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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine vom Axialfeldtyp mit
einem Gehäuse
und einem relativ zu diesem drehbar im Gehäuse gelagerten Rotor mit aus
dem Gehäuse
herausgeführter
Rotorwelle, einer Vielzahl von mit Abstand von der Rotor-Drehachse
in Winkelabständen
ortsfest im Gehäuse
angeordneten Elektromagnet-Bauelementen mit jeweils einem eine Spulenwicklung
aus einem oder mehreren Leitern tragenden weichmagnetischen Spulenkern
und mit in Winkelabständen
angeordneten, mit jeweils einer Polfläche zu den Stirnflächen der
Spulenkerne gegenüberstehend
ausgerichteten, drehfest im oder am Rotor gehalterten Permanentmagneten
mit in Umfangsrichtung aufeinander folgend jeweils entgegengesetzter
Polarität
ihrer Polflächen,
wobei die Spulenkerne der Elektromagnet-Bauelemente derart parallel
zur Drehachse der Rotorwelle im Gehäuseinnern angeordnet sind,
dass ihre gegenüberliegenden
Stirnflächen
jeweils in zwei voneinander beabstandeten Ebenen liegen und die Enden
der die Spulenwicklung bildenden elektrischen Leiter der einzelnen
Elektromagnet-Bauelemente über
eine elektrische oder elektronische Steuereinrichtung zu wenigstens
zwei elektrischen Anschlüssen
zusammengeschaltet sind und der Rotor wenigstens zwei sich radial
bis vor die Stirnflächen der
Spulenkerne erstreckende äußere Läuferscheiben
aufweist, in denen die Perma nentmagneten zu den jeweils zugeordneten
Spulenkern-Stirnflächen ausgerichtet
gehalten sind.
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Solche,
aufgrund ihrer Bauart auch als Axialfeldmaschine bezeichnete elektrische
Motore bzw. Generatoren weisen aufgrund ihrer Bauart ein günstiges
Leistungsgewicht auf, d.h. sie können
bei geringen äußeren Gehäuseabmessungen
und relativ geringem Gewicht mit hoher Leistungsaufnahme bzw. -abgabe
betrieben werden. Bei einer bekannten Maschine der eingangs erwähnten Art
(
EP 1 153 469 B1 )
erfolgt die Abfuhr der während
des Betriebs der Maschine auch bei hohem Wirkungsgrad auftretenden
Erwärmung
aufgrund von Leistungsverlusten über
das Gehäuse
der Maschine, wobei die in den Elektromagnet-Bauelementen – z.B. durch
Wirbelstromverluste in den Spulenkern etc. – erzeugte Verlustwärme durch
einen innerhalb des Gehäuses durch
entsprechende Ausbildung des Rotors erzeugten geschlossenen Kühlluftkreislauf
aufgenommen und an die Gehäusewandung
abgeführt
wird. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch – insbesondere bei Maschinen
mit größeren Abmessungen – für einen
stabilen Dauerbetrieb hinreichende Wärmeabfuhr erreichbar ist. Probleme
treten dann auf, wenn beispielsweise Elektromotoren weiter verringerter Baugröße mit relativ
weiter erhöhten
Leistungen betrieben werden sollen. In diesem Fall wird die Abfuhr der
anfallenden Wärme
zumindest im Dauerbetrieb schwierig, zumal eine Erhöhung der
Strömungsgeschwindigkeit
des inneren Kühlluftstroms – sofern überhaupt
konstruktiv verwirklichbar – eine
erhöhte Leistungsaufnahme
für die
Erzeugung des Kühlluftstroms
erfordert.
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Der
Erfindung liegt demgegenüber
die Aufgabe zugrunde, das Leistungsgewicht der bekannten elektrischen
Maschinen weiter zu verbessern, d.h. eine erhöhte Leistungsaufnahme bzw.
-abgabe bei weiter verringerten Gehäuseabmessungen ohne Leistungsverlust
zu ermöglichen.
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Ausgehend
von einer Maschine der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Elektromagnet-Bauelemente zumindest in dem der Innenwandung
der Umfangsfläche
des Gehäuses
gegenüberstehenden radial äußeren Bereich
ihrer Spulenwicklungen über ein
wärmeleitendes
Material mit der Innenseite der Gehäuse-Umfangswandung großflächig in
wärmeleitender
Verbindung steht. Diese Ausgestaltung erlaube die Wärmeabfuhr
der in den Elektromagnet-Bauelementen anfallenden Verlustwärme direkt über Wärmeleitungen
an das Gehäuse,
wodurch ein ge schlossener innerer Kühlluftkreislauf entfallen kann.
