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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Motorpumpenaggregat, dessen
elektrischer Induktionsmotor einen Stator umfaßt sowie einen im
Inneren eines Luftspaltrohres unter Abdichtung an einem Gehäuse des
Pumpenrotors freitragend angeordneten Rotor, wobei ein vorderes Lager
dem Rotor des Elektromotors und dem Pumpenrotor gemeinsam ist und
der Stator in einer isolierenden Hülle eingekapselt ist, die über dem
Magnetkreis und den Wicklungswindungen des Motors geschlossen und
über dem gesamten Luftspaltquerschnitt zur Aufnahme des in dem
Luftspaltrohr untergebrachten Rotors offen ist.
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Die elektrischen Induktionsmotoren sind die Elektromotoren, die bei
weitem am einfachsten zu konstruieren sind und den besten
Wirkungsgrad aufweisen, wenn sie bei Gleichstrom bei normaler Geschwindigkeit
in Betrieb sind, d.h., wenn die Geschwindigkeit nicht zu weit von dem
Bereich entfernt ist, bei dem Synchronisation mit der Frequenz ihres
elektrischen Stromversorgungsnetzes besteht. Der Magnetkreis des
Stators besteht im allgemeinen aus einem Stapel von Blechen, die aus
demselben magnetischen Ausgangsblech geschnitten wurden, so daß ein
kompletter Motor entsteht, dessen Rotor im Prinzip jeder Überhitzung
standhält, da sein Stromkreis als Käfigwicklung aus Kupfer- oder
Aluminiumstäben gebildet wird, die mit den nicht isolierten Rotorblechen
direkt in Kontakt stehen. Der Statorkreis, der die Netzspannung in
mehreren gegeneinander isolierten Spulen aufnimmt, ist dagegen viel
anfälliger und unhandlicher, da er bei den meisten Anwendungen den
Rotor umgibt, und die Notwendigkeit, ihn zu ersetzen, tritt viel häufiger
auf als beim Rotor, der häufiger Probleme mit den Wälzlagern aufweist.
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Das Patent FR-A-806 908 beschreibt einen versenkten Elektromotor, der
insbesondere für Tiefbrunnenpumpen vorgesehen ist und dessen
Statorwicklungen unter Abdichtung in einem rohrförmigen System
angeordnet sind, das an beiden Enden angeflanscht ist und eine rohrförmige
Umhüllung eines Teiles bildet, das durch Formguß oder - ohne vorherige
Bearbeitung - durch direkte Einspritzung eines Kunststoffes wie Bakelit
in den Stator erzeugt wird, wobei der Kunststoff bei der Aushärtung die
endgültige Form einer rohrförmigen Umhüllung annimmt.
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Nach einer aus US-A-2 385 385 bekannten ähnlichen Ausführungsform
weist ein gegen Flüssigkeiten abgedichteter Stator eines Elektromotors
eine Statorwicklung auf, die vollständig in einem verformbaren Material
vom Typ "Catalin" eingekapselt ist und die zusätzliche elektrische
Isolierung dieser Wicklung und ihre vollständige Isolierung gegen Wasser
und andere Flüssigkeiten gewährleistet. Dieser Stator ist aber nicht auf
ein Luftspaltrohr aufgeschoben, wie es bei der Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
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Außerdem ist aus der Patentschrift FR-A-1 271 861 ein Pumpenaggregat
mit Elektromotor bekannt, bei dem das Gehäuse des Elektromotors mit
einer Einheit aus dem fest mit dem hinteren Lager verbundenen
Luftspaltrohr und einem Verschlußteil verbunden ist, "wobei dieses einfach
über ihn gelegt und mit einer Mutter befestigt wird." Auf diese Weise
wird das Gehäuse des Motors axial mit der Mutter auf dem Deckel
angezogen.
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Diese Elektromotoren aus dem Stand der Technik haben den Nachteil,
daß der schnelle und sichere Austausch des Stators des Elektromotors in
frei drehbarer und ausrichtbarer Weise nicht möglich ist, obwohl doch
der Stator das für einen Ausfall, eine Störung oder Abnutzung anfälligste
Teil in einem Motorpumpenaggregat ist.
