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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Anmeldung bezieht sich im Allgemeinen auf Wärmemanagement von elektrischen Maschinen.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Elektrische Maschinen kommen vielfach in der Industrie und im Transportwesen zur Anwendung. Elektrische Maschinen generieren ein Drehmoment basierend auf einem Strom, der durch Wicklungen fließt. Während Strom durch die Wicklungen fließt, geht aufgrund des Wicklungswiderstands Leistung verloren. Der Leistungsverlust geschieht in Form von generierter Wärme, die zum Ansteigen der Temperatur der elektrischen Maschine führt. Der Temperaturanstieg kann zu Änderungen der Betriebseigenschaften der elektrischen Maschinen führen.
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KURZDARSTELLUNG
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Eine elektrische Maschine beinhaltet einen Stator. Der Stator beinhaltet ein Blechpaket mit einer Stirnseite und einer Vielzahl von Leitern, die Wicklungen bildet, die angrenzend an die Stirnseite verläuft und Endwindungen mit einer ringförmigen Kontur definiert. Die Endwindungen sind dazu ausgebildet, mindestens einen Kanal zu bilden, der die Leiter durchläuft, um einen Oberflächenbereich für Fluidkontakt zu vergrößern und einen Fluidstrom entlang der ringförmigen Kontur zu lenken.
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Eine elektrische Maschine beinhaltet einen Stator. Der Stator beinhaltet ein Blechpaket, das eine Stirnseite definiert, eine Vielzahl von Leitern, die Wicklungen bildet, die angrenzend an die Stirnseite verläuft und Endwindungen definiert, sowie Isolierelemente und Verbindungselemente, die in Kontakt mit den Leitern angeordnet sind. Die Endwindungen sind dazu ausgebildet, mindestens einen Kanal zu definieren, der eine Oberfläche durchläuft, die die Leiter, die Isolierelemente und die Verbindungselemente beinhaltet.
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Ein Fahrzeug beinhaltet eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine beinhaltet einen Stator mit einem Blechpaket, das eine Stirnseite aufweist. Der Stator beinhaltet ferner eine Vielzahl von Leitern, die Wicklungen bildet, die angrenzend an die Stirnseite verläuft und Endwindungen mit einer ringförmigen Kontur definiert. Die Endwindungen sind dazu ausgebildet, mindestens einen Kanal in der ringförmigen Kontur zu definieren. Das Fahrzeug beinhaltet ferner ein Kühlsystem, das dazu konfiguriert ist, ein Kühlmedium in dem mindestens einen Kanal zu verteilen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Diagramm eines Hybridfahrzeugs, das typische Triebstrang- und Energiespeicherkomponenten veranschaulicht.
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2 ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer beispielhaften elektrischen Maschine.
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines Stators einer elektrischen Maschine.
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4 ist eine Draufsicht auf ein Stator-Kernblech.
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5 veranschaulicht ein mögliches Kühlsystem für eine elektrische Maschine.
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6 ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer elektrischen Maschine mit einem Kanal, der in einer Umfangsaußenfläche der Endwindungen definiert ist.
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7 ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer elektrischen Maschine mit einem Kanal, der in einer Ringfläche der Endwindungen definiert ist.
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8 ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer elektrischen Maschine mit einem Kanal, der in einer Umfangsinnenfläche der Endwindungen definiert ist.
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9 ist eine Draufsicht auf eine Ringfläche der Endwindungen einer elektrischen Maschine, in der mehrere Kanäle in unterschiedlichen radialen Abständen definiert sind.
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10 ist eine Draufsicht auf eine Ringfläche der Endwindungen einer elektrischen Maschine, in der mehrere Kanäle in einem gemeinsamen radialen Abstand mit dazwischen angeordneten Spalten definiert sind.
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11 ist eine perspektivische Ansicht eines Stators einer elektrischen Maschine, in der ein Serpentinenkanal in den Endwindungen definiert ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind in diesem Schriftstück beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen nur Beispiele sind und andere Ausführungsformen unterschiedliche und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale sind möglicherweise vergrößert oder verkleinert dargestellt, um Details bestimmter Bauteile zu zeigen. Daher sind in diesem Dokument offenbarte spezifische konstruktive und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für die Vermittlung der Lehre an einen Fachmann über die verschiedenen Anwendungen der vorliegenden Erfindung. Wie der Durchschnittsfachmann verstehen wird, können verschiedene Merkmale, die in Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen herzustellen, die nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die jedoch mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen gewünscht sein.
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1 stellt ein typisches aufladbares Hybrid-Elektrofahrzeug (PHEV) dar. Ein typisches aufladbares Hybrid-Elektrofahrzeug 112 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 114 umfassen, die mechanisch an ein Hybridgetriebe 116 gekoppelt sind. Die elektrischen Maschinen 114 können in der Lage sein, als Motor oder Generator zu arbeiten. Darüber hinaus ist das Hybridgetriebe 116 mechanisch an einen Motor 118 gekoppelt. Das Hybridgetriebe 116 ist auch mechanisch an eine Antriebswelle 120 gekoppelt, die mechanisch an die Räder 122 gekoppelt ist. Die elektrischen Maschinen 114 können eine Antriebs- und Verzögerungsfähigkeit bieten, wenn der Motor 118 ein- oder ausgeschaltet wird. Die elektrischen Maschinen 114 wirken auch als Generatoren und können Kraftstoffeinsparungsvorzüge bieten durch Rückgewinnung von Energie, die normalerweise als Wärme in einem Reibungs-Bremssystem verlorenginge. Die elektrischen Maschinen 114 können auch Fahrzeugemissionen reduzieren, indem sie es ermöglichen, dass der Motor 118 mit effizienteren Drehzahlen arbeitet, und ermöglichen, dass das Hybridfahrzeug 112 im Elektrobetrieb unter bestimmten Bedingungen bei ausgeschaltetem Motor 118 betrieben wird.
