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Stand der Technik
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In der Regel wird in heutigen elektrischen Maschinen wie beispielsweise Elektromotoren oder Generatoren die Fixierung des Stators am Gehäuse mittels eines sogenannten Querpressverbandes realisiert. Hierzu wird der Stator, nachdem dessen Kern aus Trafoblech mit Induktionsspulen versehen worden ist, mittels einer Imprägnierung, meist aus Epoxyd-, Polyester- oder Polyurethan-Harz, vergossen, wobei diese Harze in ausgehärtetem Zustand hart und spröde sind. An seiner Außenseite wird der Stator von der ausgehärteten Imprägnierung mechanisch befreit. Dieser Stator wird in einem Gehäuse aufgenommen, dessen Innenwandung derart bearbeitet wurde, dass in allen Betriebszuständen der elektrischen Maschine der Stator an dem Gehäuse in rotatorischer und translatorischer Richtung fest verbunden ist. Hierzu wird das Gehäuse, das zumeist aus einem gut wärmeleitfähigen metallischen Werkstoff wie beispielsweise Aluminium hergestellt wurde, an seiner Innenseite auf ein Passungsmaß bearbeitet. Zum Einführen des Stators in das Gehäuse wird das Gehäuse entsprechend der gewählten Passung erwärmt. Zumeist weist das Gehäuse auch Kühlkanäle zur Kühlung des Stators auf, deren Ausgestaltung bei der Erstellung der Gießform für das Gehäuse berücksichtigt werden muss. Somit besteht der Herstellvorgang für einen Querpressverband aus mehreren hochkomplexen Arbeitsgängen, die die Herstellkosten einer derartigen elektrischen Maschine belasten. Abhängig von den Toleranzen des Querpressverbandes, Auswahl der Werkstoffe im Hinblick auf deren Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie der Feinheit der mechanischen Bearbeitung kann die mechanische und thermische Anbindung des Stators an das Gehäuse von elektrischer Maschine zu elektrischer Maschine variieren. Ziel ist eine gute thermische Anbindung des Stators an das Gehäuse zu bewirken, so dass die Betriebstemperatur möglichst gering ist. Um während des Betriebs ein Moment zu übertragen, benötigt der Querpressverband bei Betriebstemperatur eine vorbestimmte Pressung. Wenn beispielsweise als Werkstoff für den Stator Stahl und für das Gehäuse Aluminium gewählt ist, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Aluminiums größer als der des Stahls ist, weist der Querpressverband der elektrischen Maschine, die bei einer höheren Betriebstemperatur betrieben wird, im Stillstand bei Umgebungstemperatur eine höhere Flächenpressung auf als der Querpressverband der elektrischen Maschine, die bei einer niedrigeren Betriebstemperatur betrieben wird. Jedoch bedingt eine hohe Flächenpressung auch eine hohe mechanische Belastung der Werkstoffe, wobei die Belastbarkeit der Werkstoffe begrenzt ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Somit kann ein Bedürfnis bestehen, eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse und einem Stator bereitzustellen, die preisgünstig herstellbar ist und bei der der Wärmeübergang von Stator an das Gehäuse unabhängig von der mechanischen Bearbeitung des Stators und/oder des Gehäuses ist.
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Das Bedürfnis kann befriedigt werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Gehäuseelement für eine elektrische Maschine zur Aufnahme eines Statorelements als gemeinsamer Kern für Induktionsspulen bereitgestellt, wobei das Gehäuseelement eine Innenwandung aufweist. Die Innenwandung weist ein erstes Formschlusselement auf, wobei das erste Formschlusselement derart ausgebildet ist, dass das erste Formschlusselement mittels eines zweiten Formschlusselements mit dem Statorelement im Wesentlichen formschlüssig lösbar verbindbar ist. Das zweite Formschlusselement ist mit dem ersten Formschlusselement korrespondierend ausgebildet und an das Statorelement verbindbar.
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Das erste und das zweite Formschlusselement können zum einen derart gestaltet sein, dass bei der Montage des Statorelements in dem Gehäuseelement sich das an dem Statorelement fest verbundene zweite Formschlusselement entlang des ersten Formschlusselements bewegen lässt. Zum anderen kann das zweite Formschlusselement als separates Teil ausgebildet sein, welches nach der Positionierung des Statorelements in dem Gehäuseelement entlang des ersten Formelements eingeschoben oder eingesetzt wird und hierbei das Statorelement an das Gehäuseelement formschlüssig lösbar fixiert. Das zweite Formschlusselement kann in rotatorischer und translatorischer Richtung fest mit dem Statorelement verbunden sein. Hierbei kann das zweite Formschlusselement positiv oder negativ ausgebildet sein, so dass entsprechend das korrespondierende Formschlusselement in dem Gehäuseelement als Vorsprung oder Rücksprung ausgebildet sein kann. Auch kann das Formschlusselement derart gestaltet sein, dass von Beginn bis Ende des Montageprozesses, bei dem das Statorelement in das Gehäuseelement eingeführt oder das Gehäuseelement über das Statorelement geführt wird, das Gehäuseelement und das Statorelement bis zur Einnahme einer vorbestimmten Position relativ zueinander geführt sind. Unter dem Begriff „im Wesentlichen“ ist hier zu verstehen, dass die relative Bewegung des Gehäuseelements zum Statorelement oder umgekehrt unter Berücksichtigung aller Fertigungstoleranzen möglich ist. Unter Statorelement ist entweder ein aus Elektroblechen zusammengesetzter Kern für Induktionsspulen zu verstehen oder auch bereits ein Stator, der komplett mit Induktionsspulen bestückt ist. In der Regel sind bei dem Statorelement die Induktionsspulen an einer der Außenseite gegenüberliegenden Innenseite angeordnet, so dass die Induktionsspulen zu einer Mittelachse weisen, die gleichzeitig auch eine Rotationsachse des Rotors darstellt.
