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Die Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine sowie die elektrische Rotationsmaschine mit dem Rotor.
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In vielen industriellen Anwendungen und zunehmend auch in der Automobilindustrie werden permanenterregte Synchronmaschinen eingesetzt. Eine solche permanenterregte Synchronmaschine umfasst einen zu bestromenden Stator und einen permanenterregten Rotor. Der Rotor umfasst zumeist eine Welle, Wuchtbleche, Rotorblechpakete und Magnete. Die Magnete sind im Allgemeinen in den Rotorblechpaketen fixiert.
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Die Leistung einer elektrischen Rotationsmaschine ist unter anderem abhängig von der bei Betrieb entstehenden Wärme, da mit zunehmender Wärme der Wirkungsgrad der Maschine sinkt.
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Es ist weiterhin bekannt, dass in einer elektrischen Rotationsmaschine sogenannte Hotspots auftreten können. Ein Hotspot ist ein Bereich der Entstehung der größten Wärme im Rotor und/oder Stator beim Betrieb der Elektromaschine.
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In der Regel angewandte Maßnahmen zur Kühlung eines Rotors und Stators einer Elektromaschine sind eine Kühlung des Rotors unter Ausnutzung der Fliehkraft von radial innen durch Kühlmittel, wobei das Kühlmittel hierbei entlang der Rotor-Stirnseiten fließt, und eine Kühlung des Stators von radial außen durch ein Kühlmittel sowie eine Ableitung des Kühlmittels und damit auch der vom Kühlmittel aufgenommenen Wärme.
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Eine derartige Kühlung kann jedoch in Abhängigkeit von den jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten ggf. nicht ausreichend sein, um die am stärksten erhitzten Bereiche zu kühlen. Bei einer ungenügenden Kühlung treten Verlustleistungen in der jeweils betroffenen Elektromaschine auf.
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Um diese Verlustleistung zu kompensieren und eine geforderte Leistung der Elektromaschine zu erreichen, werden üblicherweise leistungsfähigere Magnete eingesetzt, die jedoch den Nachteil des höheren Kostenaufwands sowie einen höheren Bauraumbedarf aufweisen.
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In Serie hergestellte permanenterregte Synchronmaschinen sind häufig über axial im Rotor radial innen liegende Querbohrungen gekühlt, die strömungstechnisch mit Kühlkanälen an den axialen Seitenflächen des Rotors verbunden sind. Die Wärme des Rotors wird bei diesem Konzept hauptsächlich über die Seitenflächen abgeführt. Entsprechend erwärmen sich die Magnete in der axialen Mitte des Rotors bei diesem Konzept am stärksten, da sie am weitesten von den Wärmesenken entfernt liegen, und es entstehen hier wärmebedingt die höchsten Verlustleistungen.
Um dem Entstehen von Hot-Spots in der axialen Mitte des Rotors entgegen zu wirken, wurde das Konzept der Magnetkühlung mit separatem Ölleitblech entwickelt. Über ein Ölleitblech, das zwischen zwei Rotorstacks angeordnet ist, wird Öl von der Welle radial in Querkanäle der Rotor-Stacks geführt. Dieses Ölleitblech ist aus Aluminium oder einem anderen nichtmagnetischen Werkstoff gefertigt, um magnetische Streuflüsse zu minimieren bzw. komplett zu vermeiden.
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Die Rotorkühlung mit einem separaten herkömmlichen Ölleitblech weist die folgenden Nachteile auf:
- - erhöhter axialer Bauraumbedarf der elektrischen Maschine,
- - Verlust an aktiver Länge des Rotors bei Beibehaltung der geometrischen Abmaße,
- - erhöhter Montageaufwand und aufwendiges Handling des meist relativ dünnen Ölleitblechs,
- - Kosten durch Logistik für ein zusätzliches Teil,
- - Kosten durch zusätzliches Werkzeug für die Herstellung des Ölleitblechs,
- - unterschiedliches wärmebedingtes Ausdehnungsverhalten der Blechstapel auf Grund unterschiedlicher eingesetzter Werkstoffe,
- - Positionierung des Ölleitblechs nur zwischen einzelnen Blechstapeln bzw. Stacks möglich, so dass eine axial mittige Anordnung eines Ölleitblechs nur bei gerader Anzahl an Stacks möglich ist.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine sowie die damit ausgestattete elektrische Rotationsmaschine zur Verfügung zu stellen, die bei optimaler Kühlung integrierter Magnete auch im axial mittigen Bereich im Wesentlichen keinen Verlust hinsichtlich der axialen aktiven Länge aufweisen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor gemäß Anspruch 1 sowie durch eine elektrische Rotationsmaschine gemäß Anspruch 10.