Der für den
Kühlluftkreislauf
erforderliche konstruktive Aufwand und die zu seiner Aufrechterhaltung
erforderliche zusätzliche
Antriebsenergie entfällt
dann.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung umschließt das wärmeleitende Material die Elektromagnet-Bauelemente
dann bis auf die mit den Polflächen
der Permanentmagneten im Rotor ausgerichteten Stirnflächen der
Spulenkerne weitgehend vollständig.
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Dabei
kann die Ausgestaltung dann mit Vorteil so getroffen sein, dass
das wärmeleitende
Material zumindest im radial der äußeren, der Innenseite der Umfangswandung
des Gehäuses
gegenüberliegenden
Bereich der Spulenwicklungen der Elektromagnet-Bauelemente einen
einstückigen
kreisringförmig
geschlossenen Wärmeleitkörper bildet,
in welchem die Elektromagnet-Bauelemente eingeschlossen sind.
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Die
Elektromagnet-Bauelemente sind im Bereich der den Polflächen der
Permanentmagneten zugewandten Stirnflächen der Spulenkerne zweckmäßig als
den Polflächen
der Permanentmagnete mit geringem Abstand gegenüberstehende Polschuhe ausgebildet,
wobei dann diese Polschuhe mittels mechanisch und/oder thermisch
widerstandsfähiger
Trägerplatten
mit dem Gehäuse
verbunden sind.
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Die
Trägerplatten
können
dabei mit Vorteil aus einem nicht magnetischen Material hergestellt sein.
In Frage kommt hier keramisches Material oder auch Aluminium bzw.
eine geeignete Aluminiumlegierung, wobei die Polschuhe der Elektromagnet-Bauelemente
dann zweckmäßig in Richtung
zu den Polflächen
der Permanentmagneten über
die Trägerplatte
vorstehen.
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Die
Abfuhr der anfallenden Verlustwärme kann
durch eine zusätzliche
Flüssigkeitskühlung der bei
elektrischer Maschine undrehbar gehaltenen Bauteile erhöht werden.
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So
ist es möglich,
bei einer Maschine mit drehangetriebener Rotorwelle das Gehäuse mit
einer Flüssigkeitskühlung zu
versehen, wobei dann zweckmäßig in der
Wandung des Gehäuses
wenigstens ein Hohlraum vorgesehen ist, welcher mit einer Kühlflüssigkeit
durchströmbar
ist.
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Falls
der Abtrieb der Maschine in der – z.B. bei Radnabenantrieben üblichen – Weise
durch ein auf der statisch gehaltenen Rotorwelle drehangetriebenes
Gehäuse
erfolgt, kann die Ausgestaltung alternativ so getroffen sein, dass
die den die Permanentmagnete halternden Rotor drehfest mit der Rotorwelle
verbindende Nabe mit wenigstens einem Hohlraum versehen ist, welcher
mit einer Kühlflüssigkeit durchströmbar ist.
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Das
die Elektromagnet-Bauelemente umschließende wärmeleitende Material kann als
vorgeformter Trägerteil
ausgebildet sein, in welchem die Elektromagnet-Bauelemente montiert
sind.
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Dabei
ist es dann zweckmäßig, dass
die Elektromagnet-Bauteile nach der Montage im vorgeformten Trägerbauteil
zusätzlich
mit in fließfähigem Zustand
zugeführten
abbindenden oder aushärtenden
Wärmeleitmaterial
mit dem Trägerbauteil
verbunden werden.
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Darüber hinaus
kann es von Vorteil sein, wenn das Gehäuse insgesamt oder zumindest
in seinen mit den Elektromagnet-Bauelementen in Verbindung stehenden
Bereichen aus dem wärmeleitenden Material
hergestellt ist.
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Die
die Enden der die Spulen bildenden Leiter mit der nachgeschalteten
Steuereinrichtung verbindenden Leitungen werden zweckmäßig zunächst – zumindest
in Teilabschnitten – ebenfalls
im wärmeleitenden
Material eingebettete, wodurch auch in diesem entstehende Wärme über das
wärmeleitende Material
abgeführt
wird und außerdem
eine mechanische Zugentlastung ihrer Anschlussstellen an den Enden
der die Spulen bildenden Leiter erhalten wird.
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Das
wärmeleitende
Material kann mit Vorteil von einem Kunststoffmaterial mit der erforderlichen hohen
Wärmeleit-
und Temperaturbeständigkeit
gebildet werden.
