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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator.
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Statoren für elektrische Maschinen tragen üblicherweise Spulenwicklungen, mittels welchen ein magnetisches Feld zum Antreiben des Rotors derselben elektrischen Maschine durch magnetische Wechselwirkung erzeugt werden kann. Darüber hinaus umfassen solchen Statoren oftmals ein sogenanntes Blechpaket aus aufeinander gestapelten Statorblechen, mittels welchem die magnetischen Feldlinien des vom Stator erzeugten Magnetfelds beeinflusst werden können. Dadurch kann die Kopplung zwischen dem vom Stator erzeugten Magnetfeld und dem vom Rotor erzeugte Magnetfeld optimiert werden.
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Im Betrieb der elektrischen Maschine bzw. des Stators, insbesondere, wenn die Statorspulen elektrisch bestromt werden, entsteht Abwärme, die abgeführt werden muss, um einer Überhitzung und einer damit einhergehenden Beschädigung oder gar Zerstörung des Stators entgegenzuwirken. Hierzu ist es bekannt, durch die Statorbleche des Blechpakets ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium zu führen, welches besagte Abwärme aufnehmen und somit aus dem Stator abzuführen.
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Vor diesem Hintergrund schlägt die
US 10,158,263 B2 vor, in den Statorblechen Durchbrüche auszubilden, die von dem Kühlmedium - etwa einem Öl - durchströmt werden können.
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All diesen Kühlmechanismen ist gemeinsam, dass sie technisch nur relativ aufwändig umsetzbar und somit mit nicht unerheblichen Zusatzkosten verbunden sind.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für einen Stator für eine elektrische Maschine zu schaffen, in welcher voranstehend beschriebenes Problem adressiert ist. Insbesondere soll ein verbesserter Stator geschaffen werden, in welchem ein Kühlmechanismus zum Abführen von Abwärme vorgesehen ist, der technisch relativ einfach aufgebaut und somit kostengünstig realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, auf dem Außenumfang eines durch mehrere axial aufeinandergestapelte Statorbleche gebildeten Blechpakets eine Rippenstruktur mit mehreren Rippen vorzusehen, welche zusammen mit dem Gehäuse des Stators einen Fluidpfad begrenzen, durch welchen ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium in Form eines Fluids, insbesondere Öl, gefühlt werden kann. Dabei wird der Fluidpfad radial innen vom Außenumfang des Blechpakets und kann außerdem radial außen vom Innenumfang des Gehäuses begrenzt sein. Der Außenumfang des Blechpakets ist also radial im Abstand zum Gehäuse des Stators angeordnet, wodurch der Fluidpfad einen Kühlpfad bzw. Kühlkanal ausbilden kann.
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Mittels besagter, am Außenumfang des Blechpakets ausgebildeter Rippen, die erfindungsgemäß in den Fluidpfad hineinragen, sind sogenannte Strömungsleitelemente realisiert, welche eine Ablenkung des Kühlmediums beim Durchströmen des Fluidpfad bewirken. Dadurch wird eine verbesserte thermische Kopplung des Kühlmediums an das Material des Blechpakets bzw. der das Blechpaket ausbildenden Statorbleche bewirkt. Damit einher geht eine verbesserte Abführung von Abwärme vom Blechpaket bzw. von den Statorblechen auf das Kühlmedium. Auf diese Weise wird eine effiziente Abfuhr von Abwärme von den Statorblechen auf das Kühlmedium realisiert. Da besagte Rippenstruktur mit den Rippen auf technisch einfache Weise am Außenumfang des Blechpakets vorgesehen werden kann, etwa in dem diese integral an den einzelnen Statorblechen ausgeformt werden, lässt sich besagter Fluidpfad mit der gewünschten effizienten thermischen Ankopplung an die Statorbleche auf technisch einfache Weise realisieren.
