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Die Erfindung betrifft zum einen einen für eine elektrische Maschine vorgesehenen Stator/Rotor, und zum anderen eine elektrische Maschine, insbesondere einen elektrischen Motor.
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Im Stand der Technik sind elektrische Maschinen, wie beispielsweise Asychronmotoren oder Synchronmotoren, bekannt. Diese besitzen unter anderem einen Stator und Rotor. Der Stator trägt eine Vielzahl von Wicklungen bzw. Spulen, die im Betrieb des Motors ein rotierendes Magnetfeld erzeugen und den innerhalb des Stators gelagerten Rotor so in Rotation versetzen.
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Zumindest der Stator ist aus geschichteten Eisenblechen aufgebaut, die in Bezug auf Leitfähigkeit des im Betrieb des Motors erzeugten, magnetischen Flusses gute Eigenschaften besitzen. Allerdings ist deren Wärmeleitfähigkeit eher gering ausgeprägt.
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Kühlungen der bekannten Motoren befinden sich in der Regel auf einer Außenoberfläche des Stators, sodass ein entsprechender Wärmeleitpfad immer über die Eisenbleche mit geringer Wärmeleitfähigkeit verläuft. Das hat zur Folge, dass die Leistung des Motors auf einen bestimmten Wert begrenzt werden muss, damit der Motor eine bestimmte Maximaltemperatur nicht übersteigt.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen Stator und Rotor zu schaffen, die eine höhere Leistung bzw. Dauerperformance einer elektrischen Maschine, insbesondere eines elektrischen Motors, zulassen. Zumindest ist es Aufgabe der Erfindung, einen zum Stand der Technik alternativen Stator und Rotor zu schaffen.
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Die Aufgabe(n) löst ein erfindungsgemäßer Stator gemäß Patentanspruch 1 und ein erfindungsgemäßer Rotor gemäß Patentanspruch 7.
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Der erfindungsgemäße Stator für eine elektrische Maschine beinhaltet:
- einen Aufnahmeraum, der sich entlang einer Längsachse des Stators erstreckt und in den bestimmungsgemäß ein Rotor derart rotierbar einsetzbar ist, dass die Längsachse eine Rotationsachse des Rotors bildet, wobei
- der Stator einen Schichtaufbau mit einer Vielzahl von Metallschichten besitzt, die in Richtung der Längsachse geschichtet sind und radial zur Längsachse verlaufen, und
- zumindest eine der Metallschichten aus einem Metall gebildet ist, das eine bessere Wärmeleitfähigkeit besitzt als die anderen Metallschichten.
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Der Stator ist bevorzugt ein Stator für eine Asynchronmaschine, eine permanenterregte Synchronmaschine oder eine fremderregte Synchronmaschine.
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Bevorzugt soll die Wärmeleitfähigkeit der zumindest einen Metallschicht möglichst hoch sein, bevorzugt größer als 100 W/(m*K), 150 W/(m*K), 200 W/(m*K), 250 W/(m*K), 300 W/(m*K), 350 W/(m*K), oder 400 W/(m*K). Die zumindest eine Metallschicht ist beispielsweise eine Metallschicht aus Kuper, bevorzugt reinem Kupfer, oder aus einer Kupferlegierung. Alternativ kann die zumindest eine Metallschicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet sein. Hauptfunktion der mindestens einen Metallschicht ist es, Wärme möglichst schnell abzuführen.
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Die anderen Metallschichten sind beispielsweise aus Eisen oder einer Eisenlegierung. Hauptfokus dieser Materialwahl für die anderen Metallschichten liegt darauf, dass sie den im Betrieb auftretenden magnetischen Fluss möglichst gut leiten.
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Die zumindest eine Metallschicht führt dazu, dass der Stator Wärme/Hitze schneller abführen kann, d.h. der Stator gewährleistet einen schnelleren Wärmetransport von Wärme/Hitze nach außen, die Verlustwärmequellen, wie beispielsweise Windungen, die der Stator haltert, Wirbelströme in den Eisenschichten oder Magnete, die der Rotor trägt, erzeugen. Mit anderen Worten lässt sich der Stator besser kühlen und erlaubt damit eine Leistungssteigerung und Dauerperformance der mit dem Stator ausgestatteten elektrischen Maschine.