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Vorteilhafte Ausführungsformen des Rotors sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben.
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Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Begriffe „radial“, und „axial“ beziehen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer auf die Drehachse des Rotors.
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Die Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine, umfassend einen Eisenkern mit planparallel zueinander, in wenigstens einem Stapel angeordneten Rotorblechen, wobei wenigstens eines der Rotorbleche als Fluidleitblech ausgestaltet ist und zumindest einen wenigstens eine radiale Richtungskomponente aufweisenden Strömungskanal ausbildet, der an zumindest einer axialen Seite des Fluidleitblechs offen ist. An der axial offenen Seite des Fluidleitblechs ist ein als Dichtblech ausgestaltetes Rotorblech angeordnet, mit dem der Strömungskanal des Fluidleitblechs auf der Seite des Dichtblechs im Wesentlichen fluiddicht abgedichtet ist.
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Die Rotorbleche sind ein wesentlicher Bestandteil des Eisenkerns der betreffenden elektrischen Maschine, wobei diese Bleche als lamellierte und isolierte Bleche vorliegen können. Insbesondere sind die Rotorbleche an ihren radialen Außenbereichen mit Taschen bzw. Aufnahmen zur Aufnahme von Magneten ausgestaltet.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Rotors ist es möglich, innerhalb der auch als Stack bezeichneten Stapelanordnung Kühlfluid radial an axial zentrale Positionen des Rotors zu führen, ohne wesentliche Einbußen hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften an der Position dieser radialen Ölführung hinnehmen zu müssen.
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Insbesondere kann das Fluidleitblech im Wesentlichen aus demselben Material bestehen wie die weiteren Rotorbleche des Eisenkerns. Entsprechend ist vorgesehen, dass die weiteren Rotorbleche und das Fluidleitblech im Wesentlichen die gleichen magnetischen Eigenschaften bzw. die gleichen Eigenschaften hinsichtlich ihrer Magnetisierbarkeit aufweisen.
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Des Weiteren kann auch das Dichtblech im Wesentlichen aus demselben Material bestehen wie die weiteren Rotorbleche des Eisenkerns. Entsprechend ist vorgesehen, dass die weiteren Rotorbleche und das Dichtblech im Wesentlichen die gleichen magnetischen Eigenschaften bzw. die gleichen Eigenschaften hinsichtlich ihrer Magnetisierbarkeit aufweisen.
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Insbesondere kann der Strömungskanal des Fluidleitblechs axial beidseitig offen ausgestaltet sein. In diesem Fall ist axial beidseitig am Fluidleitblech jeweils ein als Dichtblech ausgestaltetes Rotorblech angeordnet, mit dem der Strömungskanal des Fluidleitblechs auf der Seite des betreffenden Dichtblechs im Wesentlichen fluiddicht abgedichtet ist. Durch diese Ausführungsform wird gewährleistet, dass mit minimalem axialen Bauraumbedarf ein relativ großer Kühlfluid-Volumenstrom in radialer Richtung geführt werden kann.
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Es können in einer Stapelanordnung mehrere Fluidleitbleche unmittelbar nebeneinander in einer Gruppe von Fluidleitblechen angeordnet sein, so dass sie einen gemeinsamen Strömungskanal ausbilden, wobei axial beidseitig dieser Gruppe von Fluidleitblechen jeweils ein Dichtblech angeordnet ist, zur axialen Abdichtung des gemeinsamen Strömungskanals. In dieser Ausgestaltung sind die Strömungskanäle in den Fluidleitblechen beidseitig offen ausgebildet, so dass sie bei der benachbarten Anordnung der Fluidleitbleche strömungstechnisch miteinander verbunden sind. Durch diese Ausführungsform wird gewährleistet, dass an der axialen Position der Nebeneinander-Anordnung ein großer Kühlfluid-Volumenstrom nach radial außen geleitet werden kann und entsprechend eine höhere Kühlleistung realisiert werden kann.
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Dabei kann das Fluidleitblech bzw. die Gruppe von Fluidleitblechen in einer Stapelanordnung angeordnet sein, so dass beidseitig des Fluidleitblechs bzw. der dazugehörigen Dichtbleche weitere Rotorbleche der Stapelanordnung angeordnet sind.
