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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen Stator einer elektrischen Maschine zum Zusammenstecken mit einem hohlzylinderförmigen Blechpaket des Stators. Die Kühlvorrichtung weist mehrere Kühlkanäle zum Leiten von Kühlfluid entlang des Blechpakets auf. Außerdem weist die Kühlvorrichtung einen Fluidring zum Anordnen an einer Stirnseite des Blechpakets auf. Der Fluidring ist mit den Kühlkanälen verbunden und in einer entlang einer Umfangsrichtung orientierten Strömungsrichtung von Kühlfluid durchströmbar. Der Fluidring weist zwei Fluidringkanäle in Form von einem Verteilkanal zum Verteilen des Kühlfluids auf die Kühlkanäle und von einem Sammelkanal zum Aufnehmen des Kühlfluids aus den Kühlkanälen sowie zumindest zwei Kühlfluidanschlüsse in Form von zumindest einem Zuflussanschluss zum Einleiten des Kühlfluids in den Verteilkanal und von zumindest einem Abflussanschluss zum Entnehmen des Kühlfluids aus dem Sammelkanal auf. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen für Kraftfahrzeuge, insbesondere elektrische Antriebsmaschinen für Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Diese Maschinen weisen üblicherweise einen Stator sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Der Stator weist ein hohlzylinderförmiges Blechpaket auf, in dessen dem Rotor zugewandten Seite Wicklungsnuten mit Wicklungen angeordnet sind. Im Betrieb der elektrischen Maschine erhitzt sich die elektrische Maschine, wodurch sich deren Leistung verringern kann. Eine Überhitzung der elektrischen Maschine kann sogar zu deren Ausfall führen.
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Daher ist es aus dem Stand der Technik bekannt, den Stator der elektrischen Maschine zu kühlen. Dazu sind beispielsweise käfigartige Kühlvorrichtungen bekannt, welche Kühlkanäle, beispielsweise zum Anordnen in den Wicklungsnuten, und zum Leiten von Kühlfluid entlang des Blechpakets aufweisen. Die Kühlkanäle sind strömungsführend bzw. fluidisch mit einem Verteilkanal, welcher das Kühlfluid in die Kühlkanäle einleitet, und einem Sammelkanal, welcher das Kühlfluid aus den Kühlkanälen entnimmt, gekoppelt. Der Verteilkanal und der Sammelkanal können beispielsweise als Verteilring und Sammelring getrennt voneinander ausgebildet sein, wobei der Verteilring an einer ersten Stirnseite des Blechpakets angeordnet ist und der Sammelring an einer zweiten Stirnseite des Blechpakets, welche der ersten Stirnseite axial gegenüberliegt, angeordnet ist. Solche zweiseitigen Kühllösungen sind vor allem im Hinblick auf die Montage des Stators in einem Statorgehäuse von Nachteil, da Kühlfluidanschlüsse, welche an dem Verteilring und dem Sammelring angeordnet sind, in dem üblicherweise nur einseitig zugänglichen Statorgehäuse kaum mehr zugänglich sind.
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Auch existieren einseitige Kühllösungen, bei welchem der Verteilkanal und der Sammelkanal in einen Fluidring integriert sind, welcher an einer der Stirnseiten des Blechpakets angeordnet wird. Eine solche einseitige Kühllösung ist beispielsweise aus der gattungsbildenden
DE 198 13 160 A1 bekannt. Solche einseitigen Kühllösungen weisen bisher den Nachteil auf, dass ihre Kühleffizient aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung des Kühlfluids auf die Kühlkanäle nicht ausreichend ist. Außerdem weisen solche Fluidringe mit Verteilkanal und Sammelkanal einen hohen Bauraumbedarf auf und sind somit nicht oder nur schwer in den zur Verfügung stehenden Bauraum der elektrischen Maschine integrierbar.
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Die
US 2010 / 0 176 669 A1 offenbart eine Flüssigkeitskühlanordnung für elektrische Maschinen mit einem kontinuierlichen Kühlrohr. Das Kühlrohr weist eine Serpentinenform auf. In der
DE 10 2015 012 913 A1 ist eine Kühleinrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine beschrieben, wobei die Kühleinrichtung mehrere Kühlrohre mit jeweils einem ersten und einem zweiten Ende aufweist, die an ihrem ersten Ende starr mit einem Rohrträger verbunden sind. Die ersten Enden der Kühlrohre weisen jeweils einen Kühlmittelzufluss, über den Kühlmittel durch den Rohrträger zuführbar ist, und einen Kühlmittelabfluss auf, über den Kühlmittel durch den Rohrträger abführbar ist. Die zweiten Enden der Kühlrohre enden jeweils frei und sind verschlossen, wobei die Kühlrohre jeweils einen ersten Kühlmittelkanal, der sich von dem Kühlmittelzufluss zu dem zweiten Ende erstreckt, und einen zweiten Kühlmittelkanal, der sich von dem zweiten Ende zu dem Kühlmittelabfluss erstreckt, aufweisen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders platzsparende und effiziente Kühlung eines Stators einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlvorrichtung, eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung für einen Stator einer elektrischen Maschine zum Zusammenstecken mit einem hohlzylinderförmigen Blechpaket des Stators weist mehrere Kühlkanäle zum Leiten von Kühlfluid entlang des Blechpakets auf. Außerdem weist die Kühlvorrichtung einen mit den Kühlkanälen verbundenen, in einer entlang einer Umfangsrichtung orientierten Strömungsrichtung von einem Kühlfluid durchströmbaren Fluidring zum Anordnen an einer Stirnseite des Blechpakets auf. Der Fluidring weist zwei Fluidringkanäle in Form von einem Verteilkanal zum Verteilen des Kühlfluids auf die Kühlkanäle und von einem Sammelkanal zum Aufnehmen des Kühlfluids aus den Kühlkanälen sowie zumindest zwei Kühlfluidanschlüsse in Form von zumindest einem Zuflussanschluss zum Einleiten des Kühlfluids in den Verteilkanal und von zumindest einem Abflussanschluss zum Entnehmen des Kühlfluids aus dem Sammelkanal auf. Darüber hinaus weisen die Fluidringkanäle zur Gleichverteilung des Kühlfluids auf die Kühlkanäle in Strömungsrichtung ortsabhängige bzw. umfangswinkelabhängige Strömungsquerschnitte auf. Der Verteilkanal ist mit einem ersten Strömungsquerschnitt ausgebildet, welcher ausgehend von dem zumindest einen Zuflussanschluss und mit steigender Anzahl an bereits mit Kühlfluid versorgten Kühlkanälen abnimmt. Der Sammelkanal ist mit einem zweiten Strömungsquerschnitt ausgebildet, welcher mit steigender Anzahl an bereits entleerten Kühlkanälen und zu dem zumindest einen Abflussanschluss hin zunimmt.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug aufweisend einen Stator, einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor und eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung. Der Stator weist ein hohlzylinderförmiges Blechpaket mit einer dem Rotor zugewandten Seite, welche axial erstreckende, in Umfangsrichtung verteilte Wicklungsnuten aufweist, auf. Außerdem weist der Stator Wicklungen auf, welche in den Wicklungsnuten angeordnet sind. Der Fluidring der Kühlvorrichtung ist an einer ersten Stirnseite des Blechpakets angeordnet und die Kühlkanäle sind an dem Blechpaket, insbesondere in den Wicklungsnuten, angeordnet.
