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Die Erfindung bezieht sich auf ein kühlungsoptimiertes Blechpaket für einen Ständer einer elektrischen Maschine, gemäß den nebengeordneten Patentansprüchen 1 und 2.
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Bei einer Kühlung am Rückschluss des Blechpaketes des Ständers über ein Gehäuse einer elektrischen Maschine besteht am Luftspalt zum Läufer immer noch eine hohe Wärmeentwicklung zum mit Permanentmagneten bestückten Läufer, wodurch ein Wirkungsgrad während eines Motorbetriebes beachtlich beeinträchtigt werden kann.
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DE 103 52 814 A1 zeigt in
1 und
2 einen Ständer
5, der mit rechteckige und dreieckige- bzw. trapezförmige gestaltete Ständerzähne 2,3 abwechselnd in Umfangrichtung ausgebildet ist, wobei die rechteckförmigen Ständerzähne
2 mit jeweils einer Spule
6 von Wicklungssträngen bestückt sind und die trapezförmigen Ständerzähne
3 unbestückt sind. Das Blechpaket
1 des Ständers ist in einem Gehäuse
8 angeordnet, wobei das Gehäuse
8 Kühlkanäle
10 aufweist.
Eine Kühlung des Blechpaketes des Ständers über ein Gehäuse einer elektrischen Maschine ist für einen mit Permanentmagneten bestückten Läufer nicht ausreichend, da keine wärmeübertragende Mittel für die Spulen am Ständer vorgesehen sind, und somit eine hohe Wärmeentwicklung an den bestückten Ständerzähnen erfolgen kann und eine hohe Wärmeentwicklung am Luftspalt zum mit Permanentmagneten bestückten Läufer vorhanden ist, wodurch bei einer hohen anliegenden Dauerlast an der elektrischen Maschine, durch eine zu hohe Wärmeentwicklung zu den Permanentmagneten am Läufer, ein Wirkungsgrad durch Feldschwächung am Läufer stark reduziert werden kann.
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US 7 884 520 B2 beschreibt einen bürstenlosen Elektromotor, bei dem am Ständer bestückte Ständerzähne
61 und unbestückte Ständerzähne
12 angeordnet sind, wobei die bestückten Ständerzähne
61 aus separaten Blechpaketen gebildet sind.
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US 2005/0258706 A1 zeigt eine elektrische Maschine
10 mit einem segmentierten Ständer
14, der in einem Gehäuse
12 integriert ist, und die Segmente des Ständers beinhalten jeweils ein Ständersegmentrückschluss
20 und einen Ständerzahn
22, wobei jeder zweite Ständerzahn mit einer Spule
24 von Wicklungssträngen A,B,C bestückt ist und jeder zweite Ständerzahn unbestückt ist.
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Ständerzähne mit einem jeweiligen Kühlungskanal sind bekannt.
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DE 198 51 439 A1 beschreibt einen Reluktanzmotor mit einer Kühlung des Ständers.
1 zeigt einen Ständer, bei dem am äußeren Umfang Zähne
4 angeordnet sind wodurch Nuten
5 gebildet sind. Der Ständer ist in einem Gehäuse
7 angeordnet. Das Gehäuse
7 dichtet die Nuten
5 ab, so dass die Nuten
5 Kanäle bilden.
Bei einem Elektromotor mit einem Permanentmagneten bestückten Läufer besteht am Luftspalt zum Läufer immer noch eine hohe Wärmeentwicklung, wodurch ein Wirkungsgrad des Elektromotors reduziert wird durch Feldschwächung der Permanentmagnete.
Bei der
2 der
DE 198 51 439 A1 sind Kühlungskanäle
12 in den Ständerzähnen
3 vorgesehen. Da Spulen von Wicklungssträngen jeweils einen Ständerzahn umschlingen, ist eine Kühlung über die Kühlungskanäle
12 mit Problemen behaftet, wobei außerdem noch ein Wirkungsgrad des Elektromotors beeinträchtigt wird durch Feldschwächung an den Ständerzähnen
3.