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In einer alternativen Ausführungsform schließt ein Dichtblech axial die betreffende Stapelanordnung ab, in der das Fluidleitblech angeordnet ist. Das bedeutet, dass das dazugehörige Fluidleitblech ebenfalls an einer axial endseitigen Position der Stapelanordnung angeordnet ist. Diese Ausführungsform kann insbesondere dann realisiert sein, wenn zwei Stapelanordnungen in einem axial zentralen Bereich des Eisenkerns aneinander grenzen.
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Das Fluidleitblech kann in seinem zentralen Bereich eine Aussparung zur Aufnahme einer Rotorwelle aufweisen, wobei der Strömungskanal an der radial inneren Seite des Fluidleitblechs mündet. Das bedeutet, dass das Fluidleitblech an der radial inneren Seite wenigstens eine Unterbrechung bzw. Öffnung aufweist, durch die Kühlfluid aus einer Wellenführung in radialer Richtung in den Strömungskanal des Fluidleitblechs strömen kann, um von diesem in radialer Richtung weiter nach außen in Richtung auf die Magneten des Rotors geführt zu werden.
Diese Fluidströmung wird durch die bei Betrieb der elektrischen Rotationsmaschine auftretende Zentrifugalkraft unterstützt. Insbesondere können am Umfang des Fluidleitblechs verteilt mehrere derartiger Öffnungen bzw. Einmündungen an der radialen Innenseite bestehen, die zu mehreren Strömungskanälen führen.
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Auch das Dichtblech kann in seinem zentralen Bereich eine Aussparung zur Aufnahme einer Rotorwelle aufweisen, wobei die Kontur der Aussparung des Dichtblechs zur Ausbildung einer formschlüssig wirkenden Übertragung von Drehmoment auf eine durch die Aussparung hindurchführende oder hindurchzuführende Welle ausgestaltet ist. Insbesondere kann die Kontur der Aussparung mit einer nach radial innen verlaufenden Nase ausgestaltet sein, zum Eingriff in eine hinsichtlich der Form und Größe komplementär ausgestaltete Nut in der Welle.
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Ebenfalls können die weiteren Rotorbleche der Stapelanordnung bzw. des Eisenkerns an ihrer jeweiligen, zur Hindurchführung der Rotorwelle ausgestalteten Aussparung mit einer dem Dichtblech entsprechenden Kontur bzw. mit einer nach radial innen verlaufenden Nase ausgestaltet sein, zum Eingriff in eine hinsichtlich der Form und Größe komplementär ausgestaltete Nut in der Welle.
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Ebenfalls kann ein jeweiliges Fluidleitblech diese Kontur aufweisen, die jedoch durch die Einmündung eines jeweiligen Strömungskanals unterbrochen sein kann. In diesem Fall dient die Kontur lediglich der Mitnahme des Fluidleitblechs in der Drehbewegung der Welle bzw. der weiteren Rotorbleche.
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Ein jeweiliger Strömungskanal in dem Fluidleitblech kann zu einem Axial-Auslass führen, aus dem das mit dem Strömungskanal geleitete Fluid axial aus dem Fluidleitblech ausgebbar ist. Bei der axial beidseitig offenen Ausgestaltung führt der Strömungskanal entsprechend zu einem Fenster, welches insbesondere den Strömungskanal in radialer Richtung begrenzt, so dass das Fluid an dieser radialen Position gezwungen wird, axial aus dem Fluidleitblech auszutreten.
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Insbesondere kann der Strömungskanal dabei wenigstens eine Verzweigung ausbilden, so dass er mehrere Teilkanäle aufweist, die mit wenigstens einer Richtungskomponente radial verlaufen.
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Dabei kann der Strömungskanal ausgehend von einer Einmündung an der radial inneren Kontur sich zunächst in radialer Richtung erstrecken und im Wesentlichen im mittleren radialen Bereich des Fluidleitblechs eine Verzweigung und damit zwei Teilkanäle ausbilden. Die beiden Teilkanäle können sich winklig zur radialen Richtung von der Verzweigung in Richtung auf die radiale Außenseite des Fluidleitblechs erstrecken, wo sie jeweils zu einem Axial-Auslass führen. Derart bildet ein solcher Strömungskanal im Wesentlichen eine Y-Form aus.
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Der Rotor kann derart ausgestaltet sein, dass die Rotorbleche einer Stapelanordnung wenigstens einen Axial-Strömungskanal ausbilden, der in seiner Längserstreckungsrichtung im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse des Rotors verläuft und strömungstechnisch mit einem jeweiligen Strömungskanal eines jeweiligen Fluidleitblechs verbunden ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Axial-Auslässe in dem Fluidleitblech Bestandteile des Axial-Strömungskanals sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen auch die Dichtbleche sowie weiteren Rotorbleche axiale Durchgangsöffnungen bzw. Fenster an den selben radialen Positionen sowie denselben Umfangspositionen auf wie die Axial-Auslässe des Fluidleitblechs, so dass auch diese Fenster in den Dichtblechen bzw. weiteren Rotorblechen Bestandteile des Axial-Strömungskanals sind.