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Die in Richtung der Längsachse geschichteten „gestacked“ Metallschichten haben beispielweise eine Stärke/Dicken von 0,25 mm. Der Schichtaufbau hat beispielsweise insgesamt 400 Metallschichten.
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Bevorzugt besitzt der Schichtaufbau des Stators eine Vielzahl der Metallschichten mit besserer Wärmeleitfähigkeit, die in dem Schichtaufbau in Intervallen/Abständen zueinander derart angeordnet sind, dass sich zwischen den Metallschichten mit besserer Wärmeleitfähigkeit die anderen Metallschichten befinden. Beispielsweise ist in dem Schichtaufbau jede n-te Schicht die Metallschicht mit besserer Wärmeleitfähigkeit. Bevorzugt beträgt n=3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 und liegt weiterhin bevorzugt in einem Bereich von 4 bis 20, insbesondere 7 bis 15.
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Bevorzugt sind die erste und/oder letzte Metallschicht in dem Schichtaufbau die Metallschicht aus dem Metall mit besserer Wärmeleitfähigkeit.
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Bevorzugt ist der Stator derart aufgebaut, dass die Metallschicht(en) mit besserer Wärmeleitfähigkeit den Stator, in einem Längsschnitt, der die Längsachse beinhaltet, gesehen, radial zur Längsachse vollständig durchlaufen. Besonders bevorzugt ist hierbei, dass die Metallschicht(en) mit besserer Wärmeleitfähigkeit auf einer radial zur Längsachse liegenden Außenoberfläche des Stators derart gebogen sind, dass sie in Richtung der Längsachse verlaufen.
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Hierdurch kann Wärme/Hitze, die in der mit dem Stator ausgestatteten elektrischen Maschine erzeugt wird, schnell nach außen abgeführt werden. Die gebogenen Abschnitte/Metalllaschen der Metallschichten, die in Richtung der Längsachse verlaufen, sind insbesondere für den Fall ausgebildet und vorgesehen, dass auf der Außenoberfläche eine Kühleinrichtung bestimmungsgemäß montiert wird. Die gebogenen Abschnitte/Metalllaschen sorgen für einen verbesserten Wärmetausch mit der Kühleinrichtung.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Rotor für eine elektrische Maschine, der einen Aufnahmeraum für eine Welle definiert. Der erfindungsgemäße Rotor besitzt einen Schichtaufbau aus einer Vielzahl von Metallschichten. Die Ausführungen in Zusammenhang mit dem Schichtaufbau des Stators gelten gleichermaßen für den Schichtaufbau des Rotors, wobei auf entsprechenden Ausführungen verwiesen wird. Unterschiedlich ist lediglich, dass die gebogenen Abschnitte/Metalllaschen der Metallschichten (mit besserer Wärmeleitfähigkeit) des Rotors an der Welle anliegen.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ebenfalls eine elektrische Maschine, die mit dem erfindungsgemäßen Stator und/oder dem erfindungsgemäßen Rotor ausgestattet ist.
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Die elektrische Maschine ist beispielsweise die bereits genannte Asynchronmaschine, die permanenterregte Synchronmaschine oder die fremderregte Synchronmaschine. Die genannten elektrischen Maschinen können elektrische Motoren und/oder elektrische Generatoren sein.
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Besonders bevorzugt sind die genannten Maschinen ein elektrisches Antriebsaggregat bzw. ein elektrischer Motor eines Kraftfahrzeuges oder Kraftrades, das/der im Motorbetrieb und bevorzugt im Generatorbetrieb arbeiten kann.
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Der erfindungsgemäße Motor beinhaltet bevorzugt die bereits erwähnte Kühleinrichtung, die beispielsweise eine Mantelkühlung sein kann. Die Mantelkühlung liegt bevorzugt an der radial zur Längsachse nach außen weisenden und in Richtung der Längsachse verlaufenden Außenoberfläche des Stators flächig an und dient dem Abtransport der in dem Motor erzeugten Wärme/Hitze, die von Verlustwärmquellen, wie den Wicklungen oder Magneten erzeugt wird.
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Die Mantelkühlung ist beispielsweise eine Wasserkühlung.
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Alternativ kann die Kühleinrichtung eine Schaftkühleinrichtung, die die Welle kühlt, oder eine Öl-Sprühnebel-Kühleinrichtung sein.