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Eine Antriebsbatterie oder ein Akkupaket 124 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 114 genutzt werden kann. Ein Fahrzeug-Akkupaket 124 stellt typischerweise einen Ausgangsgleichstrom (DC) bei hoher Spannung bereit. Die Antriebsbatterie 124 kann elektrisch an ein oder mehrere Leistungselektronikmodule gekoppelt sein. Ein oder mehrere Schütze 142 können die Antriebsbatterie 124 von anderen Komponenten trennen, wenn sie geöffnet sind, und die Antriebsbatterie 124 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 126 kann auch elektrisch an die elektrischen Maschinen 114 gekoppelt sein und die Fähigkeit bieten, bidirektional Energie zwischen der Antriebsbatterie 124 und den elektrischen Maschinen 114 zu übertragen. Zum Beispiel kann eine Antriebsbatterie 124 eine Gleichspannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 114 mit einem Dreiphasen-Wechselstrom (AC) arbeiten, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die Gleichspannung in einen Dreiphasenwechselstrom umwandeln, um die elektrischen Maschinen 114 zu betreiben. In einem Regenerativmodus kann das Leistungselektronikmodul 126 den Dreiphasenwechselstrom von den elektrischen Maschinen 114, die als Generatoren dienen, in die mit der Antriebsbatterie 124 kompatible Gleichspannung umwandeln. Die Beschreibung in diesem Schriftstück ist ebenso auf ein reines Elektrofahrzeug anwendbar. Für ein reines Elektrofahrzeug kann das Hybridgetriebe 116 ein an eine elektrische Maschine 114 angeschlossenes Getriebe sein, und der Motor 118 ist möglicherweise nicht vorhanden.
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Über das Bereitstellen von Energie zum Antrieb hinaus kann die Antriebsbatterie 124 Energie für andere elektrische Systeme im Fahrzeug bereitstellen. Ein Fahrzeug 112 kann ein DC/DC-Wandlermodul 128 beinhalten, das den Hochspannungs-Ausgangsgleichstrom der Antriebsbatterie 124 in eine Niederspannungs-Gleichstromversorgung umwandelt, die kompatibel mit Niederspannungsverbrauchern des Fahrzeugs ist. Ein Ausgang des DC/DC-Wandlermoduls 128 kann elektrisch an eine Hilfsbatterie 130 (z. B. 12V-Batterie) gekoppelt sein. Die Niederspannungssysteme können elektrisch an die Hilfsbatterie gekoppelt sein. Andere Hochspannungsverbraucher 146, wie Kompressoren und elektrische Heizvorrichtungen, können an den Hochspannungsausgang der Antriebsbatterie 124 gekoppelt sein. Die elektrischen Verbraucher 146 können eine dazugehörige Steuerung aufweisen, die die elektrischen Verbraucher 146 bei Bedarf betreibt und steuert.
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Das Fahrzeug 112 kann ein Elektrofahrzeug oder ein aufladbares Hybrid-Elektrofahrzeug sein, bei dem die Antriebsbatterie 124 durch eine externe Stromquelle 136 aufgeladen werden kann. Die externe Stromquelle 136 kann eine Verbindung zu einem elektrischen Anschluss sein. Die externe Stromquelle 136 kann elektrisch an eine Ladevorrichtung oder Versorgungsausrüstung für Elektrofahrzeuge (EVSE) 138 gekoppelt sein. Die externe Stromquelle 136 kann ein Stromverteilungsnetzwerk oder -netz sein, wie es von einem Stromversorgungsunternehmen bereitgestellt wird. Die EVSE 138 kann Schaltungen und Steuerungen bereitstellen, um die Energieübertragung zwischen der Stromquelle 136 und dem Fahrzeug 112 zu regulieren und zu verwalten. Die externe Stromquelle 136 kann für die EVSE 138 Gleichstrom oder Wechselstrom bereitstellen. Die EVSE 138 kann einen Ladestecker 140 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 134 des Fahrzeugs 112 aufweisen. Der Ladeanschluss 134 kann jede Art von Anschluss sein, der dazu konfiguriert ist, Leistung von der EVSE 138 auf das Fahrzeug 112 zu übertragen. Der Ladeanschluss 134 kann elektrisch an eine Ladevorrichtung oder ein bordeigenes Leistungsumwandlungsmodul 132 gekoppelt sein. Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann die von der EVSE 138 bereitgestellte Leistung konditionieren, um für die Antriebsbatterie 124 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann an die EVSE 138 angeschaltet sein, um die Lieferung von Leistung an das Fahrzeug 112 zu koordinieren. Der EVSE-Stecker 140 kann Stifte aufweisen, die zu entsprechenden Aussparungen des Ladeanschlusses 134 passen. Alternativ können verschiedene als elektrisch gekoppelt oder verbunden beschriebene Komponenten Leistung mittels einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
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Eine oder mehrere Radbremsen 144 können zum Verzögern des Fahrzeugs 112 und zum Verhindern der Bewegung des Fahrzeugs 112 bereitgestellt werden. Die Radbremsen 144 können hydraulisch betätigt, elektrisch betätigt sein, oder irgendeine Kombination davon. Die Radbremsen 144 können Teil eines Bremssystems 150 sein. Das Bremssystem 150 kann andere Komponenten beinhalten, um die Radbremsen 144 zu betätigen. Der Einfachheit halber ist in der Figur eine einzelne Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und einer der Radbremsen 144 dargestellt. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den anderen Radbremsen 144 wird stillschweigend vorausgesetzt. Die Bremssystemverbindungen können hydraulisch und/oder elektrisch sein. Das Bremssystem 150 kann eine Steuerung beinhalten, um den Betrieb der Radbremsen 144 zu überwachen und zu koordinieren. Das Bremssystem 150 kann die Bremskomponenten überwachen und die Radbremsen 144 zum Verzögern des Fahrzeugs steuern. Das Bremssystem 150 kann auf Fahrerbefehle reagieren und kann auch autonom arbeiten, um Eigenschaften wie Stabilitätskontrolle zu implementieren. Die Steuerung des Bremssystems 150 kann ein Verfahren zum Anlegen einer geforderten Bremskraft implementieren, wenn diese durch eine andere Steuerung oder Teilfunktion angefordert wird.