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Durch diesen radial weit außen liegenden Axial-Strömungskanal lässt sich Kühlfluid sehr dicht an die radiale Außenseite des Rotors führen und hier die beim Betrieb der elektrischen Rotationsmaschine entstehende Wärme effizient aufnehmen und über Konvektion ableiten.
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Dabei ist jedoch die aktive Länge des Rotors nicht eingeschränkt, da sowohl ein jeweiliges Fluidleitblech als auch ein jeweiliges Dichtblech aktiv als Rotorblech wirken.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Rotationsmaschine, die einen Rotor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
- 1: ein erfindungsgemäßer Rotor in seitlicher Ansicht (obere Teildarstellung) sowie in Schnittansicht (untere Teildarstellung),
- 2: ein Rotorblech des Rotors,
- 3: ein Fluidleitblech des Rotors,
- 4: ein Dichtblech des Rotors, und
- 5: ein Ausschnitt aus einer Schnittansicht des erfindungsgemäßen Rotors.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Rotor 1 mehrere parallel zueinander angeordnete Rotorbleche 20, die in einer Stapelanordnung 10 auf einer gemeinsamen Rotationsachse 2 angeordnet sind.
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Aus der unterhalb der Rotationsachse 2 dargestellten Ansicht ist ersichtlich, dass die Rotorbleche 20 zusammen einen Axial-Strömungskanal 12 ausbilden. Innerhalb der Stapelanordnung 10, die auch als Stack bezeichnet werden kann, sind herkömmliche Rotorbleche 20 angeordnet sowie wenigstens ein Fluidleitblech 30, welches axial durch ein Dichtblech 50 abgedichtet ist.
Im Wesentlichen bzw. überwiegend ist die Stapelanordnung 10 durch Rotorbleche 20 ausgebildet, wie sie in 2 dargestellt sind. Dabei stellt 2 ein sogenanntes weiteres Rotorblech dar, welches den überwiegenden Teil des Blechpakets ausbildet. Diese weiteren Rotorbleche 20 umfassen an ihrer jeweiligen radialen Außenseite mehrere Taschen 21 zur formschlüssigen Anordnung von Magneten zur Ausbildung eines jeweiligen Rotors. Im radial mittleren Bereich weist ein jeweiliges Rotorblech 20 im Wesentlichen dreieckige, regelmäßig am Umfang verteilte Ausschnitte 22 auf, die insbesondere zur Massenreduktion und damit auch zur Verringerung des Massenträgheitsmoments des damit ausgebildeten Blechpakets dienen. Im radial zentralen Bereich weist das Rotorblech 20 eine hier im Wesentlichen kreisförmige Aussparung 23 auf. Des Weiteren hat das Rotorblech 20 zwei sich nach radial innen erstreckende Nasen 24, die zum Eingriff in eine komplementär ausgestaltete Nut einer hier nicht dargestellten Rotorwelle eingerichtet sind.
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3 zeigt ein Fluidleitblech 30. Dieses Fluidleitblech 30 umfasst mehrere Strömungskanäle 40, die an der radialen Innenseite des Fluidleitblechs 30 Öffnungen 41 ausbilden. Diese dienen dazu, Kühlfluid, welches in einer Wellenführung einer hier nicht dargestellten, durch die Aussparung 23 geführten Rotorwelle geleitet wird, in die Strömungskanäle 40 einzubringen. Ein jeweiliger Strömungskanal 40 weist des Weiteren in der hier dargestellten Ausführungsform Verzweigungen 43 auf, sodass sich an einem von einer Öffnung 41 ausgehenden Abschnitt des betreffenden Strömungskanals 40 ein erster Teilkanal 44 sowie ein zweiter Teilkanal 45 anschließen und der Strömungskanal 40 insgesamt im Wesentlichen eine Y-Form aufweist. Die beiden Teilkanäle 44,45 enden jeweils in einem Axial-Auslass 42, der hier als ein Fenster ausgestaltet ist, und der radial relativ weit außen am Fluidleitblech 30 positioniert ist. In der hier dargestellten Ausführungsform befinden sich diese Axial-Auslässe 42 in unmittelbarer Nähe der Taschen 21, die zur Aufnahme der Magneten des Rotors dienen. Entsprechend kann Kühlfluid von einer zentralen Welle über die Öffnungen 41 in die Strömungskanäle 40 geleitet werden und von dort den Axial-Auslässen 42 zugeführt werden, wobei die Axial-Auslässe 42 Bestandteile des Axial-Strömungskanals 12, der in 1 angedeutet ist, sind bzw. mit diesem Axial-Strömungskanal 12 strömungstechnisch verbunden sind.
