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Die vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor oder einen Generator. Sie betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer rotierenden elektrischen Maschine.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden zunehmend Elektromotoren verbaut. Sie werden dabei insbesondere als im Antriebsstrang vollintegrierte Antriebsmotoren oder beispielsweise als Startergeneratoren eingesetzt. Dabei kommen zum Teil fremderregte Synchronmaschinen zum Einsatz, die einen Rotor aus einem mit einer Erregerwicklung versehenen Blechpaket aufweisen. Bei derartigen Maschinen sind oftmals Wickelkopfabdeckungen vorgesehen, die die Wickelköpfe der Erregerwicklung abdecken und topfförmig ausgebildet sein können.
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Die Erregerwicklung wird elektrisch isoliert. Zudem ist es insbesondere bei hochdrehenden Rotoren vorteilhaft, die Erregerwicklung gegen ein Austreten aus der Nut aufgrund der im Betrieb wirkenden hohen Fliehkräfte zu sichern. Üblicherweise wird die Erregerwicklung daher mit einer Verguss- oder Tränkmasse umgeben, z. B. mit einem Epoxidharzsystem oder einem Tränkharz. Zudem können Nutkeile eingesetzt werden, die die Nut nach außen abdecken und die Erregerwicklungen zusätzlich sichern.
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Derartige rotierende elektrische Maschinen weisen häufig Flüssigkeitskühlsysteme auf, wobei ein Kühlmittel in Kanälen im Gehäuse geführt ist. Darüber hinaus ist es beispielsweise aus der
EP 2 109 207 A2 bekannt, die Wickelkopfräume mit einem Kühlluftstrom zu kühlen. Eine weitere Druckschrift
US 2010/0 133 933 A1 beschreibt eine Kühlungsanordnung für eine elektrische Maschine, bei der Kühlungsluft innerhalb von der elektrischen Maschine zirkuliert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine rotierende elektrische Maschine mit einem weiter verbesserten Kühlsystem anzugeben, das den Betrieb der Maschine mit sehr hohen Drehzahlen zulässt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine rotierende elektrische Maschine angegeben, die einen Stator und einen innerhalb des Stators angeordneten Rotor aufweist, der ein auf einer Rotorwelle angeordnetes Rotorblechpaket mit Erregerwicklungen aufweist. An einem ersten Ende des Rotors und an einem dem ersten Ende in Richtung der Rotorwelle gegenüberliegenden zweiten Ende ist jeweils ein Wickelkopf der Erregerwicklungen gebildet. Die rotierende elektrische Maschine weist ferner ein Gehäuse mit einem zylindrischen Hohlraum zur Aufnahme des Stators und des Rotors auf sowie ein Kühlsystem zur Führung eines Kühlluftstroms durch die rotierende elektrische Maschine. Das Kühlsystem umfasst eine Anzahl erster Kühlluftkanäle parallel zur Rotorwelle, wobei die ersten Kühlluftkanäle auf zumindest einer Seite durch den Rotor begrenzt werden, und eine Anzahl zweiter Kühlluftkanäle parallel zur Rotorwelle, wobei die zweiten Kühlluftkanäle auf zumindest einer Seite durch den Stator begrenzt werden, sowie eine Anzahl von Umlenkkanälen, die erste Kühlluftkanäle mit zweiten Kühlluftkanälen verbinden und die durch Abdeckungen der Wickelköpfe geführt sind. Dabei sind die zweiten Kühlluftkanäle in Dehnungsbögen im Gehäuse gebildet. Derartige Dehnungsbögen sind bei manchen Gehäusen zum Toleranzausgleich vorgesehen, wenn das beispielsweise stranggepresste Gehäuse passgenau auf den Stator aufgeschrumpft wird.
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Bei dieser rotierenden elektrischen Maschine, die insbesondere als Elektromotor oder als Generator ausgebildet sein kann, wird ein Kühlluftkreislauf bereitgestellt, der sowohl die Wickelköpfe mittels durch die unter den Wickelkopfabdeckungen gebildeten Wickelkopfräume geführter Luft kühlt als auch eine Kühlung des Rotors und Stators durch im gleichen Kreislauf geführte Kühlluft bereitstellt.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist innerhalb der Kapselung ein geschlossener Kühlkreislauf für die Luftzirkulation vorgesehen. Der Luftzirkulationskreislauf ist auf diese Weise in die rotierende elektrische Maschine selbst eingebettet und durchläuft die besonders wärmebelasteten Teile der Maschine, wie Wickelkopfräume und Rotor. Zur Luftzirkulation innerhalb der Kapselung ist mindestens ein Ventilator/Lüfter vorgesehen. Mit Hilfe des Kühlmediums Luft kann an den besonders hoch wärmebelasteten Teilen Wärme aufgenommen und zu Wärmesenken wie z. B. der flüssigkeitsgekühlten Gehäuseteile geführt werden.
