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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäusesegments für eine elektrische Maschine, wobei zunächst ein Metallelement zu einer ersten Gehäusesegmentform umgeformt wird und eine Mehrzahl von Kühlrippenelementen mit der Außenfläche der ersten Gehäusesegmentform verbunden werden, wodurch eine zweite Gehäusesegmentform entsteht. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für eine elektrische Maschine durch Herstellen von solchen Gehäusesegmenten und Verbinden der Gehäusesegmente zu dem Gehäuse.
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Rotierende elektrische Maschinen besitzen in der Regel einen in einem Gehäuse festsitzenden Stator, der wiederum mit einer in Nuten befindlichen Wicklung versehen ist, und einen Rotor, der innerhalb des Stators drehbar gelagert ist. Der Stator und der Rotor sind durch einen Luftspalt voneinander getrennt. Beim Betrieb von elektrischen Maschinen entstehen unweigerlich Verluste, die zu einer unerwünschten Erwärmung von Teilen der Maschine, insbesondere der Ständerwicklung mit deren Isolation, führen. Die einzelnen Teile der elektrischen Maschine müssen daher besonders effektiv gekühlt werden. Zu diesem Zweck kann ein außen angebrachter Lüfter verwendet werden, der dem Gehäuse kühlende Umgebungsluft zuführt. Diese so genannten Eigenlüfter sind in der Regel auf der Welle an der Nichtantriebsseite angeordnet (Kühlart IC 411). Zum anderen kann ein außen angebrachter Fremdlüfter, welcher axial oder radial angebaut sein kann, die Aufgabe der Kühlluftzufuhr übernehmen (Kühlart IC 416). Zudem besteht die Möglichkeit, dass sich das Gehäuse in einem Kühlluftstrom befindet, und von diesem gekühlt wird. Bei dieser Ausführung, welche beispielsweise bei Ventilatorantrieben gegeben ist, wird kein zusätzlicher Außenlüfter benötigt.
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Gehäuse für elektrische Maschinen, insbesondere im Baugrößenbereich 355 bis 630, werden typischerweise entweder aus Stahl oder aus Grauguss gefertigt. Bei Gehäusen aus Stahl werden die Kühlrippen an die Gehäuseaußenwand sternförmig angeschweißt. Da aus schweißtechnischen Gründen, wie z. B. der Führung der Elektrode, der Qualität der Schweißnaht oder aus Gründen des rationellen Schweißens, sowohl ein bestimmter Mindestwinkel zwischen der Elektrode und der anzuschweißenden Kühlrippe, als auch ein Mindestabstand zwischen dem benachbarten Kühlrippen erforderlich ist, ist somit auch die Anzahl der Kühlrippen je nach Gehäusebaugröße begrenzt. Daher wird die wirksame Kühloberfläche verringert, welche wiederum die Wärmeabgabe des jeweiligen Motors bzw. Generators und demzufolge dessen mechanische bzw. elektrische Leistung bestimmt. Der Vorteil eines Stahlgehäuses liegt darin, dass keine teuren Gussformen erforderlich sind und ein Stahlgehäuse mit überschaubarem Aufwand an die jeweiligen Erfordernisse bezüglich Fußmaße, Anbauten oder dergleichen angepasst werden kann. Solche Motoren sind beispielsweise von der LOHER GmbH unter dem Handelsnamen LOHER-VARIO bekannt und in dem Katalog „Rippengekühlte Motoren für Öl, Gas, Chemie und Petrochemie – Loher CHEMSTAR und Loher VARIO Motoren”, Loher GmbH, 2008, beschrieben.
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Gehäuse für elektrische Maschinen aus Grauguss werden aus mehreren Gehäusesegmenten gießtechnisch zusammengefügt. Derartige elektrische Maschinen sind beispielsweise unter dem Handelsnamen H-Compact oder N-Compact von der Anmelderin bekannt und in der Broschüre „ac-motoren – GROSSANTRIEBE”, Siemens AG, 2007, beschrieben. Dabei sind die Kühlrippen an den einzelnen Segmenten des Gehäuses parallel zueinander angeordnet. Dadurch wird einerseits das Ausformen nach dem Abguss erleichtert und andererseits die wärmeabgebende Oberfläche gegenüber einem Gehäuse mit sternförmig angebrachten Kühlrippen um ca. 12% bis 20% erhöht. Bei diesen Gehäusetypen sind die Kühlrippen typischerweise länger und parallel zueinander angeordnet. Aus diesem Grund strömt die Kühlluft günstiger durch die Kühlrippen und der kühlende Luftstrom löst sich nicht so schnell von dem Gehäusemantel ab, wie dies beispielsweise bei sternförmig angeordneten Kühlrippen der Fall ist. Somit kann eine merkliche Steigerung der Motor- bzw. Generatorleistung mit einem derartigen Gehäuse erreicht werden. Eventuelle Variationen an den Gehäusen sind allerdings nur durch aufwendige Änderungen an dem Gussmodell möglich und scheiden dadurch in der Praxis aus. Die Herstellung bzw. der Kauf eines standardisierten Gehäuses aus Grauguss ist in der Regel kostengünstiger als ein entsprechendes Gehäuse aus Stahl.
