DE2924037A1 - Dynamoelektrische maschine mit einem lamellenfoermigen statorkern - Google Patents

Description

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Dynamoelektrische Maschine mit einem lamellenförmigen Statorkern

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine mit einem lamellenförmigen Statorkern, der längsverlaufende Nuten zur Aufnahme von isolierten Wicklungspaketen hat, wobei die Wicklungspakete im wesentlichen an der inneren Oberfläche der Nuten anliegen.

Bei großen dynamoelektrischen Maschinen und insbesondere großen Synchronmaschinen verursachen die Ströme in den Endschleifenabschnitten der Rotorwicklung und der Statorwicklung magnetische Felder, welche einen axial verlaufenden Magnetfluß erzeugen.

Dieser axial verlaufende Magnetfluß dringt in den Statorkern senkrecht zur Lamellenstruktur ein und verursacht verhältnismäßig große Wirbelströme an den Endbereichen des Kerns, da der Kern keine entsprechende lamellenförmige Unterteilung hat, um diese Wirbelströme zu unterbinden. Die dabei auftretenden Verluste

können sehr groß sein und insbesondere extreme Erwärmungen im Endbereich des Kerns auslösen, die in der Lage sind, die maximale Leistung derartiger Maschinen in unerwünschter Weise zu begrenzen.

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zen. Die Verluste tendieren dazu, sich im Oberflächenbereich der Stege aufgrund des Skin-effektes zu konzentrieren, so daß Temperaturspitzen an den Oberflächen der Zähne entstehen, die in Folge der direkten Kontaktgabe zum Wicklungspaket dessen Isolierung j- stark erhitzen, wobei maximal zulässige Temperaturen überschritten werden können, so daß dadurch die Lebensdauer der Isolierung beeinträchtigt werden kann. Mit herkömmlichen Kühlsystemen ist diese extreme Erhitzung im Endbereich des Kerns nicht zu vermeiden, so daß dies für große dynamoelektrische 2Q Maschinen äußerst nachteilig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen und Maßnahmen zu schaffen, mit welchen die Temperaturen verringert werden können und die Temperaturbelastung der Isojlierung der Wicklungspakete über ein zulässiges Maß hinaus vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an den Endbereichen der Kerns zwischen den Wicklungspaketen und der „₀ Oberfläche der Nuten ein freier Raum vorgesehen ist, durch welchen ein Kühlmittel fließt.

Durch die Maßnahmen der Erfindung und die dadurch ausgelöste Kühlung der Endbereiche des Stators werden Temperaturspitzen ₂,- im Bereich der Oberfläche der Stege wesentlich verringert, wodurch die Isolierung der Statorwicklung weniger belastet wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Anprüchen.

Mit

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Mit Hilfe der unterschiedlichenAusgestaltungen der Erfindung ist es möglich, die Vorteile der verringerten Temperaturbelastung den einzelnen Gegebenheiten der Maschinen anzupassen, wobei es möglich ist, die Abstützung der Wicklungspakete auch im Endbereich des Kerns zu sichern, ohne daß die Zirkulation des Kühlgases in radialer Richtung in diesem Bereich wesentlich beeinträchtigt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Leistung derartiger Maschinen zu erhöhen, ohne daß die Temperaturen an den Oberflächen der Stege einen unzulässig hohen Wert übersteigen.

Diese durch die Maßnahmen der Erfindung entstehenden Kühlkanäle in axialer Richtung kommunizieren mit den Kühlkanälen in radialer Richtung, so daß ein einwandfreier Kühlmittelfluß gewährleistet ist.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Be Schreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht des Endschleifenab

schnittes einer großen Synchronmaschine zur Erläuterung der der Erfindung zugrunde liegenden Problematik;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch

einen Steg des Statorkerns einer herkömmlichen Synchronmaschine mit angedeuteter Wärmeverteilung;

Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch den Steg

eines

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eines Statorkerns mit einer Kühleinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines größeren

Teiles des Statorkerns nach einer Ausfüh

rungsform der Erfindung;