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Durch die Führung des Gehäuseelements und des Statorelements entfällt der energieaufwendige Stator-Gehäuse-Schrumpfprozess zu dem bereits geschilderten Querpressverband. Durch den Wegfall der Gehäuseerwärmung auf nahezu 200°C sowie seine anschließende mechanische Belastung aufgrund der Flächenpressung des Schrumpfsitzes wird das Risiko minimiert, dass in dem Gehäuse auch während des Betriebes Mikrorisse entstehen, durch die Kühlflüssigkeit entweichen kann. Auch entfallen sowohl die komplexe Bearbeitung des Gehäuses als auch die Nacharbeitung des Statorelements nach dem Imprägnieren, wobei gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Vergießen stattfindet, wenn das Gehäuseelement und das Statorelement zueinander endgültig positioniert sind.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist das erste Formschlusselement bezüglich einer Mittelachse in rotatorischer und translatorischer Richtung fest an das Gehäuseelement verbunden.
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In der Regel wird die Mittelachse mit einer Rotationsachse eines Rotors zusammenfallen. Durch die feste Verbindung des Formschlusselements an das Gehäuseelement kann nach der Montage des Stators an dem Gehäuse auf ein weiteres Stabilisierungselement verzichtet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist das erste Formschlusselement mit dem Gehäuseelement einstückig ausgebildet.
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Hierdurch ist es nicht notwendig, das erste Formschlusselement mit dem Gehäuseelement zu verbinden. Vielmehr kann bei der einstückigen Ausgestaltung das Gehäuseelement zusammen mit dem ersten Formschlusselement beispielsweise in Sandguss oder Druckguss ausgeführt werden. Durch die Auswahl einer derartigen Fertigungsmethode kann eine Nachbearbeitung des ersten Formschlusselements sowie der Innenwandung entfallen. Um die an dem Statorelement während des Betriebs entstehende Wärme mittels des Gehäuseelements ableiten zu können, wird das Gehäuseelement aus einem gut wärmeleitfähigen Material wie beispielsweise aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sein. Natürlich kann das Gehäuse auch aus Stahl hergestellt sein.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung erstreckt sich das Gehäuseelement entlang der Mittelachse. Das erste Formschlusselement erstreckt sich ebenfalls im Wesentlichen entlang der Mittelachse.
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Somit erstreckt sich auch das zweite Formschlusselement in dem Statorelement entlang der Mittelachse. Somit können das Statorelement mit dem Gehäuseelement lösbar formschlüssig verbunden werden, indem eine Komponente aus der Gruppe Statorelement und Gehäuseelement gegenüber der anderen Komponente aus der Gruppe Gehäuseelement und Statorelement in translatorischer Richtung entlang der Mittelachse bewegt wird. Dies vereinfacht den Montageprozess.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist das erste Formschlusselement als eine Profilschiene ausgebildet.
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Hierbei kann die Profilschiene derart ausgestaltet sein, dass in Verbindung mit dem Statorelement die Profilschiene als eine Nut-Feder-Verbindung ausgestaltet ist. Auch kann die Profilschiene als Flachführung mit Umgriff oder auch als eine Rundführung ausgebildet sein. Weiterhin kann die Profilschiene derart ausgebildet sein, dass sie sich durchgängig von einer das Gehäuselement in tranlatorischer Richtung begrenzenden ersten Seite zu einer der ersten Seite geegenüberliegenden und ebenfalls das Gehäuselement in tranlatorischer Richtung begrenzenden zweiten Seite erstreckt. Unter durchgängig ist zu verstehen, dass die Profilschiene keine Unterbrechungen aufweist.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist die Profilschiene als Schwalbenschwanz ausgebildet.
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Der Schwalbenschwanz kann im Wesentlichen den Querschnitt eines symmetrischen Trapezes besitzen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das erste Formschlusselement des Gehäuseelements derart ausgebildet, dass in montiertem Zustand das erste Formschlusselement von dem zweiten Formschlusselement beabstandet ist.
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Die Beabstandung der beiden Formschlusselemente voneinander bewirkt, dass die beiden Formschlusselemente aneinander stoffschlüssig verbunden werden können. Dies kann beispielsweise durch Klebstoff erfolgen. In besonders vorteilhafter Weise werden die beiden Formschlusselemente mittels einer Vergussmasse aus Polyester, Epoxydharz oder Polyurethan miteinander verbunden. Insbesondere, wenn die Innenwandung des Gehäuseelements und die Außenwandung des Statorelements ausgebildet sind, wenigstens einen Kühlkanal zu begrenzen, kann die Verbindung der beiden Formschlusselemente aneinander kühlmitteldicht ausgeführt sein.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist das erste Formschlusselement als ein zu der Mittelachse weisender Vorsprung ausgebildet.
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Wenn in vorteilhafter Weise das zweite Formelement des Statorelements als Rücksprung in der Außenseite ausgebildet ist, kann das Gehäuseelement und das Statorelement auf einfache Weise durch eine Bewegung in bezüglich der Mittelachse translatorischer Richtung miteinander verbunden werden, so dass die Außen- und die Innenwandung voneinander zur Ausformung des wenigstens einen Kühlkanals beabstandet sind.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung sind wenigstens zwei erste Formschlusselemente an der Innenwandung verteilt angeordnet, wobei die ersten Formschlusselemente im Wesentlichen zueinander parallel angeordnet sind.