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Die Dimensionierung einer rotierenden elektrischen Maschine richtet sich unter anderem nach der maximal zulässigen Maschinen- und Wicklungstemperatur. Durch die Integration eines Lüfters in mindestens einer Endkappe des Rotors wird, trotz beengter Einbauverhältnisse, eine bessere Wärmeabfuhr aus den Wickelköpfen und aus dem Rotor erreicht. Die ohnehin vorhandene Endkappe, die den Rotor axial abschließt und mit ihm rotiert, wird zur Ausbildung eines Diagonalventilators herangezogen. Dazu wird auf die Nabe der Endkappe eine konische Laufradnabe mit sichelförmigen Laufradschaufeln montiert. Die Laufradschaufeln schließen mit der konisch ausgebildeten Laufradnabe ab.
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In einer Ausführungsform weist zumindest eine der Wickelkopfabdeckungen ein Lüfterrad auf zur Erzeugung eines Kühlluftstroms zwischen den ersten Kühlluftkanälen und den zweiten Kühlluftkanälen. Damit wird ein zirkulierender Luftstrom erzeugt, wobei das Lüfterrad Luft von einer Seite des Wickelkopfes ansaugt und über die andere Wickelkopfseite durch die ersten oder zweiten Kühlluftkanäle wieder zurücktransportiert.
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In einer Ausführungsform ist das Lüfterrad als Diagonallüfterrad ausgebildet für eine Ansaugung in axialer Richtung und ein Ausströmen in diagonaler Richtung. Ein Diagonallüfterrad unterscheidet sich von einem Axiallüfterrad dadurch, dass es axial angesaugtes Strömungsmedium diagonal ausströmen lässt. Es findet demnach eine Umlenkung im Lüfterrad statt. Dabei kann der Austrittswinkel zwischen 0 und 90 Grad variiert werden. Diagonallüfter nutzen sowohl den Schaufeleffekt der Lüfterflügel als auch die Zentrifugalbeschleunigung. Sie sind eine Zwischenform aus Radial- und Axiallüftern. Es ist mit Diagonallüftern bei gleicher Drehzahl eine größere Druckerhöhung erzielbar als mit Axiallüftern. Im Ergebnis wird ein Luftstrom erzeugt, der in seiner Strömungsrichtung dem durch einen Axiallüfter erzeugten stark ähnelt, jedoch bei höherem möglichen Druckaufbau. Mit einem solchen Lüfter lassen sich auf einfache Weise ohne die sonst für Radiallüfter nötigen Änderungen im Gerätedesign höhere Gegendrücke überwinden.
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Der Impulsaustausch zwischen dem Lüfterrad und dem hindurchströmenden Gas wird durch die Formgebung und die Anordnung der Beschaufelung sowie durch die Lüfterraddrehzahl bestimmt. Die Lüfterradgeometrie ist in einer Ausführungsform mit sichelförmigen Schaufeln ausgeführt. Zur Dämpfung von Stoß- und Wirbelverlusten können die Laufradschaufeln in radialer Erstreckung verwunden ausgeführt sein.
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In einer Ausführungsform weist das Lüfterrad eine die Rotorwelle konzentrisch umgebende Laufradnabe und eine die Laufradnabe konzentrisch umgebende Gehäuseführung auf, wobei zwischen der Laufradnabe und der Gehäuseführung ein Umlenkkanal gebildet ist und sich Laufradschaufeln zwischen der Laufradnabe und der Gehäuseführung erstrecken.
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Im Betrieb der rotierenden elektrischen Maschine dreht das Lüfterrad mit dem Rotor mit und erzeugt dadurch den Luftstrom. In dem Umlenkkanal strömt die Luft wegen der Ausbildung als Diagonallüfter in einer Richtung schräg zur Rotorachse.
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In einer Ausführungsform weist die Laufradnabe eine den Umlenkkanal begrenzende äußere Oberfläche auf, die konisch ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich weist die Gehäuseführung eine den Umlenkkanal begrenzende innere Oberfläche auf, die konisch ausgebildet ist. Die konischen Oberflächen dienen dabei als Luftleitelemente und unterstützen die Erzeugung des Kühlluftstroms.
