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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere rotatorische elektrische Maschinen mit Flüssigkeitskühlung.
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Stand der Technik
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In Abhängigkeit von der Leistungsdichte einer elektrischen Maschine muss gewährleistet sein, dass die entstehende Betriebswärme in geeigneter Weise abgeführt wird. Bei elektrischen Maschinen niedriger Leistung reicht oftmals die durch die Bewegung des Läufers erzeugte Luftbewegung aus, um die Betriebswärme über die Umgebungsluft abzuführen. Bei geschlossenen elektrischen Maschinen können entsprechende Kühllamellen an einer Außenseite des Gehäuses angeordnet sein.
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Bei elektrischen Maschinen höherer Leistung ist es dagegen notwendig, zusätzliche Maßnahmen zur Kühlung vorzusehen. Gebräuchlich ist die so genannte Wassermantelkühlung, bei der im Gehäuse der elektrischen Maschine ein oder mehrere Kühlkanäle vorgesehen sind, die von einem Kühlfluid, meistens Wasser, durchströmt werden und die durch ihre Geometrie einen möglichst günstigen Wärmeübergang und Druckabfall aufweisen.
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Weiterhin sind ölgekühlte elektrische Maschinen bekannt, die eine öldurchströmte Welle aufweisen oder eine direkte Benetzung oder Anströmung der Wicklungen bzw. der Wickelköpfe mit dem Kühlmedium vorsehen. Öl als Kühlmedium hat dabei den Vorteil, dass im Gegensatz zu Wasser keine Trennung zwischen den stromführenden Teilen notwendig ist, da Öl elektrisch nicht leitet und damit als Isolator dient.
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Die Druckschrift
US 2012/0074739 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse und einem Stator mit einer Statorwicklung. Zwischen dem Gehäuse und dem Stator sind mehrere Kühlkanäle ausgebildet. Die Kühlkanäle verlaufen in axialer Richtung und stehen mit dem Innenraum des Gehäuses in Verbindung, wobei die Wickelköpfe der Statorwicklung von einem Kühlmedium überströmt werden können.
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Auch aus der Druckschrift
DE 103 61 864 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt, bei der zwischen dem Stator und einem Gehäuse ein Strömungsweg für eine Kühlmittelströmung vorgesehen ist, der durch mehrere in axialer Richtung verlaufende Kanäle ausgebildet ist.
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Um jedoch eine ausreichende Kühlwirkung zu erreichen, ist es notwendig, einen ausreichend hohen Kühlmittelfluss durch die axial zwischen Gehäuse und Stator verlaufenden Kühlmittelkanäle zu bewirken, so dass eine kontinuierliche Wärmeübertragung an nachströmende Kühlflüssigkeit gewährleistet ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kühlung für eine elektrische Maschine mit einem flüssigen Kühlmedium zur Verfügung zu stellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die elektrische Maschine nach Anspruch 1 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt ist eine rotatorische elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- – ein Gehäuse mit einem Innenraum;
- – eine in dem Innenraum des Gehäuses angeordnete Statoranordnung, die einen Statorkörper aufweist, der zumindest teilweise an einer Innenwand des Gehäuses anliegt;
- – einen oder mehrere Kühlmittelkanäle, die zwischen der Statoranordnung und dem Gehäuse und/oder in dem Statorkörper angeordnet sind und eine erste und zweite Stirnseite des Statorkörpers miteinander fluidisch verbinden; und
- – einen Verteilerbereich zur Aufnahme von Kühlmittel und zur Verteilung des Kühlmittels in den einen oder die mehreren Kühlmittelkanäle.
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Eine Idee der obigen elektrischen Maschine besteht darin, in axialer Richtung durch einen Statorkörper verlaufende Kühlmittelkanäle bzw. zwischen dem Statorkörper und einer Innenwand des Gehäuses verlaufende Kühlmittelkanäle mit einem flüssigen Kühlmedium zu durchströmen. Dazu ist im Gehäuse der elektrischen Maschine ein Verteilerbereich an einer ersten Stirnseite des Statorkörpers so vorgesehen, dass dort ein flüssiges Kühlmedium zugeführt wird und von dort durch die axial verlaufenden Kühlmittelkanäle in Richtung der zweiten Stirnseite strömt. Durch das Sammeln der Zufuhr des flüssigen Kühlmediums in dem Verteilerbereich wird verhindert, dass sich das Kühlmedium in dem Gehäuse der elektrischen Maschine verbreitet und in Folge mit einer nur geringen Strömung durch die Kühlmittelkanäle strömt.
