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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Elektromaschinen für den Antrieb von Kraftfahrzeugen. Insbesondere betrifft die Erfindung Axialflussmaschinen mit einem Stator sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen elektrischen Maschine.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische Maschinen sind häufig als sogenannte Axialflussmaschinen ausgeführt. Dabei erfolgt ein Magnetfluss in radialer Richtung des Stators, wobei beispielsweise Nuten für die Aufnahme einer Wicklung ebenfalls radial von einer Mittelachse des Stators verlaufen. Statoren solcher elektrischen Maschinen können beispielsweise aus SMC (Soft Magnetic Composite) hergestellt sein. Zunehmend werden aber auch Varianten von Statoren eingesetzt, die als gewickeltes Blechpaket ausgeführt sind. Dabei wird ein Blechstreifen, der vorher in flachem Zustand mit genau positionierten Durchbrüchen oder Ausnehmungen versehen ist, spiralförmig aufgewickelt und durch passgenaue Überlagerung der Durchbrüche bzw. Ausnehmungen entsteht die letztendliche räumliche Form des Stators mit den Nuten. So kann ein Blechpaket eines solchen Stators beispielsweise 50 bis 100 Lagen gewickelten Blechs aufweisen. Die Durchbrüche bzw. Ausnehmungen können dabei beispielsweise durch bekannte Verfahren wie Rollschneiden oder Stanzverfahren erzeugt werden, wobei Technologien genutzt werden, die die variierenden Abstände auf einem Blechstreifen hinsichtlich der Durchbrüche und Ausnehmungen so genau positionieren und berechnen, dass eine exakte Überlagerung unter Berücksichtigung der variierenden Umfänge der Blechlagen erreicht werden kann. Im Hinblick auf steigende Anforderungen an elektrische Maschinen, insbesondere eine Leistungsdichte, ein Materialeinsatz und Kosten, werden weitere Möglichkeiten der Optimierung angestrebt. Durch den Aufbau und das Material des Stators kann es zu einer Erwärmung des Stators durch elektrische Verluste kommen. Daher kann eine effektive Kühlung von Statoren im Hinblick auf diese steigenden Anforderungen an elektrische Maschinen von zunehmender Bedeutung sein.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ausführungsformen der Erfindung können vorteilhaft eine Kühlung des Stators einer elektrischen Maschine verbessern, was eine Erhöhung der Leistung der elektrischen Maschine bewirken kann. Weiterhin können durch Ausführungsformen der Erfindung Kosten zur Herstellung eines solchen Stators gesenkt werden. Der weiter unten beschriebenen Erfindung liegen unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde. Um die durch elektrische Verluste erzeugte Wärme im Stator abzuführen, wurde bisher beispielsweise eine Kühlplatte auf der nicht genuteten Seite angebracht. Eine solche Kühlplatte ist unter guter Wärmekopplung mit dem Stator verbunden und kann Kühlkanäle zum Durchströmen mit einem Kühlmedium aufweisen. Zum Anbringen der Kühlplatte sind in der Regel zusätzliche Arbeitsschritte notwendig, die zum Erreichen einer guten Wärmekopplung zwischen Stator und Kühlplatte mit großer Sorgfalt ausgeführt werden müssen und somit hinsichtlich Kosten, Zeit und Material einen zusätzlichen Aufwand erfordern.
