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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Kühlelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In der
WO 2005/078900 A1 ist eine elektrische Maschine mit einem Kühlelement für Kühlflüssigkeiten offenbart. Dieses Kühlelement besteht aus einem Hohlzylinder und einer Hülse. Innerhalb des Hohlzylinders sind eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung und ein Kanalsystem aus Rippen ausgebildet. Die Kanäle sind dabei getrennt voneinander ausgebildet, weshalb die Kühlflüssigkeitsströme innerhalb benachbarter Kanäle als unabhängig voneinander zu betrachten sind. Die Strömungsgeschwindigkeiten und auch die Wärmeabführmengen der verschiedenen Kanäle können sich dabei Wesentlich voneinander unterscheiden. Zudem können bei einem derartig großflächig ausgebildeten Einlassabschnitt stehende Wirbel bzw. Rezirkulationen auftreten, die aufgrund mangelnden Kühlflüssigkeitsaustauschs zu einer lokalen übermäßigen Erwärmung führen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine mit einem Kühlelement darzustellen, in welchem sich eine Kühlflüssigkeit gleichmäßig und mit einem hohen Durchmischungsgrad fortbewegen kann und stehende Wirbel oder Rezirkulationen vermieden werden können.
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Diese vorstehende Aufgabe wird mittels der elektrischen Maschine mit einem Kühlelement gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausführungen der Erfindung beschrieben.
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Gemäß der Erfindung wird eine gattungsgemäße elektrische Maschine mit einem Kühlelement mit einem Einlassabschnitt und einem Auslassabschnitt vorgeschlagen, wobei innerhalb des Kühlelements zumindest ein Strömungselement, zur Ablenkung des Kühlflüssigkeitsstroms, in dem Einlassabschnitt oder in dem Auslassabschnitt angeordnet ist.
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Ausgehend von der Einlassöffnung strömt die Kühlflüssigkeit in den Fluidkanal ein, wobei sich die Kühlflüssigkeit innerhalb des Einlassabschnitts des Fluidkanals erstmalig ausbreitet und durchmischt. Bevor die Kühlflüssigkeit durch die Auslassöffnung wieder aus dem Fluidkanal ausströmt, durchfließt diese einen Auslassabschnitt, in dem sich der Kanalquerschnitt auf die Größe der Auslassöffnung verjüngt. Zwischen dem Einlassabschnitt und dem Auslassabschnitt ist zudem ein Zwischenabschnitt ausgebildet, wobei sich der Zwischenabschnitt mit dem Einlassabschnitt und / oder dem Auslassabschnitt überdecken kann.
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Das Strömungselement ist innerhalb des Fluidkanals meist als eine Erhöhung ausgebildet, die von einer der Kanalflächen absteht. Derartige Strömungselemente sind innerhalb des Kühlflüssigkeitsstroms angeordnet um diesen zu beeinflussen, beispielsweise um den Kühlflüssigkeitsstrom umzulenken, zu verwirbeln oder zu führen. Im Folgenden werden für Strömungselemente auch als Rippen, als Leitrippen oder als Umfangsrippen dargestellt oder bezeichnet, wobei diese Bezeichnung nicht einschränkend ist. Ein im Folgenden als Rippe, Leitrippe oder auch Umfangsrippe bezeichnetes Element, insbesondere Strömungselement, ist in seiner Form frei ausbildbar und nicht auf eine längliche Form beschränkt, wobei sich eine längliche Form der Strömungselemente, der Rippen, Leitrippen oder der Umfangsrippen dennoch meist als vorteilhaft erweist. Die folgenden Ausführungen zu den Rippen, Leitrippen oder Umfangsrippen können daher auf Strömungselemente verallgemeinert werden.
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Die in dem Einlassabschnitt ausgebildeten Strömungselemente oder Leitrippen führen zu einer Ablenkung und Gleichverteilung des Kühlflüssigkeitsstroms, wodurch über den kompletten Querschnitt des Fluidkanals eine gleichmäßige Kühlflüssigkeitsströmung bzw. Fluidströmung erreicht wird. Zudem verbessert sich durch die Ablenkung der Kühlflüssigkeit bzw. des Fluids an dem Strömungselement oder der Leitrippe, sowie durch die Umströmung des Strömungselements oder der Leitrippe die Durchmischung der Kühlflüssigkeit wesentlich. Eine verbesserte Durchmischung erhöht weiterhin den Wärmeübergangskoeffizienten bzw. die Geschwindigkeit des Wärmeübertrags auf die Kühlflüssigkeit.
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Eine oder mehrere derartige Strömungselemente oder Leitrippen ist bzw. sind an dem Einlassabschnitt insbesondere dann von Vorteil, wenn die Kühlflüssigkeit quer zur eigentlichen Durchströmungsrichtung in das Kühlelement eingeleitet wird, insbesondere wenn der Fluidkanal relativ breit mit geringer Höhe ausgebildet ist. Dies liegt daran, dass der Kühlflüssigkeitsstrom zunächst eine im Wesentlichen geradlinige Bewegung durchführt, bis dieser durch ein Hindernis beispielsweise eine Kanalfläche oder ein Strömungselement oder eine Leitrippe umgelenkt wird. Weist ein Fluidkanal keine Strömungselemente oder Leitrippen auf und ist die Durchströmungsrichtung des Fluidkanals quer zur Einlassrichtung der Kühlflüssigkeit ausgebildet, dann trifft das Fluid zunächst auf eine, der Einlassöffnung gegenüberliegende Kanalfläche und bewegt sich anschließend an dieser Kanalfläche entlang, bevor sich in dem Fluidkanal eine gleichmäßige Strömung einstellt. Ein Großteil der Kühlflüssigkeit umfließt somit eine Wirbelzone, die seitlich und in der Nähe der Einlassöffnung angeordnet ist. Diese Wirbelzone bildet Rezirkulationen bzw. stehende Wirbel aus und erfährt nur einen geringen Austausch an Kühlflüssigkeit, wodurch sich die Kühlflüssigkeit stark erhitzt. Daher ist es von Vorteil einen, über den gesamten Fluidkanal, gleichmäßigen Kühlflüssigkeitsstrom zu erzeugen, insbesondere nahe der Einlassöffnung.
