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Vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlstruktur in einem Gehäuse oder Werkzeug. Ferner betrifft die Erfindung das Gehäuse, ausgebildet zur Aufnahme einer elektrischen Maschine, mit der erfindungsgemäßen Kühlstruktur. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung der Kühlstruktur gezeigt.
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Sowohl Elektromotoren als auch Verbrennungsmotoren erzeugen Verlustleistung in Form von Wärme. Die Wärme muss über das entsprechende Gehäuse des Motors abgeführt werden. Hierzu gibt es doppelwandige Gehäuse mit einem innenliegenden Hohlraum. Durch den Hohlraum kann eine Kühlflüssigkeit gefördert werden, um das Gehäuse und den innenliegenden Motor zu kühlen. Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung solch eines Gehäuses zeigte die Offenlegungsschrift
DE 10 2010 054 496 A1 .
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Auch Werkzeuge, beispielsweise zum Umformen oder Urformen von Metall oder Kunststoff, sind einer relativ hohen Wärmebelastung ausgesetzt und müssen entsprechend gekühlt werden. So können auch Werkzeuge doppelwandig ausgeführt werden, um in einem entsprechenden Hohlraum eine Kühlflüssigkeit zu führen.
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In den Hohlräumen, sowohl im Gehäuse als auch im Werkzeug, werden üblicherweise Kühlelemente zwischen den beiden gegenüberliegenden Wandungen ausgebildet. Diese Kühlelemente, beispielsweise in Form von Pins, Rippen oder Stegen sorgen einerseits für eine Stabilisierung des Hohlraums und andererseits für eine möglichst große Kontaktfläche zur Kühlflüssigkeit. Die Offenlegungsschrift
DE 10 2010 054 496 A1 zeigt eine Möglichkeit, wie mittels eines verlorenen Gießkerns eine komplexe Struktur zwischen den beiden gegenüberliegenden Wandungen im Hohlraum zur Führung der Kühlflüssigkeit ausgebildet werden kann.
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Beiliegende 4 zeigt unterschiedliche Kühlelemente im Hohlraum zwischen den beiden Wandungen des Gehäuses oder des Werkzeugs. So werden im Stand der Technik beispielsweise Kühlelemente in Form von Pins oder Tropfen eingesetzt. Diese Kühlelemente können sowohl fluchtend hintereinander als auch versetzt zueinander angeordnet werden. Ferner zeigt 4 ein Beispiel, in dem die Kühlelemente durch lange Rippen gebildet werden. In all diesen Beispielen gemäß 4 sind die Kühlelemente so ausgebildet, dass eine möglichst große Kontaktfläche zur Kühlflüssigkeit entsteht. Gleichzeitig wird bei der Anordnung der Kühlelemente darauf geachtet, dass der Strömungswiderstand für die Kühlflüssigkeit möglichst gering ausfällt.
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Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung eine Kühlstruktur für ein Gehäuse oder ein Werkzeug anzugeben, die bei einfacher Herstellung eine energieeffiziente Kühlung ermöglicht. Ferner soll ein Gehäuse zur Aufnahme einer elektrischen Maschine, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug, angegeben werden. Ferner ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung der Kühlstruktur zu zeigen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.
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Somit wird die Aufgabe gelöst durch eine Kühlstruktur in einem Gehäuse oder Werkzeug. Das Gehäuse oder Werkzeug ist insbesondere aus Metall gefertigt. Die Kühlstruktur umfasst zwei gegenüberliegende Wandungen. Die Wandungen sind Bestandteil des Gehäuses oder des Werkzeugs. Die beiden Wandungen sind voneinander beabstandet, sodass zwischen den Wandungen ein Hohlraum ausgebildet ist. An dem Hohlraum sind ein Einlass und ein Auslass angeordnet. Der Einlass dient zum Einlassen einer Kühlflüssigkeit in den Hohlraum. Am Auslass verlässt die Kühlflüssigkeit den Hohlraum. Die Kühlflüssigkeit wird üblicherweise mittels einer Pumpe durch den Hohlraum gefördert. Dabei fließt die Kühlflüssigkeit in einer Hauptströmungsrichtung, die vom Einlass zum Auslass definiert ist.