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Der Stator weist das hohlzylinderförmige Blechpaket bzw. Statoreisen sowie die elektrischen Wicklungen auf. Das hohlzylinderförmige Blechpaket weist dabei zwei sich axial gegenüberliegende Stirnseiten auf. In dem durch das hohlzylinderförmige Blechpaket umschlossenen, zylinderförmigen Hohlraum kann der Rotor der elektrischen Maschine drehbar gelagert werden, wobei eine Rotationsachse des Rotors einer sich axial erstreckenden Längsachse des Blechpaktes entspricht. Das Blechpaket weist an einer Seite, insbesondere an der dem Hohlraum zugewandten Innenseite, die Wicklungsnuten bzw. Statornuten zum Aufnehmen der Wicklungen auf. Insbesondere sind die Wicklungsnuten in Umfangs(winkel)richtung, also tangential zur Rotationsachse, äquidistant zueinander und über einen gesamten Umfang der dem Rotor zugewandten Seite des Blechpakets verteilt angeordnet. Sie erstrecken sich in axialer Richtung von der ersten Stirnseite des Blechpakets bis zu der gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Blechpakets. In axialer Richtung, also entlang der Rotationsachse, ragen die in den Wicklungsnuten angeordneten Wicklungen an den Stirnseiten über das Blechpaket hinaus und bilden dort jeweils einen Wickelkopf aus. Die Wicklungen des Stators können beispielsweise als Formstabwicklungen oder Runddrahtwicklungen ausgebildet sein.
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Die Kühlvorrichtung ist als ein Kühlkäfig ausgebildet, welcher mit dem Blechpaket zusammengesteckt werden kann. Der Kühlkäfig kann mit einem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine, welcher das Kühlfluid bereitstellt, gekoppelt werden und ist somit zum Kühlen des Stators im Betrieb der elektrischen Maschine ausgebildet. Das Kühlfluid kann beispielsweise eine Kühlflüssigkeit sein. Der Kühlkäfig weist den Fluidring und die Kühlkanäle auf. Der Fluidring ragt dabei im angeordneten Zustand aus dem Hohlraum hinaus und steht an der ersten Stirnseite des Blechpakets über. Durch den einen Fluidring wird also eine einseitige Kühllösung bereitgestellt. Der Fluidring ist insbesondere ein toroidförmiger Hohlkörper, in dessen Fluidringinnenraum das von dem Kühlkreislauf bereitgestellte Kühlfluid geführt werden kann. Der Fluidring wird radial benachbart zu dem Wickelkopf an der ersten Stirnseite angeordnet. Der Fluidring und der Wickelkopf sind somit konzentrisch zueinander angeordnet. Durch diese nahe Anordnung des Fluidrings am Wickelkopf, an welchem im Betrieb der elektrischen Maschine eine besonders starke Hitzeentwicklung in Form von sogenannten Hotspots auftritt, kann dieser besonders effizient gekühlt werden. Hierdurch kann eine Dauerleistung der elektrischen Maschine in statorkritischen Betriebspunkten gesteigert werden.
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Der Fluidring weist dabei die Fluidringkanäle, also den Verteilkanal und dem Sammelkanal, und die Kühlfluidanschlüsse, also den zumindest einen Zuflussanschluss und den zumindest einen Abflussanschluss, auf. Insbesondere weist der Fluidring genau einen Zuflussanschluss und genau einen Abflussanschluss auf. Über den Zuflussanschluss kann dem Verteilkanal das Kühlfluid zugeführt werden. Der Verteilkanal ist dazu ausgelegt, das Kühlfluid auf die Kühlkanäle zu verteilen bzw. in die Kühlkanäle einzuleiten. Der Sammelkanal ist dazu ausgelegt, den Kühlkanälen das Kühlfluid wieder zu entnehmen bzw. das Kühlfluid wieder einzusammeln. Das gesammelte Kühlfluid kann dem Fluidring über den Abflussanschluss wieder entnommen werden. Der Verteilkanal und der Sammelkanal sind dabei ringförmig und in Umfangsrichtung umlaufend ausgebildet. Die Kühlfluidanschlüsse können dabei stutzenförmig ausgebildet sein und beispielsweise axial abstehend an dem Fluidring angeordnet sein.
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Die Kühlkanäle sind dabei unter Ausbildung eines Kühlkanalkranzes in Umfangsrichtung verteilt an dem Fluidring angeordnet und stehen axial an dem Fluidring ab. Die Kühlkanäle sind bidirektional leitend bzw. strömungsführend ausgebildet. Dies bedeutet, dass jeder Kühlkanal einen sich axial erstreckenden Hinflussabschnitt, welcher mit dem Verteilkanal fluidisch gekoppelt ist, einen sich axial erstreckenden Rückflussabschnitt, welcher mit dem Sammelkanal fluidisch gekoppelt ist, und einen sich tangential erstreckenden Umlenkabschnitt, welcher mit dem Hinflussabschnitt und dem Rückflussabschnitt fluidisch gekoppelt ist, aufweist. Jeder Kühlkanal leitet also das Kühlfluid ausgehend von dem an der ersten Stirnseite des Blechpakets angeordneten Fluidring axial innerhalb des Hinflussabschnittes in Richtung der zweiten Stirnseite des Blechpakets, über den Umlenkabschnitt in den Rückflussabschnitt und innerhalb des Rückflussabschnittes axial zurück zu dem Fluidring. Die Kühlkanäle können dabei derart am Blechpaket angeordnet sein, dass sie sich axial über eine Seite des Blechpakets erstrecken. Beispielsweise können die Kühlkanäle als Nutkühlkanäle ausgebildet sein und gemeinsam mit den Wicklungen in den Wicklungsnuten des Blechpakets angeordnet sein. Alternativ dazu können die Kühlkanäle auch anliegend an einer Seite des Blechpakets angeordnet sein, welche der Seite mit den Wicklungsnuten gegenüberliegt. Bei in der Innenseite des Blechpakets angeordneten Wicklungsnuten können die Kühlkanäle an der Außenseite des Blechpakets angeordnet sein. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Seite, welche keine Wicklungsnuten aufweist, axial verlaufende Kühlkanalnuten aufweist, in welchen die Kühlkanäle anordenbar sind. So können die Kühlkanäle besonders platzsparend am Blechpaket angeordnet werden.
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Beispielsweise sind die Kühlkanäle schleifenförmig, also als Kühlschleifen, ausgebildet, sodass der Hinflussabschnitt und der Rückflussabschnitt eines Kühlkanals entlang der Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind und als längliche, parallel verlaufende Kanalbereiche ausgebildet sind. Beispielsweise kann der Hinflussabschnitt eines Kühlkanals in einer ersten Wicklungsnut oder in einer ersten Kühlkanalnut angeordnet sein und der Rückflussabschnitt desselben Kühlkanals in einer zur ersten Wicklungsnut benachbarten zweiten Wicklungsnut oder in einer zur ersten Kühlkanalnut benachbarten zweiten Kühlkanalnut angeordnet sein. Über den Umlenkabschnitt kann das Kühlfluid dabei von dem Hinflussabschnitt in den Rückflussabschnitt geleitet werden. Der Umlenkabschnitt kann beispielsweise zum Anordnen an einer zweiten Stirnseite des Blechpakets über einen zwischen der ersten und der zweiten Wicklungsnut oder einen zwischen der ersten und der zweiten Kühlkanalnut angeordneten Statorzahn verlaufend ausgebildet sein. Derart ausgebildete Kühlkanäle können besonders einfach hergestellt werden. Auch kann vorgesehen sein, dass der Hinflussabschnitt und der Rückflussabschnitt eines Kühlkanals angrenzend aneinander ausgebildet sind, sodass beispielsweise in jeder Wicklungsnut oder in jeder Kühlkanalnut eine Kühlschleife angeordnet werden kann. Die Kühlkanäle können einstückig ausgebildet sein. Die Kühlkanäle können beispielsweise mit dem Fluidring zusammengesteckt werden und vor dem Anordnen des Kühlkäfigs am Blechpaket fluiddicht mit dem Fluidring verbunden werden. Zum Ermöglichen eines axialen Zusammensteckens des Kühlkäfigs mit dem Blechpaket können die Kühlkanäle reversibel radial nach innen oder außen biegbar sein.
