DE102020200197B4 - Electrical machine with a conducting element - Google Patents

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DE102020200197B4 DE102020200197.9A DE102020200197A DE102020200197B4 DE 102020200197 B4 DE102020200197 B4 DE 102020200197B4 DE 102020200197 A DE102020200197 A DE 102020200197A DE 102020200197 B4 DE102020200197 B4 DE 102020200197B4
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Jacques Prost
Ahmad Hakim Mohd Sorihan
Yijun Dietzel-Guo
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Jan Spieler
Holger Kufeld
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Abstract

Elektrische Maschine umfassend- einen Stator,- einen Rotor, wobei der Rotor um eine Drehachse (13) relativ zu dem Stator drehbar ist und eine Rotorwelle (1) aufweist, wobei die Rotorwelle (1) zumindest teilweise hohl ausgeführt ist und so einen ersten Kanal (2) ausbildet, der von Kühlmittel durchströmbar ist, wobei die Rotorwelle (1) an einem ersten Wellenende (4) eine axiale Öffnung (6) und in ihrer Mantelfläche zumindest eine erste radiale Öffnung (7) aufweist und an einem zweiten Wellenende (5) in ihrer Mantelfläche zumindest eine zweite radiale Öffnung (8) aufweist, und- ein Leitelement (9), wobei das Leitelement (9) an einem ersten Ende (10) fest mit einer feststehenden Komponente (12) verbunden ist und sich mit einem zweiten Ende (11) durch die axiale Öffnung (6) der Rotorwelle (1) zumindest teilweise in den ersten Kanal (2) erstreckt, wobei das Leitelement (9) hohl ausgebildet ist und somit einen von Kühlmittel durchströmbaren zweiten Kanal (3) ausbildet, wobei im Bereich des zweiten Endes (11) des Leitelements (9) ein ring- oder hülsenartiges erstes Element (16) fest an einem Innenumfang der Rotorwelle (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (16) eine Leitgeometrie (17) aufweist.Electrical machine comprising - a stator, - a rotor, the rotor being rotatable about an axis of rotation (13) relative to the stator and having a rotor shaft (1), the rotor shaft (1) being at least partially hollow and thus having a first channel (2) through which coolant can flow, the rotor shaft (1) having an axial opening (6) at a first shaft end (4) and at least one first radial opening (7) in its lateral surface, and at a second shaft end (5 ) has at least one second radial opening (8) in its lateral surface, and- a guide element (9), wherein the guide element (9) is fixedly connected at a first end (10) to a stationary component (12) and to a second end (11) extends at least partially through the axial opening (6) of the rotor shaft (1) into the first channel (2), the guide element (9) being hollow and thus forming a second channel (3) through which coolant can flow, wherein in the area of the At the end (11) of the guide element (9), a ring-like or sleeve-like first element (16) is fixedly arranged on an inner circumference of the rotor shaft (1), characterized in that the first element (16) has a guide geometry (17).

Description

Gebiet der Erfindungfield of invention

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend einen Stator, einen Rotor, wobei der Rotor um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbar ist und eine Rotorwelle aufweist, wobei die Rotorwelle zumindest teilweise hohl ausgeführt ist und so einen ersten Kanal ausbildet, der von Kühlmittel durchströmbar ist, wobei die Rotorwelle an einem ersten Wellenende eine axiale Öffnung und in ihrer Mantelfläche zumindest eine erste radiale Öffnung aufweist und an einem zweiten Wellenende in ihrer Mantelfläche zumindest eine zweite radiale Öffnung aufweist, und ein Leitelement.The present invention relates to an electrical machine comprising a stator, a rotor, the rotor being rotatable about an axis of rotation relative to the stator and having a rotor shaft, the rotor shaft being at least partially hollow and thus forming a first channel through which coolant can flow is, wherein the rotor shaft has an axial opening at a first shaft end and at least one first radial opening in its lateral surface and has at least one second radial opening at a second shaft end in its lateral surface, and a guide element.

Stand der TechnikState of the art

Elektrische Maschinen der oben genannten Art dienen der Energiewandlung von elektrischer in mechanischer Energie und umgekehrt und werden als Motor und/oder Generator vielfach im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt.Electrical machines of the type mentioned above are used to convert electrical energy into mechanical energy and vice versa and are often used as a motor and/or generator in the field of automotive engineering.

Elektrische Maschinen umfassen einen feststehenden Stator und einen beweglichen Rotor, wobei der Rotor in der gängigsten Bauform einer elektrischen Maschine drehbar innerhalb eines ringförmig ausgebildeten Stators gelagert ist. Der Stator weist einen Statorkern und zumindest eine an dem Statorkern angeordnete Statorwicklung auf. Weiterhin kann der Rotor einen Rotorkern und zumindest eine an dem Rotorkern angeordnete Rotorwicklung umfassen.Electrical machines include a fixed stator and a movable rotor, with the rotor in the most common design of an electrical machine being rotatably mounted within a ring-shaped stator. The stator has a stator core and at least one stator winding arranged on the stator core. Furthermore, the rotor can include a rotor core and at least one rotor winding arranged on the rotor core.

Elektrische Maschinen erzeugen aufgrund des dielektrischen Verlusts während ihres Betriebs Wärme. Vorwiegend kommt es im Bereich der Statorwicklung und/oder der Rotorwicklung, insbesondere im Bereich der jeweiligen Wicklungsköpfe, zu einer starken Wärmeentwicklung. Die Folge dieser starken Erwärmung ist eine Erhöhung des dielektrischen Verlustfaktors - noch mehr elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt, was zum einen eine Verschlechterung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine bewirkt und zum anderen einen zuverlässigen Betrieb der elektrischen Maschine über ihre Lebensdauer negativ beeinflusst. Deshalb ist in Antriebsanordnungen mit elektrischen Maschinen in der Regel eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die die zu kühlenden Teile der elektrischen Maschine kühlt.Electrical machines generate heat during operation due to dielectric loss. A strong development of heat mainly occurs in the area of the stator winding and/or the rotor winding, in particular in the area of the respective winding overhangs. The result of this strong heating is an increase in the dielectric loss factor - even more electrical energy is converted into heat, which on the one hand causes a deterioration in the efficiency of the electrical machine and on the other hand negatively affects reliable operation of the electrical machine over its service life. Therefore, a cooling device is generally provided in drive arrangements with electrical machines, which cools the parts of the electrical machine to be cooled.

