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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und
einem Rotor, der drehfest mit einer Welle verbunden ist, wobei die
Welle zumindest in einem Lager gelagert ist.
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In
elektrischen Maschinen entsteht, u.a. im Innenraum der elektrischen
Maschine, insbesondere im Stator und Rotor, Verlustwärme, z.B.
aufgrund von Wirbelstromverlusten. Die Verlustwärme des Stators wird über den
Blechkörper
des Stators an im Stator verlaufende Kühlkanäle oder radial nach außen über das
Gehäuse
an die Umgebung abgegeben. Trotz allem kann auch ein Teil der Verlustwärme über den Luftspalt
der elektrischen Maschine in den Rotor eingetragen werden.
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Des
Weiteren erzeugt auch der Rotor Verluste, die zum Teil über den
Luftspalt in den Stator übertragen
werden und mit den oben genannten Kühlmedien abtransportiert werden.
Ein Großteil
der im Rotor erzeugten Verlustwärme
wird jedoch auf die Welle übertragen
und von dort in die axialen Ausbreitungsrichtungen der Welle transportiert.
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Insbesondere
bei elektrischen Maschinen höherer
Schutzart z.B. IP54, kann diese Verlustwärme nunmehr nur über die
vorhandenen angrenzenden Bauteile abgeführt werden. Des Weiteren steigt mit
zunehmender Leistung der elektrischen Maschine auch die Verlustwärme im Inneren
dieser Maschine. Ein Teil dieser nicht zu vernachlässigenden
Verlustwärme
wird über
die Welle und damit letztendlich über die Lager abgeführt.
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Da
die Lager jedoch nur eine begrenzte Verlustwärmemenge aus dem Innenraum
der elektrischen Maschine zu kälteren
Teilen der elektrischen Maschine, wie z.B. Lagerschilde abführen können, wird
die Kompaktheit der elektrischen Maschine, d.h. möglichst
viel Leistung aus einer möglichst,
auf das Bauvolumen bezogen kleinen Maschine zu entnehmen, äußerst begrenzt.
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Des
Weiteren reduziert sich mit zunehmender thermischer Belastung die
Lagerstandzeit durch die Reduzierung der Schmiermittelgebrauchsdauer. Werden
bestimmte Grenzen der thermischen Belastung überschritten, fallen die Lager
u.a. durch den Verlust ihrer Maßhaltigkeit
aus. Damit ist ein weiterer Betrieb dieser elektrischen Maschine
ohne Lagerwechsel nicht mehr möglich.
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Um
die Verlustwärmemenge über das
Lager zu reduzieren, kann ein zusätzliches Lüfterrad, das auf die Rotorwelle
aufgebracht ist, die Luft im Inneren der elektrischen Maschine zusätzlich verwirbeln,
so dass sich ein innerer Kühlkreislauf
einstellt. Nachteilig dabei ist aber, dass diese Lösung zusätzliche
Teile und damit einen erhöhten
Montageaufwand erfordert. Des Weiteren werden bei höheren Drehzahlen der
elektrischen Maschine zusätzliche
Reibverluste und Geräusche
erzeugt.
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Eine
Möglichkeit
die thermische Grenze zu verschieben besteht darin die Lager dem
erhöhten Verlustwärmemengeneintrag
anzupassen, in dem sie mit maßstabilen,
d.h. wärmebehandelten
Komponenten ausgeführt
sind. Nachteilig dabei ist, dass dabei nur die Maßhaltigkeit
der Lager verbessert wird. Eine Verlängerung der Schmierstoffgebrauchsdauer
wird dadurch nicht erreicht.
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Zwar
können
die Lager durch Ölmengenschmierungen
mit erhöhtem
Schmierstoffgebrauchsdauern versehen werden, d.h. durch das Lager
wird eine größere Ölmenge als
die zur Schmierung erforderliche gepumpt, dabei sind aber zusätzliche
Aggregate notwendig, die den Ölkreislauf
aufrechterhalten. Des Weiteren ist das Lagerumfeld wegen der nunmehr
anstehenden Dichtungsproblematik wesentlich aufwändiger zu gestalten.