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Der erfindungsgemäße elektrische Motor wird besonders bevorzugt zum einen verwendet, um das Kraftfahrzeug/Kraftrad anzutreiben.
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Zum anderen wird der Motor bevorzugt als Wärmequelle zum Heizen eingesetzt. Beispielsweise steuert eine Motorsteuerung den Motor auf Basis einer Heizanforderung derart an, dass er nicht in seinem optimalen Betriebszustand arbeitet und mehr Wärme bzw. Hitze produziert. Die Kühleinrichtung führt diese Wärme bzw. Hitze ab und leitet sie beispielsweise einem zu heizenden Verbraucher zu. Bei dem Verbraucher kann es sich beispielsweise um eine zu heizende/aufzuwärmende Fahrgastzelle oder einem zu heizenden/aufzuwärmenden Akkumulator handeln.
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Dadurch, dass der elektrische Motor den erfindungsgemäßen Stator und bevorzugt Rotor aufweist, die die Metallschichten besserer Wärmeleitfähigkeit besitzen, kann der Motor Wärme/Hitze schneller abführen und abgeben. Deshalb können Heizanforderungen schneller erfüllt werden. Auch ein Abkühlen des Stators/Rotors kann schneller erfolgen.
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Insgesamt ist allgemein die thermische Zeitkonstante erfindungsgemäß verbessert, d.h. der Motor kann schneller Wärme abgeben und schneller abgekühlt werden. Damit kann der Motor seine Leistung steigern und eine bessere Dauerperformance liefern, ohne an seine thermischen Grenzen zu stoßen.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators und eines erfindungsgemäßen Rotors unter Bezug auf die Figuren beschrieben.
- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stators und eines Rotors einer elektrischen Maschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufweist;
- 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Stators gemäß der Ausführungsform;
- 3A und 3B zeigen Schnittansichten des erfindungsgemäßen Stators und Rotors gemäß der Ausführungsform.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Stators 20 und eines erfindungsgemäßen Rotors 30 einer elektrischen Maschine 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Rotor 30 ist in den Stator 20 eingesetzt.
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Die elektrische Maschine 10 ist bevorzugt ein elektrisches Antriebsaggregat bzw. ein elektrischer Motor für ein Kraftfahrzeug oder Kraftrad, insbesondere ein permanent erregter elektrischer Synchronmotor.
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Der elektrische Motor 10 beinhaltet den erfindungsgemäßen Stator 20 und den erfindungsgemäßen Rotor 30.
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Der Stator 20 ist so aufgebaut, dass er einen Aufnahmeraum 21 aufweist bzw. festlegt, der den Stator 20 entlang einer Längsachse L des Stators 20 durchläuft. Wie aus 1 ersichtlich wird, ist der Rotor 30 in den Aufnahmeraum 21 derart eingesetzt, dass er rotieren kann, wobei die Längsachse L die entsprechende Rotationsachse des Rotors 30 bildet.
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Der Stator 20 beinhaltet eine Vielzahl von Zähnen 22, die jeweils radial zur Längsachse L verlaufen und in regelmäßigen Abständen zueinander, die Längsachse L umlaufend, angeordnet sind. Diese Zähne 22 dienen zur Befestigung einer nicht gezeigten Statorwicklung mit einer Vielzahl von Spulen, in denen während des Betriebes des elektrischen Motors 10 ein Stromfluss zur Ausbildung eines rotierenden Magnetfeldes erzeugt wird.
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Der in den Aufnahmeraum 21 des Stators 20 eingesetzte Rotor 30 beinhaltet ebenfalls einen Aufnahmeraum 31, in den eine in 1 nicht gezeigte Welle 32 bestimmungsgemäß eingesetzt und befestigt wird. Die Welle 32 ist in 3B gezeigt.
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Radial zur Längsachse L um diesen Aufnahmeraum 31 des Rotors 30 herum sind eine Vielzahl von Durchbrüchen 33 ausgebildet, die in Richtung der Längsachse L verlaufen und durch die Luft zur Kühlung des Rotors 30 strömen kann.