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Von
Vorteil ist es dann, wenn das wärmeleitende
Material von einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet
wird, welches durch Umspritzen der zwischen den Trägerplatten
gehaltenen Elektromagnet-Bauelemente in thermoplastischem Zustand und
anschließendes
Aushärten
oder Abbinden verarbeitbar ist. Auch die gesonderte Herstellung
in einer Gussform ist denkbar.
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Geeignete
wärmeleitende
Materialien können
hier beispeilsweise die in neuerer Zeit für den Zweck entwickelten Polyphenylsulfide
in Frage kommen, die die erforderlichen thermoplastischen und zusätzlich auch
elektrisch isolierende sowie schalldämmende Eigenschaften aufweisen.
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Die
Erfindung ist in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt bzw. zeigen:
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1 einen
durch die Drehachse der Rotorwelle gelegten Längsmittelschnitt durch ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine
mit einer Reihe von in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Winkelabständen an
der Umfangswand des Gehäuses
gehalterten Elektromagnet-Bauelementen und zwei äußeren, die Permanentmagneten
halternden Rotorscheiben;
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2 in
gegenüber 1 vergrößertem Maßstab die
Schnittansicht der Halterung des in 1 unten
dargestellten Elektromagnet-Bauelements an der Umfangswandung des
Gehäuses;
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3 eine
Schnittansicht durch den in einem gemeinsamen Trägerbauteil aus wärmeleitendem Material
angeordneten Kranz von Elektromagnet-Bauelementen der elektrischen
Maschine in der in 1 durch die Pfeile 3-3 veranschaulichten Schnittrichtung;
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4 eine
Schnittansicht durch den die Elektromagnet-Bauelemente halternden vorgeformten
starren Trägerteil
aus wärmeleitendem
Material; und
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5a–5c jeweils
Schnittansichten durch unterschiedlich ausgebildete in äußeren Trägerplatten
gehaltene, bis auf die jeweiligen Polflächen von wärmeleiten dem Material umschlossene Elektromagnet-Bauelemente.
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Das
in Figur gezeigte, in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnete
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine ist grundsätzlich
als Motor oder Generator einsetzbar. Die Maschine weist ein im speziellen
Fall in Axialrichtung relativ kurz bauendes Gehäuse 12 auf, welches
sich aus zwei scheibenartigen Gehäuse-Stirnwänden 14a, 14b relativ
großen
Durchmesser und der praktisch zu einem zylindrischen Ring relativ
geringer Länge
umgestalteten eigentlichen Gehäuse-Umfangswand 16 zusammensetzt.
Gehäuse-Stirnwände 14a, 14b und die
Gehäuseumfangswand 16 sind
durch – nicht
gezeigte – Schrauben
oder andere Befestigungsmittel demontierbar miteinander verbunden,
wobei die Gehäuse-Umfangswand 16 zur
Erleichterung der Montage und Demontage ihrer Maschine auch in einer durch
die Längsmittelachse
des Gehäuses
verlaufenden Trennebene in zwei miteinander verschraubbare oder
in anderer Weise miteinander verbindbare Umfangswand-hälften geteilt
sein kann.
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In
den Stirnwänden 14a, 14b ist
jeweils mittig eine Lageraufnahme 20 für ein Radiallager 22 gebildet,
in denen eine die Gehäuse-Stirnwand 14a durchsetzende
Welle 24 drehbar gelagert ist. In den radial außen liegenden
Bereichen von zwei voneinander beabstandet auf der Welle 24 drehfest
gehalterten Rotor-Läuferscheiben 26a, 26b sind
in Umfangsrichtung aufeinander folgend in gleichmäßigen Winkelabständen von
Permanentmagneten 27 gehalten, deren nach innen, d.h. zur
jeweils gegenüberliegenden
Läuferscheibe 26b, 26a weisende
Polflächen
in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend unterschiedliche Polarität aufweisen.
Die in Axialrichtung fluchtenden Polflächen der Permanentmagnete 27 in
den beiden Läuferscheiben
haben ebenfalls unterschiedliche Polarität. Die Permanentmagnete 27 sind
in Aussparungen der Läuferscheiben 26a, 26b gehalten, wobei
in Umfangsrichtung aufeinander folgende Permanentmagnete 27 jeweils
durch Verbindung ihrer spulenabgewandten Stirnfläche durch ein das Magnetfeld
weitgehend einschließendes
Joch 27a aus hart- oder weichmagnetischem Material zu einem Hufeisen-Magneten
zusammengeschlossen sind.
