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Die Erfindung betrifft einen Kühlkanal für einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine sowie einen Stator mit einem derartigen Kühlkanal.
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Unter dem Begriff „elektrische Maschine“ ist im Wesentlichen ein elektrischer Motor oder ein elektrischer Generator mit einem Stator und einem Rotor zu verstehen, wobei der Rotor gegenüber dem Stator um eine gemeinsame Mittelachse drehbar gelagert ist. Der Stator umfasst ein Statorblechpaket und eine stromführende Wicklung. Die Wicklung ist dabei bevorzugt in über den Umfang verteilten axial verlaufenden Nuten des Statorblechpakets angeordnet. Die Wicklung bildet eine Vielzahl von Spulen/Halbspulen aus, wobei eine Spule/Halbspule zwei in unterschiedlichen Nuten verlaufenden Stromleiterabschnitte und zwei/eine diese Stromleiterabschnitte endseitig des Statorblechpakets verbindenden Verbindungsabschnitt umfasst. Nur der axial innerhalb einer Nut verlaufende Wicklungsanteil ist drehmomentenbeitragend; er wird auch als aktive Länge bezeichnet. Demgegenüber sind die Teile der Wicklung, welche die aktiven Längen an den Stirnenden des Blechpakets elektrisch verbinden drehmomentenblind; dieser axial außerhalb des Blechpakets liegende Teil wird auch als Wickelkopf bezeichnet. Ein Wickelkopf kann folglich als der ein Statorblechpaket axial überragende Teil einer Wicklung angesehen werden.
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In einer Nut können mehrere Leiterabschnitte platziert sein (Mehrlagen-System).
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Mit steigender Temperatur sinkt der Wirkungsgrad von elektrischen Maschinen, insbesondere von Traktionsmotoren für elektrische Fahrzeuge, weshalb die elektrischen Maschinen bekannterweise mittels eines Kühlfluids gekühlt werden. Dies erfolgt z.B. über eine von Wasser durchflossene Kühlhülse/-kanal oder Kühlmantel, welche einen Stator bzw. dessen Statormantel indirekt kühlt. Eine indirekte Kühlung bedeutet, dass das Kühlfluid und die Hitzequelle keinen direkten Kontakt haben. Um den Wirkungsgrad zu steigern, ist es weiterhin bekannt, Wickelköpfe direkt zu kühlen. Hierbei kommt zumeist dielektrisches Öl zum Einsatz, welches durch den Wickelkopf gepumpt wird.
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US 2017 310 189 beschreibt eine Wickelkopfkühlung in Form einer Kühlkappe für elektrische Motoren.
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DE 10 2015 220 112 A1 beschreibt eine Abdeckeinheit für einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine, wobei die Abdeckeinheit einen Kühlkanal aufweist, welcher sich entlang der Umfangsrichtung des Stators erstreckt.
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Weiterhin ist bekannt, dass eine Wicklung auch aus Stableitern zusammengesetzt sein kann, welche in Nuten eines Blechpakets eingesetzt bzw. eingezogen sind. Die Stableiter sind paarweise zu Halbspulen verbunden. Dies kann unmittelbar, etwa durch Aufeinanderzubiegen und direktes Verschweißen der Stableiter, oder auch mittelbar, etwa durch die Distanz zwischen zwei Stableitern überbrückende Verschaltungsstegen (synonym Stirnverbinder), erfolgen.
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Stableiter können einteilig (Massivleiter) oder mehrteilig (Drahtlitzen) sein und beispielsweise in Form von Haarnadeln (Hairpins) oder I-förmig (I-Pins) ausgebildet sein. Stableiter können insbesondere auch als formverpresste und verdrillte Drahtlitzen ausgestaltet sein.
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Mittels des Wickelkopfs werden die innerhalb des Stators angeordneten Segmentleiter oder Stableiter an ihren Enden miteinander und nach einem vorbestimmten Muster verschaltet.
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Für unmittelbar verschaltete Stableiter, beispielsweise Hairpinwicklungen, ist eine Wickelkopfkühlung durch das Aufsetzen einer Kühlkappe problemlos zu realisieren. Für mit Verschaltungsstegen ausgestattete Wickelköpfe ist eine direkte Kühlung schwer umsetzbar, da die einzelnen Verschaltungsstege durch Halter gehalten werden müssen. Insbesondere für mobile Anwendungen, bei denen starke Vibrationen auftreten, ist der sichere Halt von Verschaltungsstegen gefährdet. Daher werden Verschaltungsstege für mobile Anwendungen zumeist unmittelbar aufeinander platziert und durch Harz vergossen. Dies sichert den elektrischen Kontakt vor einer Unterbrechung durch beispielsweise vibrationsbedingten Ermüdungsbruch in einer Schweißstelle, bringt allerdings Nachteile bei der Kühlung des Wickelkopfs.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine direkte und verbesserte Kühlung für eine elektrische Maschine bzw. deren Wickelkopf, insbesondere einen mit Verschaltungsstegen ausgestatteten Wickelkopf, bereitzustellen.
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Hierzu ist erfindungsgemäß ein Kühlkanal gemäß Anspruch 1 vorgesehen. Im Detail wird ein Kühlkanal für einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine bereitgestellt, wobei der Kühlkanal zum Führen eines Kühlfluids mit mindestens einem Zufluss und mindestens einem Abfluss und zur Anordnung um den Wickelkopf ringförmig ausgebildet ist. Der Kühlkanal weist eine Vielzahl von Trennwänden auf, die derart angeordnet sind, dass parallele Teilkanäle zwischen dem mindestens einen Zufluss und dem mindestens einen Abfluss ausgebildet werden, wobei der Zufluss radial außen, bezüglich des Kühlkanals, und der Abfluss radial innen angeordnet sind oder der Zufluss radial innen und der Abfluss radial außen angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass definierte Kanäle mittels der Trennwände ausgebildet werden und somit der Fluss des Kühlfluids definierte Wege beschreibt. Dadurch wird sichergestellt, dass alle Segmentleiter gekühlt, bevorzugt gleich stark gekühlt, werden und somit der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erhöht wird. Hotspots aufgrund ungleicher Kühlmittelverteilung können vermieden bzw. verringert werden. Ebenso erlaubendefinierte Kühlkanäle eine technisch vorteilhafte Ausgestaltung der Strömung. So kann beispielsweise eine Reduzierung oder eine Erhöhung von Verwirbelungen des Kühlstroms und/oder eine Reduzierung oder Erhöhung der Kühlflussgeschwindigkeit und/oder eine Reduzierung oder Erhöhung der Kühlflussmenge beeinflusst werden. Dadurch kann die Kühlwirkung des Wickelkopfes verbessert werden.
