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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Fahrzeug, sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Maschine.
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Bei einer derartigen elektrischen Maschine kann es sich allgemein um einen Elektromotor oder um einen Generator handeln. Die elektrische Maschine kann als Außenläufer oder als Innenläufer ausgebildet sein.
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Eine gattungsgemäße Maschine ist beispielsweise aus der
US 5,214,325 bekannt. Sie umfasst ein Gehäuse, das einen Innenraum umgibt und das einen in einer Umfangsrichtung des Gehäuses umlaufenden, den Innenraum radial begrenzenden Mantel, axial einerseits eine den Innenraum axial begrenzende Rückseitenwand und axial andererseits eine den Innenraum axial begrenzende Vorderseitenwand aufweist. Fest mit dem Mantel ist ein Stator der Maschine verbunden. Im Stator ist ein Rotor der Maschine angeordnet, wobei eine Rotorwelle des Rotors über ein vorderes Wellenlager an der Vorderseitenwand drehbar gelagert ist.
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Typischerweise umfasst der Stator einer herkömmlichen elektrischen Maschine Statorwicklungen, die im Betrieb der Maschine elektrisch bestromt werden. Dabei entsteht Wärme, die zur Vermeidung einer Überhitzung und einer damit verbundenen Beschädigung oder gar Zerstörung des Stators abgeführt werden muss. Hierzu ist es aus herkömmlichen elektrischen Maschinen bekannt, diese mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen des Stators - insbesondere besagter Statorwicklungen - auszustatten. Eine solche Kühleinrichtung umfasst einen oder mehrere Kühlkanäle, die von einem Kühlmittel durchströmt werden und in der Nähe der Statorwicklungen im Stators angeordnet sind. Durch Wärmeübertragung von den Statorwicklungen auf das Kühlmittel kann Wärme vom Stator abgeführt werden.
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Als nachteilig erweist sich dabei, dass ein effizienter Wärmeübergang vom Stator auf das durch den jeweiligen Kühlkanal strömende Kühlmittel nur mit erheblichem konstruktiven Aufwand verbunden ist. Dies wirkt sich jedoch nachteilig auf die Herstellungskosten der elektrischen Maschine aus.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine elektrische Maschine zu schaffen, bei welcher dieser Nachteil weitgehend oder gar vollständig beseitigt ist. Insbesondere soll eine verbesserte Ausführungsform für eine elektrische Maschine geschaffen werden, welche sich durch eine verbesserte Kühlung der Statorwicklungen des Stators auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, die Statorwicklungen einer elektrischen Maschine zusammen mit einem mit Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal zum Kühlen der Statorwicklungen in einen Kunststoff einzubetten, der typischerweise elektrisch isolierende und wärmeleitende Eigenschaften in sich vereint. Somit kann der Kunststoff als wärmeübertragendes Medium zur Übertragung von Wärme von den Statorwicklungen auf das durch den Kühlkanal strömende Kühlmittel einerseits und als elektrischer Isolator für die Statorwicklungen andererseits wirken. Auf diese Weise wird insbesondere ein besonders guter Wärmeübergang zwischen den Statorwicklungen und dem durch den Kühlkanal geführten Kühlmittel hergestellt. Dies gilt insbesondere, wenn ein Kunststoff verwendet wird, der eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Durch Verwendung eines Kunststoffs mit elektrisch isolierenden Eigenschaften wird zusätzlich sichergestellt, dass die zu kühlenden Statorwicklungen durch den elektrischen Kunststoff nicht auf unerwünschte Weise elektrisch mit dem durch den Kühlkanal geführten Kunstsoff kurzgeschlossen werden. Außerdem ist sichergestellt, dass das - typischerweise elektrisch leitende Kühlmittel - wenn es durch den Kühlkanal strömt, elektrisch gegenüber den der Statorwicklungen isoliert wird. Darüber hinaus können mittels des Kunststoffs auch die Statorzähne als Teil des Stators elektrisch gegenüber den Statorwicklungen isoliert werden.
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Die direkte thermische Ankopplung des Kühlkanals mit dem Kühlmittel an die zu kühlenden Statorwicklungen mithilfe des erfindungswesentlichen Kunststoffs führt zu einer gegenüber herkömmlichen Kühleinrichtungen besonders effektiven Kühlung der Statorwicklungen. Somit kann auch bei hoher Abwärme-Entwicklung im Stator, wie sie beispielsweise in einem Hochlastbetrieb der elektrischen Maschine auftritt, sichergestellt werden, dass die anfallende Abwärme vom Stator abgeführt werden kann. Eine Beschädigung oder gar Zerstörung der elektrischen Maschine durch Überhitzung des Stators kann somit vermieden werden.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere für ein Fahrzeug, umfasst einen Rotor, der um eine Rotationsachse drehbar ist, durch welche eine axiale Richtung der elektrischen Maschine definiert ist. Ferner umfasst die Maschine einen Stator, der elektrisch leitende Statorwicklungen aufweist, sowie wenigstens einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal zum Kühlen der Statorwicklungen. Der Stator besitzt sich entlang der axialen Richtung erstreckende und entlang einer Umfangsrichtung des Rotors beabstandet zueinander angeordnete Statorzähne, welche die Statorwicklungen tragen. Zumindest ein Kühlkanal und zumindest eine Statorwicklung sind in zumindest einem Zwischenraum, der zwischen zwei in der Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen ausgebildet ist, angeordnet. Erfindungsgemäß ist in dem Zwischenraum ein Kunststoff zur Übertragung von Wärme von der Statorwicklung auf den Kühlkanal angeordnet.