Des weiteren sind Nasen
14 zwischen den Ständerzähnen
3 vorgesehen, die jeweils einen Kühlungskanal
12 aufweisen. Bei einer solche Anordnung ist ein formschlüssiger Anschluss an die Spulen der Wicklungsstränge nicht vorhanden, und außerdem bilden diese Nasen
14 keine unbestückten Ständerzähne und somit keine Hilfspole. Des weiteren wird vorgeschlagen ein Rohr
13 in einer Dreiecksform zwischen den Ständerzähnen
3 anzuordnen, auch bei dieser Lösung ist ein formschlüssiger Anschluss an die Spulen der Wicklungsstränge nicht vorhanden.
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WO 2018/157242 A1 beschreibt eine Ständeranordnung mit Wärmerückgewinnung für eine elektrische Maschine. An den Ständerzähnen
14 ist jeweils eine Spule
22 angeordnet. Zwischen den Ständerzähnen
14 befinden sich Spulenaufnahmeschlitze
18. Diese Spulenaufnahmeschlitze beinhalten jeweils einen dreieckigen raumfüllenden Vorsprung
20.
Die dreieckigen Raumfüllungsprojektionen
202 können jeweils einen dreieckigen Hohlraum
204 beinhalten, wodurch ein Kühlfluid fließen kann,
5.
Auch hier sind keine wärmeübertragende Mittel für die Spulen am Ständer vorgesehen, und somit ist eine hohe Wärmeentwicklung an den Ständerzähnen zum Luftspalt vorhanden.
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DE 10 2014 223 205 A1 beschreibt einen Ständer für einen Elektromotor, bei dem eine Spule von Wicklungssträngen jeweils einen Ständerzahn umschlingt. Nuten des Ständers sind üblicherweise mit einem Isoliermaterial ausgekleidet, hier mit einem Isolierpapier
230. Auf das Isolierpapier
230 ist jeweils im Bereich
326,
322 eines jeweiligen Ständerzahns eine thermisch leitende Zwischenschicht
414,
412 angeordnet, damit eine verbesserte Ableitung einer Wärmeentwicklung der Spulen zu den Ständerzähnen gewährleistet ist, um die Spulen vor einer Überhitzung zu schützen. Durch eine solche Maßnahme wird eine hohe Erwärmung der Ständerzähne verursacht, wodurch eine hohe Erwärmung am Luftspalt zu dem mit Permanentmagneten bestückten Läufer entsteht, womit Magnetfelder am Läufer geschwächt werden, und hierdurch ein Wirkungsgrad des Elektromotors reduziert wird.
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DE 10 2011 006 680 A1 beschreibt eine Blechpaketanordnung eines elektrischen Generators. Zwischen der Wicklung
4 und dem Polschuhblechpaket
11 ist ein Verbundwerkstoff
10 angeordnet, welches ein Papier
7, ein Vlies
9 und ein Harz
8 aufweist. Dieser Verbundwerkstoff
10 dient zur Ableitung einer Wärmeentwicklung der Spulen auf die jeweiligen Polschuhblechpakete
11 zu den Polschuhblechpaketen.
Auch hier wird eine hohe Wärmeentwicklung am Luftspalt verursacht.
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DE 10 2012 023 320 A1 beschreibt einen Ständer
12 für eine elektrische Maschine, und der Ständer
12 wird mit Kühlmittel gekühlt. Am Außenumfang des Ständers sind mittig hinter jedem Ständerzahn Nuten
20 vorhanden, und in diese Nuten
20 wird jeweils ein Kühlmittelrohr einer Rohrbaugruppe
28 angeordnet.
2 zeigt eine solche Rohrbaugruppe
28, wobei die Wickelköpfe
36 der Spulen
16 von Wicklungssträngen über Wärmeleitplatten
30, die mit der Rohrbaugruppe
28 verbunden sind, gekühlt werden.
