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Die Erfindung betrifft eine Statoranordnung für eine Elektromaschine.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Statoranordnung für eine Elektromaschine bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
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Eine Statoranordnung für eine Elektromaschine weist ein Statorgehäuse, einen Statorkern, eine Wicklungsanordnung, ein Spaltrohr und ein Dichtungsträgerformteil auf, welches Statorgehäuse einen Statorgehäusedeckelabschnitt aufweist, welches Dichtungsträgerformteil eine radial innere Aussparung definiert, welches Dichtungsträgerformteil mit dem Spaltrohr durch eine Klebeverbindung verbunden ist, und welches Dichtungsträgerformteil mindestens einen Dichtungssitz auf der radial inneren Seite aufweist, in welchem Dichtungssitz ein Dichtelement vorgesehen ist, welcher Statorgehäusedeckelabschnitt sich in die innere Aussparung erstreckt, und welches Dichtelement sowohl Kontakt zum Dichtungsträgerformteil als auch zum Statorgehäusedeckelabschnitt hat.
Die Klebeverbindung ermöglicht prozesssicher eine Verbindung zwischen dem Spaltrohr und dem Dichtungsträgerformteil, und das Dichtungsträgerformteil ermöglicht eine gute Dichtelement-Verbindung mit dem Statorgehäusedeckelabschnitt und kann mit geringen Toleranzen gefertigt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Klebeverbindung zumindest abschnittsweise zwischen der radial inneren Seite des Spaltrohrs und dem Dichtungsträgerformteil vorgesehen. Eine solche Klebeverbindung ermöglicht sowohl die Aufnahme radialer als auch axialer Kräfte.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Dichtungsträgerformteil einen Kragen auf, welcher sich auf eine axiale Seite des Spaltrohrs erstreckt. Dies ermöglicht zum einen bei der Montage einen axialen Anschlag, und zum anderen kann die Verklebungsfläche ausgeweitet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Klebeverbindung zumindest abschnittsweise zwischen der axialen Seite des Spaltrohrs und dem Kragen vorgesehen. Bei einer Statoranordnung mit Flüssigkeitskühlung kann durch diese Verklebung das Kühlmittel zumindest bereichsweise vom axialen Ende des Spaltrohrs ferngehalten werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Dichtelement als Werkstoff ein Elastomer auf, insbesondere Ethylen-Acrylat-Kautschuk oder Fluorkarbon-Kautschuk. Elastomere ermöglichen den Aufbau einer elastischen Anpresskraft des Dichtelements und somit eine vergleichsweise dichte Abdichtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Dichtelement ringförmig ausgebildet. Eine ringförmige Ausbildung erleichtert die Montage und die Abdichtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Dichtelement ausgewählt aus der Dichtelementgruppe bestehend aus:
- - O-Ring,
- - Dichtlippe,
- - Ring mit ovalem Querschnitt,
- - Delta-Ring,
- - Quadring,
- - Ring mit vieleckigem Querschnitt, und
- - Lamellendichtung.