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Des
Weiteren kann die Welle speziell durch zusätzliche Kühlelemente gekühlt werden,
so dass die Verlustwärmemenge,
die über
das Lager abgegeben wird, direkt aus der Welle abgeführt werden kann.
Nachteilig dabei ist, die aufwändige
und damit kostenintensive Realisierung dieser Lösung.
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So
ist z.B. aus der
CH 381 026 der
Wärmeschutz
eines Lagers beschrieben, bei der die das Lager tragende Welle als
Hohlwelle ausgeführt
ist und einen Wärmeschutz
des Lagers aufweist. Damit ist das Lager gegenüber erhöhten Wärmeverlustmengenabgaben der
Hohlwelle geschützt
und es sind ausreichende Schmiermittelgebrauchsdauern möglich. Nachteilig
dabei ist, dass die Welle als Hohlwelle ausgeführt werden muss und an die
Materialeigenschaften des Kühlkörpers erhöhte Anforderungen
zu stellen sind.
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Bei
elektrischen Maschinen ist außerdem bekannt,
dass durch unvermeidliche und symmetrische Magnetfelder so genannte
Wellenspannungen in den elektrisch leitfähigen Teil der elektrischen
Maschine induziert werden. Diese induzierten Spannungen können zu
einem Stromfluss in einer aus der Welle des Rotors, den Lagern des
Rotors und dem Gehäuse
gebildeten Schleifen führen,
den so genannten Wellenstrom. Weitere Ursachen für die Entstehung von Wellenströmen können kapazitive
Einkopplungen sein, die insbesondere bei deren heutzutage verstärkt verwendeten
umrichtergesteuerten Antrieben mit hohen Änderungsgeschwindigkeiten der
Steuerung verstärkt
auftreten. Die auftretenden Wellenströme stellen insbesondere im
Bereich der Lager des Rotors ein großes Problem dar.
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Um
den Wellenstrom zu verhindern, ist es bekannt, den gehäuseseitigen
Teil wenigstens eines Lagers gegenüber den Erdpotential auf dem
die sonstigen Teile des Gehäuses
der elektrischen Maschine üblicherweise
liegt, zu isolieren. Dadurch wird der Wellenstromfluss in der eingangs
genannten Schleife unterbrochen. Dies bedeutet jedoch einen erheblichen
Aufwand, da tragende Teile der elektrischen Maschine isoliert werden
müssen.
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Ausgehend
davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische
Maschine zu schaffen, die insbesondere eine ausreichende Wärmeabfuhr
aus dem Rotor gewährleistet
ohne dabei die Lagerstandzeit zu reduzieren. Des Weiteren sollen
die Wellenströme
durch geeignete Maßnahmen abgeleitet
bzw. unterbunden werden.
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Die
Lösung
der gestellten Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine mit
einem Stator und einem Rotor, der drehfest mit einer Welle verbunden
ist, wobei die Welle zumindest in einem Lager gelagert ist, wobei
auf der dem Motor zugewandten Seite das Lager aufnehmenden Lagerschildes
ein Fortsatz in Richtung Welle vorgesehen ist, derart, dass sich
zwischen Fortsatz und Welle eine Anordnung befindet, die ein feststehendes
und ein mitrotierendes Basisteil aufweist und sich ein dazwischen befindliches
wärmeleitfähiges und
elektrisch leitfähiges
Material befindet.
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Der
Fortsatz des Lagerschildes ist in einer bevorzugten Ausführung derart
ausgeführt,
dass der aus Sicht der elektrischen Maschine vor dem eigentlichen
Lager angeordnet ist. Dies führt
zu keiner axialen Erweiterung des Bauvolumens der elektrischen Maschine.
Grundsätzlich
kann der Fortsatz auch nach dem Lager angeordnet sein.
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Der
Fortsatz umfasst die Welle des Rotors, wobei sich sowohl auf dem
Rotor als auch an dem Fortsatz gegenüberliegende korrespondierende
Basisteile befinden, die durch einen Spalt voneinander beabstandet
sind und wobei im Spalt eine Flüssigmetalllegierung
vorhanden ist.
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Diese
Flüssigmetalllegierung
ist sowohl ein guter elektrischer Leiter als auch ein guter Wärmeleiter.
