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Die Erfindung betrifft Technologien zur Kühlung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines elektrischen Motors bzw. Generators.
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Antriebseinrichtungen, insbesondere Hybrid-Antriebseinrichtungen, werden eingesetzt, um Kraftfahrzeuge anzutreiben, wobei Hybrid-Antriebseinrichtungen typischerweise eine Verbrennungskraftmaschine und eine elektrische Maschine aufweisen. Die dabei als Motor und Generator fungierende elektrische Maschine weist eine Welle mit einem an der Welle angeordneten Rotor und einen Stator auf. Der Stator und der Rotor sind innerhalb eines Gehäuses der elektrischen Maschine angeordnet.
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In der elektrischen Maschine, insbesondere in dessen Stator und/oder Rotor, entsteht Abwärme, sodass eine Kühlung der elektrischen Maschine erforderlich ist. Typischerweise ist dazu in das Gehäuse ein Kühlkanal zum Durchleiten eines Kühlfluids, zum Beispiel flüssiges Kühlmittel oder Luft, zur Kühlung der elektrischen Maschine eingearbeitet. Nach einem Einleiten des Kühlfluids in den Kühlkanal nimmt das Kühlfluid Wärme auf.
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Es ist bekannt, ein Gehäuse einer elektrischen Maschine, in welches ein Kühlkanal integriert ist, einteilig im Kokillengussverfahren herzustellen oder zweiteilig mit einem Innengehäuse und einem Außengehäuse herzustellen. Bei dem letztgenannten Verfahren wird das Innengehäuse in das Außengehäuse eingeschoben und dadurch das Gehäuse mit dem Kühlkanal hergestellt.
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Bei der Herstellung der elektrischen Maschine ist es im Allgemeinen erwünscht, dass die elektrische Maschine wenig Bauraum benötigt. Hierzu ist es förderlich, dass ein Außendurchmesser beziehungsweise ein Umfang des Gehäuses – bei einer einteiligen Ausführung und bei einer zweiteiligen Ausführung – möglichst klein ist. Dadurch kann Bauraum eingespart und darüber hinaus Material zur Herstellung des Gehäuses bzw. der elektrischen Maschine verringert werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Technologien zur Kühlung einer elektrischen Maschine bereitzustellen, mittels derer eine bauraumoptimierte sowie kostengünstige Kühlung einer elektrischen Maschine, insbesondere derer Wickelköpfe, ermöglicht wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der Zeichnung.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Einbauteil für ein Gehäuse einer elektrische Maschine bereitgestellt. Das Einbauteil ist derart gestaltet, dass es im in dem Gehäuse eingebauten Zustand gemeinsam mit dem Gehäuse einen Abschnitt eines Kühlkanals ausbildet.
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Durch den Kühlkanal ist es möglich, Wärme aus den Aktivteilen der elektrischen Maschine partiell und punktuell abzuführen. Insbesondere können sogenannte Hotspots der elektrischen Maschinen partiell und zielgerichtet gekühlt werden.
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Bevorzugt befindet sich der Abschnitt des Kühlkanals im Bereich eines Wickelkopfs der elektrischen Maschine. Somit ist es besonders vorteilhaft möglich, Verlustwärme, die im Bereich des Wickelkopfes als besonderen Hotspot erzeugt wird, wirkungsvoll abzuführen.