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Die
DE 20 2005 004 720 U1 beschreibt eine Kühleinrichtung für eine elektrische Maschine mit einem ein Gehäuse der Maschine umgebenden Außenmantel und mindestens einem zwischen dem Außenmantel und dem Gehäuse verlaufenden Kühlkanal. Dabei ist der mindestens eine Kühlkanal durch zumindest einen im Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und dem Außenmantel angeordneten Trennsteg gebildet. Der Trennsteg ist aus einem Wandelement gebildet, das aus dem Material des Außenmantels und/oder des Gehäuses einstückig geformt ist. Dabei kann das Wandelement durch Umformen gebildet sein.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für eine elektrische Maschine zu schaffen, wobei durch das Gehäuse eine besonders effektive Kühlung der elektrischen Maschine ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäusesegments für eine elektrische Maschine durch Umformen eines Metallelements zu einer ersten Gehäusesegmentform, die eine Form eines Hohlzylindersegments mit einer ersten Krümmung an einem vorgegebenen Punkt aufweist, und Verbinden einer Mehrzahl von Kühlrippenelementen mit einer Außenfläche der ersten Gehäusesegmentform, wodurch eine zweite Gehäusesegmentform entsteht, gekennzeichnet durch das Umformen der zweiten Gehäusesegmentform zu dem Gehäusesegment, wobei die erste Krümmung an dem vorgegebenen Punkt zu einer zweiten Krümmung verkleinert wird.
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Ein Gehäuse für eine elektrische Maschine wird aus mehreren Gehäusesegmenten zusammengesetzt. Zur Herstellung eines Gehäusesegments wird zunächst ein plattenförmiges Metallelement, welches beispielsweise aus Stahl besteht, derart umgeformt, dass es in einem vorgegebenen Punkt eine wesentlich höhere Krümmung bezogen auf die Krümmung des späteren Gehäusesegments aufweist. Diese Krümmung bzw. der Krümmungsradius sollte für jede Baugröße des Gehäuses vor der Herstellung mithilfe analytischer oder numerischer Verfahren berechnet werden. Hierbei sollte das Material und die Geometrie des Metallelements in die Berechnungen einbezogen werden. Diese erste Gehäusesegmentvorform weist bevorzugt die Form eines Hohlzylindersegments auf. Ebenso ist aber auch jede andere Form der Gehäusesegmentvorform denkbar. Anschließend werden eine Mehrzahl von Kühlrippenelementen mit der Außenfläche der ersten Gehäusesegmentvorform verbunden, wodurch die zweite Gehäusesegmentvorform entsteht. Die Kühlrippenelemente weisen typischerweise eine plattenförmige Gestalt auf. Die Kühlrippenelemente werden in Längsrichtung der hohlzylindersegmentförmigen, ersten Gehäusesegmentvorform angeordnet. Anschließend erfolgt ein Umformprozess, in dem die zweite Gehäusesegmentvorform zu dem Gehäusesegment umgeformt wird. Dabei wird die erste Krümmung an dem vorgegebenen Punkt zu einer zweiten Krümmung verkleinert. Die zweite Krümmung entspricht der Krümmung bzw. dem Radius des endgültig gefertigten Gehäuses.
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Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Idee zu Grunde, dass durch die stärkere Krümmung der Gehäusesegmentvorform die Kühlrippenelemente einfacher und mit einem geringeren Abstand angeordnet werden können. Ebenso können längere Kühlrippenelemente angebracht werden. Somit kann durch das fertige Gehäuse eine besonders effektive Kühlung für die elektrische Maschine ermöglicht werden.