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Die vorliegende Erfindung hat ein Motorpumpenaggregat zum Ziel,
dessen Stator des elektrischen Induktionsmotors leicht ausgetauscht
werden kann, und zwar unabhängig von seinem Rotor, der mit dem
Pumpenrotor verbunden ist und durch eine dichte Wand vollständig
vom Stator isoliert ist. Der Stator des Motorpumpenaggregats nach der
vorliegenden Erfindung muß aufgrund seiner Ausbaufähigkeit leicht
sein sowie einfach und wirtschaftlich herzustellen und dabei gleichzeitig
die außergewöhnlichen Eigenschaften der Kompaktheit, elektrischen
Isolierung und Dichtigkeit aufweisen.
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Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß die isolierende Hülle auf den
Magnetkreis angeformt und umfaßt an jeder der Endflächen des Stators
mindestens eine zum Luftspalt konzentrische Hülse, welche die
Spulenköpfe oder Spulenenden umgibt und mit einer isolierenden Endhaube
zusammenwirkt, die auf dieser/diesen Hülse/n zur Einkapselung der
Spulenköpfe montiert ist, wobei der Stator unter Anlage seiner
Luftspaltfläche
auf dem Luftspaltrohr und Anlage durch die Haube und/oder die
vordere isolierende Endhülse am Gehäuse des Pumpenrotors auf dem
Luftspaltrohr abnehmbar aufgeschoben ist, wogegen die hintere
isolierende Endhaube einen Flansch aufweist, der sich an einem mit dem
Luftspaltrohr fest verbundenen Bock des hinteren Rotorlagers abstützt. Der
Elektromotor des erfindungsgemäßen Motorpumpenaggregats ist nicht
mehr als eine Gesamtheit, bestehend aus einem Rotor, der sich in einem
Stator befindet, der seinerseits in einem Gehäuse oder einer Hülle
untergebracht ist, anzusehen, sondern vielmehr als ein nach Bedarf und nach
besonderen Positionierungswünschen realisierter Einbau eines Stators,
der einen bereits vorhandenen und schwer ausbaubaren Rotor (der nur
bei einer Abnutzung des mechanischen drehenden Teils, das vom Rotor
in Rotation versetzt wird, zu ersetzen ist) antreibt.
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Nach einer weiteren Ausführungsform stützt sich die isolierende
Endhaube mit Hilfe einer ringförmigen Dichtung auf den Bock, während die
Hülse und/oder die vordere isolierende Haube unter Abdichtung auf das
Gehäuse des Pumpenrotors in der Weise angeflanscht ist, daß der
Statorkreis nach außen isoliert ist. Ein abnehrnbares Verschlußteil der
hinteren Kammer der Welle des Elektromotors, die mit dem
Flüssigkeitskreis der Pumpe in Verbindung steht, ist auf den Bock des hinteren
Lagers aufgeschraubt und stützt sich zur Abdichtung auf die ringförmige
Dichtung, die der dichten Abstützung der hinteren isolierenden Haube
am Lagerbock dient.
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Nach einer weiteren, noch einfacheren Ausführungsform liegt die Hülse
oder die vordere isolierende Endhaube reibschlüssig an einer
ringförmigen Elastomerschicht an, die im Inneren eines fest mit dem
Pumpengehäuse verbundenen Halterings vorgesehen ist, dergestalt, daß an
der Stirnfläche des Pumpengehäuses eine dichte Verbindung und der
reibschlüssige Halt des in Drehung frei ausrichtbaren Stators vor seiner
Anlage am genannten Pumpengehäuse zustande kommen. Dabei gehen
die Verbindungsdrähte der Wicklungen des Stators zu einer externen
Stromversorgung durch wenigstens eine der Hülsen oder Endhauben.
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Nach einer noch kompakteren Ausführungsform ist wenigstens eine der
isolierenden Endhülsen mit einem isolierenden Gehäuse verbunden, das
das Joch des Magnetkreises von außen umschließt und einen
Anschlußkasten an das elektrischen Netz und/oder an einen Regelnetz des
Elektromotors trägt.