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Erfindungsgemäß sind in dem Hohlraum mehrere Stege ausgebildet. Die Stege sind in zumindest einer Reihe hintereinander angeordnet, wobei sich die Reihe in Hauptströmungsrichtung erstreckt. Vorzugsweise sind mehrere der Reihen nebeneinander angeordnet. Die einzelne Reihe umfasst vorzugsweise zumindest 4, besonders vorzugsweise zumindest 6, oder mehr Stege.
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Jeder Steg verbindet die beiden Wandungen miteinander und erstreckt sich somit von der einen Wandung bis zur anderen Wandung. Am einzelnen Steg sind eine Dicke, eine Länge und eine Breite definiert. Die Dicke, die Länge und die Breite stehen jeweils senkrecht zueinander. Die Dicke ist senkrecht zu den Wandungen definiert, sodass der lichte Abstand der beiden Wandungen der Dicke des einzelnen Steges entspricht. Die Form des „Steges“ ist definiert durch sein Verhältnis von Länge zu Breite. Demgemäß entspricht die Länge zumindest 150%, vorzugsweise zumindest 180%, besonders vorzugsweise zumindest 200%, der Breite.
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Die Länge des einzelnen Steges ist entlang einer Längenachse definiert. Die Längenachsen der Stege einer Reihe sind abwechselnd um einen Winkel +α (plus Alpha) und –α (minus Alpha) gegenüber der Hauptströmungsrichtung geneigt. Gemessen wird dabei der Winkel zwischen der Hauptströmungsrichtung und der Längenachse des jeweiligen Steges. Der Winkel α liegt zwischen 30° und 60°, vorzugsweise zwischen 35° und 55°. Wie bereits beschrieben, werden vorzugsweise mehrere der Reihen nebeneinander angeordnet. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die senkrecht zur Hauptströmungsrichtung nebeneinander liegenden Stege in die gleiche Richtung geneigt sind.
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Innerhalb der einzelnen Reihen sind die Stege in Hauptströmungsrichtung hintereinander angeordnet. Die Einteilung der Stege in Reihen dient hier in erster Linie der Darstellung des regelmäßigen Musters. Entscheidend ist, dass in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Stege, also die Stege einer Reihe, abwechselnd gegenüber der Hauptströmungsrichtung geneigt sind. Somit folgt, in Hauptströmungsrichtung betrachtet, auf jeden Steg einer ersten Neigung mit +α ein zweiter Steg einer zweiten Neigung mit –α.
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Versuche und Berechnungen haben gezeigt, dass die Kühlstruktur mit den erfindungsgemäßen Stegen, die gegenüber der Hauptströmungsrichtung geneigt sind, eine sehr effiziente Kühlung der beiden gegenüberliegenden Wandungen ermöglicht. Dabei sorgt die Geometrie der Stege für eine möglichst große Kontaktfläche zur Kühlflüssigkeit. Die Neigung der Stege gegenüber der Hauptströmungsrichtung sorgt für die optimale Anströmung der Stege und die optimale Führung der Kühlflüssigkeit innerhalb des Hohlraums. Dabei hat sich gezeigt, dass diese Vorteile insbesondere zu erreichen sind, wenn der lichte Abstand der beiden Wandungen und somit die Dicke der Stege 5 % bis 300 % der Länge der Stege beträgt.
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Gegenüber den in 4 dargestellten Strukturen, führt die erfindungsgemäße Verwendung der geneigten Stege zu einer leichten Erhöhung des Strömungswiderstandes für die Kühlflüssigkeit. Dies wird allerdings aufgrund der ansonsten sehr guten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Kühlstruktur in Kauf genommen.
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Vorzugsweise werden die Stege so angeordnet, dass sie sich, betrachtet in Hauptströmungsrichtung, überlappen. Bei Verwendung mehrerer Reihen überlappen sich bevorzugt nicht nur die Stege der einzelnen Reihen sondern auch die Stege benachbarter Reihen. Durch die Überlappung gibt es zwischen den Stegen keinen geraden Pfad für die Kühlflüssigkeit, sondern die Kühlflüssigkeit wird mäandernd zwischen den Stegen geführt. Für die Überlappung ist eine Überlappungslänge definiert, die senkrecht zur Hauptströmungsrichtung gemessen wird. Vorzugsweise beträgt die Überlappung 5 % bis 40 %, besonders vorzugsweise 10 % bis 30 %, der Länge der Stege.