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Weiterhin kann der Verteilerbereich durch ein Trennelement in dem Gehäuse insbesondere von einem Innenraum abgetrennt sein und sich so an die erste Stirnseite der Statoranordnung anschließen, dass die Öffnungen des einen oder der mehreren Kühlmittelkanäle in den Verteilerbereich münden. Insbesondere kann sich das Trennelement ringförmig in axialer Richtung gesehen zwischen der ersten Stirnseite der Statoranordnung und einer Innenfläche einer Gehäusewand des Gehäuses erstrecken und insbesondere einstückig mit dem Gehäuse oder einem Gehäuseteil ausgebildet sein.
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Dadurch ist der Verteilerbereich durch das Gehäuse, den Statorkörper und das ringförmige Trennelement ausgebildet, das z. B. koaxial zwischen der ersten Stirnseite des Statorkörpers und einer Innenwand des Gehäuses angeordnet sein kann. Dadurch wird der Verteilerbereich bezüglich des übrigen Innenraums des Gehäuses abgegrenzt. Dies stellt eine besonders einfache Ausgestaltung des Verteilerbereichs dar, die mit einfachen Mitteln herzustellen ist.
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Das Trennelement kann eine oder mehrere in Umfangsrichtung des Trennelements zueinander benachbarte durchgehende Auslassöffnungen aufweisen, um Kühlmittel aus dem Verteilerbereich auf einen Wickelkopf einer Statorwicklung der Statoranordnung auszulassen.
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Durch die Anordnung des Verteilerbereichs radial versetzt zu einem Wickelkopf einer Statorwicklung kann durch zusätzliche Auslassöffnungen in dem Trennelement ein Kühlmittelstrom aus dem Verteilerbereich zusätzlich über den Wickelkopf an der ersten Stirnseite des Stators vorgesehen werden, um dort eine Kühlung des Wickelkopfs an der ersten Stirnseite zu erreichen.
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Das Trennelement kann eine Länge in axialer Richtung aufweisen, um einen Leckagespalt zwischen einem der ersten Stirnseite zugewandten Ende des Trennelements und der ersten Stirnseite der Statoranordnung auszubilden, so dass Kühlmittel aus dem Verteilerbereich auf einen Wickelkopf einer Statorwicklung der Statoranordnung ausgelassen wird, wobei insbesondere der Leckagespalt nur an einem insbesondere oberen Abschnitt des Verteilerbereichs vorgesehen ist.
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Das Trennelement kann durch eine Vergussstruktur für einen Wickelkopf einer Statorwicklung im Statorkörper auf der ersten Stirnseite ausgebildet sein, wobei die Vergussstruktur den Wickelkopf überdeckt und sich bis zu einer Gehäusewand des Gehäuses erstreckt.
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Weiterhin kann ein Sammelbereich von dem Innenraum abgetrennt sein, in den die Öffnungen der Kühlmittelkanäle an der zweiten Stirnseite der Statoranordnung münden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Sammelbereich durch ein weiteres Trennelement von dem Innenraum abgetrennt ist, wobei sich das weitere Trennelement ringförmig zwischen der zweiten Stirnseite der Statoranordnung und einer Innenfläche einer Gehäusewand des Gehäuses erstreckt und insbesondere einstückig mit dem Gehäuse oder einem Gehäuseteil ausgebildet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Statorkörper gestapelte Blechlamellen umfassen und der eine oder die mehreren Kühlmittelkanäle durch Nuten an dem Statorkörper an dessen der Gehäusewand zugeordneten Außenfläche ausgebildet sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass einer oder mehrere der Kühlmittelkanäle in einem ersten, insbesondere unteren Bereich der elektrischen Maschine einen höheren Strömungswiderstand aufweist als einer oder mehrere der Kühlmittelkanäle in einem zweiten, insbesondere oberen Bereich der elektrischen Maschine.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine elektrische Maschine mit einer Kühlflüssigkeitsführung;
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2a und 2b Schnittdarstellungen durch Statorkörper quer zur axialen Richtung im Ausschnitt;
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3 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine weitere elektrische Maschine mit einem durch eine Vergussstruktur gebildeten Verteilerbereich;
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4 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine weitere elektrische Maschine mit einem Sammelbereich ausgangsseitig der Kühlmittelkanäle an der zweiten Stirnseite des Statorkörpers; und
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5 eine Querschnittsdarstellung durch eine weitere elektrische Maschine mit zusätzlicher Kühlung des Wickelkopfs der Statorwicklung an der ersten Stirnseite des Statorkörpers.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine elektrische Maschine 1 entlang einer Drehachse D. Die elektrische Maschine 1 umfasst ein, im vorliegenden Fall zweiteilig ausgebildetes, Gehäuse 2 mit einem Gehäusetopf 21 und einem Gehäusedeckel 22 als Gehäuseteile. Der Gehäusedeckel 22 ist an der Öffnung des Gehäusetopfes 21 aufgebracht, um so einen geschlossenen Innenraum 23 auszubilden.
