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Hintergrund
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Die vorliegende Offenlegung richtet sich auf ein System zur Kühlung einer elektrischen Maschine. Insbesondere richtet sich die vorliegende Offenlegung auf ein System zur Kühlung von Ständerblechen und Ständerwicklungen einer elektrischen Maschine.
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Elektrische Maschinen einschließlich Motoren und Generatoren arbeiten durch Rotation eines Läufers im Verhältnis zu einem den Läufer umgebenden Ständer. Elektrische Maschinen entwickeln im Betrieb Wärme, die ausgehend vom Läufer radial nach außen zum Ständer auf ein Außengehäuse übergeht. Zur Kühlung der elektrischen Maschine kann beispielsweise Luft oder ein flüssiges Kühlmittel durch Kanäle, die sich im Außengehäuse befinden, durch Öffnungen, die sich in abgedichteten Blechen des Ständers befinden, oder durch Kanäle, die sich zwischen Wicklungen des Ständers befinden, geleitet werden.
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Zusammenfassung
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Die vorliegende Offenlegung richtet sich auf ein System zur Kühlung einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine beinhaltet einen Läufer, einen Ständer und mindestens ein Kühlrohr, das sich durch den Ständer erstreckt. Während des Betriebs der elektrischen Maschine strömt Fluid durch das Rohr und führt von der Maschine erzeugte Wärme ab.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung wird eine elektrische Maschine zur Verfügung gestellt, die Folgendes beinhaltet: einen Läufer und einen Ständer. Der Ständer beinhaltet ein Blechpaket, das eine Mehrzahl koaxial ausgerichteter Bleche beinhaltet, wobei das Blechpaket eine zentrale Bohrung, die für die Aufnahme des Läufers bemessen ist, und mindestens eine Kühlbohrung definiert, wobei das Blechpaket ein erstes Ende und ein zweites Ende definiert, eine Fluid-Eingangsplatte innerhalb des Blechpakets mit Abstand zum ersten Ende und zum zweiten Ende angeordnet ist und ein Kühlfluid in der mindestens einen Kühlbohrung positioniert ist.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung wird eine Elektromaschinen-Fluidtransportvorrichtung zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtung beinhaltet einen Körper, der eine erste Seite und eine zweite Seite, einen im Körper definierten Fluid-Eingang; einen im Körper definierten und mit dem Eingang strömungstechnisch verbundenen Innendurchgang; einen ersten in der ersten Seite definierten und mit dem Innendurchgang strömungstechnisch verbundenen ersten Ausgang; und einen in der zweiten Seite definierten und mit dem Innendurchgang strömungstechnisch verbundenen zweiten Ausgang aufweist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung wird eine Platte für die Verwendung mit einem Motorständer zur Verfügung gestellt. Die Platte beinhaltet einen Körper, der in Größe und Form so gestaltet ist, dass er an ein Blech eines Blechpakets des Motorständers anstößt. Der Körper beinhaltet: eine erste Ausgangsöffnung, die ausgerichtet auf eine Fluidleitung des Blechs positioniert ist, und eine erste Fase, die angrenzend zur ersten Ausgangsöffnung so positioniert ist, dass sie Fluid aus der ersten Ausgangsöffnung aufnimmt, wobei die erste Fase einen ersten Fasenausgang beinhaltet, die erste Fase in Größe und Form und Standort so gestaltet und angeordnet ist, dass Fluid, das über den ersten Fasenausgang aus der ersten Fase austritt, auf eine Windung des Motorständers gerichtet ist.
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Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung wird eine elektrische Maschine zur Verfügung gestellt. Die Maschine beinhaltet einen Läufer und einen Ständer. Der Ständer beinhaltet mindestens eine Wicklung; ein Blechpaket, der eine Mehrzahl von koaxial ausgerichteten Blechen beinhaltet, wobei das Blechpaket eine zentrale Bohrung definiert, die für die Aufnahme des Läufers bemessen ist, und mindestens eine Kühlbohrung definiert, wobei das Blechpaket ein erstes Ende und ein zweites Ende definiert; und ein Endstück, das wenigstens einen in ihm definierten Fluidauslass aufweist, wobei der mindestens eine Fluidauslass Sprühdüsen beinhaltet, die Fluid aus dem Inneren des Blechpakets aufnehmen und das Fluid auf die mindestens eine Wicklung leiten.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Zur Verdeutlichung der vorgenannten sowie weiteren Merkmale der vorliegenden Offenlegung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Offenlegung selbst wird auf die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung im Zusammenhang mit den Begleitzeichnungen verwiesen, wobei gilt:
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1 ist eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines Motors, der einen Läufer und einen Ständer mit hindurchgehenden Kühlwegen beinhaltet;
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2 ist eine Draufsicht des Ständers von 1, der mit aufgesetzter Ständer-Endkappe dargestellt ist.
