DE19807708A1 - Läufer und Verfahren zur Kühlung eines Schleifrings - Google Patents
Läufer und Verfahren zur Kühlung eines SchleifringsInfo
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
- H02K9/28—Cooling of commutators, slip-rings or brushes e.g. by ventilating
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
- H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
- H01R39/02—Details for dynamo electric machines
- H01R39/08—Slip-rings
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Description
Die Erfindung betrifft einen Läufer für eine elektrische Ma
schine sowie ein Verfahren zur Kühlung eines Schleifrings auf
einem rotierenden Läufer einer elektrischen Maschine.
In dem Buch "Synchronmaschinen", AEG-Telefunken Handbücher
Band 12, Berlin, 1990, herausgegeben von AEG Telefunken, ist
eine Synchronmaschine beschrieben. Eine solche Synchronma
schine weist eine elektrische Statorwicklung auf, die einen
Läufer mit einer elektrischen Läuferwicklung umgibt. Im Gene
ratorbetrieb einer solchen Maschine wird der Läuferwicklung
ein Erregerstrom zugeführt, wodurch ein Magnetfeld aufgebaut
wird. Bei Drehung des Läufers wird durch das so veränderliche
Magnetfeld in der Statorwicklung eine Spannung induziert. Die
Zuführung von Erregerstrom zur Läuferwicklung erfolgt häufig
über Kohlebürsten, welche an Schleifringen des Läufers
schleifen. Auf Seite 47 heißt es im Abschnitt 3.2.8.1 "Der
Erregerstrom wird durch Kohlebürsten und Schleifringe auf die
Läuferwicklung übertragen. Je nach Generatorleistung beträgt
er 500 bis 5000 A. Bei großen Erregerströmen ist eine beson
dere Kühlung der Schleifringe erforderlich: Ein eigener
Schleifringlüfter saugt einen kräftigen Kühlstrom über die
gewellten Schleifringoberflächen. Spiralige Kühlnuten an der
Innenfläche der Schleifringe und Lüfteransätze an ihren, dem
Schleifringlüfter zugewandten Stirnflächen unterstützen die
Kühlwirkung". Im Bild 3/35 auf der gleichen Seite wird der
erhebliche konstruktive Aufwand deutlich, der zur Kühlung der
Schleifringe nötig ist. Es ist eigens ein Schleifring-Haupt
lüfter vorgesehen, der von einem Schleifring-Lüftergehäuse
umgeben ist. Die Schleifringe sind durch den Ansatz eines
Schleifring-Zusatzlüfters verbreitert. Die Schleifringe sind
auf einer separaten Schleifringwelle angeordnet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Läufer für eine elektri
sche Maschine anzugeben, der Schleifringe aufweist, welche
besonders effizient und konstruktiv einfach kühlbar sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Ver
fahrens zur Kühlung eines Schleifrings auf einem rotierenden
Läufer einer elektrischen Maschine.
Erfindungsgemäß wird die auf einen Läufer gerichtete Aufgabe
gelöst durch einen entlang einer Achse gerichteten Läufer für
eine elektrische Maschine mit einer Läuferwicklung und mit
einem Schleifring zur Zuführung von elektrischem Strom zur
Läuferwicklung, wobei der Schleifring als Lüfter ausgebildet
ist.
Als ein Lüfter ist hier jedes Mittel zu verstehen, welches
durch eine Bewegung einen Gasstrom, insbesondere einen Luft
strom, zu erzeugen vermag. Wie im oben erwähnten Handbuch
ausgeführt, ist bislang ein erheblicher Aufwand erforderlich
gewesen, Schleifringe effizient zu kühlen. Es wird nun ein
Läufer bereitgestellt, bei dem dieser hohe Aufwand vermieden
und dabei doch eine besonders effiziente Kühlung der Schleif
ringe bereitgestellt wird. Indem die zu kühlenden Schleif
ringe selbst als Lüfter ausgebildet sind, kann die Anordnung
eines zusätzlichen Lüfters unterbleiben. Zudem wird durch ei
nen als Lüfter ausgebildeten Schleifring Luft mit einem gro
ßen Volumenstrom geleitet. Dies stellt eine hohe Kühlleistung
sicher.