Bevorzugt ist der Kunststoff also wärmeleitend ausgebildet. Zweckmäßig kann der Kunststoff auch elektrisch isolierend ausgebildet sein, also aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial bestehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kunststoff zumindest teilweise auf den Oberflächenabschnitten der beiden benachbarten, den Zwischenraum begrenzenden Statorzähne angeordnet. Bevorzugt sind der Kühlkanal und die Statorwicklung mittels des Kunststoffs jeweils elektrisch gegenüber den Statorzähnen isoliert und miteinander wärmeleitend verbunden.
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Gemäß einer anderen weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Stator einen Statorkörper, von welchem die Statorzähne radial nach innen abstehen. Bei dieser Ausführungsform, die insbesondere mit der voranstehend erläuterten Ausführungsform kombiniert werden kann, ist der Kunststoff auf einem Oberflächenabschnitt des Statorkörpers angeordnet, der den Zwischenraum radial außen begrenzt.
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Besonders bevorzugt ist der Kunststoff dabei auf allen Zwischenraum begrenzenden Oberflächenabschnitten der beiden Statorzähne angeordnet, also sowohl an der umfangseitigen als auch radialen Begrenzung des betreffenden Zwischenraums. Auf diese Weise kann ausgeschlossen werden, dass zwischen dem elektrisch leitenden Material der Statorwicklungen und den ebenfalls elektrisch leitenden Statorzähnen eine unerwünschte elektrische Verbindung entstehen kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung bildet der auf den Oberflächenabschnitten angeordnete Kunststoff eine elektrische isolierende Isolationsschicht, welche die Oberflächenabschnitte der beiden den Zwischenraum begrenzenden benachbarten Statorzähne bedeckt. Eine solche Isolationsschicht aus Kunststoff ist besonders einfach, beispielsweise mittels eines Spritzgussverfahrens, herstellbar.
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Zweckmäßig ist der Kühlkanal im Bereich eines radial inneren Endabschnitts des Zwischenraums angeordnet. Auf diese Weise steht besonders viel Bauraum für die Anordnung der Statorwicklung(en) im Zwischenraum zur Verfügung. Denkbar ist alternativ oder zusätzlich die Anordnung eines Kühlkanals im Bereich eines radial äußeren Endabschnitts des Zwischenraums.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bildet der Kunststoff zumindest eine im Zwischenraum angeordnete Phasenisolierung, welche den Zwischenraum in einen radial inneren und in einen radial äußeren Teilraum unterteilt. Auf diese Weise können in den beiden Teilräumen voneinander elektrisch isolierte Leiterelemente der Statorwicklung angeordnet werden. Dies wiederrum ermöglicht es, den beiden elektrisch gegeneinander isolierten Leiterelementen zwei unterschiedlichen elektrische Phasen zuzuordnen, die elektrisch voneinander getrennt sein müssen. Denkbar ist es, dass in einer Weiterbildung der Erfindung auch mehrere solche Phasenisolierungen in einem Zwischenraum vorgesehen sind. Zweckmäßig beträgt ein in radialer Richtung gemessener Durchmesser der Phasenisolierung aus dem Kunststoff zwischen 1 mm und 3 mm.
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Zweckmäßig kann sich die Phasenisolierung entlang der Umfangsrichtung erstrecken und somit die beiden auf den benachbarten Statorzähnen angeordneten Isolierungsschichten aus dem Kunststoff miteinander verbinden. Auf diese Weise sind die beiden gebildeten Teilräume vollständig von dem, bevorzugt elektrisch isolierenden, Kunststoff begrenzt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die zumindest eine im Zwischenraum angeordnete Statorwicklung zumindest ein erstes Leiterelement und zumindest ein zweites Leiterelement. Diese beiden Leiterelemente sind gemäß dieser Weiterbildung im Abstand zueinander im Zwischenraum angeordnet, und zwar vorzugsweise entlang der radialen Richtung. Das erste Leiterelement kann Teil einer ersten elektrischen Phase, das zweite Leiterelement entsprechend Teil einer zweiten elektrischen Phase des Stators sein. Zweckmäßig sind die ersten Leiterelemente im radial inneren Teilraum angeordnet und zum Anschluss an eine gemeinsame erste Phase einer elektrischen Stromquelle elektrisch miteinander verbunden. Bei dieser Weiterbildung sind die zweiten Leiterelemente im radial äußeren Teilraum angeordnet und zum Anschluss an eine gemeinsame zweite Phase der elektrischen Stromquelle elektrisch miteinander verbunden.
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Zweckmäßig ist in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung zumindest ein erstes und, alternativ oder zusätzlich, ein zweites Leiterelement von dem erfindungswesentlichen, elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Kunststoff umgeben. Vorzugsweise gilt dies für alle ersten und, alternativ oder zusätzlich, für alle zweiten Leiterelemente.
