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Die Erfindung betrifft eine Anschlussvorrichtung, mit welcher sich wenigstens ein elektrischer Hohlleiter einer elektrischen Maschine an eine elektrische Energiequelle anschließen lässt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit wenigstens einer solchen Anschlussvorrichtung.
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Die
DE 12 80 393 A beschreibt eine Verbindung zwischen einem Flüssigkeitsanschlusskasten und einem Leiterstab einer elektrischen Maschine. Der Leiterstab umfasst einzelne Hohlleiter, welchen über den Flüssigkeitsanschlusskasten eine Kühlflüssigkeit zugeführt wird. Ein hülsenförmiges erstes Teil des Flüssigkeitsanschlusskastens ist über Flächen mit dem Leiterstab verlötet. Des Weiteren ist ein zweites Teil des Flüssigkeitsanschlusskastens, welches einen Anschlussnippel umfasst, über eine senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des Leiterstabs verlaufende Fläche mit dem ersten Teil verlötet.
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Die
DE 10 20 408 A beschreibt eine Einrichtung für die Kühlmittelführung in dynamoelektrischen Maschinen, in welchen das Kühlmittel im Stator durch hohle Leiterstäbe strömt. In Nuten des Stators eingelegte Leiterstäbe bestehen aus Doppelreihen von rechteckförmigen Rohren. Ein Verbindungsstück aus einem elektrisch leitfähigen Material umfasst zwei Rohrstutzen, welche über Leiterenden der Leiterstäbe geschoben werden können. Über Innenkanäle des Verbindungsstücks fließt Kühlmittel zu und ab.
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Die
DE 12 82 159 A , aus der der Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt ist, beschreibt eine elektrische Maschine mit durch ein flüssiges Kühlmittel gekühlten Hohlleitergitterstäben, welche eine Anzahl von hohl ausgebildeten Teilleitern umfassen. Jeder Hohlleitergitterstab ist hierbei in zwei Gruppen von Teilleitern aufgeteilt, die jeweils im Gegenstrom von dem Kühlmittel durchflossen werden. Die erste Gruppe ist mit einer Zuleitung des Kühlmittels und die zweite Gruppe mit einer auf der gleichen Seite des Hohlleitergitterstabs angeordneten Ableitung des Kühlmittels verbunden.
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Entsprechend ist eine Kühlmittelkammer durch eine Zwischenwand in zwei den beiden Teilleitergruppen des Hohlleitergitterstabs entsprechende Teilkammern aufgeteilt. Jede dieser Teilkammern ist mit einem Anschlussstutzen versehen, von denen der eine zur Zufuhr und der andere zur Abfuhr des Kühlmittels dient.
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Die
DE 19 42 160 U beschreibt das Zuführen von Kühlmittel zu Kanälen in einzelnen Teilleitern eines Wicklungsstabs einer elektrischen Maschine über eine Kühlmittelkammer. Das Kühlmittel wird der Kammer durch einen Schlauch zugeführt, welcher an die Kammer angeschlossen ist.
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Die
DE 44 36 255 A1 beschreibt ein Anschlussstück, in welches Enden von mittels Wasser kühlbaren Hohlleitern eines Wicklungsstabs einer dynamoelektrischen Maschine eingelötet sind. Das Anschlussstück weist einen halsartigen Ansatz auf, durch welchen hindurch sich die Enden der Hohlleiter bis zu einem stirnseitigen Abschluss erstrecken. Ein Raum zwischen den Enden und dem Anschlussstück ist mit Lötmaterial gefüllt. Der halsartige Ansatz ist durchtrennt, sodass ein abgetrenntes Teil gebildet ist. Auf einer geneigten Schnittebene des abgetrennten Teils ist eine Dichtungsscheibe angeordnet. In die Dichtungsscheibe sind von der Stirnseite des abgetrennten Teils her Durchbrechungen eingearbeitet. Dadurch wird erreicht, dass Durchlassöffnungen in der Dichtungsscheibe mit den Hohlkanälen der Hohlleiterenden fluchten.
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Um bezogen auf das Gewicht eine besonders hohe Leistung mit einer elektrischen Maschine wie etwa einem Elektromotor bereitzustellen, versucht man, eine möglichst große Stromdichte im elektrisch leitenden Material von Wicklungen des Elektromotors zu erreichen. Eine solche hohe Stromdichte geht jedoch mit Wärmeverlusten einher, welche mit aufwändigen Maßnahmen abgeführt wird, damit der Elektromotor keinen Schaden nimmt.
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Für die Kühlung können beispielsweise Kühlbleche vorgesehen sein, welche mit Kühlluft beaufschlagt werden. Des Weiteren sind andere Arten der Luftkühlung als auch der Kühlung mit Flüssigkeit aus dem Stand der Technik bekannt. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Elektromotoren wird häufig die Wärme über eine elektrische Isolation von in den Wicklungen des Elektromotors verwendeten Drähten abgegeben. Dies geht entsprechend mit einer vergleichsweise geringen Effektivität einher, weil die elektrische Isolation meist auch ein guter Wärmeisolator ist.