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Unter parallele Teilkanäle ist eine fluidische Parallelschaltung, nicht eine geometrische Parallelität der Teilkanäle, zu verstehen.
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Die Trennwände erlauben es ebenfalls oder sind vorzugsweise derart ausgebildet, als Befestigung bzw. Halterung für die Verschaltungsstege des Wickelkopfs zu dienen. Dabei werden ein oder mehrere Verschaltungsstege zwischen den Trennwänden an einem vorbestimmten Platz angeordnet bzw. gehalten und an einem Verrutschen bzw. Verschieben gehindert. Der elektrische Kontakt zwischen den Verschaltungsstegen und den Stableitern des Stators wird dadurch gesichert und vor einer Unterbrechung z.B. bei Vibrationen geschützt.
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Vorzugsweise fließt der Fluidstrom von radial außen nach radial innen. Dadurch kann der Fluidauslass gegebenenfalls mit einem Kühlauslass einer hohlen Rotorwelle, welche von einem Kühlfluid durchströmt wird, vereint werden.
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Vorzugsweise sind der Zufluss und/oder der Abfluss jeweils als ringförmiger Spalt ausgebildet, wobei der Zufluss und der Abfluss durch einen ringförmigen Deckenabschnitt des Kühlkanals voneinander getrennt sind. Diese bevorzugte Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein gleichmäßiger und überall stetiger Zufluss als auch Abfluss des Kühlfluids für den Wickelkopf ermöglicht wird.
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Vorzugsweise ist mindestens ein Teil der Vielzahl von Trennwänden strahlenförmig angeordnet und bilden radiale Trennwände. Dabei bilden die Trennwände Ebenen, die parallel zur Mittelachse des Stators sind. Dies hat den Vorteil, dass die Verschaltungsstege einzeln voneinander getrennt und sicherer gehalten werden können. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Verschaltungsstege aus einem Bogen sowie zwei radialen Stegen gebildet und die Stege jeweils zwischen zwei Trennwänden angeordnet sind/werden.
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Ebenso ist es von Vorteil, wenn mindestens ein Teil der Vielzahl von Trennwänden kreisbogenförmig ausgebildet sind und insbesondere gruppenweise konzentrisch zueinander angeordnet sind. Dies ist insbesondere für die Verschaltungsstege von Vorteil, wenn sie einen Verschaltungsbogen aufweisen bzw. bogenförmig ausgebildet sind. Dadurch können die Verschaltungsstege an einem vorbestimmten Platz angeordnet und gehalten werden.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn mindestens ein Teil der Vielzahl von Trennwänden konzentrisch und parallel - im geometrischen Sinne - zueinander angeordnete Isolationsringe aufweisen und/oder bilden. Diese Isolationsringe können als kreisringscheibenförmige Bodenplatten für die Verschaltungsstege verstanden werden und sind insbesondere senkrecht zur Mittelachse des Stators bzw. waagrecht angeordnet. Ebenso können diese Trennwände alternativ eine kegelförmige Mantelfläche haben. Sie helfen, verschiedene Verschaltungsebenen voneinander fluidisch und/oder elektrisch zu trennen sowie Verschaltungsstege zu halten.
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Um Kanäle um die Verschaltungsstege auszubilden, können die radialen Trennwände, die bogenförmigen Trennwände und/oder die waagrechten Trennwände (auch als Isolationsringe bezeichnet), stets oder zumindest teilweise, senkrecht zueinander angeordnet sein. Dies verhilft dem Kühlkanal zu mehr mechanischer Stabilität und besser geordneten Strömungspfaden für das Kühlfluid.
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Um die Verschaltungsstege innerhalb der Trennwände zu befestigen bzw. zu halten, weisen diese Trennwände Befestigungselemente, insbesondere Klemmelemente oder Noppen, auf. Diese Befestigungselemente erlauben es, den Einsatzbereich des Kühlkanals für unterschiedlich geformte bzw. dicke Verschaltungsstege zu ermöglichen und somit flexibler zu gestalten. Außerdem kann das Kühlfluid durch den von den Befestigungselementen erzeugten Abstand bzw. Raum zwischen Trennwand und Verschaltungssteg ungehindert durchfließen und die Verschaltungsstege besser kühlen.
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Alternativ können die Verschaltungsstege jedoch auch lose, dies heißt mit Spiel innerhalb der Trennwände positioniert sein. Dadurch steht Spiel für die Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen Verschaltungsstegen und Stableitern zur Verfügung. Toleranzabhängigkeiten können dadurch reduziert werden.
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Vorzugsweise ist die Vielzahl von Trennwänden aus einem elastischen und/oder elektrisch isolierenden Material gebildet. Dadurch können insbesondere Konstruktionstoleranzen besser ausgeglichen werden und der Kühlkanal insgesamt einfacher auf dem Wickelkopf angebracht werden.
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Die Trennwände können in Form von Nut-Feder-Verbindungen miteinander verbunden sein zum Dichten des Kühlkanals oder Teilen des Kühlkanals. Die Trennwände können alternativ oder zusätzlich Dichtmittel wie beispielsweise Dichtlippen aufweisen zum fluidischen Dichten von sich berührenden Trennwänden. Dabei können Dichtmittel als eigenständige Bauteile, etwa als O-Ringe, oder auch als angespritzte Bauteile einer Mehrkomponenten-Trennwand ausgeführt sein. Insbesondere können Dichtmittel zwischen horizontal übereinander liegenden Trennwänden bzw. Isolationsringen vorgesehen sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Kühlkanal ein- oder mehrteilig ausgebildet. Ein mehrteiliger Kanal ermöglicht es, die gesamte Ausgestaltung je nach Bedarf flexibel zu gestalten; so kann die Anzahl der Trenn- und/oder Außenwände je nach Wickelkopf angepasst und variieren.