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Um nun das in die Kühlkanäle einzuleitende Kühlfluid gleichmäßig auf die Kühlkanäle zu verteilen, weist der ringförmige Verteilkanal bzw. Verteilring den in Strömungsrichtung variierenden ersten Strömungsquerschnitt auf. Ausgehend von dem Zuflussanschluss, über welchen das Kühlfluid in den Verteilkanal eingeleitet wird, teilt sich das Kühlfluid nach links und nach rechts auf und fließt entlang der Umfangsrichtung in Strömungsrichtung durch den Verteilkanal. Anders ausgedrückt, fließt ein Teil des Kühlfluids in Umfangsrichtung, beispielsweise im Uhrzeigersinn, durch eine linke Hälfte des Verteilkanals, und ein anderer Teil des Kühlfluids fließt entgegen der Umfangsrichtung, beispielsweise gegen den Uhrzeigersinn, durch eine rechte Hälfte des Verteilkanals. Auf dem Weg des Kühlfluids durch den Verteilkanal gibt der Kühlfluidstrom nach und nach Kühlfluid in die Hinflussabschnitte der Kühlkanäle ab. Eine Menge des Kühlfluids in dem Verteilkanal verringert sich also in Strömungsrichtung mit steigendem Abstand zum Zuflussanschluss, da die Anzahl an bereits mit Kühlfluid versorgten Kühlkanälen steigt. Der zweite Strömungsquerschnitt des Sammelkanals steigt hingegen in Strömungsrichtung mit steigender Menge an eingesammeltem Kühlfluid in dem Sammelkanal. Die Menge an Kühlfluid nimmt in dem Sammelkanal wieder zu, je mehr Kühlkanäle bereits entleert wurden und je geringer der Abstand zum Abflussanschluss wird. Entgegen der Strömungsrichtung betrachtet nimmt der Strömungsquerschnitt ausgehend von dem Abflussanschluss mit sinkender Anzahl an bereits entleerten Kühlkanälen hin ab. Die Strömungsquerschnitte der Fluidringkanäle sind also abhängig von einem Wert des Umfangswinkels entlang der Umfangsrichtung.
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Durch diesen variablen Strömungsquerschnitt entlang der Umfangsrichtung kann in vorteilhafter Weise eine Strömungsgleichverteilung in den Kühlkanälen verbessert werden und somit eine effektive und gleichmäßige Kühlung mit geringem Druckverlust erreicht werden.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Fluidringkanäle radial benachbart zueinander angeordnet sind und mit dem Fluidring verbundene Enden der Hinflussabschnitte und der Rückflussabschnitte zum Verbinden mit dem jeweiligen Fluidringkanal radial und/oder entlang der Umfangsrichtung versetzt zueinander ausgebildet sind. Der erste Fluidringkanal, beispielsweise der Verteilkanal, liegt also radial außen und umschließt den radial innenliegenden zweiten Fluidringkanal, beispielsweise den Sammelkanal. Die Fluidringkanäle sind also konzentrisch zueinander um die Rotationsachse herum angeordnet. Um die bidirektional leitenden Kühlkanäle nun sowohl mit dem Verteilkanal als auch mit dem Sammelkanal fluidisch koppeln zu können, können die Enden eines Kühlkanals radial versetzt zueinander angeordnet sein. Beispielsweise können die Enden der Hinflussabschnitte und/oder der Rückflussabschnitte radial nach innen bzw. außen gebogen sein. So bilden beispielsweise die radial nach innen gebogenen Enden der einen Abschnitte, beispielsweise der Rückflussabschnitte, einen radial innenliegenden Endenkranz aus, um mit dem radial innenliegenden Fluidringkanal verbunden zu werden, und die radial nach außen gebogenen Enden der anderen Abschnitte, beispielsweise der Hinflussabschnitte, einen radial außenliegenden Endenkranz aus, um mit dem radial außenliegenden Fluidringkanal verbunden zu werden. Alternativ dazu können die Enden auch nur in Umfangsrichtung zueinander versetzt sein, also ungebogen ausgebildet sein. Hier werden also die radiale Verbindung zwischen dem innenliegenden Fluidringkanal und den zugehörigen Verbindungsanschlüssen sowie die radiale Verbindung zwischen dem außenliegenden Fluidringkanal und den zugehörigen Verbindungsanschlüssen in den Fluidring integriert. Dadurch können die Kühlkanalenden einfach axial gerade aus dem Blechpaket ragen, wodurch die Produktion der Kühlkanäle erleichtert wird.
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Vorzugsweise liegen sich der Zuflussanschluss und der Abflussanschluss radial gegenüber und sind dazu entlang der Umfangsrichtung um etwa 180° versetzt zueinander angeordnet. Der Zuflussanschluss befindet sich also beispielsweise bei einem Umfangswinkel von 0°, während sich der Abflussanschluss bei einem Umfangswinkel von etwa 180° befindet. Die Strömungsrichtung ist also entlang der Umfangsrichtung ausgehend von dem Zuflussanschluss in Richtung des Abflussanschlusses orientiert. Das Kühlfluid strömt ausgehend von dem Zuflussanschluss in und entgegen der Umfangsrichtung durch den Verteilkanal und durch die Kühlkanäle in den Sammelkanal, fließt innerhalb des Sammelkanals in Richtung des Abflussanschlusses und am Abflussanschluss wieder zusammen.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung ausgehend von dem Zuflussanschluss in Richtung des Abflussanschlusses der erste Strömungsquerschnitt und der zweite Strömungsquerschnitt sich gegenläufig verändernd ausgebildet sind, sodass ein Gesamtströmungsquerschnitt des Fluidrings entlang der Umfangsrichtung konstant ist. Anders ausgedrückt verringert sich der erste Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung in gleichem Maße, wie sich der zweite Strömungsquerschnitt erhöht. Der Gesamtströmungsquerschnitt des Fluidrings wird also in Strömungsrichtung bedarfsgerecht auf den ersten Strömungsquerschnitt des Verteilkanals und den zweiten Strömungsquerschnitt des Sammelkanals aufgeteilt. Durch diese bedarfsgerechte Aufteilung des Gesamtströmungsquerschnitts des Fluidrings kann der Bauraum des Fluidrings besonders klein gehalten werden.
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Vorzugsweise weist der Fluidring eine Vielzahl von Außenwänden, welche einen Fluidringinnenraum umschließen, und einen in Umfangsrichtung umlaufenden Trennsteg auf, welcher in dem Fluidringinnenraum angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, einen Gesamtströmungsquerschnitt des Fluidringinnenraums umfangswinkelabhängig auf den ersten Strömungsquerschnitt und den zweiten Strömungsquerschnitt aufzuteilen. Insbesondere sind die Außenwände als zwei konzentrisch angeordnete zylinderförmige Seitenwände, als ein ringförmiger Boden mit Verbindungsanschlüssen für die Kühlkanäle und als ein dem ringförmigen Boden axial gegenüberliegender ringförmiger Deckel mit den Kühlfluidanschlüssen ausgebildet.
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Der ringförmige Deckel weist beispielsweise die axial abstehenden, stutzenartigen Kühlfluidanschlüsse auf. Die Kühlfluidanschlüsse sind dabei insbesondere einstückig mit dem Deckel ausgebildet. Auch können die Kühlfluidanschlüsse und der Deckel mehrteilig ausgebildet sein. Der Boden weist die Verbindungsanschlüsse für die Kühlkanäle auf. Die Verbindungsanschlüsse können beispielsweise als Stecköffnungen oder Steckbuchsen ausgebildet sein, in welche die Enden der Abschnitte der Kühlkanäle eingesteckt werden können. Dazu kann der Boden eine erste ringförmige Anordnung mit ersten Verbindungsanschlüssen zum Zusammenstecken mit den Enden der Hinflussabschnitte und eine zweite ringförmige Anordnung mit zweiten Verbindungsanschlüssen zum Zusammenstecken mit den Enden der Rückflussabschnitte aufweisen. Die ringförmigen Anordnungen mit den Verbindungsanschlüssen sind konzentrisch zueinander angeordnet. Bei schleifenförmigen Kühlkanälen, bei welchen die Enden der Abschnitte außerdem entlang der Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind, können die ersten und die zweiten Verbindungsanschlüsse entlang der Umfangsrichtung versetzt bzw. alternierend ausgebildet sein.