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Im Inneren des Gehäuses 2 ist eine Statoranordnung 3 angeordnet, die zylindrisch ausgebildet ist. Die Statoranordnung 3 weist einen Statorkörper 31 auf, der aus gestapelten Blechlamellen ausgebildet sein kann. Die Statoranordnung 3 definiert eine Innenausnehmung 4, in der ein Rotor 5 drehbeweglich an einer Rotorwelle 6 angeordnet ist. Die Rotorwelle 6 ist an Lagern 7, die in dem Gehäuse 2 vorgesehen sind, drehbeweglich gelagert. Insbesondere kann ein Lager an dem Boden des Gehäusetopfes 21 und ein weiteres Lager an dem als Lagerschild ausgebildeten Gehäusedeckel 22 angeordnet sein. Die Lagerung der Rotorwelle 6 ist vorzugsweise flüssigkeitsdicht ausgebildet.
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Die die Statoranordnung 3 und den Rotor 5 umfassende elektrische Maschine 1 ist als elektronisch kommutierte elektrische Maschine ausgebildet und weist daher eine Statorwicklung 33 auf, die mehrere Statorspulen umfasst, die um jeweils einen oder mehrere Statorzähne 32 gewickelt sind. Die Statorzähne 32 stehen im Wesentlichen in radialer Richtung von einem zylinderförmigen Statorjoch 34 ab.
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Der Rotor 5 weist einen Rotorkörper 51 auf, in dem Permanentmagnete 52 zum Bereitstellen eines Erregermagnetfelds eingebettet sind. Auch andere Topologien von Rotoren 5 sind möglich. Beispielsweise können die Permanentmagnete 52 auf die Rotorpole aufgesetzt oder als Speichenmagnete angeordnet sein.
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Zwischen der Gehäusewand des Gehäusetopfes 21 des Gehäuses 2 und einer Außenfläche des Stators 3 sind Kühlmittelkanäle 8 vorgesehen, die einen Bereich im Innenraum 23 des Gehäuses 2 an einer ersten Stirnseite 35 des Stators 3 mit einem Bereich in dem Innenraum 23 des Gehäuses 2 an einer zweiten Stirnseite 36 des Stators 3 fluidisch verbinden. Die entsprechende Ausgestaltung des Statorkörpers 31 ist als Ausschnitt in der Querschnittsdarstellung der 2a dargestellt. Wie in 2b gezeigt, können alternativ die Kühlmittelkanäle 8 auch in den Statorkörper 31 integriert sein und den Statorkörper 31 von der ersten Stirnseite 35 zur zweiten Stirnseite 36 durchdringen. Bei einer Ausbildung des Statorkörpers 31 aus gestapelten Blechlamellen kann der entsprechende Blechschnitt die aus den 2a und 2b entnehmbaren Positionen der Nuten oder Ausnehmungen zum Ausbilden der Kühlmittelkanäle 8 aufweisen.
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Es ist nun vorgesehen, ein flüssiges Kühlmittel, wie beispielsweise Öl oder ein wasserbasiertes Kühlmittel, durch die Kühlmittelkanäle 8 strömen zu lassen, so dass dort ausreichend Betriebswärme von dem Statorkörper 31 an das durchströmende Kühlmittel abgegeben werden kann.
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Da die Kühlmittelkanäle 8 an den Stirnseiten 35, 36 des Statorkörpers 31 geöffnet sind, ist es notwendig, eine Kühlmittelführung vorzusehen, um zumindest einen für die beabsichtigte Kühlung signifikanten Anteil des Kühlmittels durch die Kühlmittelkanäle 8 zu leiten. Dazu ist im Bereich der ersten Stirnseite 35 des Stators 3 ein Verteilerbereich 9 vorgesehen, der an die Anordnung der Öffnungen der Kühlmittelkanäle 8 angepasst ist. Der Verteilerbereich 9 stellt ein Volumen für die Kühlflüssigkeit dar, das mit den Öffnungen der Kühlmittelkanäle 8 im Bereich der ersten Stirnseite 35 des Stators 3 in Verbindung steht.