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In einer Ausführungsform weist die am ersten Ende angeordnete Wickelkopfabdeckung ein Lüfterrad und Ansaugöffnungen auf. Die am zweiten Ende angeordnete Wickelkopfabdeckung weist Lufteintrittsöffnungen auf.
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Bei dieser Anordnung erzeugt das Lüfterrad der am ersten Ende angeordneten Wickelkopfabdeckung den Luftstrom, der den Rotor und gegebenenfalls den Stator auf seiner gesamten Länge durchströmt. Am zweiten Ende tritt die Luft durch die Lufteintrittsöffnungen lediglich „passiv”, d. h. ohne weitere aktive Lüfterelemente, von den ersten in die zweiten Kühlluftkanäle oder umgekehrt über.
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In einer Ausführungsform sind erste Kühlluftkanäle in Nuten im Rotorblechpaket gebildet. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise vorteilhaft sein bei einem spritzgegossenen Rotor, bei dem die Nuten im Blechpaket im Spritzguss mit einer Kunststoffmasse teilweise verfüllt wurden. Bei einem solchen Verfahren bleibt nämlich durch die nur teilweise Verfüllung der Nuten ausreichend Platz zur Bildung von Kühlluftkanälen zwischen dem Rotor und dem Stator.
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In einer Ausführungsform sind in den Nuten im Rotorblechpaket Nutkeile angeordnet, die eine konkave Form mit einer zum Innern des Rotors gerichteten Aufwölbung aufweisen. Durch den konkaven Querschnitt der Nutkeile wird in dem verbleibenden Spalt zwischen Rotor und Stator ein größerer Luftdurchsatz erzielt als bei flachen oder konvexen Nutkeilen.
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In einer Ausführungsform sind erste Kühlluftkanäle durch Bohrungen im Rotorblechpaket gebildet. Eine solche Anordnung bietet sich bei vollvergossenen Rotoren an, bei denen keine Vertiefungen im Bereich der Nuten bestehen bleiben. Bei derartigen Rotoren können nach dem Verguss im Rotorblechpaket den Rotor auf seiner ganzen Länge parallel zur Rotorachse durchsetzende Bohrungen angebracht werden, die erste Kühlluftkanäle bilden.
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In einer Ausführungsform können zweite Kühlluftkanäle zusätzlich in Nuten im Statorblechpaket gebildet sein. Derartige Nuten können in das Blechpaket nach dem Stapeln der Einzelbleche eingeformt werden oder sie können durch Ausnehmungen in den zu stapelnden Einzelblechen gebildet werden.
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Alternativ oder zusätzlich können zweite und/oder erste Kühlluftkanäle in einem zwischen Rotor und Stator angeordneten Ringspalt gebildet sein. Der Ringspalt zwischen Rotor und Stator ist typischerweise nicht sehr breit, umgibt den Rotor aber auf seinem gesamten Umfang, so dass ein nicht unerheblicher Luftdurchsatz durch ihn erzielt werden kann. Die Nutzung des Ringspalts als Kühlluftkanal hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Maßnahmen wie das Anbringen von Bohrungen ergriffen werden müssen, um Kühlluftkanäle bereitzustellen.
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In einer Ausführungsform sind das Gehäuse und/oder Lagerschilde der rotierenden elektrischen Maschine mit einem flüssigen Kühlmittel kühlbar. Bei dieser Ausführungsform erfolgt eine Abfuhr der durch die Kühlluft aufgenommenen Wärme durch Übertragung an das Gehäuse und/oder die Lagerschilde und eine weitere Abfuhr durch das flüssige Kühlmittel, beispielsweise Wasser.
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Eine derartige rotierende elektrische Maschine weist ein sehr effektives Kühlsystem auf und ist auch für hohe Drehzahlen von mehr als 10000 Umdrehungen pro Minute geeignet.
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In einer Ausführungsform ist die rotierende elektrische Maschine als Elektromotor ausgebildet. Sie kann auch als Generator ausgebildet sein oder sowohl als Motor als auch als Generator betreibbar sein.
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Derartige Elektromotoren eignen sich für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Sie können sowohl als im Antriebsstrang vollintegrierte Antriebsmotoren als auch beispielsweise als Startergeneratoren eingesetzt werden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird deshalb ein Kraftfahrzeug mit einem Antrieb angegeben, der den beschriebenen Elektromotor aufweist. Das Kraftfahrzeug kann dabei als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein.