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Elektronische Module im Fahrzeug 112 können über ein oder mehrere Fahrzeugnetzwerke kommunizieren. Das Fahrzeugnetzwerk kann eine Vielzahl von Kanälen zur Kommunikation beinhalten. Ein Kanal des Fahrzeugnetzwerks kann ein serieller Bus, wie zum Beispiel ein Controller Area Network (CAN) sein. Einer der Kanäle des Fahrzeugnetzwerks kann ein Ethernet-Netzwerk beinhalten, das durch die Normenfamilie 802 des Institute of Electrical and Elecronic Engineers (IEEE) definiert ist. Zusätzliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks können diskrete Verbindungen zwischen Modulen beinhalten und können Leistungssignale von der Hilfsbatterie 130 beinhalten. Verschiedene Signale können über verschiedene Kanäle des Fahrzeugnetzwerks übertragen werden. Zum Beispiel können Videosignale über einen Hochgeschwindigkeitskanal (z. B. Ethernet) übertragen werden, während Steuerungssignale über CAN oder diskrete Signale übertragen werden können. Das Fahrzeugnetzwerk kann beliebige Hardware- und Softwarekomponenten beinhalten, die dazu beitragen, Signale und Daten zwischen Modulen zu übertragen. Das Fahrzeugnetzwerk ist in 1 nicht dargestellt, aber es kann stillschweigend vorausgesetzt werden, dass das Fahrzeugnetzwerk an jedes beliebige im Fahrzeug 112 vorhandene elektronische Modul angeschlossen werden kann. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC) 148 kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
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In Bezug auf die 2, 3 und 4 beinhaltet eine beispielhafte elektrische Maschine 200 einen Stator 202 mit einer Vielzahl von Kernblechen 208. Jedes der Kernbleche 208 beinhaltet eine Vorderseite 210 und eine Rückseite. Gestapelt sind die Vorder- und Rückseiten gegen angrenzende Vorder- und Rückseiten angeordnet, um ein Stator-Blechpaket 212 zu bilden. Jedes der Kernbleche 208 kann ringförmig oder doughnut-förmig sein und kann eine hohle Mitte definieren. Jedes Kernblech 208 definiert einen Außendurchmesser 214 und einen Innendurchmesser 216. Die Außendurchmesser 214 wirken zusammen, um eine Außenfläche 218 des Stator-Blechpakets 212 zu definieren, und die Innendurchmesser 216 wirken zusammen, um eine Außenfläche 218 zu definieren, die eine Wand eines Hohlraums 222 bildet.
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Jedes Kernblech 208 beinhaltet eine Vielzahl von Zähnen 224, die radial nach innen zum Innendurchmesser 216 verläuft. Benachbarte Zähne 224 wirken zusammen, um Nuten 226 zu definieren. Die Zähne 224 und die Nuten 226 eines jeden Kernblechs 208 sind an angrenzenden Kernblechen ausgerichtet, um Statornuten 228 zu definieren, die durch das Stator-Blechpaket 212 zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnseiten 230 verlaufen. Die Stirnseiten 230 definieren die einander gegenüberliegenden Enden des Blechpakets 212 und werden durch das erste und letzte Kernblech des Stator-Blechpakets 212 gebildet. Jede der Stirnseiten 230 weist eine radiale Länge auf, die zwischen der Außenfläche 218 und der Innenfläche 220 gemessen wird. Eine Vielzahl von Leitern bildet eine Vielzahl von Wicklungen 234 (auch als Spulen, Drähte oder Leiter bezeichnet), die um das Stator-Kernblech 212 gewickelt und in den Statornuten 228 angeordnet ist. Die Wicklungen 234 sind typischerweise aus Kupfer gefertigt, aber andere leitfähige Materialien können geeignet sein. Die Endwindungen 236 können eine Ringform um eine Mittelachse 256 bilden, die mit einer Rotorwelle 206 zusammenfällt. Abschnitte der Wicklungen 234 verlaufen im Allgemeinen in einer Axialrichtung (z. B. parallel zur Mittelachse 256) entlang der Statornuten 228. An den Stirnseiten 230 des Stator-Blechpakets biegen sich die Wicklungen, um am Umfang um die Stirnseiten 230 des Stator-Blechpakets 212 zu verlaufen, das die Endwindungen 236 bildet.
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Isolierelemente 250 können an und/oder zwischen einigen der Leiter der Wicklungen 234 angeordnet werden, um leitfähige Oberflächen gegeneinander zu isolieren. Zum Beispiel können die Isolierelemente 250 eine Isolierung zwischen dem Stator-Blechpaket 212 und den Leitern 234 in den Nuten 226 bereitstellen und können eine Isolierung zwischen den durch die Wicklungen 234 gebildeten Phasen bereitstellen. Die Isolierelemente 250 können aus einem nicht-leitfähigen Material bestehen. Verbindungselemente 252 können in Kontakt mit einigen der Leiter der Wicklungen 234 und den Isolierelementen 250 angeordnet sein, um die Baugruppe in einer vorgegebenen Form oder Position zu halten. Die Verbindungselemente 252 können aus einem nicht-leitfähigen Material bestehen.