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Bei dem Einbauteil kann es sich vorzugsweise um ein tiefgezogenes Blechbauteil handeln. Somit können das Einbauteil bzw. die Kühlkanalabdeckung mit einer geringen Dicke aus einem Metallblech, insbesondere aus Stahl oder Aluminium, durch Tiefziehen hergestellt werden. Die Dicke des Einbauteils kann insbesondere zwischen 1 mm und 3 mm liegen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Gehäuse für eine elektrische Maschine bereitgestellt, insbesondere ein Außengehäuse mit einer Innenkontur, wobei das Gehäuse gemeinsam mit einem Einbauteil gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wenigstens einen Abschnitt eines Kühlkanals ausbildet. Der Kühlkanalabschnitt wird besonders bevorzugt zwischen der Innenkontur des Gehäuses und dem Einbauteil ausgebildet. Durch eine Montage des Einbauteils in dem Gehäuse, insbesondere in dem Außengehäuse, kann wenigstens ein Kühlkanal Medien-dicht gegenüber der Umwelt ausgebildet werden. Ein entlang der Innenkontur des Außengehäuses entstehender Kühlkanal ermöglicht einen besonders kleinen Bauraum für das Gehäuse der elektrischen Maschine, wodurch die elektrische Maschine bzw. deren Gehäuse sehr preiswert im Vergleich zu dem Stand der Technik (insbesondere Kokillengussgehäuse oder zweiteiliges Gehäuse) hergestellt werden kann. Das Gehäuse kann insbesondere in einem Aluminium-Druckgussverfahren hergestellt sein.
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Insbesondere kann die elektrische Maschine eine Einlassöffnung, insbesondere als Einlassstutzen ausgebildet, zum Einleiten eines Kühlfluids in den wenigstens einen Kühlkanalabschnitt umfassen. Ebenfalls kann die elektrische Maschine eine Auslassöffnung, insbesondere als aus Auslassstutzen ausgebildet, zum Ausleiten des Kühlfluids aus dem wenigstens einen Kühlkanalabschnitt aufweisen.
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Der durch das Einbauteil und das Gehäuse gebildete Kühlkanalabschnitt kann ferner insbesondere einen radialen Kühlkanalabschnitt eines Kühlsystems innerhalb der elektrischen Maschine ausbilden. Der radiale Kühlkanalabschnitt ermöglicht eine umlaufende Kühlung insbesondere im Bereich des Wickelkopfs des Stators der elektrischen Maschine. Dabei können zur besseren Wärmeleitung beispielsweise Gap-Filler zum Einsatz kommen. Weiterhin kann eine indirekte Kühlung, z.B. durch turbulente Luftzirkulation genutzt werden, welche durch eine Drehung eines Rotors der elektrischen Maschine erzeugt werden kann. Der radiale Kühlkanalabschnitt kann ferner mit einer axialen Bohrung innerhalb des Gehäuses zur Verteilung von Kühlmittel verbunden sein.
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Der durch die Einbauteile und das Gehäuse gebildete Kühlkanalabschnitt basiert auf einer besonders einfachen Konstruktion von Gehäuse und Einbauteil und garantiert eine optimale Kühlung insbesondere im Wickelkopfbereich der elektrischen Maschine, wodurch eine größere Leistungsausbeute erzielt werden kann.
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Bevorzugt weist das Gehäuse im Bereich des Kühlkanalabschnitts eine Vertiefung, eine Bohrung oder eine Innenkontur auf. Bei der Vertiefung bzw. Innenkontur kann es sich insbesondere um eine am Gehäuseumfang bzw. am Gehäuseinnenboden umlaufende kanalartige Vertiefung handeln, welche zur Ausbildung des wenigstens einen Kühlkanalabschnitts ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Dicke des Gehäuses im Bereich des Kühlkanalabschnitts größer als die Dicke des Einbauteils. Insbesondere kann die maximale Dicke des Gehäuses (vorzugsweise einschließlich der Stege zur Bildung des Kühlkanalabschnitts) größer sein, insbesondere um ein Vielfaches größer, als die Dicke des Einbauteils beziehungsweise der Kühlkanalabdeckung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorteilhaft vorgesehen, dass die axiale Ausdehnung des Einbauteils weniger als 30%, 20%, 10% oder 5 % der maximalen axialen Ausdehnung des Gehäuses beträgt.