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Besonders zweckmäßig können die ersten und, alternativ oder zusätzlich, die zweiten Leiterelemente als Wicklungsstäbe aus einem elektrisch leitenden Material gebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung zumindest ein Wicklungsstab die Geometrie eines Rechtecks mit zwei Schmalseiten und mit zwei Breitseiten aufweisen. Bevorzugt gilt dies für alle Wicklungsstäbe der Statorwicklung.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine erste Leiterelement mittels des Kunststoffs elektrisch gegenüber dem zumindest einen zweiten Leiterelement isoliert. Besonders bevorzugt sind die ersten Leiterelemente mittels der Phasenisolierung, welche den radial inneren Teilraum vom radial äußeren Teilraum trennt, elektrisch gegenüber den zweiten Leiterelementen isoliert.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bildet der Kunststoff in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung eine in dem Zwischenraum angeordnete Schutzbeschichtung aus, welche den Kühlkanal zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, begrenzt oder umhüllt. Mit „Begrenzung“ ist insbesondere gemeint, dass der Kühlkanal keine weitere Begrenzung, beispielsweise in Form eines Rohrkörpers benötigt. Mit „Schutzbeschichtung“ ist insbesondere gemeint, dass für den Kühlkanal eine zusätzliche Begrenzung, etwa in Form eines besagten Rohrkörpers, vorgesehen sein kann. Mittels der Schutzbeschichtung kann verhindert werden, dass das durch den Kühlkanal geführte Kühlmittel, welches typischerweise elektrisch leitend ist, mit der ebenfalls im Zwischenraum angeordneten Statorwicklung oder den elektrisch leitenden Statorzähnen in Kontakt gelangen kann, sodass es zu einem elektrischen Kurzschluss kommt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung begrenzt die Schutzbeschichtung in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung den Kühlkanal radial innen und, alternativ oder zusätzlich, radial außen. Auf diese Weise wird eine elektrische Isolierung des Kühlkanals bzw. des durch den Kühlkanal geführten Kühlmittels gegenüber den radial außerhalb bzw. radial innerhalb des Kühlkanals im Zwischenraum angeordneten Statorwicklungen gestellt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung, die mit der vorangehend erläuterten Weiterbildung kombiniert werden kann, begrenzt die Schutzbeschichtung in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung den Kühlkanal in Umfangsrichtung. Auf diese Weise wird die elektrische Isolierung des Kühlkanals bzw. des durch den Kühlkanal geführten Kühlmittels gegenüber den elektrisch leitenden Statorzähnen sichergestellt.
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Besonders zweckmäßig kann, insbesondere im Bereich eines radial äußeren Endabschnitts des Zwischenraums, ein weiterer Kühlkanal angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Kühlung der Statorwicklungen(en) signifikant verbessert werden.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform bildet der Kunststoff eine in dem Zwischenraum angeordnete weitere Schutzbeschichtung aus, welche den weiteren Kühlkanal zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, begrenzt oder umhüllt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung begrenzt die weitere Schutzbeschichtung in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung den weiteren Kühlkanal radial innen und, alternativ oder zusätzlich, radial außen. Mithilfe der weiteren Schutzbeschichtung wird eine elektrische Isolierung des weiteren Kühlkanals bzw. des durch den weiteren Kühlkanal geführten Kühlmittels gegenüber den radial außerhalb bzw. radial innerhalb des weiteren Kühlkanals im Zwischenraum angeordneten Statorwicklungen sichergestellt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung, die mit der vorangehend erläuterten Weiterbildung kombiniert werden kann, begrenzt in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung die weitere Schutzbeschichtung den weiteren Kühlkanal in Umfangsrichtung. Auf diese Weise wird die elektrische Isolierung des weiteren Kühlkanals bzw. des durch den weiteren Kühlkanal geführten Kühlmittels gegenüber den elektrisch leitenden Statorzähnen sichergestellt.
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Zweckmäßig ist der im Bereich des radial inneren Endabschnitts angeordnete Kühlkanal in dem mittels der Phasenisolierung aus Kunststoff gebildeten radial inneren Teilraum angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist der im Bereich des radial äußeren Endabschnitts angeordnete Kühlkanal in dem mittels der Phasenisolierung aus Kunststoff gebildeten radial äußeren Teilraum angeordnet. Auf diese Weise können sowohl radial innen als auch radial außen im Zwischenraum angeordnete Leiterelemente der Statorwicklung(en) durch Wärmeübertragung auf das durch den jeweiligen Kühlkanal geführte Kühlmittel hochwirksam gekühlt werden.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist zwischen zumindest zwei Leiterelementen und, alternativ oder zusätzlich, zwischen zumindest einem Leiterelement und der auf den Oberflächenabschnitten der Statorzähne bzw. des Statorkörpers angeordneten elektrischen Isolationsschicht zumindest abschnittsweise ein Spalt ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform bildet der erfindungswesentliche Kunststoff eine Spaltfüllung aus, mit welcher der Spalt wenigstens teilweise, vorzugsweise vollständig, gefüllt ist.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Kunststoff eine elektrisch isolierende Kunststoffmasse umfassen, in welche die Statorwicklung eingebettet ist.
