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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung und ein Verfahren zum Abführen von im Betrieb eines Elektromotors in einem Stator entstehender Wärme.
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Bei dem Betrieb elektrischer Maschinen, insbesondere von Elektromotoren, entsteht Wärme, die abgeführt werden muss, da eine zu hohe Temperatur die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit der Elektromotoren verringert. Bei bisherigen Kühlungsverfahren und -vorrichtungen von Statoren in Elektromotoren erfolgt die Kühlung mittels einer Wasserkühlung oder einer Ölkühlung eines Gehäuses des Stators oder von Wickelköpfen einer in dem Stator enthaltenen Statorwicklung. Daneben gibt es Vorrichtungen und Verfahren, bei denen zur Kühlung ein Fluid direkt um die Statorwicklung geführt wird. Bei diesen Vorrichtungen und Verfahren wird ein Luftspaltzylinder verwendet, der den Statorraum abdichtet, wodurch das Fluid gezwungen wird, an den Kupferleitungen des Stators entlang zufließen.
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Aus dem Dokument CH 332979 ist ein Statorwicklungsstab für Turbogeneratoren bekannt, bei dem eine direkte Kupferkühlung mittels eines Gases oder einer Flüssigkeit vorgesehen ist. Dabei ist auf mindestens einer Längsseite der Leiter des Wickelstabes ein Formstück aus Isoliermaterial vorgesehen, welches durch die Nutenisolation an den Stab angepresst wird und zusammen mit diesem eine Anzahl von Kanälen bildet, die eine Durchströmung des Kühlmittels in der Längsrichtung der Statornut gestatten.
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Aus dem Dokument
DE 102 35 503 A1 ist eine Maschine mit einer in einem Wickelträger angeordneten kühlbaren Wicklung sowie mit einer Drehmoment übertragenden Einrichtung bekannt. Die Maschine weist dabei einen Rotor mit einer zu kühlenden, supraleitenden Wicklung in einem Wicklungsträger auf, wobei der Rotor vakuumisoliert ausgebildet ist. Ferner wird eine indirekte Kühlung der Wicklung durch eine Kühlmittelzufuhr von außerhalb der Maschine offenbart.
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Aus dem Dokument
DE 10 2005 008 282 A1 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einem Stator, mit einer supraleitenden Wicklung, bekannt. In den Stator ist ein Rotor koaxial eingeführt, wobei zwischen einem Magneten und dem Stator ein Luftspalt gebildet ist. Dabei werden diese axialen Durchgänge zur besseren Wärmeabfuhr von Luft oder einem anderen Kühlmittel durchströmt.
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Die Verwendung derartiger Vorrichtungen und Verfahren zur Kühlung von Elektromotoren bringt eine Reihe von Nachteilen mit sich. So wird bei der Verwendung eines Luftspaltzylinders der magnetische Kreis innerhalb eines Elektromotors verschlechtert, da ein effektiver Luftspalt zwischen den Magneten nahezu verdoppelt wird. Damit derartige Elektromotoren die gleiche maximale Leistung erreichen, muss mehr Strom zugeführt oder es müssen größere Magnete verwendet werden, was die Kosten erhöht und den Wirkungsgrad des Elektromotors verschlechtert. Ein weiterer Nachteil der sich aus der Verwendung derartiger Vorrichtungen und Verfahren ergibt, ist, dass das Statorblechpaket nur indirekt über das Gehäuse gekühlt wird, wodurch der thermische Widerstand zwischen Verlustquelle und Kühlmedium relativ hoch und die Wärmeabfuhr nicht ausreichend ist.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Abführen von im Betrieb eines Elektromotors in einem Stator entstehender Wärme bereitzustellen, ohne Leistung des Elektromotors einzubüßen und/oder ohne mehr Energie oder größere Magnete bereitstellen zu müssen. Darüber hinaus ist es Aufgabe, ein entsprechendes Verfahren zum Abführen von im Betrieb eines Elektromotors in einem Stator entstehender Wärme anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung und einem Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Abführen von im Betrieb eines Elektromotors in einem Stator entstehender Wärme, umfassend einen Rotor und einen Stator, wobei der Stator eine Vielzahl von Statornuten aufweist, und wobei jede der Statornuten mindestens eine Statorwicklung umfasst, die in einem Statorblechpaket eingefasst ist.