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Eine oder mehrere Leitrippen innerhalb des Auslassabschnitts sorgen zudem für einen gleichmäßigen Abfluss der Kühlflüssigkeit. Obige und auch nachfolgende Erläuterungen an dem Einlassabschnitts lassen sich ebenso auf den Auslassabschnitt übertragen. Dies gilt ebenso für alles was an oder innerhalb des Einlassabschnitts ausgebildet oder angeordnet ist, wie beispielsweise die Leitrippen.
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Sind Leitrippen innerhalb des Einlassabschnitts und innerhalb des Auslassabschnitts ausgebildet, so kann die Leitrippendichte oder die Anzahl der Leitrippen innerhalb des Auslassabschnitts geringer sein als die Anzahl der Leitrippen innerhalb des Einlassabschnitts. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn bereits Leitrippen innerhalb des Einlassabschnitts für einen gleichmäßigen und über den Kanalquerschnitt gleichverteilten Kühlflüssigkeitsstrom sorgen. Zudem verringert sich der Kanalquerschnitt zu der Auslassöffnung hin, weshalb der Abfluss der Kühlflüssigkeit grundsätzlich störungsfreier abläuft. Dennoch können Leitrippen innerhalb des Auslassabschnitts für eine Verbesserung des Abflusses der Kühlflüssigkeit sorgen. Die bereits erwähnte Leitrippendichte wird weiter unten noch genauer erläutert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann der Fluidkanal, im Querschnitt betrachtet, vorzugsweise breiter als hoch ausgebildet sein. Die Oberfläche des Fluidkanals kann dabei durch mehrere Kanalflächen ausgebildet sein. Die Einlassöffnung und die Auslassöffnung sind hierbei vorzugsweise an derselben Kanalfläche ausgebildet, wobei diese Kanalfläche meist die Höhe des Fluidkanals darstellt bzw. die Breite des Fluidkanals begrenzt und somit vorzugsweise kürzer ist als deren angrenzenden, die breite bildenden Kanalflächen. Die Rippen und somit auch die Leitrippen sind deshalb vorzugsweise an den Kanalflächen, die die Breite des Fluidkanals darstellen bzw. die Höhe des Fluidkanals begrenzen, ausgebildet und erstrecken sich in die Höhe oder stehen von der zugehörigen Kanalfläche ab. Die Kanalflächen werden unter anderem als erste, zweite, usw. Kanalflächen bezeichnet.
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In einer möglichen Ausführungsvariante kann die Leitrippe an der ersten oder an der zweiten oder an einer weiteren Kanalfläche ausgebildet sein und in den Kanal hineinragen, wobei die Leitrippe einen Abstand zu der gegenüberliegenden Kanalfläche aufweist.
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Aufgrund des Abstands zwischen der Leitrippe und der gegenüberliegenden Kanalfläche kann die Kühlflüssigkeit zwischen der Leitrippe und der Kanalfläche hindurchströmen oder auch die Leitrippe überströmen. Durch diese Form der Leitrippe wird ein Teil der Kühlflüssigkeit abgelenkt und ein anderer Teil der Kühlflüssigkeit überströmt die Leitrippe, wodurch die Kühlflüssigkeit innerhalb des Fluidkanals verteilt wird. Es ist daher der Fall, dass die einströmende Kühlflüssigkeit eine Ablenkung, eine Durchmischung und somit eine Verbreiterung des Kühlflüssigkeitsstroms erfährt, abhängig von der Ausbildungsform der Leitrippe.
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Der Abstand zu der entgegengesetzten Fläche ist zudem von Vorteil, da eine, über den Fluidkanal von einer ersten zu einer zweiten Kanalfläche durchgehend ausgebildete, Leitrippe keine derartige Durchmischung und Verteilung der Kühlflüssigkeit erreichen kann. Wird der Abstand lediglich als Spalt ausgebildet, dann wäre die Geschwindigkeit der Kühlflüssigkeit in dem Spalt stark verringert, wodurch sich die Kühlflüssigkeit hier stark erwärmt. Weitere Vorteile und genauere Ausführungen zu dem Abstand werden zudem noch weiter unten erläutert.
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Es wird weiter vorgeschlagen, dass eine Leitrippe zumindest teilweise in dem Einlassabschnitt oder in einem Teilbereich des Einlassabschnitts angeordnet ist, der gegenüber einer Kanalhöhe des Zwischenabschnitts eine vergrößerte Höhe aufweist, wobei die Kanalhöhe durch den Abstand zwischen der ersten Kanalfläche und der gegenüberliegenden Kanalfläche gegeben ist.
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Durch die vergrößerte Höhe des Fluidkanals innerhalb des Einlassabschnitts oder innerhalb eines Teilbereichs des Einlassabschnitts, im Folgenden Vertiefungsbereich genannt, ist es insbesondere möglich eine Leitfläche der Leitrippe gegenüber Leitrippen außerhalb dieses Vertiefungsbereichs größer auszubilden. Dadurch kann der Einfluss der Leitrippen auf den Kühlflüssigkeitsstrom, insbesondere in der Nähe der Einlassöffnung, weiter erhöht werden. Hierdurch wird über den Verlauf des gesamten Fluidkanals ein gleichmäßiger Fluss der Kühlflüssigkeit erreicht und insbesondere die zuvor erwähnten Wirbelzonen vermieden. Die Leitrippen können dabei vollständig oder auch nur teilweise innerhalb Vertiefungsbereichs angeordnet sein.