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Ebenso von Vorteil ist es, wenn der Kühlkanal ein Dichtelement, insbesondere eine Dichtmatte, als Bodenkomponente und ein Statorkühlgehäuse als äußere Seitenwand aufweist. Diese besondere Ausführungsform zeigt, dass bereits vorhandene Komponenten des Stators für den Kühlkanal verwendet und somit zusätzliche Bauteile für den Kanal eingespart werden können.
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Erfindungsgemäß ist ein Stator gemäß Anspruch 11 vorgesehen. Dieser Stator, der insbesondere für einen Elektromotor vorgesehen ist, ist mit einer Vielzahl von Stableitern ausgebildet, wobei der Stator wenigstens einen Kühlkanal gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist und die Trennwände des Kühlkanals zwischen mindestens einem Teil der Stableiter angeordnet sind. In dieser Ausführungsform reichen die Stableiter in den Kühlkanal hinein und sind mit den in dem Kühlkanal angeordneten Verschaltungsstegen elektrisch verbunden. In einer weiteren Ausführungsform können die Verschaltungsstege aus dem Kühlkanal herausragen und außerhalb des Kühlkanals mit den Stableitern elektrisch verbunden sein.
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Vorzugsweise weist der Stator eine mit den Stableitern korrespondierende oder entsprechende Vielzahl von Verschaltungsstegen auf.
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Des Weiteren ist erfindungsgemäß eine elektrische Maschine mit einem Kühlkanal gemäß der vorliegenden Erfindung oder einem Stator wie zuvor offenbart vorgesehen.
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Die nachfolgend beschriebenen Figuren beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kühlkanals als auch des erfindungsgemäßen Stators, wobei diese Figuren nicht als Einschränkung, sondern im Wesentlichen der Veranschaulichung der Erfindung dienen. Elemente aus unterschiedlichen Figuren, aber mit denselben Bezugszeichen sind identisch; daher ist die Beschreibung eines Elements aus einer Figur für gleich bezeichnete bzw. gleich nummerierte Elemente aus anderen Figuren auch gültig.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht auf einen Stator mit zusammengesetzter Wicklung;
- 2 eine Seitenansicht auf den Stator gemäß 1;
- 3 eine Grundform einer Wickelkopfkühlung für einen Stator gemäß 1 und 2.
- 4A einen Querschnitt einer Statorhälfte gemäß 3 auf eine Verschaltungsebene;
- 4B eine schematische Draufsicht auf eine Statorhälfte gemäß 3 mit unterschiedlichen Ringbereichen.
- 5A eine Draufsicht auf einen Stator gemäß 3 in einer Ausführungsvariante mit ausschließlich radialen Trennwänden mit einem Stufenschnitt nach 5B.
- 5B einen Querschnitt entlang der Achse des Stators von 5A, der den Blick auf und in den Kühlkanal erklärt;
- 6A eine Draufsicht auf einen Stator gemäß 3 in einer zweiten Ausführungsvariante mit einem Stufenschnitt nach 6B mit fluidisch parallel geschalteten Verschaltungsebenen und Verschaltungssteggruppen;
- 6B einen Querschnitt entlang der Achse des Stators von 6A, der den Blick auf und in den Kühlkanal erklärt;
- 7 eine Draufsicht auf einen Stator gemäß 3 für eine Ausgestaltung der Fluidströmung nur in einem Nutbereich mit radialen Trennwänden, ohne Stableiter, Verschaltungsstege und Kühlkanal;
- 8A und 8B perspektivische Ansichten auf eine Abdeckeinheit für einen Wickelkopf eines Stators gemäß 7;
- 9A eine Explosionsansicht auf einen Isolationsring eines Kühlkanals mit Verschaltungssteggruppen für eine Ausgestaltung der Fluidströmung für eine Wickelkopfkühlung eines Stators gemäß 3 in einer weiteren Ausführungsvariante nur für den Überbrückungsbereich;
- 9B eine Draufsicht auf den in 9A gezeigten Isolationsring;
- 10A und 10B jeweils perspektivische Ansichten auf zusammengesetzte Isolationsringe aus einem Kühlkanal ohne Verschaltungsstege für eine Wickelkopfkühlung für einen Stator aus 3 nach einer bevorzugten Ausführungsvariante;
- 11 die zusammengesetzten Isolationsringe gemäß 10A bzw. 10B mit Verschaltungsstegen;
- 12A und 12B die zusammengesetzten Isolationsringe gemäß 10A bzw. 10B mit einer Abdeckeinheit bzw. Deckel;
- 13 ein Stator mit einem Kühlkanal gemäß der vorliegenden Erfindung und mit eingezeichneten Fluidströmen nach der bevorzugten Ausführungsvariante;
- 14 einen Längsschnitt durch einen oberen Teil eines Stators nach der bevorzugten Ausführungsvariante, insbesondere dessen Wickelkopf mit erfindungsgemäßen Kühlkanal, wobei Fluidströme eingezeichnet sind;
- 15 eine Explosionsansicht auf einen erfindungsgemäßen Stator mit zwei Wickelköpfen und Kühlkanälen nach der bevorzugten Ausführungsvariante; und
- 16 vier verschiedene Konstruktionsvariationen der Trennwände innerhalb eines Kühlkanals mit darin angeordneten Verschaltungsstegen.
- 17 eine Konstruktionsvariante für die Anordnung von Halteelementen an Trennwänden
- 18 eine Variante eines Deckelteils mit erweiterter Zuflussöffnung.
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1 und 2 zeigen einen Stator mit einer aus Stableitern und Verschaltungsstegen zusammengesetzten Wicklung.