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Erfindungsgemäß ist in mindestens einer Statornut mindestens ein Nutkühler ausgebildet. Ein Nutkühler ermöglicht zusätzlich zu einer indirekten Kühlung des Statorblechpakets über ein das Statorblechpaket umfassendes Gehäuse eine direkte Kühlung der Statorwicklung. Dadurch wird die Wärmeaustauschfläche erhöht, wodurch ein erhöhter Wärmeaustausch erzielbar ist. Der erhöhte Wärmeaustausch verbessert die Wärmeabfuhr und somit die Kühlung des Elektromotors.
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In Ausgestaltung umschließt der Nutkühler die mindestens eine Statorwicklung. Zwischen dem Nutkühler und der mindestens einen Statorwicklung ist vorzugsweise ein Raum, insbesondere ein Fluidraum ausgebildet. Der Fluidraum ist ausgebildet ein Fluid, insbesondere ein Kühlfluid aufzunehmen. Das Fluid ist vorzugsweise Wasser oder ein Flüssigmetall oder ein Gemisch daraus. Der Nutkühler ist eingerichtet, basierend auf seiner die mindestens eine Statorwicklung umschließenden Ausbildung, ein in den Fluidraum eingebrachtes Fluid entlang der mindestens einen Statorwicklung zu führen. Ein direkter Wärmeaustausch zwischen der mindestens einen Statorwicklung und dem Fluid ist erzielbar. Dadurch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung eingerichtet, die mindestens eine Statorwicklung des Elektromotors direkt zu kühlen. Zusätzlich zu der indirekten Kühlung des Statorblechpakets über das Gehäuse wird somit eine direkte Kühlung der mindestens einen Statorwicklung ermöglicht, wodurch eine Erhöhung der kurzzeitigen Leistung ermöglicht wird. Ferner wirkt sich die direkte Kühlung positiv auf die Dauerleistung des Elektromotors aus. In Ausgestaltung werden in allen Statornuten jeweilige Nutkühler angeordnet, so dass alle von den jeweiligen Statornuten umfassten Statorwicklungen durch den jeweiligen Nutkühler direkt gekühlt werden.
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In Ausgestaltung ist der Nutkühler zwischen der Statorwicklung und dem Statorblechpaket ausgebildet. Durch die Lage des Nutkühlers zwischen der Statorwicklung und dem Statorblechpaket wird eine verbesserte Kühlung des Elektromotors erzielt. Die zusätzliche Kühlung der Statorwicklung durch den Nutkühler verringert den thermischen Widerstand zwischen Statorblechpaket und Gehäuse, wodurch die Wärmeabfuhr der indirekten Kühlung nach außen verbessert wird.
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In weiterer Ausgestaltung weist der Nutkühler eine erste Seite bzw. ein erstes Ende und eine zweite Seite bzw. ein zweites Ende auf, wobei die erste Seite geschlossen und die zweite Seite offen ausgebildet ist. Die erste Seite weist eine Öffnung auf, durch die ein Fluid in den Fluidraum einbringbar ist. Vorzugsweise ist die Öffnung als Durchgangsloch einer Fläche der geschlossenen Seite des Nutkühlers ausgebildet. Die Öffnung ist verschließbar ausgebildet. Die zweite Seite des Nutkühlers ist offen ausgebildet und ist eingerichtet, das Fluid an einen Innenraum des Elektromotors abzugeben.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Nutkühler derart eingerichtet, dass ein Fluid von der ersten Seite des Nutkühlers zur zweiten Seite des Nutkühlers entlang der Statorwicklung führbar ist. Vorzugsweise ist der Nutkühler ausgebildet das Fluid, basierend auf seiner umschließenden Ausgestaltung, direkt an der Statorwicklung entlang zu führen. Die Führung des Fluids entlang der Statorwicklung ermöglicht einen direkten Kontakt zwischen dem Fluid und der Statorwicklung. Durch den Durchfluss des Fluids wird ein optimaler Wärmeaustausch zwischen Fluid und Statorwicklung erzielt. Das Fluid ist vorzugsweise Wasser oder ein Flüssigmetall oder ein Gemisch daraus. Der Nutkühler ist eingerichtet, an seinem zweiten Ende das Fluid, nachdem es entlang der Statorwicklung geflossen ist, an einen Innenraum des Elektromotors abzugeben.
