DE2533184A1

DE2533184A1 - Elektromotor mit axialspalt

Info

Publication number: DE2533184A1
Application number: DE19752533184
Authority: DE
Inventors: Ronald John Clark
Original assignee: Sealed Motor Construction Co Ltd
Current assignee: Sealed Motor Construction Co Ltd
Priority date: 1974-07-25
Filing date: 1975-07-24
Publication date: 1976-02-05
Also published as: AT343752B; ATA568675A; JPS5410082B2; ES440480A1; DK144229C; SE7508310L; NO752609L; DK336775A; CH596700A5; BE831720A; GB1508428A; DK144229B; DE2533184C2; NL7508849A; FR2280226A1; FR2280226B1; JPS5136604A; IT1040111B; US4311937A; NO141330B

Description

SEALED MOTOR CONSTRUCTION COMPANY LIMITED, Bridgwater, Somerset / Großbritannien

'Elektromotor mit Axialspalt"

Priorität: 25. Juli 1974; Großbritannien; Anmelde-Nr.: 32972/74

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor mit axialem Spalt und auf eine Flüssigkeitspumpe, die einen derartigen Motor enthält.

Elektromotoren mit axialem Spalt können einen Rotor besitzen, der beispielsweise als Kurzschlußläufer oder als Wirbelstromläufer ausgebildet ist. Die Kurzschlußlauferkonstruktion ist von Haus aus leistungsfähiger, da der axiale Eisen-Eisen-Spalt kleiner als bei Wirbelstrommotoren ist. Kurzschlußläufermotoren laufen jedoch im allgemeinen geräuschvoller und weisen eine starke axiale Anziehung zwischen dem Rotor und dem Stator infolge des im Rotor vorhandenen Eisens auf. Obwohl bei Zentrifugalpumpen bei normalen Drehzahlen diese Anziehung in mehr oder weniger

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großem Ausmaß durch den Axialdruck des von der Rotorwelle getragenen Flügelrades ausgeglichen werden kann, ist das dann nicht möglich, wenn der Motor langsam oder auch ohne die Förderung von Flüssigkeit laufen soll. Im letzteren Fall erwärmen sich die Lagerflachen der normalerweise verwendeten Gleitlager, wodurch der Motor sehr schnell zerstört wird. Als weiteres Problem kommt bei Wasserpumpen, die von Kurzschlußläufermotoren angetrieben sind, die Korrosion der Eisenbestandteile hinzu, da die Entstehung von Rost und anderen Partikeln das Ausmaß begrenzt, bis zu dem der axiale Spalt reduziert werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor bzw. eine Pumpe mit verbessertem Rotoraufbau sowie exakterer und dauerhafterer Lagerung des Rotors zu schaffen. Diese beiden Aufgabenbereiche stehen in einem inneren Zusammenhang, da eine exaktere Lagerung einen verkleinerten Axialspalt ermöglichen kann und ein optimaler Rotoraufbau die auftretenden Axialkräfte verkleinern kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Induktionsmotor mit axialem Spalt vorgesehen, daß der Rotor eine in hohem Maße leitfähige Komponente und eine ferromagnetische Komponente aufweist; daß die leitfähige Komponente in Form einer dünnen kreisförmigen Scheibe in einer dem Stator zugewandten Ebene vorgesehen ist, wobei die Scheibe einen axial dickeren Nabenbereich und einen axial dickeren Randbereich miteinander verbindet, wodurch ein ringförmiger Kanal rings entlang der leitfähigen Komponente entsteht, der von der ferroraagnetischen Komponente eingenommen wird. Die Rotorwelle ist in einer Abstützung im Motorgehäuse über eine