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Die Stege sind vorzugsweise einstückig mit beiden Wandungen ausgebildet. Unter „einstückig“ ist zu verstehen, dass beide Wandungen zusammen mit den Stegen beispielsweise als Gussteil oder generativ aufgebautes Teil gefertigt sind. Das generativ aufgebaute Teil wird durch 3D-Druck, insbesondere Auftragsschweißen oder Strahlverfahren, gefertigt. Bei der Herstellung des Gussteils wird insbesondere ein verlorener Gießkern verwendet, der die Negativform des Hohlraums mit den Stegen darstellt.
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Die Stege sind vorzugsweise mit einem Radius verrundet. Der Radius beträgt vorzugsweise 10% bis 30% der Länge 11.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Gehäuse mit einem zylindrischen Aufnahmeraum für eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine kann sowohl als Elektromotor als auch als Generator verwendet werden. An der Innenseite des zylindrischen Aufnahmeraums liegt insbesondere der Stator der elektrischen Maschine an. Der zylindrische Aufnahmeraum des Gehäuses ist durch eine Mantelfläche gebildet. Zumindest ein Teil dieser Mantelfläche wird durch die beschriebene Kühlstruktur gebildet. Dadurch entstehen eine innere Wandung der Kühlstruktur, die dem zylindrischen Aufnahmeraum zugewandt ist, eine äußere Wandung der Kühlstruktur und der dazwischen liegende Hohlraum mit den geneigten Stegen.
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Die innere Wandung der Mantelfläche, zumindest teilweise gebildet durch die erfindungsgemäße Kühlstruktur, wird durch die innenliegende elektrische Maschine erwärmt. Auf der äußeren Wandung der Mantelfläche können weitere zu kühlende Elemente, insbesondere eine Leistungselektronik, montiert werden. Die Leistungselektronik dient insbesondere zum Ansteuern der elektrischen Maschine und/oder einer zugehörigen Batterie.
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Dieses weitere zu kühlende Element, insbesondere die Leistungselektronik, wird vorzugsweise nicht um den gesamten Umfang des zylindrischen Aufnahmeraums montiert, sondern befindet sich nur auf einem ersten Abschnitt der Mantelfläche. Eben dieser erste Abschnitt bedarf einer größeren Kühlleistung als die verbleibenden Abschnitte der Mantelfläche.
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So ist bevorzugt vorgesehen, dass die Mantelfläche entlang ihres Umfangs in zumindest einen ersten Abschnitt und zumindest einen zweiten Abschnitt unterteilt ist. Der Hohlraum, in dem die Kühlflüssigkeit geführt wird erstreckt sich über alle Abschnitte. Allerdings ist nur der zumindest eine erste Abschnitt mit der erfindungsgemäßen Kühlstruktur, also den gegenüber der Hauptströmungsrichtung geneigten Stegen, ausgebildet. Der zumindest eine zweite Abschnitt, auf dem die Leistungselektronik nicht montiert ist, weist eine andere Kühlstruktur, beispielsweise mit Pins oder nicht geneigten Stegen, auf. Dadurch ist die Kühlleistung im ersten Abschnitt größer als im zweiten Abschnitt. Gleichzeitig wird erreicht, dass der Strömungswiderstand für die Kühlflüssigkeit im zweiten Abschnitt kleiner ist als im ersten Abschnitt. Dabei wird im ersten Abschnitt, in dem eine größere Kühlleistung vonnöten ist, der erhöhte Strömungswiderstand in Kauf genommen. Im zweiten Abschnitt ist der Strömungswiderstand geringer, wodurch der gesamte Strömungswiderstand im Hohlraum möglichst gering ausfällt.