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Des Weiteren ist es aus dem Stand der Technik bekannt elektrische Leiter, welche in Nuten eines Blechpakets eines Stators einer elektrischen Maschine angeordnet sind und Wicklungen des Stators bilden, als Hohlleiter auszubilden. Durch diese Hohlleiter kann ein Kühlmedium geleitet werden, um die Verlustwärme abzuführen. Die Verwendung von elektrischen Hohlleitern, welche von einem Kühlmittel durchströmbar sind, ist beispielsweise aus dem Kraftwerksbau bekannt, etwa bei der Ausbildung der elektrischen Maschine als Turbogenerator. Die Durchmesser der hier verwendeten Hohlleiter sind jedoch beträchtlich und liegen bei mehr als 30 mm. Für instationäre elektrische Maschinen, wie sie beispielsweise ein einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen können, gestaltet sich die Verwendung von Wicklungen aus Hohlleitern, durch welche ein Kühlmittel hindurchgeleitet werden kann, allerdings als vergleichsweise schwierig. Dies liegt daran, dass die angeschlossenen Systeme einen erheblichen Bauraum beanspruchten und ein deutliches Zusatzgewicht mit sich bringen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Anschlussvorrichtung der eingangs genannten Art und eine elektrische Maschine mit einer solchen Anschlussvorrichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anschlussvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Anschlussvorrichtung dient dem Anschließen wenigstens eines elektrischen Hohlleiters, wie er in einer Wicklung einer elektrischen Maschine für ein Fahrzeug zum Einsatz kommt, an eine elektrische Energiequelle oder an einen elektrischen Energiespeicher oder Verbraucher. Die Anschlussvorrichtung weist einen ersten Kanal auf, über welchen ein Kühlmittel in den wenigstens einen Hohlleiter eingebracht werden kann. Eine solche Anschlussvorrichtung ermöglicht es, von den Hohlleitern, welche in der elektrischen Maschine für das Fahrzeug oder dergleichen instationärer Einrichtung wenigstens einer Wicklung zugeordnet sind, die im Betrieb der elektrischen Maschine entstehende Wärme besonders effizient abzuführen. Dies geschieht, indem über die Anschlussvorrichtung die elektrischen Hohlleiter mit dem, bevorzugt flüssigen, Kühlmittel beaufschlagt werden.
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Dadurch, dass die Anschlussvorrichtung dem Beaufschlagen der Hohlleiter sowohl mit elektrischer Energie als auch mit dem Kühlmittel dient, ist eine besonders kompakte, bauraumsparende, vom Gewicht her vorteilhaft ausgebildete und somit verbesserte Anschlussvorrichtung geschaffen.
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Durch das Bereitstellen einer elektrisch leitenden Anschlussvorrichtung, welche zugleich das Einbringen des Kühlmittels in die elektrischen Hohlleiter erlaubt, ist die Anzahl von für das elektrische Anschließen und die Kühlung vorzusehenden Systemkomponenten besonders gering gehalten. Dies führt zu einem besonders einfachen Aufbau sowohl der Anschlussvorrichtung als auch einer elektrischen Maschine mit wenigstens einer solchen Anschlussvorrichtung.
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Die von dem Kühlmittel durchströmbaren elektrischen Hohlleiter können insbesondere in wenigstens einer Nut eines Blechpakets eines Stators der elektrischen Maschine angeordnet sein. Dann ist die Wicklung, in welcher der wenigstens eine elektrische Hohlleiter zum Einsatz kommt, eine Wicklung des Stators oder Ständers der elektrischen Maschine.
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Gemäß der Erfindung weist die Anschlussvorrichtung einen zweiten Kanal auf, über welchen das Kühlmittel aus dem wenigstens einen Hohlleiter abgeführt werden kann. Eine solche Ausgestaltung erlaubt es, das Kühlmittel im Gegenstrom durch wenigstens zwei etwa in einer Nut des Blechpaktes nebeneinander verlegte Hohlleiter zu führen. Dadurch, dass mittels einer solchen Anschlussvorrichtung benachbarte Hohlleiter in unterschiedliche, nämlich entgegengesetzte, Richtungen mit dem Kühlmittel durchflutet werden können, lässt sich eine besonders homogene Temperaturverteilung in den wenigstens einer Wicklung der elektrischen Maschine zugehörigen Hohlleitern erreichen.
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Würde das Kühlmittel hingegen lediglich in eine Richtung durch die etwa in der Nut des Blechpakets des Stators verlegten Hohlleiter strömen, so wäre das Kühlmittel an der Einlassseite noch vergleichsweise kalt und würde dann beim Durchfluten der Hohlleiter zunehmend erwärmt. Wenn nun alle in der jeweiligen Nut verlegten Hohlleiter in eine Richtung von dem Kühlmittel durchflutet werden, so würde die Einlassseite des Stators vergleichsweise kalt bleiben und sich die Auslassseite des Stators hingegen vergleichsweise stark erwärmen. An der Auslassseite wäre dann ein Durchbrennen zumindest eines der Hohlleiter zu befürchten. Dies kann jedoch vorliegend vermieden werden, indem über den ersten Kanal das Kühlmittel in den wenigstens einen Hohlleiter eingebracht wird und über den zweiten Kanal das Kühlmittel aus dem wenigstens einen Hohlleiter abgeführt wird.
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Um eine Durchflutung der Hohlleiter im Gegenstrom zu realisieren, kann der einzelne Hohlleiter am der Anschlussvorrichtung gegenüberliegenden Ende des Stators eine Biegung aufweisen, an welcher sich die Strömungsrichtung des Kühlmittels durch den Hohlleiter umkehrt. Es kann jedoch auch an diesem der Anschlussvorrichtung gegenüberliegenden, axialen Ende des Stators eine zweite Anschlussvorrichtung mit dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal vorgesehen sein, wobei die beiden Kanäle der zweiten Anschlussvorrichtung durch eine Verbindungsleitung wie etwa ein Schlauchstück fluidisch miteinander gekoppelt sind. Auch auf diese Weise lässt sich besonders einfach ein Beaufschlagen benachbarter, insbesondere aneinander anliegender, elektrischer Hohlleiter mit im Gegenstrom durch die benachbarten Hohlleiter geleitetem Kühlmittel erreichen.
