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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Reinigung eines Luftspalts in einer elektrischen Maschine.
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Elektrische Maschinen besitzen einen Rotor und einen Stator. Zwischen dem Rotor und dem Stator befindet sich ein Luftspalt, der beispielsweise durch frei fliegende Partikel verschmutzen kann. Zur Vermeidung einer Verschmutzung des Luftspalts ist es bekannt, die elektrische Maschine vollständig zu kapseln. Dies führt jedoch zu einer zusätzlichen Erwärmung der elektrischen Maschine.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verschmutzung des Luftspalts zwischen Rotor und Stator in elektrischen Maschinen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach betrachtet die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine, die einen Stator und einen Rotor umfasst. Der Stator bildet eine zylindrische Innenfläche aus. Der Rotor rotiert innenseitig des Stators um eine Längsachse, die eine axiale Richtung definiert, und bildet eine zylindrische Außenfläche aus. Zwischen der zylindrischen Außenfläche des Rotors und der zylindrischen Innenfläche des Stators ist ein Luftspalt ausgebildet.
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Es sind Mittel zur Bereitstellung eines Luftstroms im Luftspalt vorgesehen, wobei der Luftstrom in und/oder entgegen der axialen Richtung im Luftspalt strömt.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, den Luftspalt zwischen Rotor und Stator durch Bereitstellung eines Luftstroms zu reinigen bzw. von Verunreinigungen frei zu halten. Durch den erzeugten Luftstrom wird der Luftspalt zwischen Rotor und Stator aktiv ausgeblasen.
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Neben einer Reinigung des Luftspalts ist die Erfindung mit dem weiteren Vorteil verbunden, dass durch den Luftstrom eine Kühlung des Rotors bereitgestellt wird. Die genannten Vorteile führen zu einer Leistungssteigerung einer elektrischen Maschine aufgrund einer verbesserten Kühlung und einer geringeren Schmutzanfälligkeit.
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Der in den Luftspalt eingebrachte Luftstrom strömt in und/oder entgegen der axialen Richtung im Luftspalt. Die axiale Richtung ist durch die Längsachse des Rotors und dessen Drehrichtung entsprechend der Rechte-Hand-Regel definiert. Die Richtung des Luftstroms im Luftspalt hängt insbesondere davon ab, an welcher axialen Position im Luftspalt der Luftstrom eingebracht wird. Wenn dies in einer mittigen axialen Position erfolgt, teilt sich der Luftstrom typischerweise in eine Komponente, die in axialer Richtung strömt, und eine Komponente, die entgegen der axialen Richtung strömt, auf. Wenn der Luftstrom am Anfang oder am Ende des Luftspalts eingebracht wird, strömt der Luftstrom entweder in oder entgegen der axialen Richtung im Luftspalt.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Mittel dazu vorgesehen und ausgebildet sind, einen Luftstrom bei Rotation des Rotors bereitzustellen, wobei die Mittel durch Rotation des Rotors beschleunigte Luft in den Luftspalt einbringen, und wobei in den Luftspalt eingebrachte Luft in und/oder entgegen der axialen Richtung im Luftspalt strömt.
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Dieser Erfindungsaspekt beruht auf dem Gedanken, die Rotation des Rotors auszunutzen, um einen Luftstrom zu erzeugen, der den Luftspalt zwischen Rotor und Stator reinigt bzw. von Verunreinigungen frei hält. Die erfindungsgemäße Wirkung beruht dabei auf dem Prinzip einer Radialkreiselpumpe unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft. Im Rotor befindliche Luft wird durch Rotation des Rotors auf einer Spiralbahn nach außen getragen, dabei in radialer Richtung beschleunigt und durch die erfindungsgemäßen Mittel in den Luftspalt eingeleitet. Im Luftspalt strömt Luft dann in und/oder entgegen der axialen Richtung. Diese Ausgestaltung kommt ohne zusätzliche Komponenten zur Erzeugung eines Luftstroms aus.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Rotor einen sich in radialer Richtung erstreckenden Luftkanal ausbildet, der den Luftstrom bereitstellt und die genannten Mittel bildet, wobei der Luftkanal sich von einer Rotorwelle des Rotors in radialer Richtung erstreckt an seinem radial äußeren Ende im Luftspalt endet, so dass über das radial äußere Ende des Luftkanals bei Rotation des Rotors Luft in den Luftspalt einströmt. Da die Luft, wenn sie in den Luftspalt einströmt, am Ort des Einströmens einen Überdruck gegenüber der Umgebung aufweist, strömt sie typischerweise sowohl in als auch entgegen der axialen Richtung im Luftspalt.
