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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlung für einen Elektromotor oder Generator,
spezieller einen sogenannten "spaltlosen" Permantentmagnetmotor
oder – generator.
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Es
ist bekannt, dass solcher "spaltloser" Permanentmagnetmotor
oder -generator im Wesentlichen aus einem Gehäuse besteht und in diesem Gehäuse einerseits
einem sogenannten "spaltlosen" röhrenförmigen Ständerblech
mit einer glatten Innenwand und elektrischen Wicklungen, die in
oder um besagtes röhrenförmiges Ständerblech
gewickelt sind, und andererseits einem Rotor, der mit Permanentmagneten
versehen ist.
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Solche
Motoren und Generatoren, die mit einer Kühlung ausgerüstet sind,
die durch einen an der Außenseite
des Stators angebrachten Kühlmantel, durch
den ein Kühlfluid
strömt,
gebildet wird, sind bereits bekannt.
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Ein
Nachteil solcher bekannter Statoren ist, dass die Kühlung an
dem Rotor oft unzureichend ist.
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Es
ist auch bekannt, dass "spaltlose" Permanentmagnet-Motoren oder -Generatoren
oft mit einer Luftkühlung
versehen werden, wobei Luft mittels eines externen Ventilators oder
mittels der einen oder anderen Form einer Schraube oder Blättern, die
auf dem Rotor befestigt sind, über
die Wickelköpfe
des Stators geblasen wird.
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Dieses
Prinzip von Luftkühlung
kann sowohl an jedem Wickelkopf an jedem Ende des Stators angewendet
werden, als auch für
die Verwirklichung eines Luftstroms von dem Wickelkopf an einem
Ende des Stators zu dem Wickelkopf am anderen Ende des Stators,
mittels des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator, sowie
auch zur Verwirklichung eines Luftstroms von der Mitte des Stators
in dem Luftspalt, axial zu den Wickelköpfen an den Enden, um somit
die Rotorachse und die Wickelköpfe
zu kühlen.
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Es
ist auch bekannt, dass anstelle von Luft andere Gase als Kühlmedium
angewandt werden können.
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Ein
Nachteil solcher Kühlung
mittels Luft oder eines anderen Kühlgases ist, dass es in beiden Fällen sehr
schwierig ist, einen vollständig
geschlossenen Motor in Hinsicht auf einen staubfreien oder feuchtigkeitsfreien
Betrieb zu bauen.
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In
Ausnahmefällen,
wie beispielsweise aus WO 01/35513 und
US 5,304,883 bekannt, ist direkte Ölkühlung der
Statorwicklung bekannt, wobei die stromführenden Leiter der Statorwicklung
in direktem Kontakt mit dem Öl
sind, wodurch ein potentielles Risiko möglicher Kurzschlüsse vorliegt.
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Direkte
Kühlung
durch den Rotor ist ebenfalls eine der bekannten Motorgestaltungen,
ist jedoch komplex und teuer.
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Im
Fall von Permanentmagnetmotoren oder -generatoren mit höherer Geschwindigkeit
und höherer
Kapazität
vom sogenannten "oberflächenmontierten" Typ werden die Magnete
auf der Rotorachse befestigt und werden auf der Rotorachse mittels
eines Rohrs festgehalten, das die Zentrifugalkräfte bei einer hohen Drehzahl
absorbieren muss und das aus Metall oder aus Kohlenstofffasern hergestellt
ist, welches Rohr mit einer großen Vorspannung
um die Magnete herum angebracht wird, sodass das Drehmoment auch
auf der maximalen Drehzahl übertragen werden
kann.
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Solche
Motoren oder Generatoren, die dazu entworfen sind, auf hohen Geschwindigkeiten
betrieben zu werden, sind unter anderem aufgrund mechanischer und
rotordynamischer Aspekte stets so klein als möglich. Dadurch kann die Energiedichte
in dem Stator ein Problem darstellen und ein spezielles Kühlkonzept
erfordern, in Anbetracht dessen, dass eine zu hohe Erwärmung des
Stators zu einem unerwünschten
Temperaturanstieg in dem Rotor führen kann.