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Gemäß der Erfindung umfassen der erste Kanal und der zweite Kanal einen jeweiligen Sammelbereich, mit welchem eine Mehrzahl von in der Anschlussvorrichtung ausgebildeten Kühlmittelleitungen fluidisch gekoppelt ist. Hierbei ist eine jeweilige Kühlmittelleitung einem jeweiligen Hohlleiter zugeordnet. Eine solche Anschlussvorrichtung, bei welcher sich der Kanal vom Sammelbereich aus in eine Vielzahl von einzelnen, dem jeweiligen Hohlleiter zugeordneten Kühlmittelleitungen verzweigt, ermöglicht es, eine entsprechend große Anzahl von Hohlleitern mit dem Kühlmittel zu beaufschlagen beziehungsweise das Kühlmittel aus den Hohlleitern abzuführen.
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Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Anschlussvorrichtung in einer instationären elektrische Maschine verwendet werden soll, etwa als Anschlussvorrichtung für die Wicklungen in einem Elektromotor eines Fahrzeugs. Dann kann nämlich eine Vielzahl von Hohlleitern zum Einsatz kommen, welche nach Art von Kapillarröhrchen mit einem Außendurchmesser von bevorzugt weniger als 1 mm ausgebildet sind. Durch das Vorsehen der Anschlussvorrichtung brauchen dann jedoch nicht die einzelnen, filigranen Hohlleiter auf nervenzehrende Art und Weise zu einem Anschluss für das Kühlmittel verlegt zu werden. Vielmehr ist der Anschluss der einzelnen Kühlmittelleitungen an den Sammelbereich des Kanals bereits durch die Anschlussvorrichtung selber sichergestellt. Es brauchen also lediglich die Hohlleiter mit der dem jeweiligen Hohlleiter zugeordneten Kühlmittelleitung der Anschlussvorrichtung fluidisch verbunden oder gekoppelt zu werden, um das Beaufschlagen derselben mit dem Kühlmittel beziehungsweise das Abführen von Kühlmittel aus den Hohlleitern sicherzustellen.
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Das Vorsehen einer Mehrzahl von Kühlmittelleitungen je Kanal ermöglicht es also, eine entsprechende Mehrzahl von Hohlleitern mit Kühlmittel zu beaufschlagen beziehungsweise das Kühlmittel aus den Hohlleitern abzuführen. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Hohlleitern etwa in der Nut des Blechpakets des Stators der elektrischen Maschine lässt sich der in der Nut vorhandene Platz besonders gut ausnutzen. Dadurch ist es möglich, besonders hohe Ströme durch ein solches, aus einer Mehrzahl von elektrischen Hohlleitern gebildetes Leiterpaket zu leiten.
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Bei derzeit im Hinblick auf ein möglichst günstiges leistungsspezifisches Gewicht entwickelten Elektromotoren geht der Trend zu einem hochvoltigen Spannungsnetz. Vorliegend lässt sich jedoch aufgrund des Vorsehens von entsprechend vielen Hohlleitern in einer Nut des Blechpakets ein hochstromiges statt eines hochvoltigen Systems umsetzen. Die mit einer hochvoltigen elektrischen Maschine verbundenen Risiken wie das eines Stromschlags oder Durchschlags lassen sich somit vermeiden. Da die Anschlussvorrichtung eine hochstromige, aber niedrigvoltige Konfiguration der elektrischen Maschine erlaubt, lässt sich die entsprechende, niedrigvoltige elektrische Maschine in Bezug auf einen Stromschlag besser kontrollieren. Auch die Gefahr einer Verletzung eines Nutzers der elektrischen Maschine lässt sich so deutlich reduzieren.
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Gemäß der Erfindung umfasst die Anschlussvorrichtung einen Verbindungsbereich, in welchem die Kühlmittelleitungen enden. Hierbei sind durch die Enden der Kühlmittelleitungen Aufnahmen bereitgestellt, in welche die Hohlleiter eingeführt werden können. Ein solcher Verbindungsbereich ermöglicht ein besonders prozesssicheres Anschließen oder Verlegen der Hohlleiter an die diesen jeweils zugeordneten Kühlmittelleitungen. Fehlerquellen, wie sie bei einem manuellen Anschließen der Hohlleiter sehr leicht vorkommen können, lassen sich so besonders weitgehend ausschließen.
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Des Weiteren erlaubt es der Verbindungsbereich, den korrekten Anschluss der Hohlleiter an die Kühlmittelleitungen der Anschlussvorrichtung zu kontrollieren. Dies gilt insbesondere, wenn der Verbindungsbereich eine ebene Oberfläche aufweist. In die in dieser ebenen Oberfläche ausgebildeten Aufnahmen, welche durch die Enden der Kühlmittelleitungen gebildet sind, brauchen die jeweiligen Hohlleiter lediglich eingesteckt und dann beispielsweise durch Löten, Schweißen oder dergleichen stoffschlüssige Verbindungstechnik mit den jeweiligen Kühlmittelleitungen gekoppelt zu werden.
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Durch ein einfaches Einstecken der Hohlleiter in die in dem Verbindungsbereich vorhandenen Aufnahmen lassen sich sowohl die hydraulische als auch die elektrische Verbindung der Hohlleiter besonders einfach und prozesssicher sicherstellen. Insbesondere lassen sich Fehler wie elektrische Kurzschlüsse sehr einfach vermeiden, welche andernfalls im Betrieb der elektrischen Maschine zu einem weiteren Schaden führen könnten.