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Darüber hinaus beinhaltet der Rotor 30 eine Vielzahl von Permanentmagneten 34, die die Längsachse L bzw. Rotationsachse des Rotors 30 in zickzackförmigem Verlauf umlaufen und auf einer den Zähnen 22 zugewandten Seite des Rotors 30 angeordnet sind.
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Die Permanentmagnete 34 wechselwirken mit dem rotierenden Magnetfeld, das die nicht gezeigten, an den Zähnen 22 befestigten Spulen im Betrieb des elektrischen Motors 10 erzeugen, derart, dass der Rotor 30 in dem Aufnahmeraum 21 des Stators 30 rotiert und das Kraftfahrzeug bzw. Kraftrad antreibt.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Stators 20. Der Stator 20 besitzt einen Schichtaufbau, der aus einer Vielzahl von Metallschichten 23 aufgebaut ist. Die Metallschichten 23 sind in Richtung der Längsachse L aufeinandergeschichtet und bilden so zusammen den Stator 20.
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Eine Länge des Stators 20 und auch des Rotors 30 in Richtung der Längsachse L beträgt beispielsweise 100 mm. Die einzelnen Metallschichten 23 haben beispielsweise eine Dicke bzw. Stärke in Richtung der Längsachse L von 0,25 mm.
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Erfindungsgemäß sind die Metallschichten 23 materialmäßig nicht alle identisch. Einzelne der Metallschichten 23a sind aus einem anderen Metall bzw. einer anderen Metalllegierung als andere der Metallschichten 23b gebildet. Beispielsweise sind die einzelnen Metallschichten 23a aus Kuper oder einer Kupferlegierung gebildet, während die anderen Metallschichten 23b aus Eisen oder einer Eisenlegierung gebildet sind. Die unterschiedliche Materialwahl begründet sich darin, dass den unterschiedlichen Metallschichten 23a, 23b unterschiedliche Hauptfunktionen zukommen.
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Die Metallschichten 23b aus Eisen sollen den im Betrieb des Motors 10 durch die Spulen erzeugten magnetischen Fluss leiten, damit der Motor 10 ein möglichst hohes Drehmoment erzeugen kann. Die magnetische Leitfähigkeit bzw. Permeabilität von Eisen und seinen Legierungen ist bekanntermaßen hoch. Allerdings ist deren Wärmeleitfähigkeit eher gering bzw. schlecht.
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Die einzelnen Metallschichten 23a aus Kupfer haben hingegen eine gute Wärmeleitfähigkeit und sollen die diesbezüglichen schlechten Eigenschaften der anderen Metallschichten 23b, die aus Eisen/Eisenlegierungen gebildet sind, ausgleichen.
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3A zeigt einen Längsschnitt des Stators 20, in dem die Längsachse L liegt.
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Wie dargestellt, ist jede 4-te Metallschicht 23a aus Kupfer/Kupferlegierung gebildet und die dazwischenliegenden, anderen Metallschichten 23b aus Eisen/Eisenlegierung gebildet. Das gezeigte Intervall (der Abstand) der einzelnen Metallschichten 23a aus Kuper/Kupferlegierung ist nicht auf das gezeigte beschränkt. Allgemein kann jede n-te Metallschicht 23a aus Kuper/Kupferlegierung gebildet sein, wobei n im Bereich liegen kann von 4 <= n <= 20.
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Bevorzugt können die einzelnen Metallschichten 23a aus Kupfer/Kupferlegierung in ihrem Durchmesser, der radial zur Längsachse L verläuft, größer sein als die anderen Metallschichten 23b aus Eisen/Eisenlegierung. Ein überstehender Bereich der einzelnen Metallschichten 23a aus Kupfer/Kupferlegierung ist bevorzugt radial zur Längsachse L geschlitzt, wodurch einzelne Metalllaschen 23c aus Kupfer/Kupferlegierung ausgebildet sind. Die Metalllaschen 23c sind derart gebogen, dass sie in Richtung der Längsachse L verlaufen und so eine vergrößerte, aus Kupfer/Kupferlegierung gebildete Außenoberfläche des Stators 20 bilden.
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Der untere kleine Teil der 3A zeigt eine schematische Darstellung der Außenoberfläche des Stators 20, die die Metalllaschen 23c schematisch darstellt. Beispielsweise sind die Metalllaschen 23c dreieck- oder trapezförmig in Draufsicht aus einer Richtung radial zur Längsachse L.