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Im Einzelnen umfasst ein erfindungsgemäßer Stator für eine elektrische Maschine ein einen Gehäuseinnenraum umgebendes Gehäuse. Ferner umfasst der Stator mehrere, also wenigstens drei, im Gehäuseinnenraum angeordnete und entlang einer axialen Richtung aufeinandergestapelte, vorzugsweise axial aneinander anliegende, Statorbleche, die zusammen ein Blechpaket des Stators ausbilden. Wenigstens ein Statorblech kann durch ein Blechformteil aus einem Metall gebildet sein. Dies ermöglicht es, die Rippenstruktur direkt im Zuge der Herstellung des Blechformteils, beispielsweise durch einen Stanzvorgang, mit herzustellen. Bevorzugt gilt dies für mehrere oder sogar alle Statorbleche des Blechpakets. Besonders zweckmäßig können die Rippen der Rippenstruktur daher integral am Blechpaket bzw. an deren Statorblechen ausgeformt sein.
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Beim erfindungsgemäßen Stator ist das Blechpaket radial im Abstand zum Gehäuse angeordnet. Eine radiale Richtung verläuft dabei senkrecht zur axialen Richtung, bevorzugt von einer Mittellängsachse des Stators weg, die sich entlang der axialen Richtung erstreckt. Zwischen dem Gehäuse und dem Blechpaket ist dadurch ein radialer Zwischenraum gebildet, der zum Kühlen des Stators von einem Kühlmedium durchströmt werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen die Rippen radial au-ßen am Gehäuse an. Dadurch kann das Gehäuse eine radial äußere Begrenzung des Fluidkanals ausbilden. Auf eine separate Begrenzung des Fluidkanals kann somit verzichtet werden, womit Kostenvorteile bei der Herstellung des Stators einhergehen.
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Besonders bevorzugt ist an wenigstens zwei verschiedenen Statorblechen des Blechpakets jeweils wenigstens eine Rippe der Rippenstruktur ausgeformt. Dadurch wird eine gleichmäßige Ablenkung des Kühlmediums erreicht werden.
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Besonders bevorzugt sind die Rippen der Rippenstruktur rasterartig auf dem Außenumfang des Blechpaketes angeordnet. Auf diese Weise wird das durch Fluidpfad geführte Kühlmedium besonders oft abgelenkt, wodurch eine besonders wirksame thermische Kopplung an die Statorbleche erreicht wird.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind mehrere, vorzugsweise alle, der Rippen so auf dem Außenumfang angeordnet, dass diese Rippen den Fluidpfad in mehrere Teilfluidpfade unterteilen. Durch Bereitstellung besagter Teilfluidpfade kann eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmediums auf den Fluidpfad und somit eine gleichmäßige Abführung von Wärme von dem Blechpaket erreicht werden. Dadurch wird eine gleichmäßige Kühlung der Statorbleche erreicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Stators ist/sind wenigstens eine, bevorzugt mehrere, besonders bevorzugt alle, der Rippen längsförmig ausgebildet und erstreckt/erstrecken sich entlang einer Längsrichtung, die parallel zur axialen Richtung verläuft. Alternativ oder zusätzlich kann ist/sind bei dieser Weiterbildung wenigstens eine, bevorzugt mehrere, besonders bevorzugt alle, der Rippen stegartig ausgebildet sind.
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Besonders bevorzugt sind mehrere, vorzugsweise alle, der Rippen der Rippenstruktur, im Abstand zueinander angeordnet. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Rippen die Durchströmung des Fluidpfads mit dem Kühlmedium nicht zu stark behindern, gleichzeitig wird jedoch gewährleistet, dass die gewünschte Ablenkung des Kühlmediums zum Zwecke der verbesserten Wärmeaufnahme erfolgt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind an wenigstens einem ersten Statorblech und an einem zum ersten Statorblech axial benachbarten zweiten Statorblech des Blechpaketes jeweils wenigstens zwei, bevorzugt mehrere, Erste bzw. Zweite der Rippen der Rippenstruktur im Abstand, vorzugsweise äquidistant, zueinander angeordnet. Bei dieser Weiterbildung sind die ersten Rippen des ersten Statorblechs in einer Umfangsrichtung des Stators versetzt zu den zweiten Rippen des zweiten Statorblechs angeordnet. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass das Kühlmedium beim Durchströmen des Fluidpfads mehrfach abgelenkt wird, ohne dass damit ein zu starker Druckverlust in dem Kühlmedium einherginge.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform folgen wenigstens zwei erste und wenigstens zwei zweite Statorbleche entlang der axialen Richtung aufeinander. Diese Variante ist besonders einfach aufgebaut und damit auch besonders kostengünstig.
