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Technisches Gebiet
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Die Erfindung elektrische Maschinen, insbesondre Maßnahmen zur Kühlung von beweglichen Maschinenkomponenten, insbesondere Rotoranordnungen von elektrischen Maschinen.
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Stand der Technik
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Beim Betrieb einer durch Permanentmagnete erregten elektrischen Maschine treten im Luftspalt zwischen einer Statoranordnung und einer Rotoranordnung üblicherweise wechselnde Magnetfelder auf, die eine Grundschwingung und Oberschwingungen aufweisen. Die Grundschwingung der wechselnden Magnetfelder dient bei einer als Motor betriebenen elektrischen Maschine dazu, ein Drehmoment bereitzustellen. Dagegen erzeugen die Oberschwingungen der wechselnden Magnetfelder im Luftspalt erhebliche Wärmeverluste in die magnetisch und elektrisch leitfähigen Komponenten der Rotoranordnung und der Statoranordnung aufgrund von Wirbelstromverlusten. Ist die aufgrund der Wirbelstromverluste entstehende Wärmeentwicklung zu hoch, muss die Leistung der elektrischen Maschine beschränkt werden oder bei der Auslegung der elektrischen Maschine aktive Komponenten überdimensioniert werden.
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Zur Vermeidung von Wärmeverlusten in der Rotoranordnung können Rotormagnete, die das Erregermagnetfeld bereitstellen, segmentiert werden. Ein solcher Ansatz ist jedoch sehr aufwändig, da ein einzelner Rotormagnet aus einer Vielzahl einzelner Permanentmagneten hergestellt werden muss und dann in die Rotoranordnung eingebracht werden muss.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Abführung von in einer Rotoranordnung entstehenden Wärme beim Betrieb der elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Rotoranordnung für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch die elektrische Maschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Rotoranordnung, insbesondere eine Rotorscheibe, für eine rotatorische elektrische Maschine, insbesondere einen Scheibenläufermotor, vorgesehen, umfassend:
- – einen Rotorkörper mit einem oder mehreren radial außen liegenden magnetisch aktiven Bereichen, insbesondere einen oder mehrere Permanentmagneten;
- – einen oder mehrere abgeschlossene Hohlräume, die teilweise mit einem flüssigen Wärmeübertragungsmedium gefüllt sind;
wobei ein Wärmeaufnahmebereich des einen oder der mehreren Hohlräume thermisch leitend mit dem einen oder den mehreren magnetisch aktiven Bereichen gekoppelt ist, wobei ein bezüglich des Wärmeaufnahmebereichs radial innen liegender Wärmeableitbereich des einen oder der mehreren Hohlräume vorgesehen ist und mit einer Wärmesenke in Kontakt steht.
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Eine Idee der obigen Rotoranordnung besteht grundsätzlich darin, die in magnetisch aktiven Bereichen, wie z.B. in den Permanentmagneten, entstehende Wärme zur Rotorwelle hin abzuleiten. Dazu wird mindestens ein sich zumindest teilweise in radialer Richtung erstreckender Hohlraum in der Rotoranordnung vorgesehen, in denen ein Wärmeübertragungsmedium eingebracht ist. Das Wärmeübertragungsmedium weist eine Siedetemperatur auf, die der Temperatur entspricht, auf der ein magnetisch aktiver Bereich, insbesondere die Permanentmagnete, in der Rotoranordnung gehalten werden soll und die möglichst nicht überschritten werden soll.
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Beim Betrieb der elektrischen Maschine wird durch die Rotation der Rotoranordnung das flüssige Wärmeübertragungsmedium infolge der Fliehkraft nach außen zu einem Wärmeaufnahmebereich an einer äußeren Begrenzung des Hohlraumes bewegt. Der Wärmeaufnahmebereich ist thermisch mit dem magnetisch aktiven Bereich der Rotoranordnung gekoppelt. Während des Betriebs wird das flüssige Wärmeübertragungsmedium durch die Fliehkraft dort gehalten bzw. an den Wärmeaufnahmebereich gedrückt.