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1 zeigt einen Stator 1 mit einem zylinderförmigen Statormantel bzw. Statorblechpaket 2, in denen die länglichen Statorstableiter 6 konzentrisch um die Achse des Stators bzw. Statormantels und in entsprechenden Rillen bzw. Nuten des Statormantels 2 angeordnet sind. Jeweils am Ende des Stators 1, beginnend ab der Oberseite bzw. Unterseite des Statormantels 2, ist ein erster Wickelkopf 3 (auf Seite A) und ein zweiter Wickelkopf 4 (auf Seite B) ausgebildet. Beide Wickelköpfe 3, 4 weisen jeweils Verschaltungsebenen 5 auf, die aus Verschaltungsstegen 9 ausgebildet sind. Dabei verbindet ein Verschaltungssteg 9 jeweils zwei Stableiter 6, die sich aus dem Statormantel 2 in den Wickelkopf 3, 4 erstrecken. Der Wickelkopf 4 unterscheidet sich vom Wickelkopf 3 darin, dass in Wickelkopf 4 eine Verschaltungsebene 7 mit drei Phasenanschlüssen 8 zusätzlich eingebaut ist. Die Verschaltungsstege 9 sind bogenförmige Stableiter mit zusätzlich radial zur Achse des Stators verlaufenden Stableitern, deren Funktion es ist, die Stableiter 6 paarweise elektrisch zu verbinden. Dabei sind die Stableiter 6 nach einem vorbestimmten Muster miteinander verbunden, weshalb der Abstand sowie die Anzahl der als Stableiter ausgebildeten Verschaltungsstege 9 zwischen den paarweise verbundenen Stableitern 6 vorbestimmt ist. Die Wickelköpfe 3 und 4 sind ring- bzw. zylinderförmig ausgebildet und werden im Wesentlichen durch die Verschaltungsebenen 5 gebildet, die konzentrisch und parallel zueinander angeordnet sind. Der Phasenanschluss 8 in der bezeichneten Verschaltungsebene 7 besteht aus drei Kontakten, vorzugsweise für einen Drehstromanschluss. Die Stableiter 6 sind derart ausgebildet, dass sie sich bis zu einer bestimmten Verschaltungsebene 5 in dem Wickelkopf 3 sowie in dem Wickelkopf 4 erstrecken. Dadurch werden diese Stableiter 6 gleichen oder verschiedenen Verschaltungsebenen 5 und somit bestimmten Verschaltungsstegen 9 zugeordnet, um ein bestimmtes Verschaltungsmuster zu realisieren.
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2 zeigt eine seitliche Ansicht auf den Stator aus 1. Der erste Wickelkopf 3 weist vier Verschaltungsebenen 5 auf und der zweite Wickelkopf 4 weist vier Verschaltungsebenen 5 sowie eine Verschaltungsebene 7 mit dem Phasenanschluss 8 auf. Die Verschaltungsebenen 5 bzw. 7 sind alle senkrecht zur Mittelachse 23 des Stators 1 angeordnet, während die Stableiter 6 parallel zu dieser Achse angeordnet sind. Die Mittelachse 23 beschreibt die Achse eines in den Stator 1 einsetzbaren Rotors (nicht dargestellt) und dient gleichzeitig dazu, die geometrischen Eigenschaften der Elemente des Stators 1, wie z.B. Statormantel 2, Stableiter 6, Verschaltungsebenen 5, etc., zu beschreiben und in Beziehung zueinander zu setzen.
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3 und 4 zeigen eine Wickelkopfkühlung für einen Stator aus 1 bzw. 2 in einer Grundvariante mit ringspaltförmigen Fluid-Einlass 25 und ringspaltförmigen Fluid-Auslass 26.
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3 zeigt einen Querschnitt durch einen Stator 1 entlang der Mittelachse 23, wobei, im Vergleich zu den 1 und 2, der nun gezeigte Stator 1 zusätzlich ein zylinderförmiges Kühlgehäuse/-hülse 20 aufweist. Das Kühlgehäuse 20 ist einstückig und weist in seinem mittleren Außenabschnitt gewindeförmige Kühlrippen 44, an welchem ein Kühlfluid wie etwa Wasser strömen kann, und an den beiden Endabschnitten Außenringe 28 auf. Der Statormantel 2 liegt innen am Kühlgehäuse 20 an und hat im Wesentlichen die gleiche Länge wie dieser Abschnitt. Über das Kühlgehäuse kann der Stator indirekt, das heißt ohne unmittelbaren Fluidkontakt, gekühlt werden.
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Der Wickelkopf weist eine direkte Kühlung auf, d.h. durch den Wickelkopf kann ein Kühlfluid wie etwa ein dielektrisches Öl geleitet werden. Die beiden Wickelköpfe 3 und 4 liegen innerhalb der beiden vom Kühlgehäuse gebildeten Außenringe 28. Die Wickelköpfe 3 und 4 bzw. deren äußerste Verschaltungsebene 5 sind/ist jeweils durch eine ringförmige Abdeckeinheit bzw. Deckelring 21 mit Innenring 22 vor Zugriffen in das Gehäuse 20 geschützt. Der Deckelring 21 bildet mit dem Außenring 28 einen Ringspalt 25 aus, der als Zufluss für ein Kühlfluid dient. Der Deckelring 21 bildet gemeinsam mit dem Innenring 22 einen Ringspalt 26 aus, der als Abfluss für ein Kühlfluid dient. Somit weisen beide Wickelköpfe 3 und 4 jeweils einen ringförmigen Deckel 21 mit Innenring 22 als Abdeckung für die Verschaltungsebenen 5 bzw. 7 gegenüber der Außenseite auf. Aus dem Querschnitt des Stators 1 ist gut erkennbar, dass die Stableiter 6 und 6a konzentrisch um die Mittelachse 23 des Stators 1 ausgebildet sind. Dabei liegen die Stableiter 6 und 6a paarweise in den gleichen Rillen des Statormantels 2. Die innen bzw. näher zu Achse 23 angeordneten Stableiter 6a sind im Vergleich zu den außen angeordneten Stableitern 6 länger und reichen vorzugsweise bis zu den äußersten Verschaltungsebenen der Wickelköpfe 3 und 4. Das Gehäuse 20 ist zumindest teilweise aus Metall gebildet, um eine bessere Kühlwirkung für ein Kühlfluid und die übrigen Elemente des Stators 1 zu ermöglichen.