Durch einen zu heißen
Stator und aufgrund der Luft in dem Luftspalt wird es für den Rotor
schwieriger, diese Hitze abzugeben, und kann der Rotor eventuell
auch durch den Stator zusätzlich
aufgeheizt werden. Insbesondere dann, wenn das vorgenannte Rohr,
das die Magneten auf dem Rotor festhält, aus Kohlenstofffasern hergestellt
ist, kann eine Erwärmung
des Rotors katastrophale Folgen haben.
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Manche
bekannten Permanentmagnetotoren und -generatoren erfordern eine
zusätzliche
Kühlung
des Rotors, welche beispielsweise mittels einer Luftkühlung durch
den Luftspalt zwischen Stator und Rotor oder durch die Achse verwirklicht
werden kann. Zur Beseitigung aller oben erwähnten Schwierigkeiten ist üblicherweise
ein komplexer, teurer und umfangreicher Kühlkreislauf notwendig. Auch
ein völlig geschlossener
Permanentmagnetmotor oder -generator kann nicht auf einfache Weise
verwirklicht werden, und die Kosten für einen solchen Motor oder
Generator sind üblicherweise
sehr hoch.
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Ein
anderer großer
Nachteil der bis dato bekannten Permanentmagnetmotoren oder -generatoren,
wie beispielsweise in dem Fall des oben erwähnten WO 01/35513 und
US 5,304,883 , ist, dass
das Anbringen der Wicklungen eine sehr aufwendige, zeitraubende
und teure Angelegenheit ist, da das "spaltlose" Ständerblech
in diesem Fall eine glatte Innenwand aufweist, ohne Federn, um die
die Wicklungen gewickelt werden können, wie im Fall von Motoren
und Generatoren mit einem klassischen Ständerblech.
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Die
vorliegende Erfindung bezweckt eine Abhilfe für die oben erwähnten und
andere Nachteile.
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Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung eine verbesserte Kühlung für einen
Elektromotor oder Generator, bestehend aus einem Gehäuse, einem
sogenannten "spaltlosen" röhrenförmigen Ständerblech, einem
Rotor mit Permanentmagneten und elektrischen Wicklungen, die zwischen
dem Ständerblech und
dem Rotor angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung einen
Kühler
umfasst, worauf besagte Wicklungen angebracht sind und der aus einem
Kühlelement
gebildet ist, das zwischen dem Ständerblech und dem Rotor angebracht
ist und welches Kühlelement
mit radial auf den Rotor gerichteten Federn versehen ist, die sich
in der axialen Richtung des Stators erstrecken und zwischen denen axial
gerichtete Nuten definiert sind, sodass das Kühlelement eine äußere Form
eines herkömmlichen Ständerblechs
mit Federn zur Anbringung besagter Wicklungen aufweist.
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Ein
Vorteil eines solchen erfindungsgemäßen Motors oder Generators
ist, dass die Kühlung
in der unmittelbaren Umgebung des Rotors und der Wicklungen des
Stators angewendet wird, wodurch eine sehr effiziente Kühlung des
Rotors mit seinen Magneten und des Rohrs, das die Magnete auf dem Rotor
hält, sowie
der Statorwicklungen erhalten wird.
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Ein
anderer Vorteil ist, dass ein solcher Motor oder Generator mit einer
inneren Kühlung
kompakter ist als ein bekannter Motor oder Generator mit einem äußeren Kühlmantel
und einer vergleichbaren Kapazität.
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Ein
anderer Vorteil ist, dass, da die Kühlung intern in dem Stator
angebracht ist, solcher Stator für geschlossene
Motoren oder Generatoren verwendet werden kann, die beispielsweise
in staubigen und feuchten Umgebungen oder in Umgebungen mit entflammbaren
oder korrosiven Gasen angewendet werden.
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Noch
ein anderer Vorteil eines solchen Kühlers ist, dass die oben erwähnten Wicklungen
auf sehr einfache Weise in den oben erwähnten Nuten um die oben erwähnten Federn
herum angebracht werden können,
spezieller auf dieselbe Weise als im Fall der herkömmlichen
Asynchron- oder Synchronmotoren und -generatoren, die mit einem
Ständerblech
mit Federn versehen sind.
