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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine elektromechanische Maschine und eine elektromechanische Maschine.
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Eine elektromechanische Maschine umfasst als Bauteile einen Rotor und einen Stator, die sich bei einem Betrieb der elektromechanischen Maschine relativ zueinander drehen. Dabei ist die elektromechanische Maschine entweder als Motor oder als Generator zu betreiben. In der elektromechanischen Maschine kann ein Kühlsystem integriert sein.
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Die Druckschrift
DE 101 12 500 A1 beschreibt eine elektrohydraulische Antriebseinheit mit einem Elektromotor und einer davon angetriebenen hydraulischen Pumpe. Zur Erweiterung eines Einsatzbereiches ist in den Elektromotor zumindest ein weiterer Elektromotor integriert, der mit mindestens einer weiteren hydraulischen Pumpe in Antriebsverbindung steht. Die erste und/oder die zweite hydraulische Pumpe sind bzw. ist zumindest teilweise in den ersten und/oder zweiten Elektromotor integriert. Die Pumpen können als Zahnringpumpen ausgebildet sein und einen gemeinsamen Ansaugkanal aufweisen. Die Elektromotoren sind ölgekühlt. Hierbei ist radial zwischen einer Hohlwelle des ersten Elektromotors, in der sich der zweite Elektromotor befindet, und einem Gehäuse des zweiten Elektromotors ein Kühlkanal gebildet, der an eine Eingangs- und an eine Ausgangsöffnung angeschlossen ist, die mit einem hydraulischen Kreislauf in Verbindung stehen.
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Ein Schwungradspeicher mit einem Schwungrad und einer elektrischen synchronen Reluktanzmaschine, die einen Rotor, einen Stator und ein Gehäuse umfasst, ist aus der Druckschrift
EP 2 999 095 A2 bekannt. Der Rotor ist durch ein elektromagnetisch aktives Blechpaket gebildet. Zur Erzielung eines möglichst kompakten und einfach aufgebauten Schwungradspeichers für den Einsatz in Fahrzeugen, die häufigen Brems- und Anfahrmanövern ausgesetzt sind, ist vorgesehen, dass das Schwungrad durch ein elektromagnetisch passives Blechpaket gebildet ist, das an zumindest einer Seite des elektromagnetisch aktiven Blechpakets des Rotors der elektrischen synchronen Reluktanzmaschine innerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
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Eine Vakuumpumpe mit einem Pumpengehäuse und einer darin angeordneten Pumpenanordnung ist in der Druckschrift
EP 0 733 804 A2 beschrieben. Die Vakuumpumpe umfasst ein Paar Pumpenrotoren, die miteinander synchron drehbar sind und entsprechende Wellen aufweisen, sowie einen Motor, der ein Paar von Motorrotoren aufweist, die entsprechende Sätze von Permanentmagneten besitzen, die jeweils auf den Wellen angeordnet sind. Dabei ist ein Motorstator in einem Motorrahmen untergebracht. Das Pumpengehäuse umfasst eine Saugseite mit einem Sauganschluss und eine Abgabeseite mit einem Abgabeanschluss. Der Motor ist auf dem Pumpengehäuse an der Saugseite des Pumpengehäuses angebracht.
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Vor diesem Hintergrund werden ein Kühlsystem und eine elektromechanische Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Ausführungsformen des Kühlsystems und der elektromechanischen Maschine gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
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Das erfindungsgemäße Kühlsystem für eine elektromechanische Maschine zum Umwandeln von Energie weist als Komponenten mindestens zwei elektromechanische Bauteile sowie ein Gehäuse auf und ist bei einem Betrieb als Motor zum Umwandeln von elektromechanischer Energie in mechanische Energie und/oder bei einem Betrieb als Generator zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie ausgebildet. Dabei sind die elektromechanischen Bauteile in dem Gehäuse angeordnet und bewegen sich bei einem Betrieb der elektromechanischen Maschine relativ zueinander. Das Kühlsystem weist als Komponente einen Wärmetauscher mit einem Kühlmittel auf, der in dem Gehäuse der Maschine angeordnet, bspw. darin integriert, und dazu ausgebildet ist, das Kühlmittel mit mindestens einem der elektromechanischen Bauteile auszutauschen.
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Mindestens eine der genannten Komponenten der Maschine und/oder des Kühlsystems kann schwarz lackiert sein.