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Es sind verschiedene Varianten möglich, wie Luft in den Luftkanal einströmen kann, die bei Rotation des Rotors im Luftkanal beschleunigt wird. Eine erste Ausführungsvariante hierzu sieht vor, dass der Luftkanal wellennah (d. h. direkt angrenzend an die Rotorwelle oder in einem radialen Abstand zur Rotorwelle, der kleiner ist als 50 % der radialen Länge des Luftkanals) eine Luftzuführung aufweist. Die Luftzuführung wird durch mindestens eine Öffnung im Luftkanal zur Umgebung bereitgestellt. Durch diese mindestens eine Öffnung wird bei Rotation des Rotors, wenn die im Luftkanal befindliche Luft durch die Zentrifugalkraft in radialer Richtung beschleunigt wird, nachströmende Luft in den Luftkanal eingesaugt.
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Eine zweite Ausführungsvariante für ein Einströmen von Luft in den Luftkanal sieht vor, dass die Rotorwelle als Hohlwelle ausgebildet ist. Weiter ist vorgesehen, dass die Hohlwelle über mindestens eine Öffnung mit dem Luftkanal verbunden ist. Der Luftstrom für den Luftkanal wird durch Luft bereitgestellt, die von der Hohlwelle in den Luftkanal und von diesem in den Luftspalt strömt.
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Weitere Ausführungsvarianten sehen vor, dass Luft durch eine externe Pumpe in den Luftkanal eingeführt wird. Beispielsweise wird im zuvor genannten Ausführungsbeispiel die Hohlwelle mit einem externen Druck beaufschlagt. Bei dieser Ausführungsvariante wird ein Luftstrom im Luftspalt unabhängig von einer Rotation des Rotors bereitgestellt.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Luftkanal durch zwei in axialer Richtung beabstandete, radial ausgerichtete Platten bereitgestellt wird. Beide Platten sind drehfest mit der Rotorwelle verbunden. Der Luftspalt ist zwischen den beiden Platten ausgebildet.
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Allgemein gilt, dass der Luftkanal in einer beliebigen Struktur des Rotors ausgebildet sein kann. Sofern der Rotor als Vollzylinder ausgeführt ist, wird der Luftkanal beispielsweise durch radiale Strukturen im Vollzylinder bereitgestellt. In einer Ausgestaltung, bei der der Rotor in Leichtbauweise ausgeführt ist, ist der Luftkanal in einer sich radial von der Rotorwelle erstreckenden Tragestruktur ausgebildet, die dazu dient, Oberflächen-Permanentmagnete in radialen Abstand zur Rotorwelle am Rotor zu befestigen.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Tragestruktur an ihrem der Rotorwelle entfernten, radial äußeren Ende mindestens eine Aufnahmefläche zur Aufnahme mindestens eines außenliegenden Permanentmagneten aufweist. Der oder die außenliegenden Permanentmagneten bilden dabei die Außenfläche oder sind Teil der Außenfläche des Rotors.
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Bei einer solchen Ausgestaltung kann die Tragestruktur im Längsschnitt eine T-förmig ausgebildet sein.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der Luftkanal, in dem Luft bei Rotation des Rotors in radialer Richtung beschleunigt wird und der in dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator endet, in Umfangsrichtung durchgehend oder mit Unterbrechungen ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann der Luftspalt in Umfangsrichtung verschiedene Sektoren umfassen. Bei einer Ausführung des Rotors als Vollzylinder können mehrere, in Umfangsrichtung beabstandete Kühlluftkanäle vorgesehen sein, die sich jeweils in radialer Richtung bis zum Luftspalt erstrecken.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass in dem Luftkanal Elemente zu Luftförderung angeordnet sind, die einen radialen Transport der Luft befördern. Hierbei kann es sich beispielsweise um Lamellen oder Schaufeln wie bei einem Radialpumpenrad oder um wirbelerzeugende Elemente handeln.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Luftkanal bezogen auf die axiale Ausdehnung des Luftspalts mittig im Luftspalt endet. Hierdurch wird erreicht, dass einströmende Luft in gleicher Weise in axialer Richtung und entgegen der axialen Richtung im Luftspalt strömt und diesen über seine gesamte Länge aktiv ausbläst. Um dies zu verstärken, kann vorgesehen sein, dass die zylindrische Innenfläche des Stators in dem Bereich, in dem aus dem sich in radialer Richtung erstreckenden Luftkanal austretende Luft auf den Stator prallt, eine im Querschnitt keilförmige Struktur ausgebildet ist, die einen Teil der Luft axial nach vorne und einen Teil der Luft axial nach hinten umlenkt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass axial vor und/oder axial hinter dem Luftspalt eine Abdichtung vorgesehen ist, die den Luftspalt gegenüber Verschmutzungen abdichtet. Bei der Abdichtung handelt es sich beispielsweise um eine Gleitringdichtung, eine Labyrinthdichtung oder eine Bürstendichtung. Je nach Ausgestaltung der Dichtung umfasst die Abdichtung Elemente, die sich ausgehend von dem Stator radial nach innen erstrecken und dabei radial nach innen über den Luftspalt vorstehen.