Bevorzugt ist der Schleifring als axialer Lüfter ausgebildet,
so daß mit dem Schleifring ein koaxial zur Achse strömender
Gasstrom erzeugbar ist. Weiter bevorzugt ist ein bezüglich
der Achse axial von dem Schleifring in einem Schleifringab
stand beabstandeter ebenfalls als Lüfter ausgebildeter Nach
barschleifring vorgesehen, durch den ein koaxial zur Achse
strömender Nachbargasstrom so erzeugbar ist, daß der Gasstrom
in Richtung auf den Nachbarschleifring und der Nachbargas
strom in Richtung auf den Schleifring strömt. Die so ausge
bildeten Schleifringe erzeugen also jeweils einen in den Zwi
schenraum zwischen den Schleifringen führenden Gasstrom.
Bevorzugt weist der Schleifring eine hohlzylinderförmige
Nabe, einen hohlzylinderförmigen, die Nabe konzentrisch umge
benden Außenring und zwischen Nabe und Außenring angeordnete
Lüfterelemente auf. Mit dieser Ausgestaltung ist in einfacher
Weise insbesondere gewährleistet, daß eine Schleifringober
fläche unbeeinträchtigt beibehalten werden kann, auf welcher
eine Kohlebürste schleifend angeordnet werden kann.
Bevorzugtermaßen ist eine die Läuferwicklung tragende Läufer
welle vorgesehen, auf der der Schleifring aufgebracht ist.
Durch die Ausbildung der Schleifringe als Lüfter können die
Schleifringe in ihrer Breite reduziert werden. Ein Läufer,
bei dem zur Kühlung ein Radiallüfter mittig plaziert ist, der
die Luft ansaugt und über erzwungene Konvektion für die Küh
lung der Schleifringe sorgt, ist in seiner Bauart kostspielig
und die Schleifringe sind breiter als ihr eigentlicher Bür
stenkontaktbereich. Eine solche breite Ausführung der
Schleifringe sowie zusätzlicher, durch den Radiallüfter bean
spruchter Platz ergeben eine erhebliche axiale Erstreckung
des gesamten Schleifringsystems. Durch die Ausführung der
Schleifringlüfter ergibt sich eine erhebliche Reduktion der
Axialerstreckung des gesamten Schleifringsystems. Damit ist
es möglich, die Schleifringe direkt auf die Läuferwelle auf
zubringen und von einer separaten Schleifringwelle abzusehen.
Dies bringt erhebliche Kostenvorteile mit sich.
Bevorzugt ist der Schleifring an einem freitragenden Schleif
ringende der Läuferwelle angeordnet. Von einem kostentreiben
den Zusatzlager kann abgesehen werden, da das gesamte
Schleifringsystem eine geringe Axialerstreckung aufweist und
somit freitragend ausgeführt werden kann.
Bevorzugt ist der Schleifring geschweißt. Bevorzugtermaßen
ist der Schleifring gegossen.
Bevorzugtermaßen wird der Läufer in einem Turbogenerator mit
einer Leistung von 100 MVA bis 500 MVA verwendet.
Erfindungsgemäß wird die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe
gelöst durch ein Verfahren zur Kühlung eines Schleifrings auf
einem rotierenden Läufer einer elektrischen Maschine, wobei
der Läufer eine Läuferwicklung umfaßt, und wobei elektrischer
Strom über den Schleifring zur Läuferwicklung geführt wird
und wobei mit dem Schleifring ein Gasstrom durch den Schleif
ring erzeugt wird.
