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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator ein Statorpaket aufweist, an dem eine Statorwicklung angeordnet ist, und wobei der Rotor ein Rotorpaket aufweist, an dem eine Rotorwicklung angeordnet ist.
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Aus dem Stand der Technik sind derartigen Elektromotoren mit einem Stator und einem Rotor bekannt, bei denen der Stator ein Statorpaket aufweist, an dem eine Statorwicklung angeordnet ist, und bei denen der Rotor ein Rotorpaket aufweist, an dem eine Rotorwicklung angeordnet ist. Die Stator- und Rotorwicklungen sind in der Regel als Kupferwicklungen ausgebildet und von zugeordneten Blechpaketen, die jeweils das Stator- und Rotorpaket ausbilden, über geeignete Isolierkörper elektrisch getrennt. Als Isolierkörper können z.B. Einlegepapiere oder Epoxidharz-Beschichtungen Anwendung finden. Der Stator wird hierbei üblicherweise in Segmenten oder als Komplettschnitt in ein Gehäuse eingebaut, das gleichzeitig eine entsprechende Außenhaut des Elektromotors darstellt. Im Betrieb eines derartigen Elektromotors entsteht innerhalb des Elektromotors in der Regel eine vergleichsweise heiße Motorluft.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator ein Statorpaket aufweist, an dem eine Statorwicklung angeordnet ist, und wobei der Rotor ein Rotorpaket aufweist, an dem eine Rotorwicklung angeordnet ist. Im Statorpaket ist mindestens ein Kühlkanal zur Rotorkühlung ausgebildet, um eine Zufuhr eines durch den mindestens einen Kühlkanal fließenden Kühlluftstroms vom Stator zum Rotor zu ermöglichen.
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Durch die Bereitstellung des mindestens einen Kühlkanals im Statorpaket wird dem Stator des erfindungsgemäßen Elektromotors eine Kühlfunktion zugeordnet, die eine Zirkulation von Motorinnenluft ermöglicht und somit zur Kühlung des Rotors beiträgt. Vorteilhafterweise kann hierbei durch eine geeignete Ausgestaltung des Statorpakets eine Ausbildung von einem oder mehreren Kühlkanälen zur Zufuhr eines durch diese fließenden Kühlluftstroms neben weiteren im Statorpaket ausgebildeten Geometrien vorgesehen werden, die z.B. zur Kühlwasserführung, Befestigung und Dichtung des Elektromotors insgesamt vorgesehen sein können.
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Bevorzugt bildet der mindestens eine Kühlkanal mit dem Rotor einen luftführenden Zirkulationskanal aus, in dem aus dem Rotor austretende, warme Luft in Kühlluft zur Rotorkühlung abgekühlt wird.
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Somit bildet der mindestens eine Kühlkanal mit dem Rotor vorteilhafterweise einen luftführenden Zirkulationskreis aus, in dem aus dem Rotor austretende, warme Luft rezirkulierend durch den Kühlkanal im Stator geführt und abgekühlt wird. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise eine Zirkulation der Motorinnenluft im erfindungsgemäßen Elektromotor erreicht werden. Diese Zirkulation erfolgt bevorzugt derart, dass warme Luft vom Rotor zum Stator geleitet wird, um in diesem gekühlt zu werden und anschließend als Kühlluft vom Stator wieder dem Rotor zugeführt zu werden.
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Vorzugsweise tritt die warme Luft aus einer ersten Stirnseite des Rotors aus und die Kühlluft zur Rotorkühlung wird dem Rotor an einer zweiten Stirnseite zugeführt, die der ersten Stirnseite in Längsrichtung des Rotors gegenüberliegt.
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Somit kann ein Abführen der warmen Luft und ein Zuführen der Kühlluft an einfach und unkompliziert zugänglichen Bereichen des Rotors erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens ein Luftkanal im Rotor ausgebildet, wobei zwischen dem mindestens einen Luftkanal und dem mindestens einen Kühlkanal eine fluidische Verbindung ausgebildet ist.
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Somit kann ein robuster und zuverlässiger Zirkulationskanal zur Luftführung in dem erfindungsgemäßen Elektromotor ausgebildet werden.
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Bevorzugt ist der mindestens eine Luftkanal im Rotorpaket ausgebildet.