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Der gesamte Hohlraum, also die Summe aller Abschnitte, erstreckt sich vorzugsweise über 270° bis 360° des zylindrischen Aufnahmeraums. Dadurch ist eine Kühlung der elektrischen Maschine über eine möglichst große Fläche möglich. Der zumindest eine erste Abschnitt erstreckt sich vorzugsweise über bis zu 180°, insbesondere bis zu 120°, des zylindrischen Aufnahmeraums, sodass eine ausreichende Fläche zur Montage des Weiteren zu kühlenden Elements zur Verfügung steht. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der Strömungswiderstand in dem zumindest einen zweiten Abschnitt um 5 %, insbesondere um 10 %, geringer ausfällt als in dem zumindest einen ersten Abschnitt.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung der beschriebenen Kühlstruktur, insbesondere zur Herstellung des Gehäuses. Dabei werden die Wandungen gemeinsam mit den Stegen in einem Gussvorgang gegossen, wobei der Hohlraum mittels eines verloren Gießkerns gebildet wird. Alternativ zum Gussverfahren, kann die einstückige Kühlstruktur auch mit generativen Verfahren hergestellt werden. Die im Rahmen der erfindungsgemäßen Kühlstruktur und des erfindungsgemäßen Gehäuses beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Unteransprüche finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren.
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Ferner umfasst die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Straßenfahrzeug, mit einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine wird vorzugsweise zum Antreiben des Fahrzeugs, also als Traktionsmaschine, verwendet. Die elektrische Maschine befindet sich dabei in dem beschriebenen, erfindungsgemäßen Gehäuse.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Gehäuse mit erfindungsgemäßer Kühlstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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2 ein Detail der erfindungsgemäßen Kühlstruktur gemäß dem Ausführungsbeispiel,
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3 Stege der erfindungsgemäßen Kühlstruktur gemäß dem Ausführungsbeispiel, und
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4 Kühlstrukturen nach dem Stand der Technik.
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Im Folgenden wird anhand der 1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlstruktur 2 in einem erfindungsgemäßen Gehäuse 1 gezeigt. Die Kühlstruktur 2 ist dabei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.
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Die Kühlstruktur 2 befindet sich in dem Gehäuse 1. Das Gehäuse 1 dient zur Aufnahme einer nicht dargestellten elektrischen Maschine. Das Gehäuse 1 mit der elektrischen Maschine wird in einem Fahrzeug verwendet, wobei die elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt wird.
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Das Gehäuse 1 weist einen zylindrischen Aufnahmeraum 17 auf. In diesem zylindrischen Aufnahmeraum 17 wird die elektrische Maschine angeordnet. Der zylindrische Aufnahmeraum 17 ist durch eine Mantelfläche gebildet. Diese Mantelfläche wiederum ist zumindest teilweise durch die Kühlstruktur 2 gebildet. Die Kühlstruktur 2 umfasst eine innere Wandung 3 und eine äußere Wandung 4. Die beiden Wandungen 3, 4 sind voneinander beabstandet, sodass zwischen den beiden Wandungen 3, 4 ein Hohlraum entsteht.
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Das Gehäuse 1 wird aus Metall gegossen. Dabei kommt ein in 1 dargestellter Gießkern 5 zum Einsatz. Der Gießkern 5 stellt die Negativform des Hohlraums zwischen den beiden Wandungen 3, 4 dar.
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Die 2 und 3 zeigen in schematisch vereinfachter Darstellung die Kühlstruktur 2. 2 zeigt dabei die innere Wandung 3 und eine Vielzahl an Stegen 10. Die äußere Wandung 4 ist ausgeblendet, sodass die innere Wandung 3 und die Stege 10 sichtbar sind. Drei der Stege 10 sind in 3 im Detail dargestellt und bemaßt.
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2 zeigt rein schematisch einen Einlass 6 und einen Auslass 7 für eine Kühlflüssigkeit, die durch den Hohlraum zwischen den beiden Wandungen 3, 4 gefördert wird. Vom Einlass 6 zum Auslass 7 ist eine Hauptströmungsrichtung 8 der Kühlflüssigkeit definiert. Diese Hauptströmungsrichtung 8 erstreckt sich, wie in 1 gezeigt, in Umfangsrichtung des zylindrischen Aufnahmeraums 17.
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Gemäß 2 umfasst die Kühlstruktur 2 drei vollständige Reihen 9, jeweils mit einer Vielzahl an Stegen 10. (Im dargestellten Ausschnitt weisen die einzelnen Reihen 9 jeweils fünf Stege 10 auf). Innerhalb der einzelnen Reihen 9 sind die Stege 10 in Hauptströmungsrichtung 8 hintereinander angeordnet. Die Einteilung der Stege 10 in Reihen 9 dient hier in erster Linie der Darstellung des regelmäßigen Musters. So können die Grenzen zwischen den Reihen 9 auch anders gesetzt werden. Entscheidend ist, dass in Strömungsrichtung 8 hintereinander angeordnete Stege 10, also die Stege 10 einer Reihe 9, abwechselnd gegenüber der Hauptströmungsrichtung 8 geneigt sind. Dies zeigt im Detail 3.