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Die Statorwicklung ist aus gewickelten Drähten, insbesondere Kupferdrähten gebildet. Vorzugsweise sind die Kupferdrähte als Leiter, insbesondere u-förmige Leiter, ausgebildet. Alternativ sind die Kupferdrähte spiralförmig ausgebildet. Die Kupferdrähte sind eingerichtet, einen elektrischen Strom zu führen und ein Magnetfeld auszubilden. Zwischen den Kupferdrähten sind Hohlräume ausgebildet, durch die das geführte Fluid durchfließen kann, wodurch die Kupferdrähte von dem Fluid umgeben sind, so dass die Wärme der Kupferdrähte direkt an das Fluid abgegeben und somit eine optimaler Wärmeaustausch stattfinden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform entspricht die Anzahl der Nutkühler der Anzahl der Statornuten. Vorzugsweise weist jede Statornut einen Nutkühler auf. Dadurch ist der größtmögliche Wärmeaustausch erzielbar. Alternativ weist mindestens eine Statornut einen Nutkühler auf. Optional weist mindestens jede zweite Statornut einen Nutkühler auf. Je mehr Statornuten einen Nutkühler aufweisen, desto höher ist das erzielbare Kühlergebnis des Stators in dem Elektromotor.
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In einer Ausführungsform ist der Nutkühler mindestens zweiteilig ausgebildet. Dadurch kann ein erster Teil des Nutkühler bereits in der Vorfertigung zusammen mit der Statorwicklung ausgebildet werden und anschließend mit einem zweiten Teil des Nutkühlers zusammengeklebt werden. Alternativ ist der Nutkühler einteilig ausgebildet, wobei die Statorwicklung durch Hindurchführen von Kupferdrähten durch den Nutkühler und anschließender Umbiegung der Kupferdrähte ausgebildet wird.
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In Ausgestaltung ist der Nutkühler aus einem elektrisch nicht leitenden Material ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass der Nutkühler keine Schwächung des Magnetfeldes versucht. Durch die nichtleitende Ausgestaltung des Nutkühlers wird das Magnetfeld des Elektromotors nicht beeinflusst.
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In weiterer Ausgestaltung ist der Nutkühler wenigstens teilweise zwischen den Kupferdrähten der jeweiligen Statorwicklung ausgebildet. Vorzugsweise bedeutet teilweise, dass der Nutkühler in den Hohlraum hineinragt, diesen jedoch nicht vollständig ausfüllt. Die teilweise Ausbildung des Nutkühlers in den Hohlräumen, welche zwischen den Kupferdrähten ausgebildet sind, erfolgt vorzugsweise bei niedrigen Potentialdifferenzen zwischen den Kupferdrähten. Durch die teilweise Ausbildung des Nutkühlers in den Hohlräumen der Kupferdrähte wird zum einen der Fluidfluss aufrechterhalten, zum anderen wird gleichzeitig durch den durch den Nutkühler ausgebildeten größeren Abstand zwischen den Kupferdrähten eine bessere Isolation der Kupferdrähte untereinander erreicht, wodurch einem Spannungsüberschlag vorgebeugt werden kann. Alternativ ist sind die Hohlräume Nutkühler-frei ausgebildet.
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In einer Ausgestaltungsform ist der Nutkühler vollständig zwischen den Kupferdrähten ausgebildet. Die vollständige Ausgestaltung des Nutkühlers in den Hohlräumen, welche zwischen den Kupferdrähten ausgebildet sind, erfolgt vorzugsweise bei höheren Potentialdifferenzen zwischen den Kupferdrähten. Dies bietet den Vorteil, dass zwischen Kupferdrähten mit höheren Potentialdifferenzen ein größerer Abstand geschaffen wird, wodurch die Isolierung zwischen den Kupferdrähten verbessert wird. Dadurch wird die Betriebssicherheit und die Zuverlässigkeit des Elektromotors verbessert. Optional sind nur einige der Hohlräume vollständig mit dem Nutkühler ausgefüllt, während andere Hohlräume von dem Fluid durchfließbar sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Abführen von im Betrieb eines Elektromotors in einem Stator entstehender Wärme unter Verwendung einer Kühlvorrichtung ausgebildet. Ein Nutkühler wird in mindestens eine Statornut zwischen eine Statorwicklung und ein Statorblechpaket des Stators eingebracht. Der Nutkühler kann zweiteilig ausgebildet sein, sodass ein Teil des Nutkühlers während eines Herstellungsprozesses des Stators in einer ersten Hälfte der mindestens einen Statornut vorinstalliert werden kann. Optional ist die Statorwicklung in die erste Hälfte der Statornut mit dem einen Teil des Nutkühlers einsetzbar. Anschließend kann die erste Hälfte der Statornut mit einer zweiten Hälfte der Statornut, in der der zweite Teil des Nutkühlers angeordnet ist, zusammengeführt werden, insbesondere zusammengeklebt werden. Alternativ ist der Nutkühler einteilig ausgebildet. Bei dem Herstellungsprozess mit einem einteiligen Nutkühler werden Kupferdrähte durch den Fluidraum des Nutkühlers geführt und an der ersten Seite des Nutkühlers umgebogen. Anschließend werden die Kupferdrähte zur Herstellung einer Statorwicklung zusammengelötet.
