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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung einer flüssigkeitsgekühlten elektrischen
Maschine mit einem Kühlsystem,
wobei das Kühlsystem einen
Kühlgrundkörper und
einen Kühlmantelkörper aufweist
und wobei zwischen Kühlgrundkörper und Kühlmantelkörper eine
Kühlstruktur
angeordnet ist.
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Kühlsysteme
dienen dazu, Bauteile vor thermischer Überlastung zu schützen, indem
die überschüssige Wärme abgeleitet
wird. Das Kühlsystem beinhaltet
beispielsweise eine Flüssigkeitskühlung, wobei
das wärmeabführende Kühlmittel
beispielsweise Wasser ist. Die entstehende Wärme wird dabei durch das Kühlmittel
aufgenommen und beispielsweise über
einen Wärmetauscher
bzw. Wärmeübertrager
oder einen Kühler,
beispielsweise an die Umgebungsluft, abgegeben. Die Kühleinrichtung
kann beispielsweise auch eine Pumpe für eine pumpengesteuerte Zwangsumlaufkühlung aufweisen.
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Kühlsysteme
für flüssigkeitsgekühlte elektrische
Maschinen sind beispielsweise aus Eisen oder Stahl hergestellt.
Durch den Einsatz von beispielsweise Wasser als Kühlmittel
ist das Kühlsystem
Korrosion ausgesetzt, wodurch eine Beschädigung bis hin zur Zerstörung des
Bauteils, d.h. des Kühlsystems,
erfolgt. Das Korrosionsprodukt, welches aus Eisen oder Stahl zusammen
mit Wasser und Sauerstoff entsteht, wird als Rost bezeichnet. Um
ein Bauteil, beispielsweise das Kühlsystem, möglichst lange zu erhalten,
ist es aus Gründen
der Wirtschaftlichkeit und des Umweltschutzes hinsichtlich des Umgangs mit
natürlichen
Ressourcen notwendig, das Bauteil durch Beschichten vor Korrosion
und Rost zu schützen.
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Bisherige
Kühlsysteme
bzw. Kühlkörper von Elektromotoren
werden beispielsweise durch ein Kühlmedium, beispielsweise Was ser,
beaufschlagt, wobei dem Kühlmedium
entsprechende Inhibitoren, d.h. korrosionshemmende Substanzen, zugegeben werden.
Die Sauerstoffkorrosion in geschlossenen Kühlsystemen ist durch den sukzessiven
Verbrauch des Sauerstoffs begrenzt. Nachteilig dabei ist, dass solche
Inhibitoren für
Kühlsysteme,
die beispielsweise mit Brunnen- oder Seewasser betrieben werden, aus
Umweltaspekten nicht geeignet sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte elektrische
Maschine bereitzustellen, welches einen ausreichenden Korrosionsschutz
aufweist und wobei der Korrosionsschutz möglichst einfach herstellbar
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Durch
die Anordnung eines Kühlsystems wird
eine Überhitzung
der elektrischen Maschine im Betrieb vermieden. Eine Überhitzung
ist nicht erwünscht,
da diese die Bauelemente belastet und deren Lebensdauer verkürzt. Dies
führt zu
zusätzlichen Kosten
für die
Reparatur bzw. Neuanschaffung der Bauelemente.
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Erfindungsgemäß beinhaltet
die Anordnung zur Kühlung
einer flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschine
ein Kühlsystem,
wobei das Kühlsystem
einen Kühlgrundkörper und
einen Kühlmantelkörper aufweist.
Zwischen Kühlgrundkörper und
Kühlmantelkörper ist
eine Kühlstruktur
angeordnet. Die Kühlstruktur
weist eine korrosionsbeständige
Oberflächenschicht
auf.
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Beim
Einsatz des Kühlsystems
für eine
rotatorische Maschine ist der Kühlgrundkörper beispielsweise
als zylinderförmiger
Hohlkörper
ausgebildet, wobei auf der äußeren Fläche des
Hohlzylinders die Kühlstruktur
angeordnet ist. An bzw. auf der Kühlstruktur ist der Kühlmantelkörper angeordnet.