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Diese Dichtelemente ermöglichen eine gute Abdichtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Dichtungsträgerformteil mindestens zwei Dichtungssitze auf der radial inneren Seite und mindestens zwei den Dichtungssitzen zugeordnete Dichtelemente auf. Durch eine Mehrzahl von Dichtelementen kann die Abdichtung verbessert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Statorgehäusedeckelabschnitt eine Einführfase auf, um bei der Montage das Einführen des Statorgehäusedeckelabschnitts in die Aussparung zu erleichtern. Die Prozesssicherheit bei der Montage kann erhöht werden, und die Gefahr eines ungewollten Verschiebens oder Beschädigens der Dichtelemente wird verringert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Spaltrohr einen Liner oder eine eigenstabile Hülse auf. Beide Varianten ermöglichen eine gute Abdichtung. Der Liner kann dünner hergestellt werden als die eigenstabile Hülse, und die eigenstabile Hülse kann mit höherer Genauigkeit hergestellt werden als der Liner.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Statoranordnung zwei Dichtungsträgerformteile auf, und das Spaltrohr ist auf beiden axialen Seiten mit einem der Dichtungsträgerformteile verklebt. Dies ermöglicht eine gute Abdichtung der Statoranordnung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat eine Elektromaschine eine solche Statoranordnung und eine Rotoranordnung. Eine solche Elektromaschine kann vielfältig eingesetzt werden.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt
- 1 eine schematisch dargestellte Elektromaschine in einem Längsschnitt,
- 2 die Elektromaschine von 1 in einem Teilquerschnitt entlang einer Schnittlinie II - II von 1,
- 3 eine Kühlvorrichtung mit der Elektromaschine von 1,
- 4 in einem Längsschnitt die Elektromaschine von 1 mit einem Dichtungsträgerformteil,
- 5 ein Detail V von 4,
- 6 eine alternative Ausführungsform zu 5, und
- 7 eine Draufsicht auf das Dichtungsträgerformteil.
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Im Folgenden sind gleiche oder gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden üblicherweise nur einmal beschrieben. Die Beschreibung ist figurenübergreifend aufeinander aufbauend, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
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1 zeigt eine Elektromaschine 10 im Längsschnitt, und 2 zeigt einen Teilquerschnitt entlang der Schnittlinie II-II von 1.
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Die Elektromaschine 10 hat eine Statoranordnung 20 und eine Rotoranordnung 50, welche durch einen Luftspalt 49 voneinander getrennt sind. Die Statoranordnung 20 ist als Außenstatoranordnung und die Rotoranordnung 50 als Innenrotoranordnung ausgebildet.
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Die Statoranordnung 20 hat einen Statorkern 21 und eine Wicklungsanordnung 26. Der Statorkern 21 hat einen Statorrücken 22, der auch als magnetischer Rückschluss bezeichnet wird, und Statorzähne 24, die Nuten 25 zwischen den Statorzähnen 24 ausbilden. Die Wicklungsanordnung 26 ist zumindest abschnittsweise in den Nuten 25 angeordnet. Der Statorkern 21 ist üblicherweise als Blechpaket ausgebildet. Die Wicklungsanordnung 26 wird üblicherweise aus isoliertem Metalldraht ausgebildet, bevorzugt aus lackisoliertem Kupferdraht.
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Die Rotoranordnung 50 hat einen Rotorkern 52 mit Taschen 54, in denen Permanentmagnete 56 angeordnet sind. Der Rotorkern 52 ist üblicherweise als Blechpaket ausgebildet.
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Bei der Verwendung der Elektromaschine 10 als Elektromotor wird die Wicklungsanordnung 26 bestromt und hierdurch ein Drehmoment am Rotor 50 erzeugt.
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1 zeigt in schematischer Darstellung einen ersten Wickelkopf 31 und einen zweiten Wickelkopf 32 der Wicklungsanordnung 26, und eine Welle 64 des Rotors 50. Die Welle 64, der Rotor 50 und der Stator 20 definieren jeweils eine axiale Richtung 81 und eine radiale Richtung 82 der Elektromaschine 10. Der erste Wickelkopf 31 ist auf einer ersten axialen Seite 11 des Statorkerns 21 vorgesehen, und der zweite Wickelkopf 32 ist auf einer zweiten axialen Seite 12 des Statorkerns 21 vorgesehen, welche der ersten axialen Seite 11 entgegengesetzt vorgesehen ist.
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Die Welle 64 ist über eine Lageranordnung 61, 62 mit einem ersten Lager 61 und einem zweiten Lager 62 drehbar gelagert.
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Zur Kühlung der Elektromaschine 10 ist eine schematisch angedeutete Strömungsgeometrie 34 im Bereich des Stators 20 vorgesehen.