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In dem Fluidringinnenraum befindet sich der Trennsteg, welcher dazu ausgelegt ist, den Gesamtströmungsquerschnitt in Strömungsrichtung bedarfsgerecht auf die zwei Fluidringkanäle aufzuteilen. Insbesondere ist der Trennsteg dazu ausgelegt, den Gesamtströmungsquerschnitt in Strömungsrichtung umfangswinkelabhängig in radialer Richtung und axialer Richtung zu unterteilen. Dadurch können in Strömungsrichtung zum umfangswinkelabhängigen Einstellen der Strömungsquerschnitte die radialen Anteile und die axialen Anteile der Strömungsquerschnitte am Gesamtströmungsquerschnitt eingestellt werden. Der Trennsteg weist zum umfangswinkelabhängigen Aufteilen des Gesamtströmungsquerschnitts eine umfangswinkelabhängige Geometrie auf.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass zumindest der Fluidring aus einem Kunststoff oder aus einem Blech ausgebildet ist. Im Falle, dass der Fluidring aus einem Kunststoff ausgebildet ist, können der Trennsteg und der ringförmige, die Verbindungsanschlüsse aufweisende Boden beispielsweise einteilig ausgebildet sein. Im Falle, dass der Fluidring aus Blech ausgebildet ist, können der Trennsteg und der Boden mehrteilig aus Blechteilen ausgebildet sein. So können der Trennsteg und der Boden beispielsweise aus zwei ineinander verschachtelten Ringelementen gebildet sein, wobei eines der Ringelemente dem Verteilkanal und das andere der Ringelemente dem Sammelkanal zugeordnet ist.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der Trennsteg dazu ausgelegt ist, in einer ersten Fluidringhälfte des Fluidrings zum Reduzieren des ersten Strömungsquerschnitts in Strömungsrichtung einen axialen Anteil des zweiten Strömungsquerschnitts an dem Gesamtströmungsquerschnitt von einem Minimalwert im Bereich des Zuflussanschlusses bis zu einem Maximalwert im Bereich von Übergängen zwischen der ersten Fluidringhälfte und einer zweiten Fluidringhälfte zu erhöhen und damit einen radialen Anteil des ersten Strömungsquerschnitts am Gesamtströmungsquerschnitt zu reduzieren. In der zweiten Fluidringhälfte ist der Trennsteg zum Erhöhen des zweiten Strömungsquerschnitts in Strömungsrichtung dazu ausgelegt, einen axialen Anteil des ersten Strömungsquerschnitts am Gesamtströmungsquerschnitt von dem Maximalwert im Bereich der Übergänge bis zu dem Minimalwert im Bereich des Abflussanschlusses zu reduzieren und damit einen radialen Anteil des zweiten Strömungsquerschnitts am Gesamtströmungsquerschnitt zu erhöhen. Die Strömungsquerschnitte weisen im Bereich der Übergänge die gleichen axialen und radialen Anteile am Gesamtströmungsquerschnitt auf und sind damit gleich groß ausgebildet.
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Der Gesamtströmungsquerschnitt kann beispielsweise rechteckförmig ausgebildet sein. Der Fluidring weist dazu eine radiale Gesamtausdehnung bzw. Gesamtbreite und eine axiale Gesamtausdehnung bzw. Gesamthöhe auf. Die radiale und die axiale Gesamtausdehnung können nun auf die Fluidringkanäle aufgeteilt werden. Im Bereich des Übergangs, also in Strömungsrichtung mittig zwischen den Kühlfluidanschlüssen, sind die Fluidringkanäle radial nebeneinander angeordnet und teilen sich somit die radiale Gesamtausdehnung des Fluidringkanals. In axialer Richtung erstrecken sich die Fluidringkanäle über die axiale Gesamtausdehnung des Fluidrings. Die Strömungsquerschnitte der Fluidringkanäle sind somit gleich groß.
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Im Bereich des Zuflussanschlusses sind der Sammelkanal und der Verteilkanal radial nebeneinander angeordnet, jedoch weist der Sammelkanal eine vorbestimmte, minimale axiale Ausdehnung auf. Dadurch weist der zweite Strömungsquerschnitt den Minimalwert des axialen Anteils an dem Gesamtströmungsquerschnitt auf. Die axiale Ausdehnung des Sammelkanals ist also deutlich kleiner als die axiale Gesamtausdehnung des Fluidrings. Dadurch wird der Verteilkanal nicht nur radial neben, sondern auch axial über dem Sammelkanal angeordnet. Dadurch weist der erste Strömungsquerschnitt auch einen größeren radialen Anteil am Gesamtströmungsquerschnitt auf. Hierdurch ist der erste Strömungsquerschnitt deutlich größer als der zweite Strömungsquerschnitt. Umgekehrt verhält es sich im Bereich des Abflussanschlusses, wo die axiale Ausdehnung des Verteilkanals minimal ist und somit der erste Strömungsquerschnitt den Minimalwert des axialen Anteils am Gesamtströmungsquerschnitt aufweist. Hier ist der zweite Strömungsquerschnitt deutlich größer als der erste Strömungsquerschnitt. Ausgehend von dem jeweiligen Kühlfluidanschluss in Richtung der Übergänge wächst also der axiale Anteil des einen Strömungsquerschnitts am Gesamtströmungsquerschnitt, während der radiale Anteil des anderen Strömungsquerschnitts am Gesamtströmungsquerschnitt sinkt. Dadurch gleichen sich die axialen Anteile und die radialen Anteile der Strömungsquerschnitte am Gesamtströmungsquerschnitt in Richtung der Übergänge aneinander an. Durch einen solchen Trennsteg innerhalb des Fluidringinnenraums kann auf besonders einfache Weise eine einseitige, bauraumsparende Kühllösung mit verbesserter Strömungsgleichverteilung erreicht werden.
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Vorzugsweise ist der Trennsteg mit einer umfangswinkelabhängigen Höhe ausgebildet und weist zum radialen Unterteilen eine sich axial erstreckende Trennwand sowie zum axialen Unterteilen einen von der Trennwand radial abstehenden Kragen mit zwei Kragenabschnitten auf, wobei ein erster innerhalb einer ersten Fluidringhälfte des Fluidrings verlaufender Kragenabschnitt radial in eine erste Richtung ragt und dabei einen axialen Anteil des zweiten Strömungsquerschnitts einstellt, und ein zweiter innerhalb der zweiten Fluidringhälfte verlaufender Kragenabschnitt radial in eine zur ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung ragt und dabei einen axialen Anteil des ersten Strömungsquerschnitts einstellt.