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Ein
daran gekoppelter Vorteil ist, dass ein solcher Stator preiswert
hergestellt werden kann und außerdem
auch leicht in Serie produziert werden kann, durch Anwendung der
bekannten vollautomatischen Wickeltechniken, die bei herkömmlichen
Motoren und Generatoren angewendet werden.
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Ein
anderer Vorteil ist, dass ein solcher Kühler auch mittels eines automatisierten
Verfahrens gefertigt werden kann, beispielsweise durch Extrusion, Spritzguß, Stereolithographie
oder dergleichen.
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Zur
besseren Erläuterung
der Merkmale der Erfindung sind hiernach, als Beispiel ohne jeden
einschränkenden
Charakter, die folgenden bevorzugten Ausführungsformen eines Motors oder
Generators mit einer erfindungsgemäßen verbesserten Kühlung beschrieben,
nur als Beispiel, ohne in irgendeiner Weise einschränkend zu
sein, unter Verweis auf die begleitenden Zeichnungen, worin:
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1 schematisch
und in Perspektive einen Stator eines Motors oder Generators mit
einer verbesserten Kühlung
gemäß der Erfindung
darstellt;
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2 einen
Querschnitt gemäß Linie
II-II in 1 darstellt;
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3 den
in 2 durch F3 angedeuteten Teil in einem größeren Maßstab darstellt;
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4 einen
Querschnitt gemäß Linie
IV-IV in 1 darstellt
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5 einen
Querschnitt gemäß Linie
V-V in 4 darstellt;
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6 eine
erste Variante gemäß 1 darstellt;
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7 einen
Querschnitt gemäß Linie
VII-VII in 6 darstellt;
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8 einen
Querschnitt gemäß Linie
VIII-VIII in 7 darstellt;
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9 eine
zweite Variante gemäß 1 darstellt;
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10 einen
Querschnitt gemäß Linie
X-X in 9 darstellt;
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11 einen
Querschnitt gemäß Linie
XI-XI in 10 darstellt;
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12 eine
dritte und letzte Variante gemäß 1 darstellt;
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13 einen
Querschnitt gemäß Linie
XIII-XIII in 12 darstellt;
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14 einen
Querschnitt gemäß Linie XIV-XIV
in 13 darstellt.
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Die 1 bis 5 stellen
eine Stator 1 eines Motors oder Generators mit einer verbesserten Kühlung gemäß der Erfindung
dar, wobei der Motor oder Generator spezieller von dem Typ ist,
der mit einem Rotor 2 mit Permanentmagneten ausgerüstet ist,
welcher Rotor 2 deutlichkeitshalber in den 2 und 3 schematisch
mittels einer Strichlinie dargestellt ist.
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Der
Stator 1 besteht in diesem Fall aus einem röhrenförmigen Gehäuse 3,
worin ein röhrenförmiges Ständerblech 4 vorgesehen
ist, mit einer vorwiegend glatten Innenwand 5, d.h. mit
einer Innenwand 5 ohne ausgesprochene Nuten oder Federn.
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Zwischen
dem Ständerblech 4 und
dem Rotor 2 ist ein Kühler 6 angebracht,
durch den ein Kühlfluid
geleitet werden kann und der im Wesentlichen aus einem Kühlelement 7 besteht,
das an einem Ende an einen Auslasskollektor 8 angeschlossen
ist und das an dem anderen Ende an einen Einlasskollektor 9 angeschlossen
ist.
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Das
Kühlelement 7 wird
durch ein doppelwandiges Rohr gebildet mit einem äußeren zylindrischen
Rohr 10, dessen Außendurchmesser
mit dem Innendurchmesser des Ständerblechs 4 übereinstimmt,
und einem inneren gerippten Rohr 11, dessen Rippen so sind,
dass sie radiale Federn 12 bilden, die zum Rotor gerichtet
sind, die sich in axialer Richtung erstrecken und zwischen denen
axial gerichtete Nuten 13 definiert sind.
