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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Asynchronmaschine und eine elektrische Asynchronmaschine.
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Es ist schon ein Rotor einer elektrischen Asynchronmaschine aus der
DE 4023791 A1 bekannt, der eine um eine Rotorachse drehbare Rotorwelle, ein mit der Rotorwelle gekoppeltes Rotoraußenteil und ein mit der Rotorwelle gekoppeltes Rotorinnenteil umfasst, wobei das Rotorinnenteil bezüglich der Rotorachse radial innerhalb des Rotoraußenteils angeordnet ist, wobei das Rotoraußenteil und das Rotorinnenteil jeweils ein Blechpaket und jeweils eine Käfigwicklung aufweisen, die jeweils zwei Kurzschlussringe und mehrere die zwei Kurzschlussringe miteinander verbindende Kurzschlussstäbe umfasst. Das Rotoraußenteil ist über einen Außenteilträger mittelbar mit der Rotorwelle gekoppelt, wobei der Außenteilträger an einer der beiden Stirnseiten des Rotoraußenteils mit der Rotorwelle verbunden ist. Das Rotoraußenteil ist höheren Fliehkräften ausgesetzt als das Rotorinnenteil. Dabei bilden die Kurzschlussringe des Rotoraußenteils aufgrund der vergleichsweise geringen Festigkeit des Materials der Käfigwicklung und aufgrund der Lage außerhalb des Blechpakets die mechanisch schwächste Komponente. Die maximale Drehzahl des Rotors der Asynchronmaschine wird daher durch die Kurzschlussringe des Rotoraußenteils begrenzt.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Rotor der Asynchronmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Drehzahlfestigkeit der Kurzschlussringe des Rotoraußenteils erhöht wird. Der Rotor der Asynchronmaschine kann dadurch mit höheren Drehzahlen betrieben werden als im Stand der Technik. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem das Rotoraußenteil an seiner dem Rotorinnenteil abgewandten Außenseite von einem mit der Rotorwelle gekoppelten und insbesondere hohlzylinderförmigen Stützkörper umschlossen ist und indem jeder Kurzschlussring des Rotoraußenteils zur Abstützung von Fliehkräften an dem Stützkörper und/oder an dem Außenteilträger mechanisch abgestützt ist.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Rotors der Asynchronmaschine möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn der Stützkörper zur Abstützung zumindest eines der beiden Kurzschlussringe des Rotoraußenteils jeweils mit einem Kragabschnitt in axialer Richtung bezüglich der Rotorachse über das Blechpaket des Rotoraußenteils hinaussteht, und dass der jeweilige Kurzschlussring zur Abstützung am Stützkörper in radialer Richtung bis an den jeweiligen Kragabschnitt reicht. Dadurch stellt der Stützkörper nicht nur für das Blechpaket des Rotoraußenteils, sondern auch für den jeweiligen Kurzschlussring ein Stützelement dar.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn zumindest an der dem Außenteilträger abgewandten Stirnseite des Rotors der Kragabschnitt des Stützkörpers an seiner dem Rotoraußenteil zugewandten Innenseite stufenlos in den übrigen Teil des Stützkörpers übergeht. Auf diese Weise lässt sich die Abstützung des jeweiligen Kurzschlussrings am Stützkörper besonders einfach realisieren.
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Sehr vorteilhaft ist es, wenn der jeweilige Kurzschlussring des Rotoraußenteils mehrere Aussparungen aufweist, die jeweils in axialer Richtung bezüglich der Rotorachse bis an das Blechpaket des Rotoraußenteils heranreichen. Die Aussparungen des Kurzschlussrings sind erfindungsgemäß durch axiales Entformen einer Gussformkontur erzeugt, wobei die Gussformkontur dem Spannen des Blechpakets während eines Gießens der Käfigwicklung dient. Da sich der Kurzschlussring erfindungsgemäß in radialer Richtung bis an den Kragabschnitt des Stützkörpers erstreckt, würde dabei - ohne die Aussparungen des Kurzschlussringsdie jeweilige Stirnseite des entsprechenden Blechpakets vollständig bedeckt werden, so dass ein Spannen des Blechpakets während des Gießens der Käfigwicklung nicht möglich wäre. Daher wird durch die Aussparungen eine Gießbarkeit für den erfindungsgemäßen Kurzschlussring der Käfigwicklung erreicht.
