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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit Wicklungsköpfen, mit
wassergekühltem
Ständer
und luftgekühltem
Läufer.
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Elektrische
Maschinen werden als Antriebe verwendet, wobei es sich dabei vielfach
um Drehstrommaschinen handelt. Zur Kühlung der elektrischen Maschine
werden sowohl flüssige
Medien wie Wasser als auch gasförmige
Medien wie Luft verwendet. Zur Kühlung
der elektrischen Maschine kann in diese auch ein Wärmetauscher
integriert werden, wobei der Wärmetauscher
zur Kühlung
eines in der elektrischen Maschine verwendeten Kühlmediums vorgesehen ist. Eine
derartige elektrische Maschine ist beispielsweise aus der
DE 199 05 539 A1 bekannt.
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Um
einen Ständer
einer elektrischen Maschine zu kühlen,
können,
wie in der
DE 19749108
C1 vorgeschlagen, in Nuten des Ständerblechpaketes Kühlrohre
zur Durchleitung eines Kühlmediums
vorgesehen sein. Mittels des Kühlmediums,
welches z.B. Luft oder Wasser ist, lässt sich die Wärme abführen.
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Aus
der
DE 2716184 A1 ist
sowohl eine elektrische Maschine mit wassergekühltem Ständer und luftgekühltem Läufer als
auch eine einzig und allein luftgekühlte durchzugbelüftete elektrische
Maschine mit doppelseitiger oder einseitiger Belüftung bekannt. Bei Wasserkühlung des
Ständers
erfolgt die Kühlung über einen
Wassermantel. Nachteilig beim Stand der Technik ist die unzulängliche
Führung
des Wassers als flüssiges
Kühlmedium.
Weiterhin verhindert eine Kapselung bei der Kombination aus Wasser-
und Luftkühlung
eine optimale Kühlung
der elektrischen Maschine und erhöht die Kosten. Darüber hinaus
ergeben sich bei der offenbarten Kombination aus Wasser- und Luftkühlung konstruktionsbedingt
komplexe und teuere Aufbauformen der Kühlung, was einer kompakten
Bauweise entgegensteht. Im Fall der einzig und allein durchzugbelüfteten elektrischen
Maschine wird eine ansonsten wirksame Wasserkühlung des Ständers aufgegeben.
Hieraus ergibt sich eine verschlechterte Kühlung des Ständers und
eine daraus resultierende verschlechterte Ausschöpfung des Leistungspotentials,
bzw. der Lebensdauer der elektrischen Maschine. Weiterhin erzeugt
der bzw. erzeugen die zur Kühlung
von sowohl dem Ständer als
auch dem Läufer
notwendigen Lüfter
einen relativ hohen Geräuschpegel.
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Elektrische
Maschinen können
z.B. zum Antrieb schienengebundener Triebfahrzeuge eingesetzt werden.
Aus der
DE 25 14 265
A1 ist ein Beispiel eines derartiger Antrieb bekannt. Zur
Kühlung
des Antriebs ist ein Lüfter
vorgesehen. Eine weitere Kühleinrichtung
für einen
Antrieb eines Fahrzeuges ist aus der
DE 44 42 867 A1 bekannt. Diese Kühleinrichtung ist
zur Kühlung
der elektrischen Maschine, wie auch zur Kühlung der an dieser gehaltenen
Leistungsschalter vorgesehen, wobei hierfür ein Kühlmittelkreislauf vorgesehen
ist. Ein ähnliches
Kühlkonzept ist
auch aus der
DE 196
26 213 C2 bekannt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine elektrische Maschine der
eingangs genannten Art so auszubilden, dass bei guter Kühlleistung
auch eine kompakte Bauweise ermöglicht
ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einer elektrischen Maschine gelöst, welche die Merkmale nach
Anspruch 1 aufweist. Dabei ist ein Läufer der elektrischen Maschine
durchzugbelüftet,
wobei die elektrische Maschine zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgesehen
ist.