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Es wird daher eine elektrische Maschine vorgeschlagen, insbesondere eine elektrische Axialflussmaschine, die einen Stator aufweist, der hohlzylindrisch ausgestaltet ist und an einer Stirnseite in radialer Richtung des Stators verlaufende Nute zur Aufnahme einer Wicklung aufweist. Weiterhin weist der Stator in radialer Richtung übereinander angeordnete Lagen eines spiralförmig verlaufenden bandförmigen Blechs auf. Die elektrische Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stator in seinem Inneren einen kanalartigen Hohlraum zum Führen von Kühlfluid zur Kühlung des Stators aufweist. Mit anderen Worten ist ein Kühlkanal nunmehr direkt im Stator angeordnet und kann somit eine separate Kühlplatte oder Kühlvorrichtung überflüssig machen. Hierdurch können zusätzliche Arbeitsschritte und ein zusätzlicher Materialaufwand zur Herstellung eines solchen Stators verringert werden. Der Stator einer solchen elektrischen Maschine kann als aufgewickeltes Blechpaket verstanden werden, wobei sich die Form des Stators, insbesondere eine Form, innerer Aufbau und Struktur durch eine Überlagerung von mehreren Lagen des bandförmigen Blechs ergeben. Dabei sind die Nuten am Stator der elektrischen Axialflussmaschine so angeordnet, dass ein Magnetfluss in radialer Richtung des Stators ergibt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist das bandförmige Blech Öffnungen auf, die sich in benachbart angeordneten Lagen des Blechs zumindest bereichsweise überlagern. Durch das Einbringen von Öffnungen und eine Überlagerung dieser Öffnungen durch einen Wickelvorgang können bestimmte räumliche Strukturen im Stator geschaffen werden. Hierbei kommt es darauf an, dass die Öffnungen im bandförmigen Blech in Längs- und Querrichtung des Blechs so angeordnet sind, dass sie unter Berücksichtigung der sich verändernden Umfänge der einzelnen Lagen eine gewünschte Struktur und Form sowie Lage des Hohlraumes erzeugen. Somit kann die gleiche Technologie, die zur Erzeugung einer äußeren Form und Struktur des Stators bereits genutzt wird, gleichzeitig für die Erzeugung des Hohlraumes für eine Kühlung des Stators mitgenutzt werden. Dies kann einen Aufwand und Kosten zur Herstellung eine solchen Stators verringern.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Öffnungen zweier benachbarter Lagen des Blechs in Umfangsrichtung des Stators gegeneinander versetzt angeordnet sind. Durch diese versetzte Anordnung kann der Hohlraum in seiner Lage innerhalb einer Umfangsrichtung des Stators verändert werden. Somit kann sich ein entstehender Hohlraum nicht nur in radialer Richtung des Stators durch vollständige Überlagerung von Öffnungen erstrecken, sondern sich auch, zumindest teilweise, in Umfangsrichtung des Stators erstrecken.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist in einer Lage ein Abstand zwischen zwei Öffnungen in Umfangsrichtung des Stators kleiner als eine Länge einer Öffnung in Umfangsrichtung des Stators in einer benachbarten Lage, so dass die sich überlagernden Öffnungen der beiden Lagen zumindest einen Teil des Hohlraumes bilden. Mit anderen Worten erstreckt sich ein Hohlraum von der Öffnung in einer ersten Lage hin zu einer Öffnung in einer zweiten benachbarten Lage hin zu wiederum der zweiten Öffnung in einer ersten Lage. Durch diese Anordnung der Öffnungen kann ein zusammenhängender Hohlraum über mehrere Lagen des Blechs erzeugt werden, der sich beispielsweise über einen Teilumfang des Stators erstreckt. In einem Beispiel können in einem Stator auch mehrere, voneinander dichtend getrennte, Hohlräume auf diese Art und Weise erzeugt werden. Unter einer Öffnung ist beispielsweise ein Loch, ein Durchbruch oder eine ähnliche im Umfang geschlossene Ausnehmung zu verstehen. Dabei ist die Öffnung in dem bandförmigen Blech in Richtung einer Breite des bandförmigen Bleches so angeordnet, dass sich bei einem Wickelvorgang bzw. Aufwickeln des bandförmigen Blechs eine Überlagerung ergeben kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Hohlraum an seiner relativ zum Stator radial inneren Seite und/oder an seiner relativ zum Stator radial äußeren Seite dichtend von einer Lage des Blechs umgeben. Mit anderen Worten können eine erste und/oder eine letzte Lage des Blechs keine Öffnungen aufweisen. Hierdurch kann der kanalartige Hohlraum nach außen dichtend abgeschlossen werden. Hierdurch ist ein Austritt von Kühlfluid außerhalb des Stators verhindert.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind am Stator Anschlüsse zum Einleiten und Ausleiten von Kühlfluid vorgesehen. Dies können beispielsweise Anschlussschläuche, Anschlussstutzen bzw. jegliche Art von Einleit- bzw. Ausleitvorrichtungen sein, die es erlauben, Kühlfluid von außen in den Stator hinein- und auch wieder herauszuleiten. In einem Beispiel können an einem Stator mehrere solcher Anschlüsse vorgesehen sein, um eine noch effektivere Kühlung durch mehrere separat durchströmte Hohlräume zu erreichen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Hohlraum eine Vergussmasse auf, die ausgestaltet und derart am Blech und/oder zwischen den Lagen angeordnet ist, dass das Kühlfluid außerhalb eines Zwischenraumes zwischen zwei benachbarten Lagen geführt ist. Durch den gewickelten Aufbau des Stators können sich Spalte zwischen den einzelnen Lagen des bandförmigen Blechs ergeben, in die Kühlfluid eindringen kann und so nachteilige Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften sowie Wärmeleiteigenschaften haben kann. Um eine Dichtheit des Hohlraumes zu erreichen, werden diese Spalte mit einer Vergussmasse abgedichtet und so vorhandene Spalte oder Zwischenräume zwischen benachbarten Lagen dichtend ausgefüllt.