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Nach einer vorteilhaften Ausführung können die Aussparungen des jeweiligen Kurzschlussrings des Rotoraußenteils nach radial außen hin offen oder aus der axialen Richtung gesehen im Querschnitt geschlossen ausgebildet sein.
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Nach einem vorteilhaften ersten Ausführungsbeispiel ist der Außenteilträger topfförmig ausgebildet und insbesondere aus Stahl hergestellt. Weiterhin ist das Rotoraußenteil mit einer Außenseite an einer Innenseite eines zylinderförmigen Abschnittes des topfförmigen Außenteilträgers zur Drehmomentübertragung befestigt, insbesondere kraftschlüssig, wobei der Stützkörper Teil des zylinderförmigen Abschnittes des Außenteilträgers ist. Das erste Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass sie auf einfache und kostengünstige Weise eine Abstützung der Kurzschlussringe am Stützkörper ermöglicht.
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Nach einem vorteilhaften zweiten Ausführungsbeispiel ist der Außenteilträger zur Halterung des Rotoraußenteils an dem dem Außenteilträger zugewandten Kurzschlussring des Rotoraußenteils befestigt, insbesondere kraftschlüssig und/oder formschlüssig. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist das Rotoraußenteil über den dem Außenteilträger zugewandten Kurzschlussring an dem Außenteilträger befestigt. Zusätzlich bilden das Rotoraußenteil und der Außenteilträger eine bündige Umfangsfläche, auf der eine Rotorbandage vorgesehen ist, die zumindest an der dem Außenteilträger abgewandten Stirnseite, insbesondere an beiden Stirnseiten, den Stützkörper bildet. Das zweite Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass die Bandage die Funktion der Fliehkraftabstützung übernehmen kann und dass kein zusätzliches Stahlbauteil als Stützkörper erforderlich ist.
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Desweiteren vorteilhaft ist, wenn die Rotorbandage zwischen dem Rotoraußenteil und dem Außenteilträger eine kraftschlüssige Verbindung bildet und insbesondere aus einem faserverstärktem oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff hergestellt ist, da eine solche Art der Verbindung einfach und kostengünstig herstellbar ist. Die Ausführung aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff ermöglicht zudem eine signifikante Steigerung der maximalen Betriebsdrehzahl gegenüber einem Stützkörper aus Stahl.
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Außerdem vorteilhaft ist, wenn das Rotorinnenteil, insbesondere dessen Blechpaket, eine zentrale Durchgangsöffnung zum Durchführen der Rotorwelle und zur drehmomentübertragenden, insbesondere kraftschlüssigen oder formschlüssigen, Verbindung des Rotorinnenteils mit der Rotorwelle aufweist. Auf diese Weise sind das Rotorinnenteil und das Rotoraußenteil getrennt voneinander mit der Rotorwelle verbunden und drehen im Betrieb jeweils mit der gleichen Drehzahl.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn der erfindungsgemäße Rotor in einer elektrischen Asynchronmaschine vorgesehen ist, die einen Stator aufweist, der in radialer Richtung gesehen zwischen dem Rotoraußenteil und dem Rotorinnenteil des erfindungsgemäßen Rotors angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine sehr kostengünstige elektrische Maschine mit ausreichender elektrischer Leistung erreicht.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt im Schnitt eine elektrische Asynchronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine Schnittansicht des Rotors nach 1 in einer alternativen Ausgestaltung,