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Auf
der Innenwandung der Gehäuse-Umfangswand
sind – ebenfalls
in gleichmäßigen Winkelabständen versetzt – Elektromagnet-Bauelemente 28 mit
jeweils einem eine Spulenwicklung 30 aus einem oder mehreren
Leitern tragenden Spulenkerne 32 angeordnet. Die Enden
der Leiter der Spulenwicklung 30 sind an eine elektronische
Steuereinrichtung angeschlossen, welche den der Steuereinrichtung von
einer elektrischen Stromquelle zugeführten elektrischen Strom derart
gesteuert in die Spulen 30 einspeist, dass in den Elektromagnet-Bauelementen 28 ein
magnetisches Drehfeld erzeugt wird, welches in Wechselwirkung mit
den auf den Läuferscheiben 26a, 26b angeordneten
Permanentmagneten eine relative Drehung des Rotors und somit der
Welle 24 zum Gehäuse 12 zur
Folge hat. In Verbindung mit der erwähnten – nicht gezeigten – elektronischen
Steuerung stellt die elektrische Maschine gemäß 1 also einen
von einer Gleichstromquelle antreibbaren bürstenlosen elektrischen Axialfeldmotor
dar. Wenn umgekehrt die Welle 24 angetrieben wird, wird
von den sich mit den Läuferscheiben 26a, 26b drehenden Permanentmagneten 27 in
den Elektromagnet-Bauelementen 28 ein elektrisches Drehfeld
erzeugt, welches an den Enden der Spulen 30 der Elektromagnet-Bauelemente 28 abnehmbar
ist und durch eine geeignete Gleichrichterschaltung als Gleichstrom
genutzt werden kann. Durch entsprechende elektronische Steuereinrichtung
kann das elektrische Drehfeld alternativ auch in Dreh- oder Wechselstrom
umgeformt werden.
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In 2 ist
die Anordnung eines Elektromagnet-Bauelements 28 an der
Gehäuse-Umfangswand 16 veranschaulicht.
Es ist ersichtlich, dass die aus den gegenüberliegenden Enden der Spulen 30 vortretenden
Endbereiche des in üblicher
Weise als Paket aus einer Vielzahl von gegeneinander isoliert in Übereinanderlage
angeordneten Blechen ausgebildete Spulenkerns 32 jeweils
in einer komplementär zum
Spulenkern 32 gehaltenen Ausnehmung 34 einer ebenen
kreisringförmigen
Trägerplatte 36 eingesetzt
gehalten sind, wobei die gegenüberliegenden Stirnflächen des
Spulenkerns entweder in der in 2 – sowie
den 5a und 5b dargestellten Weise – bündig mit
den Gehäuse
zugewandten äußeren Flachseiten
der Trägerplatte 36 abschließen oder
etwas über
diese Flachseiten vortreten, wie dies in 5c gezeigt
ist. Die die Elektromagnet-Bauelemente 28 in parallelem
Abstand halternden, rechtwinklig zur Drehachse der Rotorwelle 24 verlaufenden
Trägerplatten 36 haben
einen über
die Elektromagnet-Bauelemente 28 radial vortretenden äußeren Randbereich,
in welchem sie an ringförmigen
radialen Begrenzungsflächen
eines von der Innenseite der Gehäuse-Umfangswand 16 nach
innen vorstehenden umlaufenden Vorsprungs 38...........
Im dargestellten Fall ist die Gehäuse-Umfangswandung 16 mit
einem umlaufenden – bis
auf zwei nach außen geführte nicht
gezeigte – geschlossenen
Hohlraum 40 versehen, der mit einem über einen der erwähnten Anschlüsse zugeführten und
aus dem anderen abgeführten
flüssigen
Kühlmittel
durchströmbar
ist.
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Über die – beispielsweise
aus einem unmagnetischen Keramikmaterial hergestellten – Trägerplatten 36 werden
die Elektromagnet-Bauelemente 28 nicht nur im Gehäuse 12 gehalten,
sondern auch bei laufender Elektromaschine auftretende, in Umfangsrichtung
wirkende Kräfte
im Gehäuse
abgestützt.