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Der in dem Gehäuse integrierte Wärmetauscher umfasst Kühlkanäle, die in dem Gehäuse integriert und zum Transport von Kühlmittel ausgebildet sind. Außerdem umfasst mindestens eines der Bauteile Kühlkanäle, die mit dem Wärmetauscher verbunden und zum Transport von Kühlmittel ausgebildet sind. Der Wärmetauscher umfasst mindestens einen Kühlkanal, in Ausgestaltung mehrere Kühlkanäle, wobei jeder Kühlkanal mit mindestens einem weiteren Kühlkanal verbunden sein kann. Dabei ist es möglich, dass auch mindestens ein Kühlkanal als Komponente des Wärmetauschers schwarz lackiert ist.
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Das Kühlsystem ist für eine elektromechanische Maschine vorgesehen, die mindestens ein als Stator ausgebildetes elektromechanisches Bauteil und mindestens ein als Rotor ausgebildetes elektromechanisches Bauteil aufweist, wobei sich das mindestens eine als Rotor ausgebildete elektromechanische Bauteil bei dem Betrieb der elektromechanischen Maschine relativ zu dem mindestens einen Stator und dem Gehäuse dreht. Mindestens eines der elektromechanischen Bauteile, d. h. der mindestens eine Rotor und/oder der mindestens eine Stator kann schwarz lackiert sein.
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Das Kühlsystem und/oder der im Gehäuse integrierte Wärmetauscher umfasst bzw. umfassen für mindestens ein bspw. als Öl ausgebildetes Kühlmittel eine Kühlmittelpumpe und einen Kühlmittelraum.
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In Ausgestaltung umfasst das Kühlsystem einen zusätzlichen externen Wärmetauscher mit einem Kühlmittel, mit dem das Kühlmittel des in dem Gehäuse angeordneten Wärmetauschers zu kühlen ist. Demnach kann das Kühlsystem zwei miteinander thermisch verbundene Wärmetauscher aufweisen. In diesem Fall ist ein erster Wärmetauscher in dem Gehäuse der elektrischen Maschine angeordnet und weist ein erstes Kühlmittel auf. Ein zweiter Wärmetauscher mit einem zweiten Kühlmittel ist außerhalb des Gehäuses angeordnet und mit dem ersten Wärmetauscher thermisch gekoppelt. Der zweite Wärmetauscher umfasst ebenfalls Kühlkanäle zum Transport des Kühlmittels, Kühlrippen, eine Kühlmittelpumpe, einen Kühlmittelraum und kann in möglicher Ausgestaltung ebenfalls schwarz lackiert sein.
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Die erfindungsgemäße elektromechanische Maschine zum Umwandeln von Energie weist als Komponenten mindestens zwei elektromechanische Bauteile, ein Gehäuse und eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems auf.
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Die elektromechanische Maschine ist für ein Kraftfahrzeug einsetzbar und bspw. zum Antreiben einer Achse des Kraftfahrzeugs ausgebildet.
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Dabei ist es möglich, dass bei der elektromechanischen Maschine mindestens ein als Rotor ausgebildetes elektromechanisches Bauteil und/oder mindestens ein als Stator ausgebildetes elektromechanisches Bauteil schwarz lackiert ist bzw. sind. Darüber hinaus kann auch mindestens eine Komponente des Kühlsystems schwarz lackiert sein.
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Mindestens eines der elektromechanischen Bauteile umfasst optional mehrere Elektromagnete und ist bei einem Betrieb der elektromechanischen Maschine relativ zu dem mindestens einen anderen elektromechanischen Bauteil zu bewegen, üblicherweise zu drehen. Diese Bauteile der elektromechanischen Maschine sind weiterhin zueinander koaxial oder axial angeordnet.
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Außerdem ist vorgesehen, dass mindestens eines der Bauteile als Stator ausgebildet und/oder zu bezeichnen ist, wohingegen mindestens ein anderes der Bauteile als Rotor ausgebildet und/oder zu bezeichnen ist, wobei sich bei dem Betrieb der elektromechanischen Maschine der mindestens eine Rotor relativ zu dem mindestens einen Stator dreht.
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Mit der elektromechanischen Maschine ist entweder elektrische Energie in mechanische Energie oder mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Falls elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird, wird die elektromechanische Maschine als Motor betrieben. Falls umgekehrt mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, wird die elektromechanische Maschine als Generator verwendet.