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Im Verbindungsbereich sind die Aufnahmen bevorzugt so angeordnet, wie es der Anordnung der Enden der Hohlleiter entspricht, welche sich aus dem Wickelplan etwa des Stators der elektrischen Maschine ergibt. Dann lässt sich nämlich das Einführen der Hohlleitung in die durch die Enden der Kühlmittelleitungen bereitgestellten Aufnahmen besonders einfach realisieren.
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Gemäß der Erfindung sind in dem Verbindungsbereich erste Kühlmittelleitungen, welche mit dem Sammelbereich des ersten Kanals fluidisch gekoppelt sind, in zumindest eine Erstreckungsrichtung des Verbindungsbereichs mit zweiten Kühlmittelleitungen alternierend angeordnet, wobei die zweiten Kühlmittelleitungen mit dem Sammelbereich des zweiten Kanals fluidisch gekoppelt sind. Durch eine solche alternierende Abfolge der Kühlmittelleitungen in dem Verbindungsbereich lässt sich besonders gut eine wechselseitige, im jeweiligen Gegenstrom zum benachbarten Hohlleiter erfolgende Durchflutung der Hohlleiter sicherstellen. Dies führt zu einer besonders guten Wärmeabfuhr von der elektrischen Maschine in deren Betrieb und zu einer besonders homogenen Temperaturverteilung.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn ein durchströmbarer Querschnitt des Sammelbereichs sich zu einem Schnittstellenbereich der Anschlussvorrichtung hin vergrößert. Hierbei ist der Schnittstellenbereich zum Verbinden der Anschlussvorrichtung mit einer Zuflussleitung oder mit einer Abflussleitung für das Kühlmittel ausgebildet. Eine solche sich zur Zuflussleitung oder Abflussleitung hin vergrößernde Ausbildung des durchströmbaren Querschnitts des Sammelbereichs führt zu einer besonders verlustarmen Durchströmbarkeit der Anschlussvorrichtung mit dem Kühlmittel.
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Einer verlustarmen Strömungsführung ist es des Weiteren zuträglich, wenn die Kühlmittelleitungen wenigstens einen Krümmungsbereich aufweisen. Durch das Vermeiden von scharfen Knicken in den Kühlmittelleitungen oder an deren Übergang zum Sammelbereich lässt sich nämlich eine besonders gleichmäßige, insbesondere laminare, Strömung des Kühlmittels durch die Kühlmittelleitungen sicherstellen.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der durchströmbare Querschnitt des Sammelbereichs zumindest im Wesentlichen der Summe der durchströmbaren Querschnitte der Kühlmittelleitungen des Kanals entspricht, welche in einem jeweiligen Abstand vom Schnittstellenbereich mit dem Sammelbereich des Kanals fluidisch gekoppelt sind. Mit anderen Worten nimmt mit zunehmendem Abstand einer Stelle des Sammelbereichs von dem Schnittstellenbereich zwar der durchströmbare Querschnitt des Sammelbereichs ab, jedoch verringert sich in diesem Maße ebenso die Anzahl der an dieser Stelle noch fluidisch mit dem Sammelbereich gekoppelten Kühlmittelleitungen. Umgekehrt nehmen mit zunehmender Nähe zu dem Schnittstellenbereich der durchströmbare Querschnitt des Sammelbereichs und auch die Anzahl der insgesamt mit dem Sammelbereich fluidisch verbundenen Kühlmittelleitungen zu. Dies führt zu einer besonders gleichmäßigen Beaufschlagung der einzelnen Kühlmittelleitungen mit dem Kühlmittel im Betrieb der elektrischen Maschine. Ebenso kann das Kühlmittel auf besonders strömungsgünstige Weise aus den Hohlleitern abgeführt werden.
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Der jeweilige Schnittstellenbereich kann ein Schraubgewinde aufweisen, um eine Kopplung oder fluidische Verbindung der Anschlussvorrichtung mit der Abflussleitung beziehungsweise mit der Zuflussleitung für das Kühlmittel besonders einfach zu gestalten.
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Des Weiteren ist in dem Schnittstellenbereich bevorzugt eine Anlagefläche für einen elektrischen Leiter ausgebildet, über welchen der wenigstens eine Hohlleiter der elektrischen Maschine mit elektrischer Energie beaufschlagt oder elektrische Energie von der elektrischen Maschine abgeführt werden kann. Durch das Vorsehen einer solchen Anlagefläche lässt sich das elektrische Anschließen der Hohlleiter besonders einfach bewerkstelligen. Insbesondere kann dies geschehen, indem der elektrische Leiter auf die Anlagefläche aufgelegt und dann durch Verschrauben der Zuflussleitung und/oder der Abflussleitung mit dem jeweiligen, im Schnittstellenbereich ausgebildeten Schraubgewinde gegen die Anlagefläche gepresst wird.