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Besonders bevorzugt kann das Blechpaket daher aus den wenigstens zwei ersten und wenigstens zwei zweiten Statorblechen bestehen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind am Gehäuse ein Fluideinlass zum Einleiten des Fluids in den Fluidpfad und ein Fluidauslass zum Ausleiten des Fluids aus dem Fluidpfad nach dem Durchströmen des Fluidpfads vorhanden. Bei dieser Weiterbildung sind die Rippen der Rippenstruktur so ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass das Fluid entlang einer Hauptströmungsrichtung vom Fluideinlass zum Fluidauslass strömt, die entlang der axialen Richtung oder entlang einer senkrecht zur axialen Richtung verlaufenden Umfangsrichtung des Stators verläuft. Auf diese Weise können die Statorbleche des Blechpakets besonders wirksam gekühlt werden.
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Besonders bevorzugt sind der Fluideinlass und der Fluidauslass an entlang der axialen Richtung gegenüberliegenden axialen Stirnseiten des Stators, insbesondere des Gehäuses des Stators, angeordnet. Dies ermöglicht eine axiale Durchströmung des Zwischenraums zwischen Gehäuse und Blechpaket.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung sind der Fluideinlass und der Fluidauslass auf einer Umfangsseite des Stators, insbesondere des Gehäuses, im Abstand zueinander angeordnet sind. Dies ermöglicht eine Durchströmung des Zwischenraums zwischen Gehäuse und Blechpaket in Umfangsrichtung.
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Um sicherzustellen, dass alle Außenumfangsabschnitte des Blechpakets der gewünschten Kühlung unterzogen werden, können der Fluideinlass und der Fluidauslass besonders bevorzugt in axialer Richtung oder/und in Umfangsrichtung, im Abstand zueinander angeordnet sein.
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine fremderregte elektrische Synchronmaschine. Die Maschine umfasst einen voranstehend vorgestellten, erfindungsgemäßen Stator und einen im Gehäuseinnenraum angeordneten, magnetisch mit dem Stator koppelbaren oder gekoppelten Rotor. Der Rotor ist dabei gegenüber dem Stator um eine sich entlang einer axialen Richtung erstreckende Drehachse drehbar ausgebildet. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Stators übertragen sich daher auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine ist der Rotor radial in geringerem Abstand zur Drehachse angeordnet als der Stator. Bei einer solchen, als Innenläufer ausgebildeten elektrischen Maschine ist sichergestellt, dass der Rotor nicht den für die Ausbildung des Fluidpfads zwischen dem Außenumfang des Blechpakets und dem Gehäuse des Stators benötigten Bauraum blockiert.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Stator in einem Längsschnitt,
- 2 eine perspektivische Teildarstellung der Maschine der 1,
- 3 das Blechpaket des Stators der 1 mit der erfindungswesentlichen Rippenstruktur in separater Darstellung.
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Die 1 und 2 zeigen ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 30, bei welcher es sich um eine fremderregte elektrische Synchronmaschine handeln kann.
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Die 1 zeigt dabei einen Längsschnitt, die 2 eine perspektivische Teilansicht. Die elektrische Maschine 30 umfasst einen beispielhaft dargestellten erfindungsgemäßen Stator 1. Der Stator 1 umfasst ein einen Gehäuseinnenraum 3 umgebendes Gehäuse 2. Im Gehäuseinnenraum 3 ist ein Rotor 20 angeordnet, der gegenüber dem Stator 1 um eine sich entlang einer axialen Richtung A erstreckenden Drehachse D drehbar ausgebildet ist. Hierzu kann der Rotor 20 eine Rotorwelle 21 umfassen, welche mittels einer Lagereinrichtung 22 drehbar am Gehäuse 2 des Stators 1 gelagert ist. Auf der Rotorwelle 21 können drehfest elektrisch bestrombare Rotorspulen zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfeldes angeordnet sein. Denkbar ist aber alternativ dazu auch die Anordnung von Permanentmagneten.
