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Axial kompakter Außenläufermotor
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Die Erfindung betrifft einen axial kompakten Außenläufermotor mit
einem Kurzschlußkäfigrotor, insbesondere zum koaxialen Antrieb eines Ventilatorlaufrades,
bei dem der Boden des glockenartig ausgebildeten Rotors ein schalenartiges Teil
aufweist, insbesondere nach der deutschen Patentanmeldung P 25 55 671.2.
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Bei den Ausführungsbispielen nach der Stammanmeldung wird der Boden
der Rotorglocke auf den einen Kurzschlußring des Außenkäfig-Rotors aufgepreßt oder
auf ihm durch Verformungen an mehreren Stellen des Umfanges gehalten. Diese Befestigung
ist jedoch, insbesondere wenn der Kurzschlußring (am Boden der Rotorglocke) eine
kleine axiale Höhe hat, unsicher. Wenn man den Rand dieser Bodenschale am Rotorblechpaket
stirnseitig anschweißen würde, wäre diese Halterung jedoch auch nicht zuverlässig,
weil die Schweißzone nur im Bereich des ersten oder der ersten wenigen Rotorbleche
läge. Andererseits wäre die Befestigung dieser Bodenschale am Rotorblechpaket des
Außenrotorgehäuses an sich jedoch vorteilhaft, weil der Rotor maschinell bearbeitet
und zu vor über die Flächen des Rotorblechpaketes aufgespannt wird, also vor der
maschinellen Bearbeitung oder zur maschinellen Bearbeitung an den Eisenblechpaketflächen
des Rotors aufgenommen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter weiterer axialer Verkürzung
des antreibenden Motors, unabhängig von der axialen Dicke des zugehörigen Kurzschlußringes
der Rotorkäfigwicklung eine sichere Verbindung dieser Bodenschale mit dem Außenrotor
und gleichzeitig eine Verbesserung der motorischen Eigenschaften des Elektromotors
zu erreichen.
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Dies wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen
erreicht, wozu in den Unteransprüchen vorteilhafte
Weiterbildungen
angegeben sind.
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Wenn die Schale den Kurzschlußring außen umgreift, ist der Leiterquerschnitt
der Käfigwicklung im Bereich der (radial weiter innen liegenden) Nuten des Außenrotors
praktisch unbeengt und dieser Kurzschlußring kann dann axial so klein gemacht werden,
wie von der motorischen Seite her zulässig. Die an den Wurzeln der Schaufeln befindlichen
Schweißraupen, die sich an der zylindrischen Außenfläche quer über die Blechlamellen
ziehen, verbinden nun das Rotorblechpaket und machen es zu einem sehr kompakten
Körper, so daß die Anschweißung des schalenartigen Teils (Rotorboden) am letzten
Blech des Paketes nicht mehr problematisch ist, insbesondere, wenn man dafür sorgt,
daß die Schweißraupen an den Schaufelwurzeln in diesem Endbereich des Rotorblechpaketes
zuverlässig bis zum Ende des Blechpaketes auslaufen.
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Aus der DT-PS 16 28 349 ist das unmittelbare Aufschweißen von Lüfterflügeln
auf das Rotorblechpaket eines antreibenden Ventilatormotors bekannt. Weiterbildende
Versuche jenes Erfindungsgegenstandes haben ergeben, daß solche Schweißraupen an
der zylindrischen Außenfläche von Außenkäfigrotoren den Rotor nicht motorisch schlechter,
sondern überraschenderweise besser machen, was im Detail schwierig zu erklären ist.