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Ausführungsbeispiele werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch die rotierende elektrische Maschine gemäß 1;
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3 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Diagonallüfterrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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4 zeigt schematisch eine weitere perspektivische Ansicht eines Diagonallüfterrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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5 zeigt schematisch Laufradschaufeln des Diagonallüfterrads gemäß den 3 und 4;
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6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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7 zeigt in einer Prinzipskizze einen Querschnitt durch die rotierende elektrische Maschine gemäß 6;
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8 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Rotors für die rotierende elektrische Maschine gemäß 6;
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9 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Wickelkopfabdeckung für die rotierende elektrische Maschine gemäß 6;
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10 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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11 zeigt in einer Prinzipskizze einen Querschnitt durch die rotierende elektrische Maschine gemäß 10;
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12 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Wickelkopfabdeckung für die rotierende elektrische Maschine gemäß 10;
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13 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und
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14 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 und 2 zeigen schematisch eine als Elektromotor ausgebildete rotierende elektrische Maschine 1 mit einem Rotor 2, der ein Rotorblechpaket sowie eine Rotorwelle 3 umfasst. Der Rotor 2 weist in dieser Ansicht nicht gezeigte Erregerwicklungen auf. Der Rotor 2 ist um die Achse der Rotorwelle 3 drehbar gelagert und von einem Stator 4 konzentrisch umgeben. Der Stator 4 ist ebenfalls aus einem nicht näher dargestellten Blechpaket mit Wicklungen gebildet. Der Stator 4 sitzt fest in einem Gehäuse 5, das im Strangpress- oder Stranggussverfahren hergestellt ist und auf den Stator 4 aufgeschrumpft wurde. Zum Ausgleich von Toleranzen weist das Gehäuse 5 eine Anzahl von Dehnungsbögen 7 auf, die sich über die gesamte Länge des Gehäuses von einem ersten Ende 8 zu einem zweiten Ende 9 der Maschine 1 erstrecken.
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Der Rotor 2 weist am ersten Ende 8 und am zweiten Ende 9 Wickelkopfabdeckungen 12 für die Wickelköpfe der Erregerwicklung auf. Zumindest eine der Wickelkopfabdeckungen 12 ist als Diagonallüfterrad 11 ausgebildet, das einen Kühlluftstrom durch die gesamte Maschine 1 erzeugt.
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Das Diagonallüfterrad 11 ist in eine im Wesentlichen topfförmige Wickelkopfabdeckung 12 integriert, und zwar in dessen Stirnseite 18. Es umfasst eine konzentrisch um die Rotorwelle 3 herum angeordnete Laufradnabe 14 und eine konzentrisch um die Laufradnabe 14 herum angeordnete Gehäuseführung 13. Zwischen der Gehäuseführung 13 und der Laufradnabe 14 ist ein Umlenkkanal 15 gebildet. Die den Umlenkkanal 15 begrenzenden Oberflächen der Laufradnabe 14 und der Gehäuseführung 13 sind konisch ausgebildet. Durch den Umlenkkanal 15 erstrecken sich Laufradschaufeln 16 von der Laufradnabe 14 zur Gehäuseführung 13.
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Die 3 und 4 zeigen ein derartiges Diagonallüfterrad 11, das in eine Wickelkopfabdeckung 12 integriert ist und in seinem Zentrum einen Durchlass 19 für die Rotorwelle 3 aufweist. Die Laufradschaufeln 16 können, wie in 3 gezeigt, gerade ausgebildet sein oder gebogen wie in 4 gezeigt, insbesondere vorwärtsgekrümmt. Am Boden des Umlenkkanals 15 sind Ansaugöffnungen 17 gebildet, durch die im Betrieb Kühlluft angesaugt wird.
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5 zeigt lediglich schematisch eine mögliche Form der Laufradschaufeln 16. In der gezeigten Ausführungsform sind die Laufradschaufeln 16 sichelförmig ausgebildet. Die Pfeile w1 und w2 kennzeichnen die Strömungsrichtung der Kühlluft, der Pfeil 19 die Drehrichtung der Rotorwelle 3.
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6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine rotierende elektrische Maschine 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist das mit Wicklungen 23 versehene Rotorblechpaket 10 mittels Spritzguss vergossen. Die Nuten 25 sind teilweise mit Vergussmasse gefüllt und nach außen durch konkave Nutkeile 24 abgedeckt.