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Es ist zudem vorteilhaft, wenn die Einlassöffnung und die Auslassöffnung an einer Kanalfläche derart ausgebildet sind, dass die Kühlflüssigkeit quer zur Durchströmungsrichtung des Kühlkanals eingeleitet und abgeleitet wird, wobei die Kühlflüssigkeit eine Leitrippe bzw. die Leitfläche der Leitrippe trifft.
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Günstigerweise bildet eine Normale der Leitfläche der Leitrippe einen spitzen Leitwinkel zur Richtung des Kühlflüssigkeitsstroms am Einlassbereich oder am Auslassbereich aus.
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Die Richtung des Kühlflüssigkeitsstroms wird hierbei durch die Bewegungsrichtung der Kühlflüssigkeit an der Einlassöffnung vorgegeben. Zudem ist die Leitfläche die Fläche der Leitrippe, auf die die Kühlflüssigkeit während in ihrer Bewegung trifft. Dabei kann die Leitfläche bzw. die Form der Rippe in Draufsicht als eben, geschwungen, mit Knick oder in einer beliebigen anderen Art und Weise geformt sein. Der Kühlflüssigkeitsstrom wird dabei insbesondere durch die Form der Leitfläche und den Leitwinkel beeinflusst.
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Mit besonderem Vorteil verringert sich die Leitrippendichte, die die Fähigkeit der Leitrippe beschreibt einen Kühlflüssigkeitsstrom abzulenken und zu durchmischen, in dem Einlassabschnitt oder in dem Auslassabschnitt ausgehend von der Einlassöffnung bzw. der Auslassöffnung mit größer werdendem Abstand.
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Die Leitrippendichte bestimmt sich aus mehreren Faktoren und gibt eine Art Wert für die Fähigkeit der Leitrippen zur Durchmischung, zur Gleichverteilung und zur Umlenkung der Kühlflüssigkeit, sowie zur Erzeugung einer breiten und gleichmäßigen Kühlflüssigkeitsströmung an. In den Wert der Leitrippendichte fließen unter anderem die Anzahl der Leitrippen, die Größe der zugehörigen Leitfläche, der Winkel der Leitfläche zu dem Kühlflüssigkeitsstrom sowie die Form der Leitrippen und auch die Anordnung mehrerer Leitflächen zueinander ein. Eine Vergrößerung der Leitrippenfläche erhöht beispielsweise die Leitrippendichte.
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Eine weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist durch die elektrische Maschine mit einem Kühlelement gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 7 dargestellt. Die davon abhängigen Ansprüche stellen wiederum vorteilhafte Ausführungen der Erfindung dar.
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Gemäß der Erfindung weist ein Trennabschnitt, der zwischen dem Einlassabschnitt und dem Auslassabschnitt ausgebildet ist, auf der Seite der Einlassöffnung zumindest eine Abrisskante für die Kühlflüssigkeit auf.
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Ist der Fluidkanal derart ausgebildet, dass sich die Einlassöffnung und die Auslassöffnung nahe zueinander angeordnet bzw. benachbart sind, dann verhindert der Trennabschnitt einen direkten Fluss der Kühlflüssigkeit von Einlassöffnung zu Auslassöffnung. Die Kühlflüssigkeit ist daher gezwungen den Fluidkanal vollständig zu durchfließen.
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Eine Abrisskante kann beispielsweise durch eine Art Vorsprung an dem Trennabschnitt ausgebildet sein, der in den Einlassabschnitt hineinragt. Die Abrisskante bildet an dem Trennabschnitt eine Führungsfläche und eine Abrissfläche. Die Kühlflüssigkeit wird dabei über die Einlassöffnung eingeleitet und strömt an dem Trennabschnitt und der Führungsfläche entlang. An und auch in Flussrichtung hinter dem Übergang zwischen Führungsfläche und Abrissfläche verwirbelt die Kühlflüssigkeit und hinterströmt die Abrisskante. Durch die nachfließende Kühlflüssigkeit können die Wirbel hinter der Abrisskante mitgenommen werden, wodurch die Kühlflüssigkeit gut durchmischt ist und anschließend gleichmäßig weiterfließt. Der Übergang der in die Kühlflüssigkeitsströmung hineinragenden Abrisskante ist dabei möglichst spitz ausgebildet. Zudem ist der Winkel zwischen der Führungsfläche und der Abrissfläche möglichst spitz ausgebildet. Es kann zudem von Vorteil sein, wenn der Übergang zwischen Führungsfläche und Abrissfläche spitz oder abgerundet ausgebildet ist.
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Günstigerweise ist zumindest eine Leitrippe, die bereits weiter oben ausführlich erläutert ist, der Abrisskante zugeordnet und an dieser ausgerichtet. Durch entsprechende Anpassung der Leitrippe und der Abrisskante aneinander können Synergieeffekte entstehen. Dabei kann es insbesondere von Vorteil sein, wenn eine Fläche der Leitrippe im Wesentlichen parallel zu dem Führungsbereich angeordnet ist, wenn eine Leitrippe die Abrisskante in Kühlflüssigkeitsstromrichtung hintergreift oder wenn eine Leitrippe in einen Führungsbereich oder in einem Abrissbereich der Abrisskante angeordnet ist. Der Führungsbereich und der Abrissbereich werden dabei durch einen Teil des Einlassbereichs ausgebildet, wobei der Führungsbereich der Führungsfläche und der Abrissbereich der Abrissfläche räumlich zugeordnet sind.
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Es ist insbesondere von Vorteil, wenn der Trennabschnitt mehrere Abrisskanten aufweist. Zudem können in Richtung des Flusses der Kühlflüssigkeit später angeordnete Abrisskanten einen stumpferen Winkel zwischen der Führungsfläche und der Abrissfläche aufweisen und / oder der Übergang zwischen der Führungsfläche und der Abrissfläche stumpfer ausgebildet ist. Zudem ist es von Vorteil, wenn die Abrisskanten gleichmäßig an dem Trennabschnitt verteilt sind.