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keramische Lagerpackung drehbar gelagert, die einen ersten mit der Welle rotierenden Teil und einen zweiten an der Abstützung befestigten Teil aufweist, wobei durch den ersten Teil einander zugewandte End-Drucklagerflachen und eine dazwischenliegende, zylindrische Außenlagerfläche gebildet sind sowie durch den zweiten Teil beidseitig nach außen gerichtete End-Drucklagerflächen, die mit den End-Drucklagerflachen des ersten Teils eine Gleitpaarung bilden, und eine dazwischenliegende, zylindrische Innenlagerfläche gebildet sind, die mit der zylindrischen Außenlagerfläche des ersten Teils eine Gleitpaarung bilden. Diese Lagerpackung besitzt vorzugsweise eine zusammengesetzte Konstruktion, wie sie nachfolgend genauer beschrieben wird. Der Motor ist besonders in oder für eine Flüssigkeitspumpe geeignet, bei der der Stator gegenüber der Flüssigkeit abgedichtet ist und der Rotor in der Flüssigkeit rotiert, wobei die Rotorwelle durch die Lagerpackung drehbar gelagert ist und an ihrem einen Ende den Rotor sowie an ihrem anderen Ende das Zentrifuge1-Flügelrad trägt. Das Flügelrad hat vorzugsweise verbesserte charakteristische Eigenschaften, wie es nachfolgend noch genauer beschrieben wird.

Durch die Erfindung wird eine neuartige und vorteilhafte Kombination von Merkmalen bei Motoren mit axialem Magnetfluß-Spalt angegeben. Der Motor läuft sehr ruhig, da er keine Leiterstäbe aufweist. Durch die Anordnung der magnetischen Komponente im Rotor entsteht maximale elektrische Wirksamkeit, während die auf der Rückseite der relativ dünnen, leitfähigen Interstator-Scheibe befestigte ferromagnetische Komponente den zweiten Luftspalt

vermeidet, der für herkömmliche Wirbelstrommotoren charakteristisch ist. Die Verwendung einer keramischen Lagerpackung, durch die sowohl zylindrische Lagerflächen als auch Axialdruck-Stirnlagerflächen gebildet sind, ermöglicht eine sehr genaue axiale Festlegung des Rotors. Dadurch kann der (Luft-)Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator auf ein Minimum reduziert werden, und die Lager können auch trocken laufen, was bei herkömmlichen Gleitlagern nicht generell möglich ist. Die bevorzugte Konstruktion der Lagerpackung ermöglicht es, die Lauf- bzw. Gleittoleranzen in der keramischen Packung sehr eng herzustellen, überdies kann die Lagerpackung leicht demontiert und zuverlässig wieder zusammengesetzt werden, falls gewünscht. Das Einlegen des magnetischen Materials in die Rückseite des Rotors ermöglicht es, die genau richtige Menge magnetischen Materials einzusetzen, so daß keine unnötige Axialkrait in Richtung des Stators entsteht. Im Falle einer Wasserumlaufpumpe hat der Motor eine überraschend hohe Leistungsfähigkeit und kann ein vergleichsweise großes Flügelrad antreiben. Der Flügelradeinlauf kann mit einem Einlaufstutzen versehen sein, der eng in einer öffnung in einer Innenwand der Pumpe rotiert, wodurch der Leckstrom von Wasser an dem Flügelrad vorbei möglichst klein wird und ein genauer bestimmter Axialdruck seitens des Flügelrades entsteht, so daß dieser mit dem entgegengesetzten Axialdruck, der von der Anziehung zwischen dem Rotor und dem Stator stammt, ein unter normalen Laufbedingungen besser ausbalanciertes System ergeben kann. Eine Konstruktion des Flügelrades mit Deckscheibe erhöht die Leistung bzw. den Wirkungsgrad und kann zum Ausgleich des hydraulischen Axialdrucks beitragen. Falls der Motor zu langsam oder trocken laufen sollte, 1st die

Lagerpackung imstande, diesen extremen Bedingungen standzuhalten.