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Wenn in vorteilhafter Weise zwei oder mehr erste Formschlusselemente, respektive zweite Formschlusselemente, gleichmäßig über den Umfang des Gehäuseelements verteilt sind, können die ersten Formschlusselemente zum einen filigran ausgeführt sein, da sich die während des Betriebs auftretenden rotatorischen und translatorischen Kräfte auf mehrere Formschlusselemente verteilen. In der Regel werden die Formschlusselemente über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet sein, wobei jedoch in der Regel drei oder mehr Formschlusselemente verwendet werden. Zum anderen können die Kühlkanäle derart gestaltet sein, dass sie jeweils das gleiche Volumen an Kühlmittel aufnehmen können. Die zueinander parallele Anordnung erleichtert die Montage des Statorelements an das Gehäuseelement. Falls die rotatorische Position des Statorelements bezüglich des Gehäuseelements vorgegeben sein sollte, können die ersten Formschlusselemente, respektive die zweiten Formschlusselemente, über den Umfang des Gehäuseelements auch unregelmäßig verteilt sein.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist das Gehäuseelement aus einer Aluminiumlegierung gefertigt.
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Insbesondere die Ausgestaltung als Aluminiumlegierung bewirkt eine gute Ableitung der durch das Statorelement während des Betriebs erzeugten Wärme.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist das Gehäuseelement als ein Strangpressprofil ausgebildet.
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Hierdurch ist es möglich, das Gehäuseelement filigran auszubilden, wobei die ersten Formschlusselemente bereits in das Gehäuseelement integriert sind. Durch eine entsprechende Gestaltung der Strangpressmatritze ist es möglich, in das Gehäuseelement zusätzlich Nuten oder Hohlräume auszubilden, die genutzt werden können, um das Gehäuse an kundenspezifische Schnittstellen anzuordnen. Auch können Kanäle in dem Gehäuseelement derart gestaltet sein, dass Lagerdeckel an das Gehäuseelement mittels Verbindungselemente verbunden werden können, beispielsweise mittels selbstfurchender Schrauben, ohne dass das Gehäuseelement zur Aufnahme des Verbindungelements mechanisch bearbeitet werden müsste. In der Regel werden Strangpressprofile in 6 m Länge gefertigt. Somit ist es möglich, aus einem Strangpressprofil elektrische Maschinen unterschiedlicher Leistungskategorien zu fertigen, indem die Länge des Gehäuseteils und damit die Länge des verwendeten Strangpressprofils an die jeweilige Leistungskategorie angepasst wird. Da im Strangpressverfahren hergestellte Profile sehr geringe Toleranzen aufweisen, ist eine Nachbearbeitung der Innenwandung oder der ersten Formschlusselemente nicht notwendig.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung wird ein Statorelement als gemeinsamer Kern für Induktionsspulen für eine elektrische Maschine bereitgestellt, wobei das Statorelement eine Außenwandung aufweist. Die Außenwandung weist ein zweites Formschlusselement auf, wobei das zweite Formschlusselement derart ausgebildet ist, dass das zweite Formschlusselement mittels eines ersten Formschlusselements mit dem Statorelement im Wesentlichen lösbar formschlüssig verbindbar ist. Das erste Formschlusselement ist mit dem zweiten Formschlusselement korrespondierend ausgebildet und an das Gehäuseelement verbindbar.
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Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind bereits in Verbindung mit dem im vorhergehend beschriebenen Gehäuseelement beschrieben. Dies gilt auch für die im Folgenden beschriebenen Merkmale des Statorelements.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist das zweite Formschlusselement bezüglich einer Mittelachse in rotatorischer und translatorischer Richtung fest an das Statorelement verbunden.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist das zweite Formschlusselement des Statorelements einstückig mit dem Statorelement ausgebildet.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung erstreckt sich das Statorelement entlang der Mittelachse. Das zweite Formschlusselement erstreckt sich ebenfalls im Wesentlichen entlang der Mittelachse.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist das zweite Formschlusselement des Statorelements als eine Profilschiene ausgebildet.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist das zweite Formschlusselement des Statorelements als ein Schwalbenschwanz ausgebildet.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist das zweite Formschlusselement des Statorelements derart ausgestaltet, dass in montiertem Zustand das zweite Formschlusselement von dem ersten Formschlusselement beabstandet ist.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist das zweite Formschlusselement des Statorelements als ein zu der Mittelachse weisender Rücksprung ausgebildet.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung sind wenigstens zwei zweite Formschlusselemente an der Außenwandung verteilt angeordnet, wobei die zweiten Formschlusselemente im Wesentlichen zueinander parallel angeordnet sind.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist das zweite Formschlusselement in dem aus Blechlamellen zusammengesetzten Kern ausgebildet.