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Somit kann eine effiziente Kühlung des Rotors durch ein Durchleiten der Kühlluft durch das Rotorpaket erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Rotor eine luftverwirbelnde Geometrie auf, die dazu ausgebildet ist, aus dem Rotor austretende, warme Luft in den mindestens einen Kühlkanal einzuleiten. Somit kann sicher und zuverlässig ein Ableiten der warmen Luft vom Rotor in Richtung des mindestens einen Kühlkanals erreicht werden. Insbesondere kann durch die luftverwirbelnde Geometrie eine Druckerhöhung im Motorinnenraum erreicht werden, die eine effiziente Zirkulationsströmung im Elektromotor bewirkt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die luftverwirbelnde Geometrie eine Mehrzahl von Lüfterschaufeln auf, die am Rotor angeordnet sind.
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Somit kann auf einfache Art und Weise die luftverwirbelnde Geometrie ausgebildet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Mehrzahl von Lüfterschaufeln am Rotor befestigt, insbesondere an das Rotorpaket angeformt.
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Somit kann eine unkomplizierte und kostengünstige luftverwirbelnde Geometrie bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Mehrzahl von Lüfterschaufeln an einer ringförmigen Stützstruktur angeordnet und bilden mit der ringförmigen Stützstruktur ein Lüfterrad aus. Das Lüfterrad ist am Rotor angeordnet.
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Somit kann auf einfache Art und Weise auch eine Nachrüstung eines vorgefertigten Rotors erfolgen, wobei ein vergleichsweise kostengünstiges Lüfterrad Anwendung findet.
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Bevorzugt ist im Statorpaket mindestens ein weiterer Kühlkanal zur Statorkühlung ausgebildet, wobei der mindestens eine weitere Kühlkanal zur Förderung einer Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser, vorgesehen ist.
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Somit kann eine entsprechende, dem Stator zugeordnete Kühlfunktion weiter verbessert und dementsprechend effizienter ausgestaltet werden.
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Figurenliste
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Halbschnitt durch einen beispielhaften Elektromotor mit einem Rotor und einem Stator, dem eine Kühlfunktion zugeordnet ist,
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt des Elektromotors von 1, mit einem im Stator vorgesehenen Kühlkanal gemäß einer Ausführungsform,
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt des Stators des Elektromotors von 1 und 2,
- 4 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts des Rotors des Elektromotors von 1 und 2, mit einer luftverwirbelnden Geometrie und Luftkanälen gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 5 eine perspektivische Ansicht des Rotors von 4 ohne die Luftkanäle, und
- 6 eine perspektivische Ansicht des Rotors von 4 mit einer luftverwirbelnden Geometrie gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den Figuren werden Elemente mit gleicher oder vergleichbarer Funktion mit identischen Bezugszeichen versehen und nur einmal genauer beschrieben.
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1 zeigt einen beispielhaften Elektromotor 100 mit einem Stator 110 und einem Rotor 120. Illustrativ weist der Stator 110 ein Statorpaket 111 auf, an dem eine Statorwicklung 114 angeordnet ist, und der Rotor 120 weist ein Rotorpaket 126 auf, an dem eine Rotorwicklung 130 angeordnet ist. Die Statorwicklung 114 und die Rotorwicklung 130 sind bevorzugt jeweils als Mehrphasenwicklung ausgebildet.
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Der Elektromotor 100 hat illustrativ ein Motorgehäuse 102 mit einem - in 1 unteren - Gehäuseflansch 104 und einem - in 1 oberen - Gehäuseflansch 105. Der untere und obere Gehäuseflansch 104, 105 sind beispielhaft an axial gegenüberliegenden Stirnseiten 129, 128 des Statorpakets 111 angeordnet und vorzugsweise über geeignete Befestigungsmittel 108, z.B. Schrauben, mit diesem verbunden.