Einen formschlüssigen Anschluss der Rohrgruppe
28 am Ständer und ein formschlüssiger Anschluss der Wärmeleitplatten
30 an die Wickelköpfe
36 der Spulen
16 ist schwer durchführbar. Außerdem ist hin zum Luftspalt und zum mit Permanentmagneten bestückten Läufer immer noch eine hohe Wärmeentwicklung vorhanden.
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DE 10 2017 214 427 A1 beschreibt einen Ständer
12 für eine elektrische Maschine, wobei im Rückschluss des Ständers Kühlungskanäle
24 vorhanden sind. In diese Kühlungskanäle
24 ist jeweils ein Leitungselement
26 angeordnet, das jeweils einen ersten Kühlkanal
28 darstellt, wobei die Entkappen
20 (Lagerschilde) jeweils einen zweiten Kühlkanal
34 aufweisen, die jeweils mit dem ersten Kühlkanal verbunden ist. Auch hier ist noch eine hohe Wärmeentwicklung am Luftspalt vorhanden.
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DE 10 2013 105 553 A1 beschreibt ein elektrisches Maschinenmodul, bei dem im Rückschluss des Ständers Ständerkanäle
30 angeordnet sind, in diese Ständerkanäle
30 ist jeweils ein Kühlmittelelement
64 integriert. Endkappen 16,18 (Lagerschilde) stehen mit den Kühlmittelelementen
64 in Verbindung, wobei einer der Endkappen ein Einlassanschluss
92 und ein Auslassanschluss
94 für Kühlmittel aufweist.
Auch hier besteht noch eine hohe Wärmeentwicklung zum Luftspalt des Elektromotors, und somit zum mit Permanentmagneten bestückten Läufer, wodurch ein Wirkungsgrad des Elektromotors beachtlich beeinträchtigt werden kann.
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Für eine elektrische Maschine mit einem Permanentmagneten bestückten Läufer ist es besonders wichtig eine hohe Wärmeentwicklung, die durch Spulen von Wicklungssträngen am Ständer verursacht wird, zum Läufer so gering wie möglich zu halten, um einen hohen Wirkungsgrad während eines Betriebes einer elektrischen Maschine aufrecht zu halten.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine Wärmeentwicklung von Spulen am Ständer unmittelbar zu reduzieren, und einen Ständer für eine elektrische Maschine bereit zu stellen, womit ein hoher Wirkungsgrad während eines Betriebes mit einer hohen Belastung erreicht wird, und womit ein hoher Wirkungsgrad bei einer hohen Drehzahlspreizung erreicht wird.
Hier setzt die Erfindung ein, und es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für eine elektrische Maschine zu schaffen, womit Spulen von Wicklungssträngen an Ständerzähnen unmittelbar und effektiv gekühlt werden können bei einer elektrischen Maschine mit einem Permanentmagneten bestückten Läufer, und womit ein hoher Wirkungsgrad bei einer hohen Überlastbarkeit erzielt wird, und womit ein hoher Wirkungsgrad bei einer hohen Drehzahlspreizung erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß wird durch ein kühlungsoptimiertes Blechpaket des Ständers mit einer Anordnung von bestückten Ständerzähnen und unbestückten Ständerzähnen eine Wärmeentwicklung durch Spulen von Wicklungssträngen an bestückten Ständerzähnen einerseits unmittelbar über ein jeweiliges Wärmeleitmittelband und über einen jeweiligen unbestückten Ständerzahn zum Rückschluss des Ständers und zum Gehäuse der elektrischen Maschine geleitet, und das Gehäuse wird durch Kühlmittel gekühlt, wodurch eine Wärmeentwicklung am Luftspalt zum Läufer deutlich reduziert ist, und erfindungsgemäß beinhalten die unbestückten Ständerzähne andererseits jeweils einen Kühlungskanal, wodurch Kühlmittel fließen kann, womit eine noch effektivere unmittelbare Kühlung der Spulen von Wicklungssträngen der bestückten Ständerzähne bewirkt wird.