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Somit betrifft die Erfindung ein Motorpumpenaggregat, das einen Stator
und einen Rotor eines Elektromotors umfaßt, der freitragend unter
Abdichtung im Inneren eines Luftspaltrohres an einem Gehäuse des
Pumpenrotors angeordnet ist, wobei ein vorderes Lager dem Rotor des
Elektromotors und dem Pumpenrotor gemeinsam ist. Bei einem solchen
Motorpumpenaggregat ist der Stator auf das Luftspaltrohr des Rotors
abnehmbar aufgeschoben, indem er mittels der ersten isolierenden
Endhaube an dem Gehäuse des Pumpenrotors angeflanscht ist oder anliegt,
während sich die zweite isolierende Endhaube an einem fest mit dem
Luftspaltrohr verbundenen Bock des hinteren Rotorlagers abstützt. Die
zweite Haube stützt sich mittels einer ringförmigen Dichtung auf den
hinteren Lagerbock, während die erste isolierende Haube unter
Abdichtung an das Gehäuse des Pumpenrotors in der Weise angeflanscht (am
Ende befestigt) ist, daß der Statorkreis nach außen isoliert ist.
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Die nachstehende Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
ist als Einzelbeispiel und keineswegs einschränkend anzusehen und soll
anhand der beigefügten Abbildung weitere Ziele, Vorteile und Merkmale
der Erfindung aufzeigen:
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- Abbildung 1 stellt im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen
Elektromotor dar, der an einem Motorpumpenaggregat mit
Luftspaltrohr anliegt
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- Abbildung 2 stellt - ebenfalls im Längsschnitt und in kleinerem
Maßstab - das Motorpumpenaggregat der Abbildung 1 im Moment
der Trennung von Stator und Rotor des Elektromotors dar
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- Abbildung 3 stellt im Längsschnitt und als Teilansicht eine andere
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stators dar.
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In Abbildung 1 wurde ein Pumpengehäuse 1 dargestellt, in das ein
Pumpenrotor 2 montiert ist, der fest mit einer Welle 3 verbunden ist, die dem
Pumpenrotor 2 und dem Rotor 4 des Elektromotors gemeinsam ist. Die
Welle 3 wird hier von zwei Gleitlagern aus Graphit getragen: ein
vorderes Lager 5, das von einem vorderen Flansch 6 aus rostfreiem Stahlblech
getragen wird, und einem hinteren Lager 7. Der vordere Flansch 6, der
dem Druck der Flüssigkeit widerstehen muß, die von der Pumpe in
Umlauf gebracht wird, ist in doppelter Stärke ausgeführt und weist eine
ringförmige Außenplatte 8 auf, die fest mit einem dünnen Luftspaltrohr
9 aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise aus rostfreiem Stahl,
verbunden ist. Das Luftspaltrohr 9 fügt sich hinten an eine dickere Hülse
an, die das hintere Lager 7 trägt, und weist einen Außenrand 11 mit
Innengewinde zur Aufnahme eines Verschlußteils 12 der
Wellenkammer 13 auf, die mit dem Ansaugteil der Pumpe für den Rückfluß der
durch die Lager und den Luftspalt zirkulierenden Flüssigkeitsmengen
verbunden ist.
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Der vordere Flansch 6 und die ringförmige Platte 8 sind - wobei eine
ringförmige Dichtung 14 zwischen beide eingesetzt wird - auf einer offenen
Fläche 15 des Gehäuses 1 unter Abdichtung fest angezogen montiert, um
die große Öffnung 16 dieser Fläche 15 zu verschließen. Die Montage des
vorderen Flansches 6 erfolgt in der Weise, daß eine flache ringförmige
Dichtung 17 zwischen eine entsprechende Öffnung der Fläche 15 und den
flachen Außenrand dieses Flansches eingesetzt wird, während die
ringförmige Platte 8 von einem Haltering 18 gehalten wird, der auf der Fläche
15 mit einem beliebigen Mittel befestigt wird, beispielsweise mit nicht
dargestellten Schrauben, so daß die Außenkante des Flansches 6 auf der
flachen ringförmigen Dichtung 17 anliegt. Nach einer für die vorliegende
Erfindung spezifischen Anordnung ist der Haltering 18 auf seiner
vorderen Innenfläche, die auf den Stator 20 des Elektromotors gerichtet ist, mit
einer Elastomerschicht 19 überzogen, die sehr stark an dem Material des
Rings 18 haftet.