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Ein Rotor 204 ist in dem Hohlraum 222 angeordnet. Der Rotor 204 ist an der Rotorwelle 206 befestigt, die funktional mit einem Getriebe verbunden sein kann. Wenn den Wicklungen 234 des Stators 202 Strom zugeführt wird, wird ein Magnetfeld generiert, das bewirkt, dass der Rotor 204 sich im Stator 202 dreht und ein Drehmoment generiert, das über eine oder mehrere Wellen zum Getriebe geleitet wird.
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Jedes der Kernbleche 208 kann einen Jochbereich 238 beinhalten, der zwischen dem Außendurchmesser 214 und einem Tal 242 der Nuten 226 definiert ist. Eine Vielzahl von Fluiddurchlässen 240 kann im Jochbereich 238 eines jeden Kernblechs 208 definiert sein. Die Durchlässe 240 können zwischen der Vorderseite 210 und der Rückseite verlaufen und einen vollständig durch das Kernblech 208 verlaufenden Hohlraum bereitstellen. Die Durchlässe 240 können Nuten sein (wie dargestellt) oder können eine andere Form aufweisen. Gestapelt können die Durchlässe 240 eines jeden Kernblechs 208 an angrenzenden Kernblechen ausgerichtet sein, um Kühlkanäle zu definieren, die durch das Stator-Blechpaket 212 zwischen den Stirnseiten 230 verlaufen.
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Die allgemeine durch die Endwindungen 236 gebildete Oberflächenform kann als eine Ringform beschrieben werden. Die Oberflächen der Endwindungen 236 können eine ringförmige Kontur definieren. Die Beschreibung als Ringform/Kontur soll jede ringartige Form abdecken, in der die Endwindungen 236 ausgebildet sein können. Die Endwindungen 236 können eine Seiten- oder Ringfläche 260 definieren, die im Allgemeinen parallel zur Stirnseite 230 ist. Eine Seite der Ringfläche 260 kann so ausgerichtet sein, dass sie von der Stirnseite 230 der elektrischen Maschine weg weist. Eine Außenumfangsfläche 262 und eine Innenumfangsfläche 264 können basierend auf einem radialen Abstand von der Mittelachse 256 definiert sein. Die Innenumfangsfläche 264 kann eine radiale Fläche sein, die zum Rotor 204 und zur Mittelachse 256 weist oder diesen im Allgemeinen am nächsten liegt. Die Außenumfangsfläche 262 kann die radiale Fläche sein, die vom Rotor 204 und der Mittelachse 256 weg weist oder von diesen im Allgemeinen am weitesten entfernt ist. Die Außenumfangsfläche 262 und die Innenumfangsfläche 264 können so ausgerichtet sein, dass die Flächen im Allgemeinen senkrecht zur entsprechenden Stirnseite 230 stehen. Die Außenumfangsfläche 262 und die Innenumfangsfläche 264 können konzentrisch sein.
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Beim Betrieb generiert die elektrische Maschine 200 Wärme im Stator-Blechpaket 212 und den Wicklungen 234. Wärme wird in den Wicklungen 234 durch Stromfluss durch die Leiter/Wicklungen 234 generiert. Um ein Überhitzen der elektrischen Maschine 200 zu verhindern, ist ein Mechanismus zum Entfernen der beim Betrieb generierten Wärme wünschenswert. 5 stellt ein Beispiel eines Kühlsystems für eine elektrische Maschine dar.
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Die elektrische Maschine 200 kann in ein Getriebegehäuse 290 eingebaut sein. Ein Kühlmedium 286 (z. B. Getriebeöl) kann eingesetzt werden, um Wärmeübertragung von der elektrischen Maschine 200 zu erleichtern. Das Kühlmedium 286 kann ein Öl oder Fluid sein, das über die Wicklungen 234 läuft, um Wärme von den Wicklungen 234 zu übertragen. In einigen Konfigurationen kann eine Pumpe 280 dazu verwendet werden, das Kühlmedium 286 mit Druck zu beaufschlagen und das Kühlmedium 286 auf die Wicklungen 234 zu sprühen. Öffnungen oder Düsen (z. B. 286) können an verschiedenen Stellen in Bezug auf die Wicklungen 234 definiert sein, um das Kühlmedium 286 auf die Wicklungen 234 zu tropfen oder zu sprühen. Es ist anzumerken, dass in 5 nur eine einzelne Öffnung oder Düse dargestellt ist, um das Kühlmedium 286 in das Getriebegehäuse 290 zu leiten, aber zusätzliche Öffnungen oder Düsen vorhanden sein können. In einigen Konfigurationen kann die Rotation der Rotorwelle 206 dazu genutzt werden, Kühlmedium 286 auf die Wicklungen 234 zu spritzen. Nachdem es mit den Wicklungen 234 in Kontakt ist, kann das Kühlmedium 286 schließlich zu einem Sammelpunkt 288 innerhalb des Getriebegehäuses 290 fließen. Der Sammelpunkt 288 kann an einer untersten Position des Getriebegehäuses 290 liegen, um sicherzustellen, dass das Kühlmedium 286 effektiv umgewälzt wird. Darüber hinaus können Flächen im Getriebegehäuse 290 zum Sammelpunkt 288 hin geneigt sein, um das Kühlmedium 286 zum Sammelpunkt 288 zu bewegen. Der Sammelpunkt 288 kann eine Öffnung beinhalten, die es der Pumpe 280 ermöglicht, das Kühlmedium 286 aus dem Getriebegehäuse 290 abzuziehen. Vom Sammelpunkt 288 aus kann das Kühlmedium 286 zu einem Radiator 282 oder einem anderen Kühlmechanismus geleitet werden, um die Temperatur des Kühlmediums 286 zu reduzieren. Die Pumpe 280 kann bewirken, dass das Kühlmedium 286 durch Leitungen des Kühlsystems strömt, um Wärme auf das Kühlmedium 286 und von diesem weg zu übertragen.