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3 ist eine Draufsicht des Ständers von 1, der mit abgenommener Ständer-Endkappe dargestellt ist.
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4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung des Ständers von 1;
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5 ist eine schematische Querschnittsdarstellung des Ständers von 1 und zeigt die darin stattfindende Fluidströmung; und
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6 ist eine Draufsicht der Eingangsplatte des Ständers von 1.
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Entsprechende Verweiszeichen zeigen in den unterschiedlichen Ansichten entsprechende Teile an. Die hier dargelegten Erläuterungen illustrieren beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung und sind nicht so zu lesen, als würde dadurch der Geltungsumfang der Erfindung in irgendeiner Weise eingeschränkt.
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Detaillierte Beschreibung
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1 stellt eine illustrative elektrische Maschine in Form von Motor 10 zur Verfügung. Obwohl die elektrische Maschine hier als Motor 10 dargestellt und beschrieben wird, können zu den erfindungsgemäßen Maschinen beispielsweise auch Generatoren gehören. Motor 10 beinhaltet Läufer 12, Ständer 14 und optional Gehäuse (nicht dargestellt), das den Ständer 14 umgibt. Im Betrieb wird der Motor 10 mit Energie versorgt, so dass der Läufer 12 sich im Verhältnis zum umgebenden Ständer 14 dreht.
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Ständer 14 beinhaltet Blechpaket 20 und Wicklungen 22. Blechpaket 20 beinhaltet eine Mehrzahl einzelner Bleche 24, die axial geschichtet und miteinander fest verbunden sind. Blechpaket 20 beinhaltet ferner darin enthaltene Eingangsplatten 44 und Endkappen 16. Benachbarte Bleche 24, Eingangsplatten 44 und Endkappen 16 können durch Schweißen, Kleben, mit einem Befestigungsmittel oder durch ein anderes geeignetes Verfahren miteinander verbunden werden.
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Wie in 3 zu sehen, ist jedes Blech 24 ein scheibenförmiger Körper, der aus Elektrostahl oder aus einem anderen geeigneten ferromagnetischen Material aufgebaut ist. Blech 24 beinhaltet einen Außenkreis 26 und einen Innenkreis 28, der eine mittige Öffnung 30 definiert. Bei der Schichtung der Bleche 24 werden benachbarte mittige Öffnungen 30 so ausgerichtet, dass sich eine zentrale Bohrung 32 ergibt, die sich axial durch das Blechpaket 20 erstreckt. Die mittige Bohrung 32 ist so bemessen, dass sie den Läufer 12 aufnimmt (1). Der Innenkreis 28 von Blech 24 beinhaltet auch eine Mehrzahl radial abständig angeordneter Wicklungszähne 40. Benachbarte Wicklungszähne 40 definieren zwischenliegende Wicklungsschlitze 42.
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Wie in 2 dargestellt, beinhaltet jedes Ende von Blechpaket 20 eine Endkappe 16. Endkappe 16 ist ein nichtferromagnetisches scheibenförmiges Stück, das im Wesentlichen ähnlich den Blechen 24 bemessen ist. Endkappen 16 besitzen demzufolge Wicklungsschlitze 42, die sich in Flucht mit Wicklungsschlitzen 42 von Blechpaket 20 befinden. Zusätzliche Merkmale von Endkappen 16 werden nachstehend erörtert.
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Bei Schichtung der Bleche 24 mit Endkappen 16 erstrecken sich Drähte, wie isolierte Kupferdrähte, durch die Wicklungsschlitze 42 und umschlingen Wicklungszähne 40 zur Ausbildung von Wicklungen 22. Außenkreis 26 von Blech 24 kann eine beliebige Anzahl von Ausrichtungsmerkmalen (nicht dargestellt) wie Rücksprünge, Vorsprünge und/oder Markierungen beinhalten, die anzeigen, wann benachbarte Bleche 24 ordnungsgemäß ausgerichtet sind.