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Eine dritte Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist durch die elektrische Maschine mit einem Kühlelement gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 9 dargestellt. Die davon abhängigen Ansprüche stellen weitere vorteilhafte Ausbildungsvarianten der Erfindung dar.
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Gemäß der Erfindung wird eine elektrische Maschine vorgeschlagen, bei der zumindest ein Strömungselement an einer Kanalfläche des Fluidkanals ausgebildet ist und in den Fluidkanal hineinragt, wobei das Strömungselement einen Abstand zu der gegenüberliegenden Kanalfläche aufweist.
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Das Strömungselement kann zudem auch als Rippe ausgebildet sein.
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Durch diese Strömungselemente oder Rippen kann der Fluidkanal in mehrere Teilkanäle aufgeteilt werden, wobei die Teilkanäle zwischen den Strömungselementen oder Rippen angeordnet sind. Ein Teilkanal ist daher durch den Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Strömungselementen oder Rippen ausgebildet. Der Kühlflüssigkeitsstrom kann somit in mehrere kleinere Teilströme aufgeteilt werden. Die einzelnen Teilströme sind hierbei jedoch miteinander wirkverbunden. Diese Wirkverbindung wird dabei durch den Abstand zwischen Strömungselement oder Rippe und der gegenüberliegenden Kanalfläche erzeugt, wobei der Zwischenraum zwischen Strömungselement oder Rippe und der gegenüberliegenden Kanalfläche im Folgenden Verbindungspassage genannt wird. Die Breite der Teilkanäle begrenzt dabei die räumliche Ausdehnung von Wirbeln, wobei die Verbindungspassagen zwischen benachbarten Kühlflüssigkeitsströmen benachbarter Teilkanäle eine Wirkverbindung herstellen, die zu einem angleich der benachbarten Kühlflüssigkeitsströme führen. Verwirbelungen innerhalb einzelner Teilkanäle werden somit von einem Gesamtstrom mitgenommen. Wirbel bewegen sich daher mit dem Gesamtstrom fort und sorgen für einen hohen Durchmischungsgrad. Durch die Verbindungspassagen wird zudem ein großer Kanalquerschnitt erreicht, der einen hohen Kühlflüssigkeitsvolumenstrom ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der Strömungselement- oder Rippenstruktur ist die vergrößerte Oberfläche des Fluidkanals, die den Wärmeübertrag auf die Kühlflüssigkeit erhöht.
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Günstigerweise ist der Abstand zwischen dem Strömungselement oder der Rippe und der gegenüberliegenden Kanalfläche derart bemessen, dass die Kühlflüssigkeit innerhalb der Verbindungspassage im Wesentlichen dieselbe Flussgeschwindigkeit aufweist wie die Teilströme. Wählt man den Abstand zu gering, so ist der Flusswiderstand relativ hoch und die Kühlflüssigkeit heizt sich aufgrund der geringeren Flussgeschwindigkeit innerhalb der Verbindungspassage stark auf. Als untere Grenze für den Abstand kann man in etwa 0,5 mm nennen, wobei sich ein Abstand von 1,5 mm als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Ein oberer Grenzwert ist hier nicht festlegbar, da die Ausbildung des Abstandes immer von der konkreten Ausbildungsform des Kühlkanals abhängt. Die Angabe dieser vorteilhaften Werte soll hier jedoch für den Erfindungsgegenstand nicht einschränkend wirken. Der Abstand ist somit nicht auf die genannten Werte beschränkt. Dies gilt ebenso für die weiter oben erläuterten Leitrippen.
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Sind innerhalb des Fluidkanals mehrere Rippen ausgebildet, so können verschiedene Rippen auch an verschiedenen Kanalflächen angeordnet sein, insbesondere an einer ersten und einer zweiten Kanalfläche, die sich gegenüberliegen, wobei die Rippen der ersten Kanalfläche in die Zwischenräume der Rippen der zweiten oder der anderen Kanalflächen eingreifen können und umgekehrt.
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Es ist dabei von besonderem Vorteil, wenn die Rippe in einem Zwischenabschnitt durchgehend ausgebildet ist. Durch diese, über die gesamte Länge des Fluidkanals, gleichmäßige Struktur kann ein im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Kanals gleichmäßigerer Kühlflüssigkeitsstrom erreicht werden.
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Eine Rippe kann im Querschnitt gesehen eine Dreieckform, eine Rechteckform, eine Quadratform, eine Trapezform, eine Halbkreisform oder eine andere geometrische Form aufweisen. Weiterhin können die verschiedenen Formen scharfkantig, eckig, gephast, abgerundet oder in einer anderen Art und Weise ausgebildet sein. Sind mehrere Rippen nebeneinander angeordnet, dann können diese in Verbindung mit deren Zwischenräumen, im Querschnitt gesehen, auch eine Sinusform aufweisen.
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Um einen möglichst hohen Durchfluss an Kühlflüssigkeit zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass eine länglich ausgebildete Rippe im Wesentlichen parallel, insbesondere parallel, zu der Durchströmungsrichtung des Kanals erstreckt. Zudem können mehrere Rippen nebeneinander angeordnet sein, wobei diese vorzugsweise parallel zueinander ausgebildet sind.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt eine von zumindest zwei Rippen, die der Einlassöffnung zugeordnet sind, in Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit versetzt zu der anderen anzuordnen. Dabei kann es besonders günstig sein, wenn die eine Rippe, die einen größeren Abstand zu der Einlassöffnung aufweist in Durchflussrichtung nach hinten versetzt oder auch verkürzt ausgebildet ist. Sind innerhalb des Fluidkanals mehrere Rippen ausgebildet, dann können diese zueinander verschiedene Versetzungen oder Verkürzungen ausbilden, wobei die Versetzung oder Verkürzung vorteilhafterweise mit steigendem Abstand zu der Einlassöffnung immer größer wird.