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Wärme kann durch Kontakt mit den Endwindungen 236 an das Kühlmedium 286 übertragen werden. Während das Kühlmedium 286 über die Endwindungen 236 strömt, wird Wärme auf das Kühlmedium 286 übertragen. Während die Endwindungen 236 von den Stirnflächen 230 weg verlaufen, kann mehr Oberfläche frei liegen als andere Teile der Wicklungen 234. Das Kühlmedium 286 kann auf die Endwindungen 236 gesprüht, getropft oder auf andere Weise aufgebracht werden. Die Endwindungen 236 können dazu konfiguriert sein, die Oberfläche der Endwindungen 236 zu maximieren, um einen maximalen Kühleffekt sicherzustellen.
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Um die Wärmeübertragung von den Endwindungen 236 auf das Kühlmedium 286 zu verbessern, können die Endwindungen 236 dazu konfiguriert sein, die Oberfläche zu maximieren, die in Kontakt mit dem Kühlmedium 286 kommen kann. In einigen Konfigurationen können ein oder mehrere Kanäle oder Rillen an der Oberfläche der Endwindungen 236 ausgebildet sein. Die Kanäle können während des Zusammenbauens der elektrischen Maschine 200 ausgebildet werden. Die Kanäle können die Leiter 234, die Verbindungselemente 252 und die Isolierelemente 250 durchlaufen. Die Kanäle können in den Endwindungen 236 durch Umleiten, Versetzen oder Entfernen von Abschnitten der Leiter 234, Isolierelemente 250 und Verbindungselemente 252 ausgebildet werden. Zum Beispiel können die Endwindungen 236 in eine Vorrichtung (z. B. eine Hydraulikpresse) platziert werden. Die Kanäle können dazu konfiguriert sein, das Kühlmedium 286, das an den Endwindungen 236 aufgebracht wird, so zu lenken, dass es in einem vorgegebenen Pfad fließt. Ferner können die Kanäle dazu konfiguriert sein, den Zeitraum zu steuern, in dem das Kühlmedium 286 in Kontakt mit den Endwindungen 236 steht. Durch Steuern des Pfades und der Strömungszeit des Kühlmediums 286 kann die Kühlleistung optimiert werden.
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Die 6–8 stellen Querschnittsansichten von mehreren möglichen Konfigurationen von Endwindungskanälen dar. 6 stellt eine erste Konfiguration 300 einer elektrischen Maschine dar, die einen einzelnen Außenumfangskanal 500 beinhaltet, der in der Außenumfangsfläche 262 der Endwindungen 236 ausgebildet ist. Der Außenumfangskanal 500 kann den gesamten Umfang der Außenumfangsfläche 262 durchlaufen. In einigen Konfigurationen kann der Außenumfangskanal 500 eventuell nur einen Abschnitt der Außenumfangsfläche 262 durchlaufen. Eine Tiefe 600 des Außenumfangskanals kann als ein Abstand zwischen der Außenumfangsfläche 262 und einem Kanalboden definiert sein. Die Tiefe 600 des Außenumfangskanals kann im Allgemeinen entlang einer Länge des Außenumfangskanals 500 konstant sein. In einigen Konfigurationen kann die Tiefe 600 des Außenumfangskanals entlang der Länge des Außenumfangskanals 500 variieren. Zum Beispiel kann in Konfigurationen, die denen der Außenumfangskanal 500 nur einen Abschnitt der Außenumfangsfläche 262 durchläuft, die Tiefe 600 des Außenumfangskanals an den Enden des Außenumfangskanals 500 verjüngt oder verringert sein, um Poolbildung des Kühlmediums 286 zu verhindern. Eine Breite 602 des Außenumfangskanals kann als ein Abstand durch den Außenumfangskanal 500 an der Außenumfangsfläche 262 definiert sein. Die Breite 602 des Außenumfangskanals kann im Allgemeinen entlang der Länge des Außenumfangskanals 500 konstant sein. In einigen Konfigurationen kann die Breite 602 des Außenumfangskanals entlang der Länge des Außenumfangskanals 500 variieren. 6 stellt einen einzelnen Außenumfangskanal 500 dar, es können jedoch zusätzliche Kanäle ausgebildet sein, sodass eine Vielzahl von Außenumfangskanälen entlang der Außenumfangsfläche 262 vorliegt.
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7 stellt eine zweite Konfiguration 320 einer elektrischen Maschine dar, die einen einzelnen Ringkanal 502 beinhaltet, der in der Ringfläche 260 der Endwindungen 236 ausgebildet ist. Der Ringkanal 502 kann den gesamten Umfang der Ringfläche 260 durchlaufen (z. B. einen Kreis an der Ringfläche 260 umschreiben). In einigen Konfigurationen kann der Ringkanal 502 nur einen Abschnitt des Umfangs der Ringfläche 260 durchlaufen. Eine Tiefe 606 des Ringkanals kann als ein Abstand zwischen der Ringfläche 260 und einem Kanalboden definiert sein. Die Tiefe 606 des Ringkanals kann im Allgemeinen über die Gesamtlänge des Ringkanals 502 konstant sein. In einigen Konfigurationen kann die Tiefe 606 des Ringkanals entlang der Länge des Ringkanals 502 variieren. Eine Breite 604 des Ringkanals kann als ein Abstand durch den Ringkanal 502 an der Ringfläche 260 definiert sein. Die Breite 604 des Ringkanals kann im Allgemeinen entlang der Länge des Ringkanals 502 konstant sein. In einigen Konfigurationen kann die Breite 604 des Ringkanals entlang der Länge des Ringkanals 502 variieren. 7 stellt einen einzelnen Ringkanal 502 dar, es können jedoch zusätzliche Kanäle ausgebildet sein, sodass eine Vielzahl von Ringkanälen entlang der Außenumfangsfläche 262 vorliegt.
