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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Wickelkopfkühlung sowie ein Gusswerkzeug zur Herstellung einer Wickelkopfkühlung.
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Verfahren zur Herstellung einer Kühlung eines Wickelkopfs sind bekannt, insbesondere aus der
DE 10 2014 207 470 A1 , der
US 8,593,023 B2 sowie der
DE 10 2004 035 446 A1 . Gießverfahren zur Herstellung von Wicklungen für elektrische Maschinen sowie hierzu benötigte Gusswerkzeuge sind ebenfalls bekannt, insbesondere aus der
DE 195 05 866 A1 . Beim Betrieb einer elektrischen Traktionsmaschine entstehen erhebliche thermische Verluste durch Ohm'sche Verluste in einem Wickelkopf der Traktionsmaschine, was zu starken thermischen Belastungen einer Kupferisolierung beziehungsweise Wicklungsisolierung des Wickelkopfs führt. Diese hohen thermischen Belastungen führen zu hohen Temperaturen am Wickelkopf und sind somit ein wesentlicher Einflussfaktor auf die maximale Leistungsausnutzung und Lebensdauer einer elektrischen Traktionsmaschine, weshalb die thermischen Verluste im Wickelkopf möglichst effizient abzuführen sind. Weiterhin ist eine lokale thermische Überbeanspruchung durch eine möglichst homogene Wärmeabfuhr zu vermeiden. Lokal darf eine maximale Betriebstemperatur der Wicklungsisolierung, eingeteilt in spezielle Temperaturklassen gemäß DIN 0530, nicht überschritten werden. Zudem ist ein weiterer entscheidender Faktor das thermische Beanspruchungskollektiv mit bestimmten Temperaturgrenzen, um eine Dauerhaltbarkeit zu gewährleisten. Um die Anforderung an Dauerdrehmoment und Dauerleistungsdichte bei gleichzeitig optimalem Wirkungsgrad bei elektrischen Traktionsmotoren von insbesondere Kraftfahrzeugen zu gewährleisten, spielt eine optimale Auslegung eine entscheidende Rolle.
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Bisher aus dem Stand der Technik bekannte Kühlmöglichkeiten basieren vor allem auf der indirekten Kühlung über eine Statorkühlung. Dabei verursacht der Wärmedurchgangswiderstand zwischen einem Statorblechpaket, einer Isolierung und dem Kupfer eine starke Reduzierung der Kühlleistung. Eine weitere Möglichkeit ist die Beträufelung mit Kühlmedium radial außen auf dem Wickelkopf. Allerdings ist hierbei eine Benetzung an der Innenseite des Wickelkopfes nicht gewährleistet, wodurch es zu lokalen Überhitzungen kommen kann. Ähnliches gilt für eine einseitige Bespritzung des Wickelkopfs durch die Welle.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen haben somit insbesondere den Nachteil, dass eine homogene Kühlung bei gleichzeitig direktem Wärmeübergang sowie der Verwendung von schon im Fahrzeug vorhandenen Kühlmedien nicht möglich ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Wickelkopfkühlung eines Wickelkopfs sowie ein Gusswerkzeug zur Herstellung einer Wickelkopfkühlung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile vermieden werden.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zur Herstellung einer Wickelkopfkühlung eines Wickelkopfs, insbesondere eines Stators, einer elektrischen Maschine geschaffen wird, wobei der Wickelkopf mit einem Gießmaterial derart umgossen wird, dass durch das Gießmaterial mindestens ein Strömungskanal zur Umströmung des Wickelkopfs geschaffen wird. Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist somit eine Wickelkopfkühlung eines Wickelkopfs herstellbar, welche insbesondere beim Einsatz des entsprechend gekühlten Wickelkopfs in einer Traktionsmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zu einer Steigerung der Drehmoment- beziehungsweise Leistungsdichte führt. Weiterhin weist die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Wickelkopfkühlung den Vorteil auf, dass eine homogene Wärmeabfuhr aus dem Wickelkopf und somit eine Vermeidung lokaler thermischer Überbelastung möglich ist. Ferner weist die Wickelkopfkühlung, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird, den Vorteil auf, dass in Kraftfahrzeugen übliche Kühlmittel verwendet werden können und durch die direkte Medienbenetzung des Wickelkopfs keine unnötigen Wärmeübergänge nötig sind. Besonders vorteilhaft am erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist, dass dieses Verfahren bei elektrischen Maschinen mit verschiedenen Wickelmustern anwendbar ist. Besonders vorteilhaft am erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass kostengünstig, insbesondere komplexe, Kühlgeometrien hergestellt werden können. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren lässt sich auch ohne große Schwierigkeiten in eine ohnehin bei der Herstellung der elektrischen Maschine erforderliche Wickelkopfkompaktierung integrieren.