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Es wird weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine mit einem Stator vorgeschlagen, wobei der Stator in radialer Richtung übereinander angeordnete Lagen eines spiralförmig verlaufenden bandförmigen Blechs aufweist und in seinem Inneren einen kanalartigen Hohlraum zum Führen von Kühlfluid zur Kühlung des Stators aufweist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines bandförmigen Bleches, Herstellen von Öffnungen im Blech, spiralförmiges Aufrollen des bandförmigen Bleches in Längsrichtung des Bleches, wodurch sich in radialer Richtung des Stators übereinander angeordnete Lagen des Bleches ergeben. Dabei sind eine Länge der Öffnungen in Längsrichtung des bandförmigen Bleches und ein Abstand zwischen den Öffnungen in Längsrichtung des Bleches so gewählt, dass in aufgerolltem Zustand des Bleches durch Überlagerung der Öffnungen von benachbarten Lagen des Bleches der kanalartige Hohlraum im Stator gebildet wird. Ein Vorteil dieses Verfahrens kann darin gesehen werden, dass für das Herstellen von Öffnungen im Blech das gleiche Werkzeug genutzt werden kann, das bereits für die Erzeugung einer Struktur und Form des bandförmigen Bleches hinsichtlich einer äußeren Form des Stators verwendet wird. Die Öffnungen im Blech können also im gleichen Prozessschritt mit der gleichen Herstellungstechnologie erzeugt werden, ohne dass es eines separaten Arbeitsschrittes bedarf. Ein weiterer Vorteil der Anordnung des Hohlraums im Stator selbst ist eine verbesserte Wärmekopplung zwischen dem Kühlfluid und dem Stator. In einem Beispiel können mehrere Kanäle, die gegeneinander getrennt im Stator erzeugt werden, vorgesehen sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren nach dem Schritt des Aufrollens des bandförmigen Blechs die Schritte auf: Einfüllen von verflüssigter Vergussmasse in den Hohlraum, so dass sich die Vergussmasse im Hohlraum am Blech und/oder in Zwischenräumen zwischen benachbarten Lagen anordnet und wobei die verflüssigte Vergussmasse aushärtbar ist. Weiterhin erfolgt danach ein Entfernen von verflüssigter Vergussmasse aus dem Hohlraum, wobei ein Teil der Vergussmasse im Hohlraum verbleibt. Danach erfolgt ein Aushärten der Vergussmasse, so dass die Vergussmasse die Zwischenräume zwischen benachbarten Lagen dichtend verschließt. Dies bedeutet, dass vor dem Aushärten der Vergussmasse der Kanal wieder geleert wird und nur die in den Zwischenräumen oder Spalten befindliche Masse zurückbleibt und aushärten kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt vor dem Schritt des Herstellens der Öffnungen weiterhin der Schritt des Berechnens einer Position und einer Form der Öffnungen im bandförmigen Blech in Abhängigkeit der Form und Position des Hohlraumes im Stator. Diese Information einer Position und einer Form der Öffnungen kann beispielsweise einer Stanzmaschine oder Rollschneidemaschine zum Erbringen der positionsgerechten Öffnungen zur Verfügung gestellt werden. Eine Technologie zur Berechnung der erforderlichen Position und Formen der Öffnungen kann sich den Prinzipien der Berechnung bedienen, die bereits zur Herstellung einer äußeren Form des Stators benutzt wird.
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Es ist zu verstehen, dass Merkmale der elektrischen Maschine, so wie obenstehend und untenstehend beschrieben, auch Merkmale des Verfahrens zur Herstellung der elektrischen Maschine sein können und umgekehrt.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Weder die Beschreibung noch die Figuren sollen als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden.
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1 zeigt einen Stator einer Axialflussmaschine mit radial angeordneten Nuten.
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2 zeigt einen Abschnitt eines bandförmigen Bleches eines Stators einer elektrischen Maschine gemäß der Erfindung.
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3A zeigt zwei gegeneinander versetzte bandförmige Blechabschnitte mit Öffnungen gemäß der Erfindung.
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3B zeigt in axialer Schnittdarstellung einen Teilbereich eines Stators einer elektrischen Maschine gemäß der Erfindung.
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3C zeigt in axialer Schnittdarstellung einen vergrößerten Ausschnitt des Teilbereiches des Stators aus 3B einer elektrischen Maschine.