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Gemäß 3 sind am einzelnen Steg 10 eine Länge 11, eine Breite 12 und eine Dicke definiert. Die Dicke ist senkrecht zur Zeichenebene definiert und entspricht dem lichten Abstand der beiden Wandungen 3, 4. Die Länge 11, die Breite 12 und die Dicke stehen jeweils senkrecht zueinander. Die Länge 11 wird entlang einer Längenachse 13 des Steges 10 gemessen. Zwischen der Längenachse 13 und der Hauptströmungsrichtung 8 ist ein Winkel α definiert. Die Stege 10 sind, in Hauptströmungsrichtung 8 betrachtet, abwechselnd um +α und –α gegenüber der Hauptströmungsrichtung 8 geneigt. Der Winkel α beträgt hier +/–45°.
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3 zeigt ferner eine Überlappung der Stege 10 mit einer Überlappungslänge 14. Die Überlappungslänge 14 wird senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 8 gemessen. Durch die Überlappung strömt die Kühlflüssigkeit nicht geradlinig zwischen den Stegen 10, sondern wird mäanderförmig geführt.
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3 zeigt ferner eine Abstandslänge 16, definiert als der kleinste Abstand zwischen den Stegen 10, gemessen parallel zur Hauptströmungsrichtung 8. Die Abstandslänge 16 liegt vorzugsweise zwischen 1 % und 50 % der Länge 11.
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Die Stege 10 sind vorzugsweise mit einem Radius 15 verrundet. Der Radius beträgt vorzugsweise 10% bis 30% der Länge 11.
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Wie der Gießkern 5 in 1 zeigt, erstreckt sich der Hohlraum zwischen den beiden Wandungen 3, 4 annähernd um 360° des zylindrischen Aufnahmeraums 17. Allerdings ist die den zylindrischen Aufnahmeraum 17 bildende Mantelfläche in einen ersten Abschnitt 18 und in einen zweiten Abschnitt 19 unterteilt. Der erste Abschnitt 18 weist die erfindungsgemäße Kühlstruktur 2 mit den geneigten Stegen 10 auf. Im zweiten Abschnitt 19 sind anderweitige Stege ausgebildet, die nicht gegenüber der Hauptströmungsrichtung 8 geneigt sind. Die Ausgestaltung des zweiten Abschnitts 19 ist hier rein beispielhaft. Entscheidend ist, dass im zweiten Abschnitt 19 der Strömungswiderstand für die Kühlflüssigkeit im Hohlraum geringer ist als im ersten Abschnitt 18.
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Im ersten Abschnitt 18 wird die erfindungsgemäße Kühlstruktur 2 gewählt, die zwar einen erhöhten Strömungswiderstand zur Folge hat, jedoch auch zu einer besseren Kühlleistung führt. Wie die Darstellung des Gehäuses 1 in 1 zeigt, wird im Bereich des ersten Abschnitts 18 auf der äußeren Wandung 4 eine Leistungselektronik montiert. Hierzu sind Montageflächen 20 für diese Leistungselektronik vorgesehen. Die höhere Kühlleistung im ersten Abschnitt 18 wird nicht nur zur Kühlung der innenliegenden elektrischen Maschine sondern auch zur Kühlung der außenliegenden Leistungselektronik genutzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Kühlstruktur
- 3
- innere Wandung
- 4
- äußere Wandung
- 5
- Gusskern
- 6
- Einlass
- 7
- Auslass
- 8
- Hauptströmungsrichtung
- 9
- Reihe
- 10
- Stege
- 11
- Länge
- 12
- Breite
- 13
- Längenachse
- 14
- Überlappungslänge
- 15
- Radius
- 16
- Abstandslänge
- 17
- zylindrisch Aufnahmeraum
- 18
- erste Abschnitt
- 19
- zweite Abschnitt
- 20
- Montagefläche für Leistungselektronik
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010054496 A1 [0002, 0004]