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Wichtig für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist, dass beim Gießen ein Hohlraum in Form des Strömungskanals, vor allem im Bereich der Nuten zwischen Wickelkopf und Stator, für eine Umströmung des Wickelkopfs mit einem Kühlmedium generiert wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines ringförmigen, insbesondere im Querschnitt gesehen U-förmigen Gusswerkzeuges, mit einer inneren Umfangswandung, einer äußeren Umfangswandung und einer Bodenwandung, die gemeinsam ein ringförmiges, insbesondere im Querschnitt gesehen U-förmigen Gussvolumen begrenzen, und - in Umfangsrichtung gesehen - mit einer Mehrzahl von Segmenten, wobei jedes Segment eine Gussnut aufweist, die einen in Axialrichtung verlaufenden äußeren Axialnutabschnitt in der äußeren Umfangswandung, einen in Axialrichtung verlaufenden inneren Axialnutabschnitt in der inneren Umfangswandung und einen schräg zur Radialrichtung verlaufenden Stirnnutabschnitt in der Bodenwandung aufweist, wobei der innere Axialnutabschnitt und der äußere Axialnutabschnitt in Umfangsrichtung gesehen entlang des Stirnnutabschnitts versetzt zueinander angeordnet sind, wobei der Stirnnutabschnitt den äußeren Axialnutabschnitt strömungstechnisch mit dem inneren Axialnutabschnitt verbindet, und wobei jedes Segment eine radial nach außen und/oder innen gerichtete Durchbrechung in der äußeren und/oder der innen Umfangswandung aufweist, und weiterhin Bereitstellen von einem Schieber für jedes Segment der Mehrzahl von Segmenten, wobei der mindestens eine Schieber in einer Gussanordnung in der Durchbrechung, insbesondere in der äußeren Umfangswandung und/oder in der inneren Umfangswandung, des jeweiligen Segments angeordnet ist, derart, dass der Schieber in der Gussanordnung den Stirnnutabschnitt kreuzt, b) Zusammenfügen eines Wickelkopfs einer elektrischen Maschine mit dem Gusswerkzeug und den Schiebern zu der Gussanordnung, c) Vergießen der Gussanordnung mit einem Gießmaterial zur Herstellung einer Wickelkopfkühlung eines Wickelkopfs einer elektrischen Maschine, wobei das Gießmaterial das Gussvolumen und die Gussnuten derart füllt sowie die Schieber umfließt, dass ein helixförmiger Strömungspfad ausgebildet wird, wobei das in den Gussnuten angeordnete Gießmaterial Stege ausbildet, welche einzelne Strömungssegmente des Gießmaterials voneinander trennen, wobei benachbarte Strömungssegmente durch von den Schiebern gebildete Aussparungen in dem Gießmaterial miteinander strömungstechnisch verbunden werden, und d) Erhalten einer Wickelkopfkühlungsanordnung aus dem Gießmaterial als Gussobjekt in von dem Wickelkopf der elektrischen Maschine untrennbarer Weise.
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Hierbei bildet die im Gusswerkzeug definierte Kontur den Strömungskanal an der Stirnfläche sowie ober- und unterhalb des Wickelkopfes aus. Vorliegend handelt es sich um eine Helixgeometrie, welche eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit im Vergleich zur reinen Abkapselung des Wickelkopfes bietet und somit einen größeren Wärmestrom ermöglicht. Die Schieber bilden das Strömungsvolumen im Bereich zwischen einem Stator und den einzelnen Wicklungsphasen beziehungsweise Wicklungssträngen aus. Das mittels des Gusswerkezugs und den Schiebern entstehende Gussobjekt wird helixförmig umströmt. Durch die sich ergebende helixförmige Wickelkopfumströmung und den damit einhergehend deutlich geringeren Strömungsquerschnitt im Vergleich zu einer reinen Kapselung ohne Stege, ergibt sich mit Strömungsgeschwindigkeiten von bevorzugt bis zu 1 m/s eine deutlich erhöhte erzwungene Konvektion. Zudem weist die durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbare Wickelkopfkühlung keine nennenswerten Totwassergebiete auf, wodurch die Gefahr lokaler Überhitzung verringert wird. Weiterhin ist es bei einer Wickelkopfkühlung, welche durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erhalten wird, möglich, dass als Kühlmedium das Kühlmedium aus der Stator- und/oder Wellenkühlung verwendet wird. Besonders vorteilhaft ist, dass die Durchströmung der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Wickelkopfkühlung eine homogene Benetzung des Wickelkopfs bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ermöglicht. Dies führt zu einem gleichmäßigeren Wärmeübergang auf der Oberfläche des Wickelkopfs.