Ein derartig ausgebildeter Ständer einer elektrischen Maschine findet breite Anwendung und kommt unter anderem bei Elektrofahrzeugen zur Anwendung, wobei ein solcher Ständer sich in eine jede aktuelle Technologie integrieren lässt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
- 1 bis 4 in axialer Draufsicht schematische Darstellungen vom Blechpaket des Ständers einer elektrischen Maschine.
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1 zeigt in axialer Draufsicht eine Darstellung vom kühlungsoptimierten Blechpaket eines Ständers einer elektrischen Maschine mit einem Permanentmagneten bestückten Läufer, wobei der Läufer nicht dargestellt ist.
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Ein Ständer und ein Läufer der elektrischen Maschine sind derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass der Ständer 1 bestückte Ständerzähne 2 und unbestückte Ständerzähne 3 (Hilfspole) beinhaltet, und der Läufer Permanentmagnete und Läuferzähne aufweist, wobei die bestückten Ständerzähne jeweils von einer Spule 4 von Wicklungssträngen umschlungen sind. Die unbestückten Ständerzähne 3 (Hilfspole) besitzen am Luftspalt eine Breite, die geringer gehalten ist wie eine Breite der bestückten Ständerzähne und breiter gehalten ist wie eine halbe Breite der bestückten Ständerzähne 2 am Luftspalt. Die Hilfspole 3 sind erforderlich, um einen hohen Wirkungsgrad bei einer hohen Drehzahlspreizung bei einer elektrischen Maschine zu erzielen, somit besteht die elektrische Maschine aus einem Permanentmagnetmotor und aus einem Reluktanzmotor.
Die bestückten Ständerzähne bilden vorzugsweise separate Blechpakete, und bevor die Ständerzähne 2 mittels einer Verzahnung in das Blechpaket des Ständers eingesetzt werden, wird zuvor jeweils eine Spule von Wicklungssträngen auf einen jeweiligen Ständerzahn 2 angeordnet.
Für einen formschlüssigen Anschluss der Spulen 4 an die unbestückten Ständerzähne 3 wird zuvor erfindungsgemäß ein flexibles Wärmeleitmittelband 5 von außen um eine jeweilige Spule der Ständerzähne 2 gelegt, und die bestückten Ständerzähne werden mit einer Spannkraft am Ständer angeordnet. Das Wärmeleitmittelband 5 liegt mit einer vollen Breite der Spulen 4 formschlüssig an einer jeweiligen Spule und jeweils an den unbestückten Ständerzähnen 3. Das Wärmeleitmittelband dient gleichzeitig als Isolationsmittel für die Spulen zu den unbestückten Ständerzähnen und ist derart gestaltet, dass es in einer Richtung der Höhe leicht verformbar ist, und sich nach einem Zusammendrücken wieder ausdehnt, wobei in einer Breite das Wärmeleitmittelband 5 stabil ist.
Das Blechpaket des Ständers 1 ist mit einem Gehäuse 9 der elektrischen Maschine formschlüssig verbunden, somit kann über ein jeweiliges Wärmeleitmittelband 5 und über einen jeweiligen unbestückten Ständerzahn 3 die Spulen 4 von Wicklungssträngen unmittelbar über das Gehäuse der elektrischen Maschine gekühlt werden, und eine Wärmeentwicklung am Luftspalt zum mit Permanentmagneten bestückten Läufer kann hierdurch deutlich reduziert werden, durch eine erfindungsgemäße Ableitung einer Wärmeentwicklung der Spulen 4 über ein Wärmeleitmittelband 5 zu den unbestückten Ständerzähnen 3 und zum Rückschluss des Ständers und zum Gehäuse 9 der elektrischen Maschine, wobei die unbestückten Ständerzähne 3 am Rückschluss des Ständers volumenmäßig größer gehalten sind wie die bestückten Ständerzähne 2 und am Luftspalt in einer Breite kleiner gehalten sind wie die bestückten Ständerzähne 2, wobei eine Wärmeentwicklung der Spulen 4 zu den unbestückten Ständerzähnen geleitet wird, und die bestückten Ständerzähne lediglich eine geringe Erwärmung aufweisen, und die unbestückten Ständerzähne flächenmäßig unter ein Drittel am Luftspalt, in einer Umfangrichtung des Luftspaltes, beträgt, ist eine Wärmeentwicklung zum mit Permanentmagneten bestückten Läufer deutlich reduziert.