Messungen haben ergeben, daß Verbesserungen in der Größenordnung von 10% des Drehmomentes
im Betriebspunkt bei üblicher Bestückung axialer Kleinventilatoren, d.h. bei 3 -
11 Schaufeln und einem Laufraddurchmesser zwischen 80 und 200 mm, erwartet werden
können, so daß dieses unmittelbare Aufschweißen der Lüfterschaufeln neben einer
verbesserten Wärmeabfuhr auch eine Verbesserung der Motoreigenschaft bringt und
und gleichzeitig die einwandfreie Verbindung der Bodenschale der Rotorglocke, wie
oben geschildert, ermöglicht Es wird zur Vervollständigung der Offenbarung und auch
zur Beschreibung von Weiterbildungen vorliegender Erfindung ausdrücklich auf die
Patentanmeldung P 25 55 671.2 Bezug genommen, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Das Aufschweißen von Ventilatorschaufeln unmittelbar auf das Blechpaket
des Außenrotors nach der deutschen Patentschrift 16 28 349 geschieht vorteilhafterweise
mit einem Kurzzeitschweißverfahren, insbesondere mit dem sogenannten Impulsschweißverfahren,
das sich die Entladung der in einem Kondensator gespeicherten Energie durch einen
hohen Stromstoß in der Größenordnung von loo ooo Amp. in der zeitlichen Größenordnung
von Millisekunden zunutze macht. In gleicher Weise kann auch die vorzugsweise ferromagnetische
Bodenschale der Rotorglocke stirnseitig auf das Blechpaket aufgeschweißt werden,
und zwar indem der Strom koaxial im Innern der Rotorglocke zu und im Sinne niedriger
Zuleitungsinduktivität koaxial zurückgeführt wird. Die Druckregelung auf die Schweißstellen
kann durch Einspannen des Rotorblechpaketes und axiale Druckausübung auf die Stirnseite
der äußeren Schalenoberfläche unabhängig davon erfolgen.
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Damit die Schweißraupen im axialen Endbereich des Rotorblechpaketes
am Ende, wo die Schale aufsitzen soll, sicher vorhanden sind, werden dort die Wurzel
kanten der Flügelschaufeln mit einem vorzugsweise angestanzten Vorsprung versehen,
der beim Impulsaufschweißen der Flügelschaufeln aufs Rotorblechpaket zuerst erweicht
und dort mit Sicherheit eine Schweißverbindung und relativ kräftige Schweißraupe
ergibt. In entsprechender Weise werden umfangsmäßig am Rand der Schale des Rotorbodens
einige Vorsprünge vorgesehen, damit die Stromaufteilung auf den Umfang der ringförmigen
Schweißzone einigermaßen gleichmäßig geschieht. Ein spitz auslaufender Rand der
Schale wäre im Sinne von Einsparung an Schweißkapazität (kleinerer Kondensator,
d.h. kleinere Schweißanlage) zu begrüßen.
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Die Kombination von bei dem: Umfangsmäßig gleich verteilte Vorsprünge
am Rand der Schale und am axialen Ende deren spitz auslaufender Umfangsrand würde
also dafür sorgen, daß der Strom koaxial gleichmäßig
verteilt wird
und daß man mit einer kleineren Schweißanlage auskommt.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Motorwelle
auf die geschlossene Bodenschale des Außenrotors zentrisch und stumpf, vorzugsweise
mit dem genannten Impulsschweißverfahren, aufzuschweißen. Insbesondere bei kleiner
werdendem Rotordurchmesser könnten beide Schweißungen in einem Schweißtakt geschehen,
indem man den Schweißstrom über beide Schweißstellen hintereinander schickt, indem
man - wiederum bei koaxialer Strom-Zu- und Rückführung - den Strom erdi zentrale
autllenende Motorwelle zuführt, über seine z.B. stumpf /Kontaktfläche in die Bodenplatte
der Schale einleitet, an deren Rand dann den Strom nochmals schweißend zur Befestigung
am Rotorblechpaket wirken läßt und den Strom wiederum im Bereich der Endbleche des
Rotorblechpaketes (auf der Seite der Schweißstelle) radial innen ableitet. In diesem
Fall kann der magnetische Kreis praktisch noch als Luftinduktivitat gelten, mit
entsprechend geringer Induktivität. Eine konkave Gestaltung der stumpf aufsitzenden
Stirnfläche der Welle an der Bodenfläche wird in Verbindung mit den obengenannten
Vorsprüngen bzw. der spitz auflaufenden Umfangskante der Schale, je nach Kondensatorkapazität
der Schweißanlage, noch eine ausreichend kleine Induktivität darstellen.
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In diesem Fall müßte natürlich eine Isolation zwischen Kurzschlußring
und Schale bestehen, z.B. durch Luftabstand oder z.B. durch Eloxieren des Kurzschlußringes.
Die zylindrische Außenfläche der Schale fluchtet vorzugsweise mit der zylindrischen
Außenfläche des Rotorblechpaketes. Dann kann die Schweißung entlang der Flügelwurzel
über das Blechpaket hinaus auch in den Bereich der Schale noch fortgesetzt werden,
so die Stabilität des Rotors zusätzlich erhöhend. Dies erreicht man durch einen
kleinen Vorsprung am aufzuschweißenden Schaufelblatt (z.B. aus Stahlblech gestanzt)
dort, wo man zuverlässig eine Schweißstelle will.