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Die
oben erwähnten
Federn 12 und Nuten 13 sind vorzugsweise gleichmäßig über den
Innenumfang des Kühlelements 7 verteilt.
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Das äußere Rohr 10 und
das innere Rohr 11 sind mittels Zwischenwänden 14 miteinander
verbunden, welche zusammen mit dem äußeren und dem inneren Rohr 10–11 Durchgänge 15 für ein Kühlfluid bilden.
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In
dem dargestellten Beispiel ist das Kühlelement 7 genauso
lang wie das Ständerblech 4.
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Sowohl
der Auslasskollektor 8 als auch der Einlasskollektor 9 werden
von einem ringförmigen Element
gebildet, das durch eine zylindrischen Außenwand 16 gebildet
wird, die an einem Ende des Stators 1 in dem Gehäuse 3 angebracht
ist bis gegen das Ständerblech 4;
eine gerippte Innenwand 17, die sich bis gegen die und
in der Verlängerung
des gerippten inneren Rohrs 11 des Kühlelements 11 erstreckt;
eine Dichtungswand 18, welche die oben erwähnte Außenwand 16 mit
der Innenwand 17 verbindet; und eine Seitenwand 19,
die mit einem Ende des Kühlelements 7 in
der axialen Richtung verbunden ist und die an den oben erwähnten Durchgängen 15 teilweise
durchbrochen worden ist.
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In
der vorgenannten Außenwand 16 des Auslasskollektors 8 ist
eine Öffnung 20 vorgesehen, die
sich gegenüber
einer Auslassöffnung 21 in
dem Gehäuse 3 befindet,
während
in der Außenwand 16 des
Einlasskollektors 9 eine Öffnung 22 gegenüber einer
Einlassöffnung 23 in
dem Gehäuse 3 vorgesehen
ist, welche Auslass- und Einlassöffnungen 21– 23 für den Anschluss
eines in den Figuren nicht dargestellten Kühlkreislaufs vorgesehen sind.
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In
dem dargestellten Beispiel sind die Wände der Nuten 13 des
Kühlers 6 mit
einem elektrisch isolierenden Film oder Schicht 24, Spaltisolation
genannt, bekleidet.
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Um
die Federn 12 des Kühlers 6 sind
elektrische Wicklungen angebracht, die sich mit axialen Teilen 25 in
die oben erwähnten
Nuten 13 erstrecken und die an den Enden des Kühlers 6 umgebogene Teile 26 aufweisen,
die in 1 schematisch mittels einer Strichlinie dargestellt
sind und die auf bekannte Weise zu einem sogenannten ringförmigen Wickelkopf 27 an
jedem oben erwähnten
Ende des Stators 1 zusammengebündelt oder zusammengebunden sind.
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Die
oben erwähnten
Wicklungen 25–26 können dank
der gezahnten Gestaltung des Kühlers 6, auf
dieselbe Weise gewickelt werden wie im Fall der bekannten herkömmlichen
Motoren und Generatoren, die mit einem Ständerblech mit Federn und Nuten,
in denen die Wicklungen angebracht werden, ausgerüstet sind.
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Auf
diese Weise kann somit für
das Wickeln eines Stators 1 gemäß der Erfindung von Anlagen Gebrauch
gemacht werden, die bis dato nur für das automatische Wickeln
herkömmlicher
Synchron- und Asynchronmotoren und – generatoren gebraucht werden
konnten.
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Es
ist deutlich, dass, im Fall der Erfindung, das Anbringen von Wicklungen 25–26 in
den Nuten 13 des Kühlers 6 viel
einfacher ist, als es bis dato bei den Statoren des Typs mit einem
Ständerblech
mit einer rillenlosen glatten Innenwand möglich war.
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Die
Enden des Stators 1 werden vorzugsweise mittels wärmeleitender
und elektrisch isolierender Paste 28 abgedichtet, beispielsweise
einer Paste auf Basis von Epoxy oder Silikonen, die auf den Wickelkopf 27 und
gegen den Kühler
gegossen wird. Hierbei wird beispielsweise ein Rohr, das exakt in
den Innendurchmesser des Stators passt, in den Stator gesteckt und
wird die thermisch leitende Paste bis auf gleiche Höhe mit dem
Gehäuse
aufgegossen. Die Paste 28 kommt einerseits mit der Abschlusswand 18 des
Auslasskollektors 8 in Kontakt, beziehungsweise mit dem
Einlasskollektor 9, und andererseits mit dem Wickelkopf 27 an
dem betreffenden Ende.
