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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, mit einem Maschinengehäuse, mit einem in Bezug auf das Maschinengehäuse festgelegten Stator, mit einem Rotor, der in Bezug auf das Maschinengehäuse drehbar gelagert ist, und mit einer Kühlanordnung, die wenigstens einen Kühlkanal aufweist, der im Bereich eines Außenumfanges des Stators angeordnet und durch den hindurch ein Kühlfluid leitbar ist.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, mit einem Getriebe, mit einer Fluidversorgungseinrichtung für das Getriebe und mit einer solchen elektrischen Maschine.
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Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugantriebsstränge besteht ein Trend hin zu der Bereitstellung von Antriebsleistung durch eine elektrische Maschine. Dies kann einerseits in einem rein elektrisch angetriebenen Fahrzeug realisiert sein. Andererseits kann die elektrische Maschine in einen Hybrid-Antriebsstrang integriert sein.
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Die elektrische Maschine kann dabei in manchen Hybrid-Antriebssträngen auch zum rein elektrischen Antrieb eingesetzt werden.
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Die Beschränkungen im Kraftfahrzeugbau erfordern, dass kompakte elektrische Maschinen verwendet werden. Um dennoch eine hohe Leistungsabgabe zu ermöglichen, ist es bekannt, solche elektrischen Maschinen zu kühlen.
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Eine Luftkühlung der elektrischen Maschine mittels Fahrtwind des Kraftfahrzeuges ist zwar generell denkbar, dies führt jedoch zu erheblichen Einschränkungen hinsichtlich der Einbaulage der elektrischen Maschine in dem Kraftfahrzeug.
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Generell ist es auch bekannt, elektrische Maschinen fluidisch zu kühlen. Hierbei ist es beispielsweise bekannt, das Maschinengehäuse zweischalig aufzubauen, wobei zwischen den Schalen ein Kühlfluid strömen kann. Die hierbei erzielbaren Kühlleistungen sind ebenfalls relativ gering.
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Aus dem Dokument
EP 0 990 820 A2 ist eine Motorgetriebeeinheit mit gemeinsamer Kühlung bekannt, wobei Kühlkanäle in einem Getriebegehäuse bzw. in einem Getriebedeckel mit Kühlkanälen in einem Motorgehäuse zur Kühlung des Motors verbunden sind. Der Motor kann dabei ein Elektromotor sein. Die Kühlkanäle können dabei in Form von Kühlschlangen im Getriebe- oder Motorgehäuse oder in einem als Doppelmantel ausgebildeten Getriebe- oder Motorgehäuse angeordnet sein. Das Kühlfluid ist vorzugsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch. An dem Gehäuse können ferner Kühlrippen ausgebildet sein, die an der Außenseite der Gehäuseanordnung oder an der Innenseite der Gehäuseanordnung vorgesehen sind.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte elektrische Maschine sowie einen verbesserten Antriebsstrang anzugeben, wobei die elektrische Maschine effizient gekühlt wird und/oder wobei die elektrische Maschine bzw. der Antriebsstrang kostengünstig zu fertigen, einfach zu montieren und/oder durch einen hohen Wirkungsgrad gekennzeichnet sind.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten elektrischen Maschine dadurch gelöst, dass im Bereich des Außenumfanges des Stators eine Vielzahl von Kühlkanälen angeordnet ist, wobei wenigstens zwei der Kühlkanäle im Bereich ihrer Enden unter Bildung einer Mäanderanordnung miteinander verbunden sind und wobei im Bereich des Außenumfanges des Stators eine Mehrzahl derartiger Mäanderanordnungen angeordnet ist, die parallel an eine Fluidversorgungseinrichtung anschließbar sind.
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Durch die Maßnahme, wenigstens zwei Kühlkanäle im Bereich ihrer Enden unter Bildung einer Mäanderanordnung miteinander zu verbinden, wird erreicht, dass über die Erstreckung der Kühlkanäle eine gleichmäßigere Kühlung erreicht werden kann. Demzufolge kommt es beispielsweise nicht im Bereich des Zuflusses der Kühlkanäle zu einer deutlich stärkeren Kühlung als im Bereich des Abflusses. Temperaturgradienten über die Erstreckung der Kühlkanäle können daher in der elektrischen Maschine vermieden werden. Hierdurch verlängert sich die Lebensdauer der Maschine und es kann sich die maximale Leistungsabgabe erhöhen.
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Durch die Maßnahme, im Bereich des Außenumfanges des Stators eine Mehrzahl derartiger Mäanderanordnungen anzuordnen, die parallel an eine Fluidversorgungseinrichtung anschließbar bzw. angeschlossen sind, wird im Gegensatz zu einer einzelnen Mäanderanordnung, die sich über den gesamten Umfang des Stators erstreckt, erreicht, dass auch über den Umfang verteilt eine gleichmäßigere Temperaturverteilung möglich ist. Ferner kann durch die relativ geringe Länge der jeweiligen Mäanderanordnungen der Gesamtleitungswiderstand verringert werden, so dass ein geringerer Fließdruck für das Kühlfluid notwendig ist (durch die Parallelschaltung).
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Ferner ergibt sich eine geringere Temperatur im Bereich des Auslasses der Mäanderanordnungen, und folglich eine geringere Beanspruchung des Kühlfluides und eine größere Wärmekapazität, die beispielsweise für weitere Kühlzwecke herangezogen werden kann.
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Die Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
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Die Kühlkanäle können sich generell in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine erstrecken.
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Von besonderem Vorzug ist es jedoch, wenn die Kühlkanäle jeweils in Längsrichtung der elektrischen Maschine ausgerichtet sind.
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Auf diese Weise kann der Zufluss und Abfluss für die Kühlkanäle auf konstruktiv einfache Weise realisiert werden.
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Entsprechend ist es von Vorzug, wenn die Mäanderanordnungen jeweils einen einzelnen Zufluss und einen einzelnen Abfluss aufweisen.
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Dies ermöglicht einen parallelen Anschluss mehrerer Mäanderanordnungen in paralleler Weise an eine Fluidversorgungseinrichtung.