Das Kühlsystem
ist am Stator der elektrischen Maschine angeordnet, d.h. das Kühlsystem
umschließt
den Stator der elektri schen Maschine, wobei die elektrische Maschine
vorzugsweise als Innenläufermaschine
ausgebildet ist. Das Kühlsystem
ist somit als Oberflächenkühlung ausgebildet,
wobei der Stator vom Kühlmittel
umströmt
wird.
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Das
gesamte Kühlsystem
ist ebenso hohlzylindrisch ausgebildet. Das Kühlsystem, welches als Kühlmantelsystem
ausgebildet ist, wird im Ganzen durch Aufschrumpfen auf den Stator
aufgebracht. Das Kühlmantelsystem
wird erwärmt,
wodurch es sich ausdehnt, und bei entsprechender Ausdehnung auf
den Stator aufgeschoben. Nach Abkühlung ist das Kühlsystem
fest am Stator angeordnet.
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Die
Kühlstruktur
weist vorzugsweise eine Wendelnut auf oder die Kühlstruktur selbst ist als Wendelnut
ausgebildet. Die Wendelnut ist am Kühlgrundkörper schraubenförmig bzw.
radial umlaufend um die äußere Fläche des
Kühlgrundkörpers, der
beispielsweise als Hohlzylinder ausgebildet ist, angeordnet, wobei
die Wendelnut in Richtung des Kühlmantelkörpers offen
ist. Kühlgrundkörper und
Kühlstruktur
können
dabei ein- oder zweiteilig ausgebildet sein. Bei einteiliger Ausbildung
von Kühlgrundkörper und
Kühlstruktur
kann die Wendelnut beispielsweise durch mechanische Bearbeitung,
beispielsweise durch Drehen oder Fräsen, hergestellt werden. Auch könnte die
Kühlwendelnut
durch Umformen des Kühlgrundkörpers hergestellt
werden. Bei zweiteiliger Ausbildung kann eine Wendelnut beispielsweise durch
einen umlaufenden Steg, welcher an den Kühlgrundkörper angeschweißt wird,
gebildet werden. In den Zwischenräumen der einzelnen Stegabschnitte entsteht
zwangsläufig
eine Nut.
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Die
radial in Umfangsrichtung des Kühlgrundkörpers ausgebildete
Kühlwendelnut
kann auch derart ausgebildet sein, dass die Wendelnut in axialer
Richtung (in Bezug auf die Drehwelle der elektrischen Maschine)
verläuft.
Die Kühlwendel könnte beispielsweise
mäanderförmig um
den Kühlgrundkörper herum
angeordnet sein.
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Auch
kann die Kühlwendel
verschiedene Steigungen und/oder verschiedene axiale Abstände aufweisen.
Besteht beispielsweise ein hoher Kühlbedarf, so ist der axiale
Abstand zwischen den einzelnen Wendelnutabschnitten klein ausgebildet,
d.h. die einzelnen Nutabschnitte liegen axial eng nebeneinander.
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Vorteilhafterweise
ist die korrosionsbeständige
Oberflächenschicht
als Zinkschicht mittels Hochtemperaturverzinkung (HTV) ausgebildet.
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Das
Hochtemperaturverzinken (HTV) ist eine spezielle Form des Feuerverzinkens.
Unter Feuerverzinken versteht man das Überziehen von Stahlteilen mit
einem massiven, metallischen Zinküberzug durch Eintauchen der
vorbehandelten Stahlteile in eine Schmelze aus flüssigem Zink.
Das Feuerverzinken selbst vollzieht sich in einem Zinkbad, dessen Betriebstemperatur
zwischen 440°C
und 460°C
liegt. Da die Schmelztemperatur von Zink bei 419°C liegt, ist dieser Wert im
Allgemeinen ausreichend.
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Die
Haltbarkeit zeichnet das Feuerverzinken vor anderen Korrosionsschutzverfahren
aus. Selbst unter extremen Belastungen schützt eine Feuerverzinkung den
Stahl jahrzehntelang. Der Grund für die Langlebigkeit einer Feuerverzinkung
ist die untrennbare Verbindung, die Zink und Stahl eingehen. Beim Feuerverzinken
läuft eine
metallurgische Reaktion ab, bei der Stahl und Zink gemeinsame Eisen-Zink-Legierungsschichten
bilden, über
die sich in der Regel noch eine Reinzinkschicht legt. Die Schichtdicke
liegt üblicherweise
zwischen 50 μm
und 150 μm.