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Wird in dem Wärmeaufnahmebereich der Rotoranordnung die Siedetemperatur des flüssigen Wärmeübertragermediums erreicht oder überschritten, verdampft das Wärmeübertragungsmedium und entzieht aufgrund der Verdampfungsenthalpie der Rotoranordnung im Bereich des Wärmeaufnahmebereichs Wärme. Dadurch wird die Temperatur des magnetisch aktiven Bereichs der Rotoranordnung auf der Siedetemperatur gehalten.
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Es ist vorgesehen, die Betriebswärme über eine Rotorwelle oder eine Rotornabe abzuführen. Dazu ist ein Wärmeabführungsbereich in dem Hohlraum vorgesehen, der mit der Rotorwelle bzw. der Rotornabe thermisch gekoppelt ist oder an diese angrenzt, so dass in dem Wärmeabführungsbereich befindliche Wärme über die Rotorwelle bzw. der Rotornabe abgeführt werden kann. Da die Temperatur an der Rotorwelle bzw. der Rotornabe niedriger ist als die Siedetemperatur des Wärmeübertragungsmediums kondensiert das Wärmeübertragungsmedium dort und die frei werdende Kondensationswärme wird an die thermisch gekoppelte Rotorwelle bzw. die Rotornabe abgegeben. Das kondensierte Wärmeübertragungsmedium wird dann aufgrund seiner Dichte der Fliehkraft folgend wieder in den Wärmeaufnahmebereich des Hohlraumes zurückbewegt. Auf diese Weise ist es möglich, zum einen sehr effizient Betriebswärme aus den magnetisch aktiven Bereichen der Rotoranordnung, die in der Regel flusspaltnah sind, abzuführen und in Richtung der Rotorwelle bzw. Rotornabe nach radial innen zu transportieren, von wo die Wärme abgeführt wird.
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Insbesondere kann durch geeignete Wahl der Siedetemperatur die Betriebstemperatur der Rotoranordnung der elektrischen Maschine genau eingestellt werden und so die Permanentmagneten, die in dem magnetisch aktiven Bereich eingesetzt werden, in einem Bereich mit definierten magnetischen Eigenschaften zu betreiben.
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Weiterhin kann das flüssige Wärmeübertragungsmedium eine vorgegebene Siedetemperatur aufweisen, die in einem Bereich liegt, bei dem magnetische Eigenschaften des magnetisch aktiven Bereichs erhalten sind, wobei die Siedetemperatur insbesondere zwischen 30° und 160°, bevorzugt zwischen 60° und 100° liegt.
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Insbesondere kann das flüssige Wärmeübertragungsmedium Wasser und/oder Alkohol, insbesondere Methanol, enthalten oder einem herkömmlichen Kältemittel entsprechen. Insbesondere kann der das Wärmeübertragungsmedium unter einem Druck in dem Hohlraum aufgenommen sein, so dass die Siedetemperatur über den Druck und die Wahl des Wärmeübertragungsmediums einstellbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Hohlraum ringförmig sein und zwischen zwei axial beabstandeten Trägerscheiben gebildet sein.
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Es können mehrere separate Hohlräume vorgesehen sein, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind.
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Weiterhin kann mindestens einer der Hohlräume einen radialen Kanal aufweisen, wobei der radial äußere Wärmeaufnahmebereich einen zum Querschnitt des Kanals vergrößerten Querschnitt und/oder der radial innere Wärmeabführungsbereich einen zum Querschnitt des Kanals vergrößerten Querschnitt aufweisen.
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Es kann vorgesehen sein, dass mindestens einer der Hohlräume lediglich als ein radial verlaufender Kanal mit einem konstanten Querschnitt ausgebildet ist.
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Eine Wärmeaufnahmefläche des einen oder der mehreren Wärmeaufnahmebereiche des einen oder der mehreren Hohlräume und/oder eine Wärmeableitfläche des einen oder der mehreren Wärmeableitbereiche des einen oder der mehreren Hohlräume können zumindest teilweise mit die Wärmeaufnahmefläche bzw. die Wärmeableitfläche vergrößernden Strukturen, insbesondere einem Metallschaum, eine oder mehreren Rippen, versehen sein.
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Insbesondere kann mindestens einer des einen oder der mehreren abgeschlossenen Hohlräume durch ein von dem Rotorkörper separates Hohlelement gebildet sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine mit mindestens einer Statoreinheit und der obigen dazu axial versetzten Rotoranordnung vorgesehen.