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Dabei kann bereits bei der Fertigung der einzelnen Blechlamellen die Außenkontur des Formschlusselements in jeder einzelnen Blechlamelle integriert sein. Somit entsteht das zweite Formschlusselement, wenn die Blechlamellen zu dem Kern zusammengesetzt sind. Auch kann das zweite Formschlusselement nachträglich in den aus Blechlamellen zusammengesetzten Kern mechanisch beispielsweise mittels eines Fräsvorganges hergestellt werden. Dies ist besonders einfach, wenn das zweite Formschlusselement als Vertiefung in der Außenwandung des Statorelements ausgebildet ist.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung wird eine Anordnung für eine elektrische Maschine mit einem Gehäuseelement und einem Statorelement bereitgestellt. Wenn das Gehäuseelement und das Statorelement in einer vorbestimmten Position zueinander angeordnet sind, werden das erste Formschlusselement und das an das erste Formschlusselement formschlüssig verbundene zweite Formschlusselement miteinander zu einem Formschlussverband mit einer Vergussmasse vergossen. Mittels des Formschlussverbands sind das Gehäuseelement und das Statorelement miteinander nach einem Aushärten der Vergussmasse kühlmitteldicht miteinander verbunden und bezüglich der Mittelachse in rotatorischer und translatorischer Richtung fixiert.
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Gerade der zuvor beschriebene Abstand des ersten Formschlusselements zu dem zweiten Formschlusselement gewährleistet, dass die Vergussmasse die beiden Formschlusselemente aneinander in rotatorischer und translatorischer Richtung fest miteinander verbindet. Der Vorgang des Vergießens findet statt, wenn das Statorelement zu dem Gehäuseelement positioniert ist, also nach der Montage des Statorelements in das Gehäuseelement. Während des Vergießens der beiden Formschlusselemente wird auch das Statorelement mit vergossen, wobei hierbei Induktionsspulen bereits montiert sein können oder erst nach dem Verguss montiert werden. In vorteilhafter Weise können die Spulen vor dem Verguss montiert werden, da die Vergussmasse dann zugleich die Funktionalität der Imprägnierung übernehmen kann. Dadurch, dass die beiden Formschlusselemente miteinander kühlmitteldicht verbunden sind, können diese Formschlussverbunde als seitliche Begrenzung der Kühlkanäle genutzt werden. Weiterhin kann über diesen Formschlussverbund die während des Betriebs durch das Statorelement erzeugte Wärme in das Gehäuseelement geleitet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist das Statorelement mit der Vergussmasse vergossen, wobei das Statorelement nach dem Aushärten der Vergussmasse kühlmitteldicht umschlossen ist.
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Somit wird während der Herstellung des Formschlussverbunds auch das Statorelement mit der Vergussmasse vergossen. Insbesondere, wenn über das Statorelement Kühlmittel geleitet wird, kann die ausgehärtete Vergussmasse verhindern, dass Kühlmittel direkt mit der Außenwandung des Statorelements in Berührung kommt.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist ein Kühlkanal durch die Innenwandung des Gehäuseelements, die von der Innenwandung beabstandete Außenwandung des Statorelements und den Formschlussverbund kühlmitteldicht begrenzt.
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Durch eine derartige Gestaltung des Kühlkanals ist es möglich, ein Kühlmedium oder ein Kühlmittel direkt an der Außenwandung des Statorelements, respektive an der das Statorelement an der Außenwandung umgebenden Vergussmasse, entlang zu führen. Somit kann die an dem Statorelement entstehende Wärme direkt an das Kühlmedium geleitet werden. Somit entfällt die nach dem Stand der Technik bekannte Ausgestaltung, bei der die in dem Statorelement entstehende Wärme zuerst an das Gehäuse geleitet werden muss, bevor das Gehäuse diese Wärme an das Kühlmedium leiten kann. Aufgrund der vielen Wärmeübergänge nach dem Stand der Technik kann dort weniger Wärme abgeführt werden als in der hier vorgeschlagenen Ausgestaltung.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist der Kühlkanal eingerichtet, Kühlmittel zur Kühlung des Statorelements derart zu führen, dass Wärme von der Außenwandung in das Kühlmittel geleitet wird.
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Natürlich kann das Kühlmittel seinerseits auch diese Wärme an die Innenwandung des Gehäuses abgeben. Jedoch wird das mit Wärme beaufschlagte Kühlmedium in der Regel einem externen Wärmetauscher zugeführt, mittels dem die Wärme von dem Kühlmittel abgeführt wird. Weiterhin kann das Kühlmittel flüssig oder gasförmig sein. Insbesondere durch eine Gestaltung derart, dass sich die Kühlkanäle im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse erstrecken, kann die elektrische Maschine bei einem Einbau in ein Kraftfahrzeug mittels des Fahrtwindes gekühlt werden, wobei der Fahrtwind durch einen ersten Lagerdeckel hindurch in die Kühlkanäle geleitet und anschließend durch einen dem ersten Lagerdeckel gegenüberliegenden zweiten Lagerdeckel aus die Kühlkanäle heraus geleitet wird. Natürlich kann auch Luft als Kühlmittel mittels einer Gebläses in die Kühlkanäle geleitet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung weist die Anordnung einen ersten Lagerdeckel, einen zweiten Lagerdeckel und wenigstens eine Induktionsspule auf. Die Lagerdeckel sind ausgebildet, einen Rotor drehbar zu führen. Durch den ersten Lagerdeckel ist eine erste Seite und durch den zweiten Lagerdecke eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite des Gehäuseelements verschließbar. Die wenigstens eine Induktionsspule weist einen ersten Wickelkopf und einen dem ersten Wickelkopf gegenüberliegenden zweiten Wickelkopf auf. Der erste Wickelkopf steht in Richtung der ersten Seite und der zweite Wickelkopf in Richtung der zweiten Seite aus einem durch das Gehäuseelement begrenzten Innenraum entlang der Mittelachse vor. Die Wickelköpfe sind mittels der Vergussmasse vergossen, wobei die Wickelköpfe nach dem Aushärten der Vergussmasse kühlmitteldicht umschlossen sind. In montiertem Zustand sind der erste Lagerdeckel mit der den ersten Wickelkopf umgebenden Vergussmasse und der zweite Lagerdeckel mit der den zweiten Wickelkopf umgebenden Vergussmasse jeweils zumindest teilweise in Kontakt.