Fig. 5 ein Diagramm, aus dem die Temperatur -

verteilung meinem Steg des Statorkerns mit und ohne Kühlanordnung gemäß der

Erfindung dargestellt ist;

Fig. 6 und 7 perspektivische Ansichten auf die Stirnseite

von jeweils einer Nut eines Statorkerns mit verschiedenen Ausführungsformen gemäß

der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Teilausschnitt von einem Ende eines Statorkerns 10 eines großen Generators dargestellt, bei dem ein Paket aus Kernblättern 11 zwischen Fingerplatten 12 und Endplatten 13 am jeweiligen Ende des Statorkerns angeordnet ist. Vom Rotor 15 ist ein Teil des Rotorkörpers 16 und des Verankerungsringes 17 dargestellt. Die Feldwicklung auf dem Rotor besteht aus Kupferleitungenj die in Nuten des Rotorkörpers 16 verlegt und an den jeweiligen Enden derart miteinander verbunden sind, daß entweder Zwei- oder Vierfeldwicklungen entstehen. Die Endschleifenleiter 18, die die einzelnen Wicklungen der Kupferleitungen miteinander verbinden, sind in Fig. 1 angedeutet und erstrecken sich in Umfangsrichtung um den Rotor. Diese Endschleifenleiter werden von dem Verankerungsring 15 gehaltert. Der in denEnd-

schleifenleitern

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schleifenleitern 18 fließende Strom fließt im wesentlichen in einer längs dem Umfang verlaufenden Richtung bezogen auf die Achse der elektrischen Maschine, wie dies mit den Stromsymbolen 19 in Fig. 1 angedeutet ist.

Die Statorwicklungen der Maschine sind in längs verlaufenden Nuten im Statorkern 10 angeordnet und ragen aus den Nuten an den Stirnseiten des Statorkerns 10 in Form von Endschleifenabschnitten heraus. Diese Endschleifenabschnitte eines jeden Wicklungslei-

IQ ters bzw. einer Halbspule haben eine komplizierte, in der Zeichnung nicht dargestellte Form, welche den Endschleifenabschnitt nur schematisch andeutet. In der Praxis tritt jede Halbspulenwicklung etwa in axialer Richtung aus der Nut heraus und ist dann in eine komplexe Kurve gekrümmt, welche sich im wesentlichen

j,, in einem Abstand um den Kern erstreckt, wobei das äußere Ende mit dem äußeren Ende einer anderen, von einer anderen Nut kommenden Wicklung verbunden ist. Dadurch ergibt sich eine verhältnismäßig komplizierte Kurvenkonfiguration, wobei der größte Teil des Endschleifenabschnittes jeder Spulenwicklung im wesent-

2Q liehen in Umfangsrichtung um den Kern verläuft. Die Ströme in den Endschleifenabschnitten 20 der Statorwicklung verlaufen damit im wesentlichen in Umfangsrichtung, wie dies durch die Strom symbole 21 gemäß Fig. 1 angedeutet ist.

2c Da also sowohl die Rotorströme als auch die Statorströme an den Endbereichen der Maschine im wesentlichen in Umfangsrichtung fließen, ergibt sich ein magnetischer Feldeffekt, der den durch die Wicklungen fließenden Strömen entspricht, welche durch gestrichelte Linien 22 angedeutet sind. Daraus resultiert ein magnetischer Fluß 23, der im wesentlichen in axialer Richtung in der