Durch die Legierung wird dieser Korrosionsschutz unerreicht hart,
abriebfest und widerstandsfähig
und hält
deshalb auch starken mechanischen Belastungen mühelos stand.
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Die
Hochtemperaturverzinkung weist entscheidende Vorteile gegenüber dem
konventionellen Verzinken auf. Es handelt sich um ein Tauch-Verzinkungsverfahren,
bei dem die speziellen Eigenschaften der Legierungsphasen Zink (Zn)
und Eisen (Fe) bei Temperaturen von 530°C bis 620°C ausgenutzt werden. Durch die hohen
Temperaturen verändert sich
der Aufbau der Legierungsschichten. Es kommt zu einem homogenen
Schichtwachstum. Die so entstehende Oberfläche zeichnet sich durch eine
hohe Mikrohärte
aus. Ferner wird durch die hohen Temperaturen eine besonders dünne und
gleichmäßige Legierungsschicht
gewährleistet.
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Die
bekannten Qualitätsmerkmale
der Feuerverzinkung wie Langlebigkeit, katholischer Selbstheilungseffekt
und Preiswürdigkeit
sind der HTV ebenfalls gegeben.
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Wie
bereits beschrieben, weist das Kühlsystem
eine schwer zugängliche
innen liegende Kühlstruktur
mit komplexer Geometrie auf. Entsprechend der Spezifikation des
Kühlmittels,
nämlich
Wasser, ergibt sich eine hohe korrosive Beanspruchung für das Kühlsystem.
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Das
Kühlsystem
ist vorzugsweise eine mechanisch geschlossene und somit flüssigkeitsdichte Schweißkonstruktion
aus Stahl, insbesondere St52, mit einer komplexen und schwer zugänglichen,
d.h. innen liegenden, Kühlstruktur.
Das Kühlsystem
wird zunächst
mit Kühlgrundkörper, Kühlstruktur
und Kühlmantelkörper gefertigt.
Anschließend
wird das gesamte Kühlsystem
in ein Hochtemperaturzinkbad getaucht. Da das Kühlsystem, insbesondere der Kühlmantelkörper, einen
Zulauf und eine Ablauf für das
Kühlmittel
aufweist, können
dieser Zu- und Ablauf gleichzeitig als Zu- und Ablauf für das flüssige Zink
dienen. Das flüssige
Zink, welches eine sehr niedrige Viskosität aufweist, tritt durch den
Zulauf in die Kühlstruktur
ein, beschichtet die Kühlstruktur
und tritt anschließend
durch den Ablauf aus dem Kühlsystem
heraus.
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Das
Kühlsystem
kann auch aus zwei Teilen bestehen, wobei das Kühlsystem beispielsweise durch
einen axialen Schnitt (in Bezug auf die Drehwelle des Elektromotors)
in zwei Teile geteilt wird. Der Vorteil besteht darin, dass eine
Beschichtung der Kühlstruktur
im Zinkbad einfacher ist, da die Kühlwendelnut leichter für das Beschichtungsmaterial
zugänglich
ist.
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Nachteilig
ist jedoch, dass die Teile später
zu einem Kühlsystem
zusammengefügt
werden muss, beispielsweise durch Schweißen, wodurch aber die Verzinkung
beschädigt
werden kann.
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Durch
die Hochtemperaturverzinkung (HTV) ist es möglich, die komplexe Innenkontur
durchgängig
und aufgrund der niedrigen Viskosität des Beschichtungsmaterials
bis in die kleinsten Hohlräume zu
beschichten. Beim herkömmlichen
Feuerverzinken würde
die Schmelze beim Gang durch die lange Kühlwendelnut frühzeitig
erstarren und ein Verstopfen dieser Nuten verursachen.
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Durch
die Oberflächenveredelung
mittels Zinkschicht ist ein temporärer Korrosionsschutz gewährleistet.
Dadurch ergibt sich eine verlängerte
Lebensdauer des Kühlsystems
beim Einsatz in einem geschlossenen Kühlkreislauf.
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Der
Vorteil des HTV liegt in der kurzen Prozessdauer und den niedrigen
Kosten des Prozesses. Der prinzipielle Vorteil des Verzinkens ist
der so genannte Selbstheilungsprozess der Oberflächenschicht. Etwaige Verletzungen
(Fehlstellen) der Oberflächenschicht
würden
sich aufgrund der Potentialunterschiede (Zink unedler als Stahl)
in gewissen Grenzen selbst schließen.