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Insbesondere bei zweipoligen Motoren kann die Rotorschale, wenn sie
ferromagnetisch ist, eine zusätzliche Flußentlastung und von da her eine weitere
motorische Verstärkung des Rotors bringen.
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Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
eines Axialventilators und ein vorteilhaft weitergebildetes Detail.
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Im Einzelnen: Der Querschnitt des in Fig. 1 dargestellten Lüfters
ist zur strichpunktiert eingezeichneten Rotorachse 1 spiegelsymmetrisch. Der Spaltpolaußenläufermotor
2 besteht aus dem Stator 3 und dem Rotor 4. Auf den Umfang von Rotor 4 sind Lüfterflügel
5 gesetzt, die in einem Strömungskanal 6 umlaufen, der von einem zum Gehäuse gehörigen
Rohrstück 7 umgeben ist. Das kreisrunde, nach Art einer Venturi-Düse eingeschnürte
Rohrstück 7 erstreckt sich zwischen zwei quadratischen Flanschen 8, 9, die an ihren
Ecken 10, 11 Durchbrüche 56, 57 zur Befestigung des Einbaulüfters aufweisen. Von
dem rückwärtigen Flansch 8 gehen auf den Umfang verteilte radiale Speichen aus,
die sich über den Strömungskanal 6 bis an einen Gehäusering 12 erstrecken. Eine
dieser Speichen, die nicht in der Schnittebene der Fig. 1 liegt, ist in Fig. 1 in
der Ansicht sichtbar und mit 13 bezeichnet.
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Der Gehäusering 12 erstreckt sich umfangsmäßig über den axialen Querschnitt
des Rotorblechpaketes 14 und bildet einen Teil der rückwärtigen Abdeckung des Spaltpolmotors
2. Auf der dem Rotorblechpaket 14 zugekehrten Seite ist am Gehäusering 12 eine Flanschscheibe
15 unter metallischem Kontakt durch Vernieten befestigt.
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Das Gehäuse, das aus dem Rohrstück 7, den Speichen 13 und dem Gehäusering
12 besteht, ist ein Spritzgußteil aus einer Aluminium-oder hagnesiumlegierung, und
die Flanschscheibe 15 ist ein Stanzteil aus Eisenblech.
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Die Flanschscheibe 15 ist in ein Gußstück 20 eingegossen, so daß nur
noch der äußere Teil des Ringes 16 - der Flanschaußenrand 60 -aus dem Gußstück herausragt.
Das Gußstück besteht aus auch kalt verarbeitbarem, elektrisch isolierendem Kunststoff,
z.B.
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Gießharz, der von tiefen Temperaturen bis zur äußersten Betriebstemperatur
des Motors, das ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel eine Temperatur von 1200
C, (393 k) htrt ist.
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Der Kunststoff i.st um die Statorwicklung des zweipoligen Spaltpolmotors
2 herumgegossen, so daß die Statorspulen 21, 41 vollständig in das Gußstück eingeschlossen
sind, deren rückseitige Wicklungsköpfe mit 22, 42 und deren vorderseitige Wicklungsköpfe
mit 23, 43 bezeichnet sind. Die beiden rückseitigen Wicklungsköpfe 22, 42 ragen
durch die zwischen den Ringen 16, 17 einerseits und den Speichen 18 und 19 andererseits
freigelassenen Aussparungen 24, 25 hindurch. Die Flanschscheibe 15 liegt axial um
etwa 1/5 der axialen Höhe 39 der rückseitigen Wicklungsköpfe 22, 42 von deren Stirnfläche
zur Vorderseite versetzt und zwar ringsherum mit einem Abstand von den Wicklungsköpfen
42, 22,der unter Berücksichtigung erforderlicher Fertigungstoleranzen so eng bemessen
ist, daß er gerade ausreicht für die erforderliche elektrische Isolation. Die Flanschscheibe
15 ist, da sie aus Metallbesteht, ein guter Wärmeleiter und dient auch dazu, die
Verlustwärme aus den Statorspu-len 21, 41 abzuleiten an den aus Metall bestehenden
Gehäusering 12 und von da über die ebenfalls aus Metall beStehenden Teile 13, 7,
8 und 9, die der von den Lüfterflügeln angetriebenen Luftströmung ausgesetzt sind.
Die Speichen 18 und 19 der eingegossenen Flanschscheibe erstrecken sich gegen über
der Mitte der in der Zeichnung nicht sichtbaren Nutschächte des Statorblechpaketes
27, also zwischen den Wicklungsköpfen 22, 42.