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Die Trennwand des Trennstegs läuft dabei parallel zu den Seitenwänden des Fluidrings und der Kragen läuft insbesondere parallel zu dem ringförmigen Boden und dem ringförmigen Deckel. Der Trennsteg weist also einen L-förmigen bzw. abgewinkelten Querschnitt auf. Ein erster Trennstegabschnitt verläuft innerhalb der ersten Fluidringhälfte und ein zweiter Trennstegabschnitt verläuft innerhalb der zweiten Fluidringhälfte. Die erste Fluidringhälfte ist beispielsweise dem Zuflussanschluss zugeordnet und erstreckt sich ausgehend von dem Zuflussanschluss beispielsweise 90° in und entgegen der Umfangsrichtung. Die zweite Fluidringhälfte ist beispielsweise dem Abflussanschluss zugeordnet und erstreckt sich ausgehend von dem Abflussanschluss beispielsweise 90° in und entgegen der Umfangsrichtung. Die Übergänge zwischen den Fluidringhälften sind also beispielsweise um jeweils ±90° zu den Kühlfluidanschlüssen versetzt angeordnet. Durch den jeweiligen Kragenabschnitt kann die axiale Ausdehnung bzw. Höhe eines der Fluidringkanäle in der jeweiligen Fluidringhälfte und damit der axiale Anteil des Strömungsquerschnitts dieses Fluidringkanals am Gesamtströmungsquerschnitt eingestellt werden. Der Kragenabschnitt überdacht dabei den in der Höhe einzustellenden Fluidringkanal, sodass der jeweils andere Fluidringkanal in axialer Richtung darüber angeordnet werden kann.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ausgebildet und weist die elektrische Maschine als Traktionsmaschine auf.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße elektrische Maschine sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Perspektivdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators;
- 1a, 1b, 1c schematische Schnittdarstellungen des Stators mit unterschiedlichen Positionen der Kühlvorrichtung;
- 2 eine schematische Perspektivdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;
- 3 eine teiltransparente Darstellung der Kühlvorrichtung gemäß 2;
- 4 eine erste Explosionsdarstellung der Kühlvorrichtung;
- 5 eine zweite Explosionsdarstellung der Kühlvorrichtung;
- 6a bis 6d Darstellungen von unterschiedlichen Verbindungsmöglichkeiten von Kühlkanälen mit einem Fluidring der Kühlvorrichtung;
- 7 eine Darstellung der Kühlvorrichtung im Fluidraum;
- 8 eine Darstellung von Strömungsquerschnittsverläufen über eine Ringhälfte;
- 9 eine Darstellung von Strömungsquerschnittsverläufen über ein Ringviertelsegment;
- 10a, 10b Darstellungen von Querschnitten durch den Fluidring an unterschiedlichen Umfangswerten;
- 11 eine deckellose Perspektivdarstellung der Fluidrings der Kühlvorrichtung;
- 12a, 12b schematische Perspektivdarstellungen von aus Kunststoff gebildeten Komponenten der Kühlvorrichtung; und
- 13a, 13b schematische Perspektivdarstellungen von aus Blech gebildeten Komponenten der Kühlvorrichtung.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Stator 1 für eine elektrische Innenläufer-Maschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Der Stator 1 weist ein Blechpaket 2 auf. Das Blechpaket 2 ist entlang einer Umfangsrichtung U um eine Längsachse L des Stators 1 umlaufend und hohlzylinderförmig ausgebildet. Die Längsachse L entspricht auch einer Rotationsachse, um welche sich ein innerhalb des Stators 1 gelagerter, hier nicht gezeigter Rotor dreht. Das Blechpaket 2 weist eine Innenseite 4 auf, welche einen zylinderförmigen Hohlraum 3 umschließt. In diesem Hohlraum 3 wird der Rotor gelagert. Außerdem weist das Blechpaket 2 eine der Innenseite 4 in radialer Richtung R gegenüberliegende Außenseite 5 auf. In der Innenseite 4 des Blechpakets 2 sind entlang der Umfangsrichtung U mehrere Wicklungsnuten 6 verteilt ausgebildet. Die Wicklungsnuten 6 erstrecken sich axial entlang der Längsachse L von einer ersten Stirnseite 7 des Blechpakets 2 zu einer der ersten Stirnseite 7 axial gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 8 des Blechpakets 2 über eine gesamte Länge des Blechpakets 2. Bereiche des Blechpakets 2 zwischen den Wicklungsnuten 6 werden als Statorzähne 9 bezeichnet. In den Wicklungsnuten 6 sind hier nicht sichtbare Wicklungen des Stators 1 angeordnet. Die Wicklungen ragen dabei axial über die Stirnseiten 7, 8 des Blechpakets 2 hinaus und bilden dort hier nicht gezeigte Wickelköpfe aus.
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Außerdem weist der Stator 1 eine als Kühlkäfig ausgebildete Kühlvorrichtung 10 auf, welche hier in einer möglichen Ausgestaltungsvariante während des Montageprozesses am Blechpaket 2 gezeigt ist. In 2 ist die Kühlvorrichtung 10 in separater Darstellung gezeigt. Die Kühlvorrichtung 10 weist einen Fluidring 11 auf, welcher im Bereich der ersten Stirnseite 7 des Blechpakets 2 angeordnet wird. Der Wickelkopf ist dabei im angeordneten Zustand der Kühlvorrichtung 10 am Blechpaket 2 radial benachbart zu dem an der ersten Stirnseite 7 überstehenden Fluidring 11 angeordnet und würde den Fluidring 11 hier radial umschließen. Der Wickelkopf und der Fluidring 11 sind also konzentrisch zueinander angeordnet, wobei der Fluidring 11 hier in radialer Richtung R weiter innen liegt als der Wickelkopf. Dies ist auch anhand der schematischen Schnittdarstellung durch den Stator 1 gemäß 1a gezeigt.
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Der Fluidring 11 ist als ein Hohlkörper ausgebildet, in welchem Kühlfluid geleitet werden kann. Das Kühlfluid kann beispielsweise von einem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine bereitgestellt werden. Zum Koppeln mit dem Kühlkreislauf weist der Fluidring 11 Kühlfluidanschlüsse 12, 13 auf. Ein erster Kühlfluidanschluss 12 ist als ein Zuflussanschluss ausgebildet und ein zweiter Kühlfluidanschluss 13 ist als ein Abflussanschluss ausgebildet. Über den Zuflussanschluss 12 kann das Kühlfluid in den Fluidring 11 eingeleitet werden. Über den Abflussanschluss 13 kann dem Fluidring 11 das Kühlfluid wieder entnommen werden. Der Zuflussanschluss 12 und der Abflussanschluss 13 sind entlang der Umfangsrichtung U um in etwa 180° versetzt zueinander angeordnet und liegen sich somit in radialer Richtung R gegenüber.
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Außerdem weist die Kühlvorrichtung 10 eine Vielzahl von Kühlkanälen 14 auf, welche in der dargestellten Ausgestaltung als Nutkühlkanäle ausgebildet sind. Die Kühlkanäle 14 stehen axial von dem Fluidring 11 ab und sind mechanisch und fluidisch mit dem Fluidring 11 verbunden. Die Kühlkanäle 14 sind dabei in Umfangsrichtung U verteilt an dem Fluidring 11 angeordnet und bilden einen Kühlkanalkranz aus. Die Kühlkanäle 14 sind bidirektional leitend ausgebildet und weisen dazu jeweils einen Hinflussabschnitt 15, einen Rückflussabschnitt 16 und einen Umlenkabschnitt 17 auf. Die Kühlkanäle 14 sind hier als Kühlschleifen ausgebildet. Dazu sind der Hinflussabschnitt 15 und der Rückflussabschnitt 16 in Umfangsrichtung U beabstandet zueinander angeordnet und über den Umlenkabschnitt 17 fluidisch verbunden.