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An seinem ersten Ende 8 weist der Rotor 2 eine Wickelkopfabdeckung 12 mit einem Diagonallüfterrad 11 auf, das wie bereits beschrieben ausgebildet sein kann. An seinem zweiten Ende 9 weist der Rotor 2 eine Wickelkopfabdeckung 12 mit Lufteintrittsöffnungen 22 auf.
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Bei dieser Ausführungsform sind erste Kühlkanäle in Nuten 25 im Rotor 2 und zweite Kühlluftkanäle im Ringspalt 6 und/oder in Nuten 31 im Statorgehäuse gebildet. Lediglich schematisch ist unterhalb des Rotors 2 in 6 die Lage des Stators 4 mit seinem Blechpaket 20 und mit seinen Wickelköpfen 21 angegeben.
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Im Betrieb erzeugt das mitdrehende Diagonallüfterrad 11 eine Luftströmung entlang des Pfeils 26 durch die Ansaugöffnungen 17 Wickelkopfabdeckung 12, entlang des Pfeils 27 durch den Ringspalt 6 bzw. die Nuten 31, entlang der Pfeile 28 durch die Lufteintrittsöffnungen 22, entlang des Pfeils 29 durch die Nuten 25 und entlang des Pfeils 30 zu den Ansaugöffnungen 17. Es ist somit ein geschlossener Kühlluftkreislauf durch die gesamte Maschine 1 verwirklicht.
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7 zeigt diesen Kühlkreislauf in einer Prinzipskizze. In dieser Ansicht ist erkennbar, dass zweite Kühlluftkanäle zusätzlich zum Ringspalt 6 in Nuten 31 im Statorblechpaket 20 gebildet sind.
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8 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht des Rotors 2. In dieser Ansicht ist der schräge Verlauf der Nuten 25 erkennbar, die durch die konkaven Nutkeile 24 teilweise abgedeckt sind.
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9 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Wickelkopfabdeckung 12 für die Maschine 1 gemäß 6. In dieser Ansicht ist die konische Form der den Umlenkkanal 15 begrenzenden Oberflächen der Gehäuseführung 13 und der Laufradnabe 14 erkennbar. Diese Oberflächen sind demnach um Winkel α bzw. β gegen die Richtung der Rotorwelle 3 geneigt. Beispielsweise kann α 52 Grad betragen und β 54 Grad. Es hat sich herausgestellt, dass α und β vorteilhaft zwischen 50 und 85 Grad betragen.
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10 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine rotierende elektrische Maschine 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten dadurch, dass der Rotor 2 vollvergossen ist. Auch seine Nuten 25 sind demnach mit Vergussmasse aufgefüllt und stehen nicht als Kühlkanäle zur Verfügung. Stattdessen sind erste Kühlkanäle in Bohrungen 32 im Rotorblechpaket 10 gebildet. Diese werden entlang des Pfeils 33 durchströmt. Zweite Kühlkanäle sind in Nuten 31 im Statorblechpaket 20 gebildet. Diese werden entlang des Pfeils 34 durchströmt.
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11 zeigt diesen Kühlkreislauf in einer Prinzipskizze. In dieser Ansicht ist erkennbar, dass zweite Kühlluftkanäle sowohl im Ringspalt 6 als auch in Nuten 31 im Statorblechpaket 20 gebildet sind.
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12 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Wickelkopfabdeckung 12 für die Maschine 1 gemäß 10. Für die Winkel α bzw. β gilt das bereits weiter oben Ausgeführte. Diese Wickelkopfabdeckung 12 unterscheidet sich von der in 9 gezeigten dadurch, dass ein Abdichtring 35 vorgesehen ist, um die Luft von den ersten Kühlkanälen in den Bohrungen 32 zu den Laufradschaufeln 14 zu leiten.
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13 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine rotierende elektrische Maschine 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind zweite Kühlkanäle durch Nuten 31 im Statorblechpaket 20 geführt, wie es bereits anhand von 6 gezeigt wurde. Im Übrigen ist die Maschine 1 wie anhand der ersten oder zweiten Ausführungsform beschrieben gestaltet.
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14 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine rotierende elektrische Maschine 1 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind zweite Kühlkanäle durch Dehnungsbögen 7 im Gehäuse 5, die bereits in 2 gezeigt sind, geführt. Im Übrigen ist die Maschine 1 wie anhand der ersten oder zweiten Ausführungsform beschrieben gestaltet. Die dritte und die vierte Ausführungsform können auch kombiniert werden.