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Durch die verkürzte Rippe kann in einem Bereich des Einlassabschnitts ein vergrößerter Kanalquerschnitt erzeugt werden, in dem eine geringere Flussgeschwindigkeit herrscht. Diese Drosselung der Flussgeschwindigkeit kann in Kombination mit einem Bypass, der an dem Trennabschnitt ausgebildet ist und eine direkte Verbindung zwischen Einlass und Auslass herstellt, vorteilig sein. Beispielsweise kann dadurch der Kühlflüssigkeitsstrom durch den Bypass beeinflusst oder auch Rezirkulationen in einem Bypassbereich, der dem Eingang des Bypasses zugeordnet ist, verringert oder vermieden werden.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, eine von zumindest zwei Rippen, die der Auslassöffnung zugeordnet sind, in Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit versetzt zu der anderen anzuordnen. Dabei kann es besonders günstig sein, wenn die eine Rippe, die einen größeren Abstand zu der Auslassöffnung aufweist in Durchflussrichtung nach vorne versetzt oder auch verkürzt ausgebildet ist. Sind innerhalb des Fluidkanals mehrere Rippen ausgebildet, dann können diese zueinander verschiedene Versetzungen oder Verkürzungen ausbilden, wobei die Versetzung oder Verkürzung vorteilhafterweise mit steigendem Abstand zu der Auslassöffnung immer größer wird.
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Die Erläuterungen zu der Verkürzung der Rippen an der Einlassseite lassen sich auf die Auslassseite übertragen. Durch diese Verkürzung kann insbesondere ein gleichmäßiger Abfluss der Kühlflüssigkeit erreicht werden. Ebenso können innerhalb eines auslassseitigen Bypassbereichs Rezirkulationen verringert oder vermieden und ein gleichmäßiger Abfluss der Kühlflüssigkeit erreicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsvariante kann sich die Rippe über zumindest die halbe Kanalhöhe erstrecken. Die Höhe der Rippe gibt die Verbindungspassage vor und beeinflusst somit den Grad der Kopplung der einzelnen Teilkanäle. Dadurch lassen sich Bereiche, in denen sich Wirbel ausbilden können, wesentlich verkleinern.
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Günstigerweise kann eine der Rippen an mehreren Kanalflächen ausgebildet sein, wobei die Kanalflächen aneinandergrenzen.
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Es kann zudem von Vorteil sein, wenn die Rippe an der Kanalfläche des Fluidkanals ausgebildet ist, die gegenüber der Wärmeeintragsseite angeordnet ist. Der Wärmeeintrag wird dabei hauptsächlich von der elektrischen Maschine erzeugt, insbesondere von dem Stator.
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Es ist außerdem von Vorteil, wenn der Fluidkanal im Wesentlichen dieselbe Breite aufweist wie ein Blechpaket der elektrischen Maschine. Weiterhin kann das Kühlelement an dem Blechpaket des Stators der elektrischen Maschine angeordnet und somit als Statorkühler ausgebildet sein.
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In einer weiteren Ausführungsvariante kann an zumindest einer Rippe einer ersten Kanalfläche eine Wärmebrücke ausgebildet sein, die mit einer zweiten Kanalfläche in wärmeleitendem Kontakt steht.
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Eine derartige Wärmebrücke ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Wärmeeintrag auf das Kühlelement auf der Kanalfläche eingeht, die den Rippen gegenüberliegt. Durch die Wärmebrücke, die beispielsweise stegartig ausgebildet sein kann, kann die Wärme effektiv in die Rippen geleitet werden. Die Wärme verteilt sich daher gleichmäßiger auf das gesamte Kühlelement, wodurch die gesamte Oberfläche des Fluidkanals zum Wärmeübertrag auf die Kühlflüssigkeit genutzt werden kann. Eine Wärmebrücke ist dabei vorteilhafterweise nur über einen Teil der Rippenlänge ausgebildet.
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Diese Wärmebrücke kann strömungsoptimiert ausgebildet sein, beispielsweise indem diese eine Tragflügel-, ein Schiffs- oder eine Fischform aufweist. Zudem können mehrere Wärmebrücken an einer oder an mehreren Rippen ausgebildet sein, wobei die Wärmebrücken an den Rippen in Durchflussrichtung, vorzugsweise gleichmäßig, verteilt sein können.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, eine Breite der Rippen und eine Breite der Teilkanäle in etwa gleich groß auszubilden. Mehrere Rippen bzw. Teilkanäle können zueinander und untereinander jedoch auch verschiedene Breiten aufweisen, die beliebig über innerhalb des Fluidkanals verteilt sind.
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In einer Ausbildungsvariante kann das Gehäuse des Kühlelements, welches den Fluidkanal ausbildet, einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Ein einteiliges Gehäuse kann beispielsweise durch Guss mit verlorener Form erzielt werden, die nach dem Gießen herausgelöst oder ausgeschwemmt wird. In einer zweiteiligen Variante kann beispielsweise ein inneres und ein äußeres Teil separat hergestellt sein, wobei beide Teile anschließend zusammengeführt und miteinander verbunden, beispielsweise durch verschrauben, verschweißen, pressen oder sonstige Verfahren, und abgedichtet werden. Ein zusätzliches Abdichten des Kanals ist nur bei bestimmten Verbindungsprozessen notwendig und kann beispielsweise über eine Gummidichtung realisiert sein.