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Das Verschlußteil 12, das in die Innenkante 11 der Hülse 10 geschraubt ist,
liegt mit Hilfe eines ringförmigen Einsatzes 21 dicht an einer
Elastomerhaube 22 an.
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Ein axialer Lageranschlag 23 ist zwischen den Rotor 4 des Elektromotors
und das vordere Lager 5 eingesetzt, wobei die aus dem Pumpenrotor 2
und dem Rotor 4 gebildete Einheit normalerweise durch den Axialschub
des Pumpenrotors 2 an den Anschlag auf dem vorderen Lager 5
zurückgestoßen wird. Für die Flüssigkeitszirkulation wird zwischen der
Überdruckseite der Pumpe und der Wellenkammer 13 über einen in dem
Flansch 6 vorgesehenen Durchlaß 24, für den ringförmigen
Luftspaltdurchlaß zwischen dem Rotor 4 und dem Luftspaltrohr 9 und für die
Peripheriedurchlässe 25 zwischen dem hinteren Lager 7 und der Hülse 10
eine Verbindung hergestellt. Die zu der Wellenkammer 13 geleitete
Flüssigkeit kehrt über einen zentralen Durchlaß 26 der Welle 3 und des
Rotors 2 zum Ansaugteil der Pumpe zurück.
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Die aus Pumpengehäuse und Rotor bestehende Einheit, die auf der
linken Seite in Abbildung 2 dargestellt ist, ist dicht und mechanisch stabil,
denn die Lager 5 und 7 des Rotors werden von dem vorderen Flansch 6
bzw. dem Luftspaltrohr 9 getragen, das mit der ringförmigen Platte 8
verbunden ist, wobei die beiden Flanschelemente mit ihrer Peripherie
starr auf der Fläche 15 der Öffnung 16 des Pumpengehäuses befestigt sind.
Um in Rotation versetzt zu werden, muß der Rotor 4 einem von einem
Stator des Induktionsmotors erzeugten, sich drehenden Magnetfeld
ausgesetzt werden.
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Der Stator 20, der im rechten Teil der Abbildung 2 getrennt dargestellt ist,
besteht aus einem Stapel 31 dünner, aufeinandergeschichteter
Magnetbleche mit Längseinkerbungen 32, die die im wesentlichen
rechtwinkligen und aktiven Teile 33 der Wicklungswindungen aufnehmen. Die
Spulenköpfe oder -enden 34, die aus dem Magnetkreis 31 herausragen,
werden beim Einsetzen der Wicklungen in den Magnetkreis zwischen
zwei Hülsen 35 und 36 auf der einen Seite des Magnetkreises bzw. 37 und
38 auf der anderen Seite des Magnetkreises (gegenüber dem Pumpenrotor
2) untergebracht. Die Innenhülsen 36 und 38, die beispielsweise fest mit
einem Isolator der Einkerbung 39 verbunden sind (s. Abbildung 1 oben),
sind an den Bereich des Luftspalts und der Durchlässe zu den
Einkerbungen, die sie seitlich verlängern, angeformt, während die Außenhülsen 35
und 37 die Fortsetzung eines Gehäuses 40 bilden, das die äußere
Umhüllung des Magnetkreises des Stators 31 bildet.
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Nach dem Einbau der Wicklungen und ihrer eventuellen Umhüllung
(compoundage) mit einem isolierenden und aushärtenden Produkt
werden die Spulenköpfe 34 auf beiden Seiten in einem geschlossenen
isolierenden Gehäuse eingekapselt. Auf der Seite des Pumpenrotors 2
wird das isolierende Gehäuse durch die isolierenden Hülsenpaare 35
und 36 gebildet, die am Ende durch eine vordere isolierende Haube 41
geschlossen werden, die über den gesamten Luftspaltquerschnitt zur
Aufnahme des Luftspaltrohres offen ist. An der hinteren Seite, d.h., der vom
Pumpenrotor 2 ab gewandten Seite, besteht das isolierende Gehäuse aus
den isolierenden Hülsen 37 und 38, die am Ende durch eine hintere
Haube 42 geschlossen werden, die einen Flansch 43 mit indirekter
Auflage des Stators 20 auf dem hinteren Rotorlager 7 umfaßt. Der Flansch 43
stützt sich in der Tat durch eine Bohrung 50 auf die äußere zylindrische
Fläche und auf die vordere Stirnfläche der Elastomerhaube 22, wobei er
die Hülse 10 überdeckt und von der Randkante 21 des Verschlußteils 12
gehalten wird.