Konventionelle Kühlungen für elektrische Maschinen bedienen sich eines zirkulierenden gasförmigen oder flüssigen Kühlmittels. Das Kühlmittel zirkuliert beispielsweise in einem Gehäuse der elektrischen Maschine oder in einer als Hohlwelle ausgeführten Rotorwelle, auf der der Rotor der elektrischen Maschine angeordnet ist. Das Kühlmittel nimmt aufgrund seiner Wärmekapazität die Wärme auf und transportiert diese ab.Conventional cooling for electrical machines use a circulating gaseous or liquid coolant. The coolant circulates, for example, in a housing of the electrical machine or in a rotor shaft designed as a hollow shaft, on which the rotor of the electrical machine is arranged. Due to its heat capacity, the coolant absorbs the heat and transports it away.

Wird das Kühlmittel durch die Rotorwelle geleitet, werden in den Endbereichen der Rotorwelle oftmals radiale Bohrungen in der Mantelfläche der Rotorwelle vorgesehen, über die insbesondere die Wickelköpfe mit Kühlmittel versorgt werden können. Hierbei gestaltet sich jedoch insbesondere die Speisung der radialen Bohrungen mit Kühlmittel nach einem festen Verhältnis schwierig. Weiterhin ist der radiale Bauraum von elektrischen Maschinen oftmals begrenzt und die als Hohlwelle ausgeführte Rotorwelle kann nur einen sehr kleinen Innendurchmesser aufweisen, was die Effizienz der Kühlung weiter beeinträchtigt.If the coolant is conducted through the rotor shaft, radial bores are often provided in the lateral surface of the rotor shaft in the end regions of the rotor shaft, via which in particular the end windings can be supplied with coolant. In this case, however, the feeding of the radial bores with coolant according to a fixed ratio is particularly difficult. Furthermore, the radial installation space of electrical machines is often limited and the rotor shaft, which is designed as a hollow shaft, can only have a very small inner diameter, which further impairs the efficiency of the cooling.

Das gattungsgemäße Dokument US 6 897 581 B2 offenbart beispielsweise einen Hochgeschwindigkeitsgenerator mit einem Hauptrotor und einem Hauptstator. Der Hauptrotor ist auf einer im Wesentlichen hohlen Rotorwelle montiert, wobei sich Zufuhröffnungen für eine Hauptrotorkühlung durch die Rotorwelle erstrecken. Hauptversorgungsöffnungen für eine Hauptstatorkühlung stehen mit den Hauptversorgungsöffnungen für die Hauptrotorkühlung in Fluidverbindung - Kühlflüssigkeit fließt durch die Kühlöffnungsöffnungen des Hauptrotors und die Kühlöffnungsöffnungen des Hauptstators. Die Kühlversorgungsöffnungen des Hauptrotors und des Hauptstators sind so konfiguriert, dass sie den Hauptrotor und den Hauptstator mit einem Kühlflüssigkeitsspray versorgen.The generic document U.S. 6,897,581 B2 for example, discloses a high speed alternator having a main rotor and a main stator. The main rotor is mounted on a substantially hollow rotor shaft with supply ports for main rotor cooling extending through the rotor shaft. Main supply ports for main stator cooling are in fluid communication with the main supply ports for main rotor cooling - cooling liquid flows through the main rotor cooling port openings and the main stator cooling port openings. The main rotor and main stator cooling supply ports are configured to supply a spray of cooling liquid to the main rotor and main stator.

Das Dokument DE 10 2014 117 962 A1 offenbart beispielsweise ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Rotor im Stator rotierbar aufgenommen ist, und wobei der Rotor mit einem Hohlraum zur Hindurchführung eines Kühlmediums ausgebildet ist. Die elektrische Maschine weist einen Seitenflansch auf, in dem wenigstens eine Öffnung zum Hindurchleiten des Kühlmediums ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist ein elektrisches Steuermodul zur Ansteuerung der elektrischen Maschine vorgesehen, wobei das elektrische Steuermodul am Seitenflansch angeordnet ist, und wobei das elektrische Steuermodul einen Durchgang zum Hindurchführen des Kühlmediums aufweist, der in die Öffnung im Seitenflansch übergeht.The document DE 10 2014 117 962 A1 discloses, for example, an electric drive system having an electric machine, the electric machine having a rotor and a stator, the rotor being rotatably received in the stator, and the rotor being formed with a cavity for the passage of a cooling medium. The electrical machine has a side flange in which at least one opening for the passage of the cooling medium is formed. According to the invention, an electrical control module is provided for controlling the electrical machine, the electrical control module being arranged on the side flange, and the electrical control module having a passage for the passage of the cooling medium which merges into the opening in the side flange.

Das Dokument DE 10 2016 225 523 A1 offenbart beispielsweise ebenso eine elektrische Maschine, ein System zur Temperierung solch einer elektrischen Maschine sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems. Dabei weist die elektrische Maschine einen Rotor mit wenigstens einem Rotorlager und einen durchströmbaren Hohlraum auf, wobei der Hohlraum um ein Rotorlager eines Rotors der elektrischen Maschine radial angeordnet ist, so dass ein durch den Hohlraum abgeführtes Wärmeübertragungsmedium zur Temperierung der elektrischen Maschine das Rotorlager radial außen umströmt.The document DE 10 2016 225 523 A1 also discloses, for example, an electrical machine, a system for controlling the temperature of such an electrical machine and a method for operating such a system. In this case, the electrical machine has a rotor with at least one rotor bearing and a hollow through which a flow can flow space, the cavity being arranged radially around a rotor bearing of a rotor of the electrical machine, so that a heat transfer medium discharged through the cavity flows around the rotor bearing radially on the outside to control the temperature of the electrical machine.