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Unter
Fahrzeugen sind eine Vielzahl von Mitteln zur Fortbewegung und/oder
des Transportes zu verstehen. Beispiele hierfür sind Schienenfahrzeuge, Kraftfahrzeuge
wie Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen. Gerade im Bereich der
Kraftfahrzeuge ist bereits eine Wasserkühlung für Verbrennungsmotoren bekannt,
welche auch als Wasserkühlung
bei einer elektrischen Maschine nutzbar ist. Insbesondere im Bereich
der Schienenfahrzeuge, d.h. der Bahnen finden bereits heute vielfach,
wenn nicht sogar hauptsächlich
Elektromotoren als Bahnmotoren Anwendung. Als Schienenfahrzeuge
sind beispielhaft Straßenbahnen,
Schwebebahnen, Loks oder Triebzüge zu
nennen. Elektrische Maschinen der Schienenfahrzeuge sind neben Gleichstrommaschinen
auch Wechselstrommaschinen, worunter Synchronmaschinen und in der
angesprochenen Verwendung insbesondere Asynchronmaschinen fallen.
Asynchronmaschinen sind u.a. robust und wartungsarm, weshalb sie
verstärkt
zum Antrieb von Schienenfahrzeugen Verwendung finden.
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Die
Kombination aus wassergekühltem Ständer und
durchzugbelüftetem
Läufer
bietet sehr gute Kühleigenschaften
bei geringem konstruktivem Aufwand. Sind der Ständer und der Läufer wassergekühlt, so
ergeben sich konstruktiv höhere
Aufwendungen und Kosten für
die Läuferkühlung, wie
diese bei wassergekühlten
Wellen einer elektrischen Maschine durch deren Rotationsbewegung
bereits bekannt sind. Für
den Fall eines luftgekühlten
Läufers mit
geschlossenem Innenkreis ist die Wärme zuerst an den Ständer und/oder
an das Gehäuse
der elektri schen Maschine abzugeben, bevor die Abgabe der Wärme durch
den Ständer
und/oder das Gehäuse
an die Umgebung erfolgt. Dieses Konzept des geschlossenen Innenkreises
ist durch die geminderte Kühlwirkung,
welche eine hohe thermische Belastung des Läufers nicht ausschließen kann
und die daraus resultierende verminderte Leistung und/oder eine
verminderte Lebensdauer der elektrischen Maschine bei einer entsprechenden
Auslegung von Nachteil. Die optimierte Kombination aus wassergekühltem Ständer und
durchzugbelüftetem
Läufer
führt einerseits zu
einer geringeren thermischen Belastung des Läufers, wobei damit beispielsweise
eine erhöhte
Lebenserwartung bzw. größere Wartungsintervalle
zu erzielen sind und andererseits zu einer höheren Leistungsdichte bzw.
Ausnutzung der elektrischen Maschine, welche sowohl Kostenvorteile
bietet als auch bei gleicher Leistung im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen
Maschinen eine kompaktere Bauweise ermöglicht.
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In
einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der
Ständer
Kühlkanäle auf.
Diese sind Teil des Ständerblechpaketes
und ermöglichen
auf diese Weise durch die Einsparung eines Kühlmantels mit Kühlkanälen für die Wasserkühlung einen
kompakteren Aufbau der gesamtem elektrischen Maschine. Die Kühlkanäle sind
verschieden ausführbar,
sei es in axialer oder auch radialer Richtung. Eine kompaktere Bauweise
ergibt sich zudem aus dem Umstand, dass kein geschlossener Innenkreis
für einen
internen Luftkreislauf ausgeführt
werden muss.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
weist die Maschine einen Kühlmantel
auf. Dieser weist Kühlkanäle auf und
liegt zumindest teilweise auf dem Ständer auf. Durch die Verwendung
eines Kühlmantels
ist vorteilhafter Weise der Aufbau der Wasserkühlung so gestaltet, dass der
Kühlmantel über den Ständer zumindest
teilweise hinausragt und somit in nicht unerheblichem Masse auch
zur Kühlung
der Wicklungsköpfe
beiträgt.