Ohne von der Erfindung abzuweichen,kann auch eine Anzahl von Lagern an verschiedenen Stellen längs der Rotorwelle vorgesehen werden, falls gewünscht. Auf der entgegengesetzten Seite des Rotors kann ein zweiter Stator angeordnet werden; in diesem Fall ist vorzugsweise eine zweite ringförmige, leitende Scheibe auf dieser Seite des Rotors vorgesehen, die den Nabenbereich mit dem Außenrandbereich verbindet, so daß die magnetische Komponente des Rotors durch iie leitfähige Komponente eingeschlossen ist.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Darstellungen an mehreren Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch ein Pumpengehäuse und den darin gelagerten Rotor mit dem Flügelrad;

Fig. 2 in einem Schnitt wie Fig. 1 ein Detail des Rotors in einer abgewandelten Ausführungsform; und

Fig. 3 in einem Schnitt wie Fig. 1 ein Detail des Rotors in einer weiter abgewandelten Ausführungsform.

Zunächst wird das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Die Pumpe besitzt ein Gehäuse Io mit einem etwa radial angeordneten Einlaß 12 und einem etwa radial angeordneten Auslaß 14 für die zu pumpende Flüssigkeit, beispielsweise Wasser. Im Inneren des Gehäuses Io sind der Einlaßbereich und der Auslaßbereich axial durch eine Trennwand 16 mit einer kreisförmigen, zentralen Öffnung 18 voneinander abgeteilt. In Strömungsrichtung hinter der Trennwand 16 ist ein Zentrifugalpumpenrad bzw. ein Zentrifugal-Flügelrad 2o angeordnet, das mit radialen Flügeln bzw. Schaufeln 22 versehen ist, die sich von einem zentralen axialen Einlauf 23 aus nach außen erstrecken. Der Einlauf 23 hat eintrittsseitig die Form eines zylindrischen Stutzens, der in der Öffnung 18 angeordnet ist, so daß von dort Wasser von der Einlaßseite des Gehäuses Io zuströmt. Das Flügelrad 2o ist an einem Ende einer Welle 24 befestigt, die sich durch den

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Zentralbereich eines etwa kreisförmigen Lagerbocks 26 erstreckt, der als Einsatz in eine offene Stirnseite 28 des Pumpengehäuses mit geeigneter Passung axial eingeschoben ist. Am anderen Ende der Welle 24 ist eine Rotorscheibe 3o eines Antriebsmotors für die Pumpe befestigt. Die Welle 24 ist als Schraubbolzen ausgebildet. Der Schraubbolzen hat einseitig einen Kopf 32, der in der Rotorscheibe 3o aufgenommen ist, und auf der anderen Seite, der Flügelradseite, ein Gewinde, auf das eine Haltemutter 34 aufgeschraubt ist. Ein etwa rohrförmiges Lagerelement 36 aus Keramikiaaterial ist mittels der Haltemutter 34 zwischen der Rotorscheibe Io und dem Flügelrad 2o eingespannt, wobei das flügelradseitige Ende des Lagerelements 36 mit einem sich radial erstreckenden Flansch 38 ausgebildet ist, um eine axiale Lagerfläche zu schaffen. Eine Druckscheibe 4o aus keramischem Material ist an der Rotorscheibe 3o befestigt und umgibt das Lagerelement 36 an dessen anderem Ende. Auf diese Weise ist eine insgesamt zusammengesetzte Lagerfläche gebildet, die sich mit dem Rotor 3o und dem Flügelrad 2o dreht und eine zylindrische, sich axial erstreckende Oberfläche sowie zwei nach innen einander zugewandte Lagerflächen zur Aufnahme der Axialkräfte aufweist. Diese zusammengesetzte Lagerfläche rotiert innerhalb einer stationären Lagerfläche, die durch zwei Elemente 42, 44 aus keramischem Material gebildet ist. Diese Elemente 42, 44 sind in den Lagerbock 26 eingepaßt bzw. an ihm befestigt und schaffen eine sich axial erstreckende, zylindrische Lagerfläche und zwai beidseitig nach außen gerichtete Drucklagerflächen zur übertragung der Axialkräfte. Die Elemente 42, 44 sind zusammengepaßt und haben Schul-