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Ein Fluid wird durch eine Öffnung an einer ersten Seite des Nutkühlers in den durch den Nutkühler gebildeten Fluidraum eingebracht. Der Nutkühler weist eine erste und eine zweite Seite auf, wobei die erste Seite geschlossen und die zweite Seite geöffnet ausgebildet ist. Die erste Seite des Nutkühlers weist die Öffnung auf, die in einer Fläche der ersten Seite des Nutkühlers verschließbar ausgebildet ist, durch die das Fluid in den durch den Nutkühler gebildeten Fluidraum einbringbar ist.
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Das Fluid wird entlang der aus einer Vielzahl von Kupferdrähten gebildeten Statorwicklung basierend auf der Form des Nutkühlers geführt. Der Nutkühler ist derart um die Kupferdrähte der Statorwicklung umschließend ausgebildet, dass er das Fluid zwingt, an den Kupferdrähten entlangzufließen.
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Das Fluid wird gleichzeitig durch von der Statorwicklung bzw. den Kupferdrähten ausgebildete Hohlräume geführt. Die Hohlräume werden durch die Kupferdrähte der Statorwicklung ausgebildet, die zur Herstellung der Statorwicklung u-förmig umgebogen sind.
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Es erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und den Kupferdrähten der Statorwicklung. Die von den Kupferdrähten an das Fluid abgegebene Wärme wird über das Fluid in einen Innenraum des Elektromotors abgeführt.
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Die Kühlvorrichtung und das Verfahren sind anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
- 1 zeigt in schematischer Darstellung eines Längsschnittes die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zum Abführen von im Betrieb eines Elektromotors in einer Statorwicklung entstehender Wärme,
- 2 zeigt in schematischer Darstellung eines Querschnittes die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zum Abführen von im Betrieb eines Elektromotors in einer Statorwicklung entstehender Wärme,
- 3 zeigt in schematischer Darstellung eines Querschnittes die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung in einer Ausführungsform bei niedrigeren Potenzialdifferenzen zwischen zwei benachbarten Kupferdrähten einer Statorwicklung,
- 4 zeigt in schematischer Darstellung eines Querschnittes die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung in einer Ausführungsform mit höheren Potenzialdifferenzen zwischen einigen der benachbarten Kupferdrähten einer Statorwicklung.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugsziffern zugeordnet.
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1 zeigt eine schematische Darstellung in Längsschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 10 zum Abführen von im Betrieb eines Elektromotors in einem Stator 19 (siehe 2) entstehender Wärme.
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In einer Statornut 11 des Stators 19 ist ein Statorblechpaket 12 sowie eine Statorwicklung 13 angeordnet. Die Statorwicklung 13 wird dabei von dem Statorblechpaket 12 umgeben. Die Statorwicklung 13 besteht aus mehreren Kupferdrähten 17. Die Kupferdrähte 17 sind vorzugsweise u-förmig ausgebildet und sind als Leiter zusammengeschlossen. Zwischen den Kupferdrähten 17 bilden sich bei der Ausbildung der Statorwicklung 13 Hohlräume 18 aus. Zwischen dem Statorblechpaket 12 und der Statorwicklung 13 ist der erfindungsgemäße Nutkühler 14 angeordnet. Der Nutkühler 14 weist eine erste Seite 15a und eine zweite Seite 15b auf. Die erste Seite 15a des Nutkühlers 14 ist geschlossen ausgebildet, während die zweite Seite 15b des Nutkühlers 14 offen ausgebildet ist. Der Nutkühler 14 ist die Statorwicklung 13 umschließend ausgebildet. Der Nutkühler 14 bildet einen Fluidraum 16 aus, wobei durch eine in einer Fläche der ersten Seite 15a des Nutkühlers 14 ausgebildete Öffnung 20 ein Fluid einführbar ist, welches aufgrund der Ausformung des Nutkühlers 14 entlang der Statorwicklung 13 in Richtung der zweiten Seite 15b des Nutkühlers 14 geführt fließt. Das Fluid fließt ferner durch die Hohlräume 18 zwischen den Kupferdrähten17 der Statorwicklung 13. Das Fluid fließt nach einem erfolgten Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und der Statorwicklung 13 in einen - nicht gezeigten- Innenraum des Elektromotors ab.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung des Nutkühlers 14 in einem Stator 19 mit mehreren Statornuten 11. Beispielhaft ist die Ausbildung eines Nutkühlers 14 in einer der Statornuten 11 mit einem Nutkühler 14 ausgebildet, gezeigt. Zudem wird eine Strömungsrichtung a des Fluids, welches durch die erste Seite 15a des Nutkühler 14 in den Nutkühler 14 eingebracht wird, gezeigt. Das Fluid wird über eine Öffnung 20, die in einer Fläche der ersten Seite 15a des Nutkühlers 14 ausgebildet ist, in den Fluidraum 16 eingebracht. Basierend auf der Ausformung des Nutkühlers 14 wird das Fluid entlang der Kupferdrähte 17 der Statorwicklung 13 in Strömungsrichtung a entlang der Statornut 11 geführt, wo es an der zweiten Seite 15b des Nutkühlers 14 in den - nicht gezeigten - Innenraum des Elektromotors abgegeben wird.