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Vorteilhafterweise erfolgt das Umformen des Metallelements durch Pressen und/oder Rollbiegen. Durch diese bekannten Umformprozesse kann das Metallelement zu der ersten Gehäusesegmentvorform umgeformt werden. Der Umformprozess sollte in Abhängigkeit des jeweiligen Materials bzw. der Geometrie des Metallelements ausgewählt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Kühlrippenelemente durch Schweißen mit der Außenfläche der ersten Gehäusesegmentform verbunden. Das Anschweißen der Kühlrippenelemente erfolgt je nach Länge der Kühlrippenelemente unter einem vorher berechneten Winkel. Zur Einstellung des jeweiligen Winkels empfiehlt sich die Anfertigung einer Vorrichtung bzw. einer Hilfskonstruktion. Die Kühlrippenelemente bestehen bevorzugt aus dem gleichen Material wie das Metallelement.
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Des Weiteren wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäusesegments für eine elektrische Maschine durch Fertigen eines Gehäusesegmentelements, an dessen Außenseite zumindest ein Kühlrippenelement angeordnet ist, und Zusammenfügen einer Mehrzahl von Gehäusesegmentelementen zu einer zweiten Gehäusesegmentvorform, die eine Form eines Hohlzylindersegments mit einer ersten Krümmung an einem vorgegebenen Punkt aufweist, gekennzeichnet durch Umformen der zweiten Gehäusesegmentvorform zu dem Gehäusesegment, wobei die erste Krümmung an dem vorgegebenen Punkt zu einer zweiten Krümmung verkleinert wird.
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Eine weitere Möglichkeit der Realisierung eines Gehäusesegments ist dadurch gegeben, dass zunächst einzelne Gehäusesegmentelemente gefertigt werden, welche aus einem Metall, insbesondere aus Stahl, gefertigt sind. Diese einzelnen Gehäusesegmentelemente weisen an ihrer Außenseite zumindest ein Kühlrippenelement auf. Eine Mehrzahl dieser Gehäusesegmentelemente werden zu einer zweiten Gehäusesegmentvorform zusammengefügt, welche eine Form eines Hohlzylindersegments mit einer ersten Krümmung an einem vorgegebenen Punkt aufweist. Die einzelnen Gehäusesegmentelemente können beispielsweise durch Schweißen miteinander verbunden werden. Im Anschluss wird die zweite Gehäusesegmentvorform zu dem Gehäusesegment umgeformt, wobei hierbei die erste Krümmung an dem vorgegebenen Punkt zu einer zweiten Krümmung verkleinert wird.
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Vorteilhafterweise sind die Kühlrippenelemente nach dem Umformen der zweiten Gehäusesegmentvorform im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Durch die parallele Anordnung der Kühlrippenelemente und die Verwendung von längeren Kühlrippenelementen kann im Vergleich zu sternförmig angeordneten Kühlrippenelementen eine bis zu 15% bis 20% größere Kühloberfläche geschaffen werden, mit welcher die im Gehäuse entstehende Wärmeenergie deutlich besser abgeführt werden kann. Die Leistung der elektrischen Maschine kann somit um etwa 10% bis 15% erhöht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch das Anschweißen der Kühlrippenelemente jederzeit Maßanpassungen möglich sind, mittels welcher die Anpassung der Fußabmessungen, die Lage eines oder mehrerer Anschlusskästen, die Anordnung von Hilfsanschlusskästen und zusätzlicher Anbauten angepasst werden können.
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Vorteilhafterweise erfolgt das Umformen der zweiten Gehäusesegmentvorform durch einen Pressvorgang mit einem Formwerkzeug. Die zweite Gehäusesegmentvorform wird hierzu zwischen einem Pressstempel und ein Formwerkzeug eingelegt. Durch die Formgebung des Pressstempels und des Formwerkzeugs wird die spätere Form, insbesondere die Krümmung, des Gehäusesegments vorgegeben. In dem Formwerkzeug sind entsprechende Aussparungen für die Kühlrippenelemente vorgesehen, damit diese nach dem Pressvorgang parallel bzw. nahezu parallel zueinander angeordnet sind.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die zweite Gehäusesegmentvorform vor dem Umformen erwärmt. Ein vorheriges Erwärmen bzw. Entspannen der zweiten Gehäusesegmentvorform erleichtert sowohl den Pressvorgang hinsichtlich des benötigten Drucks und reduziert ein Zurückformen bzw. Zurückfedern des verformten Gehäusesegments. Der Effekt des Zurückformens bzw. Zurückfederns des Gehäusesegments kann dadurch egalisiert werden, indem das Formwerkzeug einen geringfügig größeren Radius als das fertiggestellte Gehäusesegment aufweist.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird an zwei der Kühlrippenelemente ein Bauteil derart angeordnet, dass sich zwischen der zweiten Gehäusesegmentvorform und dem Bauteil ein Hohlraum ausbildet. Auf diese Weise können entsprechende Hohlkammern, welche durch die jeweils zwei Kühlrippenelemente, der Außenfläche des Gehäusesegments und dem Bauteil gebildet werden, realisiert werden.