Das Flüssigmetall
wird durch die vorteilhafte Ausgestaltung des Spaltes im Spalt gehalten,
in dem die Adhäsionskräfte der
Flüssigkeit
diese in den Spalt zurückdrängt. Damit
werden sowohl die Wellenströme
als auch übermäßige Wärmeleitung
von dem eigentli chen Lager abgehalten. Dies führt zu vergleichsweise längeren Lagerstandzeiten.
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Das
Lagerschild an dem der Fortsatz einstückig oder mehrteilig mechanisch
angebunden ist, so dass ein elektrischer Kontakt und/oder eine thermische
Anbindung stattfinden, ist kälter
als die Welle selbst. Das Lagerschild wird beispielsweise gekühlt durch
Luftströmungen
aufgrund Konvektion oder erzwungener Lüftströmungen aufgrund eines Lüfters.
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Der
Verlustwärmefluss
aus der Welle in Richtung Lager wird somit hauptsächlich über die
Anordnung mit dem Flüssigmetall
abfließen
und lediglich ein verbleibender kleinerer zu vernachlässigender Teil
fließt über das
klassische Lager, d.h. über
Lagerinnenring, Schmiermittel, Kugeln oder Rollen, Schmiermittel
Lageraußenring
zum Lagerschild ab.
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Das
klassische Lager wird somit thermisch um einen erheblichen Teil
entlastet, der axial betrachtet vor oder nach dem Lager über den
Fortsatz und damit letztendlich über
das Lagerschild abgeführt wird.
Die Wirkung der Anordnung ist dabei umso größer je großflächiger die Fläche zwischen
feststehendem und mitrotierendem Teil und damit dieser Anordnung
ausgeführt
ist.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
sind diese Anordnungen als Flüssigkeitslager
ausgeführt,
die anstatt oder neben den klassischen Lagern eingesetzt werden.
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Vorteilhafterweise
können
dabei insbesondere bei höheren
Schutzklassen bei der z.B. ein Innenkühlkreislauf und ein Außenkühlkreislauf
vorhanden ist, wobei Fortsatz und/oder das Lagerschild Kühlrippen
aufweisen oder Abschnitte eines Flüssigkeitskühlkreislaufes bilden.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist das klassische Lager komplett
durch ein Flüssigmetalllager.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
gemäß den Unteransprüchen sind
in schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
prinzipielle Darstellung eines Elektromotors,
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2 eine
Detailansicht eines Elektromotors aus dem bisherigen Stand der Technik,
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3 Detailansicht
mit erfindungsgemäßer Lösung,
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4 und 5 weitere
Ausführungsformen
der Erfindung.
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6, 7 Detailansichten
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1 zeigt
im Längsschnitt
eine prinzipiell dargestellte elektrische Maschine 1, die
einen Klemmenkasten 7 zum Anschluss einer elektrischen
Leistungszuführung
aufweist. Radial unterhalb des Klemmenkastens 7 befindet
sich ein Lüfter 8,
der in den Zwischenraum zwischen einer Geberanordnung 9 und
einem nicht näher
dargestellten Lüftungsgitter eine
Luftströmung
herbeiführt,
die sowohl die Geberanordnung 9 als auch ein Lagerschild 10 kühlt.
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Die
elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2 und
einen Rotor 3 auf, die jeweils an sich bekannte Wärmequellen
aufweisen. Der Stator 2 weist außerdem in seinen nicht näher dargestellten,
im Wesentlichen axial verlaufenden Nuten ein Wicklungssystem 6 auf,
das aufgrund der Kupfer- und Eisenverluste eine Wärmequelle
im Stator 2 darstellt. Ein Teil dieser Wärme wird
durch nicht näher
dargestellte, aber an sich bekannte Kühlanordnungen des Stators 2 abgeführt. Dabei
sind axial oder wendelförmig
verlaufende Kühlkanäle 50 im
Blechpaket des Stators 2 und/oder am Außenumfang des Stators 2 vorgesehen.
Bei einer elektrischen Maschine 1 mit Gehäuse können diese
Kühlanordnungen
im oder am Gehäuse
stattdessen oder zusätzlich
vorgesehen werden.