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Es ist zu beachten, dass Rippen am Einlassabschnitt und am Auslassabschnitt als Leitrippen bezeichnet werden und in der Figurenbeschreibung wird eine Rippe, die innerhalb des Zwischenabschnitts angeordnet ist, als Umfangsrippe bezeichnet. Die Ausführungen der Rippen sind hier allgemein dargestellt und können auch auf Leitrippen und Umfangsrippen übertragen werden. Zudem ist es grundsätzlich möglich die spezifischen Ausführungen zu Leitrippen und Umfangsrippen auf alle Rippen oder Strömungselemente zu verallgemeinern. Es ist zudem möglich, dass zumindest eine Rippe in dem Zwischenabschnitt und in dem Einlassabschnitt und / oder in dem Auslassabschnitt angeordnet ist. Eine Rippe und eine Leitrippe können dementsprechend einteilig oder integral ausgebildet sein.
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Mögliche Legierungen für ein gegossenes Kühlelement können beispielsweise eine Sandgusslegierung wie beispielsweise AlSi7Mg0,3 oder eine Knetlegierung EN AW-6082T6. Bei mehrteiliger Herstellung des Kühlelements können sich die verwendeten Materialien der verschiedenen Teile durchaus unterscheiden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Stator einer elektrischen Maschine mit Kühlelement im Querschnitt;
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2 eine Seitenansicht eines inneren Kühlkörpers des Kühlelements aus 1;
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3 eine perspektivische Ansicht des inneren Kühlkörpers aus 2.
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In 1 ist ein Stator 8 einer elektrischen Maschine 10 im Querschnitt dargestellt. Dieser Stator 8 umfasst ein Blechpaket 12, welches wiederrum ein Joch 11 und Zähne 13 aufweist. Die Zähne sind in diesem Fall radial außerhalb des Jochs 11 bzw. des Jochbereichs des Blechpakets 12 angeordnet, wobei die Zähne von Spulen (hier nicht dargestellt) umwickelt sind. Das Blechpaket 12 ist weiterhin radial außerhalb eines Kühlelements 14 angeordnet, welches wiederum einen äußeren Kühlkörper 16 und einen inneren Kühlkörper 18 aufweist. Hierbei ist das Joch 11 des Blechpakets 12 in direktem Wärmekontakt mit dem Kühlelement 14, insbesondere mit dem äußeren Kühlkörper 16. Der äußere Kühlkörper 16 ist dabei hülsenförmig ausgebildet und radial außen an dem inneren Kühlkörper 18 angeordnet. Das Kühlelement 14 bildet zwischen dem inneren Kühlkörper 16 und dem äußeren Kühlkörper 18 einen Fluidkanal 20 aus, der während des Betriebs der elektrischen Maschine 10 von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Zur Vermeidung von Kühlflüssigkeitsverlusten innerhalb des Kanals sind der innere Kühlkörper 18 und der äußere Kühlkörper 16 abgedichtet, in diesem Fall durch Verschweißung an den gemeinsamen Anlagekontaktstellen. Die elektrische Maschine 10 kann, unabhängig von diesen Ausführungen auch anders aufgebaut sein, beispielsweise als Innenläufer anstatt als Außenläufer. Der äußere Kühlkörper 16 und der innere Kühlkörper 18 bilden hierbei das Gehäuse 17 des Kühlelements 14.
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In 2 und 3 ist weiter gezeigt, dass der innere Kühlkörper 18 eine Einlassöffnung 22 und eine Auslassöffnung 26 aufweist, die zum Zuleiten und Ableiten der Kühlflüssigkeit verwendet werden. An den Einlass 22 und den Auslass 26 kann eine, hier nicht dargestellte, Zuleitung und Ableitung angeschlossen werden, die in diesem Fall über eine in eine Nut eingesetztes Dichtelement dicht mit dem Fluidkanal 20 verbindbar sind. Die Einlassöffnung 22 und die Auslassöffnung 26 sind zudem an dem inneren Kühlelement 18 in Umfangsrichtung nah aneinander bzw. benachbart zueinander ausgebildet, wobei der innere Kühlkörper 18 zwischen der Einlassöffnung 22 und der Auslassöffnung 26 einen Trennabschnitt 30 ausbildet. Der Trennabschnitt 30 sorgt für einen vollständigen Umlauf der Kühlflüssigkeit in dem Fluidkanal 20, bevor diese durch die Auslassöffnung 26 abfließen kann. Der Kühlflüssigkeitsstrom weist dabei an der Einlassöffnung 22 in axiale Einlassrichtung E, wird innerhalb eines Einlassabschnitts 38 von axialer Richtung in Umfangsrichtung U umgelenkt, durchfließt einen Zwischenabschnitt 40 in Umfangsrichtung U, wird in einem Auslassabschnitt 42 von der Umfangsrichtung U in axiale Auslassrichtung A umgelenkt und fließt über die Auslassöffnung 26 in axialer Richtung aus dem Fluidkanal 20 ab.
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Um den Kühlflüssigkeitsstrom innerhalb des Fluidkanals 20 positiv zu beeinflussen, insbesondere um Rezirkulationen zu vermeiden und einen gleichmäßigen, gleichverteilten und durchmischten Kühlflüssigkeitsstrom zu erhalten, sind an dem an dem inneren Kühlkörper 18 mehrere Rippen 32, 34, 36 ausgebildet, die sich von einer Kanalfläche 33 nach radial außen erheben und einen Abstand zu dem äußeren Kühlkörper 16 ausbilden (siehe 2). Die Bezugsziffern 34 und 36 weisen auf Untergruppen aller Rippen 32 hin, die je nach deren Anordnung und Ausbildung verschiedene Funktionen. Die Rippen 34 bzw. Rippenanteile 34 dienen als Leitrippen 34, wobei diese Leitrippen 34 insbesondere innerhalb des Einlassabschnitts 38 und innerhalb des Auslassabschnitts 42 angeordnet sind. Neben den Leitrippen 34 sind in dem Zwischenabschnitt 40 Umfangsrippen ausgebildet, die unter anderem die Kühlflüssigkeit führen. Die Rippen 32 sind hierbei in Draufsicht länglich und im Querschnitt gesehen Trapezförmig ausgebildet, wobei die Kanten abgerundet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Rippen 32 die Strömungselemente 32 aus der Beschreibung.