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Insbesondere beim Vorsehen einer Vielzahl von Hohlleitern in der wenigstens einen Wicklung der elektrischen Maschine hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Anschlussvorrichtung durch dreidimensionales Drucken hergestellt ist. Zusätzlich oder alternativ kann ein dreidimensionales Sintern, insbesondere Lasersintern, zum Einsatz kommen. Derartige Herstellungsverfahren erlauben es, Strukturen darzustellen, welche auf engstem Raum kompaktiert sind. So lassen sich insbesondere zahlreiche Kühlmittelleitungen und die Gestalt der Sammelbereiche der Kanäle besonders exakt und prozesssicher ausbilden.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Anschlussvorrichtung hergestellt sein, indem einzeln bearbeitete, entsprechende Durchtrittsöffnungen aufweisende Scheiben zusammengefügt, beispielsweise zusammengeklebt, werden. Auch durch ein Gießverfahren und/oder durch ein spanabtragendes Verfahren lässt sich die Anschlussvorrichtung herstellen. Jedoch sind in Bezug auf die wünschenswerte strömungsgünstige Gestalt des Kanals, insbesondere wenn dieser den Sammelbereich und die Kühlmittelleitungen umfasst, spanabtragende Verfahren wie das Fräsen oder Bohren weniger günstig als die einen dreidimensionalen, schichtweisen Aufbau mit sich bringenden Herstellungsverfahren wie das 3D-Drucken oder das 3D-Lasern.
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Besonders einfach lässt sich die elektrische Kontaktierung der Hohlleiter sicherstellen, wenn die Anschlussvorrichtung aus einem Metall gebildet ist. Jedoch kann als die Anschlussvorrichtung auch ein Hybridbauteil zum Einsatz kommen, bei welchem die Anschlussvorrichtung aus einem Kunststoff gebildete Bereiche und aus einem Metall gebildete Bereiche aufweisen kann. Darüber hinaus ist es möglich, einen Grundkörper der Anschlussvorrichtung aus einem Kunststoff zu bilden und diesen Kunststoff mit einem Metall zu versehen, etwa indem eine Oberfläche der Anschlussvorrichtung mit dem Metall beschichtet wird. So lässt sich eine einfache und kostengünstige und zugleich das elektrische Anschließen der Hohlleiter ermöglichende Ausbildung der Anschlussvorrichtung sicherstellen.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst wenigstens eine erfindungsgemäße Anschlussvorrichtung und kann insbesondere als elektrische Maschine für ein Fahrzeug ausgebildet sein. Beispielsweise kann die elektrische Maschine dazu ausgebildet sein, Antriebsenergie zum Fortbewegen des Fahrzeugs bereitzustellen. Zusätzlich oder alternativ kann die elektrische Maschine als Generator ausgebildet sein, welcher im Fahrbetrieb des Fahrzeugs mechanische Energie in elektrische Energie wandelt.
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Die für die erfindungsgemäße Anschlussvorrichtung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die elektrische Maschine und umgekehrt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 perspektivisch und teilweise durchscheinend eine Anschlussvorrichtung, mittels welcher sich elektrische Hohlleiter einer Wicklung des Stators eines Elektromotors elektrisch anschließen und mit Kühlmittel beaufschlagen lassen;
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2 die Anschlussvorrichtung gemäß 1 in einer perspektivischen Ansicht;
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3 die Anschlussvorrichtung gemäß 1 in einer Seitenansicht;
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4 die Anschlussvorrichtung gemäß 1 in einer Draufsicht auf Anschlüsse für eine Kühlmittelzuflussleitung und eine Kühlmittelabflussleitung;
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5 eine weitere Seitenansicht der Anschlussvorrichtung gemäß 1, in welcher Schnittebenen von Schnittansichten gemäß 6 bis 9 angegeben sind;
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6 eine Schnittansicht entlang einer Linie VI-VI in 5;
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7 eine Schnittansicht entlang einer Linie VII-VII in 5;
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8 eine Schnittansicht entlang einer Linie VIII-VIII in 5;
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9 eine Schnittansicht entlang einer Linie IX-IX in 5;
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10 eine Ansicht auf eine Unterseite der Anschlussvorrichtung gemäß 1, aus welcher die räumliche Anordnung von Aufnahmen hervorgeht, in welche die Enden der Hohlleiter eingefügt werden;
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11 eine Schnittansicht entlang einer Linie XI-XI in 10;
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12 eine Schnittansicht entlang einer Linie XII-XII in 10;
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13 eine Schnittansicht entlang einer Linie XIII-XIII in 10;
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14 eine weitere Seitenansicht der Anschlussvorrichtung gemäß 1, wobei Schnittebenen von weiteren Schnittansichten gemäß 15 bis 17 angegeben ist;
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15 eine Schnittansicht entlang einer Linie XV-XV in 14;
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16 eine Schnittansicht entlang einer Linie XVI-XVI in 14; und
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17 eine Schnittansicht entlang einer Linie XVII-XVII in 14.
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Mit einer in 1 perspektivisch und teilweise durchscheinend gezeigten Anschlussvorrichtung 10 lassen sich elektrische Hohlleiter einer Wicklung einer elektrischen Maschine elektrisch kontaktieren und auch mit Kühlmittel beaufschlagen. Bei einer elektrischen Maschine wie einem Elektromotor oder einem Generator können solche Hohlleiter insbesondere in Nuten eines Blechpakets angeordnet sein, welches zu einem Stator der elektrischen Maschine gehört. Die elektrische Verschaltung der in den Nuten angeordneten elektrischen Hohlleiter ergibt sich aus einem Wickelplan der elektrischen Maschine.
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Der Elektromotor, dessen die Wicklungen bildenden Hohlleiter von dem Kühlmittel durchströmt werden, kann beispielsweise als elektrischer Antriebsmotor für ein Fahrzeug wie etwa einen Kraftwagen ausgebildet sein. Um von einem solchen Elektromotor mit sehr hoher Leistungsdichte die beim Betrieb desselben von den Hohlleitern freigesetzte Wärme besonders gut abführen zu können, werden die Hohlleiter mit einem beispielsweise flüssigen Kühlmittel beaufschlagt.