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Durch eine derartige Anordnung kann die von den Wickelköpfen erzeugte Wärme direkt an die jeweiligen Lagerdeckel geleitet werden. Gerade im Hinblick darauf, dass an den Wickelköpfen die größte Wärmeentwicklung bei sogenannten verteilten Wicklungen innerhalb der Induktionsspule erzeugt wird, kann durch den Kontakt die Wärme effektiv abgeleitet werden. Im Stand der Technik kann die Wärme von den Wickelköpfen lediglich mittels Konvektion abgeleitet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung bildet die die Wickelköpfe umschließende Vergussmasse bezüglich der Mittelachse in radialer Richtung zumindest teilweise an der ersten Seite und an der zweiten Seite je einen Zentrierbund aus, wobei der erste Lagerdeckel an der ersten Seite und der zweite Lagerdeckel an der zweiten Seite zentriert montierbar sind.
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Durch die Ausbildung des Zentrierbundes an der die Wickelköpfe umschließenden Vergussmasse wird zum einen sichergestellt, dass die in den Wickelköpfen erzeugte Wärme durch Kontakt an die Vergussmasse und von dort durch Kontakt an die Lagerdeckel geleitet wird. Zum anderen wird durch den Zentrierbund sichergestellt, dass die Lagerdeckel, respektive der durch die Lagerdeckel geführte Rotor bezüglich des Statorelements in radialer Richtung zentriert sind. Somit dient das Gehäuseelement lediglich dazu, die Lagerdeckel zu fixieren. Hierdurch kann das Gehäuseelement an der ersten und der zweiten Seite plan ausgeführt sein.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung sind im montierten Zustand die Lagerdeckel mittels Dichtmittel kühlmitteldicht mit dem jeweiligen Zentrierbund fest verbunden.
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Insbesondere, wenn die elektrische Maschine mittels Kühlmittel gekühlt wird, kann durch die erfindungsgemäße Abdichtung kein Kühlmittel aus dem Kühlkanal zwischen dem Zentrierbund und dem Lagerdeckel in die elektrische Maschine gelangen. Auch kann der Lagerdeckel an seiner Berührstelle zu dem Gehäuse mittels eines derartigen Dichtmittels abgedichtet sein. Dieses Dichtmittel stellt dann sicher, dass kein Kühlmittel aus dem Kühlkanal zwischen dem Gehäuse und dem Lagerdeckel nach außen gelangen kann. Die Abdichtung des Lagerdeckels an dem Gehäuse kann auch mittels einer Formdichtung beispielsweise einer Papierdichtung oder eines O-Rings erfolgen. Auch kann der Lagerdeckel an das Gehäuse mittels Klebstoff stoffschlüssig verbunden werden. Damit kann durch den Klebstoff auch die Dichtfunktion übernommen werden. Weiterhin kann durch das Kleben auf mechanische Verbindungsmittel wie beispielsweise Schrauben verzichtet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung weist die Anordnung einen ersten und einen zweiten Kühlkanal auf, wobei der erste Kühlkanal mit einer Kühlmitteleinlassöffnung und der zweite Kühlkanal mit einer Kühlmittelauslassöffnung kühlmittelleitfähig verbunden sind. Eine Komponente aus der Gruppe erster Lagerdeckel und zweiter Lagerdeckel weist eine Kühlkanalumlenkung auf, wobei die Kühlkanalumlenkung derart ausgestaltet ist, dass der erste Kühlkanal und der zweite Kühlkanal miteinander kühlmittelleitfähig verbunden sind.
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Durch eine derartige Ausgestaltung der Lagerdeckel kann, wenn die Anordnung mehr als zwei Kühlkanäle enthält, das Kühlmittel mäanderförmig durch die elektrische Maschine geführt werden. In besonders vorteilhafter Weise sind die Kühlmitteleinlassöffnung und die Kühlmittelauslassöffnung in einem der beiden Lagerdeckel angeordnet, wobei die Öffnungen in Richtung der Mittelachse weisen. Natürlich ist der Lagerdeckel, welcher die Kühlmitteleinlassöffnung und die Kühlmittelauslassöffnung beinhaltet, derart gestaltet, dass die Kühlmitteleinlassöffnung und die Kühlmittelauslassöffnung voneinander getrennt sind.
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Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung weist die jeweils andere Komponente aus der Gruppe erster Lagerdeckel und zweiter Lagerdeckel die Kühlmitteleinlassöffnung und die Kühlmittelauslassöffnung auf.