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tern 43 und 45, zwischen denen ein ringförmiger Bereich 47 des Lagerbocks 26 aufgenommen ist. Beim Element 42 dient die Stirnfläche als Schulter 43, während beim Element 44 ein Absatz als Schulter 45 dient. Das Element 44 nimmt den größten Teil der axialen Länge der beiden Elemente 42 und 44 ein und dient mit seinem Innenumfang als radiale Lagerfläche. Der flügelradseitige Endbereich des Elementes 4 4 ist in einem Bohrungsbereich mit entsprechend erweitertem Durchmesser des Elementes 42 aufgenommen. Durch die Zusammenpassung der Elemente 42, 44 oder auch durch entsprechende Befestigungsmittel ist die Lageranordnung axial festgelegt. Auf diese Weise ist die drehbare Kombination aus Flügelrad und Rotor im Lagerbock 26 mit Lagerflächen gelagert, die axialem Druck in beiden Richtungen Sorge tragen.

Die, Rotorscheibe 3o ist von zusammengesetzter Konstruktion und weist einen Bestandteil hoher elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, und einen ferromagnetischen Bestandteil, z.B. aus gegossenem oder gesintertem Eisenwerkstoff, auf. Der hochleitfähige Bestandteil besitzt einen Nabenbereich und einen Außenrandbereich 48, die auf der der Stirnseite 28 zugewandten Seite durch eine Scheibe 5o geringer Wandstärke miteinander verbunden sind. Der Nabenbereich 46 und der Außenrandbereich 48 sind ausgehend von der Scheibe 5o in Richtung auf das Flügelrad 2o axial um ein bestimmtes Maß verdickt und besitzen außerdem eine bestimmte nicht unwesentliche radiale Ausdehnung. Durch die beschriebene Ausbildung des Nabenbereichs 46 und des Außenrandbereichs 48 ist in der dem Flügelrad 2o zugewandten Rückseite der Rotorscheibe 3o eine ringförmige Ausnehmung in

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dem hochleitfähigen Bestandteil gebildet, die mit dem magnetischen Bestandteil 52 ausgefüllt ist.

Der mit der Rotorscheibe 3o zusammenwirkende Stator kann von einer Konstruktion sein, wie sie für Elektromotoren mit axialem Luftspalt üblich ist. Der Stator kann in einem separaten Statorgehäuse 54 aufgenommen sein, das lösbar an der offenen Stirnseite 28 des Pumpengehäuses Io befestigt ist. Der stator ist gegenüber dem in der Pumpe befindlichen Wasser durch eine dünne Membran 56 abgedichtet, die sich über die gesamte offene Stirnseite 28 erstreckt. Der Stator liegt direkt gegenüber und korrespondiert mit seiner radialen Anordnung mit der magnetischen Komponente 52 des Rotors 3o, so daß die magnetische Komponente 52 als Kern dient, der den axial über den Luftspalt und durch die dünne leitende Scheibe 5o des Rotors 3o laufenden magnetischen Fluß aufnimmt und einen Rückschluß für diesen darstellt. Die Menge des magnetischen Materials 52 im Rotor 3o ist so gewählt, daß sie zur Aufnahme und Rückführung für im wesentlichen den gesamten magnetischen Fluß wirkt, der die Scheibe 5o durchsetzt. Selbstverständlich existiert zu einem gewissen Ausmaß ein äußerer magnetischer Fluß, der außerhalb des Kernes verläuft; die diesbezügliche Wirksamkeit des Kernes ist jedoch so, daß - beispielsweise wenn der Lagerbock 36 aus magnetischem Material bestünde - dies keinen Beitrag zum Weg des magnetischen Flusses lieferte und somit keine Auswirkung auf die Leistung des Motors hätte. Daher kann der Lagerbock 26 aus jedem beliebigen, herkömmlichen Material bestehen, beispielsweise auch aus geformtem, insbesondere gegossenem, gespritztem oder gepreßtem, Kunststoffma-