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Ebenso vorteilhaft ist es, wenn innerhalb des Hohlraums zumindest eine Durchgangsöffnung auf der Antriebs- und Nichtantriebsseite des Maschinengehäuses in die Außenfläche der zweiten Gehäusesegmentvorform eingebracht wird. Auf diese Weise kann durch entsprechende Durchbrüche die erwärmte Luft aus dem Innenraum des Gehäuses in dem Hohlraum abgekühlt werden. Durch die intensive Kühlung der einzelnen Motorteile können so genannte Hot Spots reduziert werden.
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Schließlich wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zum Herstellen eines hohlzylindrischen Gehäuses für eine elektrische Maschine durch Herstellen von Gehäusesegmenten und Verbinden der Gehäusesegmente zu dem hohlzylindrischen Gehäuse.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 eine geschnittene Seitenansicht eines Gehäuses für eine elektrische Maschine nach dem Stand der Technik, wobei das Gehäuse aus Stahl gefertigt ist,
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2 eine geschnittene Seitenansicht eines Gehäuses für eine elektrische Maschine nach dem Stand der Technik, wobei das Gehäuse aus Grauguss gefertigt ist,
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3 eine ausschnittsweise vergrößerte Darstellung gemäß 1,
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4 eine geschnittene Seitenansicht eines Gehäuses für eine elektrische Maschine, welches aus vier Gehäusesegmenten besteht,
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5 eine Seitenansicht eines schematisch dargestellten Umformprozesses einer zweiten Gehäusesegmentvorform,
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6 eine geschnittene Seitenansicht einer Anordnung von drei Gehäusesegmentelementen eines Gehäuses einer elektrischen Maschine, und
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7 bis 9 jeweils eine geschnittene Seitenansicht eines Gehäuses einer elektrischen Maschine mit unterschiedlichen Anordnungen von Hohlkammern bzw. Hohlrippen.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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1 zeigt in einer geschnittenen Seitenansicht ein Gehäuse 10 für eine elektrische Maschine, welches aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dieses Gehäuse 10 ist aus Stahl hergestellt, wobei die einzelnen Kühlrippenelemente 12 sternförmig an die Außenseite 14 der Gehäusewand 16 angeschweißt sind.
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3 zeigt in einer vergrößerten ausschnittsweisen Seitenansicht das Gehäuse 10 für eine elektrische Maschine gemäß 1. Aus schweißtechnischen Gründen, die zum Beispiel durch die Führung der Schweißelektrode und/oder die Qualität der Schweißnaht gegeben sind, ist ein bestimmter Mindestwinkel α zwischen der Schweißelektrode und dem anzuschweißenden Kühlrippenelement 12 erforderlich. Auf diese Weise ergibt sich ein Mindestabstand d zwischen den benachbarten Kühlrippenelementen 12. Die Position der Schweißelektrode, durch die der entsprechende Winkel α gebildet wird, ist in 3 schematisch durch die Linie 18 gekennzeichnet. Somit ergibt sich aufgrund der Länge l der Kühlrippenelemente der Mindestabstand d zwischen den benachbarten Kühlrippenelementen 12 und somit die Anzahl der Kühlrippenelemente 12 an dem Gehäuse 10.
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Die Anzahl der Kühlrippenelemente 12 bestimmt die wirksame Kühloberfläche des Gehäuses 10 und somit die Wärmeabgabe des jeweiligen Elektromotors bzw. Generators und demzufolge dessen mechanische bzw. elektrische Leistung. Der Vorteil bei einem Gehäuse 10, welches aus Stahl gefertigt ist, liegt darin, dass keine teuren Gussformen erforderlich sind und das Gehäuse 10 mit einem geringen Aufwand durch bekannte Verfahren zur Metallbearbeitung modifiziert werden kann.
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2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Gehäuses 20 für eine elektrische Maschine, welches aus dem Stand der Technik bekannt ist. Bei diesem Gehäuse 20, welches aus Grauguss gefertigt ist, werden vorteilhafterweise die Kühlrippenelemente 22 parallel zueinander angeordnet. Dadurch wird das Ausformen nach dem Abguss erleichtert und außerdem wird die wärmeabgebende Oberfläche gegenüber dem in 1 dargestellten Gehäuse 10 erhöht. Ebenso ist die Länge der Kühlrippenelemente 22 des Gehäuses 20 höher als die Länge der Kühlrippenelemente 12 des in 1 dargestellten Gehäuses 10.