Maschine

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Maschine verläuft. Die Ströme in der Stator wicklung sind selbstverständlich Wechselströme und bewirken ein entsprechend sich wechselndes Magnetfeld, wogegen durch die Rotorwicklung ein Gleichstromfeld zur Erregung der Maschine erzeugt wird, "das, bezogen auf einen gegebenen Punkt am Stator ,die Polarität entweder zweimal oder viermal pro Rotorumdrehung entsprechend der Anzahl der vorhandenen Pole ändert. Dadurch ergibt sich ein pulsierender und sich ändernder Magnetfluß 23 in dem Endbereich der Maschine, der sowohl in axialer Richtung als auch senkrecht zu den Kernflächen des Statorkerns, wie in Fig. 1 dargestellt, ausgerichtet ist. Dieser Magnetfluß durchdringt die Endbereiche des Kerns in einer senkrechten Richtung zum aus Kernflächen laminiert aufgebauten Kernpaket und bewirkt hohe Wirbelströme innerhalb der Kernfläche. Da der Kern nicht in entsprechender Weise laminiert ist, um diese Wirbelströme auf ein Minimum zu verringern, werden die Wirbelströme verhältnismäßig groß und bewirken hohe Verluste, was eine entsprechend starke Erhitzung der vom Magnetfluß durchdrungenen Endbereiche des Kerns auslöst. Die Amplitude der Verluste ändert sich natürlich mit der Flußdichte und der Amplitude des Flußes, die von der Phasenbeziehung des Stromes in der Statorwicklung undin der Feldwicklung abhängt. Man hat festgestellt, daß die Flußdichte bei einem voreilenden Leistungsfaktor mindestens doppelt so groß wie die Flußdichte bei Nennstrom und einem nacheilenden Leistungsfaktor für eine gegebene Maschine sein kann, da die Wärmeverluste, die im Kern durch den axialen Fluß erzeugt werden mit dem Quadrat des Magnetflußes sich ändern, ist es offensichtlich, daß sehr höhe Temperaturen erreicht werden können und daß der Temperaturanstieg im Kernendbereich ernsthafte Begrenzungen der maximal erreichbaren Nennleistung der Maschine auslösen kann.

Jn

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In Fig. 2 sind die Bedingungen in einem einzelnen Steg 25 des Kerns im Endbereich dargestellt. Der laminierte Steg 25 hat üblicherweise einen zentral gelegenen Schlitz26, der das laminierte Paket in zwei Abschnitte geringerer Breite unterteilt, um die durch den axialen Fluß verursachten "Verluste zu verringern. Selbst mit solchenSchlitzen lassen sich die Verluste im Endbereich der Maschine aufgrund des eindringenden axialen Flußes nicht verhindern, vielmehr ergeben sich zusätzliche Verluste im Kern, die dazu tendieren, sich im Steg und insbesondere im Bereich der Oberfläche des Steges aufgrund des Skin-Effektes zu konzentrieren.

Der Bereich der konzentrierten Verluste und damit höheren Temperaturen ist in Fig. 2 schraffiert angedeutet. Die dabei sich ergebenden Temperaturen sind im Oberflächenbereich des Steges sehr hoch, so daß die Wandflächen ungewöhnlich heiß werden kön-5 nen. Die Wi cklungspakete 28 der Statorwicklung sind in den zwischen den Stegen ausgebildeten Nuten angeordnet und bestehen üblicherweise aus Litzenpaketen, die mit einer Isolierung 29 umgeben sind. Diese Wicklungspakete sind dicht in die Nuten eingesetzt, so daß sie im wesentlichen über die gesamte Länge einen direkten Kontakt mit der Innenwandung der Nut haben. Die durch die Verluste an den Wänden entstehenden hohen Temperaturen sind äußerst unerwünscht, da die Isolierung erhitzt wird und zulässige Temperaturgrenzen überschritten werden können,was sich sowohl auf die Lebensdauer der Isolierung als auch auf die Beschaffenheit nachteilig auswirken kann.