- 3 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Rotors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel und
- 4 eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotors nach dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt im Schnitt eine elektrische Asynchronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor nach einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Die elektrische Asynchronmaschine 1 hat einen erfindungsgemäßen Rotor 2, der eine um eine Rotorachse 3 drehbare Rotorwelle 4, ein mit der Rotorwelle 4 gekoppeltes Rotoraußenteil 2.1 und ein mit der Rotorwelle 4 gekoppeltes Rotorinnenteil 2.2 umfasst. Das Rotorinnenteil 2.2 ist bezüglich der Rotorachse 3 radial innerhalb des Rotoraußenteils 2.1 angeordnet. Das Rotoraußenteil 2.1 und das Rotorinnenteil 2.2 sind beispielsweise koaxial angeordnet und weisen jeweils ein Blechpaket 7 und jeweils eine Käfigwicklung 8 auf, die jeweils zwei Kurzschlussringe 9 und mehrere die zwei Kurzschlussringe 9 miteinander verbindende Kurzschlussstäbe 10 umfasst. Das Rotoraußenteil 2.1 des Rotors 2 ist mit der Rotorwelle 4 über einen Außenteilträger 11 gekoppelt, der an einer der beiden Stirnseiten des Rotoraußenteils 2.1 über eine Wellenverbindung 6 mit der Rotorwelle 4 verbunden ist. Das Rotoraußenteil 2.1 und das Rotorinnenteil 2.2 sind getrennt voneinander mit der Rotorwelle 4 gekoppelt und sind somit nur über die Rotorwelle 4 und nicht unmittelbar miteinander verbunden. Das Rotorinnenteil 2.2, insbesondere dessen Blechpaket 7, weist beispielsweise eine zentrale Durchgangsöffnung 5 zum Durchführen der Rotorwelle 4 und zur drehmomentübertragenden Verbindung des Rotorinnenteils 2.2 mit der Rotorwelle 4 auf.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Rotoraußenteil 2.1 an seiner dem Rotorinnenteil 2.2 abgewandten Außenseite von einem mit der Rotorwelle 4 gekoppelten und insbesondere hohlzylinderförmigen Stützkörper 12 umschlossen ist und dass jeder Kurzschlussring 9 des Rotoraußenteils 2.1 zur Abstützung von Fliehkräften an dem Stützkörper 12 und/oder an dem Außenteilträger 11 mechanisch abgestützt ist. Auf diese Weise wird die Drehzahlfestigkeit der Kurzschlussringe 9 des Rotoraußenteils 2.1 des Rotors 2 erhöht, so dass der Rotor 2 der Asynchronmaschine 1 mit sehr hohen Drehzahlen betreibbar ist.
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Der Stützkörper 12 steht zur Abstützung zumindest eines der beiden Kurzschlussringe 9 des c jeweils mit einem Kragabschnitt 12.1 in axialer Richtung bezüglich der Rotorachse 3 über das Blechpaket 7 des Rotoraußenteils 2.1 hinaus. Außerdem reicht der jeweilige Kurzschlussring 9 zur Abstützung am Stützkörper 12 in radialer Richtung bezüglich der Rotorachse 3 bis an den jeweiligen Kragabschnitt 12.1 heran.
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Nach dem ersten Ausführungsbeispiel werden beide Kurzschlussringe 9 der Käfigwicklung 8 des Rotoraußenteils 2.1 an dem Stützkörper 12 abgestützt.
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Zumindest an der dem Außenteilträger 11 abgewandten Stirnseite, beispielsweise an beiden Stirnseiten bzw. axialen Enden, des Rotors 2 geht der Kragabschnitt 12.1 des Stützkörpers 12 an seiner dem Rotoraußenteil 2.1 zugewandten Innenseite stufenlos in den übrigen Teil des Stützkörpers 12 über.