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Zweckmäßig kann der Zwischenraum in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung die Geometrie eines Trapezes, vorzugsweise eines Rechtecks, aufweisen. Die Geometrie eines Trapezes bzw. Rechteck erlaubt es, sowohl wenigstens einen Kühlkanal als auch eine große Anzahl von Leiterelementen bzw. Statorwicklungen im jeweiligen Zwischenraum zu platzieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der auf den Oberflächenabschnitten der Statorzähne vorgesehene Kunststoff durch ein elektrisch isolierendes erstes Kunststoffmaterial gebildet ist. Alternativ oder zusätzlich ist bei dieser Ausführungsform der die zumindest eine Phasenisolierung ausbildende Kunststoff durch ein zweites Kunststoffmaterial gebildet. Des Weiteren können der die erste und, alternativ oder zusätzlich, der die weitere Schutzbeschichtung ausbildende Kunststoff durch das zweite Kunststoffmaterial oder, alternativ dazu, durch ein drittes Kunststoffmaterial gebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind das erste und, alternativ oder zusätzlich, das zweite und, alternativ oder zusätzlich, das dritte Kunststoffmaterial identische Materialien. Bei einer dazu alternativen Weiterbildung können das erste und, alternativ oder zusätzlich, das zweite und, alternativ oder zusätzlich, das dritte Kunststoffmaterial unterschiedliche Materialien sein.
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Zweckmäßig können das erste und, alternativ oder zusätzlich, das zweite und, alternativ oder zusätzlich, das dritte Kunststoffmaterial aus einem Thermoplasten bestehen oder einen solchen Thermoplasten umfassen. Ebenso zweckmäßig können das erste und, alternativ oder zusätzlich, das zweite und, alternativ oder zusätzlich, das dritte Kunststoffmaterial aus einem Duroplasten bestehen oder einen Duroplasten umfassen.
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Zweckmäßig weisen das erste und, alternativ oder zusätzlich, das zweite und, alternativ oder zusätzlich, das dritte Kunststoffmaterial identische Wärmeleitfähigkeiten auf. Alternativ oder zusätzlich können das erste und, alternativ oder zusätzlich, das zweite und, alternativ oder zusätzlich, das dritte Kunststoffmaterial unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen.
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Zweckmäßig können das erste und, alternativ oder zusätzlich, das zweite und, alternativ oder zusätzlich, das dritte Kunststoffmaterial identische Materialien sein. Ebenso können das erste und, alternativ oder zusätzlich, das zweite und, alternativ oder zusätzlich, das dritte Kunststoffmaterial aber auch unterschiedliche Materialien sein.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die zumindest eine Statorwicklung Teil einer verteilten Wicklung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs, insbesondere des ersten und, alternativ oder zusätzlich, des zweiten und, alternativ oder zusätzlich, des dritten Kunststoffmaterials mindestens 0,5 W/mK, vorzugsweise mindestens 1 W/m K.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Zwischenraum mittels des Kunststoffs im Wesentlichen spaltfrei ausgebildet.
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Bei einer besonders einfach zu realisierenden Ausführungsform ist in dem Zwischenraum nur ein einziger, also kein zweiter Kühlkanal vorgesehen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Maschine einen Kühlmittelverteilerraum und einen axial im Abstand zu diesem angeordneten Kühlmittelsammlerraum. Dabei kommuniziert der Kühlmittelverteilerraum mittels des wenigstens einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanals fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum. Bevorzugt sind zwischen dem Kühlmittelverteilerraum und dem Kühlmittelsammlerraum mehrere solche Kühlkanäle vorgesehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Kühlmittelverteilerraum und, alternativ oder zusätzlich, der Kühlmittelsammlerraum zur thermischen Ankopplung an die Statorwicklungen wenigstens teilweise in dem erfindungswesentlichen Kunststoff angeordnet, welcher in diesem Fall aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial besteht. Dies ermöglicht einen besonders guten Wärmeübergang zwischen dem Kühlmittelverteilerraum bzw. Kühlmittelsammlerraum und den Statorwicklungen, sodass auch der Kühlmittelverteilerraum bzw. der Kühlmittelsammlerraum zur direkten Aufnahme von Wärme von den Statorwicklungen verwendet werden kann.
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Besonders bevorzugt begrenzt der elektrisch isolierende Kunststoff den Kühlmittelverteilerraum und, alternativ oder zusätzlich, den Kühlmittelsammlerraum zur thermischen Ankopplung an die Statorwicklungen wenigstens teilweise.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug mit einer vorangehend vorgestellten elektrischen Maschine. Die oben erläuterten Vorteile der elektrischen Maschine übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Fahrzeug.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse des Rotors,
- 2 den Stator der elektrischen Maschine gemäß 1 in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse des Rotors,
- 3 eine Detaildarstellung des Stators der 2 im Bereich eines Zwischenraums zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen,
- 4 eine Weiterbildung des Beispiels gemäß 3 mit einem zusätzlichen, zweiten Kühlkanal,
- 5 eine Variante des Beispiels gemäß 3, bei welchem die Statorwicklungen nicht durch Wicklungsstäbe, sondern durch in eine Kunststoffmasse gebildete Wicklungsdrähte gebildet sind.
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1 illustriert ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 in einer Schnittdarstellung. Die elektrische Maschine 1 ist so dimensioniert, dass sie in einem Fahrzeug, vorzugsweise in einem Straßenfahrzeug, eingesetzt werden kann.
