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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse, in
dem ein Rotor drehbar angeordnet und in dem eine ein Kühlmedium
aufweisende Kühleinrichtung
vorgesehen ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kühlen der elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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Im
Stand der Technik sind Ölkühlungen
für elektrische
Maschinen bekannt, die als Düsenkühlung oder
als Sumpfkühlung
ausgebildet sind. Bei einer Düsenkühlung wird
als Kühlmedium
wirkendes Öl über Düsen im Gehäuseinneren
verteilt. Bei einer Sumpfkühlung
wird im Inneren des Gehäuses
der elektrischen Maschine ein Ölsumpf
ausgebildet, in dem der Rotor zumindest abschnittsweise eintaucht und
so bei einer Rotation aus dem Ölsumpf Öl zum Zwecke
der Kühlung
mitreißt.
Das Öl
benetzt hierbei den Rotor und Teile der elektrischen Maschine.
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Hierbei
ist nachteilig, dass zu einer hinreichenden Kühlwirkung im Falle einer Düsenkühlung eine
größere Anzahl
von Düsen
im Inneren des Gehäuses
der elektrischen Maschine angeordnet werden muss, um eine möglichst
wirksame und effektive Einbringung des Öls zu bewirken. Derartige Düsen sind
aufwendig zu montieren und beanspruchen Bauraum. Bei einer Sumpfkühlung ist
nachteilig, dass lediglich eine gute Rotorbenetzung stattfindet, wenn
dieser im Ölsumpf
läuft,
so dass im Wesentlichen lediglich eine Außenmantelfläche des Rotors hinreichend
gekühlt
wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine mit verbesserter
Kühlung
bereitzustellen, insbesondere eine hinreichende Einbringung und gleichmäßige Verteilung
von Kühlmedium
innerhalb der elektrischen Maschine zu bewirken.
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Offenbarung der Erfindung
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Hierzu
wird eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse vorgeschlagen, in dem ein
Rotor drehbar angeordnet und in dem eine ein Kühlmedium aufweisende Kühleinrichtung
vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist im
Gehäuse
mindestens ein, mit dem Rotor mitdrehendes, von einer rotationssymmetrischen
Formgebung abweichendes Mediumverwirbelungselement angeordnet. Elektrische
Maschinen, die hohe Leistungen erbringen müssen, wie dies beispielsweise
bei Elektromotoren von Elektrofahrzeugen oder von Hybridfahrzeugen,
oder generell in Hybridanwendungen, der Fall ist, benötigen eine
aktive Kühlung,
wie vorstehend beschrieben. Erfindungsgemäß wird ein Mediumverwirbelungselement
im Gehäuse
angeordnet, das sich mit dem Rotor mitdreht. Das Mediumverwirbelungselement
hat dabei eine solche Ausbildung, dass es von einer rotationssymmetrischen
Formgebung abweicht. Seine Geometrie ist folglich nicht rotationssymmetrisch-gleichmäßig, sondern
sie weist Bereiche auf, in denen keine Rotationssymmetrie vorliegt.
Hierdurch kann erreicht werden, dass im Gehäuse befindliches Kühlmedium
besser verteilt wird, insbesondere verwirbelt wird, als dies mit
rein rotationssymmetrischen Formgebungen, wie beispielsweise im
Stand der Technik über den
Rotor selbst, möglich
ist. Gerade die von der rotationssymmetrischen Formgebung abweichende Ausbildung
des Mediumverwirbelungselements führt in Abhängigkeit von der Drehzahl der
elektrischen Maschine zu einer fortdauernden Impulsbeaufschlagung
von Kühlmedium-Molekülen, die
entweder auf das Mediumverwirbelungselement auftreffen oder im Gehäuse vorhanden
sind und von der nicht rotationssymmetrischen Form des Mediumverwirbelungselements
getroffen werden. Es wird folglich auf die Kühlmedium-Moleküle eine
kinetische Energie eingetragen, die zu deren Wandern im Inneren
des Gehäuses führen, so
dass auch entlegene Bereiche dieses Gehäuses und der darin befindlichen
Anordnung, insbesondere des Rotors, des Stators und der Welle beziehungsweise
deren Lagerungen, erreicht werden. Es tritt demzufolge eine aktive
Verwirbelung des Kühlmediums
ein.