Weiterhin ist im Zusammenhang mit dem vorliegenden Sachverhalt das Dokument US 2 524 269 A zu nennen, das eine Pumpe offenbart, die einen hohlen Rotor aufweist, wobei Fluid durch den hohlen Rotor in Richtung zu einem Laufrad der Pumpe geleitet wird.Furthermore, in connection with the present facts, the document U.S. 2,524,269 A which discloses a pump having a hollow rotor, fluid being directed through the hollow rotor toward an impeller of the pump.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention

Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine anzugeben, die insbesondere bei bauraumkritischen Anwendungen aufgrund eines verbesserten Kühlsystems einen effizienzoptimierten Betrieb erlaubt.It is an object of the invention to specify an electrical machine that allows efficiency-optimized operation, particularly in applications where installation space is critical, due to an improved cooling system.

Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß dem unabhängigen ersten Anspruch gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This need can be met by the subject matter of the present invention according to the independent first claim. Advantageous embodiments of the present invention are described in the dependent claims.

Erfindungsgemäß umfasst die elektrische Maschine einen Stator, einen Rotor und ein Leitelement.According to the invention, the electrical machine includes a stator, a rotor and a conducting element.

Der Rotor ist erfindungsgemäß um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbar und weist eine Rotorwelle auf.According to the invention, the rotor can be rotated about an axis of rotation relative to the stator and has a rotor shaft.

Die Rotorwelle ist erfindungsgemäß zumindest teilweise hohl ausgeführt und bildet so einen ersten Kanal aus, der von Kühlmittel durchströmbar ist. Erfindungsgemäß weist die Rotorwelle an einem ersten Wellenende eine axiale Öffnung und in ihrer Mantelfläche zumindest eine erste radiale Öffnung auf und an einem zweiten Wellenende in ihrer Mantelfläche zumindest eine zweite radiale Öffnung auf. Der erste Kanal der Rotorwelle ist über die erste radiale Öffnung und die zweite radiale Öffnung mit einem Außenbereich der Rotorwelle fluidverbunden.According to the invention, the rotor shaft is at least partially hollow and thus forms a first channel through which coolant can flow. According to the invention, the rotor shaft has an axial opening at a first shaft end and at least one first radial opening in its lateral surface, and at least one second radial opening in its lateral surface at a second shaft end. The first passage of the rotor shaft is fluidly connected to an exterior of the rotor shaft via the first radial opening and the second radial opening.

Unter einem Kühlmittel ist in diesem Zusammenhang insbesondere ein flüssiges Kühlmittel, wie beispielsweise Öl, zu verstehen. Der Einsatz eines anderen Kühlmittels, wie zum Beispiel eines gasförmigen Kühlmittels, ist jedoch auch denkbar.In this context, a coolant is to be understood in particular as a liquid coolant, such as oil, for example. However, the use of another coolant, such as a gaseous coolant, is also conceivable.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist das Leitelement an einem ersten Ende fest, d.h. axial- und rotationsfest, mit einer feststehenden Komponente verbunden und erstreckt sich mit einem zweiten Ende durch die axiale Öffnung der Rotorwelle zumindest teilweise in den ersten Kanal.According to the present invention, the vane is fixed at a first end, i.e. axially and rotationally fixed, to a stationary component and extends at a second end through the axial opening of the rotor shaft at least partially into the first passage.

Die Richtungsangabe „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu der Drehachse. Die Richtungsangabe „radial“ beschreibt eine Richtung normal zu der Drehachse.The directional specification "axial" describes a direction along or parallel to the axis of rotation. The "radial" direction specification describes a direction normal to the axis of rotation.

Erfindungsgemäß ist das Leitelement hohl ausführt und bildet so einen von Kühlmittel durchströmbaren zweiten Kanal aus.According to the invention, the guide element is hollow and thus forms a second channel through which coolant can flow.

Über das rotationsfest angeordnete Leitelement kann somit Kühlmittel in den ersten Kanal der schnell rotierenden Rotorwelle geleitet werden.Coolant can thus be conducted into the first channel of the rapidly rotating rotor shaft via the guide element arranged in a rotationally fixed manner.

Erfindungsgemäß ist im Bereich des zweiten Endes des Leitelements, nämlich an der Übergabestelle zwischen dem zweiten Kanal des Leitelements und dem ersten Kanal der Rotorwelle, ein ring- oder hülsenartiges erstes Element fest an einem Innenumfang der Rotorwelle angeordnet. Dieses erste Element hindert einen Anteil des Kühlmittels daran in den Leckage-Spalt zu laufen.According to the invention, in the area of the second end of the guide element, namely at the transfer point between the second channel of the guide element and the first channel of the rotor shaft, a ring-like or sleeve-like first element is arranged firmly on an inner circumference of the rotor shaft. This first element prevents a portion of the coolant from leaking into the leakage gap.