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Die elektrische Maschine 1 umfasst einen in der 1 nur grobschematisch dargestellten Rotor 3 und einen Stator 2. Zur Verdeutlichung ist der Stator 2 in 2 in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse D entlang der Schnittlinie II - II der 1 in separater Darstellung dargestellt. Entsprechend 1 besitzt der Rotor 3 eine Rotorwelle 31 und kann mehrere, in der 1 nicht näher dargestellte Magnete aufweisen, deren magnetische Polarisationen entlang der Umfangsrichtung U abwechseln. Der Rotor 3 ist um eine Rotationsachse D drehbar, deren Lage durch die Mittellängsachse M der Rotorwelle 31 festgelegt ist. Durch die Rotationsachse D wird eine axiale Richtung A definiert, welche sich parallel zur Rotationsachse D erstreckt. Eine radiale Richtung R steht senkrecht zur axialen Richtung A. Eine Umfangsrichtung U rotiert um die Rotationsachse D.
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Wie 1 erkennen lässt, ist der Rotor 3 im Stator 2 angeordnet. Somit handelt es sich bei der hier gezeigten elektrischen Maschine 1 um einen sogenannten Innenläufer. Denkbar ist aber auch eine Realisierung als sogenannter Außenläufer, bei welcher der Rotor 3 außerhalb des Stators 2 angeordnet ist. Die Rotorwelle 31 ist in einem ersten Wellenlager 32a und, dazu axial beabstandet, in einem zweiten Wellenlager 32b um die Rotationsachse D drehbar am Stator 2 gelagert.
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Der Stator 2 umfasst außerdem in bekannter Weise mehrere, zum Erzeugen eines magnetischen Felds elektrisch bestrombare Statorwicklungen 6. Durch magnetische Wechselwirkung des von den Magneten des Rotors 3 erzeugten magnetischen Feldes mit dem von den elektrisch leitenden Statorwicklungen 6 erzeugten magnetischen Felds wird der Rotor 3 in Rotation versetzt.
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Dem Querschnitt der 2 entnimmt man, dass der Stator 2 einen ringförmigen Statorkörper 7, beispielsweise aus Eisen, aufweisen kann. Insbesondere kann der Statorkörper 7 aus mehreren, entlang der axialen Richtung A aufeinandergestapelten und miteinander verklebten Statorkörperplatten (nicht gezeigt) gebildet sein. An dem Statorkörper 7 sind radial innen mehrere Statorzähne 8 angeformt, die sich entlang der axialen Richtung A erstrecken, radial nach innen vom Statorkörper 7 weg abstehen und entlang der Umfangsrichtung U beabstandet zueinander angeordnet sind. Jeder Statorzahn 8 trägt eine Statorwicklung 6. Die einzelnen Statorwicklungen 6 bilden zusammen eine Wicklungsanordnung. Je nach Anzahl der von den Statorwicklungen 6 zu bildenden magnetischen Pole können die einzelnen Statorwicklungen 6 der gesamten Wicklungsanordnung in geeigneter Weise elektrisch miteinander verdrahtet sein.
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Im Betrieb der Maschine 1 erzeugen die elektrisch bestromten Statorwicklungen 6 Abwärme, die aus der Maschine 1 abgeführt werden muss, um eine Überhitzung und eine damit einhergehende Beschädigung oder gar Zerstörung der Maschine 1 zu verhindern. Daher werden die Statorwicklungen 6 mithilfe eines Kühlmittels K gekühlt, welches durch den Stator 2 geführt wird und die von den Statorwicklungen 6 erzeugte Abwärme durch Wärmeübertragung aufnimmt.
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Um das Kühlmittel K durch den Stator 2 zu führen, umfasst die Maschine 1 einen Kühlmittelverteilerraum 4, in welchen über einen Kühlmitteleinlass 33 ein Kühlmittel K eingeleitet werden kann. Entlang der axialen Richtung A im Abstand zum Kühlmittelverteilerraum 4 ist ein Kühlmittelsammlerraum 5 angeordnet. Der Kühlmittelverteilerraum 4 kommuniziert mittels mehrerer Kühlkanäle 10, von welchen in der Darstellung der 1 nur ein einziger erkennbar ist, fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum 5. In einem in den Figuren nicht gezeigten Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A können der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 jeweils eine ringförmige Geometrie besitzen. Entlang der Umfangsrichtung U sind mehrere Kühlkanäle 10 beabstandet zueinander angeordnet, die sich jeweils entlang der axialen Richtung A vom ringförmigen Kühlmittelverteilerraum 4 zum ringförmigen Kühlmittelsammlerraum 5 erstrecken. Somit kann das über den Kühlmitteleinlass 33 in den Kühlmittelverteilerraum 4 eingebrachte Kühlmittel K auf die einzelnen Kühlkanäle 10 verteilt werden. Nach dem Durchströmen der Kühlkanäle 10 und der Aufnahme von Wärme von den Statorwicklungen 6 wird das Kühlmittel K im Kühlmittelsammlerraum 5 gesammelt und über einen am Stator 2 vorgesehenen Kühlmittelauslass 34 wieder aus der Maschine 1 ausgeleitet.
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Wie die Darstellungen der 1 und 2 erkennen lassen, sind die Statorwicklungen 6 und die Kühlkanäle 10 in Zwischenräumen 9 angeordnet, die zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Statorzähnen 8 ausgebildet sind. Besagte Zwischenräume 9 sind dem einschlägigen Fachmann auch als sogenannte „Statornuten“ oder „Statorschlitze“ bekannt, die sich ebenso wie die Statorzähne 8 entlang der axialen Richtung A erstrecken.