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2 zeigt eine Schnittansicht des Rotors nach 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel in einer alternativen Ausgestaltung. Bei dem Rotor 2 nach 2 sind die gegenüber dem Rotor 2 nach 1 gleichbleibenden oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Zumindest einer der beiden, nach dem ersten Ausführungsbeispiel beispielsweise beide Kurzschlussringe 9 des Rotoraußenteils 2.1 weist beispielsweise mehrere Aussparungen 15 auf, die in Umfangsrichtung zueinander beabstandet sind und jeweils in axialer Richtung bezüglich der Rotorachse 3 bis an das Blechpaket 7 des Rotoraußenteils 2.1 heranreichen. Die Aussparungen 15 des jeweiligen Kurzschlussrings 9 des Rotoraußenteils 2.1 können gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach radial außen hin offen ausgebildet sein. Auf diese Weise hat der jeweilige Kurzschlussring 9 an seinem dem Stützkörper 12 zugewandten Außenumfang beispielsweise eine zahnförmige Kontur mit Zähnen und Zahnlücken.
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Alternativ können die Aussparungen 15 des jeweiligen Kurzschlussrings 9 aus der axialen Richtung gesehen im Querschnitt geschlossen, also auf den Querschnitt bezogen vollständig von Material des jeweiligen Kurzschlussrings 9 umschlossen sein.
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Die Aussparungen 15 des jeweiligen Kurzschlussrings 9 sind beispielsweise bei der Herstellung des Rotors 2 durch Vorsprünge einer in axialer Richtung bezüglich der Rotorachse 3 entformten Positiv-Gussformkontur eines Gusswerkzeugs erzeugt, wobei die Vorsprünge der Positiv-Gussformkontur zum Zusammenhalten oder Zusammenpressen des Blechpakets 7 des Rotoraußenteils 2.1 während des Gießens der entsprechenden Käfigwicklung 8 vorgesehen sind.
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Nach dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Außenteilträger 11 topfförmig ausgebildet und beispielsweise aus Stahl hergestellt. Die Topfform des Außenteilträgers 11 ist beispielsweise durch einen scheibenförmigen Abschnitt 11.1 und einen zylinderförmigen bzw. hohlzylinderförmigen Abschnitt 11.2 gebildet. Außerdem ist das Rotoraußenteil 2.2 mit einer Außenseite an einer Innenseite des zylinderförmigen Abschnittes 11.2 des topfförmigen Außenteilträgers 11 zur Drehmomentübertragung befestigt, beispielsweise kraftschlüssig mittels einer Pressverbindung, wobei der Stützkörper 12,12.1 Teil des zylinderförmigen Abschnittes 11.2 des Außenteilträgers 11 ist. Der topfförmige Außenteilträger 11 kann nach 1 einstückig ausgebildet sein. Alternativ kann der topfförmige Außenteilträger 11 nach 2 mehrstückig ausgeführt sein, so dass der scheibenförmige Abschnitt 11.1 und der zylinderförmige Abschnitt 11.2 des Außenteilträgers 11 separate Bauteile sind.
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Im ersten Ausführungsbeispiel kann der Außenteilträger 11 des Rotors 2 zusätzlich von einer Rotorbandage 14 umschlossen sein, um die Drehzahlfestigkeit des Rotors 2 noch weiter zu erhöhen.
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3 zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Rotors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel. Bei dem Rotor 2 nach 3 sind die gegenüber dem Rotor 2 nach 1 und 2 gleichbleibenden oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Außenteilträger 11 zur Halterung des Rotoraußenteils 2.1 an dem dem Außenteilträger 11 zugewandten Kurzschlussring 9 des Rotoraußenteils 2.1 befestigt, insbesondere kraftschlüssig und/oder formschlüssig. Der Außenteilträger 11 ist beispielsweise scheibenförmig ausgeführt. Weiterhin liegt der dem Außenteilträger 11 zugewandte Kurzschlussring 9 des Rotoraußenteils 2.1 beispielsweise mit einer Stirnseite an einer Stirnseite des Außenteilträgers 11 an und wird beispielsweise mittels von Schrauben an den Außenteilträger 11 angezogen. Zusätzlich bilden das Rotoraußenteil 2.1 und der Außenteilträger 11 am Außenumfang eine bündige Umfangsfläche, auf der eine Rotorbandage 16 vorgesehen ist, die zumindest an der dem Außenteilträger 11 abgewandten Stirnseite, insbesondere an beiden Stirnseiten, den Stützkörper 12,12.1 bildet. Im zweiten Ausführungsbeispiel werden beide Kurzschlussringe 9 der Käfigwicklung 8 des Rotoraußenteils 2.1 an dem Stützkörper 12, also an der Rotorbandage 16, abgestützt.