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Unter einer Axialrichtung wird hier eine Richtung verstanden, die sich entlang der Symmetrie- und/oder Drehachse des ringförmigen Gusswerkzeuges erstreckt. Eine radiale Richtung steht senkrecht auf der Axialrichtung. Eine Umfangsrichtung umgreift die Axialrichtung konzentrisch.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wickelkopfkühlungsanordnung durch eine ringförmige, insbesondere im Querschnitt gesehen U-förmige Kappe derart geschlossen wird, dass die einzelnen Strömungssegmente einerseits durch die Stege und andererseits durch die Kappe voneinander getrennt werden, wobei eine Wickelkopfkühlung mit helixförmigem Strömungspfad erhalten wird. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung des Strömungspfads.
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Beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist bevorzugt vorgesehen, dass das Gusswerkzeug derart angeordnet ist, dass eine Umkapselung der Wickelkopfgeometrie erhalten wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die ringförmige, insbesondere im Querschnitt gesehen U-förmige Kappe aus einem Kunststoff, vorzugsweise mit einer Glasfaserverstärkung, besonders bevorzugt aus einem Polyamid, vorzugsweise mit einer Glasfaserverstärkung, insbesondere aus Polyamid 6.6, vorzugsweise mit einer Glasfaserverstärkung, gebildet wird. Diese Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass die ringförmige, insbesondere im Querschnitt gesehen U-förmige Kappe einerseits besonders kostengünstig hergestellt werden kann und andererseits eine hohe mechanische Festigkeit durch die Glasfaserverstärkung bei einer hohen thermischen Stabilität durch das Polyamid aufweist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine topfförmige Schieberpositionierungsvorrichtung mit einer Mehrzahl von Segmenten bereitgestellt wird, wobei die Schieberpositionierungsvorrichtung in der Gussanordnung die Schieber in Position hält, wobei bevorzugt das Gusswerkzeug und die Schieberpositionierungsvorrichtung die gleiche Anzahl an Segmenten aufweist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Aussparungen der jeweiligen Strömungssegmente insbesondere einfach und flexibel ausgebildet werden können. Insbesondere lässt sich durch die topfförmige Schieberpositionierungsvorrichtung erreichen, dass die Schieber individuell für jedes Segment positioniert werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Gießmaterial ein Harz, insbesondere ein Epoxid-Harz, verwendet wird. Diese Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass durch die Verwendung eines Harzes mit entsprechenden Füllstoffen ein Material mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit erzielt werden kann, bei einer gleichzeitig guten elektrischen Isolierung.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Gusswerkzeug ein Gusswerkzeug mit genau 24 Segmenten verwendet wird. Diese Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass die Anzahl von 24 Segmenten einen guten Kompromiss zwischen der Komplexität des Gusswerkzeugs, einem Druckverlust über den Strömungspfad der Wickelkopfkühlung hinweg, sowie der fluiddynamischen Eigenschaften der Wickelkopfkühlung darstellt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Verfahrensschritt c) des Vergießens während einer Kompaktierung eines Wickelkopfes einer elektrischen Maschine durchgeführt wird. Diese Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass durch die Integration des Gusses, insbesondere des Druckgusses, in den Arbeitsschritt der Kompaktierung des Wickelkopfes ein besonders effizientes Verfahren erhalten werden kann. Dies gewährleistet bei elektrischen Maschinen, dass der Wickelkopf platzsparend im Motorgehäuse untergebracht werden kann. Beispielsweise könnte die äußere Dichtkontur durch die äußeren Stempel der Kompaktiereinrichtung gebildet werden, welche nach Zusammenfahren eine dichte Kavität bilden. Durch Einfahren eines inneren Stempels wird ein innerer Bauraum des Wickelkopfs definiert. Aus ihm können die oben genannten Schieber ausfahren, welche einen Hinterschnitt beim anschließenden Gussvorgang freihalten. Zusätzlich würde eine Stempeleinrichtung die axiale Kompaktierung übernehmen. Außerdem kann durch diese Vorgehensweise der Wickelkopf stabilisiert und in seiner Ausprägung beziehungsweise Form fixiert werden, wodurch auf eine Umwicklung mit Band insbesondere in einem Diamantstich verzichtet werden kann. Durch Integration und Einsparung dieser Prozessschritte kann die erfindungsgemäße Herstellung einer Wickelkopfkühlung sehr kostengünstig und zeiteffizient bereitgestellt werden.