In Fig. 3 ist in einem Teilausschnitt ein Steg mit einer in der Nut angeordneten Wicklung dargestellt, wobei der prinzipielle Erfindungsgedanke gezeigt wird. Der Steg 30 hat dieselbe Konfiguration wieder Steg 25 gemäß Fig. 2 und ebenso sind die Wicklungs-

pakete

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pakete gleichartig ausgebildet. Man kann jedoch erkennen, daß die Stegbreite etwas kleiner ist, so daß sich etwas breitere Nuten ergeben und ein freier Raum 31 zwischen den Stegen und den Wicklungspaketen übrigbleibt. Dieser freie Raum läßt eine Kühlung zu, indem ein Gasfluß in axialer Richtung oder auch in axialer und radialer Richtung stattfinden kann. Der dadurch entstehende Gasstrom fließt direkt über die Oberfläche der Stege und zwar in dem Bereich mit höchster Temperatur entwicklung, so daß ein großer Anteil der erzeugten Wärme abgeführt werden kann. Ferner wird durch den freien Raum 31 verhindert, daß ein direkter Wärmeiluß durch Kontaktwärme zu den Wicklungspaketen stattfinden kann, so daß die Isolierung durch das kühlende Gas ebenfalls gegen hohe Temperaturen geschützt wird. Der erfindungsgemäße Aufbau hat also zwei Wirkungen, indem nämlich einmal eine starke Erwärmung des Kerns durch Temperaturabführung vermieden werden kann und zum anderen das Wicklungspaket der Statorwicklung und insbesondere die Isolierung gegen Beschädigung durch hohe Temperaturen geschützt wird.

In Fig. 4 ist eine perspektivische Draufsicht auf das stirnseitige Ende eines Teils eines großen Statorkerns dargestellt, wobei dieser Statorkern 35 aus einer Vielzahl von Paketen 36 mit Lamellenstruktur aufgebaut ist, wobei zwischen den einzelnen Paketen Kanäle 37 in radialer Richtung vorgesehen sind, durch welche das Kühlgas, vorzugsweise Wasserstoff, strömt. Die Lamellenstruktur hat Stege 38 und Nuten 39, wobei die Stege ferner mit einem radial verlaufenden Schlitz 40 im Zentrumsbereich versehen sind. Die Nuten 39 nehmen die Wicklungspakete der Statorwicklung auf, wobei derartige Wicklungspakete in Fig. 4 der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet sind. Diese Wicklungspakete sind in

den

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den Nuten 39 in herkömmlicher Weise angeordnet und werden durch Keile 41 festgehalten. Entsprechend der Lehre der Erfindung sind die Stege 38 im letzten Paket 36 an den Stirnseiten des Kerns 35 schmaler ausgebildet, als im übrigen Kernbereich, so daß sich breitere Nuten 39 im Endbereich des Steges ergeben. Die Wicklungspakete 28 sind für den inneren Bereich des Kerns herkömmlicherweise fest in die Nuten eingepaßt, wogegen aufgrund der geringeren Stegbreite an den stirnseitigen Enden des Pakets jeweils freie Räume 31 beiderseits derWicklungspakete entstehen, die eine Belüftung zulassen. Diese freien Räume stehen in direkter Kommunikation mit den Belüftungskanälen 37, so daß immer ein Teil des durch den Kern strömenden Kühlgases abgezweigt wird und durch die freien Räume 31 abfließt, d. h. in axialer Richtung zwischen den Stegen und den Wicklungspaketen aus dem Kern herausströmt. Dadurch wird der gewünschte Kühleffekt erzielt.

Der Einfluß dieses beschriebenen Kühleffektes geht aus dem Diagramm gemäß Fig. 5 hervor. Der obere Teil dieses Diagramms zeigt Temperaturen an bestimmten Punkten im Wicklungspaket 47, in Steg 45 und im Zentrums schlitz 46 des Stegs. Mit der Kurve A wird der Temperaturverlauf an den angegebenen Punkten für einen herkömmlichen Aufbau wiedergegeben, wobei die Wicklungspakete in direkter Kontaktverbindung mit der Wandoberfläche der Stege stehen und das Kühlgas mit einer Geschwindigkeit von etwa 610 m/min durch den Z ent rums schlitz 46 strömt. Temperaturspitzen treten am Punkt 48 auf, wobei sich ein sehr steiler Temperaturgradient im Bereich der Isolierung ergibt, der von der extrem hohen Temperatur an der Wand des Steges ausgelöst wird. Die Situation kann etwas verbessert werden, indem die Geschwindigkeit des Kühlgases erhöht wird, was aus der Kurve B hervorgeht. Für diesen