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4 zeigt in einer geschnittenen Seitenansicht das erfindungsgemäße Gehäuse 24 für eine elektrische Maschine. Dieses Gehäuse 24 wird aus vier gleichen Gehäusesegmenten 26 zusammengefügt. Diese Gehäusesegmente 26 werden dadurch gefertigt, dass zunächst ein hier nicht gezeigtes Metallelement zu einer ersten Gehäusesegmentvorform umgeformt wird, welches bevorzugt eine Form eines Hohlzylindersegments mit einer ersten Krümmung an einem vorgegebenen Punkt aufweist.
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Anschließend werden eine Mehrzahl von Kühlrippenelementen 28 mit der Außenfläche 30 der ersten Gehäusesegmentvorform verbunden, wodurch eine zweite Gehäusesegmentvorform 32 entsteht. Die Kühlrippenelementen 28 werden beispielsweise durch Schweißen mit der ersten Gehäusesegmentvorform verbunden. Diese zweite Gehäusesegmentvorform 32 wird zu einem Gehäusesegment 26 umgeformt, wobei die erste Krümmung an einem vorgegebenen Punkt der zweiten Gehäusesegmentvorform 32 zu einer zweiten Krümmung des Gehäusesegments 26 verkleinert wird.
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Der Umformprozess der zweiten Gehäusesegmentvorform 32 zu dem Gehäusesegment 26 ist in 5 schematisch dargestellt. Die zweite Gehäusesegmentvorform 32 wird hierbei durch einen entsprechenden Pressvorgang umgeformt. Zu diesem Zweck wird die zweite Gehäusesegmentvorform 32 zwischen einem Pressstempel 34 und ein Formwerkzeug 36 eingelegt. Durch die Formgebung des Pressstempels 34 und des Formwerkzeugs 36 wird die Krümmung des hier nicht dargestellten Gehäusesegments 26 vorgegeben. In dem Formwerkzeug 36 sind entsprechende Aussparungen 38 eingebracht, wodurch eine parallele bzw. nahezu parallele Anordnung der Kühlrippenelemente 28 des umgeformten Gehäusesegments 26 erreicht wird.
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Bei einem weiteren Verfahren zur Herstellung eines Gehäusesegments 40 für eine elektrische Maschine werden zunächst einzelne Gehäusesegmentelemente 42 gefertigt. Bei dem Gehäusesegmentelement 42 ist an der Außenseite 44 ein Kühlrippenelement 28 angeordnet. Das Gehäusesegmentelement 42 und das Kühlrippenelement 28 sind bevorzugt aus einem Teil gefertigt. Die einzelnen Gehäusesegmentelemente 42 werden zu einer zweiten Gehäusesegmentvorform 40 angeordnet, die eine Form eines Hohlzylindersegments mit einer ersten Krümmung an einem vorgegebenen Punkt aufweist. Im Anschluss wird analog zu dem in 5 gezeigten Verfahren die zweite Gehäusesegmentvorform 40 zu einem Gehäusesegment 26 gemäß 4 umgeformt.
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7 zeigt ein Gehäuse 24 für eine elektrische Maschine gemäß 4, wobei an zwei Kühlrippenelementen 28 ein Bauteil 48 derart angeordnet ist, dass sich zwischen der Außenfläche 30 des Gehäuses 24, den beiden Kühlrippenelementen 28 und dem Bauteil 48 ein Hohlraum 50 bildet. Das Bauteil 48 ist in diesem Fall jeweils an den außenliegenden Kühlrippenelementen 28 von zwei Gehäusesegmenten 26 angeordnet.
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8 zeigt eine Ausführungsvariante, bei welcher durch das Anbringen von entsprechenden Bauteilen 52 an benachbarten Kühlrippenelementen 28 ein entsprechender Hohlraum 54 erzeugt wird.
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In 9 ist eine Kombination der beiden Anordnungen gemäß 7 und 8 dargestellt, wobei an benachbarten Kühlrippenelementen 28 entweder das Bauteil 48 oder das Bauteil 52 angeordnet ist, um einen entsprechenden Hohlraum 50 bzw. 54 zu erzeugen. Innerhalb der Hohlräume befindet sich zumindest eine hier nicht dargestellte Durchgangsöffnung sowohl auf der Antriebs- als auch der Nichtantriebsseite des Gehäuses durch das Gehäusesegment 26 des Gehäuses 24. Durch die Durchgangsöffnungen kann erwärmte Luft aus dem Innenraum des Gehäuses 24 durch die Hohlräume 50, 54 strömen und abgekühlt werden.