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Weiterhin kann die Rotoranordnung an einer Rotorwelle bzw. einer Rotornabe angeordnet sein, wobei der Wärmeableitbereich mit der Rotorwelle bzw. der Rotornabe thermisch gut leitend gekoppelt ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Querschnittsdarstellung durch eine Axialflussmaschine als elektrische Maschine mit einem Scheibenrotor und einer Kühleinrichtung; und
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2a und 2b Schnittdarstellungen von Rotoranordnungen mit mehreren Hohlräumen.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine elektrische Maschine 1, die in Form einer Axialflussmaschine ausgebildet ist, dargestellt. Die elektrische Maschine 1 weist zwei einander bezüglich einer axialen Richtung A gegenüberliegende Statoreinheiten 2 auf, die in einem Abstand von einer Drehachse D konzentrisch umlaufende zueinander benachbarte Statorzähne 21 aufweisen. Die Statorzähne 21 sind zueinander ausgerichtet und voneinander durch einen Zwischenraum 6 beabstandet.
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In dem Zwischenraum 6 zwischen den abstehenden Enden der Statorzähne 21 ist eine Rotoranordnung 3 in Form einer Rotorscheibe drehbeweglich angeordnet. Dazu kann die Rotoranordnung 3 an einer drehbeweglich gelagerten Rotorwelle 4 angeordnet sein. Anstelle der Rotorwelle 4 kann die Rotorscheibe 3 auch an einer feststehenden Nabe, an der die Rotorscheibe drehbar gelagert ist, angeordnet sein.
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Die Rotoranordnung 3 weist im Bereich des Zwischenraums 6 zwischen den aufeinander zugewandten Statorzähnen magnetisch aktive Bereiche 31 auf. Die magnetisch aktiven Bereiche 31 können beispielsweise mit einem weichmagnetischen Material oder mit Permanentmagneten ausgebildet sein oder diese umfassen.
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Im Betrieb der elektrischen Maschine 1 werden die die Statorzähne 21 umgebende Statorwicklungen (nicht gezeigt) bestromt, dass in dem Zwischenraum 6 ein umlaufendes Wechselmagnetfeld von den Statorzähnen 21 in Richtung des magnetisch aktiven Bereichs der Rotoranordnung 3 abgegeben wird bzw. sich in einem jeweiligen Luftspalt 5 zwischen den abstehenden Enden der Statorzähnen 21 und den magnetisch aktiven Bereichen 31 der Rotoranordnung 3 ausbildet.
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In den zwischen der Rotoranordnung 3 und den jeweiligen abstehenden Enden der Statorzähne 21 definierten Luftspalte 5 bestehen beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 Wechselmagnetfelder mit einer Grundschwingung und Oberwellen. Insbesondere die Oberwellen des Wechselmagnetfelds im Luftspalt tragen nicht zum Bereitstellen eines Drehmoments durch die Rotoranordnung 3 bei und führen lediglich zur Entwicklung von Wärme in den magnetischen aktiven Bereichen 31 der Rotoranordnung 3.
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Insbesondere bei Scheibenrotoren als Rotoranordnungen ist es schwierig, die in den magnetisch aktiven Bereichen 31 entstehende Wärme in geeigneter Weise abzuführen. Während üblicherweise die Rotoranordnungen 3 außerhalb des magnetisch aktiven Bereichs 31 magnetisch nichtleitend, insbesondere aus einem Kunststoff ausgebildet ist, ist ein abgeschlossener Hohlraum 32 vorgesehen, der sich radial von der Rotorwelle 4 bis angrenzend an den magnetisch aktiven Bereich 31 erstrecken kann. Der Hohlraum 32 ist in der gezeigten Ausführungsform zwischen zwei axial beabstandeten ringförmigen Trägerscheiben 33 ausgebildet, die an der Rotorwelle 4 fest angeordnet sind, zum Beispiel angespritzt sind, und nach radial außen hin durch die magnetisch aktiven Bereiche 31 abgeschlossen sind. Dadurch wird ein ringförmiger Hohlraum 32 radial innerhalb der magnetisch aktiven Bereiche 31 ausgebildet.