Kurvenverlauf

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Kurvenverlauf wird von einer Geschwindigkeit des Kühlgases von etwa 4575 m/min im Zentrumsschlitz 46 ausgegangen,, Man erkennt, daß sich dadurch die Spitzentemperaturen wesentlich verringern lassen, jedoch sind die direkt auf die Isolierung wirken.-' den Temperaturen immer noch gefährlich hoch, d.h. es ergeben sich sehr hohe Temperaturverluste. Die dritte Kurve C geht von den Bedingungen aus., wie sie durch die Erfindung erzielt werden, wobei ein axialer freier Raum 50 zwischen dem Wicklungspaket und dem Steg 45 vorgesehen ist. Die Temperatur im Punkt 51 läßt sich dadurch auf etwas mehr als die Hälfte der Temperatur der Kurve A verringern, wobei das gesamte Tanperaturniveau durch die Erfindung wesentlich niedriger liegt, d.h. die Erwärmung des Steges stark zurückgeht. Unter dieser Voraussetzung wird auch die Isolierung keiner starken Temperaturbelastung ausgesetzt, d.h. der Temperaturgradient in der Isolierung geht wesentlich zurück. Mit der Erfindung läßt sich daher eine sehr wirksame Reduzierung der Kerntemperatur erreichen, was gleichzeitig eine Schutzmaßnahme gegen hohe Temperaturbelastungen der Isolierung der Wicklungspakete ist.

Es ist ohne weiteres vorstellbar, daß der grundlegende Erfindungsgedanke in einer Vielzahl von Variationen verwirklicht werden kann. In den Fig. 6 und 7 sind derartige Variationen dargestellt. Gemäß Fig. 6 ist der Statorkern 55 etwa wie der Kern 35 gemäi3 Fig. 4 aufgebaut, jedoch ist nur in radialer Richtung gesehen die innere Hälfte der Nut 39 mit einer größerenNutbreite, wie durch das Bezugszeichen 56 angedeutet, versehen. Die weiter außen liegende Hälfte 57 der Nut hat dieselbe Nutbreite wie der Rest des Statorkerns. Die Modifikation gemäß Fig. 6 hat den Vorteil, daß die wünschenswerte Abstützung der Stege, welche einen axial

verlaufenden

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verlaufenden Schlitz aufweisen, wenigstens für die Hälfte der Nuttiefe gegeben ist, wogegen die innere Hälfte der Nuttiefe für die Belüftung zur Verfügung steht. Bei dieser Ausführungsform strömt das gesamte Kühlgas durch den freien Raum, der durch die größere Nutbreite 56 gebildet wird, was eine Verringerung des Kühleffektes mit sich bringt, der jedoch ausreicht, um wesentliche Wärmemengen abzuführen und damit einen Kühleffekt zu erzielen, der den gewünschten Schutz für die Isolierung bietet, ο hne daß die Wicklungspakete in den Nuten weniger gut gehaltert sind.

In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die als Kompromiß zwischen dem Aufbau gemäß Fig. 4 und Fig. 6 betrachtet werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist die Nut 39 im stirnseitigen Paket der Lamellenstruktur von größerer Breite als im übrigen Kern, entsprechend der Ausführungsform gemäß Fig. 4. Jedoch sind über die Nuttiefe verteilt Rippen vorgesehen, die einerseits die Halterung der Wicklungspakete gewährleisten und andererseits genügend freien Raum zwischen der Oberfläche der Stege und den Wicklungspaketen gewährleisten, so daß eine gute Belüftung des Zwischenraums bzw. freien Raums gewährleistet ist. Mit diesem Aufbau werden praktisch dieselben Ergebnisse wie mit dem Aufbau gemäß Fig. 4 erzielt. Es ist offensichtlich, daß es eine Vielzahl von möglichen Konstruktionen gibt, um den gewünschten Effekt zu erhalten, d.h. den Bereich zwischen der Oberfläche der Stege und den Wicklungspaketen ausreichend zu belüften, damit der erwüns chte Kühleffekt erzielt wird.