Die Vorteile eines solchen Verfahrens ergeben sich entspre
chend den obigen Ausführungen zu den Vorteilen eines Läufers
für eine elektrische Maschine.
Die Erfindung wird beispielhaft und teilweise schematisch und
nicht maßstäblich anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine
mit einem Läufer,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil des Läufers aus
Fig. 1, und
Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Schleifring gemäß
Fig. 2.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die
gleiche Bedeutung.
In Fig. 1 ist schematisch und nicht maßstäblich eine elek
trische Maschine 3, in diesem Fall ein Turbogenerator, ge
zeigt. In einem Gehäuse 20 ist eine elektrische Statorwick
lung 21 angeordnet. Diese umgibt einen Läufer 1, welcher eine
Läuferwelle 13 aufweist, auf der eine elektrische Läuferwick
lung 4 angeordnet ist. Der Läufer 1 ragt mit einem Ende 14
aus dem Gehäuse 20 heraus und entstreckt sich entlang einer
Achse 2. Auf dem herausragenden Ende 14 des Läufers 1 sind
axial zueinander benachbart ein Schleifring 5 und ein Nach
barschleifring 8 angeordnet. An dem Schleifring 5 und an dem
Nachbarschleifring 8 schleift jeweils eine Kohlebürste 24.
Die Kohlebürsten 24 sind jeweils über eine Leitung 25 mit ei
ner nicht dargestellten Stromquelle verbunden. Die Strom
quelle liefert einen Erregerstrom 1, welcher über die Kohle
bürsten 24 auf den Schleifring 5 und auf den Nachbarschleif
ring 8 übertragen wird. Von dort wird der Erregerstrom I zur
Läuferwicklung 4 geleitet. Durch die Läuferwicklung 4 wird
ein Magnetfeld aufgebaut. Bei Rotation des Läufers 1 ergibt
sich ein ortsveränderliches Magnetfeld, welches in der Sta
torwicklung 21 eine Spannung hervorruft. Der Erregerstrom I
kann je nach Generatorleistung einige 100 bis 1000 Ampere be
tragen. Durch einen solchen großen Erregerstrom I kommt es zu
einer erheblichen Erwärmung des Schleifrings 5 und des Nach
barschleifrings 8. Die entstehende Wärme wird effektiv da
durch abgeführt, daß der Schleifring 5 und der Nachbar
schleifring 8 jeweils als Lüfter ausgebildet sind, wie es im
folgenden näher anhand Fig. 2 erläutert wird.
Fig. 2 zeigt das aus dem Turbogenerator 3 herausragende Ende
13A des Läufers 1 mit einem Schleifringsystem 1A. Auf der
Läuferwelle 13 sind axial zueinander beabstandet ein Schleif
ring 5 und ein Nachbarschleifring 8 angeordnet. Sie weisen
zueinander einen Schleifringabstand 7 auf, der einen Zwi
schenraum 7A ergibt. Der Schleifring 5 und der Nachbar
schleifring 8 sind jeweils gebildet aus einer hohlzylinder
förmigen Nabe 10, welche isoliert gegenüber dem Läufer 1 auf
der Läuferwelle 13 aufsitzt. Beabstandet zur Nabe 10 weisen
der Schleifring 5 und der Nachbarschleifring 8 jeweils einen
hohlzylinderförmigen, konzentrisch zur Nabe 10 angeordneten
Außenring 11 auf. Auf den Oberflächen jedes Außenringes 11
schleifen jeweils zwei Kohlebürsten 24. Jede Kohlebürste 24
ist über eine Leitung 25 mit einer nicht dargestellten Strom
quelle verbunden. Durch jeden Außenring 11 und jede Nabe 10
wird jeweils ein ringförmiger Kanal 30 gebildet. In jedem Ka
nal 30 ist eine Vielzahl von Lüfterelemente 12 vorgesehen,
die als Bleche ausgeführt sein können.