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Die Rotorbandage 16 bildet zwischen dem Rotoraußenteil 2.1 und dem Außenteilträger 11 eine kraftschlüssige Verbindung. Die Rotorbandage 16 ist beispielsweise aus einem faserverstärkten, insbesondere kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) hergestellt.
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Nach dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die im jeweiligen Kurzschlussring 9 ausgebildeten Aussparungen 15 wie ersten Ausführungsbeispiel in jedem der beiden Kurzschlussringe 9 vorgesehen.
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4 zeigt eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotors nach dem zweiten Ausführungsbeispiel. Bei dem Rotor 2 nach 4 sind die gegenüber dem Rotor 2 nach 1 bis 3 gleichbleibenden oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die alternative Variante des zweiten Ausführungsbeispiels nach 4 unterscheidet sich von der Ausführung nach 3 lediglich in der Weise, wie der dem Außenteilträger 11 zugewandte Kurzschlussring 9 des Rotoraußenteils 2.1 an dem Außenteilträger 11 befestigt ist. Nach 4 ist der Kurzschlussring 9 mit dem Außenteilträger 11 anstatt mit Schrauben über eine Pressverbindung verbunden, beispielsweise indem eine radial äußere Umfangsfläche und/oder eine radial innere Umfangsfläche des Kurzschlussrings 9 mit einer korrespondierenden Kontur im Außenteilträger 11 einen Pressverband eingehen. Nach der Ausführung in 4 ist der Außenteilträger 11 beispielsweise topfförmig ausgebildet, wobei eine radial äußere Umfangsfläche des Kurzschlussrings 9 mit einer radial inneren Umfangsfläche eines hohlzylinderförmigen Abschnitts 11.2 des Außenteilträgers 11 den Pressverband bildet.
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Aufgrund der unterschiedlichen Befestigung des Rotoraußenteils 2.1 an dem Außenteilträger 11 ist der dem Außenteilträger 11 zugewandte Kurzschlussring 9 nicht an dem Stützkörper 12, also der Rotorbandage 16, abgestützt, sondern an dem Außenteilträger 11. Der dem Außenteilträger 11 abgewandte Kurzschlussring 9 dagegen ist wie in 3 an der Rotorbandage 16 abgestützt.
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Eine weitere, nicht dargestellte Alternative wäre, den Kurzschlussring 9 des Rotoraußenteils 2.1 in einer ringförmigen Vertiefung oder Nut des Außenteilträgers 11 zu befestigen.
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Auch bei der alternativen Variante des zweiten Ausführungsbeispiels nach 4 bilden das Rotoraußenteil 2.1 und der Außenteilträger 11 am Außenumfang eine bündige Umfangsfläche, auf der die Rotorbandage 16 vorgesehen ist, die zumindest an der dem Außenteilträger 11 abgewandten Stirnseite, insbesondere an beiden Stirnseiten, den Stützkörper 12,12.1 bildet und/oder zwischen dem Rotoraußenteil 2.1 und dem Außenteilträger 11 eine kraftschlüssige Verbindung herstellt.
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Die elektrische Asynchronmaschine nach 1 weist einen Stator 20 mit einer Statorwicklung 21 auf. Der Stator 20 ist beispielsweise als Blechpaket 7 ausgeführt und in radialer Richtung gesehen zwischen dem Rotoraußenteil 2.1 und dem Rotorinnenteil 2.2 des erfindungsgemäßen Rotors 2 angeordnet. Der Stator 20 ist beispielsweise an einem Lagerschild 22 eines Gehäuses 23 befestigt, beispielsweise indem ein Wickelkopf der Statorwicklung 21 in einer Vertiefung des Lagerschildes 22 befestigt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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