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Ein zusätzlicher Schutz des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator mittels einer Abdichtung führt zu einer weitergehenden Vermeidung einer Verschmutzung des Luftspalts. Die Abdichtung schützt den Luftspalt dabei insbesondere vor Partikeln, die in axialer Richtung fliegen.
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Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um einen Elektromotor, insbesondere einen Permanentmagnet-Synchronmotor. Bei einem Permanent-Synchronmotor ist der Stator mit Spulen besetzt, während auf dem Rotor außenliegende Oberflächenmagnete angebracht sind. Die Wechselspannung liegt an den Statorspulen an.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Reinigung eines Luftspalts in einer elektrischen Maschine, wobei sich der Luftspalt zwischen einer zylindrischen Innenfläche eines Stators und einer zylindrischen Außenfläche eines Rotors der elektrischen Maschine erstreckt. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Beschleunigen von Luft in radialer Richtung durch Rotation des Rotors;
- - Einströmen der Luft in den Luftspalt, und
- - Strömen der Luft im Luftspalt in und/oder entgegen einer axialen Richtung des Rotors.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Luft in einem Luftkanal beschleunigt wird, der sich im Rotor in radialer Richtung erstreckt und der im Luftspalt endet.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 in einem Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel eines Elektromotors, der einen Rotor und einen Stator umfasst, zwischen denen ein Luftspalt ausgebildet ist, wobei der Rotor einen sich in radialer Richtung erstreckenden Luftkanal ausbildet und der Luftkanal wellennah Öffnungen zum Eintritt eines Luftstroms ausbildet; und
- 2 in einem Längsschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Elektromotors, der einen Rotor und einen Stator umfasst, zwischen denen ein Luftspalt ausgebildet ist, wobei der Rotor einen sich in radialer Richtung erstreckenden Luftkanal ausbildet und der Luftkanal eine Öffnung zu einer Hohlwelle des Rotors zum Eintritt eines Luftstroms durch die Hohlwelle aufweist.
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Bei der im Folgenden betrachteten elektrischen Maschine handelt es sich um einen Elektromotor. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können jedoch in gleicher Weise bei einem elektrischen Generator Verwendung finden.
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Gemäß der 1 weist der Elektromotor einen Stator 1 und einen Rotor 2 auf. Der Stator 1 ist lediglich schematisch dargestellt und umfasst in an sich bekannter Weise eine Mehrzahl von Spulen (nicht dargestellt). Der Rotor 2 ist innenseitig des Stators 1 angeordnet und rotiert um eine Längsachse 51, die eine axiale Richtung x definiert. Es handelt sich um einen innenlaufenden Rotor 2, der innerhalb des den Rotor 2 umgebenen Stators 1 rotiert.
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Der Stator 1 umfasst eine zylindrische Innenfläche 11. Der Rotor 2 umfasst eine zylindrische Außenfläche 21. Zwischen der zylindrischen Innenfläche 11 des Stators 1 und der zylindrischen Außenfläche 21 des Rotors 2 ist ein Luftspalt 3 ausgebildet, der lediglich schematisch und nicht maßstabsgerecht dargestellt ist. Der Luftspalt 3 ist ein radialer Luftspalt, d. h. er ist durch den radialen Abstand zwischen der Außenfläche 21 und der Innenfläche 11 definiert. Gleichzeitig besitzt er eine Längserstreckung in der axialen Richtung x.