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Die rückwärtige Abschlußfläche 26 des Gußstückes 20 erstreckt sich
über den ganzen axialen Querschnitt des Statorblechpaketes 27 und fluchtet mit der
rückwärtigen Abschlußfläche 28 des Gehäuseringes 12 und der rückwärtigen Abschlußfläche
29 einer Kappe 30, die das innerhalb eines Lagerrohres -31 untergebrachte Rotorlager
32 abdeckt. Auf die rückwärtigen Abschlußflächen 26, 29 ist eine dünne Schutzabdeckung
40 geklebt, die keinerlei tragende Funktion hat und deshalb auch sehr dünn ausgebildet
sein kann. Diese Schutzabdeckung ist nicht unbedingt erforderlich, kann also in
Fortfall geraten oder z.B. durch eine aufgestrichene Lackschicht ersetzt werden.
Das Halbfertigteil, bestehend aus Statorblechpaket 27 und #agerrohr#31, ist im Wirbelsinterverfahren
auf beiden Seiten mit je einer dünnen, elektrisch-isolierenden Kunststoffschicht
47, 48 beschichtet.
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Auf das freie, aus dem Lagerrohr 31 herausragende Ende der Rotorwelle
33 ist über eine Buchse 62 eine Kappe 34 gesetzt, die Teil des Rotors 4 ist.
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Die durch den Doppelpfeil 37 angezeigte axiale Bauhöhe des Einbaulüfters
ist minimal und gegeben durch die axiale Bauhöhe des Spaltpolmotors 2, die aufgrund
der Erfindung minimal ist. Zwischen der rückseitigen Abschlußfläche 26 und den rückwärtigen
Wicklungsköpfen 22, 42 ist eine schmale Kunststoffschicht 46 des Gußstücks 20 vorgesehen,
deren axiale Stärke unter Berücksichtigung erforderlicher Fertigungstoleranzen so
eng bemessen ist, daß sie gerade ausreicht für die erforderliche elektrische Isolation.
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Auch die vorderseitigen Wicklungsköpfe 23, 43 sind durch eine Schicht
35 des Gußstückes 20 gegen die Kappe 34 abgedeckt. Die axiale Höhe dieser Schicht
35 ist so eng bemessen, daß sie unter Berücksichtigung erforderlicher Fertigungstoleranzen
in Verbindung mit dem Luftspalt 36 gerade ausreicht für die erforderliche elektrische
Isolation. Die axiale Höhe des Luftspaltes 36 ist so gering gewählt, daß der Rotor
mit den erforderlichen Toleranzen den Stator gerade nicht berührE. Mit 49 und So
sind Kurzschlußringe des Rotors bezeichnet.
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Die aus Stahlblech gestanzten Schaufeln 5 der F i g u r 1 sind mit
ihrer überwiegend axial verlaufenden Wurzel (rotorseitigen Kante) 77 quer über die
Bleche des Rotors 14 auf diese aufgeschweißt, wenigstens im Endbereich der Bleche
jeweils eine(bei Verwendung des Impulsschweißverfahrens dünne) Schweißraupe bildend.
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Die Schweißraupe 78 auf dem Blechpaket 14 z.B. entsteht zuverlässig
dadurch, daß Vorsprünge in der Größe weniger Quadratmillimeter an die Schaufel 5
dort angestanzt sind.
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Der Kurzschlußring 50 hat um sich einen Isolationsabstand zum Schalenteil
34. Bei der Aufschweißung des Teils 34 auf das Rotorpaket 14 würde die Stromeinleitung
in die Bodenfläche des Teils 34 radial möglichst dicht unter dem Kurzschlußring
50 erfolgen, die Ableitung am Innenumfang des Rotorblechpaketes 14, radial innen
gegenüber der Schweißstelle 78.
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F i g u r 2 zeigt einige erfinderische A#usgestaltungen der Rotorbodenkappe
34 der Figur 1; alle Teile der F i g u r 2, die ähnlich wie die der Figur 1 sind,
haben eine um 100 vermehrte Zahl zur Bezeichnung.
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Das auch vorteilhafterweise als Feinguß- oder als Gesenkschmiedeteil
ausbildbare schalenartige Teil 134 (Rotorboden) hat einen axial scharf auslaufenden
äußeren umlaufenden Rand 136, welcher wie bei Teil 34 in Figur 1 auf das Statorblechpaket
14, auf dessen radialer Stirnseite nahe dessen Außenwand aufgeschweißt werden soll.