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Das vorgestellte Kühlsystem ist in die elektromechanische Maschine integriert und unabhängig von einer konkreten Betriebsweise der elektromechanischen Maschine zu deren Kühlung ausgebildet. Hierzu werden u. a. die Kühlkanäle verwendet, wobei über die Kühlkanäle mindestens einem der Bauteile, d. h. dem mindestens einen Rotor und/oder dem mindestens einen Stator, von dem ersten, im Gehäuse integrierten Wärmetauscher das üblicherweise flüssige Kühlmittel zuzuführen ist. Durch Lackieren mindestens einer Komponente der elektromechanischen Maschine, d. h. des mindestens einen Rotors, des mindestens einen Stators und/oder des Gehäuses, mit schwarzer Farbe, wird zusätzlich eine Abgabe von Wärme dieser mindestens einen Komponente an die Umgebung zu gefördert, wodurch die mindestens eine Komponente ebenfalls gekühlt wird.
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Dabei ist es weiterhin möglich, dass das mindestens eine Kühlmittel von dem Wärmetauscher zu mindestens einem der elektromechanischen Bauteile und ggf. durch Kühlkanäle auch durch mindestens eines der elektromechanischen Bauteile gefördert wird. Durch die Maßnahme, mindestens eine der Komponenten der elektromechanischen Maschine, üblicherweise mindestens eines ihrer elektromechanischen Bauteile, schwarz zu lackieren, wird bei deren Betrieb eine Abgabe von Wärme begünstigt. Somit ist bspw. für den mindestens einen Rotor und/oder den mindestens einen Stator eine passive Kühlung zu erreichen.
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Die elektromechanische Maschine bzw. das Kühlsystem umfasst mindestens einen, in Ausgestaltung zwei Wärmetauscher mit mindestens einem Kühlmittel. Mit dem mindestens einen Kühlmittel ist weiterhin eine aktive Kühlung für die elektromechanische Maschine zu erreichen. Hierbei ist als das mindestens eine Kühlmittel Öl, Wasser und/oder Luft zu verwenden. Dabei ist es bspw. möglich, dass das mindestens eine Kühlmittel zwischen dem Wärmetauscher, der in dem Gehäuse angeordnet ist, und den aktiven elektromechanischen Bauteilen zirkuliert. In diesem Fall ist als das mindestens eine Kühlmittel bspw. Öl und/oder Wasser zu verwenden. Das mindestens eine Kühlmittel nimmt die Wärme in den aktiven elektromechanischen Bauteilen auf und gibt diese weiterhin in dem Gehäuse und/oder in dem in dem Gehäuse integrierten Wärmetauscher ab. In Ausgestaltung wird lediglich ein flüssiges Kühlmittel, entweder Öl oder Wasser verwendet, wobei durch sämtliche Kühlkanäle dieses eine Kühlmittel fließt. Falls zwei Wärmetauscher mit bspw. unterschiedlichen flüssigen Kühlmitteln verwendet werden, weisen die beiden Wärmetauscher für jedes Kühlmittel voneinander getrennte Kühlkanäle auf, bspw. Kühlkanäle für das Öl und Kühlkanäle für das Wasser.
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Das passive Kühlsystem ist in jeder elektromechanischen Maschine ohne geometrische Änderungen integrierbar, da lediglich die mindestens eine Komponente der elektromechanischen Maschine schwarz zu lackieren ist. Somit ist die elektromechanische Maschine mit dem Kühlsystem passiv bzw. indirekt zu kühlen.
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Durch die Maßnahme, mindestens eine der Komponenten der Maschine und/oder des Kühlsystems schwarz zu lackieren, wird deren Strahlverhalten, u. a. deren Infrarotstrahlung im Infrarotbereich, beeinflusst. Ein Grad der Infrarotstrahlung hängt von der Temperatur und der Farbe der mindestens einen Komponente ab, je dunkler sie ist, desto besser ihre Infrarotstrahlung.
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Über den Wärmetauscher, der im Gehäuse integriert ist und die Kühlkanäle für Öl oder Luft als Kühlmittel umfasst, kann zwischen den aktiven elektromechanischen Bauteilen der Maschine und dem Gehäuse Kühlmittel zirkulieren. Dabei nimmt das Kühlmittel Wärme der aktiven elektromechanischen Bauteile auf und gibt sie an das Gehäuse ab. Somit kann die Maschine durch den Wärmetauscher direkt und aktiv gekühlt werden. In Ausgestaltung kann durch Verwendung des zweiten Wärmetauschers eine Öl-Wasser-Kühlung oder eine Öl-Luft-Kühlung realisiert werden. Hierbei kann für das Kühlmittel jedes Wärmetauschers durch die Kühlkanäle eine Kriechstrecke verlängert werden.