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Die Aufgabe wird ferner insbesondere auch gelöst, indem ein Gusswerkzeug zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Wickelkopfkühlung einer elektrischen Maschine, insbesondere gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Wickelkopfkühlung, geschaffen wird, wobei das Gusswerkzeug eingerichtet ist, um einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine derart mit einem Gießmaterial zu umgießen, dass durch das Gießmaterial mindestens ein Strömungskanal zur Umströmung des Wickelkopfs geschaffen wird. In Zusammenhang mit dem Gusswerkzeug ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gusswerkzeug ringförmig, insbesondere im Querschnitt gesehen U-förmig ausgebildet ist, mit einer inneren Umfangswandung, einer äußeren Umfangswandung und einer Bodenwandung, die gemeinsam ein ringförmiges, insbesondere im Querschnitt gesehen U-förmiges Gussvolumen begrenzen, und - in Umfangsrichtung gesehen - mit einer Mehrzahl von Segmenten, wobei jedes Segment eine Gussnut aufweist, die einen in Axialrichtung verlaufenden äußeren Axialnutabschnitt in der äußeren Umfangswandung, einen in Axialrichtung verlaufenden inneren Axialnutabschnitt in der inneren Umfangswandung und einen schräg zur Radialrichtung verlaufenden Stirnnutabschnitt in der Bodenwandung aufweist, wobei der innere Axialnutabschnitt und der äußere Axialnutabschnitt in Umfangsrichtung gesehen - entlang des Stirnnutabschnitts - versetzt zueinander angeordnet sind, wobei der Stirnnutabschnitt den äußeren Axialnutabschnitt strömungstechnisch mit dem inneren Axialnutabschnitt verbindet, und wobei jedes Segment eine radial nach außen und/oder nach innen gerichtete Durchbrechung aufweist, wobei das Gusswerkzeug außerdem einen Schieber für jedes Segment der Mehrzahl von Segmenten aufweist, wobei der Schieber in einer Gussanordnung in der Durchbrechung, insbesondere in der äußeren Umfangswandung und/oder in der inneren Umfangswandung, des jeweiligen Segments anordenbar ist, derart, dass der Schieber in der Gussanordnung den Stirnnutabschnitt kreuzt.
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Es ergeben sich insbesondere die schon in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Wickelkopfkühlung offenbarten Vorteile.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 ein vorteilhaftes Gusswerkzeug,
- 2 ein durch das Gusswerkzeug erhaltbares Gussobjekt als Wickelkopfkühlungsanordnung,
- 3 einen Querschnitt durch eine Gussanordnung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gusswerkzeugs 1, wobei das ringförmige Gusswerkzeug 1 eine innere Umfangswandung 2, eine äußere Umfangswandung 3 und eine Bodenwandung 4 aufweist, die gemeinsam ein ringförmiges Gussvolumen 5 begrenzen. Das ringförmige Gussvolumen 5 weist in Umfangsrichtung gesehen 24 Segmente 6 auf, wobei jedes Segment 6 durch eine Gussnut 7 von einem benachbarten Segment 6 getrennt wird. Das vorteilhafte Gusswerkzeug 1 weist weiterhin in Axialrichtung verlaufend für jedes Segment jeweils einen äußeren Axialnutabschnitt 8 in der äußeren Umfangswandung 3, einen in Axialrichtung verlaufenden inneren Axialnutabschnitt 9 in der inneren Umfangswandung 2 und einen schräg zur Radialrichtung verlaufenden Stirnnutabschnitt 10 in der Bodenwandung 4 auf. Es ist weiterhin in 1 gezeigt, dass der innere Axialnutabschnitt 9 und der äußere Axialnutabschnitt 8 in Umfangsrichtung gesehen entlang des Stirnnutabschnitts 10 versetzt zueinander angeordnet sind. Hierbei verbindet der Stirnnutabschnitt 10 den äußeren Axialnutabschnitt 8 strömungstechnisch mit dem inneren Axialnutabschnitt 9. Jedes Segment 6 weist eine radial nach außen gerichtete Durchbrechung 11 auf, wobei in diesen Durchbrechungen 11 in einer Gussanordnung Schieber 7 (in der 1 nicht gezeigt) angeordnet sind.