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noch re Eine/vorteilhafte/Weiterbildung ist in F i g u r 2 gestrichelt
eingezeichnet. Der Rand 136 bleibt nur an schmalen Stellen 137 übrig. Breitere Ausnehmungen
138 reduzieren den Querschnitt und das Volumen der Schweißverbindungsstelle(n).
Das bedeutet weniger Schweißenergie und sicherere Verteilung derselben auf den Umfang
136. Ferner zeigt dies Schalenteil 134 eine koaxial mit der Achse 108 stumpf aufgeschweißte
Rotorwelle 133 mit einer
konkaven Vertiefung 181 an der Stirnseite,
wodurch die im Impulsschweißverfahren aufgesetzt Welle 133 eine kleinflächige Ringschweißzone
182 aufweist.
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Bei dem in Fig. 3 ausschnittsweise dargestellten Ausführungsbeispiel
schließt das Gußstück 220 nicht die ganze Wicklung ein.
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Es bleiben vielmehr Stirnteile der vorderen Wicklungsköpfe 223 ...
frei, also diejenigen Seiten der Wicklungsköpfe, die der Kappe 234 direkt gegenüberliegen.f
diese Weise wird der axiale Platzbedarf für die Schicht 35 aus Fig. 1 eingespart.
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Zum Zwecke der Isolierung ist die Kappe 234 mit einer dünnen Isolierstoff-Folie
252 hinterlegt, die, da sie sich in der Praxis dünner ausführen läßt als die Schicht
35, weniger axialen Platzbedarf erfordert als die Schicht 35. Man kann also gem.
Fig. 3 auch unter Berücksichtigung der erforderlichen Breite des Luftspaltes 236
die erforderliche elektrische Isolierung zwischen den Wicklungsköpfen 223 ... und
der Kappe 234 mit geringerem axialem Platzbedarf erzielen als gem. fig.1 Der Entfall
der Schicht 35 bedeutet e-ine Verbesserung der Wärmeabfuhr aus dem Wickel kopf 223,
da die Luft-und damit die Wärmeabfuhr durch Konve-ktion direkt vom Wickel kopf ohne
die relativ dicke isolierende Schicht 35 ausgeht. Die dann notwendigen größeren
Kriechstromabstände auf der Oberfläche der Folie 252 lassen sich konstruktiv, doch
trotzdem gut einhalten. Man kann die Folie 252 radial außen zwischen die Teile 234
und 2So, innen zwischen 234 und die Buchse 262 jeweils hineinragen lassen.
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Wird die Folie 252 beim normalen Fertigungsorgang in dieser Lage einfach
miteingeklemmt, muß man sie nicht extra ankleben. Wenn man das Gußstück 220 bei
den axial vorder'# Wickel köpfen 223 von den Isolationsvorschriften her weglassen
Kante, wäre das für die Wärmeabfuhr aus der Wicklung noch besser. Ob man das kann,
hängt aber von der speziellen Konstruktiorl jeweils ab.
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Abgesehen von den erwähnten Unterschieden ist das Ausführungsbeispiel
gemäß F i g u r 3 -genauso ausgeführt wie das aus Figur L Einander entsprechende
Teile sind in F i g u r 3 mit den gleichen Bezugsziffern wie in Figur 1,vermehrt
um 200 bezeichnet.
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Die schmalen Vorsprünge 137 am Rand des Schalenteils 134 in F i g
u r 2 werden vorteilhafterweise mit den Schweißraupen 78, d.h. axial in Bezug auf
ihre Position am Umfang ausgerichtet.
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Der axial spitz auslaufende Rand 136, bezw. von 137 kann (schweißtechnisch
besser) durch ein radial abgestuftes Ende ersetzt werden. Das axial äußere Ende
des Randes des Teils 134 ist radial stark verdünnt. Sein stark reduzierter Querschnitt
(gegenüber der vollen Wandstärke) ist dabei jedoch etwa (d#h. mindestens)im axialen
Einschmelzbereich der Schweißstelle(n) konstant.
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Die Erfindung erlaubt, axial äußerst kompakte Außenläufermotoren sehr
wirtschaftlich zu fertigen. Die Schweißraupen (Schweißstellen) der aufgeschweißten
Ventilatorschaufeln können wie gesagt ohne Nachteil durch andere metallische Schweißstellen
an den entsprechenden Stellen ersetzt werden.