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Eine
Detailansicht nach 2 stellt den bisherigen Stand
der Technik dar. Dabei wird ein in Richtung Lager 5 abgeführter Verlustwärmestrom 15 über einen
Lagerinnenring 11 und den La geraußenring 12 auf das
herkömmliche
Lagerschild 10' geführt, das als
Wärmesenke
wirkt. Der über
das Lager 5 fließende
Verlustwärmestrom 14 entspricht
bei dieser Anordnung nahezu dem Verlustwärmestrom 15, der in Richtung
Lager 5 von der elektrischen Maschine 1, insbesondere
vom Rotor 3 kommend, abgeführt werden muss.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr
gemäß 3 der
aus Richtung elektrischer Maschine 1, insbesondere Rotor 3 kommende
Verlustwärmestrom 15 aufgeteilt
in zwei Verlustwärmeströme, wobei
der eine Verlustwärmestrom 16 über die
Flüssigmetallanordnung 30 fließt und lediglich
der verbleibende Verlustwärmestrom 17 über das
Lager 5 abgeführt
wird. Die Verlustwärmeströme 16, 17 werden
ins Lagerschild 10 weitergeleitet und dort z.B. an die
Umgebung durch z.B. einen Lüfter 8 hervorgerufene
verwirbelte Kühlluftströme 13 abgegeben.
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Dort
lassen sich in einer weiteren Ausführungsform durch verwirbelte
Luftströmungen
an Kühlrippen 40 des
Lagerschildes 10 oder flüssigkeitsgekühlte Lagerschilde
diese Verluste abführen. Bei
flüssigkeitsgekühlten Lagerschilden
mit separater oder mit in die Kühlung
der elektrischen Maschine eingebundner Kühlung, (in 4 sind
dabei prinzipielle Kühlkanäle 41 im
Lagerschild 10 dargestellt) ist die Kühlwirkung äußerst effizient. Die Kühlrippen 40 sind
am Lagerschild 10 und oder am Fortsatz 18 angeordnet.
Sie weisen beim Fortsatz 18 zum Innenraum der elektrischen
Maschine 1, beim Lagerschild 10 zum Innenraum
und/oder nach außen.
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Vorteilhafterweise
wird dabei nunmehr die Lagerstandzeit und die Schmiermittelgebrauchsdauer
wesentlich verlängert,
da der Verlustwärmestrom 17 nur
noch einen Bruchteil des Verlustwärmestroms 16 ausmacht.
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In 3 sind
weitere Details der Lageranordnung wie z.B. nicht näher dargestellte
Querschnittsverjüngungen
der Welle 4 zu sehen, die den Lagersitz des Lagerinnenrings 11 darstellen.
Der Lageraußenring 12 ist
durch einen Spannring 20 und dementsprechende Schraubverbindungen 21 am
Lagerschild 10 fixiert. Des Weiteren zeigt 3 Berandungselemente 33 der
Flüssigmetallanordnung 30, die
das Flüssigmetall
in dem Spalt zwischen dem feststehenden 31 und mitrotierenden
Teil 32 halten.
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4 zeigt
in einer weiteren Ausführungsform
den Fortsatz 18, der wiederum über eine Flüssigmetallanordnung 30 an
die Welle 4 thermisch und elektrisch angekoppelt ist. Der
Lageraußenring 12 ist weiterhin
durch einen Spannring 20 und dementsprechende Fortsätze des
Lagerschildes 10, die einstückig mit dem Lagerschild 10 verbunden
sein können, fixiert.
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Die
erfindungsgemäße Kühlung des
Rotors 3 und Ableitung der Wellenströme aus der Welle 4 des
Rotors 3 wird durch die Flüssigmetallanordnung 30,
die vorteilhafterweise als Flüssigmetalllager
ausgebildet ist gewährleistet.
Die erfindungsgemäße Anordnung
eignet sich für
sämtliche
Drehzahlbereiche der bekannten elektrischen Maschinen.
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Zwar
zeigt 1 einen Rotor 3, der als Kurzschlussläufer ausgebildet
ist, die erfindungsgemäße Anordnung
kann bei sämtlichen
bekannten Rotoren, wie Rotoren mit elektrischer Erregung, permanenter Erregung,
Reluktanzläufer
etc. eingesetzt werden. Entscheidend ist jeweils, ob aus dem Rotor 3 Wärme abgeführt werden
soll bei gleichzeitiger thermischer Entlastung und/oder Entlastung
von Wellenströmen anderer
Antriebskomponenten, wie z.B. Lagern 5.