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4A zeigt einen Schnitt auf den Stator 1 gemäß Schnitt A-A aus 3, wobei insbesondere die zwischen Innenring 22 und Außenring 28 befindlichen über Verschaltungsstege paarweise verbundenen Stableiter 6 erkennbar sind.
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4B zeigt schematisch vier ringförmige Bereiche bzw. Kreisringe, die sich zwischen Innenring 22 und Außenring 28 des Stators gemäß 3 bzw. 4a ergeben. Die Ringbereiche werden für eine einfache Bezugnahme eingeführt, so dass auf diese nachfolgend Bezug genommen werden kann. Dabei stellen innerer und äußerer Bereich Ringspalte 25, 26 für Zufluss bzw. Abfluss des Kühlfluids dar. Der Ringbereich 30 zeigt den Bereich an, in welchem der bogenförmige Teil der Verschaltungsstege 9 verläuft. Er kann als Überbrückungsbereich 30 angesprochen werden. Der Ringbereich 29 zeigt den Ringbereich an, in welchem die Stableiter 6; 6a in den Statornuten angeordnet sind und mit den Verschaltungsstegen 9 verbunden sind. Er kann auch als Nutbereich 29 oder Kontaktierungsbereich 29 angesprochen werden.
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Mit den 5A,B bzw. 6A,B werden nachfolgend zwei unterschiedliche Variationen einer Wickelkopfkühlung nach 3 ausgeführt.
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5A, 5B zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Wickelkopfkühlung mit ausschließlich radial angeordneten Trennwänden 31. Die Wicklung besteht aus Stableitern 6, 6a, die zweilagig in Nuten eines Blechpakets 2 angeordnet sind (in 6A nicht dargestellt) und über mehrlagig angeordnete Verschaltungsstege 9 (nur ansatzweise dargestellt) verbunden sind. Die Verschaltungsstege 9 werden durch bzw. in regelmäßig über den Umfang angebrachten Haltestegen/Halteklammern 31a gehalten. Die Halteklammern bilden zugleich auch die radialen Trennwände 31 aus. Die Verschaltungsstege 9 der einzelnen Verschaltungsebenen 5 sind - unter Absehung der radial verlaufenden Halteklammern - in horizontaler Weise fluidisch nicht voneinander getrennt.
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Das Kühlfluid wird über einen Ringspalt 25 in den Wickelkopf über und über die gesamte Höhe des Wickelkopfes gleichmäßig eingeleitet, wird anhand der radialen Trennwände 31 in Richtung Mittelachse 23 umgelenkt, und verlässt den Wickelkopf anschließend über den teilweise unterbrochenen Ringspalt 26. Gleiche Verschaltungsstegabschnitte erfahren dadurch eine näherungsweise gleiche Kühlmittelbeaufschlagung und damit eine annähernd gleiche Kühlung.
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Im Einzelnen zeigt 5A zeigt auf einen Stator analog 3 mit einen Schnitt B-B gemäß 5B. mit einem Teilquerschnitt, zum einen auf ein Abdeckelement 21 sowie zum anderen auf die senkrecht angeordneten Trennwände 31 des Kühlkanals. Auf der Oberseite des Kühlkanals ist die Abdeckeinheit 21 bzw.
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Deckel angeordnet. Der Innenring 22 und der Außenring 28 bilden die seitlichen Begrenzungen des Kühlkanals. Anliegend am Innenring 22 und am Deckel 21 sind die senkrecht angeordneten Trennwände 31 strahlenförmig angeordnet. Zwischen dem Deckelring 21 und dem Außenring 28 ist ein Ringspalt 25 als Zufluss für ein Kühlfluid ausgebildet. Zwischen dem Deckelring 21 und dem Innenring 22 ist ein Ringspalt 26 als Abfluss ausgebildet, wobei der innere Ringspalt 26 durch Stege des Abdeckteils 21 unterbrochen wird. Die Trennwände 31 sind radial und insbesondere achsensymmetrisch zur Mittelachse 23 ausgebildet. Mittels der Trennwände 31 und des Deckels 21 werden Kanäle gebildet, die laminare Fluidströmungen zwischen dem Ringspalt 25 und dem Ringspalt 26 ermöglichen.
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5B zeigt einen Querschnitt entlang der Achse des Stators von 5A, der den Blick auf und in den Kühlkanal erläutert. Der Deckelring 21 ist auf dem Wickelkopf oder auf dessen oberster Verschaltungsebene 5 angeordnet. Zwischen dem Innenring 22 und dem Deckelring 21 ist der Ringspaltabfluss 26 ausgebildet. Zwischen dem Außenring 28 und dem Deckelring 21 ist der Ringspaltzufluss 25 ausgebildet. Entsprechende Pfeile sind hierzu auf der linken Seite des Querschnitts eingezeichnet, die den Strömungsfluss beschreiben. Während in der 5A die senkrechten Trennwände 31 zu sehen sind, sind in der 5B die zur Mittelachse 23 senkrecht angeordneten Trennwände angezeigt. Neben den Stableitern 6 und 6a sind die Verbindungspunkte mit den Verschaltungsstegen 9 gut zu erkennen, an denen die beiden Elemente miteinander verschaltet sind.
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6A und 6B zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel mit doppelt parallel geschalteten Kühlkanälen eines Wickelkopfes analog 3. Die einzelnen Verschaltungsebenen 5 sind durch waagrechte Isolationsscheiben 32 getrennt, auf welchen die Verschaltungsstege 9 positioniert sind. Innerhalb jeder Verschaltungsebene 5 sind die Verschaltungsstege zu Verschaltungssteggruppen 40 zusammengefasst, wobei einzelne Verschaltungssteggruppen durch radiale Trennwände 42 voneinander getrennt sind. Durch bogenförmige Trennwände 34, 35 wird ein über ein Ringspalt 25, bzw. 26 einströmendes bzw. ausströmendes Kühlfluid auf Bahnen entlang der Verschaltungssteg-Längsachsen gebracht.