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Der Einlassabschnitt 38 wird dabei von der Einlassöffnung 22, von dem Trennabschnitt 30, von einer der Einlassöffnung gegenüberliegenden Kanalfläche bzw. Kanalwand und im Wesentlichen von dem Beginn der Umfangsrippen 36 des Zwischenabschnitts 40 begrenzt. Dies ist entsprechend auf den Auslassabschnitt 42 übertragbar. Der Zwischenabschnitt 40 ist hierbei insbesondere zwischen dem Einlassabschnitt 38 und dem Auslassabschnitt 42 angeordnet, wobei sich die verschiedenen Abschnitte, insbesondere in Umfangsrichtung U, überschneiden können.
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Wie man bereits aus den vorigen Erläuterungen entnehmen konnte, kann eine Rippe 32 als Umfangsrippe 36 und / oder als Leitrippe 34 ausgebildet, bzw. eine Leitrippe 34 und eine Umfangsrippe 36 einteilig oder integral ausgebildet sein.
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Man erkennt in 2, dass die Leitrippen 34 des Einlassabschnitts 38 gegenüber der Stromrichtung der Kühlflüssigkeit an der Einlassöffnung 22 (Einlassströmungsrichtung), die in axiale Richtung weist, angestellt sind. Die Normalen N von Leitflächen 35 der Leitrippen 34 sind dabei in einem spitzen Winkel η zu der axialen Einlassströmungsrichtung E ausgebildet. Ein Teil der Kühlflüssigkeit wird dabei an der Leitrippe 34 abgelenkt, wobei ein anderer Teil die Leitrippe 34 überströmt. Dadurch wird eine Durchmischung der Kühlflüssigkeit, sowie eine Veränderung der Strömungsrichtung erreicht. Man erkennt, dass die Leitrippen 34 in Draufsicht eine im Wesentlichen länglich ausgebildet sind und eine gerade Form aufweisen. Die Leitrippen 34 können jedoch grundsätzlich auch gebogen, geschwungen oder mit Knick ausgeführt sein kann.
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Zudem weist der Fluidkanal 20 in einem Teilbereich des Einlassabschnitts 38 einen Vertiefungsbereich 39 auf. Innerhalb des Vertiefungsbereichs 39 ist der Fluidkanal 20 gegenüber dem restlichen Fluidkanal 20, insbesondere im Zwischenabschnitt 40, in radialer Richtung verbreitert oder vertieft ausgebildet. Man erkennt in 3, dass die Leitflächen 35 von Leitrippen 34 innerhalb des Vertiefungsbereichs 39 größer sind als die Leitflächen 35 von Leitrippen außerhalb des Vertiefungsbereichs 39. Dadurch werden die erwähnten Effekte der Leitrippen 34 nochmals verstärkt. Einige der Leitrippen 34 sind nur teilweise in dem Vertiefungsbereich 39 angeordnet.
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Die Leitrippen 34 sind dabei insbesondere derart ausgebildet, dass der Kühlflüssigkeitsstrom innerhalb des Einlassabschnitts 38 aus der axialen Einlassrichtung E in Umfangsrichtung U umgeleitet wird und dabei ein gleichmäßiger Kühlflüssigkeitsstrom, möglichst über die komplette Breite des Fluidkanals 20, erreicht wird. Durch diesen gleichmäßigen Kühlflüssigkeitsstrom über den gesamten Fluidkanal 20, lassen sich insbesondere Rezirkulationen verringern oder vermeiden. Da derartige Rezirkulationen in dem Kanal 20 besonders in der Nähe und in Umfangsrichtung U versetzt zu der Einlassöffnung 22, auftreten, ist eine Leitrippendichte direkt an der Einlassöffnung 22 hoch und nimmt mit größer werdendem Abstand ab. Die Leitrippendichte spiegelt dabei insbesondere die Fähigkeit der Leitrippen 34, einen gleichmäßigen und gut durchmischten Kühlflüssigkeitsstrom zu erzeugen, wieder. Wie bereits erwähnt sind hier insbesondere die Anzahl der Leitrippen 34, sowie die Größe der Leitflächen erhöht. Zudem ist eine Leitrippe 34 einteilig mit einer Umfangsrippe 36 ausgebildet.
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Die Ausführungen zu den Leitrippen 34 im Eingangsabschnitt 38 lassen sich auch hier im Wesentlichen auf den Auslassabschnitt 42 übertragen, der ebenso einen Vertiefungsbereich 43 ausbildet. Da der Abfluss der Kühlflüssigkeit wesentlich unkritischer ist, sind innerhalb des Auslassabschnitts 42 weniger Leitrippen 34 ausgebildet als innerhalb des Einlassabschnitts 38. Dies hängt insbesondere damit zusammen, dass die Strömung in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt ist und sich der Strömungsquerschnitt zum Auslass 26 hin verringert anstatt wie vom Einlass 22 ausgehend vergrößert. Die Leitrippendichte ist daher in dem Auslassabschnitt 42 geringer als in dem Einlassabschnitt 38.
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Die Umlaufrippen 36 in dem Zwischenabschnitt 40 sind parallel zueinander angeordnet und weisen in Umfangsrichtung U. Dabei sind zwischen zwei benachbarten Umlaufrippen 36 Zwischenräume bzw. Teilkanäle 50 ausgebildet, deren Breite ungefähr der Breite der Umlaufrippen 36 entspricht. Zudem ist eine der Umlaufrippen 36 integral mit einer den Fluidkanal 20 in axialer Richtung begrenzenden Kanalfläche 52 ausgebildet. Durch diese Rippenstruktur können Rezirkulationen nur noch in kleinen, lokalen Wirbelzonen auftreten, die im Wesentlichen auf die Breite der Teilkanäle 50 beschränkt sind.