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Im oberen Gehäuseflansch 105 ist bevorzugt ein Phasenausgangsbereich 140 vorgesehen. Des Weiteren ist im oberen Gehäuseflansch 105 bevorzugt ein Bereich 152 für entsprechende - in 1 obere - Wickelköpfe der Statorwicklung 114 sowie der Rotorwicklung 130 vorgesehen. Analog hierzu ist im unteren Gehäuseflansch 104 ein Bereich 154 für - in 1 untere - Wickelköpfe der Statorwicklung 114 sowie der Rotorwicklung 130 vorgesehen. Die Bereiche 140, 152, 154 sind nicht weiter detailliert, sondern zwecks Übersichtlichkeit und Klarheit der Zeichnung stark vereinfacht dargestellt. Allerdings wird darauf hingewiesen, dass eine geeignete Ausbildung der Bereiche 140, 152, 154 dem Fachmann hinreichend bekannt ist und nicht Teil der vorliegenden Erfindung als solches ist, so dass zwecks Knappheit und Einfachheit der Beschreibung ebenfalls auf eine weitere, eingehende Beschreibung der Bereiche 140, 152, 154 verzichtet werden kann.
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Illustrativ weist der Rotor 120 eine Rotorwelle 124 auf, die an der - in 1 unteren - Stirnseite 129 des Rotors 120 beispielhaft über ein Wälzlager 123 im unteren Gehäuseflansch 104 drehbar gelagert ist. Im Bereich einer - in 1 oberen - Stirnseite 128 des Rotors 120 ist die Rotorwelle 124 illustrativ über ein Wälzlager 122 im oberen Gehäuseflansch 105 drehbar gelagert.
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Zwischen dem Rotor 120 und dem Stator 110 ist beispielhaft ein Luftspalt 115 ausgebildet. Der Stator 110 hat bevorzugt eine Vielzahl von Statorzähnen 112 an denen die Statorwicklung 114 angeordnet ist, z.B. mittels Aufwickeln. Die Statorzähne 112 sind auf dem Fachmann bekannte Art und Weise am Statorpaket 111 ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist im Statorpaket 111 eine Mehrzahl von Kühlkanälen 160 ausgebildet. Bevorzugt ist im Statorpaket 111 jedoch mindestens ein Kühlkanal ausgebildet, der in 1 exemplarisch mit dem Bezugszeichen 161 gekennzeichnet ist und nachfolgend stellvertretend für die Mehrzahl von Kühlkanälen 160 im Detail beschrieben wird. Dieser mindestens eine Kühlkanal 161 ist vorzugsweise zur Rotorkühlung ausgebildet, um eine Zufuhr eines durch den Kühlkanal 161 fließenden Kühlluftstroms 195 vom Stator 110 zum Rotor 120 zu ermöglichen. Somit kann der Rotor 120 durch einen vom Stator 110 kommenden Kühlluftstrom effizient gekühlt werden.
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Bevorzugt bildet der Kühlkanal 161 mit dem Rotor 120 einen luftführenden Zirkulationskanal, in dem aus dem Rotor 120 austretende, warme Luft, die exemplarisch mit dem Bezugszeichen 190 gekennzeichnet ist, in Kühlluft, die exemplarisch mit dem Bezugszeichen 195 gekennzeichnet ist, zur Rotorkühlung abgekühlt wird. Hierbei wird bevorzugt die warme Luft 190, die illustrativ an der oberen Stirnseite 128 des Rotors 120 aus dem Rotor 120 austritt, dem Stator 110 zugeführt, während die Kühlluft 195 zur Rotorkühlung dem Rotor 120 illustrativ an der unteren Stirnseite 129 zugeführt wird, die der oberen Stirnseite 128 in Längsrichtung des Rotors 120 gegenüberliegt. Somit bildet der Kühlkanal 161 mit dem Rotor 120 einen luftführenden Zirkulationskreis aus, in dem die aus dem Rotor 120 austretende, warme Luft 190 rezirkulierend durch den Kühlkanal 161 im Stator 110 geführt und abgekühlt wird.
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Um ein Zuführen der warmen Luft 190 aus der oberen Stirnseite 128 des Rotors 120 zum Stator 110 zu ermöglichen, weist der Rotor 120 gemäß einer Ausführungsform eine luftverwirbelnde Geometrie 170 auf, die dazu ausgebildet ist, die aus dem Rotor 120 austretende warme Luft 190 in den Kühlkanal 161 einzuleiten. Die luftverwirbelnde Geometrie 170 wird untenstehend bei 4 bis 6 weiter beschrieben.