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Ferner können auch die Abflüsse in gezielter Weise miteinander kombiniert werden oder aber zur Kühlung weiterer Komponenten ausgelegt sein.
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Dabei ist es von besonderem Vorzug, wenn der Zufluss und der Abfluss von wenigstens einer Mäanderanordnung im Bereich entgegengesetzter Enden der Kühlkanäle angeordnet sind.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Anzahl der Kühlkanäle dieser Mäanderanordnung vorzugsweise eine ungerade Zahl, beispielsweise drei oder fünf Kühlkanäle pro Mäanderanordnung.
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Es ist jedoch auch denkbar, über den Umfang Mäanderanordnungen zu verteilen, von denen wenigstens eine den Zufluss an einem Ende und den Abfluss am entgegengesetzten Ende aufweist, und von denen wenigstens eine weitere Mäanderanordnung Zufluss und Abfluss an dem gleichen Ende der Kühlkanäle aufweist. Im letzteren Fall ist die Anzahl der Kühlkanäle für diese Mäanderanordnung vorzugsweise eine gerade Zahl.
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Generell ist es denkbar, die Zuflüsse der Mäanderanordnungen teilweise an einem Ende der Kühlkanäle und teilweise an dem anderen Ende der Kühlkanäle anzuordnen, und entsprechend die Abflüsse der Kühlkanäle ebenfalls teilweise an einem Ende der Kühlkanäle, teilweise am anderen Ende der Kühlkanäle anzuordnen.
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Hierdurch kann eine besonders gleichmäßige Kühllast eingerichtet werden, insbesondere über die Erstreckung der Kühlkanäle.
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Von besonderem Vorzug ist es jedoch, wenn die Zuflüsse aller Mäanderanordnungen im Bereich von einem Ende der Kühlkanäle angeordnet sind und wenn der Abfluss wenigstens einer Mäanderanordnung im Bereich eines entgegengesetzten Endes der Kühlkanäle angeordnet ist. Vorzugsweise sind die Abflüsse aller Mäanderanordnungen im Bereich des entgegengesetzten Endes der Kühlkanäle angeordnet.
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Hierdurch kann insbesondere die parallele Zufuhr von Kühlfluid zu den Mäanderanordnungen konstruktiv auf vergleichsweise einfache Weise gelöst werden.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Stator an wenigstens einem axialen Ende einen Wicklungskopf aufweist, wobei der Abfluss von wenigstens einer Mäanderanordnung so angeordnet ist, dass aus dem Abfluss austretendes Kühlfluid auf dem Wicklungskopf leitbar ist.
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Insbesondere kann das Kühlfluid dabei direkt aus dem Kühlkanal auf den Wicklungskopf geführt werden, insbesondere auf einen Außenumfangsabschnitt des Wicklungskopfes. Der Abfluss kann jedoch auch über ein weiteres Führungselement, wie beispielsweise eine Ringkanaleinrichtung geleitet werden.
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Demgemäß ist es insgesamt vorteilhaft, wenn die wenigstens zwei Kühlkanäle von wenigstens einer Mäanderanordnung über eine Ringkanaleinrichtung miteinander verbunden sind.
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Eine derartige Ringkanaleinrichtung erstreckt sich vorzugsweise über einen Winkelbereich von wenigstens 90°, insbesondere wenigstens 180°, vorzugsweise wenigstens 270°. besonders bevorzugt ist es, wenn die Ringkanaleinrichtung sich über einen Winkelbereich zwischen 330 und 360° erstreckt.
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Auf diese Weise kann der parallele Anschluss von mehreren Mäanderanordnungen über eine derartige Ringkanaleinrichtung konstruktiv auf einfache Weise realisiert werden.
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Die Verbindung von zwei Kühlkanälen zur Erzielung der Mäanderanordnung könnte auch durch separate einzelne Verbindungselement oder durch konstruktive Ausgestaltung des Statorkerns oder dergleichen realisiert werden.
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Besonders bevorzugt ist hier jedoch, wenn bei Bereitstellung einer derartigen Ringkanaleinrichtung die Verbindung der zwei Kühlkanäle mittels jener Ringkanaleinrichtung realisiert wird.
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Dabei ist es von besonderem Vorzug, wenn im Bereich von einem ersten axialen Ende der elektrischen Maschine eine erste Ringkanaleinrichtung angeordnet ist, wobei im Bereich eines entgegengesetzten axialen Endes der elektrischen Maschine eine zweite Ringkanaleinrichtung angeordnet ist, wobei die erste Ringkanaleinrichtung mit den Zuflüssen von wenigstens zwei Mäanderanordnungen verbunden ist, und wobei die zweite Ringkanaleinrichtung mit den Abflüssen von wenigstens zwei Mäanderanordnungen verbunden ist.
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Auf diese Weise kann die parallele Zufuhr von Kühlfluid zu den Mäanderanordnungen konstruktiv einfach realisiert werden.
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Die Ringkanaleinrichtungen können Verbindungskanäle aufweist, über die Kühlfluid auf den Außenumfangsabschnitt von Wicklungsköpfen führbar ist. Die Ringkanaleinrichtungen sind vorzugsweise radial außerhalb der Wicklungsköpfe angeordnet.
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Gemäß einer weiteren insgesamt bevorzugten Ausführungsform weist der Stator einen Statorkern auf, an dem wenigstens eine Statorwicklung festgelegt ist, wobei die Kühlkanäle zwischen einem Gehäuseabschnitt des Maschinengehäuses und dem Statorkern ausgebildet sind.
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Hierdurch wird erreicht, dass das Kühlfluid direkt in Berührung kommt mit dem Statorkern, der beispielsweise aus einer Mehrzahl von Statorblechen hergestellt sein kann. Dies ermöglicht eine direkte Wärmeabfuhr aus dem Stator in das vorbeiströmende Kühlfluid, so dass der Kühl-Wirkungsgrad verbessert werden kann.
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Insgesamt ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn die Anzahl der Mäanderanordnungen im Bereich von 2 bis 30 liegt, insbesondere im Bereich von 4 bis 15 sind, und besonders bevorzugt im Bereich von 4 bis 10.