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8 stellt eine dritte Konfiguration 340 einer elektrischen Maschine dar, die einen einzelnen Innenumfangskanal 504 beinhaltet, der in der Innenumfangsfläche 264 der Endwindungen 236 ausgebildet ist. Der Innenumfangskanal 504 kann den gesamten Umfang der Innenumfangsfläche 264 durchlaufen. In einigen Konfigurationen kann der Innenumfangskanal 504 eventuell nur einen Abschnitt des Umfangs der Innenumfangsfläche 264 durchlaufen. Eine Tiefe 610 des Innenumfangskanals kann als ein Abstand zwischen der Innenumfangsfläche 264 und einem Kanalboden definiert sein. Die Tiefe 610 des Innenumfangskanals kann im Allgemeinen entlang einer Länge des Innenumfangskanals 504 konstant sein. In einigen Konfigurationen kann die Tiefe 610 des Innenumfangskanals entlang der Länge des Innenumfangskanals 504 variieren. Eine Breite 608 des Innenumfangskanals kann als ein Abstand durch den Innenumfangskanal 504 an der Innenumfangsfläche 264 definiert sein. Die Breite 608 des Innenumfangskanals kann im Allgemeinen entlang der Länge des Innenumfangskanals 504 konstant sein. In einigen Konfigurationen kann die Breite 608 des Innenumfangskanals entlang der Länge des Innenumfangskanals 504 variieren. 8 stellt einen einzelnen Innenumfangskanal 504 dar, es können jedoch zusätzliche Kanäle ausgebildet sein, sodass eine Vielzahl von Innenumfangskanälen entlang der Innenumfangsfläche 264 vorliegt.
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Eine einem beliebigen der ausgebildeten Kanäle (z. B. 602, 604, 608) zugeordnete Breite kann über die Länge des zugeordneten Kanals variieren. Zum Beispiel kann eine thermische Analyse der Endwindungen 236 voraussichtliche heiße Stellen an den Endwindungen 236 identifizieren. Die Kanäle (z. B. 500, 502, 504) können dazu konfiguriert sein, eine vergrößerte Breite an den identifizierten heißen Stellen aufzuweisen, um mehr Kontakt mit dem Kühlmedium 286 bereitzustellen. Für Kanäle, die nicht vollständig um den Umfang verlaufen, kann die Kanaltiefe an den Enden verjüngt sein. Das heißt, die Kanaltiefe verläuft von der Endwindungsoberfläche an jedem Kanalende abgeschrägt. Durch Anpassen der Kanaltiefe kann der Zeitraum, während dessen das Kühlmedium 286 mit den Endwindungen 236 in Kontakt steht, gesteuert werden, sodass mehr oder weniger Zeit eingeräumt wird, in der Wärme auf das Kühlmedium 286 übertragen werden kann.
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Die einem beliebigen der ausgebildeten Kanäle (z. B. 600, 606, 610) zugeordnete Tiefe kann basierend auf der relativen Position entlang der Endwindungen 236 variieren. Zum Beispiel können manche Abschnitte der Endwindungen 236 mit einem tieferen Kanal besser gekühlt sein. Andere Abschnitte können mit einem flacheren Kanal konfiguriert werden, um eine schnellere Bewegung des Kühlmediums 286 über die Endwindungen 236 zu erleichtern. Die Tiefe, in der die Kanäle ausgebildet werden, kann basierend auf einer thermischen Analyse der elektrischen Maschine bestimmt werden. Die thermische Analyse kann ein thermisches Profil der elektrischen Maschine bereitstellen, die die zu erwartenden ungünstigsten Temperaturen an verschiedenen Stellen der elektrischen Maschine einschließlich der Endwindungen 236 identifiziert.
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An jeder beliebigen der Endwindungsoberflächen können die Kanäle als durchgehende Kanäle um den gesamten Umfang der Oberfläche definiert sein. Zum Beispiel können die Kanäle an der Ringfläche 260 als durchgehende Kanäle entlang der Ringfläche 260 definiert sein. Zum Beispiel können die Kanäle konzentrische Kreise an der Ringfläche 260 bilden. 9 stellt eine Konfiguration der Endwindungskanäle dar, die mehrere Ringkanäle aufweist. Ein erster Kanal 620 kann in der Ringfläche 260 in einer ersten radialen Position in Bezug auf die Mittelachse 256 ausgebildet sein. Ein zweiter Kanal 622 kann in der Ringfläche 260 in einer zweiten radialen Position in Bezug auf die Mittelachse 256 ausgebildet sein. Ein dritter Kanal 624 kann in der Ringfläche 260 in einer dritten radialen Position in Bezug auf die Mittelachse 256 ausgebildet sein.