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In
einer Ausführungsform
ist das Mediumverwirbelungselement eine Rotorwuchtscheibe. Rotorwuchtscheiben
sind im Stand der Technik bekannt, sie dienen dazu, Unwuchten, wie
sie bei der Herstellung des Rotors, insbesondere durch Aufbringung von
elektrischen Wicklungen, entstehen und bei höheren Drehzahlen unerwünscht sind,
auszugleichen. Regelmäßig werden
sie endseitig des Rotors auf der Welle aufgebracht und mit dem Rotor
drehfest verbunden. Die Rotorwuchtscheibe erhält hiermit eine Doppelverwendung,
nämlich
zum Einen als Mittel zum Auswuchten des Rotors und zum Anderen als Mediumverwirbelungselement.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist das Mediumverwirbelungselement an mindestens einer seiner
Stirnseiten und/oder seiner Mantelflächen mindestens einen Verwirbelungsvorsprung
und/oder eine Verwirbelungsvertiefung für das Kühlmedium auf. Mindestens eine
der Stirnseiten und/oder mindestens eine der Mantelflächen des
Mediumverwirbelungselements weist demzufolge entweder einen Verwirbelungsvorsprung
und/oder eine Verwirbelungsvertiefung auf. Ein Verwirbelungsvorsprung
ist hierbei ein aus dem Mediumverwirbelungselement heraustretendes
Element, während
eine Verwirbelungsvertiefung in das Verwirbelungselement eingebracht
ist. Hierdurch ergeben sich Unregelmäßigkeiten von Außenflächen, nämlich der
Stirnseiten und/oder der Mantelflächen, die in der Rotation bei Auftreffen
von Kühlmedium-Molekülen diesen
einen Impuls verleihen und zu einer Bewegung, letztlich zu einer
Verwirbelung des Kühlmediums,
innerhalb des Gehäuses
führen.
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Bevorzugt
ist der Verwirbelungsvorsprung und/oder die Verwirbelungsvertiefung
materialeinheitlich mit dem Mediumverwirbelungselement ausgebildet.
Dies bedeutet, dass etwa die Verwirbelungsvertiefung in das Material
des Verwirbelungselements eingebracht, insbesondere aus diesem durch
beispielsweise spanabhebende Verfahren oder im Wege eines Guss-
oder sonstigen Herstellungsverfahrens ausgenommen, ist. Der Verwirbelungsvorsprung
ist an die Geometrie des Verwirbelungselements materialeinheitlich
angebracht, beispielsweise angegossen oder angespritzt. Bevorzugt wird
der Verwirbelungsvorsprung im Zuge der Herstellung des Mediumverwirbelungselements
mitausgebildet.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist der Verwirbelungsvorsprung und/oder die Verwirbelungsvertiefung
als separates Teil am Mediumverwirbelungselement ausgebildet. Die
Ausbildung ist nicht nur materialeinheitlich, sondern auch in Materialverschiedenheit
möglich.
Hierdurch lassen sich beispielsweise auch als Ersatzteile ausgebildete,
insbesondere wechselbare, Verwirbelungsvorsprünge oder Verwirbelungsvertiefungen
vorsehen, die bei hohen Laufleistungen der elektrischen Maschine
gewartet oder getauscht werden können.
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Bevorzugt
sind mehrere Verwirbelungsvorsprünge
in Form mindestens einer Verwirbelungsbürste ausgebildet. Mit Verwirbelungsbürste ist
gemeint, dass mehrere Verwirbelungsvorsprünge derart zusammengefasst
sind, dass sie, einer Bürste ähnlich oder
eine Bürste
ausbildend, aus dem Mediumverwirbelungselement hervortreten. Näheres zeigen
die Figuren.
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In
einer Ausführungsform
ist der Verwirbelungsvorsprung und/oder die Verwirbelungsvertiefung
radial verlaufend ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Verwirbelungsvorsprung
beziehungsweise die Verwirbelungsvertiefung in Richtung der Radialerstreckung
verläuft,
also beispielsweise der Verwirbelungsvorsprung über einen Außenumfang
des Mediumverwirbelungselements hinaustritt, also beispielsweise
in Form der bereits erwähnten
Bürste, wobei
sich diese in Radialrichtung verlaufend erstreckt, oder dass die
Verwirbelungsvertiefung beispielsweise in eine Stirnseite des Mediumverwirbelungselements
in Radialrichtung verlaufend, beispielsweise von der Rotorwelle
ausgehend, radial verlaufend ausgebildet ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist mindestens eine Verwirbelungsvertiefung als sich über einen
Teilumfang des Mediumverwirbelungselements erstreckende randoffene
Ausnehmung ausgebildet. Die Verwirbelungsvertiefung verläuft demzufolge
umfangsseitig, wobei sie als randoffene Ausnehmung ausgebildet ist,
die sich über
einen Teilumfang des Mediumverwirbelungselements, mithin also unter
Abweichung von der rotationssymmetrischen Formgebung, erstreckt.