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Es hat sich gezeigt, dass derartige Anzahlen zum einen konstruktiv gut beherrschbar sind, andererseits eine gute Temperaturverteilung über die Erstreckung der Kühlkanäle ermöglichen und der Gesamtleitungswiderstand der Kühlanordnung hierdurch gering sein kann.
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Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, wobei der Antriebsstrang ein Getriebe, eine Fluidversorgungsvorrichtung für das Getriebe und eine elektrische Maschine der erfindungsgemäßen Art aufweist. Vorzugsweise sind die Kühlkanäle der elektrischen Maschine an die Fluidversorgungseinrichtung angeschlossen.
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Hierdurch kann ein einheitlicher Fluidhaushalt für den Antriebsstrang realisiert werden, wobei die Fluidversorgungseinrichtung zur Kühlung und/oder Schmierung von Komponenten des Getriebes einschließlich Zahnrädern, Lager etc., wie auch zur Kühlung und/oder Schmierung von Kupplungen, insbesondere von nasslaufenden Reibkupplungen verwendbar ist, und schließlich zum Kühlen der elektrischen Maschine.
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Insgesamt kann mit der vorliegenden Erfindung je nach Ausführungsform wenigstens einer der folgenden Vorteile erzielt werden.
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Zum einen kann die Wärmeabfuhr nicht nur an einer sondern an mehreren Stellen der elektrischen Maschine erfolgen. Die Wirkleistung der Kühlung kann daher erhöht werden. Insbesondere ist es möglich, sowohl den Rotor als auch den Stator mittels getrennter Kühlfluidströme zu kühlen. Hierdurch wird verhindert, dass ein großer Temperaturgradient in der elektrischen Maschine auftritt, was zu thermischem Stress von Komponenten der elektrischen Maschine führen kann und folglich die Lebensdauer der elektrischen Maschine verringern könnte.
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Folglich kann eine maximale Kühlleistung für die elektrische Maschine realisiert werden, wobei der Bauraum minimiert werden kann. Ferner kann durch den parallelen Anschluss von Kühlkanälen und/oder Mäanderanordnungen der notwendige Druck zur Versorgung der Kühlanordnung verringert werden. Auch ergibt sich eine Minimierung des Bauraumes der elektrischen Maschine, insbesondere wenn diese in dem Getriebegehäuse aufgenommen ist.
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Schließlich ergibt sich ein direkter Kontakt des Kühlfluides mit den zu kühlenden Flächen/Komponenten.
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Schließlich ergibt sich ein hoher Grad an Integration, da das Kühlfluidgetriebe intern an den jeweiligen Zielort geführt werden kann.
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Gegebenenfalls können der Wellenkanal und der Kühlkanal mit separaten Kühlfluidströmen versorgt werden, die beispielsweise in Abhängigkeit von mittels Sensoren erfassten Temperaturen am Stator bzw. am Rotor auch unterschiedlich eingestellt werden können.
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Folglich kann eine bedarfsgerechte Kühlung realisiert werden.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Längsschnittansicht durch einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
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2 eine Ansicht eines Details der 2 in einer modifizierten Ausführungsform;
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3 eine schematische Querschnittsansicht durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;
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4 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Rotorwelle einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;
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5 eine Abwicklung eines Außenumfangsabschnittes eines Stators einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;
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6 eine der 5 entsprechende Ansicht in einer weiteren Ausführungsform;
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7 eine schematische Längsschnittansicht durch einen Teil einer elektrischen Maschine mit einer Ringkanaleinrichtung;
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8 eine Detailansicht der 7, die die Ringkanaleinrichtung zeigt; und
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9 eine schematische Schnittansicht der Ringkanalanordnung der 8.
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In 1 ist in schematischer Form ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges dargestellt und generell mit 10 bezeichnet. Der Antriebsstrang 10 weist eine elektrische Maschine 12 auf, die über eine schematisch angedeutete Koppeleinrichtung 14 mit einem Stufengetriebe 16 gekoppelt ist. Ein Ausgang des Stufengetriebes 16 ist mit einem Differential 18 verbunden, mittels dessen Antriebsleistung auf angetriebene Räder 20L, 20R verteilt wird.
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Die Koppeleinrichtung 14 kann beispielsweise durch einen Stirnradsatz gebildet sein.
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Der Antriebsstrang 10 kann ferner einen Verbrennungsmotor 22 beinhalten, sowie eine Reibkupplungsanordnung 24. Die Reibkupplungsanordnung 24 kann in das Stufengetriebe 16 integriert sein. Das Stufengetriebe 16 kann beispielsweise ein Doppelkupplungsgetriebe sein, das zwei Teilgetriebe aufweist, wobei die Reibkupplungsanordnung 24 zwei Reibkupplungen aufweist. Die Reibkupplungen können nasslaufende Lamellenkupplungen sein, die mittels eines Kühlfluides gekühlt und/oder geschmiert werden. In dem Stufengetriebe 16 sind in der Regel Radsätze enthalten, die mittels eines Kühlfluides ebenfalls gekühlt und/oder geschmiert werden. Gleiches gilt für Lagerkomponenten in dem Stufengetriebe 16, die ebenfalls gekühlt und/oder geschmiert werden können.
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Die elektrische Maschine 12 kann dabei an eines der zwei Teilgetriebe angekoppelt sein, und zwar in Leitungsflussrichtung gesehen hinter der diesem Teilgetriebe zugeordneten Reibkupplung der Reibkupplungsanordnung 24. Mit einem derartigen Hybrid-Antriebsstrang ist ein rein elektromotorischer Antrieb über jenes Teilgetriebe möglich, wobei die diesem Teilgetriebe zugeordneten Gangstufen im elektrischen Fahrbetrieb verwendbar sind.