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Zudem sind die einzelnen Teilkanäle 50 über Verbindungspassagen 51, die zwischen den Umfangsrippen 36 und der gegenüberliegenden Kanalfläche 54 ausgebildet sind, miteinander wirkverbunden (siehe 1). Aufgrund der Wirkverbindung zwischen den benachbarten Teilkanälen 50 stellt sich innerhalb des Fluidkanals 20 eine gleichmäßige Kühlflüssigkeitsströmung in Umfangsrichtung U ein, die lokale Rezirkulationen mitnimmt.
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Wie man in 2 erkennt sind die Umfangsrippen 36 auf der Seite des Einlasses 22 in Umfangsrichtung U unterschiedlich lang ausgebildet, wobei weiter von der Einlassöffnung 22 entfernte Umfangsrippen 36 stärker verkürzt sind bzw. in Umfangsrichtung U nach hinten versetzt sind. Eine analoge Ausbildung der Umfangsrippen 36 erkennt man auf Seiten der Auslassöffnung 26. Jedoch ist die Anzahl der verkürzten Umfangsrippen 36, die Länge der Verkürzung und auch die relative Versetzung zwischen benachbarten Umfangsrippen 36 verschieden. Dadurch ist der Kühlflüssigkeitsstrom am Einlassabschnitt 38 sowie am Auslassabschnitt 42 weit weniger turbulent und es erfolgt ein gleichmäßiger Abfluss der Kühlflüssigkeit.
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Wie bereits erwähnt ist der Trennabschnitt 30 zwischen der Einlassöffnung 22 und der Auslassöffnung 26 angeordnet. Grundsätzlich kann die Einlassöffnung 22 direkt oder auch stufenfrei in den Trennabschnitt 30 übergehen. Die einströmende Kühlflüssigkeit kann dadurch direkt an der Trennabschnittfläche 31 des Trennabschnitts 30 weitergeleitet werden. Entsprechend gilt dies auch an der Auslassöffnung 26. Dadurch wird ein hindernisfreies Abströmen der Kühlflüssigkeit ermöglicht. In diesem Fall ist der Trennabschnitt 30 mit einer kleinen Stufe bzw. mit einem kleinen Abstand entgegen der Umfangsrichtung U zu der Einlassöffnung 22 und zu der Auslassöffnung 26 angeordnet. Dies kann beispielsweise durch Fertigungsprozesse bedingt sein.
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Der Trennabschnitt 30 bildet hierbei jeweils auf der Einlassseite und der Auslassseite eine Trennabschnittfläche 31 aus, die zunächst in axialer Richtung verläuft und eine, mit zunehmendem Abstand von der Einlassöffnung 22 bzw. Auslassöffnung 26, steigende Krümmung aufweist. Diese Form des Trennabschnitts 30 ermöglicht ein gleichmäßigen Zu- und Ablauf an der Einlassöffnung 22 und an der Auslassöffnung 26.
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Man erkennt, dass an dem Trennabschnitt 30 auf der Einlassseite Abrisskanten 44 ausgebildet sind. Diese Abrisskanten 44 erheben sich in Umfangsrichtung U von dem Trennabschnitt 30 und weisen eine Führungsfläche 46 und eine Abrissfläche 48 auf. Die Kühlflüssigkeit strömt dabei an der Führungsfläche 46 entlang und wird an der Abrissfläche 48 verwirbelt. Die Winkel der Flächen der Abrisskanten 44 sind dabei an der im Strömungsfluss ersten Kante 44 spitzer ausgebildet als an der zweiten Abrisskante 44. Diese Abrisskanten dienen der Durchmischung der Kühlflüssigkeit und der Erzeugung eines gleichmäßigen Gesamtstroms.
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Der Trennabschnitt 30 weist hier zudem einen Bypass 50 auf, der einen Wärmeeintrag in dem Bereich des Bypasses 50 abführen soll. Die verschiedenen Maßnahmen, d.h. Leitrippen, Abrisskanten, usw., sind entsprechend aufeinander abgestimmt. Dabei ist insbesondere zu beachten, dass die Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit durch den Bypass 50 auf eine notwendige Kühlflüssigkeitsmenge beschränkt ist.
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Die hier erläuterten Ausführungen beschränken sich im Wesentlichen auf das Kühlelement der elektrischen Maschine. Es kann jedoch durchaus der Fall sein, dass das Kühlelement weitere Anschlüsse, Befestigungspunkte oder Sonstiges aufweist, an denen beispielsweise weitere Module befestigbar sind oder die zur Befestigung des Kühlelements dienen.
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Bezugszeichenliste
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- 8
- Stator
- 10
- Elektrische Maschine
- 11
- Joch / Jochbereich
- 12
- Blechpaket
- 13
- Zahn
- 14
- Kühlelement
- 16
- äußerer Kühlkörper
- 17
- Gehäuse
- 18
- innerer Kühlkörper
- 20
- Fluidkanal
- 22
- Einlassöffnung
- 26
- Auslassöffnung
- 30
- Trennabschnitt
- 31
- Trennabschnittfläche
- 32, 34, 36
- Rippe, Strömungselement
- 33
- Kanalfläche
- 34
- Leitrippe
- 35
- Leitfläche
- 36
- Umfangsrippe
- 38
- Einlassabschnitt
- 39
- Vertiefungsbereich
- 40
- Zwischenabschnitt
- 42
- Auslassabschnitt
- 43
- Vertiefungsbereich
- 44
- Abrisskante
- 46
- Führungsfläche
- 48
- Abrissfläche
- 49
- Bypass
- 50
- Teilkanal
- 51
- Verbindungspassage
- 52
- Kanalfläche
- 54
- Kanalfläche
- E
- Einlassrichtung
- U
- Umfangsrichtung
- A
- Auslassrichtung
- N
- Normale / Richtung der Flächennormale
- η
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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