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In
vorteilhafter Weise ist das Kühlmittel
Wasser, wie beispielsweise kaltes Stadtwasser oder gefiltertes Brunnen-,
See- oder Flusssüßwasser.
Das Kühlmittel
kann aber auch jede andere Kühlflüssigkeit
sein.
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Vorzugsweise
ist das Kühlsystem
für Durchflusssysteme
geeignet. Durchflusssysteme zeichnen sich dadurch aus, dass als
Kühlmittel
nicht nur reines oder destilliertes Wasser, sondern auch Brunnen-, See-
oder Flusswasser verwendet werden kann, d.h. Wasser, welches üblicherweise
Schmutzpartikel enthält.
Das Kühlmittel
wird durch einen Zulauf in das Kühlsystem
hinein geleitet, strömt
dann durch die Kühlwendelnut und
nimmt dabei die Verlustwärme der
elektrischen Maschine auf und tritt anschließend aus einem Ablauf aus dem
Kühlsystem
aus. Das Kühlwasser
gibt die Wärme über einen
Wärmetauscher
oder Radiator an die Umgebungsluft ab. Das nun wieder abgekühlte Wasser
durchläuft
erneut das Kühlsystem,
wobei beispielsweise eine Pumpe für die Wasserzirkulation sorgt.
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Die
Anordnung zur Kühlung
des flüssigkeitsgekühlten Elektromotors
kann auch mehrere separate Kühlsysteme
aufweisen, beispielsweise wenn der Elektromotor eine große axiale
Länge aufweist.
Die mehreren Kühlsysteme
sind dann nebeneinander in axialer Länge angeordnet und miteinander
verbunden, wobei die Kühlsysteme
parallel und/oder seriell verschaltet sein können.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist das Kühlsystem gleichzeitig als Gehäuse für die elektrische Maschine
ausgebildet. Ein Gehäuse
schützt
die elektrische Maschine vor Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Schmutz.
Wie bereits geschildert, umschließt das Kühlsystem den Stator der elektrischen Maschine,
wobei die elektrische Maschine vorzugsweise als Innenläufermaschine
ausgebildet ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kühlsystem
in seiner axialen Ausdehnung nun so ausgebildet, dass es länger als
der Stator ausgebildet ist und auch, sofern vorhanden, Wickelköpfe des
Stators überdeckt. Somit
werden die Wickelköpfe
gleichzeitig geschützt und
durch das Kühlsystem
gekühlt.
Ein zusätzliches Gehäusebauteil
ist somit nicht notwendig, wodurch Material eingespart und die Produktionskosten
gesenkt werden.
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Die
elektrische Maschine ist vorzugsweise als rotatorischer permanenterregter
Synchronmotor bzw. Servosynchronmotor ausgebildet, wobei der Synchronmotor
als Innenläufer-
oder Außenläufermaschine
ausgebildet sein kann.
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Das
Kühlsystem
der wassergekühlten
elektrischen Maschine ist so ausgelegt sein, dass ein Betrieb der
elektrische Maschine bzw. des Elektromotors in einem Durchflusssystem
mit Schutz vor Korrosion betrieben werden kann.
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten
der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei
sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle
Ausführungsbeispiele übertragbar.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Kühlung einer elektrischen
Maschine;
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2 eine
Schnittdarstellung der Anordnung gemäß 1;
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3 ein
erstes Ausführungsbeispiel
für eine
Kühlwendelnut;
und
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4 ein
zweites Ausführungsbeispiel
für eine
Kühlwendelnut.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Kühlsystems 1 zur Kühlung einer
nicht dargestellten elektrischen Maschine. Das Kühlsystem 1 weist den
Kühlgrundkörper 2 und
den Kühlmantelkörper 4 auf.
Zwischen Kühlgrundkörper 2 und
Kühlmantelkörper 4 ist
eine Kühlstruktur 3 angeordnet,
welche korrosionsbeständig
oberflächenbeschichtet
ist.