Hierbei sind in den Außenumfang
des Mediumverwirbelungselements, also beispielsweise der bereits
erwähnten
Rotorwuchtscheibe, Ausnehmungen eingebracht, die die Impulsbeaufschlagung
von Kühlmedium
bewirken und zu Verwirbelung desselben führen.
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Weiter
ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung
eine Kühlmediumsumpfeinrichtung
und/oder eine Kühlmediumspritzeinrichtung
ist. Sowohl Kühlmediumsumpfeinrichtungen
als auch Kühlmediumspritzeinrichtungen
sind bekannt. Bei der Kühlmediumsumpfeinrichtung
läuft der
Rotor in einem Sumpf aus Kühlmedium,
der im Inneren des Gehäuses
angeordnet ist, während
bei der Kühlmediumspritzeinrichtung
das Kühlmedium über Spritzdüsen in das
Innere des Gehäuses
gespritzt wird und hierbei Bestandteile der elektrischen Maschine,
insbesondere den Rotor, beaufschlagt. Selbstverständlich sind auch
Kombinationen aus Kühlmediumsumpfeinrichtung
und Kühlmediumspritzeinrichtung
denkbar.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, dass im Gehäuse
mindestens ein Mediumsprüh-
und/oder Mediumnebelfänger
angeordnet ist, der eine Leiteinrichtung für gesammeltes Kühlmedium
aufweist. Der Mediumsprüh-
und/oder Mediumnebelfänger
dient dazu, eingesprühtes
oder vernebeltes Kühlmedium
aufzufangen und in einer gewünschten
Art und Weise zu halten und/oder zu leiten, wozu eine Leiteinrichtung
für das
von ihm gesammelte Kühlmedium
vorgesehen ist.
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Bevorzugt
ist die Leiteinrichtung auf das Mediumverwirbelungselement gerichtet.
Gesammeltes Kühlmedium
wird demzufolge direkt zurück
auf das Mediumverwirbelungselement geleitet und von dort neu verwirbelt.
Auf diese Weise lässt
sich eine besonders wirkungsvolle und effektive Rückführung und
Neuverwirbelung des Kühlmediums
erreichen, so dass dieses nicht langwierig von Wänden des Gehäuses, beispielsweise
in den Kühlmediumsumpf, ablaufen
muss, sondern sofort zur neuen Verwirbelung zur Verfügung steht.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass das Kühlmedium
ein Kühlschmiermittel,
insbesondere ein Öl,
ist. Auf diese Weise wird nicht nur ein wirksamer Austrag von Abwärme der
elektrischen Maschine bewirkt, sondern in sehr vorteilhafter Weise
auch deren Schmierung, insbesondere auch der bereits erwähnten Rotorwelle.
Durch die Verwirbelung des Kühlschmiermittels
nämlich
lässt sich
dieses in besonders vorteilhafter Weise im Gehäuse der elektrischen Maschine verteilen
und erreicht so auch Stellen, die nur schwer von Schmiermittel erreichbar
sind oder von denen Schmiermittel leicht wieder ausgetragen wird. Auf
diese Weise lässt
sich sehr vorteilhaft eine Mangelschmierung verhindern, und zwar
auch unter ungünstigen
Betriebsbedingungen. Vielmehr wird sichergestellt, dass die elektrische
Maschine nicht nur gut gekühlt,
sondern auch über
ihre gesamte Laufzeit gut geschmiert ist, ohne dass dem Schmiermittel
besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden müsste, wie dies beispielsweise
bei intervallischer Schmierung, insbesondere bei durch Wartung erfolgende Schmierung,
der Fall ist, da hier ausgetragenes oder verlorenes Schmiermittel
stets nachgefüllt
werden muss.