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Die Versorgung der Hohlleiter mit dem Kühlmittel, das Abführen von erwärmtem Kühlmittel aus den Hohlleitern und das Beaufschlagen der elektrischen Hohlleiter mit elektrischer Energie werden durch die in 1 gezeigte Anschlussvorrichtung 10 bewerkstelligt. Die nach Art eines Steckers ausgebildete Anschlussvorrichtung 10 ermöglicht somit ein schnelles und einfaches Anschließen der aus einem Wickelkopf des Elektromotors ragenden Hohlleiterenden sowohl an eine elektrische Energiequelle als auch an einen Kühlmittelkreislauf. Im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine lässt sich über die Anschlussvorrichtung 10 in analoger Weise der Anschluss an einen Kühlmittelkreislauf und die elektrische Verbindung mit einem Energiespeicher und/oder mit einem elektrischen Verbraucher sicherstellen.
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An ihrem in 1 oberen Ende weist die Anschlussvorrichtung 10 zwei Schnittstellenbereiche 12, 14 auf, über welche der Anschluss an den Kühlmittelkreislauf realisiert wird. So dient der erste Schnittstellenbereich 12 beispielsweise dem Anschließen einer Zuflussleitung für das Kühlmittel. Der zweite Schnittstellenbereich 14 dient demgegenüber dem Anschließen einer Abflussleitung, über welche erwärmtes Kühlmittel abgeführt wird. Die Schnittstellenbereiche 12, 14 weisen vorliegend Schraubgewinde 16, etwa in Form der in 1 gezeigten Innengewinde auf, über welche sich die Zuflussleitung beziehungsweise die Abflussleitung für das Kühlmittel einfach und rasch anschließen lassen.
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An einer den Schnittstellenbereichen 12, 14 gegenüberliegenden, in 1 unteren Seite weist die Anschlussvorrichtung 10 einen Verbindungsbereich 18 auf. In diesem Verbindungsbereich 18 bilden Enden von in der Anschlussvorrichtung 10 ausgebildeten Kühlmittelleitungen 20, 22 jeweilige Aufnahmen 24 für die Enden der (nicht gezeigten) elektrischen Hohlleiter. Die elektrischen Hohlleiter können in die Aufnahmen 24 eingesteckt und festgelötet werden.
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Erste Kühlmittelleitungen 20 gehören zu einem ersten Kanal 26 der Anschlussvorrichtung 10, welcher vom ersten Schnittstellenbereich 12 zum Verbindungsbereich 18 führt. Der erste Kanal 26 umfasst einen Sammelbereich 28 und die zum Verbindungsbereich 18 führenden ersten Kühlmittelleitungen 20. In analoger Weise sind zweite Kühlmittelleitungen 22 mit einem Sammelbereich 30 eines zweiten Kanals 32 der Anschlussvorrichtung 10 fluidisch verbunden, welcher von dem Verbindungsbereich 18 zum zweiten Schnittstellenbereich 14 für die Abflussleitung für das Kühlmittel führt.
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Der Verbindungsbereich 18 weist vorliegend eine ebene Oberfläche auf (vergleiche 3 und 10), an welcher die Kühlmittelleitungen 20, 22 enden und die Aufnahmen 24 für die Hohlleiter bilden. Die im Verbindungsbereich 18 vorgesehene Anordnung der Aufnahmen 24 entspricht hierbei genau der Anordnung der Hohlleiterenden des Stators, welche sich aus dem Wickelplan der Hohlleiter ergibt. Vorliegend ist der Verbindungsbereich 18 als im Wesentlichen rechteckige Fläche ausgebildet, und die Aufnahmen 24 sind in gleichmäßig voneinander beabstandeten Reihen und Spalten angeordnet (vergleiche 10). Die gezeigte räumliche Anordnung der Aufnahmen 24 ist jedoch lediglich exemplarisch, und sie ist auf die jeweilige Anordnung der Hohlleiterenden abgestimmt.
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Durch die mit dem Wickelplan der Hohlleiter korrespondierende Anordnung der Aufnahmen 24 in dem Verbindungsbereich 18 lässt sich vorliegend jeder einzelne Hohlleiter sehr leicht mit der Zuflussleitung beziehungsweise der Abflussleitung für das Kühlmittel verbinden, ohne dass jeder einzelne Hohlleiter exakt zu der Zuflussleitung beziehungsweise der Anschlussleitung hin verlegt zu werden braucht. Ein aufwändiges Verkleben, Vergießen, Verstiften, Verschrauben oder Verlöten jedes einzeln an die Zuflussleitung beziehungsweise Abflussleitung anzuschließenden Hohlleiters kann somit unterbleiben.
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Vielmehr brauchen die Hohlleiterenden lediglich in die Aufnahmen 24 eingeführt und dort befestigt zu werden, beispielsweise durch Löten. Dies ist insbesondere deswegen vorteilhaft, weil die einzelnen Hohlleiter einen Außendurchmesser von weniger als 1 mm haben und so eine exakte Verlegung solcher Hohlleiter sich ohne die Verwendung der Anschlussvorrichtung 10 nur schwer prozesssicher gestalten ließe.
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Ein Abschnitt der Anschlussvorrichtung 10, welcher zwischen den Schnittstellenbereichen 12, 14 und dem Verbindungsbereich 18 angeordnet ist, dient der Verteilung des Kühlmittels auf die jeweiligen Aufnahmen 24 und somit auf die diesen Aufnahmen 24 zugeordneten Hohlleitern. In diesem Verteilungsabschnitt zweigen von dem Sammelbereich 28 des ersten Kanals 26 die ersten Kühlmittelleitungen 20 ab, wobei Mündungsöffnungen der ersten Kühlmittelleitungen 20 im Verbindungsbereich 18 die Aufnahmen für die Hohlleiterenden bilden.