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3A zeigt neben dem Schichtaufbau des Stators 20 noch Teile einer Kühleinrichtung 40 des mit dem Stator 20 ausgestatteten Motors 10. Die Kühleinrichtung 40 ist bevorzugt eine Wasser(mantel)kühlung, die entlang der Außenoberfläche des Stators 20 verläuft und an den Metalllaschen 23c anliegt. Durch die Ausbildung der auf der Außenoberfläche anliegenden Metalllaschen 23c ist die Berührungsoberfläche zwischen Kühleinrichtung 40 und den einzelnen Metallschichten 23a aus Kupfer/Kupferlegierung größer gegenüber dem Fall, dass die einzelnen Metallschichten 23a radial zur Längsachse bündig mit den anderen Metallschichten 23b aus Eisen endeten. Insbesondere ist durch die Metalllaschen 23c ein Wärmeaustausch mit der Kühleinrichtung 40 verbessert.
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Der erfindungsgemäße Rotor 30 des Motors 10 ist bevorzugt ebenfalls ein Schichtaufbau aus einer Vielzahl von Metallschichten 35. Beispielsweise ist der Schichtaufbau des Rotors 35 aus vier Schichtpaketen mit jeweils einer Vielzahl von Metallschichten 35 aufgebaut. Jedes der Schichtpakete trägt bevorzugt entsprechende Permanentmagnete, wobei die Schichtpakete in Richtung der Rotationsachse des Rotors 30 hintereinander angeordnet sind und in Bezug auf die Anordnung der Permanentmagnete 34 zueinander verdreht sind. Der erläuterte Aufbau des Rotors 30 ist lediglich bevorzugt. Der Rotor 30 kann auch aus einem einzelnen Schichtpaket, das über die gesamte Länge des Rotors 30 verläuft, aufgebaut sein.
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Gleichermaßen wie der Stator 20 sind in dem Schichtaufbau des Rotors 30 einzelne Metallschichten 35a enthalten, die aus einem Metall bzw. einer Metalllegierung gebildet sind, das eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist als andere der Metallschichten 35b. Hinsichtlich der Metalle der Metallschichten 35 des Rotors 30 wird auf die Ausführungen zu dem Stator 20 verwiesen, die für den Rotor 30 gleichermaßen gelten.
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3B zeigt einen Längsschnitt des Rotors 30, in dem die Rotationsachse bzw. die Längsachse L liegt. Die 3B zeigt, dass das Intervall (Abstand) der einzelnen Metallschichten 35a aus Kupfer/Kupferlegierung bevorzugt identisch ist zu dem des Stators 20. Die anderen Metallschichten 35b aus Eisen/Eisenlegierung liegen dazwischen.
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Der Rotor 30 legt auch den Aufnahmeraum 31 fest, in den, wie 3B zeigt, die Welle 32 eingesetzt und mit dem Schichtaufbau derart fest verbunden ist, dass die Welle 32 mit dem Schichtaufbau zusammen rotiert.
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Im Rotor 30 erfolgt ein Abführen der Wärme über die Welle 32, weshalb die einzelnen Metallschichten aus Kupfer/Kupferlegierung ebenfalls über Metalllaschen 35c, wie sie unter Bezug auf den Stator 20 erläutert wurden, verfügen können, wobei sie in Richtung der Längsachse L gebogen sind und an der Welle 32 anliegen.
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Die Erfindung ist nicht auf Metallschichten aus Eisen/Eisenlegierung und aus Kupfer/Kupferlegierung beschränkt. Andere Metall können ebenfalls Verwendung finden, soweit sie unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten besitzen.
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Die einzelnen Metallschichten mit besserer Wärmeleitfähigkeit haben insbesondere die Wirkung, dass Wärme bzw. Hitze schneller abgeführt werden kann.
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Ein zumindest mit dem erfindungsgemäßen Stator ausgestatteter Motor kann aufgrund der einzelnen Metallschichten mit besserer Wärmeleitfähigkeit schneller Wärme abgeben und schneller gekühlt werden.
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Damit kann der Motor eine höhere Leistung und Dauerperformance erreichen.
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Die Ausführungen vor der Figurenbeschreibung gelten auch für die Beschreibung der Ausführungsform und vice versa.