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Vorteilhafter Weise können das Gehäuse und das Einbauteil beziehungsweise die Kühlkanalabdeckung stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Eine dazu notwendige stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch eine Klebeverbindung gewährleistet werden. Zur Unterstützung eines entsprechenden Klebeprozesses (Aushärtungsprozess) kann weiterhin eine Clip-Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Einbauteil bzw. der Kühlkanalabdeckung vorgesehen sein. Sofern das Einbauteil mittels eines Klebstoffs stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden ist, ist weiterhin vorgesehen, dass zwischen dem Einbauteil und dem Gehäuse Taschen oder Nuten für Klebstoff der Klebeverbindung ausgebildet werden.
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Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Einbauteil mittels eines Dichtrings fluiddicht in einem axialen Endbereich des Gehäuses an dem Gehäuse befestigt ist. Insbesondere kann das Einbauteil mittels eines O-Rings formschlüssig mit dem Gehäuse verbunden sein. In diesem Zusammenhang kann das Gehäuse gemäß einer weiteren Ausführungsform wenigstens eine Ringnut aufweisen, in welcher ein entsprechender Dichtring angeordnet ist.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, welche ein vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Gehäuse umfasst.
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Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine oder einer Antriebseinrichtung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Einbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und eines Gehäuses mit einer Innenkontur. Weiterhin erfolgt ein Befestigen des Einbauteils an bzw. in dem Gehäuse, so dass die Innenkontur des Gehäuses und das Einbauteil einen Abschnitt eines Kühlkanals der elektrischen Maschine ausbilden.
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Das Einbauteil und das Gehäuse können getrennt voneinander hergestellt und bereitgestellt werden. Bei dem Einbauteil kann es sich insbesondere um ein tiefgezogenes Blechbauteil handeln. Das Gehäuse kann insbesondere in einem Druckgussverfahren hergestellt werden. Die Innenkontur des Gehäuses kann insbesondere eine kanalartige Vertiefung zur Ausbildung des wenigstens einen Kühlkanalabschnitts umfassen. Ferner kann durch mechanische Bearbeitung, z.B. Bohren, innerhalb des Gehäuse wenigstens eine axiale Bohrung zum Transport und zur Verteilung von Kühlmittel erzeugt werden.
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Zu Beginn beziehungsweise vor der eigentlichen Montage von Gehäuse und Einbauteil kann außerdem bevorzugt ein Klebevorrat in dafür vorgesehene Taschen beziehungsweise Nuten eingeführt werden, welche sich zwischen dem Einbauteil und dem Gehäuse befinden können. Durch Einbau beziehungsweise Einführen des Einbauteils in das Gehäuse wird zwischen dem Gehäuse und dem Einbauteil wenigstens ein Kühlkanal ausgebildet, welcher insbesondere Medien-dicht ausgestaltet sein kann. Die Verbindung zwischen Einbauteil und Gehäuse ist bevorzugt stoffschlüssig. Zur Unterstützung des Prozesses eines Einklebens des Einbauteils in das Gehäuse kann eine Clipverbindung zwischen dem Gehäuse und dem Einbauteil vorgesehen sein.
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Dadurch, dass der wenigstens eine Kühlkanalabschnitt nicht in einem Arbeitsgang, wie zum Beispiel im aus dem Stand der Technik bekannten Kokillengussverfahren hergestellt wird, sind insbesondere bezüglich der Serienfertigung relativ kostengünstige Fertigungsverfahren möglich. So können insbesondere das Gehäuse in einen Druckgussverfahren und das Einbauteil in einem Tiefziehverfahren oder in einem Fließpressverfahren hergestellt werden. Dadurch, dass sich der wenigstens eine Kühlkanalabschnitt während der Montage des Einbauteils in das Gehäuse erzeugen lässt, ist eine besonders einfache Konstruktion mit geringen Fertigungskosten der elektrischen Maschine möglich. Die elektrische Maschine kann weiterhin in bekannter Weise insbesondere einen Stator mit einem Statorblechpaket, einen Rotor mit einem Rotorblechpaket sowie eine Rotorwelle umfassen, wobei im Statorblechpaket Spulenwicklungen mit in axialer Richtung der elektrischen Maschine überstehenden Stator-Wickelköpfen eingebracht sind.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:
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1 ein Schema eines Halbschnittes einer elektrischen Maschine mit einem Gehäuse und zwei Einbauteilen in Form von Kühlkanalabdeckungen im Bereich von Stator-Wickelköpfen,
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2 ein Schema eines Halbschnittes einer weiteren elektrischen Maschine mit einem Gehäuse und einem als langgezogene Kühlkanalabdeckung ausgebildeten Einbauteil,
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3 eine Schnittdarstellung einer weiteren elektrischen Maschine mit einem Gehäuse und einem als Kühlkanalabdeckung ausgebildeten Einbauteil zur Wickelkopfkühlung,
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4 eine vergrößerte Detailansicht des Einbauteils nach 3,
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5 eine erste perspektivische Ansicht eines Einbauteils für die elektrische Maschine nach 3 und
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6 eine zweite perspektivische Ansicht des Einbauteils nach 5.