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In analoger Weise verlaufen die zweiten Kühlmittelleitungen 22, durch welche das nach dem Durchströmen der Hohlleiter erwärmte Kühlmittel abgeführt wird, von dem Verbindungsbereich 18 hin zum Sammelbereich 30 des zweiten Kanals 32, wobei die zweiten Kühlmittelleitungen 22 in den zweiten Sammelbereich 30 einmünden.
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Vorliegend ist durch die Ausbildung der Kühlmittelleitungen 20, 22 in der Anschlussvorrichtung 10 sichergestellt, dass die in der Nut des Stators verlegten, jeweils benachbarten Hohlleiter wechselseitig, also im Gegenstrom, von dem Kühlmittel durchströmt werden. Entsprechend sind die Aufnahmen 24 der ersten Kühlmittelleitungen 20 mit den Aufnahmen 24 der zweiten Kühlmittelleitungen 22 in Erstreckungsrichtungen des Verbindungsbereichs 18 alternierend angeordnet, welche mit einer Breite B und einer Tiefe T des Verbindungsbereichs 18 zusammenfallen (vergleiche 10). Es folgt also im Verbindungsbereich 18 in die jeweilige Erstreckungsrichtung, nämlich in Richtung der Breite B und auch in Richtung der Tiefe T, auf die Aufnahme 24 einer ersten Kühlmittelleitung 20 die Aufnahme 24 einer zweiten Kühlmittelleitung 22.
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Die wechselseitige Durchflutung der Hohlleiter wird durch die Anordnung der Kühlmittelleitungen 20, 22 in der Anschlussvorrichtung 10 sichergestellt, ohne dass die Enden der Hohlleiter einzeln hin zur jeweiligen Zuflussleitung beziehungsweise Abflussleitung für das Kühlmittel verlegt zu werden brauchen. Vielmehr weist die Anschlussvorrichtung 10 lediglich den ersten Schnittstellenbereich 12 auf, welcher als Anschluss für das kalte Kühlmittel dient, und den zweiten Schnittstellenbereich 14, welcher als Anschluss für die Abflussleitung dient, über welche das erwärmte Kühlmittel abgeführt wird. Die für die in Bezug auf den Temperaturhaushalt der Hohlleiter und somit der elektrischen Maschine günstige wechselseitige Durchflutung der Hohlleiter wird also durch die Geometrie im dreidimensionalen Bauteil bereitgestellt, welches die Anschlussvorrichtung 10 ist.
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Aus 1 ist des Weiteren gut ersichtlich, dass die Kühlmittelleitungen 20, 22 nahe des Verbindungsbereichs 18 im Wesentlichen geradlinig verlaufen, jedoch auf ihrem Weg hin zu den Sammelbereichen 28, 30 Krümmungsbereiche aufweisen, welche für eine strömungsgünstige Gestalt der Kühlmittelleitungen 20, 22 sorgen. Des Weiteren verbreitert sich der durchströmbare Querschnitt der Sammelbereiche 28, 30 von seinem dem Verbindungsbereich 18 nahen Ende hin zu den Schnittstellenbereichen 12, 14. Auch dies ist einer verlustarmen Durchströmung der Kanäle 26, 32 zuträglich. Der durchströmbare Querschnitt des Sammelbereichs 30 wird hierbei hin zu dem zweiten Schnittstellenbereich 14 zunehmend größer, je mehr der zweiten Kühlmittelleitungen 22 in den Sammelbereich 30 einmünden. In analoger Weise nimmt ein durchströmbarer Querschnitt des Sammelbereichs 28 von dem ersten Schnittstellenbereich 12 hin zum Verbindungsbereich 18 ab, je mehr erste Kühlmittelleitungen 20 von dem Sammelbereich 28 abzweigen.
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Durch die Sammelbereiche 28, 30 ist zugleich ein Hohlraum oder Reservoir für das Kühlmittel bereitgestellt, welches über die Zuflussleitung den entsprechenden Hohlleitern zugeführt beziehungsweise über die Abflussleitung aus den entsprechenden Hohlleitern abgeführt wird.
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Aus 2 ist besonders gut ersichtlich, dass die Schnittstellenbereiche 12, 14 an ihrer in 2 gezeigten Oberseite 34 eben ausgebildet sind. Auf diese Oberseiten 34 lässt sich ein elektrischer Leiter etwa in Form einer Anschlussplatte nach Art eines Kabelschuhs oder dergleichen auflegen. Die Anschlussplatte kann dann durch Einschrauben der Zuflussleitung und der Abflussleitung für das Kühlmittel in die Schraubgewinde 16 in eine innige, flächige Anlage mit der Anschlussvorrichtung 10 gebracht werden.
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Des Weiteren ist aus 2 ersichtlich, dass an Seiten der Anschlussvorrichtung 10 Befestigungsaugen 36 mit Bohrungen 38 für Schraubbolzen oder dergleichen vorgesehen sein können.
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Aus der Seitenansicht in 3 geht die sich vom Verbindungsbereich 18 hin zu den Schnittstellenbereichen 12, 14 nach Art eines Flaschenhalses verjüngende Gestalt der Anschlussvorrichtung 10 im Verteilungsabschnitt für das Kühlmittel besonders gut hervor.
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Aus 4 ist die nahe den Schnittstellenbereichen 12, 14 im Querschnitt runde Gestalt der Sammelbereiche 28, 30 gut ersichtlich.