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In
einer weiteren Ausführungsvariante
gemäß 5 sind
Flüssigmetallanordnungen 30 an den
Stirnseiten des Rotors 3 zusätzlich zu den vorhandenen Lagern 5 angeordnet.
Um die Verlustwärmeströme 15 in
Richtung Lager jeweils vor diesen Lagern 5 aufzunehmen,
sind Fortsätze 18 am
Lagerschild angebracht, die mit einem Fortsatz 18 und der Flüssigmetallanordnung 30 die
Welle 4 zumindest in einem oder mehreren Abschnitten radial
umfassen.
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Auch
damit stellt sich der oben beschriebene Verlauf der Verlustwärmeströme ein,
so dass das Lager 5 gegenüber herkömmlichen Lagern und Lagerschildanordnungen
wesentlich weniger Verlustwärme
weiterzuleiten hat.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Flüssigmetalllager
außerhalb
der vorhandenen Lager 5 angeordnet, was ebenfalls zu einer
Reduzierung der Verlustwärmeströme durch
das klassische Lager 5 führt, da dort die Verlustwärmeströme eine
geringeren Wärmeübergangswiderstand
vorfinden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
können die
bisherigen klassischen Lager 5 durch Flüssigmetalllager ersetzt werden,
so dass sowohl die Lagerfunktion, als auch die Übertragung der Wellenströme und die
Abfuhr der Verlustwärmeströme von dem Flüssigmetalllager übernommen
werden kann.
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6 zeigt
in einer einfachen prinzipiellen Darstellung eine Flüssigmetallanordnung 30 mit
ihren Berandungselementen 33.
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7 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt des
Spaltes 35 mit den dabei auftretenden Kräften auf
das Flüssigmetall.
Die aus der Adhäsionskraft
FA und der Kohäsionskraft Fk resultierende
Kraft F steht senkrecht auf der Oberfläche des Flüssigmetalls. Die Kraft F formt
dadurch die Oberfläche
des Flüssigmetalls
im Spalt 35. Der Winkel α bezeichnet
den Kontaktwinkel. Die Wirkung der resultierenden Kraft wirkt dem
Bestreben des Flüssigmetalls
entgegen aus dem Spalt 35 auszutreten.
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Die
Geometrie des Spaltes 35 bestimmt u.a. mit der Oberflächenspannung
des Flüssigmetalls und
dem Material der Oberfläche
der Berandungselemente 33 die Größe der Kraft F, die in das
Innere des Flüssigmetalls
gerichtet ist. Durch wahlweise Gestaltung des Spaltes 35 und
der Auswahl des Oberflächenmaterials
der Berandungselemente 33 als auch der chemischen Zusammensetzung
des Flüssigmetalls
kann somit der Austritt des Flüssigmetalls aus
dem Spalt 35 verhindert werden. Die Adhäsionskraft FA bezeichnet
dabei die von der Oberfläche
der Be randungselemente 33 auf das Flüssigmetall wirkende Kraft.
Als Kohäsionskraft
Fk wird die Zusammenhangskraft zwischen
den einzelnen Molekülen des
Flüssigmetalls
bezeichnet. Dabei bewirken die Kapillarkräfte, dass das Flüssigmetall
nicht aus dem Spalt 35 tritt. Dies wird durch die Ausgestaltung
des feststehenden und mitrotierenden Teils und/oder durch die Berandungselemente 33 bewirkt.
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Die
Berandungselemente 33 sind in einer weiteren Ausführungsform
als Dichtungen ausgeführt,
wie z.B. Ferrofluiddichtungen, Bürstendichtungen
oder Labyrinthdichtungen.
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Die
feststehenden 31 und die mitrotierenden Teile 32 sind
natürlich
auch aus einem Material, das ein vergleichsweise guter Wärmeleiter
und eine vergleichsweise gute elektrische Leitfähigkeit aufweist.
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Als
Flüssigmetalle
oder Flüssigmetallverbindungen
sind dabei u.a. Galium, Indium, Zinn oder Selenverbindungen geeignet.