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Vorzugsweise
wird auch der Kühler 6 aus
einem wärmeleitenden
und elektrisch isolierenden Material hergestellt.
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Gebrauch
und Wirkungsweise eines Stators 1 mit einer verbesserten
Kühlung
gemäß der Erfindung
zur Anwendung in einem Motor oder Generator ist analog zu der der
bekannten Ausführungen,
mit dem Unterschied, dass der Stator 1, im Fall der Erfindung,
mittels der Einlass- und
Auslassöffnungen 21–23 in
dem Gehäuse
an einen externen Kühlkreislauf
angeschlossen wird, wodurch ein Kühlfluid mittels des Auslasskollektors 8 durch
die Durchgänge 15 in
dem Kühlelement 7 zu
dem Einlasskollektor 9 fließt.
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Hierdurch
werden der Stator 1 und die Wicklungen 25–26 des
Stators 1 direkt gekühlt
und werden die Zonen um den Rotor 2 und die Luft in dem Luftspalt
zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 2 indirekt
gekühlt,
was einen günstigen
Effekt auf die Temperatur hat, was eine längere Lebensdauer ergibt. Im
Fall eines geschlossenen Motors kann diese Idee den Unterschied
zwischen einer durchführbaren und
einer nicht durchführbaren
Ausführung
des Motors oder des Generators ausmachen.
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Es
ist deutlich, dass das Innere des Motors oder des Generators nicht
mit der "Außenwelt" in Kontakt kommen,
da keine Luft angesaugt werden muss, um über die Wickelköpfe oder
zwischen den Luftspalt geblasen zu werden. Das Motorgehäuse wird
an den Lagerplatten, die hier nicht dargestellt sind, abgedichtet,
und die auf diese Weise den Motor vollständig abschließen.
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Daher
kann ein solcher erfindungsgemäßer Motor
oder Generator problemlos unter staubigen und feuchten Umständen gebraucht
werden.
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Die 6 bis 8 stellen
eine Variante eines Motors oder Generators mit einer verbesserten Kühlung gemäß der Erfindung
dar, welche auf analoge Weise wie die hiervor beschriebene Ausführungsform
aufgebaut ist, wobei der Kühler 6 jedoch
auf andere Weise ausgeführt
ist.
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Das
Kühlelement 7 des
Kühlers 6 wird
in diesem Fall durch eine Serie axial gerichteter Rohre 29 gebildet,
die in gleichen Abständen
voneinander und in gleichen Abständen
von dem Ständerblech 4 angebracht
sind und die mit ihren Enden zwischen zwei ringförmigen Flanschen 30 gehalten
werden, die in dem Ständerblech 4 befestigt
sind.
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In
den Flanschen 30 sind Durchgänge 31 gegenüber den
Enden der vorgenannten Rohre 29 vorgesehen, während im
Innenrand der Flansche 30 Nuten 32 vorgesehen
sind, die durch radial einwärts
gerichtete Federn 33 begrenzt werden, die sich in gleichen
Abständen
voneinander befinden.
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Die
Rohre 29 erstrecken sich in radialer Richtung bis zwischen
die Nuten 32 und bilden Durchgänge 15 für ein Kühlfluid.
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Die
Wicklungen 25–26 sind
mit ihren axialen Teilen 25 in den Nuten 32 angebracht.
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Das
Kühlelement 7 wird
weiter durch ein Füllmaterial 35 gebildet,
das thermisch leitend und vorzugsweise auch elektrisch isolierend
ist und das in dem Raum angebracht ist, der durch das Statorblech 4,
die Flansche 30, die Rohre 29 und die axialen
Teile 25 der Wicklungen 25–26 gebildet wird.