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Im Folgenden wird die Darstellung der 3 erläutert, welche einen zwischen zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Statorzähnen 8 - im Folgenden auch als Statorzähne 8a, 8b bezeichnet - ausgebildeten Zwischenraum 9 in einer Detaildarstellung zeigt.
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Wie 3 veranschaulicht, weist der Zwischenraum 9 radial innen eine Öffnung 52 auf, ist also radial innen offen ausgebildet. Der Zwischenraum 9 kann in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A die Geometrie eines Trapezes, insbesondere eines Rechtecks, aufweisen. Im Beispiel der 3 ist der Kühlkanal 10 im Bereich eines radial inneren Endabschnitts 56a des Zwischenraums 9 bzw. der Statornut 54, also im Bereich der Öffnung 52, angeordnet.
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Um die Wärmeübertragung der von den Statorwicklungen 6 erzeugten Abwärme auf das durch die Kühlkanäle 10 strömende Kühlmittel K zu verbessern, ist entsprechend 3 in den Zwischenräumen 9 neben einem Kühlkanal 10 und einer Statorwicklung 6 zusätzlich ein wärmeleitender Kunststoff 11 angeordnet. Bevorzugt ist dieser Kunststoff 11 durch Spritzgießen in den Zwischenraum 9 eingebracht.
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Wie 3 erkennen lässt, ist der Kunststoff 11 auf Oberflächenabschnitten 50b, 50c zweier in Umfangsrichtung U benachbarter Statorzähne 8 angeordnet, die den Zwischenraum 9 begrenzen. Ferner ist der Kunststoff 11 auf einem Oberflächenabschnitt 50a des Statorkörpers 7 angeordnet, der den Zwischenraum 9 radial außen begrenzt.
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Zweckmäßig ist der auf den Oberflächenabschnitten 50a, 50b, 50c angeordnete Kunststoff 11 ein elektrisch isolierender Kunststoff. Somit ist sichergestellt, dass sowohl der im Zwischenraum 9 angeordnete Kühlkanal 10 als auch die im selben Zwischenraum 9 angeordnete Statorwicklung 6 mittels des Kunststoffs 11 jeweils elektrisch gegenüber den Statorzähnen 8 isoliert sind. Darüber hinaus ist die Statorwicklung 6 über den Kunststoff 11 wärmeleitend mit dem Kühlkanal 10 verbunden, so dass in bzw. von der Statorwicklung 6 erzeugte Abwärme über den Kunststoff 11 auf das durch den Kühlkanal 10 strömende Kühlmittel K übertragen und somit von der Statorwicklung 6 abgeführt werden kann.
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Der auf den drei Oberflächenabschnitten 50a, 50b, 50c angeordnete Kunststoff 11 bildet eine elektrisch isolierende und wärmeleitende Isolationsschicht 51 aus, welche die Oberflächenabschnitte 50a, 50b, 50c bedeckt. Beispielsweise kann eine Schichtdicke d der Isolationsschicht 51 zwischen 0,2 mm und 0,5 mm betragen.
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Gemäß 3 kann der Kunststoff 11 nicht nur die Isolationsschicht 51 ausbilden, sondern - alternativ oder zusätzlich dazu - auch eine im Zwischenraum 9 bzw. in der Statornut 54 angeordnete Phasenisolierung 58. Die Phasenisolierung 58 unterteilt den Zwischenraum 9 in einen radial inneren und in einen radial äu-ßeren Teilraum 59a, 59b. Somit können in dem radial inneren Teilraum 59a erste Leiterelemente 60a der Statorwicklung 6 angeordnet werden, die eine erste Phasenwicklung 70a ausbilden. Ebenso können in dem radial äußeren Teilraum 59b zweite Leiterelemente 60b der Statorwicklung 6 angeordnet werden, die eine zweite Phasenwicklung 70b ausbilden, die elektrisch gegenüber der ersten Phasenwicklung 70a isoliert ist.
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Zweckmäßig erstreckt sich die Phasenisolierung 58 entlang der Umfangsrichtung U. Bevorzugt verbindet die Phasenisolierung 58 die beiden auf den benachbarten Statorzähnen 8a, 8b angeordneten Isolationsschichten 51 aus dem Kunststoff 11 miteinander.
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Man erkennt, dass der Kunststoff 11 nicht nur die elektrische Isolationsschicht 51, sondern auch eine in dem Zwischenraum 9 angeordnete erste Schutzbeschichtung 75 ausbildet, welche den Kühlkanal 10 begrenzt bzw. umgibt. Die Bereitstellung eines Rohrkörpers oder dergleichen zur fluiddichten Begrenzung des Kühlkanals 10 derart, dass aus diesem kein Kühlmittel K austreten kann, ist somit überflüssig.
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Im Beispielszenario der 3 verschließt die erste Schutzbeschichtung 75 die Öffnung 52 des offen ausgebildeten Zwischenraums 9 bzw. der Statornut 54.