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Ferner ist ein rein verbrennungsmotorischer Antrieb möglich, wobei die zwei Reibkupplungen der Reibkupplungsanordnung 24 überschneidend betätigt werden können, um auf diese Weise Gangwechsel von einem Teilgetriebe auf das andere Teilgetriebe zugkraftunterbrechnungsfrei durchführen zu können. Schließlich sind mit einem derartigen Hybrid-Antriebsstrang 10 auch ein Hybrid-Fahrbetrieb, ein Boost-Betrieb, ein Rekuperationsbetrieb und andere Hybrid-Betriebsweisen möglich, einschließlich eines Startens des Verbrennungsmotors 22.
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Die elektrische Maschine 12 weist ein Maschinengehäuse 28 auf. Das Maschinengehäuse 28 kann ein in sich abgeschlossenes Gehäuse sein, das an ein Getriebegehäuse 30 angeflanscht wird. Bevorzugt ist es jedoch, wenn das Maschinengehäuse 28 Teil des Getriebegehäuses 30 ist.
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Die elektrische Maschine 12 weist einen Stator 32 auf, der in Bezug auf das Maschinengehäuse 28 festgelegt ist. Ferner beinhaltet die elektrische Maschine 12 einen Rotor 34, der drehbar in Bezug auf das Maschinengehäuse 28 gelagert ist. Der Rotor 34 weist dabei vorzugsweise keine eigenen elektrischen Anschlüsse auf und kann beispielsweise eingebettete oder aufgeklebte Permanentmagnete aufweisen. Die elektrische Maschine 12 kann insbesondere als permanent erregte Gleichstrommaschine ausgebildet sein.
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Der Stator 32 weist einen Statorkern 36 auf, der in der Regel aus einer Mehrzahl von Statorblechen 38 aufgebaut ist. An dem Statorkern 36 sind eine oder mehrere Statorwicklungen 40 in an sich bekannter Weise festgelegt. An den axialen Enden des Stators 32 bildet die wenigstens eine Statorwicklung 40 jeweils einen Wicklungskopf 42a, 42b.
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Der Rotor 34 ist fest mit einer Rotorwelle 44 verbunden, die entlang einer Längsachse 46 ausgerichtet ist.
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Die Längsachse 46 ist vorzugsweise parallel zu einer Längsachse des Stufengetriebes 16, so dass die Koppeleinrichtung 14 auf einfache Weise als Stirnradsatz ausgebildet sein kann, wobei die Ankopplung an das Stufengetriebe 16 beispielsweise über ein Zahnrad erfolgen kann, das Teil eines Gangradsatzes des Stufengetriebes 16 ist. Das Stufengetriebe 16 ist vorzugsweise in Vorgelegebauweise mit Los- und Festrädern ausgebildet.
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Sofern das Maschinengehäuse 28 Teil des Getriebegehäuses 30 ist, ist es bevorzugt, wenn eine Trennebene 48 zwischen Gehäuseabschnitten des Getriebegehäuses 30 quer verläuft zu der Längsachse 46. Die Trennebene 48 kann dabei zwischen axialen Enden der elektrischen Maschine 12 angeordnet sein, so dass sich eine hohe Flexibilität hinsichtlich der axialen Lage der elektrischen Maschine 12 in Bezug auf das Stufengetriebe 16 ergibt.
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Die elektrische Maschine 12 weist eine Kühlanordnung 50 auf. Die Kühlanordnung 50 ist als Fluid-Kühlanordnung ausgebildet und ist mit einer Fluidversorgungseinrichtung 52 verbunden.
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Die Fluidversorgungseinrichtung 52 beinhaltet beispielhaft eine Pumpe 56, die Kühlfluid 60 aus einem Reservoir 54 ansaugt und auf einer Druckseite der Pumpe 56 zur Verfügung stellt. Die Pumpe 56 wird vorzugsweise mittels eines Elektromotors 58 angetrieben. Die Druckseite der Pumpe 56 ist, gegebenenfalls über eine nicht näher dargestellte Ventilanordnung, zum einen mit der Kühlanordnung 50 verbunden. Zum anderen kann die Fluidversorgungseinrichtung 52 vorzugsweise mit dem Stufengetriebe 16 verbunden sein, gegebenenfalls über eine entsprechende Ventilanordnung. Die Fluidversorgungseinrichtung 52 kann in diesem Fall Fluid zum Schmieren und/oder Kühlen von Getriebekomponenten bereitstellen, beispielsweise von Radsätzen und Lagern des Stufengetriebes 16, aber auch zum Kühlen und Schmieren der Reibkupplungsanordnung 24.
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Die Kühlanordnung 50 weist eine Mehrzahl von über den Umfang der elektrischen Maschine 12 verteilt angeordneten Kühlkanälen 64 auf. Die Kühlkanäle 64 sind jeweils im Bereich eines Außenumfanges 66 des Stators 32 angeordnet und sind vorzugsweise parallel zu der Längsachse 46 ausgerichtet. Insbesondere sind die Kühlkanäle 64 jeweils zwischen einem Innenumfangsabschnitt des Maschinengehäuses 28 und einem Außenumfangsabschnitt des Statorkerns 36 ausgebildet. Hierdurch kann in dem Stator 32 entstehende Wärme effizient von einem Kühlfluid übernommen werden, das durch die Kühlkanäle 64 strömt.
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Die Kühlkanäle 64 sind an einen Zuführkanal 68 angeschlossen, der beispielsweise in einer Wand des Maschinengehäuses 28 ausgebildet sein kann. Bei 70 ist schematisch angedeutet, dass das verwendete Kühlfluid 60, das Wärme von der elektrischen Maschine 12 aufgenommen hat, in das Reservoir 54 zurückgeführt wird.
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Das Reservoir 54 kann beispielsweise ein Fluidsumpf des Getriebegehäuses 30 sein. Das Kühlfluid 60 kann insbesondere ein Getriebeöl sein, vorzugsweise ein ATF-Öl.
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Die Rotorwelle 44 weist einen Wellenkanal 72 auf, der nach der Art einer Bohrung ausgebildet sein kann oder als Ringkanal ausgebildet sein kann. In 1 ist der Wellenkanal 72 als Bohrung ausgebildet, die sich zentral durch die Rotorwelle 44 parallel zu der Längsachse 46 erstreckt. Der Rotor 34 weist ein erstes axiales Ende 74 und ein zweites axiales Ende 76 auf. Der Wellenkanal 72 erstreckt sich in axialer Richtung zumindest von dem ersten axialen Ende zu dem zweiten axialen Ende 76.