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Die Strömungsgeometrie 34 hat einen Einlass 35 und einen Auslass 36, und sie verläuft durch mindestens eine Nut 25 der Statoranordnung 20. Bevorzugt kann ein Kühlmittel 80, welches dem Einlass 35 der Strömungsgeometrie 34 zugeführt wird, direkt durch die Nuten 25 hindurch fließen und somit direkt die Wicklungsanordnung 26 in diesem Bereich kühlen.
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Bevorzugt ist der Bereich um den ersten Wickelkopf 31 herum und um den zweiten Wickelkopf 32 herum jeweils in Umfangsrichtung verbunden, so dass sich das Kühlmittel im Bereich des ersten Wickelkopfs 31 über den ersten Wickelkopf 31 und damit auch über die Nuten 25 verteilen kann und anschließend im Bereich des zweiten Wickelkopfs 32 wieder zusammen geführt werden kann. Die Strömungsgeometrie 34 wird beispielsweise durch den verbleibenden Freiraum zwischen der Wicklungsanordnung 26, dem Statorkern 21, den angrenzenden Gehäuseteilen und dem Spaltrohr 28 gebildet. Funktional kann die Strömungsgeometrie 34 als Leitung bezeichnet werden.
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Das Kühlmittel 80 verlässt die Strömungsgeometrie 34 durch den Auslass 36. Da das Kühlmittel 80 im Ausführungsbeispiel auch am ersten Wickelkopf 31 und am zweiten Wickelkopf 32 entlang geleitet wird, spricht man von einer direkten Wickelkopfkühlung.
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Die direkte Kühlung der Statoranordnung 20 im Bereich der Nuten 25 hat sich insbesondere bei leistungsstarken Elektromaschinen als sehr effektiv erwiesen, und sie ermöglicht eine größere Wärmeabfuhr und Temperatursenkung im Bereich des Stators als eine Kühlung mit einem den Stator umgebenden Kühlmantel, bei dem das Kühlmittel keinen direkten Kontakt zur Wicklungsanordnung hat.
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Bevorzugt ist die Strömungsgeometrie 34 zwischen dem zugeordneten Einlass 35 und Auslass 36 dicht, um ein Eindringen des Kühlmittels 80 in den Luftspalt 49 zu verhindern.
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Als Kühlmittel 80 wird bevorzugt ein flüssiges Kühlmittel verwendet, weiter bevorzugt ein Öl oder eine wasserhaltige Flüssigkeit. Es sind aber grundsätzlich auch gasförmige Kühlmittel möglich.
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Die in der Elektromaschine 10 entstehende Wärme kann insbesondere durch Wärmeleitung und Konvektion mit Hilfe des Kühlmittels 80 abgeführt werden.
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3 zeigt in schematischer Darstellung eine Kühlvorrichtung 100 mit einem Kühlmittelkühler 150, einer Pumpe 152 und der Elektromaschine 10. Ein Kühlmittelkreislauf wird gebildet über den Kühlmittelkühler 150, eine Leitung 151, die Pumpe 152, eine Leitung 153, die Elektromaschine 10 und eine Leitung 154, welche zurück zum Kühlmittelkühler 150 verläuft.
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Das Kühlmittel wird von der Pumpe 152 durch die Elektromaschine 10 gepumpt und fließt nach der Wärmeaufnahme zum Kühlmittelkühler 150, wo es gekühlt wird. Anschließend wird es wieder durch die Pumpe 152 zur Elektromaschine 10 gepumpt.
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4 zeigt die Elektromaschine 10 in einem Längsschnitt zwischen der Längsachse 83 und dem radial äußeren Bereich. Die Elektromaschine 10 hat ein Statorgehäuse 27 mit einem Statorgehäusemantelabschnitt 27B, einem ersten Statorgehäusedeckelabschnitt 27A und einem zweiten Statorgehäusedeckelabschnitt 27C.
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Auf der Welle 64 ist die Rotoranordnung 50 angeordnet, und die Welle 64 ist über das erste Lager 61 mit dem Statorgehäusedeckelabschnitt 27A und über das zweite Lager 62 mit dem Statorgehäusedeckelabschnitt 27C drehbar verbunden.