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Gemäß 1 ist
das Kühlsystem 1 für eine nicht
dargestellte rotatorische Maschine vorgesehen. Der Kühlgrundkörper 2 ist
als zylinderförmiger
Hohlkörper
ausgebildet, wobei auf der äußeren Fläche 2a des
hohlzylindrischen Kühlgrundkörpers 2 die
Kühlstruktur 3 angeordnet
ist. An bzw. auf der Kühlstruktur 3 ist
der Kühlmantelkörper 4 angeordnet.
Das Kühlsystem 1 ist
an einem nicht gezeigten Stator einer nicht gezeigten elektrischen
Maschine angeordnet, d.h. das Kühlsystem 1 umschließt den Stator
der elektrischen Maschine. Das komplette Kühlsystem 1 ist ebenso
hohlzylindrisch ausgebildet.
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Die
Kühlstruktur 3 ist
als Kühlwendelnut 3a ausgebildet.
Die Wendelnut 3a ist am Kühlgrundkörper 2 schraubenförmig bzw.
radial umlaufend um die äußere Fläche 2a des
Kühlgrundkörpers 2 angeordnet,
wobei die Wendelnut 3a in Richtung des Kühlmantelkörpers 4 offen
ist. Kühlgrundkörper 2 und Kühlstruktur 3 sind
eineilig ausgebildet. Die Kühlstruktur 3 ist
durch mechanische Bearbeitung, beispielsweise durch Drehen oder
Fräsen,
hergestellt. Die Kühlstruktur 3 bzw.
die Kühlwendel 3a weist
eine korrosionsbeständige
Zinkschicht auf, welche mittels Hochtemperaturverzinkung (HTV) ausgebildet
ist.
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Das
Kühlsystem 1,
insbesondere der Kühlmantelkörper 4,
weist ferner einen Zulauf 5a und einen Ablauf 5b für ein Kühlmittel
auf. Der Zulauf 5a kann selbstverständlich auch als Ablauf 5b und
der Ablauf 5b als Zulauf 5a dienen. Weiterhin
können
Zu- und Ablauf 5a, 5b gleichzeitig
als Zu- und Ablauf für das
Hochtemperaturverzinken, d.h. für
das flüssige Zink,
dienen. Das flüssige
Zink, welches eine sehr niedrige Viskosität aufweist, tritt beispielsweise
durch den Zulauf 5a in die Kühlwendelnut 3a ein,
beschichtet diese und tritt anschließend durch den Ablauf 5b aus
dem Kühlsystem 1 heraus.
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2 zeigt
eine Schnittdarstellung der Anordnung gemäß 1. Die Darstellung
nach 2 zeigt einen axialen Schnitt durch das Kühlsystem 1 parallel
zu einer nicht gezeigten Drehwelle einer nicht gezeigten elektrischen
Maschine. 2 zeigt, dass Kühlgrundkörper 2 und
Kühlstruktur 3,
welche als Kühlwendelnut 3a ausgebildet
ist, einteilig ausgebildet sind. Oberhalb der Kühlwendelnut 3a ist
der Kühlmantelkörper, welcher
beispielsweise als einfaches Blech ausgebildet ist, angeordnet und
schließt
somit das Kühlsystem 1 nach
außen
hin ab. Das Kühlsystem 1 ist
auf den angedeuteten Stator 6 eines nicht näher dargestellten
Elektromotors aufgeschrumpft. Der elektrische Antrieb ist beispielsweise
als permanenterregter Synchronmotor bzw. Servosynchronmotor ausgebildet.
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3 und 4 zeigen
Ausführungsbeispiele
für eine
Kühlstruktur 3. 3 zeigt
eine radial umlaufende Kühlwendelnut 3a,
wie sie auch in 1 dargestellt ist. Die radial
in Umfangsrichtung des Kühlgrundkörpers 2 ausgebildete
Kühlwendelnut 3a gemäß 3 kann
auch derart ausgebildet sein, dass die Wendelnut 3a in
axialer Richtung in Bezug auf die angedeutete Drehwelle 7 einer
nicht naher gezeigten elektrischen Maschine verlauft (4). Die
Kühlwendel 3a nach 4 ist
mäanderförmig um den
Kühlgrundkörper 2 herum
angeordnet. Weiterhin zeigen 3 und 4 eine
angedeutete Drehwelle 7 eines Elektromotors sowie angedeuteten
Zu- und Ablauf 5a, 5b für das Kühlmittel.