Im Gegensatz zu dem aus der
DE
2716184 bekannten Wassermantel bieten Kühlkanäle für die Wasserkühlung den
Vorteil einer gerichteten Kühlströmung und
Kühlwirkung.
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Weiterhin
ist eine elektrische Maschine besonders vorteilhaft, bei der die
Wicklungsköpfe
einen Verguss aufweisen. Durch einen Verguss der Wicklungsköpfe werden
die dem Fachmann diesbezüglich bekannten
Vorteile, wie der Schutz der Wicklungsköpfe oder deren Fixierung genutzt.
Darüber
hinaus ist der zumindest teilweise direkte Kontakt von Verguss und
Kühlmantel
vorteilhaft für
die Kühlung,
da durch die Wasserkühlung
ein schneller Abtransport der Wärme
gewährt
ist.
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Vorteilhafter
Weise weist der Verguss der Wicklungsköpfe oberflächenvergrößernde Strukturen auf. Der
Abtransport der Wärme
der Wicklungsköpfe
erfolgt nicht alleine über
die Kühleinrichtung des
Ständers,
d.h. über
den Kühlmantel
oder über Kühlkanäle der Ständernuten,
die vorteilhafter Weise zumindest teilweise über den Ständer hinausragen und vorzugsweise
mit in dem Verguss der Wicklungsköpfe liegen, sondern auch über die
Kühlluft
des durchzugbelüfteten
Läufers.
Zur Verbesserung der Kühlwirkung
durch die Kühlluft,
weist der Verguss der Wicklungsköpfe
zumindest im Bereich des Kontakts mit der Kühlluft zumindest teilweise
oberflächenvergrößernde Strukturen
auf. Dies kommt den erhöhten Kühlanforderungen
von Wicklungsköpfen
entgegen.
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Vorteilhafter
Weise weist die elektrische Maschine zumindest einen Fremdlüfter auf.
Der Fremdlüfter
erzeugt einen Luftstrom zur Durchzugbelüftung der elektrischen Maschine
und insbesondere zur Kühlung
des Läufers.
Fremdlüfter
sind vorteilhafter weise so einsetzbar, dass diese es ermöglichen, mehr
als eine elektrische Maschine mit einem Fremdlüfter zu belüften.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
weist die elektrische Maschine zumindest einen Eigenlüfter auf.
Eigenlüfter
bieten den Vorteil der Nutzung der Drehbewegung der Welle der elekt rischen
Maschine. Dadurch, dass die Luftkühlung mit der Wasserkühlung kombiniert
ist, reduziert sich die notwendige Kühlleistung des Lüfters im
Vergleich zu einer nur luftgekühlten
elektrischen Maschine. Dies bietet sowohl bei einem Eigenlüfter als
auch bei einem Fremdlüfter
den Vorteil einer kompakteren Bauweise, durch kleinere Lüfter. Weiterhin
wird durch die kleineren Lüftergrößen die
Geräuschemission
gemindert. Gerade auch dies ist ein Vorteil, da die Lärmbelastung
als Umweltbelastung anzusehen ist und gerade bei hohen Drehzahlen
zum tragen kommt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist als Eigenlüfter ein
Sauglüfter
vorgesehen. Bei Verwendung nur eines Eigenlüfters ist ein Sauglüfter von
Vorteil, da so stärkere
Verwirbelungen im Einlassbereich der Luft vermieden werden.
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Vorteilhafter
Weise ist die elektrische Maschine dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Teil der Kühlluft
durch die Wicklungsköpfe
geführt ist.
Wird auf einen Verguss der Wicklungsköpfe verzichtet oder befinden
sich im Verguss der Wicklungsköpfe
offene Kanäle,
so verbessert die zumindest teilweise Führung der Kühlluft durch die Wicklungsköpfe die
Kühlwirkung
auf die Wicklungsköpfe.