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Der Rotor 2 umfasst eine Rotorwelle 5, die um die Längsachse 51 rotiert. Von der Rotorwelle 5 erstreckt sich in radialer Richtung ein Luftkanal 4, der an seinem radial äußeren Ende im Luftspalt 3 endet. An der Stelle, an der der Luftkanal 4 im Luftspalt 3 endet, ist am Stator 1 eine keilförmige Struktur 9 ausgebildet, die zwei schräg verlaufende Flächen aufweist, die jeweils einen spitzen Winkel von beispielsweise 45° oder 60° zur zylindrischen Innenfläche 11 des Stators 1 ausbilden.
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Der Luftkanal 4 ist in einer Tragestruktur 6 ausgebildet, die in der Längsdarstellung der 1 einen T-förmigen Aufbau besitzt. So umfasst die Tragestruktur 62 axial beabstandete, jeweils in radialer Richtung ausgerichtete Platten 61, 62, zwischen denen der Luftkanal 4 ausgebildet ist. In der Schnittdarstellung der 1 erscheinen die Platten 61, 62 als Steg.
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An ihrem der Rotorwelle 5 entfernten, radial äußeren Ende weisen die beiden Platten 61, 62 bzw. die Tragestruktur 6 jeweils eine sich in axialer Richtung erstreckende Aufnahmefläche 65, 66 auf. An der Außenfläche der Aufnahmeflächen 65, 66 sind schematisch dargestellte, außenliegende Oberflächenmagnete 71, 72 angeordnet, die durch Permanentmagnete gebildet sind. Die Oberflächenmagnete 5 sind beispielsweise an den Aufnahmeflächen 65, 66 angeklebt. Dabei kann vorgesehen sein, dass sie durch eine Bandage (nicht dargestellt) radial fixiert sind. Eine solche Bandage wird beispielsweise durch eine Glashülse oder eine Kohlefaserhülse gebildet.
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Die Oberflächenmagnete 71, 72 bilden, zusammen mit einer gegebenenfalls vorhandenen Bandage, die zylindrische Au ßenfläche 71 des Rotors.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete des Rotors nicht als Oberflächenmagnete ausgebildet sind, sondern als sogenannte vergrabene Magnete, die vom Rotorblech gehalten werden. In einem solchen Fall wird die zylindrische Außenfläche 71 des Rotors beispielsweise durch das Rotorblech gebildet.
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Axial vor und axial hinter dem Luftspalt 3 ist jeweils eine Abdichtung 12, 13 vorgesehen, die sich ausgehend von dem Stator 1 radial nach innen erstreckt und dabei radial nach innen über den Luftspalt 3 vorsteht und diesen somit für axial fliegende Partikel abdeckt.
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Bei der Abdichtung 12, 13 handelt es sich beispielsweise um eine Bürstendichtung, eine Labyrinthdichtung oder eine Gleitringdichtung. Zwischen der axial vorderen Abdichtung 12 und der Aufnahmefläche 65 bzw. zwischen der axial hintere Abdichtung 13 und der Aufnahmefläche 66 ist jeweils ein Spalt 14, 15 ausgebildet.
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Im sich radial erstreckenden Luftkanal 4 sind radial angrenzend an die Rotorwelle 5 Luftzuführungen ausgebildet, die durch Öffnungen 63, 64 in den Platten 61, 62 bereitgestellt sind. Des Weiteren sind im Luftkanal 4 eine Mehrzahl von Elementen 8 zur Luftförderung angeordnet. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine Beschaufelung oder Lamellen, durch die Luft - analog einer Radialpumpe - unter Bereitstellung einer Druckerhöhung radial zum äußeren Umfangsbereich transportiert wird.
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Durch den Luftkanal 4 wird bei Rotation des Rotors 2 ein Luftstrom bereitgestellt, der in den Luftspalt 3 eingebracht wird und im Luftspalt 3 in axialer Richtung und entgegen der axialen Richtung strömt. Die Funktionsweise ist dabei wie folgt.