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In 1 ist die Kühlvorrichtung 10 während des Einsteckens entlang einer axial orientierten Einsteckrichtung E in den Hohlraum 3 des Blechpakets 2 dargestellt. Durch die hier gezeigte Schleifenform der Kühlkanäle 14 können die Hinflussabschnitte 15 und Rückflussabschnitte 16 nicht einfach axial in die Wicklungsnuten 6 eingesteckt werden. Daher können die Kühlkanäle 14 beispielsweise elastisch ausgebildet sein und reversibel nach innen gebogen werden. Dadurch verringert sich ein Außendurchmesser der Kühlvorrichtung 10 im Bereich der Kühlkanäle 14 während des Einschiebens der Kühlkanäle 14 in den Hohlraum 3. Sobald die Umlenkabschnitte 17 an der zweiten Stirnseite 8 wieder aus dem Hohlraum 3 austreten, können die Kühlkanäle 14 in ihre ursprüngliche Form zurückkehren und sich wieder radial nach außen biegen. Dabei werden die Hinflussabschnitte 15 und die Rückflussabschnitte 16 radial in die Wicklungsnuten 6 eingeschoben und die Umlenkabschnitte 19 an der zweiten Stirnseite 8 über die Statorzähnen 9 verlaufend angeordnet. Es sind jedoch auch andere Montagemöglichkeiten der Kühlvorrichtung 10 am Blechpaket 2 denkbar. Die Hinflussabschnitte 15 und die Rückflussabschnitte 16 sind dabei hier gemeinsam mit den Wicklungen des Stators 1 in unterschiedlichen Wicklungsnuten 6 angeordnet und leiten das Kühlfluid somit in den Wicklungsnuten 6 entlang der Wicklungen. Das Kühlfluid wird also in dem Hinflussabschnitt 15 einer Wicklungsnut 6 von der ersten Stirnseite 7 in Richtung der zweiten Stirnseite 8 geleitet, fließt über den Umlenkabschnitt 17 an der zweiten Stirnseite 8 in den Rückflussabschnitt 16 einer benachbarten Wicklungsnut 6 und von dort aus zurück zu der ersten Stirnseite 7. Die Kühlkanäle 14 können dabei, wie in 1a gezeigt, in radialer Richtung R vor den Wicklungen W, also zwischen dem Hohlraum 3 und den Wicklungen W, in der Wicklungsnut 6 angeordnet sein. Alternativ dazu können die Kühlkanäle 14, wie in 1b gezeigt, in radialer Richtung R hinter den Wicklungen W in den Wicklungsnuten 6 angeordnet sind. In einer andere Ausgestaltung, welche schematisch in 1c gezeigt ist, können die Kühlkanäle 14 auch an der Außenseite 5 des Blechpakets 2 angeordnet sein. Die Außenseite 5 kann dazu Kühlkanalnuten aufweisen, in welchen die Kühlkanäle 14 angeordnet werden können. In 1b und 1c umschließt der Fluidring 11 den Wickelkopf der Wicklungen W radial. Da die Kühlkanäle 14 bidirektional durchströmbar sind, ist der Fluidring 11 dazu ausgelegt, den Kühlkanälen 14 sowohl das Kühlfluid zuzuführen als auch wieder zu entnehmen. Dazu weist der Fluidring 11, wie anhand der teiltransparenten Darstellung in 3 gezeigt, zwei Fluidringkanäle 18, 19 auf. Ein erster Fluidringkanal 18 ist als ein Verteilkanal bzw. Vorlaufkanal ausgebildet und mit dem Zuflussanschluss 12 sowie den Hinflussabschnitten 15 der Kühlkanäle 14 strömungsführend verbunden. Ein zweiter Fluidringkanal 19 ist als ein Sammelkanal bzw. Rücklaufkanal ausgebildet und mit dem Abflussanschluss 13 sowie den Rückflussabschnitten 16 der Kühlkanäle 14 strömungsführend verbunden. Der Verteilkanal 18 ist hier radial außenliegend ausgebildet und umschließt den radial weiter innenliegenden Sammelkanal 19. Das über den Zuflussanschluss 12 in den Fluidring 11 eingeleitete Kühlfluid teilt sich dabei an dem Zuflussanschluss 12 auf und fließt in Strömungsrichtung S, welche ausgehend von dem Zuflussanschluss 12 entlang der Umfangsrichtung U im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn orientiert ist, innerhalb des Verteilkanals 18 in Richtung einer dem Zuflussanschluss 12 radial gegenüberliegenden Seite des Fluidrings 11, also hier in Richtung des Abflussanschlusses 13. Dabei verteilt sich das durch den Verteilkanal 18 strömende Kühlfluid auf die Hinflussabschnitte 15 der Kühlkanäle 14. Das Kühlfluid strömt dann durch die Kühlkanäle 14 und tritt über die Rückflussabschnitte 16 wieder in den Sammelkanal 19 ein. Dort fließt es ebenfalls in Strömungsrichtung S ausgehend von der dem Abflussanschluss 13 gegenüberliegenden Seite, also hier ausgehend von dem Zuflussanschluss 12, innerhalb des Sammelkanals 19 zu dem Abflussanschluss 13.
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Um das Kühlfluid dabei gleichmäßig auf Kühlkanäle 14 zu verteilen, weisen die Fluidringkanäle 18, 19 jeweils einen umfangswinkelabhängigen Strömungsquerschnitt Q1(U), Q2(U) auf. Die Strömungsquerschnitte Q1(U) und Q2(U) sind also entlang der Umfangsrichtung U ortsabhängig. Ein Gesamtströmungsquerschnitt Q des Fluidrings 11 ist entlang der Umfangsrichtung U im Wesentlichen konstant. Der erste Strömungsquerschnitt Q1(U) bzw. Vorlaufquerschnitt des Verteilkanals 18 verringert sich dabei ausgehend von dem Zuflussanschluss 12 in Strömungsrichtung S und damit mit steigender Anzahl an bereits mit Kühlfluid versorgten Kühlkanälen 14. Je größer nämlich die Anzahl an bereits mit Kühlfluid versorgten Kühlkanälen 14 wird, desto geringer wird die Menge an noch zu verteilendem Kühlfluid in dem Verteilkanal 18. In gleichem Maße erhöht sich der zweite Strömungsquerschnitt Q2(U) bzw. Rücklaufquerschnitt des Sammelkanals 19 in Strömungsrichtung S und damit mit steigender Anzahl an bereits entleerten Kühlkanälen 14. Je größer nämlich die Anzahl an bereits entleerten Kühlkanälen 14 wird, desto größer wird die wieder eingesammelte Menge an Kühlfluid in dem Sammelkanal 19. Durch diese Fluidringkanäle 18, 19 mit dem umfangswinkelabhängigen Strömungsquerschnitt Q1(U), Q2(U) kann in den Kühlkanälen 14 eine Strömungsgleichverteilung erreicht werden.
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4 und 5 zeigen Explosionsdarstellungen der Kühlvorrichtung 10 mit dem Fluidring 11 und dem Kranz aus Kühlkanälen 14. Der Fluidring 11 weist zwei konzentrisch zueinander angeordnete, zylindrische Seitenwände 20, 21 auf, wobei die radial innen liegende Seitenwand 20 eine Innenwand und die radial außen liegende Seitenwand 21 eine Außenwand ausbildet. Außerdem umfasst der Fluidring 11 einen ringförmigen Deckel 22, welcher die Kühlfluidanschlüsse 12, 13 umfasst, und einen ringförmigen Boden 23, welcher Verbindungsanschlüsse 24, 25 für die Kühlkanäle 14 umfasst. Durch den Boden 23, den Deckel 22 und die Seitenwände 20, 21 wird eine Außengeometrie des Fluidrings 11 festgelegt. Erste Verbindungsanschlüsse 24 sind ringförmig angeordnet und radial außenliegend in dem Boden 23 ausgebildet und können mit den Hinflussabschnitten 15 der Kühlkanäle 14 verbunden werden. Zweite Verbindungsanschlüsse 25 sind ebenfalls ringförmig angeordnet und radial innenliegend in dem Boden 23 ausgebildet und können mit den Rückflussabschnitten 16 der Kühlkanäle 14 verbunden werden. Die ersten Verbindungsanschlüsse 24 und die zweiten Verbindungsanschlüsse 25 sind also radial zueinander versetzt angeordnet. Hier sind die ersten Verbindungsanschlüsse 24 und die zweiten Verbindungsanschlüsse 25 außerdem in Umfangsrichtung U versetzt angeordnet. In Umfangsrichtung U sind also erste Verbindungsanschlüsse 24 und zweite Verbindungsanschlüsse 25 alternierend ausgebildet. In 6a ist ein Segment des Bodens 23 mit den radial und in Umfangsrichtung U zueinander versetzt angeordneten Verbindungsanschlüsse 24, 25 gezeigt.
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Um die Hinflussabschnitte 15 und die Rückflussabschnitte 16 mit den jeweiligen, radial versetzten Verbindungsanschlüssen 24, 25 fluidisch und mechanisch koppeln zu können, sind Enden 26, 27 der kranzförmig angeordneten Kühlkanäle 14 hier ebenfalls radial versetzt ausgebildet. Dazu sind erste Enden 26 der Hinflussabschnitte 15 radial nach außen gebogen und zweite Enden 27 der Rückflussabschnitte 16 radial nach innen gebogen. Die Verbindungsanschlüsse 24, 25 sind hier als Stecköffnungen ausgebildet, in welche die Enden 26, 27 der Kühlkanäle 14 eingesteckt werden können. Nach dem Einstecken können die Enden 26, 27 fluiddicht mit dem Fluidring 11 verbunden werden, sodass die Kühlvorrichtung 10 einsteckfertig ausgebildet ist.