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Da mindestens eine der Komponenten schwarz lackiert ist, wird zusätzlich durch Wärmestrahlung und/oder Infrarotstrahlung der mindestens einen schwarzen Komponente, ohne geometrische Änderung dieser mindestens einen Komponente, eine zusätzliche passive Kühlung erreicht.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer elektromechanischen Maschine, die eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems umfasst.
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2 zeigt in schematischer Darstellung ein Gehäuse der Ausführungsform der elektromechanischen Maschine sowie der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems aus 1.
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3 zeigt ein Detail aus 2 in Schnittansicht.
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4 zeigt ein erstes Diagramm zu einer Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kühlsystems aus 1.
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5 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems und ein Diagramm zu einer Funktionsweise der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen Komponenten sind dieselben Bezugsziffern zugeordnet.
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Die in 1 schematisch dargestellte Ausführungsform der elektromechanischen Maschine 2 umfasst als elektromechanisch aktive Bauteile einen Stator 4 und einen Rotor 6, der sich bei einem Betrieb der elektromechanischen Maschine 2 relativ zu dem Stator 4 dreht. In optionaler Ausgestaltung umfasst bspw. der Stator 4 Elektromagnete, wohingegen der Rotor 6 Permanentmagnete umfasst. In alternativer optionaler Ausgestaltung umfasst bspw. der Stator 4 Permanentmagnete, wohingegen der Rotor 6 Elektromagnete umfasst. Es ist möglich, die elektromechanische Maschine 2 je nach Anforderung als Motor oder als Generator zu betreiben. Außerdem umfasst die elektromechanische Maschine 2 eine Leistungseinheit. In Ausgestaltung kann die Maschine 2 auch mehrere Statoren 4 und/oder Rotoren 6 aufweisen.
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Bei einem Betrieb als Motor wird durch die Elektromagnete Strom geleitet, aufgrund dessen der Rotor 6 relativ zu dem Stator 4 in Rotation versetzt wird, wobei elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Bei dem Betrieb als Generator ist vorgesehen, den Rotor 6 bspw. durch eine externe Kraft relativ zu dem Stator 4 in Rotation zu versetzen, wobei in den Elektromagneten eine Spannung induziert wird. Somit ist beim Betrieb der elektromechanischen Maschine 2 als Generator mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
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Die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems 8 für die elektromechanische Maschine 2 umfasst einen Wärmetauscher 10, der hier mehrere Kühlkanäle 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f umfasst, die die beiden elektromechanischen Bauteile, d. h. den Stator 4 und den Rotor 6 umschließen. Details zu dem Wärmetauscher 10 und dessen Kühlkanäle 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f zum Transport eines Kühlmittels 20 gehen aus den 2 bis 5 hervor.
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Diesbezüglich zeigt 2 auch ein Gehäuse 14 der elektromechanischen Maschine 2, das auch die Kühlkanäle 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f des Wärmetauschers 10 umschließt. Dabei ist hier vorgesehen, dass der Wärmetauscher 10 in das Gehäuse 14 integriert ist, wobei das Gehäuse 14 und der Wärmetauscher 10 ein gemeinsames, zusammenhängendes Bauteil bilden. 3 zeigt auch, dass der Wärmetauscher 10 an einer Außenwand Kühlrippen aufweist, wobei diese Außenwand mit den Kühlrippen zumindest abschnittsweise auch die Kühlkanäle 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f begrenzt.
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Das Kühlsystem 8 umfasst für das mindestens eine hier als Öl ausgebildete Kühlmittel 20 einen Kühlkreislauf mit einer als Ölpumpe ausgebildeten Kühlmittelpumpe 7 und einen als Ölraum ausgebildeten Kühlmittelraum 9. Hierbei ist vorgesehen, dass das Kühlmittel 20 durch die Kühlkanäle 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f des Wärmetauschers 10 und die elektromechanischen Bauteilen, d. h. den Stator 4 und den Rotor 6, zirkuliert. Somit ist die elektromechanische Maschine 2 durch das Kühlmittel 20 aktiv zu kühlen. So kann das Kühlmittel 20 von dem Stator 4 und/oder von dem Rotor 6 zu dem Gehäuse 14 und dem Wärmetauscher 10 und nachfolgend zu der Leistungseinheit fließen.