Diese verbesserte Kühlung
hat die allgemein schon benannten Vorteile wie beispielsweise eine
erhöhte Leistungsausnutzung
zur Folge.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
elektrische Maschine mit Kühlmantel
und einem Eigenlüfter,
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2 eine
elektrische Maschine mit Kühlmantel
und vergossenen Wicklungsköpfen,
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3 eine
elektrische Maschine mit Kühlmantel
und zwei Eigenlüftern
und
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4 eine
elektrische Maschine mit Kühlmantel
und durchzugbelüfteten
Wicklungsköpfen.
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Die
Darstellung gemäß 1 zeigt
den Querschnitt einer elektrischen Maschine, wobei allerdings nur
die obere Hälfte
des Querschnitts dargestellt ist, jedoch ein Großteil der Elemente eines ganzen
Schnitts durch Spiegelung an der Symmetrielinie 114 zu
erhalten ist. Die dargestellte elektrische Maschine ist eine Asynchronmaschine
mit einem Ständer
11, einem Läufer 12 und
Wicklungsköpfen 13. Sowohl
der Ständer 11 als
auch der Läufer 12 sind geblecht
ausgeführt,
wobei die Blechung 118 durch senkrechte Striche dargestellt
ist.
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Innerhalb
des Läufers 12 befindet
sich zumindest ein Läuferdurchtritt 17.
Läuferdurchtritte 17 sind
vorzugsweise rotationssymmetrisch innerhalb des Läufers 12 angeordnet
und dienen zur Durchleitung von Luft und zur Kühlung des Läufers 12. Mit Hilfe
von Pfeilketten 119 ist der Verlauf der Luft zur Kühlung dargestellt.
Der Eintritt der zur Kühlung
verwendeten Luft erfolgt gemäß der Pfeilkette 119 im
Bereich des Lufteintritts 15 und führt dann durch den bzw. die
Läuferdurchtritte 17 zum
Sauglüfter 14,
der die Luft ansaugt. Gemäß der Pfeilkette 119 in
der rechtsseitigen Figurenhälfte
tritt die durch den Sauglüfter 14 angesaugte
Luft durch den Luftaustritt 16 aus der Asynchronmaschine
aus. Sowohl der Lufteintritt 15 als auch der Luftaustritt 16 befinden
sich im schraffiert dargestellten Lagerschild 116 der elektrischen
Maschine. Ein zumindest teilweiser Verlauf der Luft im Luftspalt
zwischen dem Ständer 11 und
dem Läufer 12 ist
möglich,
jedoch in der 1 nicht dargestellt. Wird der
Raum in welchem sich der Läufer 12 befindet
an den Stirnseiten von etwas anderem als einem Lagerschild 116 begrenzt,
so sind auch in dieser Begrenzung Öffnungen zum Austausch von Luft
vorsehbar.
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Ist
der Läuferdurchtritt 17 nahe
dem Kurzschlussring 115 positioniert, so wird auch dieser durch
die Luft verstärkt
gekühlt.
Der Sauglüfter 14 erfüllt die
Aufgabe die Luft über den
Lufteintritt 15 anzusaugen um nach erfolgter Kühlung des
Läufers 12 diese über den
Luftaustritt 16 aus der elektrischen Maschine herauszudrücken. Dabei
ist der Sauglüfter 14 auf
der Welle 122 aufgesetzt und dreht sich mit dieser in rotatorischer
Bewegungsrichtung. Die Schaufeln 117 des Sauglüfters 14 sind
so ausgebildet, dass eine hohe Saugleistung erzielt wird und der zur
Verfügung
stehende Raum optimal ausgenutzt ist.