Entlang der Achse 2 ist innerhalb der Läuferwelle 13 eine
halbzylinderförmige erste Erregerstromzuleitung 22 und be
nachbart zu dieser eine ebenfalls halbzylinderförmige zweite
Erregerstromzuleitung 23 geführt. Der Außenring 11 des
Schleifringes 5 ist mit einem Zuführungsbolzen 21B verbunden,
welcher senkrecht zur Achse 2 in die Läuferwelle 13 führt.
Der Zuführungsbolzen 21B des Schleifringes 5 ist mit der er
sten Erregerstromzuleitung 22 elektrisch verbunden. Der Au
ßenring 11 des Nachbarschleifrings 8 ist mit einem Zufüh
rungsbolzen 21A verbunden, welcher senkrecht zur Achse 2 zur
Erregerstromzuleitung 23 führt.
Im Betrieb des Turbogenerators 3 wird der Läufer 1, angetrie
ben durch eine Turbine, in Rotation versetzt. Der Läuferwick
lung 4 (siehe Fig. 1) wird Erregerstrom I über den Schleif
ring 5 und den Nachbarschleifring 8 zugeführt: Über die Koh
lebürsten 24 gelangt der Erregerstrom I auf den Schleifring 5
und den Nachbarschleifring 8 und wird über die Zuführungsbol
zen 21, 20 den Erregerstromzuleitungen 22 und 23 zugeleitet.
Diese sind mit der elektrischen Wicklung der Läuferwicklung 4
verbunden. Bei hohen Erregerströmen I, vorzugsweise bei Erre
gerströmen I größer 100 Ampère, ist es erforderlich, den
Schleifring 5 und den Nachbarschleifring 8 zu kühlen. Dies
geschieht in besonders effizienter und einfacher Weise da
durch, daß der Schleifring 5 und der Nachbarschleifring 8 je
weils selbst als Lüfter ausgebildet sind. Bei Rotation der
Läuferwelle 13 erzeugen die Lüfterelemente 12 des Schleifrin
ges 5 und des Nachbarschleifrings 8 einen axial gerichteten
Luftstrom 6, 9 durch jeden Schleifring 5, 8. Der Schleifring
5 saugt einen Luftstrom 6A an, der mittels der Lüfterelemente
12 durch den Kanal 30 als Luftstrom 6 geführt wird. Auf der
dem Nachbarschleifring 8 zugewandten Seite des Schleifringes 5
tritt der Luftstrom 6 als Luftstrom 6B aus. Spiegelverkehrt
zu dem Luftstrom 6 wird im Nachbarschleifring 8 durch dessen
Kanal 30 über die Lüfterelemente 12 ein Nachbargasstrom 9 er
zeugt, der als Nachbargasstrom 9b in den Zwischenraum 7A zwi
schen den Schleifringen 5, 8 austritt. Der so als axialer
Lüfter fungierende Schleifring 5 und der ebenfalls als axia
ler Lüfter fungierende Nachbarschleifring 8 können jeweils
große Volumenströme an Luft erzeugen. Damit wird eine beson
ders hohe Kühlleistung zur Kühlung des Schleifrings 5 und des
Nachbarschleifrings 8 gewährleistet. Weiterhin ist kein zu
sätzlicher Lüfter erforderlich, so daß das gesamte Schleif
ringsystem 1A nur eine geringe axiale Länge L beanspruchen.
Damit ist das Schleifringsystem 1A unmittelbar auf der
Läuferwelle 13 aufbringbar. Eine separate Schleifringwelle
kann entfallen. Zudem kann für die Läuferwelle 13, an der dem
Ende des Läufers 14 ein zusätzliches Lager eingespart werden,
welches bei einer Länge eines konventionellen Schleifringsy
stems 1A zur Abstützung erforderlich ist. Es ergibt sich ein
freitragendes Ende 14 für die Läuferwelle 13. Die Einsparung
eines zusätzlichen Lagers und einer separaten Schleifring
welle ergibt erhebliche Kostenvorteile.