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Das Volumen des Verteilerbereichs 9 wird durch die erste Stirnseite 35 des Statorkörpers 31, einen Abschnitt der Innenwand des Gehäusetopfes 21 sowie einen Abschnitt des Gehäusedeckels 22 gebildet, so dass das Volumen im Wesentlichen ringförmig in dem Gehäuse 2 verteilt ist.
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Weiterhin ist ein Trennelement 10 vorgesehen, das das Volumen des Verteilerbereichs 9 von dem Volumen des übrigen Innenraums 23 des Gehäuses 2 abtrennt.
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Das Trennelement 10 ist im Wesentlichen zylinderförmig und erstreckt sich zwischen der Innenfläche des Gehäusedeckels 22 und der ersten Stirnseite 35 des Stators 3.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Trennelement 10 das Volumen des Verteilerbereichs 9 von dem übrigen Innenraum 23 vollständig abdichten. Insbesondere kann das Trennelement 10 auch einstückig mit dem Gehäusedeckel 22 bzw. dem Gehäuse 2 ausgebildet sein.
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Zwischen der ersten Stirnseite 35 des Stators 3 und dem Trennelement 10 kann eine Dichtung (nicht gezeigt) vorgesehen sein, die ein Austreten des flüssigen Kühlmittels in den übrigen Innenraum 23 des Gehäuses 2 aus dem Volumen des Verteilerbereichs 9 verhindert.
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Wie in 3 gezeigt, kann in einer alternativen Ausführungsform ein Wickelkopf der Statorwicklung 33 an der ersten Stirnseite 35 des Stators 3 auch mit einer Vergussstruktur 16 vergossen werden, so dass der Wickelkopfverguss die Trennung des Verteilerbereichs 9 von dem Innenraum 23 des Gehäuses 2 ausbildet
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Der Gehäusedeckel 22 kann mit einer Kühlmittelzuführöffnung 24 versehen sein, die in das Volumen der Verteilerbereichs 9 mündet, um Kühlmittel zuzuführen. Das dort zugeführte Kühlmittel verteilt sich dann in Umfangsrichtung und strömt durch die Kühlmittelkanäle 8 in Richtung der zweiten Stirnseite 36. Während des Strömens des Kühlmittels durch die Kühlmittelkanäle 8 kann dieses Betriebswärme aus dem Statorkörper 31 aufnehmen.
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Im Bereich der zweiten Stirnseite 36 des Stators 3 tritt das Kühlmittel aus den entsprechenden Öffnungen der Kühlmittelkanäle 8 aus und kann dann über den Wickelkopf an der zweiten Stirnseite 36 des Stators 3 fließen. An einer Unterseite bzw. an einem unteren Abschnitt des Gehäuses 2 kann eine Kühlmittelauslassöffnung 25 vorgesehen sein, durch die das sich unten im Gehäuse 2 sammelnde Kühlmittel abfließen bzw. abgepumpt werden kann.
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Gegebenenfalls können mehrere Kühlmittelauslassöffnungen 25 vorgesehen sein, insbesondere können diese an axialen Positionen im Bereich der ersten und der zweiten Stirnseite der elektrischen Maschine 1 vorgesehen sein. Die Anordnung der Kühlmittelauslassöffnungen 25 kann beispielsweise davon abhängig gemacht werden, an welchen Stellen innerhalb der elektrischen Maschine das Kühlmittel in den Innenraum gelangt (z.B. durch Spalte, Öffnungen oder freies Ausströmen).
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In einer weiteren elektrischen Maschine 1, die in 4 dargestellt ist, ist ein weiteres Trennelement 12 vorgesehen, das die Öffnungen der Kühlmittelkanäle 8 an der zweiten Stirnseite 36 von dem Innenraum 23 des Gehäuses 2 im Wesentlichen trennt. Das weitere Trennelement 12 bildet ein in Umfangsrichtung umlaufendes ringförmiges Volumen eines Sammelbereichs 13, in dem das erwärmte Kühlmittel gesammelt und über die Kühlmittelauslassöffnung 25 abgeführt wird. Das weitere Trennelement 12 kann separat oder einstückig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet sein.