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Der Wellenkanal 72 ist ebenfalls mit der Druckseite der Pumpe 56 verbunden, gegebenenfalls über eine Ventilanordnung. Dabei kann der Anschluss des Wellenkanals 72 an die Pumpe 56 auch über den Zuführkanal 68 erfolgen, sofern dies sinnvoll erscheint.
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Bevorzugt ist es jedoch, wenn der Zufluss von Kühlfluid 60 zu dem Zuführkanal 68 einerseits und zu dem Wellenkanal 72 andererseits getrennt steuerbar voneinander erfolgen kann (über geeignete Ventilanordnungen), um auf diese Weise eine bedarfsweise Kühlung der elektrischen Maschine 12 zu realisieren.
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Über das durch den Wellenkanal 72 strömende Kühlfluid 60 kann in dem Rotor 34 entstandene Wärme effizient abgeführt werden.
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Im Bereich des ersten axialen Endes 74, und zwar in einem gegenüber dem axialen Ende 74 axial überstehenden Bereich der Rotorwelle 44, ist wenigstens eine erste Radialbohrung 78 ausgebildet. In entsprechender Weise ist es bevorzugt, wenn im Bereich des zweiten axialen Endes 76 wenigstens eine zweite Radialbohrung 80 ausgebildet ist, wobei sich die Radialbohrungen 78, 80 jeweils von dem Wellenkanal 72 bis zu einem Umfangsabschnitt 82 der Rotorwelle 44 erstrecken.
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Die Radialbohrungen 78, 80 sind in axialer Richtung vorzugsweise mit den Wicklungsköpfen 42a, 42b ausgerichtet. Im Betrieb wird daher in den Wellenkanal 72 einströmendes Fluid in radialer Richtung über die Radialbohrungen 78, 80 nach außen geschleudert (insbesondere bei einer Drehung der Rotorwelle 44), und zwar auf einen Innenumfangsabschnitt 84 der Wicklungsköpfe 42a, 42b. Hierdurch können die Wicklungsköpfe 42a, 42b effizient von radial innen gekühlt werden.
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Bei 86 ist eine weitere Radialbohrung in der Rotorwelle 44 gezeigt, die gegebenenfalls axial versetzt gegenüber dem zugeordneten Wicklungskopf 42b angeordnet sein kann. Ferner ist in 1 in schematischer Form ein Fluidführungselement 88 dargestellt, das beispielsweise als Leitblech oder dergleichen ausgebildet sein kann, insbesondere als Ringblech.
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Über das Fluidführungselement 88 kann aus der dritten Radialbohrung 86 austretendes Kühlfluid 60 gezielt gerichtet, geführt und/oder umgelenkt werden. Beispielsweise kann das Kühlfluid 60 dabei auf den Innenumfangsabschnitt 84 des zugeordneten Wicklungskopfes 42 gerichtet werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, mittels des Fluidführungselementes 88 Kühlfluid 60 auf das zugeordnete axiale Ende 76 des Rotors 34 zu führen, also insbesondere auf eine Stirnseite des Rotors 34. Hierdurch kann Wärme des Rotors nicht nur radial nach innen über das in dem Wellenkanal 72 strömende Kühlfluid abgeführt werden, sondern auch in axialer Richtung.
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Bei 90 ist gezeigt, dass das Maschinengehäuse 28 wenigstens einen Axialkanal aufweisen kann, der in axialer Richtung auf eine Stirnseite des Rotors gerichtet ist, im vorliegenden Fall auf die Stirnseite des ersten axialen Endes 74. Der Axialkanal 90 kann dabei mit dem Zuführkanal 68 verbunden sein. Auch über diese Maßnahme kann Kühlfluid folglich auf die Stirnseiten des Rotors gerichtet werden.
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Zur Verbindung der Kühlkanäle 64 und des Zuführkanals 68 ist eine erste Ringkanaleinrichtung 92 vorgesehen. Die erste Ringkanaleinrichtung 92 ist in axialer Richtung benachbart zu den Kühlkanälen 64 angeordnet und ist in radialer Richtung gesehen außerhalb des zugeordneten Wicklungskopfes 42a angeordnet. Die erste Ringkanaleinrichtung 92 erstreckt sich über einen Winkelbereich von vorzugsweise 330° bis 360° und gibt vorzugsweise eine Strömungsrichtung vor, wie es in 1 schematisch angedeutet ist. Über die erste Ringkanaleinrichtung 92, die auf der den Kühlkanälen zugewandten Seite mit zugeordneten Öffnungen versehen ist, kann das über den Zuführkanal 68 zugeführte Kühlfluid 60 folglich auf die Mehrzahl von Kühlkanälen 64 verteilt werden. In einer Ausführungsform sind die Kühlkanäle 64 auf diese Weise sämtlich parallel an den Zuführkanal 68 angeschlossen. In einer Variante, die nachstehend noch im Detail erörtert werden wird, bilden jeweils zwei, drei oder mehr Kühlkanäle eine Mäanderanordnung, wobei eine Mehrzahl von Mäanderanordnungen über den Außenumfang des Stators 32 verteilt angeordnet ist. In diesem Fall können die Mäanderanordnungen parallel an den Zuführkanal 68 angeschlossen werden, und zwar mittels der ersten Ringkanaleinrichtung 92.
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Auf der axial gegenüberliegenden Seite des Stators 32 ist eine zweite Ringkanaleinrichtung 94 vorgesehen. Die zweite Ringkanaleinrichtung 94 ist mit den Abflussseiten der Kühlkanäle 64 (oder der Mäanderanordnungen) verbunden und ist ferner mit der Rückführung 70 verbunden, um auf diese Weise das in den Kühlkanälen 64 erwärmte Kühlfluid 60 in das Reservoir 54 zurückführen zu können.