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In 6b und 6c sind weitere Ausführungsformen des Bodens 23 gezeigt. In 6b sind die ersten Verbindungsanschlüsse 24 und die zweiten Verbindungsanschlüsse 25 nur radial, nicht aber entlang der Umfangsrichtung U versetzt angeordnet. Sowohl der die ersten Verbindungsanschlüsse 24 aufweisende und dem Verteilkanal 18 zugeordnete Bereich des Bodens 23 als auch der die zweiten Verbindungsanschlüsse 26 aufweisende und dem Sammelkanal 19 zugeordnete Bereich des Bodens 23 sind also vollbesetzt ausgebildet. Dies ist beispielsweise dann möglich, wenn in jeder Wicklungsnut 6 ein gesamter Kühlkanal 14 angeordnet wird. Hier verlaufen dann beispielsweise der Hinflussabschnitt 15 und der Rückflussabschnitt 16 eines Kühlkanals 14 radial angrenzend aneinander innerhalb einer Wicklungsnut 6. In 6c sind in Umfangsrichtung U abwechselnd jeweils zwei erste Verbindungsanschlüsse 24 und zwei zweite Verbindungsanschlüsse 25 radial versetzt zueinander angeordnet. Dies ist dann möglich, wenn die Kühlkanäle 14 als spiegelsymmetrisch zueinander angeordnete Kühlschleifen ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass bei zwei benachbarten Kühlkanälen 14 die Hinflussabschnitte 15 benachbart zueinander ausgebildet sind und die Rückflussabschnitte 16 entlang der Umfangsrichtung U außenliegend angeordnet sind.
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Hier strömt das in die Hinflussabschnitte 15 zweier benachbarter Kühlkanäle 14 eingeleitete Kühlfluid also einmal in Umfangsrichtung U in den zugehörigen Rückflussabschnitt 16 und einmal entgegen der Umfangsrichtung U in den zugehörigen Rückflussabschnitt 16. Die Verbindungsanschlüsse 24, 25 sind also entlang der Umfangsrichtung U doppelsymmetrisch alternierend angeordnet.
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In 6d ist eine weitere Ausführungsform des Bodens 23 gezeigt. Dort sind die Verbindungsanschlüsse 24, 25 nur in Umfangsrichtung U, nicht aber in radiale Richtung R, versetzt zueinander angeordnet. Die Verbindungsanschlüsse 24, 25 sind in einer ringförmigen Anordnung alternierend angeordnet, wobei die Fluidringkanäle 18, 19 radial innen und außen an die ringförmige Anordnung angrenzen. Hier grenzt also der Verteilkanal 18 radial außen und der Sammelkanal 19 hier radial innen an den Sammelkanal 19 an. Die Enden 26, 27 der als Kühlschleifen ausgebildeten Kühlkanäle 14 sind hier ungebogen bzw. gerade ausgebildet. Diese Variante ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar.
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Um nun die Fluidringkanäle 18, 19 mit den entlang der Umfangsrichtung U ortsabhängigen Strömungsquerschnitten Q1(U), Q2(U) auszubilden, weist der Fluidring 11 einen umlaufenden Trennsteg 28 (siehe 4, 5) auf, welcher zwischen den Seitenwänden 20, 21 innerhalb des Fluidrings 11 angeordnet ist. Der Trennsteg 28 verläuft radial zwischen den ringförmig angeordneten Verbindungsanschlüssen 24, 25. Der Trennsteg 28 unterteilt den Fluidringinnenraum des Fluidrings 11 in radialer und in axialer Richtung und teilt den konstanten Gesamtströmungsquerschnitt Q bedarfsgerecht auf die Strömungsquerschnitte Q1(U), Q2(U) auf. Der Trennsteg 28 weist zum radialen Unterteilen eine sich axial erstreckende, in Umfangsrichtung U umlaufende Trennwand 29 auf. Angrenzend an eine Innenseite 30 der Trennwand 29 verläuft hier der Sammelkanal 19 und angrenzend an eine Außenseite 31 der Trennwand 29 verläuft hier der Verteilkanal 18. Zum axialen Unterteilen weist der Trennsteg 28 einen radial von der Trennwand 29 abstehenden Kragen 32 mit zwei Kragenabschnitten 33, 34 auf. Ein erster Kragenabschnitt 33 steht radial nach innen ab und verläuft innerhalb einer ersten Fluidringhälfte 35. Ein zweiter Kragenabschnitt 34 steht radial nach außen ab und verläuft innerhalb einer zweiten Fluidringhälfte 36. Übergänge 37 zwischen den Fluidringhälften 35, 36 sind hier um ±90° versetzt zu den Kühlfluidanschlüssen 12, 13 angeordnet. Die Kühlfluidanschlüsse 12, 13 liegen also mittig in der jeweiligen Fluidringhälfte 35, 36.
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Der Trennsteg 28 weist eine umfangswinkelabhängige Höhe H(U) auf. Der erste Kragenabschnitt 33 in der ersten Fluidringhälfte 35 liegt somit umfangswinkelabhängig auf unterschiedlichen Höhenniveaus und begrenzt umfangswinkelabhängig eine zweite axiale Ausdehnung Z2(U) (siehe z.B. 3) des Sammelkanals 19. Der zweite Kragenabschnitt 34 in der zweiten Fluidringhälfte 36 liegt umfangswinkelabhängig ebenfalls auf unterschiedlichen Höhenniveaus und begrenzt umfangswinkelabhängig eine erste axiale Ausdehnung Z1(U) (siehe z. B. 3) des Verteilkanals 18. Die Höhe H(U) des Trennstegs 28 ist dabei im Bereich der Kühlfluidanschlüsse 12, 13 minimal, sodass in der ersten Fluidringhälfte 35 die zweite axiale Ausdehnung Z2(U) des Sammelkanals 19 im Bereich des Zuflussanschlusses 12 und in der zweiten Fluidringhälfte 36 die erste axiale Ausdehnung Z1(U) des Verteilkanals 28 im Bereich des Abflussanschlusses 13 minimal ist. Dadurch ist im Bereich des Zuflussanschlusses 12 der Anteil des zweiten Strömungsquerschnitts Q2(U) am Gesamtströmungsquerschnitt Q und im Bereich des Abflussanschlusses 13 der Anteil des ersten Strömungsquerschnitts Q1(U) am Gesamtströmungsquerschnitt Q minimal. Im Bereich der Übergänge zwischen den Fluidringhälften 35, 35 ist die Höhe H(U) des Trennstegs 28 maximal.
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In 7 sind die Fluidringkanäle 18, 19 und die Kühlkanäle im Fluidraum gezeigt. Dazu sind die durch die Fluidkühlkanäle 18, 19 und die Kühlkanäle 14 begrenzten Strömungsvolumina V1, V2, V3 für das Kühlfluid gezeigt, wobei das erste Strömungsvolumen V1 dem Verteilkanal 18 zugeordnet ist, das zweite Strömungsvolumen V2 dem Sammelkanal 19 zugeordnet ist und das dritte Strömungsvolumen V3 den Kühlkanälen 14 zugeordnet ist. Die Fluidringkanäle 18, 19 sind somit zum Ausbilden des Fluidrings 11 als ineinander verschachtelte Ringe in Form von einem Verteilring und einem Sammelring ausgebildet. Dadurch kann der Fluidring 11 minimalem Bauraumbedarf ausgebildet werden.
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8 zeigt den Fluidring 11 in einer Draufsicht und in einer Querschnittansicht durch die Kühlfluidanschlüsse 12, 13 hindurch. Für unterschiedliche Umfangswinkel U1, U2, U3, U4, U5 sind Aufteilungen A1, A2, A3, A4, A5 des Gesamtströmungsquerschnitts Q auf den ersten Strömungsquerschnitt Q1(U) und den zweiten Strömungsquerschnitt Q2(U) gezeigt. Ein erster Umfangswinkel U1 beträgt 0° und entspricht einer Position des Zuflussanschlusses 12. Ein fünfter Umfangswinkel beträgt 180° und entspricht einer Position des Abflussanschlusses 13. Ein dritter Umfangswinkel U3 beträgt 90° und liegt mittig zwischen dem ersten Umfangswinkel U1 und dem fünften Umfangswinkel U5. Bei diesem dritten Umfangswinkel U3 liegt der Übergang 37 zwischen den zwei Fluidringhälften 35, 36. Ein zweiter Umfangswinkel U2 beträgt beispielsweise 45° und liegt mittig zwischen dem dritten Umfangswinkel U3 und dem ersten Umfangswinkel U1. Ein vierter Umfangswinkel U4 beträgt beispielsweise 135° und liegt mittig zwischen dem dritten Umfangswinkel U3 und dem fünften Umfangswinkel U5. In 9 ist ein Viertelsegment des Fluidrings 11 mit zusätzlichen Aufteilungen A6 und A7 bei den Umfangswinkeln U6 und U7 gezeigt, welche zwischen den Umfangswinkeln U1 und U3 liegen. Ein sechster Umfangswinkel U6 entspricht beispielsweise 30° und liegt damit zwischen den Umfangswinkeln U1 und U2. Ein siebter Umfangswinkel U7 entspricht beispielsweise 60° und liegt damit zwischen den Umfangswinkeln U2 und U3.