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In Ausgestaltung wird lediglich ein Kühlmittel, bspw. Öl, verwendet, wobei durch sämtliche Kühlkanäle 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f bzw. Ölkanäle Öl transportiert wird. Falls zwei verschiedene flüssige Kühlmittel, bspw. Öl und Wasser verwendet werden, sind einige Kühlkanäle 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f als Ölkanäle und andere Kühlkanäle 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f als Wasserkanäle ausgebildet.
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Außerdem ist hier vorgesehen, dass mindestens eine Komponente der elektromechanischen Maschine 2, d. h. mindestens eines der elektromechanischen Bauteile, also der Stator 4 und/oder der Rotor 6 schwarz lackiert ist bzw. sind. Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, das Gehäuse 14 sowie den in dem Gehäuse 14 integrierten Wärmetauscher 10 schwarz zu lackieren. Durch eine derartige schwarze Lackierung einer Außenwandung mindestens einer der genannten Komponenten der elektromechanischen Maschine 2 ist diese mindestens eine Komponente passiv zu kühlen.
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Hinsichtlich der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kühlsystems 8 und/oder der Maschine 2 wird auf die Diagramme aus den 4 und 5 verwiesen. Diese zeigen jeweils die Maschine 2 und das Kühlsystem 8 mit dem Wärmetauscher 10. Dabei sind von der Maschine 2 der Stator 4 und der Rotor 6 als aktive elektromechanische Bauteile angedeutet. Als Komponenten des Wärmetauschers 10 sind in 4 bzw. 5 auch die Kühlkanäle 12 und die Kühlrippen 16 an einer Außenwand des Wärmetauschers 10 und somit an einer Außenwand des Gehäuses 14 angedeutet.
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Wie das Diagramm aus 4 zeigt, wird ein erstes flüssiges, erwärmtes Kühlmittel 20, hier Öl, von den elektromechanisch aktiven Bauteilen zu den Kühlkanälen 12 des Wärmetauschers 10 transportiert. Überschüssige Wärme des ersten Kühlmittels 20 wird von den Kühlrippen 16 an die Luft als zweites gasförmiges Kühlmittel 22 in einer Umgebung der Maschine 2 abgegeben. Außerdem werden dabei auch die Kühlrippen 16 und die Kühlkanäle 12 mit dem Kühlmittel 20 abgekühlt. Das abgekühlte erste Kühlmittel 20 wird dann wieder zu den elektromechanisch aktiven Bauteilen und somit dem Stator 4 und dem Rotor 6 zum weiteren Abkühlen derselben transportiert.
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5a zeigt in schematischer Darstellung ergänzend zu der voranstehend schematisch vorgestellten ersten Ausführungsform der elektromechanischen Maschine 2 die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems 30, das neben dem ersten hier zylinderförmigen Wärmetauscher 10 einen zweiten zusätzlichen Wärmetauscher 24 für ein zweites, flüssiges Kühlmittel 26, bspw. Wasser, aufweist, der im Querschnitt hexagonal ausgebildet ist und den ersten Wärmetauscher 10 umschließt.
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Dabei sind hier beide Wärmetauscher 10, 24 in dem Gehäuse 14 für die Maschine 2 integriert. Es ist jedoch auch möglich, dass lediglich der erste Wärmetauscher 10 als interner Wärmetauscher 10 in dem Gehäuse 14 integriert ist, wobei der zweite Wärmetauscher 24 als externer Wärmetauscher 24 das Gehäuse 14 umschließt, wobei jedoch zwischen den beiden Wärmetauschern 10, 24 über das metallische Gehäuse 14 ein thermischer Kontakt gegeben ist.
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Wie das Diagramm aus 5b zeigt, wird bei einem Betrieb des Kühlsystems 30 das erwärmte erste flüssige Kühlmittel 20 ebenfalls von den aktiven elektromechanischen Bauteilen zu dem hier ersten, im Gehäuse 14 integrierten Wärmetauscher 10 transportiert und überschüssige Wärme an das zweite hier flüssige Kühlmittel 26 des zweiten Wärmetauschers 24 abgegeben. Außerdem wird hier auch das erste flüssige Kühlmittel 20 mit dem zweiten flüssigen Kühlmittel 26 abgekühlt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10112500 A1 [0003]
- EP 2999095 A2 [0004]
- EP 0733804 A2 [0005]