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Um das Einleiten der warmen Luft 190 in den mindestens einen Kühlkanal 161 zu gewährleisten, ist der mindestens eine Kühlkanal 161 bevorzugt über einen im oberen Gehäuseflansch 105 ausgebildeten Zuführkanal 162 mit dem Wickelkopfbereich 152 verbunden. Analog hierzu ist der Kühlkanal 161 über einen Zuführkanal 166, der illustrativ im unteren Gehäuseflansch 104 ausgebildet ist, mit dem Wickelkopfbereich 154 verbunden, der im unteren Gehäuseflansch 104 ausgebildet ist. Die Zuführkanäle 162, 166 sind illustrativ über einen Hauptkanal 164 miteinander verbunden, der im Statorpaket 111 des Stators 110 den Kühlkanal 161 ausbildet.
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Darüber hinaus ist der Elektromotor 100 gemäß einer Ausführungsform ebenfalls über weitere Kühlfunktionen kühlbar. Illustrativ ist der Elektromotor 100 mittels einer Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser, kühlbar, die dem Elektromotor 100 beispielhaft über eine Zuleitung 106 zuführbar ist.
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2 zeigt einen Ausschnitt des Elektromotors 100 von 1 mit dem Stator 110, zur Verdeutlichung des in dem Statorpaket 111 ausgebildeten Kühlkanals 161, der den Hauptkanal 164 aufweist. Dieser geht, wie bei 1 beschrieben, im unteren Gehäuseflansch 104 in den Zuführkanal 166 und im oberen Gehäuseflansch 105 in den Zuführkanal 162 über. Darüber hinaus verdeutlicht 2 das beispielhaft als Schraube ausgeführte Befestigungsmittel 108, das den oberen Gehäuseflansch 105, das Statorpaket 111 und den unteren Gehäuseflansch 104 miteinander verbindet, sowie die Zuführleitung 106 zum Zuführen einer Kühlflüssigkeit.
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Gemäß einer Ausführungsform ist im Statorpaket 111 mindestens ein weiterer Kühlkanal 116 ausgebildet. Dieser dient im Gegensatz zu der Mehrzahl von Kühlkanälen 160 zur Statorkühlung. Hierbei dient der mindestens eine weitere Kühlkanal 116 bevorzugt zur Förderung einer Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser, die z.B. über die Zuführleitung 106 dem Elektromotor 100 zugeführt wird.
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Darüber hinaus verdeutlicht 2 beispielhaft neben dem Kühlkanal 161 einen weiteren Kühlkanal 163 zur Rotorkühlung. Dieser zusätzliche Kühlkanal 163 ist hinsichtlich seiner Funktionalität und seines prinzipiellen Aufbaus bevorzugt zumindest im Wesentlichen identisch aufgebaut wie der Kühlkanal 161, sodass auf eine eingehende Beschreibung hiervon zwecks Einfachheit und Knappheit der Beschreibung verzichtet werden kann.
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3 zeigt einen Ausschnitt des Stators 110 von 1 und 2, insbesondere einen Ausschnitt des Statorpakets 111 des Stators 110, mit den Statorzähnen 112 von 1. Hierbei wird illustrativ eine beispielhafte Ausgestaltung des bevorzugt als Blechpaket ausgebildeten Statorpakets 111, und insbesondere ein bevorzugter Blechschnitt dieses Blechpakets, verdeutlicht.
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Exemplarisch weist das Statorpaket 111 die beiden Kühlkanäle 161, 163 der Mehrzahl von Kühlkanälen 160 von 2 auf, sowie den in 2 gezeigten weiteren Kühlkanal 116 zur Förderung einer Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser, sowie einen beispielhaften zweiten weiteren Kühlkanal 116 zur Förderung einer Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser. Darüber hinaus ist das Statorpaket 111 illustrativ mit zwei Durchgangsöffnungen 119 versehen. Diese dienen zur Durchführung der Befestigungsmittel 108, insbesondere von Schrauben, zur Befestigung des oberen Gehäuseflanschs 105 und des unteren Gehäuseflanschs 104 von 2 am Statorpaket 111 zur Ausbildung des Gehäuses 102 von 2.
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4 zeigt den Rotor 120 von 1 mit dem Rotorpaket 126 und der luftverwirbelnden Geometrie 170. Das Rotorpaket 126 ist bevorzugt an der Rotorwelle 124 befestigt, bevorzugt angeformt oder einstückig mit dieser ausgebildet.