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Wie 3 ferner erkennen lässt, ist die Statorwicklung 6 auch über den die erste Schutzbeschichtung 75 bildenden Kunststoff 11 nicht nur elektrisch gegenüber dem Kühlkanal 10 isoliert, sondern auch wärmeleitend mit diesem verbunden, so dass in bzw. von der Statorwicklung 6 erzeugte Abwärme auch über die erste Schutzbeschichtung 75 auf das durch den Kühlkanal 10 strömende Kühlmittel K übertragen werden kann.
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Die ersten Leiterelemente 60a sind im radial inneren Teilraum 59a und die zweiten Leiterelemente 60b im radial äußeren Teilraum 59b angeordnet.
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Der im Bereich des radial inneren Endabschnitts 54a angeordnete Kühlkanal 10 ist in dem mittels der Phasenisolierung 58 aus Kunststoff 11 gebildeten radial inneren Teilraum 59a angeordnet.
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Wie 3 erkennen lässt, umfasst die im Zwischenraum 9 angeordnete Statorwicklung 6 erste Leiterelemente 60a und zweite Leiterelemente 60b, die im Zwischenraum 9 entlang der radialen Richtung R nebeneinander und im Abstand zueinander angeordnet sind. Zwischen jeweils zwei entlang der radialen Richtung R benachbarten Leiterelementen 60a, 60b ist ein Spalt 61 ausgebildet, der sich bevorzugt entlang der Umfangsrichtung U erstrecken kann. Dabei bildet der Kunststoff 11 eine Spaltfüllung 62 aus, mit welcher der Spalt 61 vollständig befüllt ist.
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In ähnlicher Weise kann zwischen den ersten und zweiten Leiterelementen 60a, 60b und der auf den Oberflächenabschnitten 50b, 50c der Statorzähne 8a, 8b angeordneten elektrischen Isolation ein Spalt 61 ausgebildet sein. Auch in diesem Fall bildet der Kunststoff 11 eine Spaltfüllung 62 aus, mittels welcher der Spalt 61 befüllt ist. Es versteht sich, dass besagter, mit dem Kunststoff 11 befüllter Spalt 61 sich auch nur abschnittsweise erstrecken kann oder in Form eines sogenannten Lufteinschlusses vorliegen kann. Denkbar ist auch, dass mehrere Spalte 61 bzw. Lufteinschlüsse vorliegen, die mit der Spaltfüllung 62 aus dem Kunststoff 11 befüllt sind. Somit sind in dem in 3 dargestellten Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A alle ersten und zweiten Leiterelemente 60a, 60b von dem elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Kunststoff 11 umgeben.
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Die ersten und zweiten Leiterelemente 60a, 60b sind jeweils als erste bzw. zweite Wicklungsstäbe 65a, 65b aus einem elektrisch leitenden und mechanisch steifen Material gebildet. In dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A weisen die ersten und zweiten Wicklungsstäbe 65a, 65b jeweils die Geometrie eines Rechtecks 66 mit zwei Schmalseiten 67 und zwei Breitseiten 68 auf.
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Gemäß 3 sind die ersten Leiterelemente 60a im radial inneren Teilraum 59a angeordnet und zum Anschluss an eine gemeinsame erste Phase einer elektrischen Stromquelle elektrisch miteinander verbunden. Entsprechend sind die zweiten Leiterelemente 60b im radial äußeren Teilraum 59b angeordnet und zum Anschluss an eine gemeinsame zweite Phase der elektrischen Stromquelle elektrisch miteinander verbunden. Ferner sind ersten Leiterelemente 60a mittels der Phasenisolierung 58 elektrisch gegenüber den zweiten Leiterelementen 60b isoliert.
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Die 4 zeigt eine Weiterbildung des Beispiels der 3. Das Beispiel der 4 unterscheidet sich von jenem der 3 darin, dass im Bereich eines radial äußeren Endabschnitts 56b des Zwischenraum 9 bzw. der Statornut 54, der dem radial inneren Endabschnitt 56a bezüglich der radialen Richtung gegenüberliegt, ein zusätzlicher Kühlkanal 10 angeordnet ist.
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Im Beispiel der 4 bildet der Kunststoff 11 - in analoger Weise zur ersten Schutzbeschichtung 75 des Kühlkanals 10 - eine im Zwischenraum 9 angeordnete zweite Schutzbeschichtung 75 aus, die den zusätzlichen Kühlkanal 10 begrenzt und somit umhüllt. Wie 4 erkennen lässt, ist der im radial äußeren Endabschnitt 56b angeordnete zusätzliche Kühlkanal 10 in dem mittels der vom Kunststoff 11 gebildeten Phasenisolierung 58 gebildeten radial äußeren Teilraum 59b des Zwischenraums 9 bzw. der Statornut 54 angeordnet. In analoger Weise zur ersten Schutzbeschichtung 75 kann auch die zweite Schutzbeschichtung 75 in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A den zweiten Kühlkanal 10 radial innen und radial außen begrenzen. Ebenso kann die zweite Schutzbeschichtung 75 in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A den zweiten Kühlkanal 10 in Umfangsrichtung U des Stators 2 umgeben und auf diese Weise begrenzen.
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Die 5 zeigt eine Variante des Beispiels der 3. Im Beispiel der 5 bildet der Kunststoff eine Kunststoffmasse, in welche die Statorwicklung 6 eingebettet ist. Im Beispiel der 5 sind die Leiterelemente 65 der Statorwicklung 6 durch Wicklungsdrähte 72 gebildet, die Teil einer verteilten Wicklung sind.