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Ferner umfasst der Stator 1 mehrere im Gehäuseinnenraum 3 angeordnete und entlang einer axialen Richtung A aufeinandergestapelte, axial aneinander anliegende Statorbleche 4, die zusammen ein Blechpaket 5 des Stators 1 ausbilden. Die Statorbleche 4 können in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung A jeweils eine ringförmige Geometrie aufweisen. Die axiale Richtung A erstreckt sich entlang einer gemeinsamen Mittellängsachse M von Rotor 20 und Stator 1. Eine radiale Richtung R verläuft senkrecht zur axialen Richtung A von der Mittellängsachse M des Stators 1 weg, eine Umfangsrichtung U läuft senkrecht zur axialen Richtung A und senkrecht zur radialen Richtung R um die Mittellängsachse M um.
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Die Mittellängsachse M bildet die Drehachse D der Rotorwelle 21 und somit des gesamten Rotors 20.
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Die ringförmigen Statorbleche 4 können jeweils konzentrisch zur Mittellängsachse M angeordnet sein. Die Statorbleche 4 können durch Blechformteile gebildet sein. Am Blechpaket 5 bzw. an dessen Statorblechen 4 können radial innen in herkömmlicher Weise elektrisch bestrombare Statorspulen (nicht gezeigt) zum Erzeugen eines magnetischen Statorfeldes ausgebildet sein. Hierzu können an den Statorblechen radial innen entlang der Umfangsrichtung U mehrere Statorzähne (nicht gezeigt) zum Tragen einer die Statorspulen ausbildenden Spulenwicklung ausgeformt sein.
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Gemäß den 1 und 2 ist das Blechpaket 5 mit den Statorblechen 4 radial im Abstand zum Gehäuse 2 des Stators 1 angeordnet. Zwischen dem Gehäuse 2 und dem Blechpaket 5 ist dadurch ein radialer Zwischenraum 6 zum Kühlen des Stators 1 von einem Kühlmedium K durchströmbarer Fluidpfad 7 gebildet, welcher vorzugsweise eine hohlzylindrische Geometrie besitzt.
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Ferner umfasst der Stator 1 gemäß 2 eine Rippenstruktur 9 zum Ablenken des Kühlmediums K beim Durchströmen des Fluidpfades 7. Diese Rippenstruktur 9 ist an einem den Fluidpfad 7 radial innen begrenzenden Außenumfang 11 des Blechpaketes 5 angeordnet. Dabei umfasst die Rippenstruktur 9 eine Mehrzahl von entlang der radialen Richtung R nach außen vom Blechpaket 5 abstehender und in den Fluidpfad 7 hineinragender Rippen 10. Die Rippen 10 der Rippenstruktur 9 sind integral am Blechpaket 5 bzw. an deren Statorblechen 4 ausgeformt. Mit anderen Worten, das jeweilige Statorblech 4 und die an diesem Statorblech 4 vorgesehenen Rippen 10 sind einstückig und materialeinheitlich ausgebildet. Dabei sind die Rippen 10 so auf dem Außenumfang 11 angeordnet, dass sie den Fluidpfad 7 in mehrere Teilfluidpfade 7a unterteilen. Besagte Rippen 10 bilden eine Begrenzung dieser Teilfluidpfade 7a. Im Beispielszenario liegen die Rippen 10 außerdem auch radial außen am Gehäuse 2 an. Somit bildet das Gehäuse 2 eine radial äußere Begrenzung des Fluidkanals 7 aus. Mittels besagter Rippen 10 der Rippenstruktur 9 werden sogenannte Strömungsleitelemente realisiert, welche eine Ablenkung des Kühlmediums K beim Durchströmen des Fluidpfad 7 bewirken.