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4A zeigt zwei bandförmige Blechabschnitte mit gegeneinander versetzten Öffnungen zur Erzeugung getrennter kanalartiger Hohlräume in einem Stator einer elektrischen Maschine gemäß der Erfindung.
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4B zeigt in axialer Schnittdarstellung einen Teilbereich eines Stators einer elektrischen Maschine gemäß der Erfindung mit zwei voneinander getrennten kanalartigen Hohlräumen.
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5 zeigt in radialer Schnittdarstellung einen Teilbereich eines Stators einer elektrischen Maschine gemäß der Erfindung. mit Strömungssteuerungselementen.
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Die Zeichnungen sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt einen Stator 10, der eine hohlzylindrische Form aufweist. An der in der vorliegenden Figur nach oben gerichteten Stirnseite weist der Stator 10 Nuten 12 auf, die radial von einer Mittelachse des Stators 10 weg verlaufen. Die Nuten 12 weisen zur mechanischen Stabilisierung einer Wicklung (hier nicht dargestellt) an ihrer Oberseite eine Verengung 14 auf. Hierdurch kann ein Herausbewegen der Wicklung verhindert werden. Der Stator 10 weist außerhalb des Bereiches für die Nuten 12 einen umlaufenden Bereich 16 auf, der als Trägerstruktur oder Grundplatte ausgelegt sein kann. Der Stator 10 ist in radialer Richtung aus übereinander angeordneten Lagen eines spiralförmig aufgewickelten bandförmigen Blechs gefertigt. Beispielsweise kann ein solcher Stator 10 etwa 50 bis 100 Lagen des Blechs aufweisen. Die hier dargestellten Nuten 12 entstehen durch passgenaue Überlagerung von Ausnehmungen im bandförmigen Blech. Zum Kühlen des Stators kann beispielsweise gemäß dem Stand der Technik eine hier nicht dargestellte zusätzliche Kühlplatte des umlaufenden Bereiches 16 des Stators 10 angebracht werden. Diese Kühlplatte würde hierdurch bei entsprechender guter Wärmekopplung den Stator 10 kühlen.
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In 2 ist eine grundsätzliche Kontur eines bandförmigen Bleches 18 gezeigt. Dieses Blech 18 wird zur Herstellung des Stators 10 spiralförmig aufgewickelt, so dass sich Öffnungen 20 in benachbarten Lagen des Stators überlagern. Durch die Überlagerung ist ein Hohlraum 22 (siehe 3B) im Stator 10 gebildet. In einem Beispiel überlagern sich die Öffnungen 20 nur bereichsweise. Bedingt durch die in radialer Richtung des Stators 10 zunehmenden Umfänge der einzelnen Blechlagen müssen sich folglich auch die Abstände der Öffnungen sowie die Ausnehmungen für die späteren Nuten 12 entsprechend verändern. In der hier dargestellten Figur ist im Sinne der Einfachheit eine konstante Teilung dargestellt. Die Öffnungen 20 sind in einem umlaufenden Bereich 16 angeordnet. Dabei weisen die jeweils benachbarten Öffnungen voneinander einen Abstand A sowie jede Öffnung eine Länge L auf. Es sind Verfahren bekannt, wonach die Abstände A und die jeweiligen Längen L so bestimmt sind, dass eine gewünschte Form eines kanalartigen Hohlraumes 22 (siehe 3B) im umlaufenden Bereich 16 im gewickelten Stator 10 entsteht.