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In
der vorliegenden 1 sind die Außenseiten
der beispielhaft gezeigten Schaufel 117 gerundet, wobei
die rechtsseitige Hälfte
der Schaufel 117 verstärkt
ausgeführt
ist. Durch das Lager 113 ist die den Läufer 12 und den Sauglüfter 14 tragende
Welle 122 drehbar aufgehängt. Aus 1 ist
klar ersichtlich, dass die dargestellte Durchzugbelüftung den
Läufer 12 gut
kühlt,
wobei allerdings auch Kühleffekte
bezüglich
des Ständers 11 nicht
zuletzt durch den Luftspalt zwischen Ständer 11 und Läufer 12 auftreten
und weitere Kühleffekte
bezüglich
der Wicklungsköpfe 13 sich
auch durch den Kontakt von Luft, welche als Kühlluft verwendbar ist, mit
diesen ergeben.
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An
das Lagerschild 116, welches in der 1 schräg von unten
links nach oben rechts schraffiert ist, schließt sich in der oberen Bildhälfte ein
umgekehrt schraffierter Kühlmantel 111 an.
Dieser weist halbrunde Kühlkanäle 18 auf,
wobei diese von einem flüssigen
Kühlmedium,
vorzugsweise Wasser durchflossen werden. Das zur Kühlung des Ständers 11 verwendete
flüssige
Kühlmedium
wird über
den Kühlkanaleinlass 19 in
die Kühlkanäle 18 geführt um nach
erfolgter Kühlwirkung
bzw. nach Durchlauf der Kühlkanäle 18 über den
Kühlkanalauslass 110 den
Kühlkanal 18 wieder
zu verlassen. Der Kühlmantel 111 dient
hauptsächlich
zur Kühlung
des Ständers 11,
wobei auch über
Konvektion und Wärmeleitung
eine Kühlwirkung
bezüglich
der Wicklungsköpfe 13 bzw.
auch gegenüber
dem Läufer 12 erzielbar
ist. Der Vorteil der Kombination von wassergekühlten Ständer 11 und durchzugsbelüfteten Läufer 12 ist
die im Vergleich zu einer reinen Luftkühlung von Ständer 11 und
Läufer 12 und
zu einem geschlossenen Luftinnenkreis mit wassergekühlten Ständer 11 die
verbesserte Kühlung.
Durch diese auch auf kostengünstige
Weise erzielbare Verbesserung kann auch die Leistungsausschöpfung der
elektrischen Maschine erhöht
werden und es ist ein kompakter Aufbau erreichbar.
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Die
Darstellung gemäß 2 zeigt
eine elektrische Maschine in der Ausführung einer Asynchronmaschine, ähnlich wie
in 1. Gleiche Elemente der 1 bis 4 werden
mit den selben Bezugszeichen und Ziffern bezeichnet, wobei die jeweils
führende
Ziffer die entsprechende FIG von 1 bis 4 kennzeichnet.
Identische Funktions- und Wirkungszusammenhänge der 1 bis 4 sind
nur in der Beschreibung zu 1 beschrieben, beziehen
sich jedoch sinngemäß auch auf
die 2 bis 4.
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Im
Gegensatz zur 1 sind in 2 die Wicklungsköpfe 23 mit
einem Verguss 220 vergossen. Der Verguss 220 ist
zumindest teilweise in wärmeleitendem
Kontakt mit dem Kühlmantel 211,
so dass eine verstärkte
Wärmeabfuhr über den
wassergekühlten
Kühlmantel 211 erfolgt.
Im Bereich der Kontaktfläche
zwischen Verguss 220 und der Luft deren hauptsächlicher
Verlauf durch die Pfeilkette 219 vorgegeben ist, ist eine
strukturierte Oberfläche 221 ausgeführt. Durch
die oberflächenvergrößernde Struktur
vergrößert sich
die der Luft zur Kühlung
ausgesetzte Oberfläche,
so dass mehr Wärme
von den Wicklungsköpfen 23 abgegeben
werden kann. Die strukturierte Oberfläche ist gemäß den Strömungsrichtungen die durch die
Pfeilkette 219 angedeutet sind auszuführen, wobei eben diese der
Strömung der
Luft dienlich ist. Demzufolge ist es vorteilhaft, keilförmige Strukturen
wie sie beispielhaft in der 2 als strukturierte
Oberfläche 221 angedeutet sind,
um 90° gedreht
auszuführen.