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1 zeigt das Schema eines Halbschnittes einer elektrischen Maschine 1 mit einem Rotor, welcher ein Rotor-Blechpaket 2 umfasst und drehfest auf einer Rotorwelle 3 gelagert ist. Die Rotorwelle 3 ist drehbar innerhalb zweier an axialen Enden der elektrischen Maschine 1 angeordneten Lagern 4 aufgenommen. Koaxial um den Rotor bzw. dessen Rotor-Blechpaket 2 ist ein Stator mit einem Stator-Blechpaket 5 angeordnet. Innerhalb des Stator-Blechpakets 5 befinden sich Spulenwicklungen, welche an einander axial gegenüberliegenden Enden des Stator-Blechpakets 5 zwei Stator-Wickelköpfe 6 (in 1 rechts dargestellt) und 7 (in 1 links dargestellt) ausbilden. Die Stator-Wickelköpfe 6 und 7 ragen in axialer Richtung über das Rotorblechpaket 2 hinaus.
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Weiterhin umfasst die elektrische Maschine 1 ein Druckgussgehäuse 8, welches ein Außengehäuse ist und das Stator-Blechpaket 5 koaxial umschließt. Das Gehäuse 8 weist einen Zufluss-Anschluss 9 und einen Abfluss-Anschluss 10 für Kühlflüssigkeit auf. Der Zufluss-Anschluss 9 und der Abfluss-Anschluss 10 sind mittels eines Kühlkanals 11 miteinander verbunden. Auf diese Weise kann Kühlflüssigkeit über den Zufluss-Anschluss 9 eintreten, durch den Kühlkanal 11 geleitet werden und über den Abfluss-Anschluss 10 abgeleitet werden.
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Der Kühlkanal 11 umfasst eine in axialer Richtung L durch das Gehäuse 8 verlaufende Bohrung 12, einen ersten radialen Kühlkanalabschnitt 13 und einen zweiten radialen Kühlkanalabschnitt 14. Der erste radiale Kühlkanalabschnitt 13 wird durch eine Innenkontur 15 des Gehäuses 8 und ein erstes Einbauteil 16 gebildet. Dazu weist das Gehäuse 8 im Bereich des ersten radialen Kühlkanalabschnitts 13 eine kanalartige Ausnehmung bzw. Bohrung 17 auf, welche durch das erste Einbauteil 16 abgedeckt wird, sodass der erste radiale Kühlkanalabschnitt 13 entsteht, welcher undurchlässig für die Kühlflüssigkeit ist und formschlüssig durch eine Klebeverbindung zwischen dem Einbauteil 16 und dem Gehäuse 8 hergestellt ist. Das erste Einbauteil 16 weist im Querschnitt ein U-Profil auf und ist an dem Gehäuse 8 im Bereich des in 1 rechts dargestellten Stator-Wickelkopfes 6 angeordnet. Auf diese Weise kann Kühlflüssigkeit, welche den ersten radialen Kühlkanalabschnitt 13 durchfließt, den rechten Stator-Wickelkopf 6 kühlen.