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Das Gehäuse aus isolierendem Material 40 des Jochs 31a des
Magnetkreises 31 (es wird davon ausgegangen, daß der Magnetkreis 31 aus einem
Teil der Einkerbungen 31b und einem Teil des Jochs 31a besteht, die
radial miteinander verbunden sind) trägt hier in einer
Monoblockausführung einen Anschlußkasten 44 zum elektrischen
Stromversorgungsnetz des Stators. Man kann in dem Kasten 44 einen Kondensator 45
unterbringen, der bei einphasigem Stromversorgungsnetz an die
Hilfsphase des Stators angeschlossen ist. Die Durchführung der
Verbindungsdrähte zwischen dem Anschlußkasten 44 und den Spulenköpfen 34
erfolgt durch die Löcher 46, die in der Hülse 37 vorgesehen sind, womit das
hintere Gehäuse der Spulenköpfe gebildet wird. Der Anschlußkasten 44
umfaßt üblicherweise Anschlußstifte oder -klemmen oder Spannschellen
für die elektrischen Drähte 47, kann aber auch Klemmen oder Stifte für
die Geschwindigkeitsregelung 48 beinhalten.
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Die Montage des Stators 20 auf den Rotorblock, der links in der
Abbildung 2 dargestellt ist, erfolgt durch einfaches Aufschieben auf das
Luftspaltrohr 9. Der konische Eintrittsteil 41a der vorderen Haube 41
ermöglicht es, die Haube 41 gut auf das Luftspaltrohr 9 zu zentrieren und die
Luftspaltbohrung des Stators 27 genau dem Rotor 4 gegenüber und in die
unmittelbare Nähe der äußeren Oberfläche des Luftspaltrohres 9 zu
bringen, wobei es an einigen Stellen zur Berührung kommen kann. In dieser
Position der axialen Ausrichtung der Luftspaltoberflächen von Stator
und Rotor und infolgedessen der Magnetkreise von Stator und Rotor
liegt die äußere Hülse 35 reibschlüssig an der Elastomerschicht 19 an, die
im Inneren des Halterings 18 vorgesehen ist. Der Kontakt zwischen der
Hülse 35 und der Elastomerschicht 19 stellt gleichzeitig zwei Funktionen
sicher: einerseits die Dichtigkeit an der Stirnfläche 15 des
Pumpengehäuses, die gegebenenfalls durch eine ringförmige Dichtung 49 ergänzt
wird, andererseits die reibschlüssige Haftung an dem Ring 18, der fest mit
dem Gehäuse 1 verbunden ist. Es ist zu bemerken, daß der Stator 20 frei
drehbar bezogen auf das Pumpengehäuse 1 ausgerichtet werden kann,
bevor er mittels der Hülse 35 im Inneren des Rings 18 zum Anliegen
kommt.
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Nach einem anderen Aspekt der Erfindung ruht der Stator 20, der mit der
vorderen äußeren Hülse 35 auf dem Ring 18 und mit seiner
Luftspaltoberfläche 27 auf dem Luftspaltrohr 9 liegt, auch auf der
Elastomerabdeckung 22 mittels der Innenbohrung 50, die die hintere Zentrierung des
Stators 20 bezogen auf das Luftspaltrohr 9 gewährleistet. Wird eine relativ
dicke Elastomerschicht unter dem Rand 21 angebracht, wäre es möglich,
die Haftung der hinteren Haube 42 mittels der Abdeckung 22 zu
gewährleisten, indem die justierte Montage der Bohrung dieser Haube auf der
Elastomerabdeckung 22 vorgesehen wird. Drückt man die Abdeckung 22
mittels des Rands 21 ein, verhält sich das komprimierte Elastomer wie
eine hydrostatische Flüssigkeit und schwillt radial an, wodurch die
hintere Haube 42 reibschlüssig in Position gehalten wird, wobei durch die
große Elastizität des Elastomers eine Bewegungsmöglichkeit bestehen
bleibt und Vibrationen gedämpft werden.