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In 3A sind zwei Abschnitte eines bandförmigen Bleches 18 gezeigt, die im gewickelten Stator 10 benachbart angeordnet sind. Hierbei werden die Blechabschnitte 18 mit ihren jeweiligen Öffnungen 20 durch Wickeln übereinandergelegt. Zur Vereinfachung der Figuren sind hier lediglich die jeweils umlaufenden Bereiche 16 ohne den Bereich für die Nuten 12 dargestellt. Im hier gezeigten Beispiel sind die Öffnungen 20 gegeneinander verschoben, so dass die sich überlagernden Öffnungen 20 der beiden Lagen zumindest einen Teil eines Hohlraumes 22 (siehe 3B) bilden. Hierbei muss ein Abstand A zwischen zwei Öffnungen 20 in Umfangsrichtung des Stators kleiner sein als eine Länge L einer Öffnung in Umfangsrichtung des Stators in der benachbarten Lage. Hierdurch ergibt sich die in 3B in axialer Schnittdarstellung dargestellte Struktur des umlaufenden Bereiches 16. Durch die Überlagerung der versetzt gegeneinander angeordneten Lagen des bandförmigen Bleches 18 entsteht der Hohlraum 22, der zum Durchleiten bzw. zum Führen von Kühlfluid zur Kühlung des umlaufenden Bereiches 16 des Stators 10 genutzt werden kann. Als Kühlfluid kommen alle flüssigen oder gasförmigen Medien, die eine geeignete Viskosität und Wärmekapazität sowie Strömungseigenschaften haben, beispielsweise Kühlflüssigkeiten, Öl, Wasser, Luftgemische und Ähnliches. Auf der in 3B dargestellten oberen bzw. unteren Seite des umlaufenden Bereiches 16 befindet sich jeweils eine dichtende Lage 24, die den Hohlraum an seiner relativ zum Stator radial inneren Seite und an seiner relativ zum Stator radial äußeren Seite dichtend umgibt. In 3C ist in axialer Schnittdarstellung ein Teilbereich des umlaufenden Bereiches 16 des Stators 10 vergrößert dargestellt. Hier ist zu erkennen, dass die gegeneinander versetzten Öffnungen 20 durch Überlagerung der verschiedenen Lagen des bandförmigen Bleches 18 einen Hohlraum 22 ausbilden. Ein Kühlfluid 26 kann in den Hohlraum 22 eingeleitet bzw. durchgeleitet werden. Durch den Aufbau kann vorteilhaft eine Oberfläche für den Wärmeaustausch vergrößert werden, was eine effektivere Kühlung des Stators 10 ermöglichen kann. Im hier dargestellten Beispiel ergibt sich eine große Oberfläche für den Wärmeaustausch, aber ein kleiner Strömungsquerschnitt für das Kühlfluid 26. Eine Ausgestaltung der Struktur des Hohlraumes kann abhängig sein von einer Viskosität und Wärmekapazität des Kühlfluids 26. Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit kann eine Variation eines Abstandes A zwischen zwei Öffnungen 20 und der Variation einer Länge L einer Öffnung 20 sein. Hierdurch können eine Vielzahl von Ausgestaltungen der Hohlräume 22 im aufgewickelten bandförmigen Blech 18 erreicht werden.
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In 4A ist ein weiteres Beispiel zweier benachbart angeordneter Abschnitte bandförmigen Bleches 18 in einem Stator 10 einer elektrischen Maschine gemäß der Erfindung gezeigt. In dieser Ausgestaltung können mehrere Hohlräume 22 erzeugt werden, die dichtend voneinander getrennt durchströmt werden. Dies kann, wie im hier gezeigten Beispiel, durch Abschnitte im bandförmigen Blech 18 erfolgen, die durchgängig ohne Öffnungen 20 ausgestaltet sind und so, wie in 4B gezeigt, dichtende Lagen ohne Hohlraum 22 erzeugen. Eine weitere Besonderheit der in 4B dargestellten Form des Hohlraumes liegt darin, dass mehrere Lagen des bandförmigen Bleches 18 sich mit ihren Öffnungen 20 passgenau überlagern und dann insgesamt gegen eine oder mehrere der folgenden Lagen des bandförmigen Bleches 18 versetzt sind. Auf diese Weise kann ein zusammenhängender Bereich des Hohlraumes 22 vergrößert werden.
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In 5 ist in radialer Schnittdarstellung beispielhaft ein Teilbereich eines umlaufenden Bereiches 16 eines Stators 10 einer elektrischen Maschine gemäß der Erfindung mit zwei Lagen eines bandförmigen Bleches 18 gezeigt. In einen Hohlraum 22 wird ein Kühlfluid 26 eingeleitet bzw. ausgeleitet. Durch ein Strömungssteuerungselement 28, das im hier gezeigten Beispiel in einer radial außen liegenden Lage des bandförmigen Bleches 18 angeordnet ist, kann das Kühlfluid 26 in einer definierten Richtung in den Hohlraum 22 eingeleitet werden und, wie hier dargestellt, nach Durchströmen des umlaufenden Bereiches 16 an einem getrennten Bereich des Strömungssteuerungselementes 28 wieder ausgeleitet werden. In einem Beispiel ist das Strömungssteuerungselement 28 ausgestaltet, Anschlussschläuche oder Anschlussrohre für das Zu- und Abführen von Kühlfluid 26 anzuschließen. Das Zuführen und Abführen des Kühlfluids 26 kann sowohl in radialer Richtung des Stators 10 erfolgen, aber auch an einer axialen Seite des Stators 10.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