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Auf ähnliche Weise wird der zweite radiale Kühlkanalabschnitt 14 mittels des Gehäuses 8 und eines zweiten Einbauteils in Form einer Kühlkanalabdeckung 18 gebildet. Das zweite Einbauteil 18 ist an dem Gehäuse 8 im Bereich des Stator-Wickelkopfes 7, welcher in 1 links dargestellt ist, mittels einer Klebeverbindung stoffschlüssig befestigt. Die axiale Bohrung 12, welche durch das Gehäuse 8 verläuft, ist im Bereich des linken Stator-Wickelkopfes 7 mit einem radialen Bohrungs-Abschnitt 19 verbunden, welcher wiederum in den zweiten Kühlkanalabschnitt 14 übergeht, der durch das zweite Einbauteil 18 Fluid-dicht begrenzt wird und mit dem Abfluss-Anschluss 10 Fluid-leitend verbunden ist.
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Weiterhin umfasst die elektrische Maschine 1 einen Inverter 20 mit einem Inverter-Kühlkanal 21. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Zufluss-Anschluss 9 für die Kühlflüssigkeit im Bereich des Inverters 20 angeordnet, wobei sich die durch das Gehäuse 8 verlaufende axiale Bohrung 12 in einem Lagerschild 22 der elektrischen Maschine 1 fortsetzt und mit dem Zufluss-Anschluss 9 verbunden ist.
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2 zeigt ein Schema eines Halbschnitts einer weiteren elektrischen Maschine 1, welche sich von der elektrischen Maschine 1 nach 1 insbesondere durch eine abweichende Ausführung des Kühlkanals 11 unterscheidet.
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Der Kühlkanal 11 umfasst eine in axialer Richtung L der elektrischen Maschine 1 innerhalb des Gehäuses 8 verlaufende Bohrung 12, welche sich in Richtung eines Zufluss-Anschlusses 9 für Kühlmittel in einem Lagerschild 22 der elektrischen Maschine 1 fortsetzt, wobei der Zufluss-Anschluss 9 in einem Inverter 20 der elektrischen Maschine 1 angeordnet ist. In Richtung des in 2 links dargestellten axialen Endes der elektrischen Maschine 1 geht die axiale Bohrung 12 in eine radiale Bohrung 23 innerhalb des Gehäuses 8 über. Die radiale Bohrung 23 mündet in Richtung des Stator-Blechpakets 5 der elektrischen Maschine 1 in einem Zwischenraum 24 zwischen einer Innenkontur 15 des Gehäuses 8 und einer Außenkontur 25 des Stator-Blechpakets 5.
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Zwischen dem Stator-Blechpaket 5 und dem Gehäuse 8 ist eine Kühlkanalabdeckung 26 angeordnet, welche ein Einlegebauteil bildet, und parallel über die gesamte Länge des Stators 5 mit seinen an einander gegenüberliegenden axialen Enden angeordneten Stator-Wickelköpfen 6 und 7 verläuft.
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Das Einlegebauteil 26 und das Gehäuse 8 sind derart stoffschlüssig miteinander verbunden, dass ein Fluid-dichter Abschnitt 27 des Kühlkanals 11 entsteht, welcher den gesamten Außenbereich des Stators 5, insbesondere auch dessen Wickelköpfe 6 und 7, kühlen kann und Fluid-leitend mit dem Abfluss-Anschluss 10 verbunden ist.
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3 und 4 zeigen eine weitere elektrische Maschine 1 mit einem Rotor, welcher ein Rotorblechpaket 2 umfasst und drehfest auf einer Rotorwelle 3 gelagert ist. 5 und 6 zeigen ein für die elektrische Maschine 1 nach 3 geeignetes Einbauteil 28. Die Rotorwelle 3 ist drehbar innerhalb zweier an axialen Enden der elektrischen Maschine 1 angeordneten Lagern 4 aufgenommen. Koaxial um das Rotorblechpaket 2 ist ein Stator mit einem Stator-Blechpaket 5 angeordnet. Innerhalb des Stator-Blechpakets 5 befinden sich Spulenwicklungen, welche an einander axial gegenüberliegenden Enden des Stator-Blechpakets 5 zwei Stator-Wickelköpfe 6 und 7 ausbilden. Die Stator-Wickelköpfe 6 und 7 ragen in axialer Richtung über das Rotor-Blechpaket 2 hinaus.