Es ist klar, dass die Trägerplatten 36 hierzu
in geeigneter – nicht
gezeigter – Weise
drehfest mit der Gehäuse-Umfangswand 16 verbunden
sein müssen. Die
beim dargestellten Ausführungsbeispiel
insgesamt 24 in Umfangsrichtung aufeinander folgenden gleichmäßigen Abständen in
den Trägerplatten 36 gehalterten
Elektromagnet-Bauelemente sind in dem zwischen den Trägerplatten 36 liegenden
Bereich insgesamt von einem wärmeleitenden
Material umgeben, bei dem es sich beispielsweise um in fließfähigem Zustand
zwischen die im radial inneren und äußeren Bereich ringförmig abgeschlossenen
Trägerplatten 36 gebildeten
Hohlraum eingespritzten thermoplastischen Kunststoff mit den erforderlichen guten
Wärmeleiteigenschaften
handelt, der dann nach seiner Erstarrung oder Aushärtung die
Elektromagnet-Bauelemente 28 in der in 3 ersichtlichen Weise
umgibt und die Elektromagnet-Bauelemente zusätzlich in der vorgegebenen
Anordnung zueinander fixiert.
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In 4 ist
die Form des erstarrten Materialrings aus dem wärmeleitenden Material ohne
die eingesetzten Elektromagnet-Bauelemente bzw. die abdeckenden
Trägerplatten
gezeigt. Es ist ersichtlich, dass ein in dieser Weise geformter
ringförmiger
Körper 42 nicht
nur in der vorstehend erläuterten
Weise durch Umspritzung der in den Trägerplatten 36 gehalterten
Elektromagnet-Bauelementen 28 mit
thermoplastischem Kunststoff herstellbar ist. Auch eine gesonderte
Herstellung durch Gießen
eines geeigneten Materials in einer entsprechenden Form, aber auch
eine Herstellung durch spanende Bearbeitung aus einem geeigneten
starren Material ist denkbar.
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Im
letzterwähnten
Fall der Herstellung des in 4 dargestellten
ringförmigen
Körpers 42 auf
dem der Wärmeabfuhr
von den Elektromagnet-Bauelementen 28 dienenden Körpers ist
es zweckmäßig, wenn
die Aufnahmeräume 44 für die anschließend gesondert
zu montierenden Elektromagnet-Bauelemente mit im Vergleich zu den äußeren Abmessungen
der Elektromagnet-Bauelemente etwas vergrößerten Abmessungen hergestellt
werden, wobei dann die Zwischenräume
zwischen den Elektromagnet-Bauelementen und den sie umgebenden Wänden der
Ausnehmungen 44 zusätzlich
mit zunächst fließfähigem aushärtendem
oder abbindendem hoch wärmeleitendem
Material ausgespritzt werden, um den gewünschten unbehinderten Wärmeübergang von
den Spulen 30 der Elektromagnet-Bauelemente 28 auf
den Ringkörper 42 zu
ermöglichen.
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In
den 5a bis 5c ist
dieses, den Wärmeübergang
sichernde, zusätzlich
eingespritzte ausgehärtete
wärmeleitende
Material mit 46 bezeichnet.
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Wenn
das für
die Herstellung des Ringkörpers 42 vewendete
Material auch eine hinreichende mechanische Festigkeit aufweist,
ist auch ein Verzeicht auf zusätzliche
Trägerplatten 36 denkbar.
D.h. die Elektromagnet-Bauelemente 28 sind ausschließlich in
dem Ringkörper 42 gehalten,
der dann wieder in geeigneter Weise wärmeleitend mit der Gehäuse-Umfangswand 16 verbunden
wird.
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Denkbar
ist sogar, dass der Ringkörper 42 und
die Gehäuse-Umfangswand 16 als
integraler Gehäuse-Bauteil
aus dem wärmeleitenden
Material hergestellt werden können.
Dadurch wird die Wärmeabfuhr
verbessert und der konstruktive Aufbau der Maschine insgesamt vereinfacht.
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Es
ist ersichtlich, dass im Rahmen des Erfindungsgedankens Abwandlungen
und Weiterbildungen des beschriebenen Ausführungsbeispiels verwirklichbar
sind, die sich beispielsweise auf eine Verbesserung der Kühlung durch
zusätzliche
Verrippung der Gehäuse-Umfangswand 16 beziehen.
Bei einer Abwandlung derart, dass das Gehäuse relativ zum starr gehalterten
Rotor drehangetrieben ist, ist eine sinngemäße Anordnung der Elektromagnet-Bauelemente 28 auf
der – dann
stillstehenden – Rotor-Nabe möglich, die
dann zweckmäßig einen
dem Hohlraum 40 der Gehäuse-Umfangswand 16 funktionell
entsprechenden Hohlraum aufweisen sollte, der seinerseits von einer über Kanäle in der
Rotorwelle 24 zu- und abgeführtes flüssiges Kühlmittel durchströmbar sein
sollte.