Die unbestückten Ständerzähne der 1 können auch jeweils mit einem Kühlungskanal 6 entsprechend der 2 ausgebildet sein.
Die bestückten Ständerzähne 2 und die unbestückten Ständerzähne 3 der 1 können auch als Einzelelemente ausgebildet sein, entsprechend der 2., wobei keine Kühlungskanäle in den unbestückten Ständerzähnen vorhanden sind.
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2 zeigt eine Auslegung mit Kühlungskanälen.
Ein jeweiliger unbestückter Ständerzahn 3' beinhaltet jeweils einen kreisrunden Kühlungskanal 6, wodurch Kühlmittel durchfließen kann.
Vorzugsweise befindet sich in den Kühlungskanälen 6 jeweils ein Rohr 7, das aus Kupfer bestehen kann. Auf einer einen Seite des Elektromotors können diese Rohre 7 durch ein Lagerschild des Elektromotors geführt sein, und auf einer anderen Seite des Elektromotors, wo die Spulen 4 der Wicklungsstränge verdrahtet sind, können die Rohre 7 seitlich aus dem Motorengehäuse geführt sein.
Oder die Rohre 7 werden U-förmig gebogen und jeweils in zwei Kühlungskanäle eingeführt, wobei die zwei offenen Enden in ein Lagerschild greifen, und das eine offene Ende in ein im Lagerschild integrierten Einlasskanal greift und das andere offene Ende in ein im Lagerschild integrierten Auslasskanal greift, und von außen am Lagerschild ein Anschluss für den Einlasskanal und ein Anschluss für den Auslasskanal vorhanden ist.
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Oder die Rohre 7 der Kühlungskanäle 6 können im Elektromotor in Reihe geschaltet sein, und einen Eingang und einen Ausgang für Kühlmittel aufweisen, wobei der Eingang und der Ausgang aus dem Motorgehäuse geführt sind.
Oder die einzelnen Rohre 7 sind mit einer einen Seite an eine Kühlmitteleinlasseinrichtung angeschlossen und mit einer anderen Seite an eine Kühlmittelauslasseinrichtung angeschlossen, wobei diese Ausführung eine gleichmäßige Kühlung des Blechpaketes des Ständers gewährleistet.
Die Rohre 7 können auch aus einem anderen Material bestehen, oder die Rohre sind als wärmeleitende flexible Schläuche ausgebildet, wobei das Rohr 7 einen stabilen biegsamen Innenkern aufweist und eine flexible Außenhaut aufweist, die sich zusammendrücken lässt und sich wieder ausdehnt.
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Der Ständer 1' ist vorzugsweise aus Einzelelementen 8,8' von Ständerzähnen 2',3' gebildet, wobei das eine Element 8 jeweils eine Spule 4 von Wicklungssträngen trägt und das andere daneben liegende Element 8 beinhaltet jeweils einen kreisrunden Kühlungskanal 6.