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In 5 sind Schnittebenen der Anschlussvorrichtung 10 angegeben, welche den in 6 bis 9 gezeigten Schnittansichten entsprechen.
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So ist aus der Schnittansicht in 6 ersichtlich, dass sich ausgehend von der regelmäßigen Anordnung der Aufnahmen 24 in Reihen und Spalten gemäß 10, welche im Verbindungsbereich 18 der Anschlussvorrichtung 10 vorliegt, aufgrund der Krümmung der Kühlmittelleitungen 20, 22 in einer geringen Entfernung vom Verbindungsbereich 18 bereits eine weniger regelmäßige Anordnung der Querschnitte der Kühlmittelleitungen 20, 22 ergibt.
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Aus der Schnittansicht in 7 geht hervor, wie mit zunehmender Entfernung vom Verbindungsbereich 18 die Kühlmittelleitungen 20, 22 weiter zu den Sammelbereichen 28, 30 hin wanden.
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Entsprechend der Schnittansicht in 8 ist auf dieser Höhe der Anschlussvorrichtung 10 lediglich in einem Bereich 40 zwischen den Sammelbereichen 28, 30 noch eine größere Anzahl von Kühlmittelleitungen 20, 22 vorhanden. Eine Anzahl der Kühlmittelleitungen 20, 22 pro Flächeneinheit nimmt in diesem Bereich 40 zu den Schnittstellenbereichen 12, 14 hin weiter ab, während ein durchströmbarer Querschnitt der Sammelbereiche 28, 30 zunehmend größer wird (vergleiche 9).
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Aus 10 ist gut ersichtlich, wie im Verbindungsbereich 18 die Aufnahmen 24 der jeweiligen Kühlmittelleitungen 20, 22 in die mit der Breite B und mit der Tiefe T zusammenfallenden Erstreckungsrichtungen des Verbindungsbereichs 18 regelmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind.
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Aus der Schnittansicht in 11 geht besonders gut hervor, dass in dem Verteilungsabschnitt in vergleichsweise großem Abstand in Richtung der Tiefe T von den Befestigungsaugen 36 zwar die Kühlmittelleitungen 20, 22 vorhanden sind, jedoch nicht die Sammelbereiche 28, 30 der Kanäle 26, 32.
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Aus der Schnittansicht in 12 ist des Weiteren ersichtlich, dass die Sammelbereiche 28, 30 in der Anschlussvorrichtung 10 in Richtung der Tiefe T ein Stück weit zueinander versetzt angeordnet sind. Zudem ist aus 12 die Krümmung der vom Sammelbereich 28 ausgehenden ersten Kühlmittelleitungen 20 gut ersichtlich.
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Aus der Schnittansicht in 13 geht die sich von den Schnittstellenbereichen 12, 14 hin zum Verbindungsbereich 18 im Querschnitt verjüngende Gestalt der Sammelbereiche 28, 30 besonders gut hervor. Zudem ist aus 13 gut ersichtlich, dass die Anschlussvorrichtung 10 mit Ausnahme der durch die Kühlmittelleitungen 20, 22 und die Sammelbereiche 28, 30 sowie die Bereiche der Schraubgewinde 16 ausgebildeten Hohlräume massiv und einstückig ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise durch dreidimensionales, schichtweises Herstellen der Anschlussvorrichtung 10 erfolgen, etwa durch 3D-Drucken oder durch 3D-Sintern.
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14 veranschaulicht die Lage der in 15 bis 17 gezeigten Schnitte durch die Anschlussvorrichtung 10.
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So lässt sich anhand von 15 der nahe des Verbindungsbereichs 18 vergleichsweise gerade Verlauf der Kühlmittelleitungen 20, 22 besonders gut erkennen.
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Aus 16 ist wiederum die mit zunehmender Entfernung vom Verbindungsbereich 18 größere Dichte der Kühlmittelleitungen 22 nahe dem Sammelbereich 30 ersichtlich, in welchen die Kühlmittelleitungen 22 einmünden.
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Schließlich geht aus 17 der aufgrund der gekrümmten Gestalt der Kühlmittelleitungen 20, 22 unterschiedliche Verlauf derselben nahe des Verbindungsbereichs 18 und in einem zwischen den Sammelbereichen 28, 30 angeordneten Abschnitt der Anschlussvorrichtung 10 gut hervor.
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Mit dem Einsatz der Anschlussvorrichtung 10 lassen sich die filigranen und bei einem einzelnen Anschließen ein sehr großes Fingerspitzengefühl erfordernden Hohlleiter besonders einfach etwa in einem Serienherstellungsprozess elektrisch und an einen Kühlmittelkreislauf anschließen. Insbesondere lässt sich eine maschinengesteuerte Verbindung der einzelnen Hohlleiterenden mit den die Aufnahmen 24 bildenden Enden der Kühlmittelleitungen 20, 22 realisieren, welches gegenüber einem manuellen Verfahren deutlich weniger Fehler mit sich bringt.
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Auch lassen sich in den Nuten des Blechpakets eines Stators der elektrischen Maschine minderdrahtige oder eindrahtige Hohlleiterpakete verwenden, welche es ermöglichen, hochstromige statt hochvoltiger elektrische Maschinen einzusetzen. So kann beispielsweise ein Hohlleiterpaket nach Art einer Litze verwendet werden, welches einen solchen Draht bildet und dessen einzelne Hohlleiter den in der Nut zur Verfügung stehenden, üblicherweise im Querschnitt rechteckigen oder trapezförmigen Raum, besonders gut auszufüllen vermögen.