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Bei Rotation des Rotors 2 erfährt die Luft im Luftkanal 4 aufgrund der Elemente 8 zur Luftförderung (und zusätzlich durch Mitnahme der an die Platten 61, 62 angrenzenden Luft-Grenzschicht) eine Beschleunigung in radialer Richtung aufgrund der Zentrifugalkraft. Die Luft wird auf einer Spiralbahn nach außen getragen. Dabei nimmt der Druck aufgrund der Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen zu. Dementsprechend wird Luft über die Öffnungen 63, 64 radial innen angesaugt, so dass wellennah zwei Luftströme A, B existieren, über die Luft in den Luftkanal 4 einströmt. Im Luftkanal 4 strömt die Luft wie erläutert in einem Luftstrom C radial nach außen (wobei die Luft eine spiralförmige Bewegung durchführt). Die Luft des Luftstroms C prallt gegen die keilförmige Struktur 9 und teilt sich in eine Strömung D, die entgegen der axialen Richtung strömt, und eine Strömung E, die in axialer Richtung strömt, auf. Die Strömungen D, E ergeben sich dabei aus dem durch die Rotation des Rotors 2 erzeugten Überdruck.
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In den Spalten 14, 15 zwischen der axial vorderen Abdichtung 12 und der Aufnahmefläche 65 bzw. zwischen der axial hinteren Abdichtung 13 und der Aufnahmefläche 66 strömt die Luft aus dem Luftspalt 3 hinaus.
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Durch die Rotation des Rotors 2 und die beschriebene Konstruktion wird somit ein Luftstrom im Luftspalt 3 ausgebildet, der aus den beiden Teil-Luftströmen D, E besteht und der für ein Ausblasen des Luftspalts 3 sorgt, so dass einer Verschmutzung des Luftspalts 3 entgegengewirkt wird. Zusätzlich wird eine Verschmutzung des Luftspalts 3 durch die beiden Abdichtungen 12, 13 verhindert, die insbesondere den Luftspalt 3 gegenüber in axialer Richtung fliegenden Partikeln abdichten.
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In der Schnittdarstellung der 1 ist nur die obere Hälfte des Elektromotors dargestellt. Dies erfolgt lediglich für eine bessere Übersichtlichkeit der Darstellung. Die untere Hälfte des Elektromotors ist in entsprechender Weise ausgebildet, wobei Stator 1 und/oder Rotor 2 rotationssymmetrisch ausgebildet sein können.
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Der in der 1 dargestellte Elektromotor wird auch als Permanentmagnet-Synchronmotor bezeichnet. Im Betrieb wird eine Wechselspannung an die Statorspulen angelegt, wodurch diese bei Stromfluss ein Magnetfeld ausbilden, das sich durch eine Dreiphasigkeit des Stroms fortlaufend im Kreis bewegt. Ein weiteres Magnetfeld bilden die Oberflächenmagnete 71, 72 des Rotors 2.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Art und Weise der Bereitstellung eines Luftstroms bei Rotation des Rotors in der 1 lediglich beispielhaft zu verstehen ist. Grundsätzlich können bei der vorliegenden Erfindung beliebige Konstruktionen Einsatz finden, bei denen durch Rotation des Rotors oder in anderer Weise ein Luftstrom erzeugt wird, der in den Luftspalt 3 eingeleitet wird.
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Hierzu zeigt die 2 eine alternative Konstruktion, die sich lediglich in den nachfolgend beschriebenen Merkmalen von der Konstruktion der 1 unterscheidet. So ist die Rotorwelle bei dem Ausführungsbeispiel der 2 als Hohlwelle 50 ausgebildet, die einen inneren Hohlzylinder 55 ausbildet. Der Hohlzylinder 55 ist über eine Luftleitung 56 mit dem Luftkanal 4 verbunden. Bei Rotation der Hohlwelle 50 wird über den Hohlzylinder 55 und die Luftleitung 56 Luft in den Luftkanal 4 gesaugt. Im Übrigen entsprechen die Funktionsweise und der Aufbau der Funktionsweise und dem Aufbau des Ausführungsbeispiels der 2.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Hohlzylinder 55 durch eine externe Druckquelle unter Druck gesetzt ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein Luftstrom durch den Luftkanal 4 und den Luftspalt 3 auch erzeugt wird, wenn der Rotor 2 sich nicht dreht. Wenn der Rotor 2 sich dreht, wird dabei ein größerer Luftstrom bereitgestellt.
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Weitere Ausgestaltungen sehen vor, dass ein Luftstrom ausschließlich durch eine externe Druckquelle bereitgestellt wird.
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Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