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Der Statorgehäusedeckelabschnitt 27A ist mit dem Statorgehäusemantelabschnitt 27B verbunden, und der Statorgehäusemantelabschnitt 27B ist mit dem Statorgehäusedeckelabschnitt 27C verbunden. Der Statorgehäusemantelabschnitt 27B kann auch einteilig mit einem der Statorgehäusedeckelabschnitte 27A oder 27C ausgebildet werden.
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Die Statoranordnung 20 mit dem Statorkern 21, dem ersten Wickelkopf 31 und dem zweiten Wickelkopf 32 weist ein Spaltrohr 28 auf. Das Spaltrohr 28 ist im Ausführungsbeispiel als Liner ausgeführt, und bei einer solchen Ausführungsform wird bspw. von der radial inneren Seite der Statoranordnung 20 ein Kunststoff, insbesondere ein faserverstärkter Kunststoff, aufgebracht und getrocknet. Dies wird auch als Anlaminieren bezeichnet. Um auch im Bereich außerhalb des Statorkerns 21 eine feste Form vorgeben zu können, sind ein erster Stützring 91 und ein zweiter Stützring 92 vorgesehen, welche zusammen mit dem Statorkern 21 einen Innenzylinder definieren, auf den der Liner zur Erzeugung des Spaltrohrs 28 aufgetragen werden kann. Das Spaltrohr 28 ist an beiden axialen Endbereichen über ein Dichtungsträgerformteil 70 mit einem der Statorgehäusedeckelabschnitte 27A, 27C verbunden. Hierdurch ergibt sich ein zum Rotor hin dichter Statorraum, der als Strömungsgeometrie 34 bzw. Kühlleitung/Strömungsbereich verwendet werden kann. Der Einlass 35 und der Auslass 36 von 1 sind in 4 nicht sichtbar.
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5 zeigt ein Detail V von 4. Das im Ausführungsbeispiel aus dem ersten Stützring 91 und dem Liner 93 aufgebaute Spaltrohr 28 ist durch eine Klebeverbindung 74 mit dem Dichtungsträgerformteil 70 verbunden.
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Die Klebeverbindung 74 ist zumindest abschnittsweise zwischen der radial inneren Seite 76 des Spaltrohrs 28 und dem Dichtungsträgerformteil 70 vorgesehen. Die Klebeverbindung 74 ist zudem bzw. alternativ zumindest abschnittsweise zwischen der axialen Seite 77 des Spaltrohrs 28 und dem Dichtungsträgerformteil 70 vorgesehen. Hierzu hat das Dichtungsträgerformteil 70 bevorzugt einen Kragen 78, welcher sich auf die axiale Seite 77 des Spaltrohrs 28 erstreckt.
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Das Dichtungsträgerformteil 70 hat im Ausführungsbeispiel zwei Dichtungssitze 72 auf der radial inneren Seite, es können aber auch ein einzelner Dichtungssitz 72 oder drei oder mehr Dichtungssitze 72 vorgesehen sein. In den Dichtungssitzen 72 ist jeweils ein Dichtelement 73 vorgesehen, und das Dichtelement 73 hat jeweils Kontakt zum Dichtungsträgerformteil 70 und auch zum Statorgehäusedeckelabschnitt 27A.
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Im Ausführungsbeispiel ist das Dichtelement 73 als O-Ring ausgebildet. Das Dichtelement 73 weist bevorzugt als Werkstoff ein Elastomer auf, um eine gute Dichtwirkung zu erzielen. Geeignete Elastomere sind Ethylen-Acrylat-Kautschuk oder Fluorkarbon-Kautschuk.
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Das Dichtelement ist an den Statorgehäusedeckelabschnitt 27A radial angepresst und dichtet dadurch ab.
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Alternativ zum O-Ring ist bspw. eine Dichtlippe, ein Ring mit ovalem Querschnitt, ein Delta-Ring, ein Quadring, ein Ring mit vieleckigem Querschnitt oder eine Lamellendichtung möglich.