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Im Einzelnen zeigt 6A eine Draufsicht auf den Stator 1 gemäß 3 mit einem Teilquerschnitt (vgl. Schnitt B-B in 6B), zum einen auf ein Abdeckelement 21 sowie zum anderen auf eine Verschaltungsebene mit Verschaltungsstegen 9 Außerdem sind in diesem Fall keine radial ausgebildeten Trennwände 31 zu sehen, sondern die bogenförmigen Innenwände und Außenwände 34 und 35. Auf der linken Seite ist zwischen dem Innenring 22 und dem Abdeckelement 21 radiale Elemente bzw. Stege zu sehen, die den Ring 22 und den Deckel 21 miteinander befestigen und im Bereich des Ringspaltabflusses 26 angeordnet sind. Zwischen dem Einlassbereich 43 und den Auslassbereichen 36 innerhalb des Kühlkanals bildet sich zwischen diesen genannten Wänden ein aufgespaltener Fluidstrom. Wie man aus der Draufsicht des Stators 1 erkennt, sind die Verschaltungsstege 9 in Gruppen 40 von fünf in jeweils einem Ringsektor angeordnet, der durch radiale Trennwände 42 ausgebildet werden. Der Einlassbereich 43 kann als Drosselelement ausgestaltet sein, vorteilhaft als Bohrung in der Außenwand 35, um eine gleichmäßige Fluid-Verteilung zwischen den verschiedenen Gruppen 40 zu erreichen.
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6B zeigt einen Querschnitt entlang der Achse des Stators 1 von 6A, der den Blick auf und in den Kühlkanal erklärt. Wiederum sind die Stableiter 6 und 6A erkennbar, die mit den Verschaltungsstegen 9 verbunden sind. Ebenso ist ein Fluidstrom auf der linken Seite eingezeichnet, der vom Ringspaltzufluss 25 durch den Kühlkanal zum Ringspaltabfluss 26 strömt. Der Kühlkanal selbst ist ringförmig und wird im Wesentlichen durch den Abdeckring 21, den Innenring 22, den Außenring 28 sowie den untersten Isolationsring 32 gebildet.
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7 und 8 zeigen eine Ausgestaltungsmöglichkeit für den Nutbereich 29 einer erfindungsgemäßen Ausführungsform für einen Stator 1 , bei welcher radiale Trennwände eines erfindungsgemäßen Kühlkanals nur im Nutbereich 29 ausgebildet sind. Die Gestaltung des Fluidkanals im Bereich des Überbrückungsbereichs ist freibleibend.
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7 zeigt eine Draufsicht auf einen Stator 1 mit Gehäuse 20 und Außenring 28 und Innenring 22, aber ohne Stableiter. Analog vorhergehenden Beispielen sind Verschaltungsstege 9 zur Ausbildung einer zusammengesetzten Wicklung im Stirnbereich des Statorblechpakets 2 angeordnet. Radiale Trennwände 31 sind integral mit dem Innenring ausgebildet.
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8A und 8B zeigen perspektivische Ansichten auf eine Abdeckeinheit 21, für einen Wickelkopf eines Stators, mit integral verbundenem Innenring 22, radial angeordneten Trennwänden 31 und Ringspaltabfluss 26. Die Abdeckeinheit weist einen ringförmigen Vorsprung mit einem O-Ring auf. Der Vorsprung trennt in montiertem Zustand den Zuflussbereich vom Abflussbereich, vgl. 13.
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9 bis 11 zeigen eine Ausgestaltungsmöglichkeit für den Überbrückungsbereich 30 einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Dabei sind einzelne Verschaltungsstege 9 derart in Isolationsscheiben bzw. Isolationsringen 32 aufgenommen und durch bogenförmige Trennwände 41 voneinander getrennt, dass für jeden einzelnen Verschaltungssteg 9 ein wohldefinierten Kühlkanal ausgebildet wird. Dadurch ist für jeden Verschaltungssteg eine vergleichbare Kühlleistung gewährleistbar.
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Im einzelnen zeigt 9A eine Explosionsansicht auf einen Isolationsring 32 eines Kühlkanals mit einer Verschaltungsebene 5 aus drei Verschaltungssteggruppen 40 mit jeweils fünf Verschaltungsstegen 9, die auf dem Isolationsring 32 bzw. der waagrechten Trennwand 32 in insbesondere vorgefertigten Rillen bzw. Aussparungen anordbar sind. Der Isolationsring 32 weist drei Fluideinlässe 38, d.h. für jede Verschaltungssteggruppe einen eigenen Einlass, sowie für jeden Verschaltungssteg 9 zwei Fluidauslässe 39 auf, d.h. zehn Auslässe pro Verschaltungssteggruppe 40 und dreißig Auslässe 39 für den Isolationsring 32. Alle Auslässe 39 sind auf die Mitte des Rings 32 gerichtet. Damit die Verschaltungsstege 9 in der jeweiligen Verschaltungssteggruppe 40 passend angeordnet werden, sind Zwischenwände 41 zwischen den Verschaltungsstegen 9 bzw. auf dem Isolationsring 32 ausgebildet, die die genannten Rillen bilden. Zusätzlich sind die Verschaltungssteggruppen 40 durch radiale Trennungswände 42 voneinander getrennt. Dadurch kann ein Fluidstrom in parallele Teilströme für jede Verschaltungssteggruppe aufgeteilt werden und zusätzlich jeder Teilstrom in weitere parallele Teilströme für jeweils eine Verschaltungssteghälfte.