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Die axiale Dicke der Scheibe 5o bzw. entsprechender Stege stellt notwendigerweise einen Kompromiß dar zwischen der Notwendigkeit, einerseits den Eisen-Eisen-Spalt für den Weg des magnetischen Flusses so schmal wie möglich zu halten und andererseits zugleich die Leitfähigkeit des magnetischen Bestandteils des Rotors so hoch wie möglich zu halten. Die elektrische Leitfähigkeit des Rotors ist dadurch erhöht, daß merkliche Mengen hochleitfähigen Materials im Nabenbereich 46 und im äußeren Umfangsbereich 48 vorgesehen sind. Da diese Mengen radial innerhalb und radial •außerhalb des Statorkerns liegen, liefern sie keinen wesentlichen Beitrag zum Drehmoment des Motors, sondern wirken als Kurzschlußelemente für in Radialrichtung in der leitfähigen Scheibe induzierte Ströme.

Der"" Lagerbock 26 ist mit kreisförmig verteilten, axialen öffnungen 27 versehen, wodurch eine freie Strömung des Wassers um den Rotor 3o herum ermöglicht wird. Der Lagerbock 26 wird durch das Statorgehäuse 54 an seiner Stelle gehalten, so daß nach Abnahme des Statorgehäuses 54 der Lagerbock 26 zusammen mit dem in ihm gelagerten Flügelrad 2o und Rotor 3o einfach herausgezogen werden kann. Hierdurch wird insbesondere ein leichter Zugang für Wartungs- und Reparaturarbeiten ermöglicht.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Modifikation der Rotorkonstruktion, ist die Nabe des Rotors von dem magnetischen Bestandteil statt von dem hochleitfähigen Bestandteil gebildet . De^r leitfähige Bestandteil besitzt einen inneren Kurzschlußring 47,— der eine größere axiale Breite als die Scheibe 5o hat. Der ferro-

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magnetische Bestandteil 52 ist einstückig mit einem sich radial nach innen erstreckenden Ringflansch 4 9 versehen, über den der Rotor an der Rotorwelle befestigt ist. Die Drucklagerscheibe 4c ist in dem Winkelbereich zwischen dem Ringflansch 49 und dem Magnetkern 52 befestigt.

Fig. 3 zeigt eine v/eitere Modifikation der Rotorkonstruktion nach Fig. 2. Bei dieser Modifikation ist die leitende Scheibe 5o von der dem Stator zugewandten Stirnfläche des Rotors leicht zurückgesetzt und die auf diese Weise entstehende ringförmige Aussparung ist mit einer ringförmigen ferromagnetisehen Platte 51 von beispielsweise bis zu einem Millimeter Dicke ausgefüllt. Diese Anordnung ergibt veränderte Axialdruckverhältnisse, die von der Anziehung zwischen dem Rotor und dem Stator herrühren. Das kann bei "-bestimmten Anwendungsgebieten des Motors zum axialen Druckausgleich von Vorteil sein.

Ansprüche

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Claims

Ansprüche

1. I Induktionsmotor mit axialem Spalt, der ein Gehäuse, einen in dem Gehäuse angeordneten Stator mit ebener Stirnfläche sowie einen von einer V7elle getragenen Rotor aufweist, die in einer Abstützung im Gehäuse derart drehbar gelagert ist, daß eine Rotorstirnfläche durch einen schmalen Axialspalt von der Statorstirnfläche getrennt ist, wobei der Rotor einen in hohem Maße leitfähigen Bestandteil und einen ferromagnetischen Bestandteil aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß der leitfähige Bestandteil eine dünne ringförmige Scheibe (5o) aufweist, die an der dem Stator zugewandten Stirnseite des Rotors (3o) angeordnet ist und einen axial dickeren Nabenbereich (46.) mit einem axial dickeren Randbereich (48) verbindet; daß die so gebildete Ringausnehmung rings entlang des leitfähigen Bestandteils mit dem ferromagnetischen Bestandteil (52) versehen ist; daß die Rotorwelle (24) in der Abstützung (26) über eine keramische Lageranordnung (36, 38, 4o, 42, 44) gelagert ist, die einen ersten mit der Welle (24) rotierenden Teil (36, 38, 4o) und einen zweiten an der Abstützung (26) befestigten Teil (42, 44) aufweist; daß durch den ersten Teil (36, 38, 4o) einander zugewandte Druck-Stirnlagerflächen und eine dazwischen liegende, zylindrische Außenlagerflache gebildet sind; daß durch den zweiten Teil (42, 44) beidseitig nach außen gerichtete Druck-Stirnlagerflächen, die mit den Druck-Stirnlagerflächen