Weiterhin erfindungsgemäß weist das erste Element eine Leitgeometrie auf. Derart kann eine Aufteilung des Kühlmittels in Richtung der ersten radialen Öffnung und der zweiten radialen Öffnung auf geometrischem Wege gezielt gesteuert werden.Furthermore, according to the invention, the first element has a guide geometry. In this way, a distribution of the coolant in the direction of the first radial opening and the second radial opening can be controlled in a targeted manner in a geometric manner.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.Further developments of the invention are specified in the dependent claims, the description and the accompanying drawings.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante verkleinert sich der Durchmesser des zweiten Kanals des Leitelements über seine axiale Erstreckung ausgehend von dem ersten Ende des Leitelements. Der zweite Kanal kann dabei vorzugsweise einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt aufweisen, wobei sich der erste Abschnitt zwischen dem ersten Ende des Leitelements und dem zweiten Abschnitt ausbildet und sich der dritte Abschnitt zwischen dem zweiten Abschnitt (15) und dem zweiten Ende (11) des Leitelements (9) ausbildet. Der der zweite Kanal weist dabei vorzugsweise im Bereich des ersten Abschnitts einen ersten Durchmesser und im Bereich des dritten Abschnitts einen zweiten Durchmesser auf, wobei der erste Durchmesser größer ist als der zweite Durchmesser und sich der Durchmesser des zweiten Kanals im Bereich des zweiten Abschnitts ausgehend von dem ersten Durchmesser des ersten Abschnitts des zweiten Kanals hin zum zweiten Durchmesser des dritten Abschnitts des zweiten Kanals stetig verkleinert. Über eine derartige Ausbildung des zweiten Kanals erhält das Leitelement eine „Düsenfunktion“, sodass das Kühlmittel beschleunigt wird und über einen geringeren Durchmesser in den ersten Kanal geleitet wird. Dies verringert die Kühlmittel-Leckage an der Übergabestelle zwischen dem zweiten Kanal des Leitelements und dem ersten Kanal der Rotorwelle und stellt insbesondere bei geringen Kühlmittelvolumenströmen eine ausreichende Versorgung der zweiten radialen Öffnung mit Kühlmittel sicher.In a preferred embodiment variant, the diameter of the second channel of the guide element decreases over its axial extent, starting from the first end of the guide element. The second channel can preferably have a first section, a second section and a third section, the first section being formed between the first end of the guide element and the second section and the third section being formed between the second section (15) and the second End (11) of the guide element (9) forms. The second channel preferably has a first diameter in the area of the first section and a second diameter in the area of the third section, the first diameter being larger than the second diameter and the diameter of the second channel in the area of the second section starting from the first diameter of the first section of the second channel steadily decreases towards the second diameter of the third section of the second channel. Such a design of the second channel gives the guiding element a “nozzle function”, so that the coolant is accelerated and is conducted into the first channel via a smaller diameter. This reduces coolant leakage at the transfer point between the second channel of the vane and the first channel of the rotor shaft and ensures a sufficient supply of coolant to the second radial opening, particularly in the case of low coolant volume flows.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist in der ersten radialen Öffnung ein hülsenartiges zweites Element derart angeordnet, dass es teilweise in den ersten Kanal ragt. Bei niedrigen Kühlmittelvolumenströmen legt sich - der Fliehkraft des Rotors folgend - das Kühlmittel an dem Innenumfang der Rotorwelle an. Das in den ersten Kanal ragende zweite Element bewirkt ein „Weiterlaufen“ eines wesentlichen Teils des Kühlmittels in Richtung des zweiten Wellenendes der Rotorwelle und somit zu der zweiten radialen Öffnung.In a further preferred embodiment variant of the present invention, a sleeve-like second element is arranged in the first radial opening in such a way that it projects partially into the first channel. At low coolant volume flows - following the centrifugal force of the rotor - the coolant attaches to the inner circumference of the rotor shaft. The second element protruding into the first channel causes a substantial part of the coolant to “continue to flow” in the direction of the second shaft end of the rotor shaft and thus to the second radial opening.

In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist an dem Innenumfang der Rotorwelle zumindest teilweise ein Gewinde oder zumindest eine Nut ausgebildet. Derart kann durch die Rotation der Rotorwelle die Förderung von Kühlmittel zusätzlich begünstigt werden.In a further preferred embodiment variant of the present invention, a thread or at least a groove is formed at least partially on the inner circumference of the rotor shaft. In this way, the rotation of the rotor shaft can also promote the delivery of coolant.

Bevorzugt ist an einem Außenumfang des Leitelements zumindest teilweise ein Gewinde oder zumindest eine Nut ausgebildet. Derart können die Kühlmittel-Leckageströmungen entschleunigt werden und im Leckage-Spalt mehr Druckverlust aufgebaut werden. Dies lässt sich natürlich auch durch eine Ausbildung eines Gewindes oder zumindest einer Nut an dem Innenumfang der Rotorwelle darstellen.A thread or at least one groove is preferably formed at least partially on an outer circumference of the guide element. In this way, the coolant leakage flows can be decelerated and more pressure loss can be built up in the leakage gap. Of course, this can also be represented by forming a thread or at least a groove on the inner circumference of the rotor shaft.

Figurenlistecharacter list

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsvariante einer Rotorwelle und eines Leitelements.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante einer Rotorwelle und eines Leitelements.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante einer Rotorwelle, eines Leitelements und eines ringartigen ersten Elements.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsvariante einer Rotorwelle, eines Leitelements und eines hülsenartigen ersten Elements.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante einer Rotorwelle, eines Leitelements und eines hülsenartigen ersten Elements.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsvariante einer Rotorwelle, eines Leitelements und eines hülsenartigen ersten Elements.
  • 7a zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsvariante einer Rotorwelle, eines Leitelements und eines hülsenartigen ersten Elements.
  • 7b zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A gemäß 7a.
  • 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante einer Rotorwelle, eines Leitelements und eines hülsenartigen zweiten Elements.
  • 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Rotorwelle mit einem Gewinde in einem ersten Kanal.
  • 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Leitelements mit einem Gewinde an einem Außenumfang.
The invention is described below by way of example with reference to the drawings.
  • 1 shows a schematic representation of a first embodiment variant of a rotor shaft and a guide element.
  • 2 shows a schematic representation of a second embodiment variant of a rotor shaft and a guide element.
  • 3 shows a schematic representation of an embodiment variant of a rotor shaft, a guide element and a ring-like first element.
  • 4 shows a schematic representation of a first embodiment variant of a rotor shaft, a guide element and a sleeve-like first element.
  • 5 shows a schematic representation of a second embodiment variant of a rotor shaft, a guide element and a sleeve-like first element.
  • 6 shows a schematic representation of a third embodiment variant of a rotor shaft, a guide element and a sleeve-like first element.
  • 7a shows a schematic representation of a fourth embodiment variant of a rotor shaft, a guide element and a sleeve-like first element.
  • 7b shows a sectional view along the section plane AA according to FIG 7a .
  • 8th shows a schematic representation of an embodiment variant of a rotor shaft, a guide element and a sleeve-like second element.
  • 9 FIG. 12 shows a schematic representation of a rotor shaft with a thread in a first channel.
  • 10 shows a schematic representation of a guide element with a thread on an outer circumference.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

In 1 bis 10 ist jeweils nur eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine schematisch dargestellt.In 1 until 10 only a detailed view of an electrical machine according to the invention is shown schematically in each case.

Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Stator, einen Rotor und ein Leitelement 9. Der Rotor ist um eine Drehachse 13 relativ zu dem Stator drehbar und weist eine Rotorwelle 1 auf.An electrical machine according to the invention comprises a stator, a rotor and a conducting element 9. The rotor can be rotated about an axis of rotation 13 relative to the stator and has a rotor shaft 1.

Die Rotorwelle 1 ist zumindest teilweise hohl ausgeführt und bildet so einen ersten Kanal 2 aus, der von Kühlmittel durchströmbar ist. Die Rotorwelle 1 weist an einem ersten Wellenende 4 eine axiale Öffnung 6 auf und ist an einem zweiten Wellenende 5 verschlossen ausgebildet (1).The rotor shaft 1 is at least partially hollow and thus forms a first channel 2 through which coolant can flow. The rotor shaft 1 has an axial opening 6 at a first shaft end 4 and is closed at a second shaft end 5 ( 1 ).

Die Rotorwelle 1 weist in ihrer Mantelfläche im Bereich des ersten Wellenendes 4 mehrere erste radiale Öffnungen 7 auf und im Bereich des zweiten Wellenendes 5 mehrere zweite radiale Öffnung 8 auf. Der erste Kanal 2 der Rotorwelle 1 ist über die ersten radialen Öffnungen 7 und die zweiten radialen Öffnungen 8 mit einem Außenbereich der Rotorwelle 1, insbesondere mit den Wickelköpfen, fluidverbunden (1).The rotor shaft 1 has a plurality of first radial openings 7 in its lateral surface in the region of the first shaft end 4 and a plurality of second radial openings 8 in the region of the second shaft end 5 . The first channel 2 of the rotor shaft 1 is fluidly connected via the first radial openings 7 and the second radial openings 8 to an outer area of the rotor shaft 1, in particular to the end windings ( 1 ).

Die Richtungsangabe „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu der Drehachse 13. Die Richtungsangabe „radial“ beschreibt eine Richtung normal zu der Drehachse 13.The direction “axial” describes a direction along or parallel to the axis of rotation 13. The direction “radial” describes a direction normal to the axis of rotation 13.

Das Leitelement 9 ist an einem ersten Ende 10 fest, d.h. axial- und rotationsfest, mit einer feststehenden Komponente 12, nämlich einem Gehäuse 21 eines Getriebes, verbunden und erstreckt sich mit einem zweiten Ende 11 durch die axiale Öffnung 6 der Rotorwelle 1 teilweise in den ersten Kanal 2. Das Leitelement 9 ist hohl ausführt und bildet so einen von Kühlmittel durchströmbaren zweiten Kanal 3 aus. Über das rotationsfest angeordnete Leitelement 9 kann somit Kühlmittel in den ersten Kanal 2 der schnell rotierenden Rotorwelle 1 geleitet werden (1).The guide element 9 is fixed at a first end 10, i.e. axially and rotationally fixed, with a fixed component 12, namely a housing 21 a transmission, and extends with a second end 11 through the axial opening 6 of the rotor shaft 1 partially into the first channel 2. The guide element 9 is hollow and thus forms a second channel 3 through which coolant can flow. Coolant can thus be conducted into the first channel 2 of the rapidly rotating rotor shaft 1 via the guide element 9 arranged in a rotationally fixed manner ( 1 ).

In dem in 1 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des zweiten Kanals 3 des Leitelements 9 über die axiale Erstreckung des Leitelements 9 konstant.in the in 1 Schematically shown embodiment, the diameter of the second channel 3 of the guide element 9 over the axial extent of the guide element 9 is constant.

In 2 ist schematisch eine Ausführungsvariante dargestellt, in der der Durchmesser des zweiten Kanals 3 des Leitelements 9 über seine axiale Erstreckung nicht konstant ist. Der zweite Kanal 3 weist drei Abschnitte, nämlich einen ersten Abschnitt 14, einen zweiten Abschnitt 15 und einen dritten Abschnitt 26 auf, wobei sich der erste Abschnitt 14 zwischen dem ersten Ende 10 des Leitelements 9 und dem zweiten Abschnitt 15 ausbildet und sich der dritte Abschnitt 26 zwischen dem zweiten Abschnitt 15 und dem zweiten Ende 11 des Leitelements 9 ausbildet - der zweite Abschnitt 15 ist somit zwischen dem ersten Abschnitt 14 und dem dritten Abschnitt 26 ausgebildet. Im Bereich des ersten Abschnitts 14 weist der zweite Kanal 3 des Leitelements 9 einen ersten Durchmesser auf. Im Bereich des dritten Abschnitts 26 weist der zweite Kanal 3 des Leitelements 9 einen zweiten Durchmesser auf, wobei der zweite Durchmesser kleiner als der erste Durchmesser ist. Im Bereich des zweiten Abschnitts 15 verkleinert sich der Durchmesser des zweiten Kanals 3 des Leitelements 9 ausgehend von dem ersten Durchmesser des zweiten Kanals 3 im Bereich des ersten Abschnitts 14 hin zum zweiten Durchmesser des zweiten Kanals 3 im Bereich des dritten Abschnitts 26 hin stetig. Über eine derartige Ausbildung des zweiten Kanals 3 erhält das Leitelement 9 eine „Düsenfunktion“, sodass das Kühlmittel beschleunigt wird und über einen geringeren Durchmesser in den ersten Kanal 2 geleitet wird. Dies verringert die Kühlmittel-Leckage an der Übergabestelle zwischen dem zweiten Kanal 3 des Leitelements 9 und dem ersten Kanal 2 der Rotorwelle 1 und stellt insbesondere bei geringen Kühlmittelvolumenströmen eine ausreichende Versorgung der zweiten radialen Öffnung 8 mit Kühlmittel sicher.In 2 an embodiment variant is shown schematically in which the diameter of the second channel 3 of the guide element 9 is not constant over its axial extent. The second channel 3 has three sections, namely a first section 14, a second section 15 and a third section 26, the first section 14 being formed between the first end 10 of the guide element 9 and the second section 15 and the third section 26 is formed between the second section 15 and the second end 11 of the guide element 9 - the second section 15 is thus formed between the first section 14 and the third section 26. In the area of the first section 14, the second channel 3 of the guide element 9 has a first diameter. In the area of the third section 26, the second channel 3 of the guide element 9 has a second diameter, the second diameter being smaller than the first diameter. In the area of the second section 15, the diameter of the second channel 3 of the guide element 9 decreases steadily, starting from the first diameter of the second channel 3 in the area of the first section 14 towards the second diameter of the second channel 3 in the area of the third section 26. Such a configuration of the second channel 3 gives the guide element 9 a “nozzle function”, so that the coolant is accelerated and is conducted into the first channel 2 via a smaller diameter. This reduces the coolant leakage at the transfer point between the second channel 3 of the guide element 9 and the first channel 2 of the rotor shaft 1 and ensures a sufficient supply of the second radial opening 8 with coolant, particularly in the case of low coolant volume flows.