Die Darstellung in der gezeigten Form ergab sich aus Gründen der
Anschaulichkeit und figürlichen
Darstellbarkeit in einem Querschnitt wie 2. Damit
der Verguss 220 den Luftaustritt 26 in der Ausführungsform
von 1 nicht überdeckt,
wurde in 2 der Luftaustritt 26 zur Welle 222 innerhalb
des Lagerschildes 216 verschoben.
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Die
Darstellung gemäß 3 zeigt, ähnlich wie 1 eine
Asynchronmaschine. Gleiche Elemente wurden mit den selben Bezugszeichen
wie in 1 versehen, wobei als führende Ziffer nicht die 1 sondern
die 3 gewählt
wurde. Im Vergleich zur 1 wird in 3 ein
weiterer Lüfter
eingeführt.
Der zusätzliche
als Drucklüfter 320 ausgeführte Lüfter ist
als Eigenlüfter
auf die Welle 322 aufgesetzt und führt mit dieser die gleichen
rotatorischen Bewegungen durch. Da sich der Drucklüfter 320 in
seiner Funktion von dem Sauglüfter 34 unterscheidet,
ergeben sich vorteilhafter Weise Änderungen in der Form der Schaufel,
welche in ihrer Unterschiedlichkeit jedoch nicht dargestellt sind.
Der Drucklüfter 320 zieht über den Lufteintritt 35 Luft
entsprechend der Pfeilkette 319 an und drückt diese über die
Läuferdurchtritte 37 zum Sauglüfter 34,
welcher den Drucklüfter 320 unterstützt und
die erwärmte
Luft über
den Luftaustritt 36 aus der Maschine führt. Aufgrund der Verwendung zweier
Eigenlüfter
kann die durchgeführte
Luftmenge erhöht
und somit auch eine bessere Kühlwirkung
erzielt werden.
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Die
Darstellung gemäß 4 zeigt
eine elektrische Maschine als Asynchronmaschine ähnlich wie 1,
wobei gleiche Elemente mit den selben Bezugszeichen wie in 1 versehen,
jedoch als führende
Ziffer nicht die 1 sondern die 4 gewählt wurde. Im Vergleich zur 1 ist
sowohl der Lufteintritt 45 als auch der Luftaustritt 46 innerhalb
des Lagerschildes 416 näher
zum Kühlmantel 411 gerückt. Ziel
dieser Veränderung
ist es, eine zumindest teilweise Durchströmung der Wicklungsköpfe 43 durch die
Luft, welche in ihrem Verlauf durch die Pfeilkette 419 dargestellt
ist, zu erreichen um besser zu kühlen. Der
Pfeil durch den Wicklungskopf 420 gibt an, dass zumindest
ein Teil der Luft die über
den Lufteintritt 45 zugeführt wird, durch den Wicklungskopf 43 strömt und diesen
zusammen mit der Luft, welche am Wicklungskopf 43 vorbeiströmt, verstärkt kühlt. Nach
der Kühlung
des Wicklungskopfes 43 wird die Luft über den bzw. die Läuferdurchtritte 47 in
die rechtsseitige Hälfte
der dargestellten elektrischen Maschine geführt, wobei sie durch den Sauglüfter 44 angesogen wird. Über den
Sauglüfter 44 wird
die Luft zur Kühlung ähnlich wie
beim Lufteintritt 45 über
den rechtsseitigen Wicklungskopf 43 zum Luftaustritt 46 geführt. Der
Verlauf der Luft erfolgt vorteilhafter Weise wie beim linksseitigen
Wicklungskopf 43, sowohl durch diesen als auch an diesen
vorbei, so dass im Vergleich zur 1 eine verbesserte
Kühlung
der Wicklungsköpfe 43 erzielbar
ist.