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des ersten Teils (36, 38, 4o) gepaart sind, und eine dazwischen liegende, zylindrische Innenlagerflache, die mit der zylindrischen Außenlagerflache des ersten Teils (36, 38, 4o) gepaart ist, gebildet sind.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Lagerteil zwei Elemente auf v/eist; daß das eine Element des ersten Lagerteils (36, 38) als Büchse ausgebildet ist, die die Rotorwelle (24) aufnimmt, die zylindrische Außenlagerflache bildet und an einem Ende einstückig einen nach außen gerichteten Flansch (38) besitzt, durch den die eine Druck-Stirnlagerfläche gebildet ist; daß das andere Element des ersten Lagerteils als stirnseitig ebenflächiger Ring (4o) ausgebildet ist, durch den die gegenüberliegende Druck-Stirnlagerfläche gebildet ist; daß der zweite Lagerteil zwei Elemente aufweist; daß das eine Element des zweiten Lagerteils als Büchse (44) ausgebildet ist, die die Büchse (36, 38) des ersten Lagerteils umgibt, mit dieser gepaart ist und an ihrem einen Ende eine der nach außen gerichteten Druck-Stirnlagerflächen bildet; daß das andere Element (42) des zweiten Lagerteils ringförmig ist, die Büchse (36) des ersten Lagerteils umgibt und die andere nach außen gerichtete Druck-Stirnlagerfläche bildet.

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3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Elemente (42, 44) des zweiten Lagerteils mit nach innen einander zugev/andten Schultern (43, 45) versehen sind, und daß zwischen den Schultern (43, 45) ein ringförmiger Bereich (47) der Abstützung (26) für die Rotorwelle (24) aufgenommen ist, wodurch die Lageranordnung (36, 38, 4o, 42, 44) axial festgelegt ist.

4. Motor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (24) an ihrem vom Roter (3c) entfernten Ende mit einem Schraubelement (34) versehen ist, durch welches das eine Element (36, 38) des ersten Lagerteils derart gegen den Rotor (3o) gespannt ist, daß es zur Demontage der · Lageranordnung (36, 38, 4o, 42, 44) lösbar ist.

5. Verwendung des Motors nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für eine Flüssigkeitspumpe, bei der ein Rotor in der Flüssigkeit rotiert, gegenüber der ein Stator abgedichtet ist; der Rotor von einem Ende einer drehbar angeordneten Welle getragen ist; ein Zentrifugal-Flügelrad am anderen Ende der Welle befestigt ist; der Einlauf des Flügelrades in Axialrichtung abgewandt vom Rotor offen ist; ein Gehäuse mit einem über eine Öffnung in einer Innenwand des Gehäuses zum Flügelradeinlauf führenden Flüssigkeitseinlaß sov/ie mit einem Flüssigkeitsauslaß in einem Bereich des Gehäuses am Umfang des Flügelrades vorgesehen ist; und die Welle zwischen dem Rotor und dem Flügelrad durch eine Lageranordnung innerhalb des Pumpengehäuses gelagert ist.

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6. Verwendung eines .Motors nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für eine Pumpe der Ausbildung nach Anspruch 5, bei der das Flügelrad mit abgedeckter Vorderseite ausgebildet ist und einen axial vorstehenden, den Einlauf umschließenden Stutzen auf v/eist, der sich mindestens teilweise durch die Öffnung in der Innenwand des Gehäuses mit kleinem Radialspiel erstreckt.

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