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5 zeigt eine weitere elektrische Maschine 1, bei der das Trennelement 10 mit in Umfangsrichtung verteilten durchgängigen Auslassöffnungen 14 zum Innenraum 23 versehen ist, die einen Teil des eingebrachten Kühlmittels in den Innenraum 23 auslassen. Dadurch kann das Kühlmittel aus dem Volumen des Verteilerbereichs 9 über die Wickelköpfe der Statorwicklung 33 an der ersten Stirnseite 35 des Stators 3 strömen und dort eine zusätzliche Kühlung bewirken.
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Anstelle der zusätzlichen Auslassöffnungen 14 in dem Trennelement 10 können die Spaltmaße des Trennelements 10 so vorgesehen werden, dass eine gezielte Leckageströmung für das Kühlmittel über den Wickelkopf der Statorwicklung 33 an der ersten Stirnseite 35 erreicht wird. Es bildet sich dabei ein Leckagespalt zwischen dem dem Statorkörper 3 zugewandten Ende des Trennelements 10 und der ersten Stirnseite 35 des Statorkörpers 3. Die Leckagespalte werden sinnvollerweise nur in einem Winkelbereich an der oberen Seite der elektrischen Maschine 1 (feste Einbaulage vorausgesetzt) vorgesehen, z.B. zwischen +/–10° bis +/–70 °ausgehend von einer radial nach oben gerichteten Richtung, da das Kühlmittel (bei geringem Druck) ansonsten bereits in einem unteren Bereich des Leckagespaltes vollständig in den Innenraum 23 ausströmen würde.
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Das Vorsehen des weiteren Trennelements 12 sowie die Auslassöffnungen 14 des Trennelements 10 im Bereich des Wickelkopfes der Statorwicklung 33 auf der ersten Stirnseite 35 können auch kombiniert werden.
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Im Falle des Vorsehens der weiteren Trennelemente 12 zum Ausbilden des Sammelbereichs 13 kann das Vorsehen von entsprechenden weiteren Auslassöffnungen oder entsprechenden weiteren Leckagespalte zwischen dem dem Statorkörper 3 zugewandten Ende des weiteren Trennelements 12 und der zweiten Stirnseite 35 des Statorkörpers 3 zur Wickelkopfüberströmung sinnvoll sein.
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Wenn kein Sammelbereich 13 auf der zweiten Stirnseite 36 der elektrischen Maschine 1 vorgesehen ist, wird das Kühlmittel auf den Wickelkopf auf der zweiten Stirnseite ausströmen. Dann muss beachtet werden, dass infolge der Schwerkraft im Verteilerbereich 9 auf der ersten Stirnseite 35 im unteren Bereich ein höherer Druck anliegt, als im oberen Bereich. Das kann dazu führen, dass bei ungünstiger Auslegung das Kühlmittel die oben gelegene Kühlmittelkanäle 8 nicht erreicht sondern vollständig durch die unteren Kühlmittelkanäle 8 abströmt. Daher müssen die Kühlmittelkanäle 8 so ausgelegt werden, dass der Druckabfall in den Kühlmittelkanälen 8 im Auslegungspunkt ausreichend hoch ist, damit sich das Kühlmittel im Verteilerbereich 9 über die gesamte Höhe aufstauen kann und im oberen Bereich das Kühlmittel auch noch mit einem ausreichenden Druck vorliegt, der die Strömung in den oberen Kühlmittelkanälen 8 bewirken kann. Das kann auch durch Drosseln an den Kühlmittelkanälen 8 erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist es dann, die unteren Kühlmittelkanäle 8 stärker anzudrosseln, bzw. auf einen höheren Druckabfall auszulegen, um eine gleichmäßige Verteilung der Strömung in den in Umfangsrichtung angeordneten, axial verlaufenden Kühlmittelkanälen 8 zu erreichen.
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Die obigen elektrischen Maschinen 1 ermöglichen bei flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschinen eine effiziente und platzsparende Mantelkühlung und damit eine erhöhte Dauerleistungsdichte. Die Anordnung der Kühlmittelkanäle 8 direkt auf den Blechlamellen des Statorkörpers 31 bewirkt eine Verkürzung des internen Wegs im Vergleich zu einem Kühlmittelkanal 8 in dem Gehäuse 2, bei dem zusätzliche Kontaktwiderstände vorhanden sind. Darüber hinaus bieten insbesondere die Ausführungsformen der 1 und 4 Möglichkeiten, die Wickelköpfe an der ersten und/oder zweiten Stirnseite 35, 36 des Stators 3 zu kühlen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0074739 A1 [0005]
- DE 10361864 A1 [0006]