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Es wird angemerkt, dass Gedanken zu der Erfindung hierin in Zusammenhang mit einem Gehäuseelement, einem Statorelement und einer diesbezüglichen Anordnung beschrieben sind. Einem Fachmann ist hierbei klar, dass die einzelnen beschriebenen Merkmale auf verschiedene Weise miteinander kombiniert werden können, um so auch zu anderen Ausgestaltungen der Erfindung zu führen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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1 zeigt eine elektrische Maschine in einer Seitenansicht;
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2 zeigt die aus 1 bekannte elektrische Maschine im Querschnitt;
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3 zeigt eine vergrößerte Ansicht X aus einem Teilbereich der aus 2 bekannten elektrischen Maschine;
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4 zeigt die aus 1 bekannte elektrische Maschine in einem Längsschnitt;
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5 zeigt eine vergrößerte Ansicht Y aus einem Teilbereich der aus 4 bekannten elektrischen Maschine;
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6 zeigt die aus 1 bekannte elektrische Maschine in einem sich von der Darstellung aus 4 unterscheidenden Längsschnitt;
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7 zeigt eine vergrößerte Ansicht Z aus einem Teilbereich der aus 6 bekannten elektrischen Maschine;
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8 zeigt einen Kühlmittelkreislauf der aus 1 bekannten elektrischen Maschine; und
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9a–e zeigen einzelne Montageschritte der bereits aus 1 bekannten elektrischen Maschine.
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Detaillierte Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform
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1 zeigt eine elektrische Maschine 2 in einer Seitenansicht mit einem Gehäuseelement 4 und einem Rotor 6, wobei der Rotor 6 um eine Mittelachse I rotierbar ist. Das Gehäuseelement 4 wird begrenzt durch eine erste Seite A und eine der ersten Seite A gegenüberliegende zweite Seite B. Das Gehäuseelement 4 ist auf der ersten Seite A durch einen ersten Lagerdeckel 8 und auf der zweiten Seite B durch einen zweiten Lagerdeckel 10 verschlossen.
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2 zeigt die aus 1 bekannte elektrische Maschine 2 im Querschnitt. Innerhalb des sich um die Mittelachse I erstreckenden Gehäuseelements 4 ist ein Statorelement 12 als gemeinsamer Kern für Induktionsspulen 14 angeordnet. Hierbei weisen die Induktionsspulen 14 in Richtung der Mittelachse I. Insbesondere in Verbindung mit 3 ist ersichtlich, dass das Statorelement 12 mit dem Gehäuseelement 4 mittels einer Profilschiene 16 bezüglich der Mittelachse I in rotatorischer und auch translatorischer Richtung fest verbunden ist. Die Profilschiene 16 erstreckt sich durchgängig, also ohne Unterbrechung, von der ersten Seite A zu der zweiten Seite B. Die Profilschiene 16 besteht zum einen aus einem ersten Formschlusselement 18, welches als Schwalbenschwanz am Gehäuseelement 4 als Erhebung ausgebildet ist, und einem zweiten Formschlusselement 20, welches als korrespondierender Schwalbenschwanz im Statorelement 12 als Vertiefung ausgebildet ist. Das erste Formschlusselement und das zweite Formschlusselement wirken derart zusammen, dass, wenn sie miteinander mittels einer Vergussmasse 38 vergossen worden sind, nach dessen Aushärtung einen Formschlussverbund 22 bilden. Insbesondere in 3 ist ersichtlich, dass das erste Formschlusselement 18 und das zweite Formschlusselement 20 voneinander beabstandet sind. Dieser Zwischenraum wird mittels der Vergussmasse 38 derart ausgefüllt, dass das erste Formschlusselement 18 an dem zweiten Formschlusselement 20 kühlmitteldicht verschlossen ist, so dass der Formschlussverbund 22 einen Kühlkanal 28 kühlmitteldicht begrenzt. Weiterhin wird der Kühlkanal 28 durch eine an dem Gehäuseelement 4 ausgeformte Innenwandung 24 und eine an dem Statorelement 12 ausgebildete Außenwandung 26 begrenzt. Somit sind die Innenwandung 24 und die Außenwandung 26 voneinander beabstandet. Sowohl die Außenwandung 26 des Statorelements 12 als auch die Innenwandung 24 des Gehäuseelements 4 sind als gerader Kreiszylinder ausgebildet. Das Gehäuseelement 4 mit den ersten Formschlusselementen 18 ist als ein Aluminiumstrangpressprofil ausgebildet. Entsprechend der geforderten Leistungskategorie kann das Gehäuseelement 4 von dem Strangpressprofil unterschiedlich abgelenkt sein, so dass eine elektrische Maschine 2 mit einer geringen Leistung ein kürzeres Gehäuseelement 4 besitzt als die elektrische Maschine 2 mit einer höheren Leistung, wobei die Gehäuseelemente 4 beider Leistungsklassen einen identischen Querschnitt aufweisen. Aluminiumstrangpressprofile lassen sich sehr toleranzgenau herstellen, so dass die Wandstärken des Gehäuseelements 4 sowie die ersten Formschlusselemente 18 entsprechend den Erfordernissen ausgestaltet sein können. Insbesondere nehmen die ersten Formschlusselemente 18, respektive die Formschlussverbunde 22, die durch das Statorelement 12 im Betrieb verursachten magnetischen Kräfte und/oder Momente auf, die prinzipbedingt durch die magnetischen Felder verursacht sind. Die im Betrieb in dem Statorelement 12 erzeugte Wärme wird über das zweite Formschlusselement 20 an das erste Formschlusselement 18 geleitet und von dort weiter an das Gehäuseelement 4. Durch ein Kühlmedium odeer Kühlmittel beispielsweise in Form einer Kühlflüssigkeit, welche in den Kühlkanal geleitet wird, wird Wärme von der Außenwandung 26 des Statorelements 12 an das Kühlmedium übertragen. Ergänzend soll noch hinzugefügt werden, dass, nachdem das Statorelement 12 mit den Induktionsspulen 14 in dem Gehäuseelement 4 positioniert wurde, diese Anordnung mit der Vergussmasse 38 vergossen wird, so dass das Statorelement 12 mit den Induktionsspulen 14 vollständig von der Vergussmasse 38 kühlmitteldicht umgeben ist. Hierbei kann natürlich auch Vergussmasse 38 auf die Innenwandung 24 und/oder die Außenwandung 26 gelangen. Somit wird die von der Außenwandung 26 an das Kühlmittel geleitete Wärme zuerst an die die Außenwandung 26 umgebende Vergussmasse 38 geleitet, um dann von der Vergussmasse 38 an das Kühlmittel geleitet zu werden.