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Der auf den Oberflächenabschnitten 50a, 50b, 50c der Statorzähne 8a, 8b vorgesehene Kunststoff 11 kann durch ein, vorzugsweise elektrisch isolierendes, erstes Kunststoffmaterial K1 gebildet sein. Der die Phasenisolierung 58 ausbildende Kunststoff 11 kann durch ein zweites Kunststoffmaterial K2 gebildet sein. Der die erste und zweite Schutzbeschichtung 75 ausbildende Kunststoff 11 kann durch das zweite Kunststoffmaterial K2 oder durch ein davon verschiedenes drittes Kunststoffmaterial K3 gebildet sein. Zweckmäßig ist das zweite Kunststoffmaterial K2 elektrisch isolierend oder elektrisch leitend ausgebildet. Auch das dritte Kunststoffmaterial K3 kann entweder elektrisch isolierend oder elektrisch leitend ausgebildet sein. Das erste Kunststoffmaterial K1 kann ein Thermoplast oder ein Duroplast sein. Gleiches gilt für das zweite und das dritte Kunststoffmaterial K2, K3. Jeweils zwei oder sogar alle drei Kunststoffmaterialien K1, K2, K3 können identische Wärmeleitfähigkeiten aufweisen sind. Alternativ dazu können das erste und, alternativ oder zusätzlich, das zweite und, alternativ oder zusätzlich, das dritte Kunststoffmaterial K1, K2, K3 unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen. Das erste und, alternativ oder zusätzlich, das zweite und, alternativ oder zusätzlich, das dritte Kunststoffmaterial K1, K2, K3 können identische Materialien sein. Alternativ dazu können das erste und, alternativ oder zusätzlich, das zweite und, alternativ oder zusätzlich, das dritte Kunststoffmaterial K1, K2, K3 unterschiedliche Materialien sein.
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Ebenso Zweckmäßig beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs 11, insbesondere des ersten und, alternativ oder zusätzlich, des zweiten und, alternativ oder zusätzlich, des dritten Kunststoffmaterials K1, K2, K3, mindestens 0,5 W/mK, vorzugsweise mindestens 1 W/ m K.
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Im Folgenden wird wieder auf 1 Bezug genommen. Ferner ist gemäß 1 der Stator 2 mit dem Statorkörper 7 und den Statorzähnen 8 axial zwischen einem ersten und einem zweiten Lagerschild 25a, 25b angeordnet.
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Wie die 1 erkennen lässt, ist ein Teil des Kühlmittelverteilerraums 4 in dem ersten Lagerschild 25a und ein Teil des Kühlmittelsammlerraums 5 in dem zweiten Lagerschild 25b angeordnet. Der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 sind somit jeweils teilweise durch einen im Kunststoff 11 vorgesehenen Hohlraum 41a, 41b gebildet. Der erste Hohlraum 41a wird dabei durch einen im ersten Lagerschild 25a ausgebildeten Hohlraum 42a zum Kühlmittelverteilerraum 4 ergänzt. Entsprechend wird der zweite Hohlraum 41b durch einen im zweiten Lagerschild 25b ausgebildeten Hohlraum 42b zum Kühlmittelsammlerraum 5 ergänzt. Bei der vorangehend erläuterten Ausführungsvariante begrenzt der Kunststoff 11 den Kühlmittelverteilerraum 4 sowie den Kühlmittelsammlerraum 5 also zumindest teilweise.
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Im ersten Lagerschild 25a kann ferner eine Kühlmittelzuführung 35 ausgebildet sein, welche den Kühlmittelverteilerraum 4 fluidisch mit einem außen, insbesondere wie in 1 dargestellt umfangsseitig, am ersten Lagerschild 25a vorgesehenen Kühlmitteleinlass 33 verbindet. Im zweiten Lagerschild 25b kann entsprechend eine Kühlmittelabführung 36 ausgebildet sein, welche den Kühlmittelsammlerraum 5 fluidisch mit einem außen, insbesondere wie in 1 dargestellt umfangsseitig, am Lagerschild 25b vorgesehenen Kühlmittelauslass 34 verbindet. Dies ermöglicht eine Anordnung des Kühlmittelverteilerraums 4 bzw. des Kühlmittelsammlerraum 5 jeweils radial außen am ersten bzw. zweiten Endabschnitt 14a, 14b der betreffenden Statorwicklung 6 und auch in der Verlängerung dieser Endabschnitte 14a, 14b entlang der axialen Richtung A. Die im Betrieb der Maschine 1 thermisch besonders belasteten Endabschnitte 14a, 14b der Statorwicklungen 6 werden auch mittels dieser Maßnahme besonders effektiv gekühlt.
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Gemäß 1 kann der Kunststoff 11 auch auf einer Außenumfangsseite 30 des Statorkörpers 7 angeordnet sein und somit auf der Außenumfangsseite 30 eine Kunststoffbeschichtung 11.1 ausbilden. Somit kann der typischerweise aus elektrisch leitenden Statorplatten gebildete Statorkörper 7 des Stators 2 elektrisch gegen die Umgebung isoliert werden. Die Bereitstellung eines separaten Gehäuses zur Aufnahme des Statorkörpers 7 kann somit entfallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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