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Um den Stator in axialer Position festzuhalten, kann man auch
vorsehen, daß sich der Rand 21 des Verschlußteils 12 auf eine zugeordnete
Kante der hinteren Haube 42 stützt. Die beiden Hauben der Gehäuse, die
die Spulenköpfe umgeben, sind vorzugsweise auf zylindrische
Öffnungen der Hülsen justiert und können bei der Justierung geklebt werden,
um jede Loslösung zu verhindern und um zu erreichen, daß sich die
Statoreinheit 20 wie ein untrennbares Ganzes verhält. Die vordere Haube
41 kann mit einem Flansch versehen sein, der die Befestigung des Stators
20 auf dem Pumpengehäuse 1 mittels Schrauben und seine Zentrierung
in Bezug auf den Rotor 4 ermöglicht, wenn kein Luftspaltrohr
vorhanden ist.
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In Abbildung 3 ist eine Variante des Gehäuses dargestellt, bei der eine
einzige äußere Hülse 51 verwendet wird, die mit der angeformten
Isolierschicht 39 des Isolators der Einkerbung einen Monoblock bildet, wobei
auch die Enden des Magnetkreises 31 davon überdeckt werden. Das
Gehäuse ist mit einer Haube 52 abgeschlossen, die sich auf das Ende der
Hülse 51 und auf einen ringförmigen Bereich 53 der Seitenfläche des
Magnetkreises in der Nähe des Ausgangs der Luftspaltoberfläche stützt,
d.h. in dem Bereich, wo die Einkerbungsbleche sich vergrößern, um den
größten Teil der Luftspaltoberfläche abzudecken. Da der ringförmige
Bereich 53 im allgemeinen mit der angeformten Isolierschicht 39 aus einem
elektrisch isolierenden Kunststoff, der geklebt oder geschweißt werden
kann, überzogen ist, wird die Haube 52 geklebt oder geschweißt,
insbesondere nach dem Ultraschall-Schweißverfahren, das besonders für
elektrisch isolierenden Kunststoff geeignet ist, und zwar an die Hülse 51 bzw.
an die Isolierschicht der Einkerbung in dem ringförmigen Bereich 53,
wobei die Spulenköpfe 34 mit umschlossen werden.
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Die freien Räume zwischen den Spulenköpfen 34 und dem Gehäuse
können über eine Öffnung 54, die beispielsweise in der Hülse 51 angebracht
wird, mit einem aushärtenden Produkt oder Verbundstoff (compound)
gefüllt werden, wodurch die Spulenköpfe 34 im Gehäuse in Position
gehalten werden.
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Die Gehäuse, in denen die Spulenköpfe eingekapselt sind, können
unabhängig von jeder Hülse, die die Spulenköpfe umgibt, realisiert werden und
sich direkt auf das Joch des Magnetkreises des Stators stützen; jedoch muß
in allen Fällen ein axialer Eingang bei ihnen vorgesehen sein, um den
Rotor in den Stator einführen zu können oder vielmehr, wie in den
Abbildungen 1 und 2 dargestellt, um den Stator axial auf den Rotor aufsetzen
oder abnehmen zu können. Der Stator 20 ist mit einem beliebigen Mittel
einschließlich der in der Abbildung 1 dargestellten an das elektrische
Stromversorgungs- und Regelungsnetz angeschlossen und kann sogar
bereits zu dem Zeitpunkt an Stromversorgungsdrähte angeschlossen
werden, wenn er auf den Rotor montiert und in Rotationsbewegung
ausgerichtet wird, bevor er auf einem Rahmen, der dem Rotor und dem
Stator
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gemeinsam ist, wie das Pumpengehäuse 1, arretiert wird. Die Stromkreise
können auch, wie bei einem klassischen Elektromotor, nach dem
Einsetzen des Stators hergestellt werden.