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Weiter
wird ein Verfahren zum Kühlen
einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, insbesondere, wie vorstehend
beschrieben, im Inneren ihres Gehäuses, in dem ein Rotor drehbar
angeordnet und in dem eine ein Kühlmedium
aufweisende Kühleinrichtung
vorgesehen ist. Erfindungsgemäß erfolgt
das Kühlen
durch ein Verwirbeln des Kühlmediums
mittels mindestens eines, mit dem Rotor mitdrehenden, von einer
roationssymmetrischen Formgebung abweichenden Mediumverwirbelungselements.
Die Kühlung
erfolgt hierbei durch ein Verwirbeln des Kühlmediums, wozu das Mediumverwirbelungselement
vorgesehen wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne
jedoch hierauf beschränkt
zu sein.
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Es
zeigen:
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1 eine
elektrische Maschine im Längsschnitt
mit Mediumverwirbelungselementen und Mediumnebelfänger;
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2 die
elektrische Maschine mit Verwirbelungselementen und Mediumsprüh-/und/oder
Mediumnebelfänger;
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3 eine
Ausbildung des Mediumverwirbelungselements mit Verwirbelungsvorsprüngen und -vertiefungen;
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4 ein
Verwirbelungselement mit als Verwirbelungsbürsten ausgebildeten Verwirbelungsvorsprüngen;
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5 dasselbe
Verwirbelungselement in anderer Ansicht;
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6 ein
Verwirbelungselement mit als randoffene Ausnehmungen eines Teilumfangs
ausgebildete Verwirbelungsvertiefungen und
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7 dasselbe
Mediumverwirbelungselement in anderer Ansicht.
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Ausführungsformen)
der Erfindung
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1 zeigt
eine elektrische Maschine 1 mit einem Spulen 2 aufweisenden
Stator 3, wobei sich die Spulen 2 innerhalb eines
Gehäuses 4 der
elektrischen Maschine befinden und mit einem Luftspalt 5 zwischen
sich einen Rotor 6 aufweisen, der in dem Gehäuse 4 auf
einer Rotorwelle 7 drehbar zwischen den Spulen 2 lagert.
Der Rotor 6 weist an seinen Endseiten 8 jeweils
eine Rotorwuchtscheibe 9 auf, die drehfest mit dem Rotor 6 und/oder
der Rotorwelle 7 verbunden ist und sich somit mit dem Rotor 6 mitdreht.
Innerhalb des Gehäuses 4 ist
ein Kühlmediumsumpf 10 unterseitig
innerhalb des Gehäuses 4 vorgesehen,
in dem sich Kühlmedium 11 schwerkraftbedingt
sammelt. Der Rotor 6 taucht in das Kühlmedium 11 im Kühlmediumsumpf 10 zumindest
abschnittsweise ein und reißt
dieses in einer Rotation mit sich, so dass es zu einem Verschleudern
von Kühlmedium 11 innerhalb
des Gehäuses 4 bei
Rotation des Rotors 6 kommt. Das Kühlmedium 11 läuft von
Gehäusewänden 12 ab
und sammelt sich wieder im Kühlmediumsumpf 10.
Das Gehäuse 4 weist
jeweils endseitig in seinem Inneren Mediumnebelfänger 13 auf, die verschleudertes
Kühlmedium 11 auffangen
und durch eine Ausbildung als Leiteinrichtung 14 gezielt auf
die Rotationswuchtscheiben 9 leiten, die als Mediumverwirbelungselemente 15 ausgebildet
sind. Hierdurch wird eine gezielte Beaufschlagung der Mediumverwirbelungselemente 15 erreicht,
so dass eine sofortige Verwirbelung des aufgefangenen und auf die
Mediumverwirbelungselemente 15 geleiteten Kühlmediums 11 erfolgt,
ohne dass dieses erst in den Kühlmittelsumpf 11 gelangen
und über
die Rotation des Rotors wieder aufgeschleudert werden müsste. Hierdurch
erfolgt eine sehr feine und hochwirksame Verwirbelung und Vernebelung
des Kühlmediums 11, das
bevorzugt als Kühlschmiermittel 16,
insbesondere als Öl 17,
ausgebildet ist. Hierdurch wird eine Kühleinrichtung 18 für die elektrische
Maschine ausgebildet, die als Kühlmediumsumpfeinrichtung 19 ausgebildet
ist.