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Insbesondere verdeutlicht 4 eine Ansicht der Stirnseite 128 des Rotors 120, an der eine Mehrzahl von Rotorschenkeln 125 sichtbar ist. An der Mehrzahl von Rotorschenkeln 125 ist illustrativ die Rotorwicklung 130 von 1 angeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens ein Luftkanal 182 im Rotor 120 ausgebildet, illustrativ eine Mehrzahl von Luftkanälen 180. Hierbei ist zwischen dem mindestens einen Luftkanal 182 und dem Kühlkanal 161 von 1 bis 3 vorzugsweise eine fluidische Verbindung ausgebildet. Beispielsweise wird die fluidische Verbindung von den Zuführkanälen 162, 166 von 1 und 2 gebildet.
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Wie aus 4 ersichtlich, ist der mindestens eine Luftkanal 182 im Rotorpaket 126 ausgebildet. Illustrativ ist in jedem der Mehrzahl von Rotorschenkeln 125 des Rotorpakets 126 ein entsprechend zugeordneter Luftkanal ausgebildet, wobei zwecks Einfachheit und Übersichtlichkeit der Zeichnung lediglich einer der Luftkanäle in einem mit dem Bezugszeichen 127 gekennzeichneten Rotorschenkel der Mehrzahl von Rotorschenkeln 125 gesondert mit dem Bezugszeichen 182 gekennzeichnet ist.
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Darüber hinaus ist die luftverwirbelnde Geometrie 170 gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer Mehrzahl von Lüfterschaufeln ausgebildet, von denen hier wiederum zwecks Einfachheit und Übersichtlichkeit der Zeichnung ebenfalls lediglich eine einzelne Lüfterschaufel mit dem Bezugszeichen 172 gekennzeichnet ist. Die Mehrzahl von Lüfterschaufeln 172 ist vorzugsweise am Rotor 120 angeordnet. Bevorzugt ist die Mehrzahl von Lüfterschaufeln 172 unmittelbar am Rotor 120 befestigt, insbesondere an das Rotorpaket 126 bzw. an die Mehrzahl von Rotorschenkeln 125 angeformt. Illustrativ sind die Lüfterschaufeln der Mehrzahl von Lüfterschaufeln 172 an der Stirnseite 128 des Rotors 120 angeordnet, können alternativ oder zusätzlich hierzu auch an der Stirnseite 129 von 1 angeordnet sein.
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5 zeigt den Rotor 120 von 4 mit dem Rotorpaket 126, das die Mehrzahl von Rotorschenkeln 125 aufweist und mit der Rotorwelle 124 und der Motorwicklung 130 versehen ist. Darüber hinaus weist der Rotor 120, wie bei 4 beschrieben, die luftverwirbelnde Geometrie 170 mit der Mehrzahl von Lüfterschaufeln 172 auf.
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Im Gegensatz zu 4 weist der Rotor 120 in 5 jedoch nicht die Luftkanäle 182 von 4 auf. In diesem Fall erfolgt eine Luftführung z.B. im Luftspalt 115 von 1 oder an freien Stellen, d.h. nicht von der Rotorwicklung 130 und der Mehrzahl von Rotorschenkeln 125 belegten Stellen, im Rotor 120.
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6 zeigt den Rotor 120 von 4 mit den Luftkanälen 182 und der luftverwirbelnden Geometrie 170, die die Mehrzahl von Lüfterschaufeln 172 aufweist. Im Gegensatz zu 4 sind die Lüfterschaufeln 172 der Mehrzahl von Lüfterschaufeln gemäß einer weiteren Ausführungsform jedoch nicht unmittelbar am Rotorpaket 126 befestigt, sondern vielmehr an einer ringförmigen Stützstruktur 175.
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Die ringförmige Stützstruktur 175 bildet mit der Mehrzahl von Lüfterschaufeln 172 bevorzugt ein Lüfterrad 174 aus, das am Rotor 120 angeordnet ist. Hierbei weist die ringförmige Stützstruktur 175 illustrativ eine innere Öffnung 178 auf, durch die die Rotorwelle 124 des Rotors 120 durchgreift.