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In 3 ist ein Querschnitt durch eine Statornut 11 eines Stators 19 mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 10 in einer Ausführungsform bei niedrigeren Potentialdifferenzen zwischen zwei benachbarten Kupferdrähten 17 der Statorwicklung 13 gezeigt. Dargestellt sind die Kupferdrähte 17 der Statorwicklung 13, wobei zwischen den Kupferdrähten 17 Hohlräume 18 ausgebildet sind. Der Nutkühler 14 ist um die Kupferdrähte 17 umschließend ausgebildet, wobei der Nutkühler zumindest teilweise in die Hohlräume zwischen den Kupferdrähten 17 hineinreicht. Der Nutkühler 14 wird von dem Statorblechpaket 12 vollständig umgeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren strömt das Fluid entlang der Hohlräume 18 des Fluidraums 16 und entlang der Kupferdrähte 17. Zwischen dem Fluid und den Kupferdrähten 17 wird Wärme ausgetauscht, wobei das Fluid, welches Wärme aus den Kupferdrähten 17 aufgenommen hat, an einen Innenraum des Elektromotors abgegeben wird. Aufgrund der niedrigeren Potenzialdifferenzen zwischen den benachbarten Kupferdrähten 17, ist eine vollständige Trennung der Kupferdrähte 17 durch den Nutkühler 14 nicht erforderlich.
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4 zeigt einen Querschnitt durch eine Statornut 11 eines Stators 19 mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 10 in einer Ausführungsform bei höheren Potentialdifferenzen zwischen je zwei benachbarten Kupferdrähten 17 der Statorwicklung 13. Dargestellt sind die Kupferdrähte 17 der Statorwicklung 13, wobei zwischen wenigstens zwei Kupferdrähten 17 ein Hohlraum 18 ausgebildet ist und zwischen mindestens zwei Kupferdrähten 17 ein in einen Hohlraum 18 hineinreichender Nutkühler 21 ausgebildet ist. Der Nutkühler 14 ist somit um die Kupferdrähte 17 umschließend ausgebildet, wobei der Nutkühler 14 einige Hohlräume 18 zwischen zwei benachbarten Kupferdrähten 17 vollständig einnimmt und dadurch als in die Hohlräume 18 hineinreichender Nutkühler 21 ausgebildet ist. Der Nutkühler 14 wird von dem Statorblechpaket 12 vollständig umgeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abführen von im Betrieb eines Elektromotors in einer Statorwicklung entstehender Wärme, strömt das Fluid durch den Fluidraum 16 und durch die Hohlräume 18 entlang der Kupferdrähte 17 von der ersten Seite 15a des Nutkühlers 14 zur zweiten Seite 15b. Aufgrund der höheren Potentialdifferenzen zwischen benachbarten Kupferdrähten 17, erfolgt eine vollständige Trennung zwischen mindestens zwei benachbarten Kupferdrähten 17 durch Ausbildung des Nutkühlers 14 zwischen den Kupferdrähten 17. Dadurch wird ein größerer Abstand zwischen Kupferdrähten 17 mit unterschiedlichen Spannungen geschaffen, wodurch eine bessere Isolierung der Kupferdrähte 17 erzielt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kühlvorrichtung
- 11
- Statornut
- 12
- Statorblechpaket
- 13
- Statorwicklung
- 14
- Nutkühler
- 15a
- erste Seite des Nutkühlers
- 15b
- zweite Seite des Nutkühlers
- 16
- Fluidraum
- 17
- Kupferdraht
- 18
- Hohlraum
- 19
- Stator
- 20
- Öffnung
- 21
- in einen Hohlraum hineinreichender Nutkühler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10235503 A1 [0004]
- DE 102005008282 A1 [0005]