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2 zeigt ein durch das Gusswerkzeug 1 gemäß 1 erhaltbares Gussobjekt sowie zugleich ein Ausführungsbeispiel einer Wickelkopfkühlungsanordnung 17. Das Gussobjekt ist durch das erstarrte und von dem Gusswerkzeug 1 getrennte Gießmaterial gebildet und somit insbesondere ein geometrisch komplementäres, positives Abbild der negativen Geometrie beziehungsweise des Gussvolumens des Gusswerkzeugs 1. In 2 ist mit drei Pfeilen 12 angedeutet, in welche Richtung eine Kühlflüssigkeit strömt. Die in 2 gezeigte Wickelkopfkühlungsanordnung 17 weist mehrere Stege 13 auf, welche durch den radial verlaufenden Stirnnutabschnitt 10, den inneren Axialnutabschnitt 9 und den äußeren Axialnutabschnitt 8, insgesamt auch als Gussnut 7 bezeichnet, des Gusswerkzeugs 1 während eines Gusses gebildet werden. Weiterhin sind die durch die Schieber 20 (in 2 nicht gezeigt) während des Gusses erhaltenen Aussparungen 14 in 2 gezeigt. Die Durchbrechungen 11 des Gusswerkzeugs 1 in Kombination mit den Schiebern 20 (in 2 nicht gezeigt) ergeben während des Gusses die Aussparungen 14 in der Wickelkopfkühlungsanordnung 17. Eine Wickelkopfkühlung 15 wird gebildet durch das Anordnen einer Kappe 16 über der Wickelkopfkühlungsanordnung 17, wobei die Pfeile in 2 die Richtung der Anordnung beziehungsweise Überdeckung der Kappe 16 auf der Wickelkopfkühlungsanordnung 17 anzeigen.
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Die Stege 13 liegen vorzugsweise dichtend an der Kappe 16 an, sodass in Form der in Axialrichtung zurückspringenden inneren Flächen der Strömungssegmente der Wickelkopfkühlungsanordnung 17 Strömungsbereiche gebildet werden, die durch die Stege begrenzt werden, wobei sich insgesamt über die verschiedenen, strömungstechnisch miteinander verbundenen Strömungssegmente ein helixförmiger Strömungspfad ergibt. Tritt ein Kühlmittel über eine Eintrittsbohrung 22 in den Strömungspfad ein, strömt es zunächst beispielsweise zwischen zwei Stegen 13 entlang eines Strömungssegments von einem äußeren Umfang der Wickelkopfkühlungsanordnung 17 zu deren inneren Umfang, wo das Kühlmittel in eine dort einmündende Aussparung 14 einströmen kann. Es strömt dann durch die Aussparung 14 radial nach außen zu dem äußeren Umfang der Wickelkopfkühlungsanordnung 17, wo die Aussparung 14 nun in ein anderes, benachbartes Strömungssegment mündet. Die Aussparungen 14 verbinden also benachbarte Strömungssegmente miteinander, da die Stege 13 und die Aussparungen 14 einander kreuzen. Insbesondere ergibt sich auf diese Weise eine definierte, helixförmige Umströmung der Wickelkopfkühlungsanordnung 17. Das Kühlmittel kann die Wickelkopfkühlung 15 beispielsweise durch eine Auslassbohrung 23 in der Kappe 16 wieder verlassen.
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In 3 ist eine Gussanordnung 24 gezeigt, wobei ein Wickelkopf 18, ein Stator 19 sowie das Gusswerkzeug 1 gezeigt sind. Durch das Gusswerkzeug 1 in Verbindung mit dem Wickelkopf 18 wird das Gussvolumen 5 gebildet. Ein Schieber 20 hält innerhalb des Gussvolumens die Aussparung 14 in der späteren Wickelkopfkühlungsanordnung 17 frei. Weiterhin ist in 3 die Schieberpositionierungsvorrichtung 21 teilweise gezeigt, welche in der Gussanordnung 24 die Schieber in Position hält.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014207470 A1 [0002]
- US 8593023 B2 [0002]
- DE 102004035446 A1 [0002]
- DE 19505866 A1 [0002]