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Die 3 zeigt das Blechpaket 5 mit der Rippenstruktur 9 in separater Darstellung. Die Rippen 10 der Rippenstruktur 9 können demnach rasterartig auf dem Außenumfang 11 des Blechpaketes 5 angeordnet sein. Wie 3 weiterhin erkennen lässt, sind die einzelnen Rippen 10 längsförmig ausgebildet und erstrecken sich entlang einer Längsrichtung L, die parallel zur axialen Richtung A verläuft. Die Rippen 10 sind somit in Längsrichtung L stegartig ausgebildet. Im Beispiel sind alle Rippen 10 der Rippenstruktur 9 im Abstand zueinander angeordnet.
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Im Beispielszenario sind die einzelnen Statorbleche 4 außerdem durch erste und zweite Statorbleche 4a, 4b gebildet, die entlang der axialen Richtung A abwechselnd aufeinander folgen und axial aneinander anliegen. Axial benachbarte Statorbleche 4, 4a, 4b sind elektrisch voneinander isoliert. Axial benachbarte Statorbleche 4, 4a, 4b können, insbesondere mittels eines elektrisch isolierenden Klebstoffs, miteinander verklebt, aber auch stanzpaketiert sein. Auch andere geeignete Verbindungsarten können verwendet werden.
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Wie insbesondere die Darstellung der 3 erkennen lässt, sind an den ersten Statorblechen 4, 4a jeweils mehrere Erste 10a der Rippen 10 der Rippenstruktur 9 entlang der Umfangsrichtung U im Abstand und äquidistant zueinander angeordnet. Entsprechend sind an den zweiten Statorblechen 4, 4a jeweils mehrere Zweite 10b der Rippen 10 der Rippenstruktur 9 entlang der Umfangsrichtung im Abstand und äquidistant zueinander angeordnet. Weiterhin sind die ersten Rippen 10a der ersten Statorbleche 4, 4a bzgl. der Umfangsrichtung U des Stators 1 versetzt zu den zweiten Rippen 10b der zweiten Statorbleche 4b, 4 angeordnet.
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Gemäß 1 kann am Gehäuse 2 ein Fluideinlass 12 zum Einleiten des Fluids in den Fluidpfad 7 und ein Fluidauslass 13 zum Ausleiten des Fluids aus dem Fluidpfad 7 nach dem Durchströmen desselben vorhanden. Der Fluideinlass 12 und der Fluidauslass 13 sind auf einer Umfangsseite 8 des Gehäuses 2 im Abstand zueinander angeordnet. Der Fluideinlass 12 und der Fluidauslass 13 können durch einen umfangsseitig im Gehäuse 2 ausgebildete Durchbrüche 12a, 13a realisiert sein, über welche der den Fluidpfad 7 bildende Zwischenraum 6 fluidisch mit der äußeren Umgebung 15 des Gehäuses 2 kommuniziert.
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Die Rippen 10 der Rippenstruktur 9 sind so ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass das Fluid entlang einer Hauptströmungsrichtung H vom Fluideinlass zum Fluidauslass 13 strömen kann, die entlang der Umfangsrichtung U des Stators 1 verläuft. Im Beispiel sind der Fluideinlass 12 und der Fluidauslass 13 axial auf derselben Höhe des Gehäuses 2 angeordnet. Denkbar ist es aber auch, den Fluideinlass 12 und den Fluidauslass 13 in axialer Richtung A im Abstand zueinander anzuordnen.
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In einer weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Variante können der Fluideinlass 12 und der Fluidauslass 13 an entlang der axialen Richtung A gegenüberliegenden axialen Stirnseiten 14a, 14b des Gehäuses 2, angeordnet sein. In diesem Fall verläuft auch die Hauptströmungsrichtung H parallel zur axialen Richtung A.
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Im Beispiel der Figuren ist bei Maschine 30 der Rotor 20 radial in geringerem Abstand zur Drehachse D angeordnet ist als der Stator 1, d.h. die Maschine 30 ist al sogenannter Innenläufer ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 10158263 B2 [0004]
- CN 110808645 A [0005]
- WO 2021121360 A1 [0005]
- KR 20200102253 A [0005]