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In einigen Konfigurationen können die Kanäle eine vorgegebene Bogenlänge mit Spalten zwischen Kanälen (d. h. nicht durchgehenden Kanälen) in einem gegebenen radialen Abstand von der Mittelachse durchlaufen. 10 stellt eine Konfiguration mit nicht durchgehenden Kanälen dar, die in der Ringfläche 260 in einem vorgegebenen radialen Abstand 670 von der Mittelachse 256 definiert sind. Ein erster Kanal 650 kann in der Ringfläche 260 im vorgegebenen radialen Abstand 670 von der Mittelachse 256 ausgebildet sein. Der erste Kanal 650 kann eine Bogenform aufweisen, die einen ersten Winkel 658 aufspannt. Ein zweiter Kanal 652 kann in der Ringfläche 260 im vorgegebenen radialen Abstand 670 von der Mittelachse 256 ausgebildet sein. Der zweite Kanal 652 kann eine Bogenform aufweisen, die einen zweiten Winkel 660 aufspannt. Ein dritter Kanal 654 kann in der Ringfläche 260 im vorgegebenen radialen Abstand 670 von der Mittelachse 256 ausgebildet sein. Der dritte Kanal 654 kann eine Bogenform aufweisen, die einen dritten Winkel 656 aufspannt. Ein erster Spaltwinkel 664 kann die Bogenlänge zwischen dem ersten Kanal 650 und dem zweiten Kanal 652 definieren. Ein zweiter Spaltwinkel 666 kann die Bogenlänge zwischen dem zweiten Kanal 652 und dem dritten Kanal 654 definieren. Ein dritter Spaltwinkel 662 kann die Bogenlänge zwischen dem ersten Kanal 650 und dem dritten Kanal 654 definieren. In einigen Konfigurationen können der erste Winkel 658, der zweite Winkel 660 und der dritte Winkel 656 gleich sein, sodass der erste Kanal 650, der zweite Kanal 652 und der dritte Kanal 654 gleiche Bogenlängen entlang des Ringfläche 260 durchlaufen. Darüber hinaus können der erste Spaltwinkel 664, der zweite Spaltwinkel 666 und der dritte Spaltwinkel 662 gleich sein, sodass der erste Kanal 650, der zweite Kanal 652 und der dritte Kanal 654 in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind. In anderen Konfigurationen können der erste Spaltwinkel 664, der zweite Spaltwinkel 666 und der dritte Spaltwinkel 662 unterschiedlich sein, sodass die Abstände zwischen den Kanälen unterschiedlich sind. In anderen Konfigurationen können der erste Winkel 658, der zweite Winkel 660 und der dritte Winkel 656 unterschiedlich sein, sodass der erste Kanal 650, der zweite Kanal 652 und der dritte Kanal 654 ungleiche Bogenlängen entlang der Ringfläche 260 durchlaufen. Darüber hinaus können der erste Kanal 650, der zweite Kanal 652 und der dritte Kanal 654 in unterschiedlichen radialen Abständen von der Mittelachse 256 definiert sein.
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Die Darstellungen der 9–10 in Bezug auf die Ringfläche 260 gelten in gleicher Weise für die Außenumfangsfläche 262 und die Innenumfangsfläche 264. Das heißt, mehrere Kanäle können ebenfalls entlang der Außenumfangsfläche 262 und der Innenumfangsfläche 264 ausgebildet sein. Zum Beispiel können Kanäle in unterschiedlichen axialen Positionen um die entsprechende Oberfläche definiert sein. Das heißt, Kanäle können im Allgemeinen parallel zueinander entlang der Umfangsfläche ausgebildet sein. In anderen Konfigurationen können einer oder mehrere der Kanäle einen nicht linearen Pfad in einigen Abschnitten des Umfangs durchlaufen. Zum Beispiel kann der Kanal an einem vorgegebenen Teilstück des Außenumfangs ein Zickzack-Muster bilden, um den Fluidkontakt im vorgegebenen Teilstück zu vergrößern. Darüber hinaus können nicht zusammenhängende Kanäle entlang der Außenumfangsfläche 262 und der Innenumfangsfläche 264 ausgebildet sein. Das heißt, die Kanäle können unterbrochen sein, während sie die Umfangsfläche durchlaufen.
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11 stellt eine Statorkonfiguration 700 dar, bei der die Endwindungen 236 einen Serpentinenkanal definieren. Der Serpentinenkanal kann eine Oberfläche durchlaufen, die eine Außenbogenfläche der Endwindungen, einen Abschnitt der Ringfläche der Endwindungen und eine Innenbogenfläche der Endwindungen einschließt. Die Außenbogenfläche kann eine Bogenlänge der Außenumfangsfläche 262 darstellen. Die Innenbogenfläche kann eine Bogenlänge der Innenumfangsfläche 264 darstellen. Der Serpentinenkanal kann dazu konfiguriert sein, das Kühlmedium von der Außenbogenfläche über den Abschnitt der Ringfläche zur Innenbogenfläche zu lenken. Der Serpentinenkanal kann dazu konfiguriert sein, jeweils mindestens einen Teil der Außenumfangsfläche 262, der Ringfläche 260 und der Innenumfangsfläche 264 zu durchlaufen.