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Sofern die Kühlkanäle 64 sämtlich parallel an den Zuführkanal 68 angeschlossen sind, kann das Kühlfluid 60 aus den Kühlkanälen 64 auch frei austreten, ohne vorab in einer zweiten Ringkanaleinrichtung 94 ”gesammelt” zu werden.
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Die zweite Ringkanaleinrichtung 94 erstreckt sich vorzugsweise ebenfalls über einen Winkelbereich von wenigstens 330° und kleiner gleich 360°.
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Mittels der Kühlanordnung 50 ist es ferner möglich, Kühlfluid 60 auf einen Außenumfangsabschnitt 96 der Wicklungsköpfe 42a bzw. 42b zu führen. In einer Variante dient hierzu ein erster Verbindungskanal 98, der, wie es in 2 gezeigt ist, direkt mit dem Zuführkanal 68 verbunden ist. Der erste Verbindungskanal 98 ist vorzugsweise in dem Maschinengehäuse 28 ausgebildet und ist in axialer Richtung mit dem Wicklungskopf 42a ausgerichtet. Hierdurch kann Kühlfluid 60 auf den Außenumfangsabschnitt 96 des Wicklungskopfes 42a (und/oder 42b) geführt werden.
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In einer weiteren Variante ist es möglich, Kühlfluid 60 auf den Außenumfangsabschnitt 96 des Wicklungskopfes 42a, 42b zu führen, indem die erste Ringkanaleinrichtung 92 und/oder die zweite Ringkanaleinrichtung 94 einen zweiten Verbindungskanal 100 aufweist, der in einer radial innen liegenden Wand der Ringkanaleinrichtung 92, 94 ausgebildet ist. Auch dies ist schematisch in 2 angedeutet. In 2 ist auch gezeigt, dass das Kühlfluid 60 sowohl über den ersten Verbindungskanal 98 als auch über den zweiten Verbindungskanal 100 auf den Außenumfangsabschnitt 96 des Wicklungskopfes 42a geführt werden kann. Ein erster Verbindungskanal 100 ist jedoch in schematischer Form auch in 1 in Bezug auf die Ringkanaleinrichtungen 92, 94 dargestellt.
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Das von radial innen (über die Radialbohrungen 78, 80, 86) auf die Wicklungsköpfe 42a, 42b geführte Kühlfluid 60 und/oder das von radial außen auf den Außenumfangsabschnitt 96 der Wicklungsköpfe 42a, 42b geführte Fluid (über die Verbindungskanäle 98 und/oder 100) kann dabei an den jeweiligen Wicklungsköpfen 42a, 42b außenumfänglich vorbeiströmen, und zwar verursacht durch die Schwerkraft.
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In einer bevorzugten Variante weisen die Wicklungsköpfe 42a, 42b jeweils wenigstens eine Durchbrechung 102 auf, die vorzugsweise radial ausgerichtet ist. Hierdurch kann das auf die Wicklungsköpfe 42a, 42b geführte Kühlfluid 60 durch die Wicklungsköpfe 42a, 42b hindurch geführt werden, um Wärme aus einem zentralen Bereich der Wicklungsköpfe 42a, 42b abführen zu können.
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In den nachfolgenden Figuren werden weitere Ausführungsformen von elektrischen Maschinen bzw. Antriebssträngen dargestellt, die hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell den oben beschriebenen Ausführungsformen entsprechen. Gleiche Elemente sind daher durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Folgenden werden im Wesentlichen die Unterschiede erläutert.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht einer elektrischen Maschine 12 in schematischer Form. Hier ist gezeigt, dass über den Umfang der elektrischen Maschine 12 eine Mehrzahl von Kühlkanälen 64 ausgebildet sind, die jeweils in axialer Richtung ausgerichtet sind. Die Kühlkanäle 64 sind jeweils durch Stege voneinander getrennt.
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In einer Ausführungsform sind die Stege durch Vorsprünge 104 des Statorkerns 36 gebildet. In diesem Fall können beispielsweise die Statorbleche 38 am Außenumfang in geeigneter Weise verzahnt ausgebildet sein.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die Stege durch Vorsprünge 106 des Maschinengehäuses 28 gebildet, die sich von einem Innenumfangsabschnitt des Maschinengehäuses 28 radial nach innen erstrecken.
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In einer dritten Variante können die Stege durch Profilelemente gebildet sein. Die Profilelemente können einfache Längsstege sein, wie es schematisch bei 108 dargestellt ist. Die Profilelemente können jedoch auch komplexere Formen aufweisen, die beispielsweise die Kühlkanäle 64 über eine Umfangswand gegenüber dem Maschinengehäuse 28 abgrenzen, wie es in 3 schematisch bei 110 gezeigt ist.
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4 zeigt eine Variante einer Rotorwelle 44. Die Rotorwelle 44 wird im Betrieb in einer bevorzugten Drehrichtung 114 gedreht, die bei der Verwendung der elektrischen Maschine 12 in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang jener Richtung entspricht, bei der das Fahrzeug vorwärts fährt.
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Der Wellenkanal 72 weist dabei eine Förderkontur 112 auf, wobei die Förderkontur 112 so ausgebildet ist, dass bei Drehung der Rotorwelle 44 in der bevorzugten Drehrichtung 114 Fluid in einer axialen Richtung 115 gefördert wird, wie es in 4 schematisch angedeutet ist. Bei der elektrischen Maschine 12 der 1 kann die Förderrichtung beispielsweise von dem ersten axialen Ende 74 in Richtung hin zu dem zweiten axialen Ende 76 ausgerichtet sein.
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Wie oben erwähnt, können die Mehrzahl von Kühlkanälen 64 jeweils parallel an einen einzelnen Zuführkanal 68 angeschlossen sein, der mit der Fluidversorgungseinrichtung 52 verbunden ist.
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In einer bevorzugten Variante sind jedoch wenigstens zwei der Kühlkanäle 64 im Bereich ihrer Enden unter Bildung einer Mäanderanordnung miteinander verbunden, wobei im Bereich des Außenumfanges 66 des Stators 32 eine Mehrzahl derartiger Mäanderanordnungen angeordnet ist, die parallel an eine Fluidversorgungseinrichtung 52 angeschlossen sind.