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9B zeigt eine Draufsicht auf den in 9A gezeigten Isolationsring 32. In dieser Figur sind keine Verschaltungsstege 9 angeordnet, um die Kanäle bzw. Rillen, die durch die Zwischenwände 41 ausgebildet werden, besser zu zeigen. Jede Rille wird durch einen dreiecksförmigen Einlass, der sich vom Einlassbereich 38 bis zu einer Innenwand 34 erstreckt, mit der Außenseite verbunden und kann somit mit einem Kühlfluid versorgt werden. Das durch einen Einlassbereich 38 hineingeflossene Kühlfluid kann aus zehn verschiedenen Auslässen 39 in Richtung Mittelachse 23 ausfließen. Dies gilt für jeden Ringsektor eines Rings 32 bzw. jede Verschaltungssteggruppe 40 einer Verschaltungsebene 5. Anstelle eines durchgehenden Einlassbereiches 38 können die Zwischenwände 41 und die Außenwand 35 jedoch auch nicht unterbrochen ausgeführt sein und jeweils eine radiale Bohrung als Fluideinlass aufweisen. Durch die Auslegung der Bohrung kann ein Druckabfall über jeden Einlassbereich gezielt eingestellt werden, z.B. 100 mbar über die Außenwand und 10mbar über jede Zwischenwand. Insbesondere bei liegendem Betrieb des Stators kann dadurch eine Ungleichverteilung von Kühlfluid über mehrerer Verschaltungssteggruppen 40 und/oder mehrere Verschaltungsebenen 5 erreicht werden.
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10A und 10B zeigen jeweils perspektivische Ansichten auf zusammengesetzte Isolationsringe 32 aus einem Kühlkanal ohne Verschaltungsstege. Die vier aufeinander angeordnete Isolationsringe 32 weisen jeweils drei Einlässe 38 und dreißig Auslässe 39 auf.
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11 zeigt die zusammengesetzten Isolationsringe 32 gemäß 10A bzw. 10B mit Verschaltungsstegen 9.
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Die 12A und 12B zeigen schließlich eine Kombination der in 9 bis 11 und 7 bis 8 dargestellten Ausgestaltungsmöglichkeiten. Die zusammengesetzten Isolationsringe 32 gemäß 10A bzw. 10B sind mit einer Abdeckeinheit bzw. Deckel 21 analog 8 versehen. Die Deckeleinheit 21 ist mit Innenring 22 und senkrechten Trennwänden 31 ausgestattet. Die eingesetzten Verschaltungsstege sind in diesen beiden Fällen nicht zu erkennen.
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Die 13 bis 15 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Statorkühlung mit einem erfindungsgemäßen Kühlkanal.
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13 zeigt eine perspektivische Ansicht auf einen Stator 1 mit einem Kühlkanal gemäß der vorliegenden Erfindung und mit eingezeichneten Fluidströmen. Der Stator 1 ist mit Kühlgehäuse 20 und Kühlrippen bzw. einer Windung 44 ausgebildet. Auf der Oberseite ist die Deckeleinheit 21 mit dem Innenring 22 zu sehen, die in Verbindung mit dem Außenring des Kühlgehäuses 20 den Ringspaltzufluss 25 und den Ringspaltabfluss 26 bilden.
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14 zeigt einen Längsschnitt durch einen oberen Teil eines Stators 1, insbesondere dessen Wickelkopf mit erfindungsgemäßen Kühlkanal, wobei Fluidströme auf der rechten Seite eingezeichnet sind. Im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Statoren, ist dieses Ausführungsbeispiel mit einem Fluidgehäuse 48 ausgestattet. Das Fluidgehäuse 48 weist eine zylinderförmige Außenwand 50 sowie eine ringförmige Abdeckung 51, zum Beispiel ein Lagerschild, auf. Die Außenwand 50 liegt an dem Kühlgehäuse 20 direkt an. Die Abdeckung 51 ist mit der Außenwand 50 befestigt und weist mehrere Öffnungen für einen Fluidzufluss und eine Öffnung für einen Fluidabfluss sowie für einen Rotor auf. Der Fluidzufluss ist auf die Deckeleinheit 21 gerichtet und drückt diese nach unten bzw. auf den Statormantel 2. Die Deckeleinheit 21 ist axial verschieblich gelagert. Die Deckeleinheit trennt Zufluss- und Abflussbereich durch einen ringförmigen Vorsprung mit eingefasstem O-Ring. Indem der Strömungswiderstand für das Kühlfluid durch Ausgestaltung der einzelnen Zuflüsse und Fluidpassagen, insbesondere im Zufluss zu Verschaltungssteggruppen, in großen Bereichen eingestellt werden kann, kann eine Anpresskraft der Deckleinheit angepasst werden, z.B. in einem Bereich von 150 bis 250 mbar. Mittels des vergrößerten Querschnitts entlang der Längsachse bzw. Mittelachse 23 des Stators 1 sind der Statormantel 2 mit den Stableitern 6 und 6a, als auch der Wickelkopf mit den verschiedenen Verschaltungsstegen 9, Isolationsringen 32 der Deckeleinheit 21 mit Innenring 22 und die dadurch ausgebildeten Ringspalte für Zufluss und Abfluss 25 und 26 gut zu erkennen. Die Stege 9 und die Leiter 6, 6a sind an den Kontaktpunkten 33 miteinander befestigt, insbesondere verschweißt.
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Insgesamt ergibt sich damit eine mehrfach parallel geschalteter Fluidströmung. Durch den Ringspalt-Zufluss sind die einzelnen Verschaltungsebenen fluidisch parallel geschaltet. Durch die Isolationsscheiben sind die einzelnen Verschaltungsstege bzw. Verschaltungshalbstege fluidisch parallel geschaltet.
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15 zeigt eine Explosionsansicht auf einen erfindungsgemäßen Stator 1 mit zwei Wickelköpfen 3 und 4 und Kühlkanälen. Der Stator 1 ist mit einem Statormantel 2 ausgestattet, in dessen innenseitig ausgebildeten Rillen bzw. Nutbereich 29 die Stableiter 6 und 6a konzentrisch um die Mittelachse 23 angeordnet sind. Auf der einen Seite ist der Wickelkopf 3 angeordnet, um die Stableiter 6 und 6a an einem Ende mit den entsprechenden Verschaltungsstegen 9 zu verbinden. Auf der anderen Seite des Statormantels 2 ist der andere Wickelkopf 4 angeordnet, der sich im Vergleich zum ersten Wickelkopf 3 darin unterscheidet, dass er eine zusätzliche Verschaltungsebene 7 mit einem Phasenanschluss 8 aufweist. Beide Wickelköpfe 3 und 4 sind mit einer Dichtmatte 45, einem Adapterstück 47, vier Verschaltungsebenen 5 mit den entsprechenden Verschaltungsstegen 9 bzw. mit jeweils drei Verschaltungssteggruppen 40 übereinander angeordnet. Als Abschluss ist ein Deckelelement 21 vorgesehen, das einen Innenring 22 und senkrecht angeordnete radiale Trennwände 31 aufweist.