Das Leitelement 9 selbst weist, im Wesentlichen den Durchmessern des zweiten Kanals 3 folgend, einen abgesetzten Außenumfang auf, um so insbesondere eine Fehlmontage zu vermeiden.The guide element 9 itself has a stepped outer circumference, essentially following the diameter of the second channel 3, in order in particular to avoid incorrect assembly.

In 3 ist im Bereich des zweiten Endes 11 des Leitelements 9, nämlich an der Übergabestelle zwischen dem zweiten Kanal 3 des Leitelements 9 und dem ersten Kanal 2 der Rotorwelle 1, ein ringartiges erstes Element 16 fest an einem Innenumfang der Rotorwelle 1 angeordnet, nämlich eingepresst. Der zweite Kanal 3 des Leitelements 9 ist hierbei mit konstantem Durchmesser ausgebildet, kann jedoch auch mit variierenden Durchmessern, wie beispielsweise im Zusammenhang mit dem Leitelement 9 in 2 beschrieben, ausgeführt sein. Die Rotorwelle 1 weist an ihrem Innenumfang einen Absatz 22 auf. Das ringförmige erste Element 16 ist im Bereich dieses Absatzes 22 eingepresst. Das ringförmige erste Element 16 hindert einen Anteil des Kühlmittels daran in einen Leckage-Spalt 23 zu laufen.In 3 In the area of the second end 11 of the guide element 9, namely at the transfer point between the second channel 3 of the guide element 9 and the first channel 2 of the rotor shaft 1, a ring-like first element 16 is arranged firmly on an inner circumference of the rotor shaft 1, namely pressed in. The second channel 3 of the guide element 9 is designed with a constant diameter, but can also have varying diameters, such as in connection with the guide element 9 in 2 described, executed. The rotor shaft 1 has a shoulder 22 on its inner circumference. The annular first element 16 is pressed in the area of this shoulder 22 . The annular first member 16 prevents a portion of the coolant from leaking into a leakage gap 23 .

In 4 ist im Bereich des zweiten Endes 11 des Leitelements 9, nämlich an der Übergabestelle zwischen dem zweiten Kanal 3 des Leitelements 9 und dem ersten Kanal 2 der Rotorwelle 1, ein hülsenartiges erstes Element 16 fest an einem Innenumfang der Rotorwelle 1 angeordnet, nämlich eingepresst. Der zweite Kanal 3 des Leitelements 9 ist auch hier mit konstantem Durchmesser ausgeführt, kann jedoch auch mit einem variierenden Durchmessern gemäß dem Leitelement 9 in 2 ausgeführt sein. Die Rotorwelle 1 weist an ihrem Innenumfang den Absatz 22 auf. Das hülsenförmige erste Element 16 ist im Bereich dieses Absatzes 22 eingepresst. Das hülsenförmige erste Element 16 hindert einen Anteil des Kühlmittels daran in den Leckage-Spalt 23 zu laufen.In 4 In the area of the second end 11 of the guide element 9, namely at the transfer point between the second channel 3 of the guide element 9 and the first channel 2 of the rotor shaft 1, a sleeve-like first element 16 is arranged firmly on an inner circumference of the rotor shaft 1, namely pressed in. The second channel 3 of the guide element 9 is also designed here with a constant diameter, but can also have a varying diameter according to the guide element 9 in 2 be executed. The rotor shaft 1 has the shoulder 22 on its inner circumference. The sleeve-shaped first element 16 is pressed in the area of this shoulder 22 . The sleeve-shaped first element 16 prevents a portion of the coolant from running into the leakage gap 23 .

In 5 ist ein rotationssymmetrisches hülsenförmiges erstes Element 16 im Bereich des zweiten Endes 11 des Leitelements 9 in die Rotorwelle 1 eingepresst. In 5 a rotationally symmetrical, sleeve-shaped first element 16 is pressed into the rotor shaft 1 in the region of the second end 11 of the guide element 9 .