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In einigen Konfigurationen kann ein Serpentinenkanal definiert sein, der von der Außenumfangsfläche 262 zur Innenumfangsfläche 264 verläuft. Der Serpentinenkanal kann aus einem ersten Kanalsegment 702 bestehen (z. B. in der Außenbogenfläche ausgebildet), das einen Abschnitt der Außenumfangsfläche 262 durchläuft. Der Serpentinenkanal kann ferner aus einem zweiten Kanalsegment 706 bestehen (z. B. in der Innenbogenfläche ausgebildet), das einen Abschnitt der Innenumfangsfläche 264 durchläuft. Der Serpentinenkanal kann ferner aus einem dritten Kanalsegment 704 und einem vierten Kanalsegment 708 bestehen (z. B. in einem Abschnitt der Ringfläche ausgebildet), die die Ringfläche 260 durchlaufen. Das erste Kanalsegment 702 kann an einem obersten Abschnitt der Außenumfangsfläche 262 definiert sein. Das erste Kanalsegment 702 kann dazu konfiguriert sein, das Kühlmedium 286 entlang der Außenumfangsfläche 262 hin zum dritten Kanalsegment 704 und vierten Kanalsegment 708 zu lenken. Das erste Kanalsegment 702 kann in der Weise definiert sein, dass an jedem Ende des Segments der Kanal in Richtung der Ringfläche 260 gelenkt wird. Das dritte Kanalsegment 704 und das vierte Kanalsegment 708 können über die Ringfläche 260 zwischen der Außenumfangsfläche 262 und der Innenumfangsfläche 264 verlaufen. Das dritte Kanalsegment 704 und das vierte Kanalsegment 708 können so angeordnet sein, dass das Kühlmedium 286 vom ersten Kanalsegment 702 aufgenommen wird. Das zweite Kanalsegment 706 kann in der Weise definiert sein, dass an jedem Ende des Segments das Kühlmedium 286 vom dritten Kanalsegment 704 und dem vierten Kanalsegment 708 aufgenommen wird.
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In dieser Konfiguration kann das Kühlmedium 286 ganz oben an der Außenumfangsfläche 262 der Endwindungen 236 aufgebracht (z. B. getropft oder gesprüht) werden. Das Kühlmedium 286 kann anschließend durch das erste Kanalsegment 702 in der Außenumfangsfläche 262, durch das dritte Kanalsegment 704 und das vierte Kanalsegment 708, definiert in der Ringfläche 260, und zum zweiten Kanalsegment 706, definiert in der Innenumfangsfläche 264, strömen. Das dritte Kanalsegment 704 und das vierte Kanalsegment 708, definiert in der Ringfläche 260, können nach unten abfallen, um das Strömen des Kühlmediums 286 zu vereinfachen. Das heißt, die Kanalsegmente können bei einem ersten Winkel an der Außenumfangsfläche 262 beginnen und bei einem zweiten Winkel an der Innenumfangsfläche 264 enden. Die spezifische Konfiguration für den Serpentinenkanal kann von der erwarteten Ausrichtung der elektrischen Maschine abhängen. Die Platzierung der Segmente, die den Serpentinenkanal bilden, kann in der Weise konfiguriert sein, dass die Schwerkraft das Strömen des Kühlmediums 286 entlang des Kanals unterstützt.
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Der Serpentinenkanal kann als durchgehender Kanal konfiguriert sein, der jede der Oberflächen der Endwindungen 236 durchläuft Der Serpentinenkanal ermöglicht, dass das Kühlmedium 286 über jede der Oberflächen strömt. Zum Beispiel kann das erste Kanalsegment 702 in der Außenumfangsfläche 262 in einer obersten Seite (z. B. dem höchsten Punkt in Bezug auf den Boden) der Endwindungen 236 ausgebildet sein. Die oberste Position kann vom tatsächlichen Einbau der elektrischen Maschine im Fahrzeug abhängig sein. Das erste Kanalsegment 702 kann die Außenumfangsfläche 262 über eine vorgegebene Bogenlänge der Außenumfangsfläche 262 (z. B. Außenbogenfläche) durchlaufen. Das erste Kanalsegment 702 kann anschließend zur Ringfläche 260 hingeführt werden. Das dritte Kanalsegment 704 und das vierte Kanalsegment 708 können an der Ringfläche 260 ausgebildet sein, sodass das Kühlmedium 286 durch die Kanalsegmente über die Ringfläche 260 zur Innenumfangsfläche 264 strömen kann. Das zweite Kanalsegment 706 kann in der Innenumfangsfläche 264 ausgebildet sein. Das zweite Kanalsegment 706 kann eine vorgegebene Bogenlänge der Innenumfangsfläche 264 (z. B. Innenbogenfläche) durchlaufen.
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Ein Vorteil von zusätzlichen Kanälen an den Endwindungen 236 liegt darin, dass die Kühlleistung der elektrischen Maschine verbessert werden kann. Die Kanäle bilden einen vorhersehbaren Pfad, über den das Kühlmedium über die Endwindungen 236 strömt. Endwindungsauslegungen nach dem Stand der Technik beinhalten diese beabsichtigten Kanäle nicht und können nicht sicherstellen, dass das Kühlmedium vorhersehbar über die Oberfläche strömt. Darüber hinaus erfordert das Einbeziehen der Kanäle in die Endwindungen 236 keine zusätzlichen Komponenten. Insgesamt wird die Wärmeleistung der elektrischen Maschine durch Einbeziehen der Kanäle in die Endwindungen verbessert.
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Während vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen von den Ansprüchen umfassten Formen beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Wörter sind eher beschreibender als eingrenzender Art und es wird klargestellt, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Geist und Geltungsbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie vorstehend beschrieben, können die Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die evtl. nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Während verschiedene Ausführungsformen als gegenüber anderen Ausführungsformen oder Realisierungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehreren wünschenswerten Eigenschaften vorteilhaft oder bevorzugt hätten beschrieben werden können, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass eines oder mehrere Merkmale oder Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Attribute des Systems als Ganzes zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Umsetzung abhängig sind. Diese Attribute können Folgendes beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein: Kosten, Stärke, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit der Montage usw. Als solche liegen Ausführungsformen, die als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften beschrieben werden, nicht außerhalb des Geltungsbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Normenfamilie 802 des Institute of Electrical and Elecronic Engineers (IEEE) [0023]