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Bei dem ersten Umfangswinkel U1 ist die axiale Ausdehnung Z2(U1) des Sammelkanals 19 minimal. Dadurch wird der Verteilkanal 18 sowohl radial neben als auch axial über den Sammelkanal 19 geführt. Entlang der zweiten axialen Ausdehnung Z2(U1) des Sammelkanals 19 wird also der Gesamtströmungsquerschnitt in radialer Richtung R gleichermaßen auf den Sammelkanal 19 und den Verteilkanal 18 aufgeteilt. In axialer Richtung über dem Sammelkanal 19 erstreckt sich der Verteilkanal 18 über die gesamte radiale Ausdehnung X bzw. radiale Breite des Fluidrings 11. Anhand der ersten Aufteilung A1 ist also erkennbar, dass der erste Strömungsquerschnitt Q1(U1) deutlich größer ist als der zweite Strömungsquerschnitt Q2(U1).
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Umgekehrt verhält es sich bei einem fünften Umfangswinkel U5 von 180°, welcher der Position des Abflussanschlusses 13 entspricht. Dort ist die erste axiale Ausdehnung Z1(U5) des Verteilkanals 18 minimal. Dadurch wird der Sammelkanal 19 sowohl radial neben als auch axial über den Verteilkanal 18 geführt. Entlang der ersten axialen Ausdehnung Z1(U5) des Verteilkanals 18 wird also der Gesamtströmungsquerschnitt in radialer Richtung R gleichermaßen auf den Sammelkanal 19 und den Verteilkanal 18 aufgeteilt. In axialer Richtung über dem Verteilkanal 18 erstreckt sich der Sammelkanal 19 in radialer Richtung R über die gesamte radiale Ausdehnung X des Fluidrings 11. Anhand der fünften Aufteilung A5 ist also erkennbar, dass der erste Strömungsquerschnitt Q1(U1) deutlich kleiner ist als der zweite Strömungsquerschnitt Q2(U1). Bei dem dritten Umfangswinkel U3, also in der Mitte zwischen dem Zuflussanschluss 12 und dem Abflussanschluss 13, teilen sich der Verteilkanal 18 und der Sammelkanal 19 den Gesamtströmungsquerschnitt Q und weisen somit gleich große axiale Ausdehnungen Z1 (U3)=Z2(U3) auf. Anhand der dritten Aufteilung A3 ist auch erkennbar, dass die Strömungsquerschnitte Q1(U3)=Q2(U3) gleich groß sind.
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Bei dem zweiten Umfangswinkel U2 beträgt die zweite axiale Ausdehnung Z2(U2) des Sammelkanals 19 die Hälfte der axialen Ausdehnung Z des Fluidrings 11. Wie anhand der zweiten Aufteilung A2 erkennbar ist, hat sich der zweite Strömungsquerschnitt Q2(U2) im Vergleich zum zweiten Strömungsquerschnitt Q2(U1) erhöht. In gleichem Maße hat sich der erste Strömungsquerschnitt Q1(U2) gegenüber dem ersten Strömungsquerschnitt Q1(U1) verringert. Umgekehrt verhält es sich bei dem vierten Umfangswinkel U4, bei welchem die erste axiale Ausdehnung Z1(U4) des Verteilkanals 18 die Hälfte der axialen Ausdehnung Z des Fluidrings 11 beträgt. Wie anhand der vierten Aufteilung A4 erkennbar ist, hat sich der erste Strömungsquerschnitt Q1(U4) gegenüber dem ersten Strömungsquerschnitt Q1(U3) verringert und in gleichem Maße der zweite Strömungsquerschnitt Q2(U4) im Vergleich zum zweiten Strömungsquerschnitt Q2(U3) erhöht. Anhand der Aufteilungen A6, A7 in 9 ist visualisiert, dass sich ausgehend von der ersten Aufteilung A1 der zweite Strömungsquerschnitt Q2(U6), Q2(U7) schrittweise vergrößert, während gleichzeitig der erste Strömungsquerschnitt Q1(U6), Q1(U7) schrumpft, bis sich die Strömungsquerschnitte Q1 (U3), Q2(U3) bei dem Umfangswinkel U3=90° aneinander angeglichen haben. Durch Vergrößern der axialen Ausdehnung Z1(U), Z2(U) des einen Fluidringkanals 18, 19 wird der Anteil des axial über diesem Fluidringkanal 18, 19 geführten anderen Fluidringkanals 19, 18 verringert. Hierdurch können die Strömungsquerschnitte Q1(U), Q2(U) gegenläufig verändert werden.
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In 10a, 10b sind in vergrößerte Querschnittdarstellungen durch den Fluidring 11 in der ersten Fluidringhälfte 35 mit dem nach außen ragenden Kragenabschnitt 34 gezeigt. Die Höhe H(Ua) der Trennwand 28 in 10a ist größer als die Höhe H(Ub) der Trennwand 28 in 10b. Dadurch ist der zweite Strömungsquerschnitt Q2(Ub) des Sammelkanals 19 in 10b größer als der zweite Strömungsquerschnitt Q2(Ua) des Sammelkanals 19 in 10a. Gleichermaßen ist der erste Strömungsquerschnitt Q1(Ub) des Verteilkanals 18 in 10b kleiner als der erste Strömungsquerschnitt Q1(Ua) des Sammelkanals 19 in 10a. In 11 ist eine deckellose Draufsicht auf deb Fluidring 11 gezeigt. Vor allem der Übergang 37 zwischen den zwei Fluidringhälften 35, 36, bei welchem die radial entgegensetzten Kragenabschnitte 33, 34 aneinander angrenzen und somit der Kragenabschnitt 32 seine radiale Orientierung ändert, sind gezeigt. Außerdem ist gezeigt, dass die Verbindungsanschlüsse 24, 25 auch als Steckbuchsen 38 ausgebildet sein können, in welche die Enden 26, 27 der Kühlkanäle 14 eingesteckt werden können.
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In 12a ist eine Ausführungsform des Trennstegs 28, des Bodens 23 und der Kühlkanäle 14 gezeigt. In 12b sind der Trennsteg 28 und der Boden 23 gezeigt. Der Trennsteg 28 und der Boden 23 sind hier einteilig aus einem Kunststoff ausgebildet. Beispielsweise können der Trennsteg 28 mit der Trennwand 29 und dem Kragen 32 und der Boden 23 als ein Spritzgussteil ausgebildet sein. In 13a ist eine weitere Ausführungsform des Fluidrings 11 und der Kühlkanäle 14 gezeigt. In 13b sind der Trennsteg 28 und der Boden 23 gezeigt. Der Trennsteg 28 und der Boden 23 sind als ineinander verschachtelte, aus Blech gebildete Ringelemente 39, 40 ausgebildet ist. Das Jedes Ringelement 29, 40 weist eine in Umfangsrichtung U umlaufende Mulde 41, 42 auf, wobei die erste, radial nach innen ragende Mulde 41 den die ersten Verbindungsanschlüsse 24 aufweisenden Bereich des Bodens 23 ausbildet und die zweite, radial nach außen ragende Mulde 42 den die zweiten Verbindungsanschlüsse 25 aufweisenden Bereich des Bodens 23 ausbildet. Die Ringelemente 39, 40 weisen einen S-förmigen Querschnitt auf.