Hierdurch wird mehr Kühlmittel an das zweite Wellenende 5 der Rotorwelle 1 geleitet und die ersten radialen Öffnungen 7 können vergrößert werden. Der zweite Kanal 3 des Leitelements 9 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit konstantem Durchmesser ausgeführt, kann jedoch auch mit einem variierenden Durchmessern gemäß dem Leitelement 9 in 2 ausgeführt sein.
In 6 ist ein rotationssymmetrisches hülsenförmiges erstes Element 16 im Bereich des zweiten Endes 11 des Leitelements 9 in die Rotorwelle 1 teilweise eingepresst. Das erste Element 16 ist dabei so ausgeführt, dass ein erster Teil 24 des ersten Elements 16, nämlich der der axialen Öffnung 6 nähere, in die Rotorwelle eingepresst ist und ein zweiter Teil 25 des ersten Elements 16 sich von dem Innenumfang der Rotorwelle 1 beabstandet, im Wesentlichen parallel zu dieser teilweise in den ersten Kanal 2 erstreckt. Die axiale Erstreckung des zweiten Teils 25 des ersten Elements 16 endet erst an einer axialen Stelle nach, d.h. weiter von dem ersten Wellenende 4 entfernt, der axialen Stelle an der die ersten radialen Öffnungen 7 ausgeführt sind. Derart fungiert das erste Element 16 als verlängertes Leitelement 9 und stellt das Kühlmittel in einer Weise zur Verfügung, dass es rein fliehkraftgesteuert an die ersten radialen Öffnungen 7 und die zweiten radialen Öffnungen 8 verteilt wird.
As a result, more coolant is directed to the second shaft end 5 of the rotor shaft 1 and the first radial openings 7 can be enlarged. The second channel 3 of the guide element 9 is designed with a constant diameter in the present exemplary embodiment, but can also have a varying diameter according to the guide element 9 in 2 be executed.
In 6 a rotationally symmetrical, sleeve-shaped first element 16 is partially pressed into the rotor shaft 1 in the region of the second end 11 of the guide element 9 . The first element 16 is designed in such a way that a first part 24 of the first element 16, namely that which is closer to the axial opening 6, is pressed into the rotor shaft and a second part 25 of the first element 16 is spaced apart from the inner circumference of the rotor shaft 1. substantially parallel to this partially extends into the first channel 2. The axial extent of the second part 25 of the first element 16 only ends at an axial point after, ie further away from the first shaft end 4, the axial point at which the first radial openings 7 are formed. That's how it works first element 16 as an extended guide element 9 and makes the coolant available in such a way that it is distributed to the first radial openings 7 and the second radial openings 8 purely under the control of centrifugal force.

In 7a und 7b ist ein rotationssymmetrisches hülsenförmiges erstes Element 16 im Bereich des zweiten Endes 11 des Leitelements 9 in die Rotorwelle 1 eingepresst, dessen Grunddesign im Wesentlichen dem hülsenförmigen ersten Element 16 aus 5 entspricht. Das in 7 dargestellte erste Element 16 weist jedoch eine Leitgeometrie 17 auf. Derart kann eine Aufteilung des Kühlmittels in Richtung der ersten radialen Öffnung 7 und der zweiten radialen Öffnung 8 auf geometrischem Wege gezielt gesteuert werden.In 7a and 7b a rotationally symmetrical sleeve-shaped first element 16 is pressed into the rotor shaft 1 in the region of the second end 11 of the guide element 9 , the basic design of which essentially corresponds to the sleeve-shaped first element 16 5 is equivalent to. This in 7 However, the first element 16 shown has a guiding geometry 17 . In this way, a division of the coolant in the direction of the first radial opening 7 and the second radial opening 8 can be controlled in a targeted manner in a geometric manner.

In 8 ist eine weitere Ausführungsvariante dargestellt, in der in der ersten radialen Öffnung 7 ein hülsenartiges zweites Element 18 derart angeordnet ist, dass es teilweise in den ersten Kanal 2 ragt. Bei niedrigen Kühlmittelvolumenströmen legt sich - der Fliehkraft des Rotors folgend - das Kühlmittel an dem Innenumfang der Rotorwelle 1 an. Das in den ersten Kanal 2 ragende zweite Element 18 bewirkt ein „Weiterlaufen“ eines wesentlichen Teils des Kühlmittels in Richtung des zweiten Wellenendes 5 der Rotorwelle 1 und somit zu den zweiten radialen Öffnungen 18.In 8th 1 shows a further embodiment variant in which a sleeve-like second element 18 is arranged in the first radial opening 7 in such a way that it partially protrudes into the first channel 2 . In the case of low coolant volume flows, the coolant adheres to the inner circumference of the rotor shaft 1--following the centrifugal force of the rotor. The second element 18 protruding into the first channel 2 causes a substantial part of the coolant to “continue to flow” in the direction of the second shaft end 5 of the rotor shaft 1 and thus to the second radial openings 18.

In 9 ist eine Rotorwelle 1 an deren Innenumfang, nämlich im ersten Kanal 2, teilweise ein Gewinde 19 ausgebildet ist. Durch die Ausbildung des Gewindes kann durch die Rotation der Rotorwelle 1 die Förderung von Kühlmittel zusätzlich begünstigt werden.In 9 is a rotor shaft 1 on the inner circumference, namely in the first channel 2, partially a thread 19 is formed. Due to the formation of the thread, the conveyance of coolant can be additionally favored by the rotation of the rotor shaft 1 .

In 10 ist ein Leitelement 9 mit konstantem Durchmesser des zweiten Kanals 3 dargestellt das an seinem Außenumfang ein Gewinde 19 aufweist. Derart können die Kühlmittel-Leckageströmungen entschleunigt werden und im Leckage-Spalt 23 mehr Druckverlust aufgebaut werden. Dies lässt sich natürlich auch durch eine Ausbildung eines Gewindes 19 oder zumindest einer Nut an dem Innenumfang der Rotorwelle 1 im Bereich des Leckage-Spalts 23 darstellen.In 10 a guide element 9 with a constant diameter of the second channel 3 is shown, which has a thread 19 on its outer circumference. In this way, the coolant leakage flows can be decelerated and more pressure loss can be built up in the leakage gap 23 . Of course, this can also be represented by forming a thread 19 or at least a groove on the inner circumference of the rotor shaft 1 in the area of the leakage gap 23 .