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16 zeigt vier verschiedene Konstruktionsvariationen der Isolationsringe 32, insbesondere deren Zwischenwände 41, innerhalb eines Kühlkanals mit darin angeordneten Verschaltungsstegen 9. Die Zwischenwände 41 und die Isolationsringe 32 können Halteelemente 46 in Form von Noppen oder ähnlichem aufweisen. In Beispiel a) sind die Elemente 46 an den Zwischenwänden 41 ausgebildet. In Beispiel b) sind die Elemente 46 an einer Zwischenwand 41 und an der Unterseite eines Rings 32 angeordnet. In Beispiel c) sind die Elemente 46 gleichzeitig an der Unterseite des oberen Rings 32 und an der Unterseitedes oberen Rings 32 ausgebildet. Beispiel d) sind die Elemente 46 an beiden Zwischenwänden sowie Ober- und Unterseite von oberem bzw. unterem Isolationsring 32 ausgeformt, wobei die seitlichen Elemente 46 und die Decken/Bodenelemente 46 nicht auf gleicher Höhe, sondern entlang der Längsachse des Verschaltungsstegs 9 abwechselnd ausgebildet sind, vgl. 17.
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17 zeigt schematisch und ausschnitthaft einen zwischen zwei Trennwänden 41 gehaltenen Versschaltungssteg 9. Der Verschaltungssteg wird dabei von wechselseitig angeordneten Noppen 46 gehalten. Durch die Noppen 46 ist eine Montage des Verschaltungssteges 9 möglich, bei welcher dieser auf Biegung beansprucht wird und festgeklemmt wird.
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18 zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen Stators in einer Draufsicht mit einem Deckelteil 17 mit erweiterter Zuflussöffnung 25'. Die erweiterte Zuflussöffnung 25' ist als Aussparung am Deckel 21 ausgebildet. Die Zuflussöffnung 25' ist oben am Stator angebracht, wobei der Stator in einer liegenden Anordnung betrieben wird. Die Schwerkraft wirkt in der Zeichnungsebene entsprechend von oben nach unten. Dadurch kann eine gleichmäßige Fluidzufuhr über den gesamten Statorumfang erreicht werden. Insbesondere kann der Strömungswiderstand im Zulauf im oberen Bereich des Wickelkopfes gesenkt werden. Dadurch kann eine Fluidungleichverteilung, wie sie infolge eines im Vorraum des Wickelkopfs (zwischen Deckel 21 Gehäuseabdeckung 51, vgl. 14) sich anstauenden Fluids, und der durch den hydrostatischen Druck resultierenden ungleichen Druckverteilung entsteht, vermieden bzw. verringert werden. Vorteilhaft kann dadurch selbst bei sehr geringen Drücken und/oder bei sehr geringem Volumenstrom eine gleichmäßige Kühlung des gesamten Wickelkopfs erreicht werden.
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Bei nur geringem Fluiddruck sammelt sich das Fluid zuerst an unterster Stelle des Vorraums. Dort kann es wegen des hohen Strömungswiderstandes des Ringspaltes nicht so schnell abfließen wie es zugefördert wird. Das Fluidspiegel im Vorraum steigt entsprechend an bis auf Höhe der erweiterten Zuflussöffnung 25'. Von dort kann es praktisch ohne Strömungswiderstand in den dahinterliegenden Ringspalt 25 eindringen, wo es gleichmäßig an beispielsweise dem Außenumfang von Isolationsscheiben 32 entlangfließt und durch einzelne Einlassöffnungen 38 zu Verschaltungssteggruppen 40 bzw. Verschaltungsstegen 9 strömt, vgl. 12b. Der Fluid-Zufluss zum Vorraum kann dabei an beliebiger Stelle angebracht sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Statormantel bzw. Statorblechpaket
- 3
- Wickelkopf Seite A
- 4
- Wickelkopf Seite B
- 5
- Verschaltungsebene
- 6
- Stableiter
- 6a
- Stableiter
- 7
- Verschaltungsebene mit Phasenanschluss
- 8
- Phasenanschluss
- 9
- Verschaltungsstege/Stirnverbinder
- 20
- Kühlgehäuse/-hülse
- 21
- Deckel
- 22
- Innenring
- 23
- Mittelachse
- 25
- Ringspalt Zufluss
- 25'
- erweiterte Zufluss-Öffnung
- 26
- Ringspalt Abfluss
- 28
- Außenring
- 29
- Nutbereich/Verbindungsbereich
- 30
- Überbrückungsbereich
- 31
- Trennwand, senkrecht
- 32
- Trennwand, waagrecht bzw. Isolationsring/-scheibe
- 33
- Kontakt/Verschweißung von Stableiter mit Verschaltungssteg
- 34
- Trennwand, bogenförmige Innenwand
- 35
- Trennwand, bogenförmige Außenwand
- 36
- Auslassbereiche
- 37
- Deckel
- 38
- Einlass
- 39
- Auslass
- 40
- Verschaltungssteggruppe
- 41
- Zwischenwände
- 42
- Trennungswand zwischen Verschaltungssteggruppe
- 43
- Einlassbereich
- 44
- Windung/Kühlrippen
- 45
- Dichtmatte
- 46
- Noppen/Halteelement
- 47
- Adapterstück/-ring
- 48
- Fluidgehäuse
- 50
- Außenwand des Fluidgehäuses
- 51
- Abdeckung des Fluidgehäuses
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017310189 [0005]
- DE 102015220112 A1 [0006]