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Wie weiter in 3 zu sehen, beinhaltet jedes Blech 24 auch eine Mehrzahl von Durchflussöffnungen 50. Durchflussöffnungen 50 sind so positioniert, dass sie zwischen benachbarten Wicklungen 22 von Ständer 14 liegen, wie in 3 dargestellt. In 3 ist die Endkappe 16 entfernt, um die Durchflussöffnungen 50 zu zeigen. Durch die Anordnung von Durchflussöffnungen 50 zwischen benachbarten Wicklungen 22 werden die Wicklungen 22 direkt gekühlt und nicht indirekt über Blechpaket 20. Zusätzlich zu den Öffnungen 50 können dort Kühlrohre 60 zwischen benachbarten Wicklungen 22 eingesetzt und gegen die Wicklungen 22 hydrogeformt werden, wie in Bezug auf Kühlungsbohrungen 52 von Blechpaket 20 in der US-Patentanmeldung mit der Seriellen Nr. 12/262721 (METHOD OF MANUFACTURING COOLING CHANNELS IN STATOR LAMINATIONS, Anmeldedatum 31. Oktober 2008) beschrieben, die hier ausdrücklich in Bezug genommen wird.
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Durchflussöffnungen 50 können in Blechen 24 mit jedem geeigneten Verfahren ausgebildet werden. Beispielsweise können Durchflussöffnungen 50 nach dem (oder beim) Stanzen der Blechlamelle 24 ausgebildet werden, indem Löcher in das Metallblech geschnitten oder aus dem Metallblech ausgestanzt werden. In einem weiteren Beispiel können Durchflussöffnungen 50 während eines Formvorgangs ausgebildet werden. Durchflussöffnungen 50 können kreisrund, oval, dreieckig sein oder eine andere geeignete Form aufweisen. Die illustrierte Ausführungsform beinhaltet dreieckige Öffnungen 50. Bei der Schichtung der Bleche 24 bilden benachbarte Öffnungen 50 im Zusammenwirken eine Mehrzahl von Kühlbohrungen 52, die sich durch das Blechpaket 20 erstrecken. In einer Ausführungsform erstrecken sich Kühlbohrungen 52 durch das Blechpaket 20 in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur zentralen Bohrung 32 ist. Diese parallele Anordnung lässt sich dadurch erreichen, dass benachbarte Durchflussöffnungen 50 jeweils direkt übereinander ausgerichtet werden. Während hier Durchflussöffnungen 50 beschrieben wurden, die von Blechen 24 definiert werden, können in Durchflussöffnungen 50 auch Kühlrohre (nicht dargestellt) platziert werden, um Kühlbohrungen 52 zu definieren. Kühlrohre können aus einem thermisch leitfähigen Material wie Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder aus einem anderen geeigneten Material wie Stahl oder einer Stahllegierung hergestellt werden. Ferner sind auch Ausführungsformen mit erfasst, in denen die Kühlrohre Nichteisenrohre, aber dennoch thermisch leitfähig sind.
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Zusätzlich zu den Blechen 24 beinhaltet der Ständer 14 auch eine oder mehrere Eingangsplatten 44, 6. In der dargestellten Ausführungsform der 4 und 6 ist die Eingangsplatte 44 in Bezug auf den Außen- und Innenkreis 26, 28 ähnlich dem Blech 24 bemessen. Die Eingangsplatte 44 ist jedoch ausreichend dick für die Ausbildung von Eingangsöffnung 46 in dieser Platte und ist nichtferromagnetisch. Zusätzlich sind Eingangsplatten 44 mit erfasst, die einen größeren Durchmesser als die Bleche 24 aufweisen. Eingangsöffnung 46 ist eine Öffnung mit Mehrfachdurchmesser, die sich vom Außenkreis 26 zum Teilabschnitt 48 der Kühlbohrung 52 erstreckt. Teilabschnitt 48 bildet ein ”T” mit Eingangsöffnung 46. In einer Ausführungsform wird eine Eingangsöffnung 46 pro Kühlbohrung 52 vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform, die in 6 zu sehen ist, ist eine einzige Eingangsöffnung 46 vorgesehen und die Eingangsplatte 44 beinhaltet einen umlaufenden Durchgang 54, der die Eingangsöffnung 46 mit allen Kühlbohrungen 52 verbindet. Es sei darauf hingewiesen, dass ferner Ausführungsformen mit erfasst sind, bei denen vielfache Eingangsöffnungen 46 vorgesehen sind, die jeweils mit mehr als einer, aber weniger als allen Kühlbohrungen 52 gekoppelt sind. In den Ausführungsformen, bei denen eine einzelne Eingangsöffnung 46 mehr als eine Kühlbohrung 52 versorgt, sind umlaufende Durchgänge 54 innerhalb der Eingangsplatten 44 vorgesehen. Der Außenabschnitt 47 von Eingangsöffnung 46 ist so bemessen, dass er einen Schlauch oder eine andere Leitung aufnimmt, die sich mit dem Außenabschnitt 47 dicht verbindet und Kühlöl einleitet. Während die 4 und 5 einen Ständer 14 zeigen, der eine einzige Eingangsplatte 46 aufweist, sind Ausführungsformen mit erfasst, bei denen mehr als eine Eingangsplatte im Blechpaket 20 angeordnet ist. Während 6 eine Seite der Eingangsplatte 44 mit Teilabschnitten darin definierter Kühlbohrungen 52 zeigt, ist zusätzlich davon auszugehen, dass auch die gegenüberliegende Seite Teilabschnitte darin definierte Kühlbohrungen 52 enthält.