BezugszeichenlisteReference List

11
Rotorwellerotor shaft
22
Erster KanalFirst channel
33
Zweiter Kanalsecond channel
44
Erstes WellenendeFirst wave end
55
Zweites WellenendeSecond wave end
66
Axiale Öffnungaxial opening
77
Erste radiale ÖffnungFirst radial opening
88th
Zweite radiale ÖffnungSecond radial opening
99
Leitelementguiding element
1010
Erstes EndeFirst ending
1111
Zweites Endesecond ending
1212
Feststehende Komponentefixed component
1313
Drehachseaxis of rotation
1414
Erster Abschnittfirst section
1515
Zweiter Abschnittsecond part
1616
Erstes ElementFirst item
1717
Leitgeometrieguiding geometry
1818
Zweites Elementsecond item
1919
Gewindethread
2121
Gehäusecasing
2222
Absatzparagraph
2323
Leckage-Spaltleakage gap
2424
Erster TeilFirst part
2525
Zweiter TeilSecond part
2626
Dritter AbschnittThird section

Claims (6)

Elektrische Maschine umfassend - einen Stator, - einen Rotor, wobei der Rotor um eine Drehachse (13) relativ zu dem Stator drehbar ist und eine Rotorwelle (1) aufweist, wobei die Rotorwelle (1) zumindest teilweise hohl ausgeführt ist und so einen ersten Kanal (2) ausbildet, der von Kühlmittel durchströmbar ist, wobei die Rotorwelle (1) an einem ersten Wellenende (4) eine axiale Öffnung (6) und in ihrer Mantelfläche zumindest eine erste radiale Öffnung (7) aufweist und an einem zweiten Wellenende (5) in ihrer Mantelfläche zumindest eine zweite radiale Öffnung (8) aufweist, und - ein Leitelement (9), wobei das Leitelement (9) an einem ersten Ende (10) fest mit einer feststehenden Komponente (12) verbunden ist und sich mit einem zweiten Ende (11) durch die axiale Öffnung (6) der Rotorwelle (1) zumindest teilweise in den ersten Kanal (2) erstreckt, wobei das Leitelement (9) hohl ausgebildet ist und somit einen von Kühlmittel durchströmbaren zweiten Kanal (3) ausbildet, wobei im Bereich des zweiten Endes (11) des Leitelements (9) ein ring- oder hülsenartiges erstes Element (16) fest an einem Innenumfang der Rotorwelle (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (16) eine Leitgeometrie (17) aufweist.Electrical machine comprising - a stator, - a rotor, the rotor being rotatable about an axis of rotation (13) relative to the stator and having a rotor shaft (1), the rotor shaft (1) being at least partially hollow and thus having a first channel (2) through which coolant can flow, the rotor shaft (1) having an axial opening (6) at a first shaft end (4) and at least one first radial opening (7) in its lateral surface, and at a second shaft end (5 ) has at least one second radial opening (8) in its lateral surface, and - a guide element (9), the guide element (9) being firmly connected at a first end (10) to a stationary component (12) and to a second end (11) extends at least partially through the axial opening (6) of the rotor shaft (1) into the first channel (2), the guide element (9) being hollow and thus forming a second channel (3) through which coolant can flow, wherein in the area of second end (11) of the guide element (9), a ring-like or sleeve-like first element (16) is fixedly arranged on an inner circumference of the rotor shaft (1), characterized in that the first element (16) has a guide geometry (17). Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchmesser des zweiten Kanals (3) über seine axiale Erstreckung ausgehend von dem ersten Ende (10) verkleinert.Electric machine after claim 1 , characterized in that the diameter of the second channel (3) decreases over its axial extent starting from the first end (10). Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der zweite Kanal (3) einen ersten Abschnitt (14), einen zweiten Abschnitt (15) und einen dritten Abschnitt (26) aufweist, wobei sich der erste Abschnitt (14) zwischen dem ersten Ende (10) des Leitelements (9) und dem zweiten Abschnitt (15) ausbildet und sich der dritte Abschnitt (26) zwischen dem zweiten Abschnitt (15) und dem zweiten Ende (11) des Leitelements (9) ausbildet, und wobei der zweite Kanal (3) im Bereich des ersten Abschnitts (14) einen ersten Durchmesser und im Bereich des dritten Abschnitts (26) einen zweiten Durchmesser aufweist, wobei der erste Durchmesser größer ist als der zweite Durchmesser und sich der Durchmesser des zweiten Kanals (3) im Bereich des zweiten Abschnitts (15) ausgehend von dem ersten Durchmesser hin zum zweiten Durchmesser stetig verkleinert.Electric machine after claim 1 , characterized in that the second channel (3) has a first portion (14), a second portion (15) and a third portion (26), wherein the first portion (14) between the first end (10) of the guide member (9) and the second section (15) and the third section (26) is formed between the second section (15) and the second end (11) of the guide element (9), and the second channel (3) in the region of the first section (14) has a first diameter and in the area of the third section (26) has a second diameter, the first diameter being larger than the second diameter and the diameter of the second channel (3) in the area of the second section (15 ) steadily decreases from the first diameter to the second diameter. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass in der ersten radialen Öffnung (7) ein hülsenartiges zweites Element (18) derart angeordnet ist, dass es teilweise in den ersten Kanal (2) ragt.Electric machine according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that in the first radial opening (7) a sleeve-like second element (18) is arranged such that it projects partially into the first channel (2). Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass an einem Innenumfang der Rotorwelle (1) zumindest teilweise ein Gewinde (19) oder zumindest eine Nut ausgebildet ist.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that a thread (19) or at least a groove is formed at least partially on an inner circumference of the rotor shaft (1). Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass an einem Außenumfang des Leitelements (9) zumindest teilweise ein Gewinde (19) oder zumindest eine Nut ausgebildet ist.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that a thread (19) or at least one groove is formed at least partially on an outer circumference of the guide element (9).
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