Mit den Maßnahmen der Erfindung lassen sich also starke Temperaturanstiege

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peraturanstiege im Bereich der stirnseitigen Enden der Kernpakete und entsprechend starke Erhitzungen der Isolierung der Wicklungspakete vermeiden, welche durch den axialen Magnetfluß ausgelöst werden, der den Kern durchdringt. Die konstruktiven Maßnahmen gemäß der Erfindung sind äußerst einfach und lassen sich ohne wesentlichen Kosten bei elektrischen Maschinen verwirklichen, wobei auch das Kühlsystem in keiner Weise nachträglich beeinflußt wird, da nur ein verhältnismäßig geringer Anteil der Kühlgasmenge durch die geschaffenen freien Räume fließt. Trotz dieser geringen kostenmäßigen Belastung wird ein außergewöhnlich hoher Effekt erzielt, indem nämlich die im wesentlichen unvermeidlichen Einflüsse des magnetischen Flußes an den stirn- seitigen Enden der Kerne durch eine vorteilhafte Temperaturableitung kompensiert werden können.

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Claims (1)

1. PATEN T ANSPRÜCHE

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   Dynamoelektrische Maschine mit einem lamellenförmigen Statorkern, der längsverlaufende Nuten zur Aufnahme von isolierten Wicklungspaketen hat, wobei die Wicklungspakete in wesentlichem an der inneren Oberfläche der Nuten anliegen, dadurch gekennzeichnet,

   - daß an den Endbereichen des Kerns (10; 35) zwischen den Wicklungspaketen (28) und der Oberfläche der Nuten (39) ein freier Raum (31; 50) vorgesehen ist, durch welchen ein Kühlmittel fließt.

   Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   - daß im Kern radiale Belüftungskanäle (37) vorgesehen sind, welche vom Kühlmittel durchflossen werden

   - und daß die freien Räume (31; 50) an den Endbereichen der Kerns mit den radialen Kühlkanälen kommunizieren.

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   ORlGfNAt INSPECTED

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   3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

   - daß zumindest ein Teil der radial verlaufenden Nutoberfläche in einem Abstand von dem Wicklungspaket geführt ist, um die axial verlaufenden Kühlkanäle in den Endbereichen des Kerns vorzusehen.

   4. Dynamoelektrische Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, - daß der Kern aus Paketen (36) mit Lamellenstruktur aufgebaut ist,

   - daß zwischen den einzelnen Paketen radial verlaufende Kühlkanäle (37) vorgesehen sind,

   - und daß das jeweilige Endpaket mit axial verlaufenden Kühlleitungen in Form freier Räume (3Ij 50) zwischen den Wicklungs paket en und der Nutoberfläche versehen ist.

   5. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

   - daß die Nutbreite im jeweils endseitigem Paket (36) der Lamellenstruktur größer als im mittleren Bereich des Kerns ist.

   6. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,

   - daß nur ein Teil der Nuttiefe mit größerer Nutbreite ausgeführt ist, um die axial verlaufenden Kühlkanäle zu bilden.

   7. Dynamoelektrische Maschine nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

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   - daß etwa die Hälfte der Nuttiefe des jeweils stirnseitigen Paketes der Laniellenstruktur mit erweiterter Nutbreite (56) ausgebildet ist und daß für den Rest der Nuttiefe das Wicklungspaket an den seitlichen Oberflächen der Nut anliegt.

   8. Dynamoelektrische Maschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

   - daß auf der inneren Oberfläche der Nut im Bereich des jeweils letzten Paketes der Lamellenstruktur an der Stirnfläche des Kernes axial verlaufende Rippen (58) ausgebildet sind, an welchen das Wellenpaket (28) anliegt,

   - und daß im Bereich zwischen den Rippen freie Räume entstehen, die als axiale Kühlkanäle Verwendung finden.

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