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Weiterhin umfasst die elektrische Maschine 1 ein Druckgussgehäuse 8, welches ein Außengehäuse ist, und welches den Rotor mit seinem Rotorblechpaket 2 sowie den Stator mit seinem Statorblechpaket 5 und seinen Wickelköpfen 6 und 7 koaxial umschließt. Das Gehäuse 8 weist einen Zufluss-Anschluss 9 und einen Abfluss-Anschluss 10 für Kühlflüssigkeit auf. Der Zufluss-Anschluss 9 und der Abfluss-Anschluss 10 sind mittels eines Kühlkanals 11 miteinander verbunden. Auf diese Weise kann Kühlflüssigkeit über den Zufluss-Anschluss 9 eintreten, durch den Kühlkanal 11 geleitet werden und über den Abfluss-Anschluss 10 abgeleitet werden.
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Der Kühlkanal 11 umfasst eine in axialer Richtung durch das Gehäuse 8 verlaufende Bohrung 12 und einen radialen Kühlkanalabschnitt 29, welcher durch eine Innenkontur 15 (4) des Gehäuses 8 und ein Einbauteil in Form einer Kühlkanalabdeckung 28 gebildet wird. Dazu weist das Gehäuse 8 im Bereich des radialen Kühlkanalabschnitts 29 eine radiale Bohrung 30 auf, welche radial nach außen durch eine Verschlusskappe 31 verschlossen ist und radial nach innen durch das Einbauteil 28 abgedeckt wird, sodass der radiale Kühlkanalabschnitt 29 entsteht, welcher undurchlässig für die Kühlflüssigkeit ist und formschlüssig durch eine Klebeverbindung zwischen dem Einbauteil 28 und dem Gehäuse 8 hergestellt ist. Das tiefgezogene Einbauteil 28, z.B. aus Aluminium, weist ein im wesentlichen U-förmiges Querschnittsprofil mit einer zentralen Öffnung 32 auf, dessen einer Schenkel 33 gestuft ausgeführt ist, um an der Innenkontur 15 des Gehäuses 8 bereichsweise anliegen und bereichsweise von der Innenkontur 15 zur Ausbildung des Kühlkanalabschnitts 29 beabstandet sein zu können. Das Gehäuse 8 bildet zwei Taschen bzw. Nuten 34 aus, welche mit Klebstoff gefüllt werden können, um das Einbauteil 28 anschließend in Anlage mit dem Gehäuse 8 zu bringen und mit diesem zu verkleben.
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Kühlmittel kann über den Einlass-Anschluss 9 eintretend entlang der axialen Bohrung 12, der radialen Bohrung 30 und des Kühlkanalabschnitts 29 geleitet werden sowie über den Auslass-Anschluss 10 austreten. Auf diese Weise kann Kühlflüssigkeit, welche den Kühlkanalabschnitt 29 durchfließt, insbesondere den in 3 links dargestellten Stator-Wickelkopf 7 kühlen.
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Weiterhin umfasst die elektrische Maschine 1 einen Inverter 20 mit einem Invertergehäuse 35 und einem Inverter-Kühlkanal 21. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Zufluss-Anschluss 9 für die Kühlflüssigkeit im Bereich des Inverters 20 angeordnet, wobei sich die durch das Gehäuse 8 verlaufende axiale Bohrung 12 in einem Lagerschild 22 der elektrischen Maschine 1 fortsetzt und mit dem Zufluss-Anschluss 9 verbunden ist.