Fig. 3 zeigt den Längsschnitt III-III durch den Schleifring 5
gemäß Fig. 2. Die Lüfterbleche 12 sind so angeordnet, daß
sie einen schraubenförmigen Weg für den Gasstrom 6 durch den
Kanal 30 bilden.
Claims (10)
1. Entlang einer Achse (2) gerichteter Läufer (1) für eine
elektrische Maschine (3) mit einer Läuferwicklung (4) und mit
einem Schleifring (5) zur Zuführung von elektrischem Strom
zur Läuferwicklung (4),
dadurch gekennzeichnet, daß der Schleif
ring (5) als Lüfter ausgebildet ist.
2. Läufer (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schleif
ring (5) als axialer Lüfter ausgebildet ist, so daß mit dem
Schleifring (5) ein koaxial zur Achse (2) strömender Gasstrom
(6) erzeugbar ist.
3. Läufer (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß ein bezüglich
der Achse (2) von dem Schleifring (5) axial in einem Schleif
ringabstand (7) beabstandeter und ebenfalls als Lüfter ausge
bildeter Nachbarschleifring (8) vorgesehen ist, durch den ein
koaxial zur Achse (2) strömender Nachbargasstrom (9) so er
zeugbar ist, daß der Gasstrom (6) in Richtung auf den Nach
barschleifring (8) und der Nachbargasstrom (9) in Richtung
auf den Schleifring (5) strömt.
4. Läufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schleif
ring (5) eine hohlzylinderförmige Nabe (10), einen hohlzylin
derförmigen, die Nabe (10) konzentrisch umgebenden Außenring
(11) und zwischen Nabe (10) und Außenring (11) angeordnete
Lüfterelemente (12) aufweist.
5. Läufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine die
Läuferwicklung (4) tragende Läuferwelle (13) vorgesehen ist,
auf der der Schleifring (5) aufgebracht ist.
6. Läufer (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schleif
ring (5) an einem freitragenden Ende (14) der Läuferwelle
(13) angeordnet ist.
7. Läufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schleif
ring (5) geschweißt ist.
8. Läufer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schleif
ring (5) gegossen ist.
9. Verwendung eines Läufers (1) nach einem der vorgehenden
Ansprüche in einem Generator (3), insbesondere in einem Tur
bogenerator (3) mit einer Leistung von 100 MVA bis 500 MVA.
10. Verfahren zur Kühlung eines Schleifringes (5) auf einem
rotierenden Läufer (1) einer elektrischen Maschine (3), wobei
der Läufer (1) eine Läuferwicklung (4) umfaßt und wobei elek
trischer Strom über den Schleifring (5) zur Läuferwicklung
(4) geführt wird und wobei mit dem Schleifring (5) ein Gas
strom durch den Schleifring (5) erzeugt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998107708 DE19807708A1 (de) | 1998-02-24 | 1998-02-24 | Läufer und Verfahren zur Kühlung eines Schleifrings |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998107708 DE19807708A1 (de) | 1998-02-24 | 1998-02-24 | Läufer und Verfahren zur Kühlung eines Schleifrings |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19807708A1 true DE19807708A1 (de) | 1999-08-05 |
Family
ID=7858738
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1998107708 Ceased DE19807708A1 (de) | 1998-02-24 | 1998-02-24 | Läufer und Verfahren zur Kühlung eines Schleifrings |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19807708A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102012206898A1 (de) | 2012-04-26 | 2013-10-31 | Robert Bosch Gmbh | Elektrische Maschine |
EP4030595A1 (de) * | 2021-01-18 | 2022-07-20 | Flender GmbH | Dynamoelektrische maschine mit kühlung des schleifringsystems |
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1998
- 1998-02-24 DE DE1998107708 patent/DE19807708A1/de not_active Ceased
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