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4 zeigt die aus 1 bekannte elektrische Maschine 2 in einem Längsschnitt. Hierbei sind der erste Lagerdeckel 8 und der zweite Lagerdeckel 10 jeweils mit Verbindungselementen 30 an das Gehäuseelement 4 lösbar verbunden, wobei die Verbindungselemente 30 als Innensechskantschrauben ausgebildet sind. Ein Innenraum 36 wird von der Innenwandung 24 des Gehäuseelements 4 sowie der ersten Seite A und der zweiten Seite B begrenzt. Die Induktionsspule 14 besitzt einen ersten Wickelkopf 32, welcher aus dem Innenraum 36 an der ersten Seite A herausragt. Dem ersten Wickelkopf 32 gegenüberliegend besitzt die Induktionsspule 14 den zweiten Wickelkopf 34, welcher aus dem Innenraum 36 an der Seite B herausragt. In einer Ansicht Y, welche vergrößert in 5 dargestellt ist, ist die Anbindung des ersten Lagerdeckels 8 an das Gehäuseelement 4 ersichtlich. Deutlich sichtbar ist, dass der erste Wickelkopf 32 von der Vergussmasse 38 umschlossen ist, wobei die Vergussmasse 38 dort bezüglich der Mittelachse I in radialer Richtung einen Zentrierbund 40 ausbildet, der in Kontakt mit einer am ersten Lagerdeckel 8 im Wesentlichen kreiszylindrisch ausgeformten Innenausformung 42 in Kontakt ist. Hierdurch kann die von dem ersten Wickelkopf 32 entwickelte Wärme mittels Kontakt an die Vergussmasse 38 und von dort weiter mittels Kontakt an den ersten Lagerdeckel 8 geleitet werden. Insbesondere, wenn der erste Lagerdeckel 8 aus einem gut wärmeleitfähigen Werkstoff wie beispielsweise Aluminium gefertigt ist, kann in hervorragender Art und Weise die durch den ersten Wickelkopf 32 entwickelte Wärme abgeleitet werden. Hierbei kann der erste Lagerdeckel 8 beispielsweise als ein Aluminiumdruckgussteil gestaltet sein. Die hier für den ersten Lagerdeckel 8 in Verbindung mit dem ersten Wickelkopf 32 geschilderte Ausgestaltung ist auch für den zweiten Lagerdeckel 10 in Verbindung mit dem zweiten Wickelkopf 34 gültig.
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6 zeigt die aus der 1 bekannte elektrische Maschine in einem sich von der Darstellung aus 4 unterscheidenden Längsschnitt. Der Längsschnitt ist derart gewählt, dass eine Kühlmitteleinlassöffnung 44, welche in dem ersten Lagerdeckel 8 ausgebildet ist, sichtbar ist. Weiterhin ist eine Induktionsspule 14 mit ihren beiden Wickelköpfen 32, 34 in Seitenansicht dargestellt. Nun folgend soll die Ansicht Z, welche vergrößert in 7 dargestellt ist, erklärt werden. Auch hier ist, wie bereits aus 5 bekannt, die den ersten Wickelkopf 32 umgebende Vergussmasse 38, welche bezüglich der Mittelachse I in radialer Richtung den Zentrierbund 40 ausbildet, in Kontakt mit dem ersten Lagerdeckel 8. Die den ersten Wickelkopf 32 umgebende Vergussmasse 38 bildet im Wesentlich senkrecht zu dem Zentrierbund 40 zwischen dem Zentrierbund 40 und dem an dem Gehäuseelement 4 anliegenden ersten Lagerdeckel 8 einen Spalt 48 aus. Dieser Spalt 48 bietet Raum zum einen zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen und zum anderen zur Aufnahme der Ausdehnungen der Werkstoffe während des Betriebs, da aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten die einzelnen Werkstoffe bei Betriebstemperatur sich unterschiedlich ausgedehnt haben. Über diesen Spalt 48 wird die von dem ersten Wickelkopf 32 erzeugte Wärme an den ersten Lagerdeckel 8 sowohl mittels Wärmestrahlung als auch mittels Konvektion geleitet. Ein Pfeil 46 symbolisiert eine Flussrichtung des Kühlmittels durch die Kühlmitteleinlassöffnung 44 des ersten Lagerdeckels 8. Das Kühlmittel, welches in die parallel zu der Mittelachse I stirnseitig am ersten Lagerdeckel 8 angeordneten Kühlmitteleinlassöffnung 44 eingeleitet wird, wird dem Kühlkanal 28 zugeführt. Deutlich sichtbar ist, dass der Kühlkanal 28 von der Innenwandung 24 des Gehäuseelements 4 und der Außenwandung 26 des Statorelements 12 begrenzt ist. Somit wird das Kühlmittel direkt über die Außenwandung 26 des Statorelements 12, respektive die sich an der Außenwandung 26 befindliche Vergussmasse 38, geleitet.