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In den Hohlraum 32 ist ein flüssiges Wärmeübertragungsmedium 8 eingebracht, das den Hohlraum 32 teilweise füllt, insbesondere 10 bis 50%, vorzugsweise zwischen 10 und 20%, füllt. Beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 wird die Rotoranordnung 3 in Drehung versetzt, so dass sich das zunächst auf z.B. Umgebungstemperatur befindliche, flüssige Wärmeübertragungsmedium aufgrund der wirkenden Fliehkraft nach radial außen bewegt und dann in einem Wärmeaufnahmebereich 32a an einer Wärmeaufnahmefläche 34 des Hohlraums anliegt, die vorzugsweise thermisch gut leitend mit dem magnetisch aktiven Bereichs 31 gekoppelt ist. Insbesondere kann eine Wärmeaufnahmefläche 34 des Wärmeaufnahmebereichs 32a durch den magnetisch aktiven Bereich 31 gebildet sein oder einem damit gekoppelten (nicht gezeigten) Wärmkoppelelement in Kontakt stehen. Die Wärmeaufnahmefläche 34 ermöglicht es, dass die Wärme aus dem magnetisch aktiven Bereich 31 an das flüssige Wärmeübertragungsmedium 8 übertragen wird.
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Das flüssige Wärmeübertragungsmedium 8 ist so gewählt, dass es eine Siedetemperatur aufweist, die möglichst einer optimalen Betriebstemperatur der elektrischen Maschine 1, insbesondere der Rotoranordnung 3, entspricht. Beispielsweise kann als Wärmeübertragermedien ein Gemisch aus Wasser und Alkohol, insbesondere Methanol, gewählt werden. Insbesondere wird die Siedetemperatur so gewählt, dass sie zwischen 30 und 160°C liegt, vorzugsweise zwischen 60 und 100°C. Weiterhin kann das Wärmeübertragungsmedium unter einem Druck in dem Hohlraum 32 aufgenommen sein, so dass die Siedetemperatur über den Druck und die Wahl des Wärmeübertragungsmediums einstellbar ist.
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Erreicht beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 die Temperatur im magnetisch aktiven Bereich 31 die Siedetemperatur oder überschreitet diese, so wird die Wärmeenergie an das flüssige Wärmeübertragungsmedium 8 übertragen und ein Teil des Wärmeübertragungsmediums 8 verdampft. Dadurch wird dem aktiven magnetischen Bereich 31 aufgrund der Verdampfungsenthalpie Wärme entzogen. Das verdampfte Wärmeübertragungsmedium 9 ist gasförmig und wird sich aufgrund der deutlich geringeren Dichte radial nach innen zu einem Wärmeableitbereich 32b bewegen und dort an kühleren Oberflächen, insbesondere an einer Wärmeableitfläche 36, die einer Oberfläche der Rotorwelle 4 oder einer Fläche entspricht, die mit der Rotorwelle 4 (oder der Rotornabe) in wärmeleitfähigem Kontakt steht, abgekühlt, so dass das gasförmige Wärmeübertragungsmedium 9 kondensiert und die Kondensationswärme an die Wärmeableitfläche 36 abgibt.
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Im Wärmeaufnahmebereich 32a kann die Wärmeaufnahmefläche 34 des Hohlraums 32 zumindest teilweise noch mit Rippen oder anderen Strukturen, wie beispielsweise einem Metallschaum, versehen sein, um die Wärmeaufnahmefläche 34 zu vergrößern und somit den Wärmeübertrag von dem magnetisch aktiven Material 31 zu dem flüssigen Wärmeübertragungsmedium 8 zu erhöhen. Insbesondere entspricht das Volumen des Wärmeaufnahmebereichs 32a der Menge an flüssigem Wärmeübertragungsmedium 8.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmeableitfläche 36 des Wärmeableitbereichs 32b ebenfalls mit Rippen oder anderen Strukturen, wie beispielsweise einem porigem Metallschaum, versehen sein, um die Wärmeübertragung von dem kondensierenden Wärmeübertragungsmedium zur Rotorwelle 4 (bzw. im Falle einer Rotornabe zur Rotornabe hin) durch Vergrößern der Übertragungsfläche zu verbessern.
