kühlluftstrom entlang der Vorsprünge 6 bzw. Wellrippen 7 zu erzeugen.
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Die Flügel 8a des Flügelrads 8 sind - quer zur Längsachse L - im Anbindungsbereich an die Abtriebswelle 2 zunächst relativ dünn (schmal) ausgebildet und verbreitern sich dann in dem genannten Bereich, um dort effizient einen Kühlluftstrom (Pfeile KLS) entlang der Vorsprünge 6 und der Wellrippen 7 bzw. der einzelnen Rippen oder Wärmeableitelemente 7b (2) zu erzeugen, während der Gesamt-Luftwiderstand der Flügel 8a möglichst minimiert ist. Dies entspricht einer bestimmten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors, bei der eine Abmessung des Flügelrads in Richtung einer Erstreckung der Abtriebswelle 2- vorzugsweise mit Ausnahme des genannten Bereichs - minimiert ist. Die Flügel 8a weisen an ihrem unteren, äußeren freien Ende bei Bezugszeichen 8b einen Fortsatz auf, der die Vorsprünge 6 in Längsrichtung übergreift. Eine untere Kontur der Flügel 8a (bei Bezugszeichen 8c) ist an eine (gedachte) Außenkontur des Gehäuses 3 möglichst gut angepasst, um ungewollte Luftströmungen zu reduzieren.
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Bei Bezugszeichen 9 ist schematisch ein zusätzliches, optionales Wärme leitendes Element gezeigt, das zwischen Stator 5 und Gehäuse 3 angeordnet ist, vorzugsweise eine Heatpipe (oder ein Wärmerohr), deren eines (äußeres) Ende 9a höchst vorzugsweise außerhalb des Gehäuses 6 im Bereich des Kühlluftstroms KLS (z.B. zwischen zwei Vorsprüngen 6) angeordnet ist, während das andere Ende 9b innerhalb des Gehäuses 3 im Bereich des Stators 5 angeordnet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform kann eine Heatpipe jedoch auch direkt ober- oder unterhalb (in Lächsachsenrichtung L) des Stators 5 ausgebildet sein. Möglich ist auch, die warme Seite an der Innenseite des Gehäusedeckels 3b anzuordnen.
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Bei Bezugszeichen 10 ist schematisch ein optionales thermoelektrisches Element mit einer kalten Seite 10b und einer warmen Seite 10a gezeigt, wobei vorzugsweise die kalte Seite 10b in Richtung der Längsachse L und weg von der Wandung 3a des Gehäuses 3 angeordnet ist, während die warme Seite 10a mit dem Gehäuse 3 bzw. der Wandung 3a wärmeleitend gekoppelt ist. Alternativ kann die warme Seite 10a außerhalb des Gehäuses 3 im Bereich des Kühlluftstroms KLS angeordnet sein, was technisch aber nur mit einem an sich nachteiligen Durchbruch des Gehäuses 3 möglich wäre.
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Abschließend zeigt 4 exemplarisch die bevorzugte Verwendung des Elektromotors 1 bei einem personen- und/oder lasttragenden Multikopter 100 aus dem Betrieb der Anmelderin als Antrieb für einen Rotor (Propeller) 101. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 4 nur ein Motor 1 und nur ein Propeller 101 explizit bezeichnet. Es existieren allerdings jeweils 18 entsprechende Einheiten, wie dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011100980 A1 [0003]
- EP 1100182 A1 [0003]
- JP H06169554 A [0003]