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Das Dichtungsträgerformteil 70 definiert eine radial innere Aussparung 71, in welche sich der Statorgehäusedeckelabschnitt 27A erstreckt.
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Der Statorgehäusedeckelabschnitt 27A hat eine Einführfase 95, um bei der Montage das Einführen des Statorgehäusedeckelabschnitts 27A in die Aussparung 71 zu erleichtern.
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Der Bereich mit der Fase 95 hat einen verringerten Querschnitt und kann daher leichter in die Aussparung 71 eingeführt werden.
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Anstelle des Liners 93 kann eine eigenstabile Hülse verwendet werden, und eine solche Hülse kann axial in die Statoranordnung 20 eingeschoben und anschließend beispielsweise verklebt werden. Bei einer eigenstabilen Hülse können die Stützringe 91, 92 optional entfallen. Im Übrigen sieht die eigenstabile Hülse in der Darstellung von 5 wie der Liner 93 aus.
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Die Klebeverbindung 74 ist insbesondere bei der Ausbildung des Spaltrohrs 28 mit einem Liner 93 vorteilhaft, da aufgrund der Formung des Liners 93 auf der Innenseite des Statorkerns 21 Unebenheiten auftreten können, und verglichen mit einer eigenstabilen Hülse größere Toleranzen auftreten. Durch die Klebeverbindung werden mechanische Ungenauigkeiten ausgeglichen, und es kann eine stabile und dichte Verbindung zwischen dem Spaltrohr 28 und dem Dichtungsträgerformteil 70 hergestellt werden.
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Die Oberflächenqualität des Statorgehäusedeckelabschnitts 27A, 27C kann dagegen mit vergleichsweise geringem Aufwand gut beeinflusst und in hoher Güte hergestellt werden. Der Statorgehäusedeckelabschnitt 27A, 27C kann bspw. als Werkstoff einen Kunststoff (ggf. mit Faserverstärkung) oder einen metallischen Werkstoff aufweisen. Auch die Oberflächenqualität des Dichtungsträgerformteils 70 kann mit hoher Qualität hergestellt werden. Zwischen dem Statorgehäusedeckelabschnitt 27A, 27C und dem Dichtungsträgerformteil 70 kann daher eine gute Abdichtung durch die Dichtelemente 73 erzeugt werden.
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6 zeigt eine Variante zur Ausführungsform von 5. Das Spaltrohr 28 hat einen Liner 93 bzw. alternativ eine eigenstabile Hülse 93 und ein Stützrohr 91. Der Liner 93 endet axial früher als das Stützrohr 91. Anders ausgedrückt steht das Stützrohr 91 axial über den Liner 93 hervor. Dies ist vorteilhaft, da das Stützrohr 91 mit geringeren Toleranzen herstellbar ist als der Liner 93. Die Verbindung zwischen Stützrohr 91 und Dichtungsträgerformteil 70 kann daher passgenauer ausgeführt werden als die Verbindung zwischen dem Liner 93 und dem Dichtungsträgerformteil 70. Dieser Vorteil steht einem prozesstechnischen Nachteil gegenüber, da die Herstellung eines zurückgesetzten Liners technisch aufwändiger ist. Welche Variante günstiger ist, muss im Einzelfall bei der Konstruktion geprüft werden.
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7 zeigt in einer Draufsicht das Dichtungsträgerformteil 70 mit seiner ringförmigen Struktur und dem Kragen 78.
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Naturgemäß sind im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
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In den Ausführungsbeispielen wurde die Anwendung für eine Flüssigkeitskühlung beschrieben. Die Erfindung kann auch einfach zur Abdichtung des Statorraums gegenüber dem Rotorraum genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112006002862 T5 [0002]
- DE 10025190 A1 [0003]
- DE 102013109522 B4 [0003]
- DE 19907556 B4 [0003]