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8 zeigt einen Kühlmittelkreislauf der aus 1 bekannten elektrischen Maschine 2. Hierbei ist die Flussrichtung des Kühlmittels durch den Pfeil 46 dargestellt. Das Kühlmittel tritt durch die an dem ersten Lagerdeckel 8 angeordnete Kühlmitteleinlassöffnung 44 in die elektrische Maschine 2 ein und gelangt durch den ersten Lagerdeckel 8 hindurch in den ersten Kühlkanal 28. Dem ersten Kühlkanal 28 sind in der hier gewählten Darstellung oben ein zweiter Kühlkanal 50 und unten ein dritter Kühlkanal 54 benachbart. Nachdem das Kühlmittel den ersten Kühlkanal 28 von dem ersten Lagerdeckel 8 hin zu dem zweiten Lagerdeckel 10 entlang des Gehäuseelements 4 passiert hat, wird das Kühlmittel mittels einer in dem zweiten Lagerdeckel 10 ausgeformten Kühlkanalumlenkung 56 in den dritten Kühlkanal 54 gelenkt. Die einzelnen Kühlkanäle 28, 50, 54 sind im Bereich des Gehäuseelements 4 durch den Formschlussverbund 22 voneinander fluiddicht getrennt. Weiterhin besitzen alle Kühlkanäle 28, 50, 54 zumindest nahezu das gleiche Volumen. Die Kühlkanalumlenkung 56 ist, wenn in der elektrischen Maschine 2 mehr als zwei Kühlkanäle 28, 50, 54 vorhanden sind, auch in dem ersten Lagerdeckel 8 ausgebildet. So wird die Kühlflüssigkeit, wie hier durch den Pfeil 46 dargestellt, in bezüglich der Mittelachse I translatorischer Richtung mäanderförmig zwischen dem Gehäuseelement 4 und dem Statorelement 12 durch die elektrische Maschine 2 bis zu dem zweiten Kühlkanal 50 geführt. Parallel zu der Kühlmitteleinlassöffnung 44 ist eine Kühlmittelauslassöffnung 52 in dem ersten Lagerdeckel 8 ausgebildet. Die Kühlmittelauslassöffnung 52 ist kühlmittelleitfähig mit dem zweiten Kühlkanal 50 verbunden, so dass aus der Kühlmittelauslassöffnung 52 das Kühlmittel aus der elektrischen Maschine 2 herausgeführt werden kann. Insbesondere, wenn das Statorelement 12 einen aus Blechlamellen zusammengesetzten Kern ausbildet, wobei die einander benachbarten Blechlamellen beispielsweise durch Isolationslack voneinander isoliert sind, ist es sinnvoll, dass die Vergussmasse 38 die Außenwandung 26 des Statorelements 12 vollständig fluiddicht umgibt, da in der Regel aus Blechlamellen zusammengesetzte Kerne im Bereich ihrer Außenwandung 26 nicht fluiddicht sind.
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In den 9a bis 9e sind einzelne Montageschritte der aus 1 bekannten elektrischen Maschine dargestellt.
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9a zeigt das Gehäuseelement 4 und das Statorelement 12 mit den Induktionsspulen 14. Das Gehäuseelement 4 besitzt gleichmäßig an der Innenwandung 24 verteilt und sich parallel zu der Mittelachse I erstreckende durchgängige erste Formschlusselemente 18. Zu den ersten Formschlusselementen 18, welche als Schwalbenschwanz ausgebildet sind, sind an der Außenseite 26 des Statorelements 12 die korrespondierenden zweiten Formschlusselemente 20 ausgebildet. Entlang von gestrichelten Pfeilen 58 wird das Statorelement 12 in den Innenraum 36 des Gehäuseelements 4 geführt. Hierzu werden die ersten Formschlusselemente 18 in die zweiten Formschlusselemente 20 gefädelt, wobei die Formschlusselemente 18, 20 während des Montagevorgangs in jeder Position aneinander lösbar formschlüssig verbunden sind.
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9b zeigt die elektrische Maschine 2, wobei das Statorelement 12 bezüglich des Gehäuseelements 4 in seine vorbestimmte Position verbracht ist. Zu bemerken ist, dass sich das erste Formschlusselement 18 relativ zu dem zweiten Formschlusselement 20 in bezüglich der Mittelachse I translatorischer Richtung verschieben lässt. In bezüglich der Mittelachse I rotatorischer Richtung kann das Statorelement 12 gegenüber dem Gehäuseelement 4 minimal bewegt werden.
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9c zeigt die elektrische Maschine 2, nachdem das Gehäuseelement 4 und das Statorelement 12 mittels der Vergussmasse 38 vergossen worden sind. Hierbei sind das erste Formschlusselement 18 und das zweite Formschlusselement 20, wenn die Vergussmasse 38 ausgehärtet ist, zu einem Formschlussverbund 22 fluiddicht aneinander verbunden. Weiterhin bildet die die ersten Wickelköpfe 32 und die zweiten Wickelköpfe 34 umgebende Vergussmasse 38 in radialer Richtung den Zentrierbund 40 aus.
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In 9d ist der sich auf den Zentrierbund 40 zentrierende und an das Gehäuseelement 4 zu montierende zweite Lagerdeckel 10 dargestellt, welcher mittels den Verbindungselementen 30 an das Gehäuseelement 4 befestigt wird.
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In 9e ist der Lagerdeckel 8 dargestellt, der bereits mit dem Rotor 6 vormontiert ist und bezüglich des Zentrierbunds 40 an das Gehäuseelement 4 zentriert befestigt wird.