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Die durch einen Teil der Innenwand des Hohlraums 32 gebildete Wärmeaufnahmefläche 34 kann sich zumindest teilweise in radialer Richtung über einen Abschnitt der dem Hohlraum 32 zugewandten Innenwand der Trägerscheibe 33, d.h. in einen radial äußeren Teil der Trägerscheibe 33, erstrecken. Auf diese Weise kann bei Temperaturen unterhalb der Siedetemperatur das flüssige Wärmeübertragungsmedium 8 mit der gesamten Wärmeaufnahmefläche 34 in thermischen Kontakt stehen.
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Ebenso kann sich die Wärmeableitfläche 36 zusätzlich über einen radial inneren Abschnitt der dem Hohlraum 32 zugewandten Innenwand mindestens einer der Trägerscheiben 33 erstrecken. Die Trägerscheiben 33 können dazu ebenfalls mit die Wärmeübertragung verbessernden Strukturen versehen sein.
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Die obige Ausführungsform beschreibt einen ringförmigen Hohlraum 32. Jedoch kann der Hohlraum 32 auch mehrteilig als mehrere separate voneinander getrennte Hohlräume ausgebildet sein. Insbesondere können Strukturen, wie sie in den Querschnittsdarstellungen der 2a bis 2b dargestellt sind, vorgesehen sein.
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2a zeigt eine Schnittdarstellung einer Rotoranordnung 3 quer zur axialen Richtung mit mehreren, voneinander getrennten Hohlräumen 40, die jeweils einen radialen Kanal 41 und einen radial äußeren Wärmeaufnahmebereich 42 und einen radial inneren Wärmeableitbereich 43 aufweisen. Dadurch ist es möglich, die Robustheit des Scheibenrotors 3 zu verbessern, da das Trägermaterial zwischen den Hohlräumen 40 die Festigkeit erhöhen kann. Weiterhin können dadurch Unwuchten vermieden oder durch individuelles Anpassen der Menge an Wärmeübertragungsmedium in jeder der Hohlräume 40 ausgeglichen werden
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Auch kann, wie in der Schnittdarstellung der 2b quer zur axialen Richtung gezeigt, die Rotoranordnung 3 mit mehreren, voneinander getrennten Hohlräumen 50 versehen sein. Die Kühleinrichtung wird mit Hilfe sich lediglich in radialer Richtung erstreckenden Kanälen 51 konstanten Querschnitts in radialer Richtung vorgesehen. Diese stehen mit einer Wärmeaufnahmefläche 52 in einem Wärmeaufnahmebereich 54 an dem magnetisch aktiven Bereich 31 und mit einer Wärmeableitfläche 53 in einem Wärmeableitbereich 55, die thermisch mit der Rotorwelle 4 gekoppelt ist, in Kontakt.
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Bei weiteren Ausführungsformen der Kühleinrichtung können der Hohlraum 32 oder die Hohlräume 40, 50 in der Rotorscheibe 3 durch ein entsprechendes Hohlelement gebildet sein. Das Hohlelement kann separat gefertigt sein und ein jeweils abgeschlossenes Volumen aufweisen, das mit dem Wärmeübertragungsmedium der oben beschriebenen Art gefüllt ist. das Hohlelement weist eine Außenkontur auf, so dass es fest in dem Hohlraum 32 bzw. in den Hohlräumen 40, 50 aufgenommen werden kann und zumindest in dem Wärmeaufnahmebereich 32a, 42, 54 und in dem Wärmeableitbereich 32b, 43, 55 bündig an den betreffenden Abschnitten der Innenwand bzw. Innenwände des Hohlraums 32 bzw. der Hohlräume 40, 50 anliegt. Auf diese Weise kann eine Rotoranordnung 3 in einfacher Weise mit der entsprechenden Kühleinrichtung lediglich durch Einsetzen des Hohlelementes gebildet werden. Das Hohlelement kann weiterhin einen Austritt des Wärmeübertragungsmediums verhindern, so dass die Trägerscheiben 33 keine Abdichtung gegenüber dem Wärmeübertragungsmedium mehr gewährleisten müssen. Da das Hohlelement die Funktion der Abdichtung gegenüber dem Wärmeübertragungsmedium übernehmen kann, kann die Rotoranordnung 3 dadurch wesentlich einfacher ausgeführt sein.