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In den 5 und 6 sind derartige Ausführungsformen schematisch dargestellt. Die 5 und 6 stellen dabei jeweils Abwicklungen eines Teilbereiches des Stators 32 dar, wobei eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Kühlkanälen 64a bis 64h schematisch dargestellt ist.
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Jeweils zwei (oder gegebenenfalls mehr) Kühlkanäle 64 können dabei über jeweilige Verbindungseinrichtungen 116 an ihren Enden miteinander verbunden sein. In 5 sind schematisch drei unterschiedliche Mäanderanordnungen 118a, 118b, 118c dargestellt.
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Die erste Mäanderanordnung 118a weist drei Kühlkanäle 64a, 64b, 64c auf. Der Kühlkanal 64a ist an den Zuführkanal 68 angeschlossen. An dem axial gegenüberliegenden Ende sind die Kühlkanäle 64a, 64b mittels einer Verbindungseinrichtung 116 miteinander verbunden. Die Kühlkanäle 64b, 64c sind an dem axialen zuführseitigen Ende der Kühlkanäle mittels einer weiteren Verbindungseinrichtung 116 miteinander verbunden. Ein Abfluss der Mäanderanordnung 118a ist an dem dem Zufluss entgegengesetzten axialen Ende ausgebildet. Eine zweite Mäanderanordnung 118b weist nur zwei Kühlkanäle 64d, 64e auf, die über eine Verbindungseinrichtung 116 an einem axialen Ende miteinander verbunden sind. Am anderen axialen Ende ist ein Zufluss mit dem Kühlkanal 64d verbunden, und ein Abfluss mit dem Kühlkanal 64e. Der Abfluss des Kühlkanals 64e könnte jedoch auch über eine Verbindungseinrichtung 116 mit dem benachbarten Kühlkanal 64f verbunden sein, wie es in 5 gestrichelt dargestellt ist.
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In 5 ist auch gezeigt, dass es nicht notwendig ist, dass sämtliche Kühlkanäle einer elektrischen Maschine in Mäanderanordnungen 118 miteinander verbunden sind. Bei 64f ist ein Kühlkanal gezeigt, der keiner Mäanderanordnung angehört und folglich einen Zufluss auf der einen axialen Seite und einen Abfluss auf der anderen axialen Seite aufweist.
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Eine dritte Mäanderanordnung 118c ist für die Kühlkanäle 64g, 64h gezeigt. Die Mäanderanordnung 118c entspricht der Mäanderanordnung 118b.
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Gegenüber einer parallelen Versorgung sämtlicher Kühlkanäle an einem axialen Ende mit einem Austritt am anderen axialen Ende wird durch das Bereitstellen solcher Mäanderanordnungen erreicht, dass die elektrische Maschine in Längsrichtung gesehen gleichmäßiger gekühlt werden kann. Da die Temperatur des Kühlfluides von dem Zufluss einer Mäanderanordnung 118 zu deren Abfluss in der Regel kontinuierlich zunimmt, kann über die Mäanderführung erreicht werden, dass benachbart zu dem Bereich, bei dem relativ kaltes Kühlfluid zugeführt wird, auch relativ weit erwärmtes Fluid zur Kühlung dieses Umfangsbereiches verwendet wird.
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Demzufolge wird ein starker Temperaturgradient in axialer Richtung vermieden.
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Gegenüber Anordnungen, bei denen eine Mäanderanordnung oder eine Spiralform mit einem einzelnen Zufluss und einem einzelnen Abfluss über den gesamten Umfang der elektrischen Maschine verteilt ist, kann durch die Ausbildung der mehreren Mäanderanordnungen erreicht werden, dass die Summe der jeweiligen Leitungswiderstände bzw. der Gesamtleistungswiderstand verringert wird. Demzufolge ist ein geringerer Fließdruck notwendig, so dass von der Pumpe 56 ein geringerer Druck bereitgestellt werden muss.
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In 6 ist eine Variante gezeigt, bei der an den axialen Enden der elektrischen Maschine jeweils eine Ringkanaleinrichtung 92 bzw. 94 angeordnet ist. In der dargestellten Ausführungsform sind die Verbindungseinrichtungen 116 jeweils durch Umfangsabschnitte der Ringkanaleinrichtungen 92, 94 gebildet und vorzugsweise einstückig mit den Ringkanaleinrichtungen 92, 94 ausgebildet, beispielsweise durch Auswölbungen oder dergleichen.
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Bei der Ausführungsform der 6 sind über den Umfang verteilt jeweils Mäanderanordnungen 118a, 118b, 118c angeordnet, die jeweils drei Kühlkanäle beinhalten, ähnlich der Ausführungsform der Mäanderanordnung 118a der 5.
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Die Ringkanaleinrichtungen 92, 94 weisen dabei jeweils Axialwände auf, die benachbart sind zu dem Stator 32. Diese Axialwände beinhalten dabei zum einen die Verbindungseinrichtungen 116 und weisen ferner an geeigneten Stellen Öffnungen für den Zufluss bzw. den Abfluss der Mäanderanordnungen auf.
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In 6 ist ferner schematisch dargestellt, dass Wicklungsköpfe 42a, 42b gegenüber den axialen Enden des Statorkerns 36 vorstehen. Die Ringkanaleinrichtungen 92, 94 sind in axialer Richtung mit den Wicklungsköpfen 42a bzw. 42b ausgerichtet und können jeweils zweite Verbindungskanäle 100 aufweisen, über die Kühlfluid 60 auf Außenumfangsabschnitte der Wicklungsköpfe 42a, 42b geführt werden kann.
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In den 7 bis 9 ist eine weitere Ausführungsform einer elektrischen Maschine gezeigt, die eine Ringkanaleinrichtung 92 an einem axialen Ende aufweist. Es versteht sich jedoch, dass eine entsprechende Ringkanaleinrichtung auch an einem anderen axialen Ende vorgesehen sein kann.