In der hier dargestellten Ausführungsform ist ein jeweiliger Strömungskanal 40 als eine axial durch das Fluidleitblech 30 hindurchgehende Aussparung ausgeführt.
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Das Fluidleitblech 30 ist entsprechend ein speziell ausgestaltetes Rotorblech 20 und ist vorzugsweise aus dem gleichen Material hergestellt wie die restlichen bzw. weiteren Rotorbleche 20 der Stapelanordnung 10. Entsprechend ist vorgesehen, dass auch das Fluidleitblech 30 aus einem magnetisierbaren Material hergestellt ist. Um sicherzustellen, dass Kühlfluid im Strömungskanal 40 lediglich in radialer Richtung bzw. mit radialer Komponente durch die Teilkanäle 44,45 geleitet wird, sind zur Abdeckung eines jeweiligen Strömungskanals 40 Dichtbleche 50 vorgesehen. Ein derartiges Dichtblech 50 ist in 4 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass dieses Dichtblech 50 ebenfalls Taschen 21 zur Aufnahme der Magneten des Rotors aufweist. Zudem ist ersichtlich, dass in den radialen Bereichen, in denen im Fluidleitblech 30 die Strömungskanäle 40 ausgebildet sind, das Dichtblech 50 geschlossen ist. Derart ist gewährleistet, dass bei Anlage des Dichtblechs 50 an einer Seite des Fluidleitblechs 30 auf dieser Seite der betreffende Strömungskanal 40 in axialer Richtung fluiddicht geschlossen ist, insbesondere bei einer axial wirkenden Anpresskraft vom betreffenden Dichtblech 50 auf das Fluidleitblech 30.
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Das Fluidleitblech 30 sowie auch das Dichtblech 50 weisen ebenfalls an ihren radial inneren Konturen Nasen 24 auf, wobei die Nasen 24 am Dichtblech 50 dazu dienen, Drehmoment vom auch als Rotorblech wirkenden Dichtblech auf die Welle zu übertragen. Die Nasen 24 an dem Fluidleitblech 30 dienen überwiegend dazu, das Fluidleitblech 30 bei einer Drehbewegung der Welle mitzunehmen.
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Die Erfindung ist aber nicht darauf eingeschränkt, dass axial beidseitig eines Fluidleitblechs 30 jeweils ein Dichtblech 50 angeordnet ist. Davon abweichend kann auch vorgesehen sein, dass - wie in 5 dargestellt - mehrere Fluidleitbleche 30 eine Gruppe 11 von Fluidleitblechen 30 ausbilden, wobei hier die Fluidleitbleche 30 unmittelbar aneinander anliegen. Es sind in dem Fall lediglich die axialen Außenseiten dieser Gruppe 11 von Fluidleitblechen 30 durch Dichtbleche 50 abgedeckt.
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Sowohl das Rotorblech 20 als auch das Dichtblech 50 weisen an den radialen Positionen sowie Winkelpositionen der Axial-Auslässe 42 des Fluidleitblechs 30 Fenster 60 auf, sodass bei unmittelbarer Nebeneinander-Anordnung aller Rotorbleche 20, zu denen auch das Fluidleitblech 30 sowie ein jeweiliges Dichtblech 50 gehören, diese Fenster 60 zusammen mit den Axial-Auslässen 42 den Axial-Strömungskanals 12 ausbilden.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Rotor lässt sich eine zuverlässige sowie zielgerichtete Kühlung der Magnete auch in einem axial mittleren Bereich bei insgesamt sehr kompakter axialer Bauform realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Rotationsachse
- 10
- Stapelanordnung
- 11
- Gruppe von Fluidleitblechen
- 12
- Axial-Strömungskanal
- 20
- Rotorblech
- 21
- Tasche
- 22
- Ausschnitt
- 23
- Aussparung
- 24
- Nase
- 30
- Fluidleitblech
- 40
- Strömungskanal
- 41
- Öffnung
- 42
- Axial-Auslass
- 43
- Verzweigung
- 44
- Erster Teilkanal
- 45
- Zweiter Teilkanal
- 50
- Dichtblech
- 60
- Fenster des Axial-Strömungskanals