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2 zeigt
wiederum die elektrische Maschine 1 mit dem Gehäuse 4 und
dem Rotor 6, dem endseitig die als Mediumverwirbelungselemente 15 ausgebildeten
Rotorwuchtscheiben 9 drehfest angeschlossen sind. Die elektrische
Maschine 1 weist hierbei eine Kühlmediumspritzeinrichtung 20 auf,
bei der Kühlmedium 11 über Spritzdüsen 21 in
das Gehäuse 4 eingespritzt
wird, wozu ein Kühlmediumkreislauf 22 mit
einem Kühlmediumvorratsbehälter 23 und
einer hieraus Kühlmedium 11 fördernden Kühlmediumpumpe 24 vorgesehen
ist. Der Kühlmediumpumpe 24 stromabwärts sind
die Spritzdüsen 21 nachgeordnet,
wobei Kühlmedium 11 aus
dem Inneren des Gehäuses 4 über eine
Ablaufstelle 25 in den Kühlmittelvorratsbehälter 23 zurückgelangt.
Die Spritzdüsen 21 beaufschlagen über mehrere
Strahlen von Kühlmedium 11 oder über einen
Kühlmediumsprühfänger 26 die
Mediumverwirbelungselemente 15, nämlich die Rotorwuchtscheiben 9.
In axialer Verlängerung
der Rotorwuchtscheiben 9, im Inneren des Gehäuses 4 angeordnet,
bevorzugt am Gehäuse 4 innenseitig
gehalten, sind Leiteinrichtungen 14, bevorzugt als Leitbleche 27,
vorgesehen, die zumindest einen Teil des Kühlmittelsprühfängers 26 fangen und auf
die Mediumverwirbelungselemente 15 leiten, so dass durch
diese das eingesprühte
Kühlmedium 11 unmittelbar
der Verwirbelung zugeführt
wird.
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3 zeigt
eine als Mediumverwirbelungselement 15 ausgebildete Rotorwuchtscheibe 9 für die vorstehend
beschriebene elektrische Maschine 1 (hier nicht dargestellt)
in perspektivischer Ansicht. Diese weist eine Mittenausnehmung 28 zum
Durchtritt der hier nicht dargestellten Rotorwelle 7 auf.
An ihrer Stirnseite 29 weist das Mediumverwirbelungselement 15 Verwirbelungsvertiefungen 30 auf,
die in Form von randoffenen Ausnehmungen 31 in die Stirnseite 27 eingebracht
sind, dergestalt, dass sie von der Mittenausnehmung 28 an
radial verlaufend bis hin zur Mantelfläche 32 des Mediumverwirbelungselements 15 verlaufen.
Die randoffenen Ausnehmungen 31 sind hierbei als vier gleichmäßig winkelbeabstandete
randoffene Ausnehmungen 31 ausgebildet. Die Verwirbelungsvertiefungen 30 sind
dem hier nicht dargestellten Rotor 6 abgewandt und dem hier
nicht dargestellten Gehäuse 4 zugewandt.
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4 zeigt
eine andere Ausführung
des Mediumverwirbelungselements 15, bei der Verwirbelungsvorsprünge 33 in
Form von Verwirbelungsbürsten 34 ausgebildet
sind. Diese sind bevorzugt als ersetzbare Verwirbelungsbürsten 34 und
aus einem anderen Material als das Mediumverwirbelungselement 15 bestehend
ausgebildet, so dass sie beispielsweise bei Abnutzung ausgetauscht
werden können.
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5 zeigt
dasselbe Mediumverwirbelungselement 15 in Ansicht auf dessen
Mantelfläche 32, aus
der die Verwirbelungsbürsten 34,
nämlich
die Verwirbelungsvorsprünge 33,
hervortreten.
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6 zeigt
eine andere Ausführungsform des
Mediumverwirbelungselements 15, nämlich der Rotorwuchtscheibe 9,
im Querschnitt, wobei Verwirbelungsvertiefungen 30 in Form
von randoffenen Ausnehmungen 31 über einen Teilumfang 35 des Mediumverwirbelungselements 15 unter
Unterbrechung der durchgehenden Mantelfläche 32 ausgebildet
sind.
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7 zeigt
dasselbe Mediumverwirbelungselement 15 mit den randoffenen
Ausnehmungen 31 als Verwirbelungsvertiefungen 30,
die sich über
den Teilumfang 35 des Mediumverwirbelungselements 15,
nämlich
dessen Mantelfläche 32,
erstrecken und diametral gegenüberliegend
ausgebildet sind.