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In 7 ist dabei zunächst gezeigt, dass das Getriebegehäuse 30, das im vorliegenden Fall das Maschinengehäuse 28 bildet, zwei Gehäuseteile 120, 122 aufweisen kann, die in einer Trennebene 48 miteinander verbunden sind, die quer zu der Längsachse 46 ausgerichtet ist und zwischen axialen Enden der elektrischen Maschine angeordnet ist.
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Die Gehäuseteile 120, 122 sind dabei über eine schematisch angedeutete Verbindungseinrichtung (beispielsweise Bolzen) in axialer Richtung miteinander verbunden.
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Die Ringkanaleinrichtung 92 weist ein erstes Ringkanalteil 123 und ein zweites Ringkanalteil 124 auf, die gemeinsam einen Ringkanal 126 einschließen.
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Die Ringkanalteile 123, 124 sind dabei mit axialer Überlappung zusammengesetzt, so dass ein Toleranzausgleich in axialer Richtung erfolgen kann. Das erste Ringkanalteil 123 ist dabei starr mit dem Stator 32 verbunden. Das zweite Ringkanalteil 124 ist starr mit dem Maschinengehäuse bzw. Getriebegehäuse 30 verbunden, vorliegend mit dem ersten Gehäuseteil 120.
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Da die Herstellung von Statoren 32 mit relativ großen Toleranzen hinsichtlich der axialen Erstreckung behaftet ist, kann durch die axiale Überlappung ein Toleranzausgleich bei der Montage erzielt werden, wie er in 8 schematisch bei 134 angedeutet ist.
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8, die eine Teilansicht der Ringkanaleinrichtung 92 der 7 zeigt, zeigt ferner, dass das erste Ringkanalteil 123 im Längsschnitt U-förmig ist, mit einem U-Boden, der benachbart ist zu den Kühlkanälen 64. In der Axialwand 130, die durch den U-Boden gebildet ist, ist daher vorzugsweise eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 128 zur Verbindung von Kühlkanälen mit dem Ringkanal 126 vorgesehen. Die Durchgangsöffnungen 128 können dabei mit einzelnen Kühlkanälen 64 verbunden sein, oder mit Mäanderanordnungen 118.
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Die Axialwand bzw. Ringwand 130 ist mit einem ersten U-Schenkel verbunden, der radial innen angeordnet ist, und mit einem zweiten U-Schenkel, der radial außen angeordnet ist. Der radial innen liegende U-Schenkel ist in axialer Richtung länger ausgebildet als der radial außen liegende U-Schenkel. Das erste Ringkanalteil 123 kann als Blechteil ausgebildet sein, das gebogen und/oder gezogen ist.
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Das zweite Ringkanalteil 124 kann als Gussteil ausgebildet sein und ist im Längsschnitt L-förmig, mit einem L-Arm, der sich in axialer Richtung erstreckt und auf dem radial außen liegenden U-Schenkel des ersten Ringkanalteils 123 aufliegt. Das zweite Ringkanalteil 124 weist einen L-Schenkel auf, der sich in radialer Richtung erstreckt und auf einer radialen Außenseite des radial innen liegenden U-Schenkels des ersten Ringkanalteils 123 aufliegt. Die Ringkanalteile 123, 124 schließen folglich einen Ringkanal 126 ein. Die Ringwand 130 des ersten Ringkanalteils 123 kann dabei an einem Ringbund 132 des Stators 32 anliegen.
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Der sich radial erstreckende L-Boden des zweiten Ringkanalteils 124 bildet eine zweite Ringwand bzw. Axialwand 136, die in axialer Richtung von der ersten Ringwand 130 beabstandet ist.
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In der radial innen liegenden Wand, die durch den radial innen liegenden U-Schenkel des ersten Ringkanalteils 123 gebildet ist, können zweite Verbindungskanäle 100 ausgebildet sein, wie es in 8 schematisch angedeutet ist.
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9 zeigt, dass das erste Ringkanalteil 123 in dem axialen Bereich, der durch den radial außen liegenden U-Schenkel definiert ist, Auswölbungen 138 aufweisen kann. Die Auswölbungen 138 können dabei Verbindungseinrichtungen 116 bilden, wie sie für Mäanderanordnungen 118 der 5 und 6 geeignet sind. Die Verbindungseinrichtungen 116 werden dabei in axialer Richtung durch die Auswölbungen 138 begrenzt. In radialer Richtung sind die Verbindungseinrichtungen 116 durch die U-Schenkel des ersten Ringkanalteils 123 begrenzt.
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In 8 ist bei 140 dargestellt, dass zwischen den aneinander anliegenden Flächen der Ringkanalteile 123, 124 Dichtungen vorgesehen sein können. Diese Ausführungsform ist jedoch optional, da es auf eine perfekte Abdichtung des Ringkanals 126 in der Regel nicht ankommt. Insbesondere dann, wenn der Druck der Pumpe 56 niedrig gehalten wird, kann auf derartige Dichtungen verzichtet werden.
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In den oben beschriebenen Ausführungsformen sind jeweils einzelne Kanäle, Bohrungen etc. gezeigt. Es versteht sich, dass derartige Kanäle, Bohrungen etc. auch in einer Mehrzahl vorhanden sein können, und insbesondere über den Umfang der elektrischen Maschine 12 verteilt angeordnet sein können.
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Ferner versteht sich, dass die Abmessungen der verschiedenen Kanäle, Bohrungen etc. an das zu erwartende thermische Verhalten der elektrischen Maschine angepasst sein können, so dass die Wärmeabfuhr möglichst gleichmäßig erfolgt. Hierdurch werden thermische Spitzenbelastungen vermieden, was günstig hinsichtlich der Lebensdauer und hinsichtlich der abgebbaren Maximalleistung ist.
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Die Anpassung der Abmessungen der Kanäle, Bohrungen etc. kann dabei an den Bedarf der jeweiligen Maschinensegmente angepasst sein, aber auch an deren jeweilige Lage und/oder Drehzahlen der Rotorwelle. Weitere Einflussparameter sind der Druck der Pumpe 56 und der von der Pumpe 56 zur Verfügung gestellte Volumenstrom.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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