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Wie weiter vorn angemerkt, sind Endkappen 16 ähnlich den Blechen 24 dimensioniert. Die Endkappen 16 weisen Verteilungsfasen 72 und Dosierausgangsöffnungen 74 auf. Dosierausgangsöffnungen 74 sind auf Kühlbohrungen 52 ausgerichtet. Die Bemessung der Dosierausgangsöffnungen 74 ist lagespezifisch angepasst, um gewünschte Strömungseigenschaften für den jeweiligen Standort der Öffnung am Ständer 14 zu gewährleisten.
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Verteilungsfasen 72 sind Flächen mit erhöhter Dicke, die so bemessen sind, dass sie zwischen benachbarte Wickelköpfe der Wicklungen 22 passen. Verteilungsfasen 72 sind in Größe und Form so gestaltet, dass sie Kühlöl von Dosierausgangsöffnungen 74 aufnehmen und es an benachbarte Wickelköpfe der Wicklungen 22 leiten. Motor 10 hat im Betrieb eine festgelegte Ausrichtung gegenüber der Schwerkraft. In Anerkenntnis der Tatsache, dass jede Dosierausgangsöffnung 74 eine einzigartige Beziehung zu benachbarten Wickelköpfen für Wicklungen 22 und zur Schwerkraft einnehmen kann, wird dementsprechend jede der Verteilungsfasen 72 lagespezifisch angepasst.
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Das Kühlfluid kann beispielsweise Öl, Wasser, ein Gemisch von Wasser und Ethylenglykol, ein Gemisch von Wasser und Propylenglykol oder ein anderes geeignetes Wärmeübertragungsfluid sein. Beispielhafte Kühlfluide sind in der Lage, mehr Wärme vom Motor 10 abzuführen als dies beispielsweise Luft vermag. Wie in 5 schematisch dargestellt, gelangt das Kühlfluid vom Startbehälter S in die Eingangsöffnung 46 der Eingangsplatte 44 (über Pumpe 71 und einen Filter), nach innen zu Teilabschnitt 48, seitlich über Kühlrohr 60 (sofern vorhanden) durch das Blechpaket 20, hinaus aus der Dosierausgangsöffnung 74, hinein in Verteilungsfasen 72, entlang an den Wickelköpfen der Wicklung 22 (angrenzend an Fasen 72 und 5 nicht dargestellt), und abschließend zum Zieltank D. Die Fließrichtung des Fluids wird durch Pfeil F angezeigt. Vom Motor 10 erzeugte Wärme wird vom Blechpaket 20 durch die Wandungen der Kühlrohre 60 (soweit vorhanden) in das darin strömende Kühlfluid übertragen. Die Wärmeströmungsrichtung ist durch Pfeil H gekennzeichnet. Das an den Zielbehälter D übergebene erwärmte Fluid kann gekühlt und an den Startbehälter S zurückgeführt werden.
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Wie weiter in 5 zu sehen, ist Eingangsöffnung 46 von Eingangsplatte 44 an Fluidleitungen 70 angekoppelt. Fluidleitungen 70 können beispielsweise aus flexiblem Gummischlauch gefertigt sein. Wie in 5 schematisch dargestellt, führen Fluidleitungen 70 das Kühlfluid über Pumpe 71 von Starttank S zu Eingangsöffnung 46 der Eingangsplatte 44. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung werden Fluidleitungen 70 auch an ein Gehäuse angekoppelt, in dem sich der Motor 10 befindet. Das Gehäuse enthält das Fluid, das von Öffnungen 74 abgegeben wird und die Wickelköpfe der Wicklungen 22 überströmt (2).