Auch hier ist jeweils für einen formschlüssigen Anschluss an den Spulen und an den unbestückten Ständerzähnen erfindungsgemäß ein flexibles Wärmeleitmittelband 5 um eine jeweilige Spule 4 der Ständerzähne 2' gelegt. Eine Wirkungsweise des Wärmeleitmittelbandes ist die gleiche wie zuvor zu der 1 beschrieben. Alternativ kann auch für das Wärmeleitmittelband formschlüssig zwischen den Spulen und den unbestückten Ständerzähnen ein wärmeableitendes Medium angeordnet sein, das vorzugsweise in einer flüssigen Form zwischen den Spulen und den unbestückten Ständerzähnen angeordnet wird und danach aushärtet.
Eine Wärmeentwicklung der Spulen 4 wird hier unmittelbar an den unbestückten Ständerzähnen 3' reduziert, wobei die Kühlungskanäle 6 mit Minusgraden betrieben werden können, und somit am Luftspalt zum Läufer eine niedrigere Temperatur vorhanden ist wie eine Umgebungstemperatur an der elektrischen Maschine.
Bei einer Anordnung der Elemente 8,8' in einem Gehäuse 9 der elektrischen Maschine, werden die Elemente 8,8' für einen Ständer, zu einem Kreis zusammen gefügt und mit einer Spannkraft im Gehäuse 9 angeordnet.
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Ein Ständer kann auch aus einem einheitlichen Blechpaket bestehen.
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3 zeigt einen solchen Ständer 10. Die Spulen 4 werden maschinell auf die Ständerzähne 11 aufgespult. Um die Spulen 4 der bestückten Ständerzähne 11 wird maschinell jeweils ein Wärmeleitmittelband 5' gelegt. Das Wärmeleitmittelband ist derart ausgebildet, dass es in der Richtung der Höhe zusammen gepresst ist, und nach dem Einbringen um die Spulen dehnt sich das Wärmeleitmittelband nach einer bestimmten Zeit in dieser Richtung wieder aus, und somit liegt das Wärmeleitmittelband formschlüssig an den Spulen 4 und an den unbestückten Ständerzähnen 12. Eine Kühlung der Spulen 4 und des Ständers erfolgt entsprechend wie nach der 1 beschrieben.
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4 zeigt eine Auslegung, wo die unbestückten Ständerzähne 12' jeweils einen Kühlungskanal 6 aufweisen. Der Ständer 10' besteht aus einem einheitlichen Blechpaket. Die Spulen 4 werden maschinell an den bestückten Ständerzähnen angeordnet. Das Wärmeleitmittelband 5' wird entsprechend der Beschreibung der 3 maschinell um die Spulen angeordnet. Die Kühlungskanäle der unbestückten Ständerzähne sind entsprechend der 2 ausgebildet und werden entsprechend so betrieben.
Zwischen den Spulen 4 und den unbestückten Ständerzähnen kann alternativ erfindungsgemäß jeweils ein wärmeableitendes Medium angeordnet sein, wobei das Medium jeweils formschlüssig mit einer jeweiligen Spule 4 und mit einem jeweiligen unbestückten Ständerzahn verbunden ist, wobei das wärmeableitende Medium gleichzeitig als Isolationsmittel dient.
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Die Kühlungskanäle 6 können auch mit Minusgraden betrieben werden, womit ein sehr hoher Wirkungsgrad bei einer sehr hohen Überlastbarkeit mit einer derartigen elektrischen Maschine erzielt wird, und durch eine entsprechende Ausbildung des Ständers und eines Läufers, ein hoher Wirkungsgrad bei einer hohen Drehzahlspreizung erreicht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10141393 A1 [0002]
- DE 102009047215 A1 [0002]
- DE 102013222697 A1 [0002]
- DE 10352814 A1 [0004]
- US 7884520 B2 [0005]
- US 2005/0258706 A1 [0006]
- DE 19851439 A1 [0008]
- WO 2018/157242 A1 [0009]
- DE 102014223205 A1 [0010]
- DE 102011006680 A1 [0011]
- DE 102012023320 A1 [0012]
- DE 102017214427 A1 [0013]
- DE 102013105553 A1 [0014]