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Auf
diese Weise werden Federn 12 sozusagen durch das Füllmaterial
zwischen den axialen Teilen 25 der Wicklungen 25–26 gebildet.
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In
der Ausführungsform
der 6 bis 8 werden die Auslass- und Einlasskollektoren 8–9 durch
ein gleichartiges, ringförmiges
Element gebildet wie in der Ausführungsform
von 1, wobei jedoch in diesem Fall eine Aussparung 36 in
der zum Rotor 2 gerichteten Innenwand 17 vorgesehen
ist, in welcher Aussparung der Wickelkopf 27 am betreffenden
Ende des Stators 1 gefasst ist und wobei der Raum zwischen
dem Wickelkopf 27 und dem betreffenden Kollektor 8–9 vorzugsweise
mit einem gleichartigen Füllmaterial 35 aufgefüllt wird,
wie vorangehend beschrieben.
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Die
Funktionsweise und Anwendung eines Motors oder Generators mit einem
verbesserten Kühler
gemäß der zuletzt
beschriebenen Ausführungsform
ist vollständig
analog zu der der ersten Ausführungsform,
mit dem Unterschied, dass, aufgrund der Form des Auslass- und Einlasskollektors 8–9,
die betreffenden Wickelköpfe 27 besser
gekühlt werden,
da sie großenteils
von diesen Kollektoren 8–9 umschlossen werden,
ohne dass jedoch das Kühlmedium
in direkten Kontakt mit den stromführenden Leitern der Wicklungen
kommt.
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Die 9 bis 11 stellen
eine Variante eines Motors oder Generators mit einer verbesserten Kühlung gemäß der Erfindung
dar, mit einem Kühlelement 7,
das gleichartig zu dem von 6 ist, wobei jedoch
in diesem Fall zwei Serien axial gerichteter Rohre 29 vorgesehen
sind und wobei die Rohre 29 einer Serie sich in einem größeren Abstand
zu dem Ständerblech 4 befinden
als die Rohre 29 der anderen Serie.
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Die
Einlass- und Auslasskollektoren 8–9 werden in diesem
Fall durch eine ringförmige
Kammer 37 gebildet, die durch das Gehäuse 3 begrenzt wird;
durch das Kühlelement 7;
durch ein inneres Rohr 38, das konzentrisch in dem Kühlelement 7 angebracht
ist; und durch einen ringförmigen
Deckel 39 oder der mittels Dichtungen 40 und 41 an
das Gehäuse 3 und
an das vorgenannte innere Rohr 38 anschließt.
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Es
ist deutlich, dass in diesem Fall die Wickelköpfe 27 in direktem
Kontakt mit dem Kühlfluid sind,
das durch die Einlassöffnung 23 in
den Kollektor 9 fließt
und den Auslasskollektor 8 durch die Auslassöffnung 21 verlässt, sodass
in diesem Fall die Kühlung
der Wickelköpfe 27 noch
effizienter sein wird als im Fall der oben beschriebenen Varianten.
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12 bis 14 stellen
eine andere Variante eines verbesserten Stators 1 dar,
die gleichartig zu dem von 9 ist, wobei
jedoch das Kühlelement 7 durch
ein Kühlelement
wie das von 1 ersetzt worden ist.
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Es
ist deutlich, dass auch andere Kombinationen eines Kühlelements 7 gemäß einem
der hier vorangehend beschriebenen Typen mit Auslass- und Einlasskollektoren 8–9 in
Form eines ringförmigen Elements
oder einer ringförmigen
Kammer, wie vorangehend beschrieben, möglich sind.
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Es
ist auch möglich,
dass der Kühler 6 einstückig ausgeführt ist,
wobei das Kühlelement 7 und der
Auslass- und Einlasskollektor 8–9 in
ein und dasselbe Element integriert sind.
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Die
vorliegende Erfindung ist keineswegs auf die als Beispiel beschriebenen
und in den begleitenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschränkt, vielmehr
kann ein solcher Motor oder Generator mit einer verbesserten Kühlung gemäß der Erfindung
in allen Arten von Formen und Abmessungen verwirklicht werden, ohne
die Reichweite der Erfindung zu verlassen.