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Zur Förderung der gleichmäßigen Kühlung von Blechpaket 20 ist eine im Wesentlichen gleichmäßige Strömung in allen Kühlbohrungen 52 gewünscht. Es ist jedoch ersichtlich, dass Motor 10 und das Fluid der Schwerkraft ausgesetzt sind. Für Ausführungsformen, bei denen eine einzelne Eintrittsöffnung 46 mit mehr als einer Kühlbohrung 52 verbunden ist, befinden sich die Kühlbohrungen 52 potentiell auf unterschiedlichen Höhen (aufgrund der abweichenden radialen Standorte). Aus diesem Grund, oder aus jedem anderen Grund mit tendenziell ungleichmäßiger Verteilung, werden die Dosierausgangsöffnungen 74 jeweils individuell bemessen. Wenn eine Kühlbohrung 52 naturgemäß dazu neigt, eine erhöhte Menge von Fluid auf sich zu ziehen, wird diese Kühlbohrung 52 mit einer kleineren Dosierausgangsöffnung 74 versehen, um die diese Kühlbohrung 52 anströmende Menge gegenüber anderen Kühlbohrungen 52 auszugleichen. Darüber hinaus werden Dosierausgangsöffnungen 74 so bemessen, dass die gemeinsame Ausgabe aller Dosierausgangsöffnungen 74 für eine gegebene Eingangsöffnung 46 gleich der Fluidmenge ist, die an die Eingangsöffnung 46 geführt wird, die die eine oder mehr Dosierausgangsöffnungen 74 versorgt. Dementsprechend tritt die Situation nicht auf, dass einige Kühlbohrungen 52 ausreichend mit Kühlfluid versorgt sind, während andere Kühlbohrungen 52 nicht die erforderliche Menge erhalten.
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Obwohl die vorstehende spezifische Ausgestaltung im Interesse eines gleichförmigen Volumenstroms und einer gleichförmigen Kühlung beschrieben wurde, ist davon auszugehen, dass die Strömungseigenschaften auf eine nichtgleichförmige Strömung abgestellt werden können, wenn Betriebskonstruktionen und Betriebsparameter zu einer nichtgleichförmigen Wärmeentwicklung im Motor 10 führen.
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Nach Ausströmen des Kühlfluids durch Dosierausgangsöffnungen trifft das Fluid auf Verteilungsfasen 72. Verteilungsfasen 72 definieren Sammelbecken 73, die jeweils eine Lippe 75 aufweisen. Jedes Sammelbecken 73 füllt sich mit Fluid und läuft schließlich über, ähnlich wie bei Wasserbrunnen oftmals zu sehen. Verteilungsfasen 72 sind in Größe und Form so gestaltet, dass sie Fluid auf benachbarte Wickelköpfe von Wicklungen 22 leiten. Da die schwerkraftbezogene Ausrichtung der verschiedenen Fasen 72 bekannt ist, werden Fasen 72 für die Weiterleitung von Fluid an benachbarte Wickelköpfe von Wicklungen 22 in Größe und Form unterschiedlich gestaltet. Wie am deutlichsten in 2 zu sehen, sind die Fasen 72 dies- und jenseits der vertikalen Mittellinie 76 spiegelgleich. Die Fasen 72a beidseits der oben in der Mitte befindlichen Wicklung 22 sind so geformt, dass Fluid auf beide angrenzenden Wicklungen 22 überläuft. Die restlichen Fasen 72 sind so geformt, dass der Fluidüberlauf im Bereich des höheren Endes der unteren angrenzenden Wicklung 22 erfolgt. Das führt dazu, dass schwerkraftsbedingt ein erhöhter Mengenstrom über einen größeren Bereich des Wickelkopfs der Wicklungen 22 überläuft.
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Obwohl die Fasen 72 in Bezug auf die Bildung von Sammelbecken 73 dargestellt und beschrieben werden, sind Ausführungsformen mit erfasst, bei denen Fasen 72 Sprühmöglichkeiten bereitstellen, die das auf die angrenzenden Wicklungen 22 zu sprühende Fluid über Druckbeaufschlagung des Fluids auswerfen können. In solchen Ausführungsformen kann Fluid sprühend auf beide angrenzenden Wicklungen ausgebracht werden und nicht nur auf jene, auf die das Fluid schwerkraftgemäß nach unten fallen würde.
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Die vorliegende Erfindung wurde zwar mit bevorzugten Gestaltungen beschrieben, kann aber innerhalb des Wesens und Umfangs dieser Offenlegung weiter modifiziert werden. Die vorliegende Anmeldung soll deshalb alle Variationen, Verwendungen oder Anpassungen der Erfindung unter Verwendung ihrer allgemeinen Grundsätze mit erfassen. Ferner soll die vorliegende Anmeldung solche Abweichungen von der vorliegenden Offenlegung mit umfassen, die in der Technik, für die die vorliegende Erfindung gilt, im Rahmen der bekannten oder üblichen Praxis liegen und in den Geltungsbereich der angehängten Ansprüche fallen.
