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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen einer elektromagnetischen Spule, mit einem Gehäuse, mit einer elektromagnetischen Spule und mit mindestens einer elektrischen Anschlussleitung zum Versorgen der Spule mit elektrischem Strom, wobei die Spule einen von einem Kühlmedium durchströmbaren, gewickelten Spulenhohlleiter aufweist.
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Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Kühlen elektromagnetischer Spulen bekannt.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die Kühlung einer elektromagnetischen Spule zu verbessern, um somit das elektrische Leistungsgewicht der Spule zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Die Erfindung umfasst die Erkenntnis, dass beim Kühlen zwischen einer Kühlung mit einem direkten Kontakt von Kühlmedium zum Spulenleiter und einer Kühlung ohne direkten Kontakt von Kühlmedium zum Spulenleiter unterschieden werden kann. Bei der Kühlung ohne direkten Kontakt von Kühlmedium zum Spulenleiter muss die infolge eines elektrischen Stromflusses und eines elektrischen Widerstandes im Spulenleiter erzeugte Wärme mindestens über einen weiteren Stoff an das Kühlmedium abgegeben werden. Beispielsweise ist das Kühlmedium vom Spulenleiter durch die elektrische Isolierung des Spulenleiters getrennt. Typischerweise ist die elektrische Wärmeleitfähigkeit von elektrisch isolierenden Materialien sehr gering, wodurch folglich auch die Wärmeabgabe an das Kühlmedium bei einer Kühlung ohne direkten Kontakt von Kühlmedium zum Spulenleiter im Vergleich zu einer Kühlung mit einem direkten Kontakt von Kühlmedium zum Spulenleiter eingeschränkt ist.
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Die Kühlung elektromagnetischer Spulen mit einem direkten Kontakt von Kühlmedium zum Spulenleiter werden durch die Wicklung der Spule mit einem Spulenhohlleiter realisiert. Der Spulenhohlleiter wird im Inneren von einem Kühlmedium durchströmt, wodurch die Wärme, die beim elektrischen Stromfluss durch den Spulenhohlleiter entsteht, direkt von der Innenoberfläche des Spulenhohlleiters an das Kühlmedium übertragen werden kann. Durch diese effiziente Form der Direktkühlung des Spulenhohlleiters lassen sich höhere elektrische Stromdichten in elektromagnetischen Spulen erzielen als mit Kühlungen ohne direkten Kontakt von Kühlmedium zum Spulenleiter.
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Solche direkt gekühlten elektromagnetischen Spulen können beispielsweise in elektrischen Maschinen eingesetzt werden. Insbesondere Elektromotoren auf Basis elektromagnetischer Spulen, die durch einen direkten Kontakt von Kühlmedium zum Spulenleiter gekühlt werden, erreichen ein hohes elektrisches Leistungsgewicht, also ein hohes Verhältnis von erzeugter elektrischer Leistung des Elektromotors zu Gewicht des Elektromotors.
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Elektrische Antriebseinheiten mit einer Kühlung mit direktem Kontakt von Kühlmedium zum Spulenleiter eignen sich mit ihren hohen elektrischen Leistungsgewichten, aber auch mit ihrer kompakten Bauweise, besonders für den Antrieb von Luftfahrzeugen, insbesondere für den rein elektrischen Antrieb von senkrecht startenden Drehflüglern.
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Die Erfindung umfasst weiterhin die Erkenntnis, dass ein Kühlkreis, der sich durch den Spulenhohlleiter der Spule in einen Kanal innerhalb eines Gehäuseabschnittes und/oder in die als Hohlleiter ausgeprägten elektrischen Anschlussleitungen zur Spule erstreckt, die Kühlung der Spule verbessert, indem dadurch der Gehäuseabschnitt und/oder die Anschlussleitungen die im Spulenhohlleiter erzeugte und über das Kühlmedium transportierte Wärme an die Umgebung abgeben kann. Hierdurch wird die Kühlung der Spule verbessert und ein höheres elektrisches Leistungsgewicht der Spule ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein erhöhtes Maß an Systemintegration auf, indem der Spulenhohlleiter zusammen mit einem Abschnitt des Gehäuses und/oder der elektrischen Anschlussleistung einen gemeinsamen Kühlkreis bildet. Hierdurch wird nicht nur die Kühlung der Spule verbessert, sondern zudem ein Temperaturausgleich zwischen den einzelnen Bauteilen der Vorrichtung erzielt und außerdem das Gewicht der Vorrichtung durch den Wegfall separater Kühlleitungen reduziert.
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Gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird somit, ferner, die Eignung der elektrischen Antriebseinheit mit einer Kühlung mit direktem Kontakt von Kühlmedium zum Spulenleiter zum rein elektrischen Antrieb von Luftfahrzeugen verbessert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Abschnitt des Gehäuses ein Sammelelement aufweist, wobei das Sammelelement als Teil des Kanals mindestens einen Sammelkanal aufweist. Der Sammelkanal stellt die fluidleitende Verbindung zwischen dem Spulenhohlleiter und weiteren Teilen des Kanals im Gehäuse dar. Über das Sammelelement kann Wärme des aus dem Spulenhohlleiter strömenden Kühlmediums an die Umgebung abgegeben werden.
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Vorzugsweise ist das Sammelelement mit dem Spulenhohlleiter derart verbunden, dass das Sammelelement gegenüber dem Spulenhohlleiter elektrisch isoliert ist. Hierdurch wird ein mögliches Kurzschließen des stromtragenden Spulenhohlleiters über das Sammelelement für den Fall, dass das Sammelelement elektrisch leitend ist, verhindert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Spulenhohlleiter durch mindestens eine Öffnung in mindestens einer der Wandungen des Sammelelements geführt ist. Hierdurch wird eine fluiddichte Verbindung zwischen Spulenhohlleiter und dem Sammelkanal hergestellt, wodurch der vom Kühlmedium durchströmbare Kühlkreis von der Spule auf einen Abschnitt des Gehäuses erweitert wird.
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Vorzugsweise weist die Öffnung eine elektrische Isolierung zwischen der Außenoberfläche des Spulenhohlleiters und der Wandung aufweist. Hierdurch wird eine vorteilhafte elektrische Isolierung zwischen Spulenhohlleiter und Sammelelement erreicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Spulenhohlleiter an mindestens einer Stelle derart unterbrochen, dass zwei offene, jeweils eine Öffnung aufweisende, Enden des Spulenhohlleiters entstehen und die beiden offenen Enden in den Sammelkanal ragen. Dadurch, dass die Wicklung der Spule durch das Trennen des Spulenhohlleiters an einer oder mehreren Stellen geöffnet wird und die dabei entstehenden offenen Enden des Spulenhohlleiters mit dem Sammelkanal verbunden werden, kann dem Spulenhohlleiter an einer oder mehreren Stellen Kühlmedium hinzu- und abgeführt werden. Hierdurch wird die Kühlung der Spule weiter verbessert. Zudem wird durch die erfindungsgemäße Ausführungsform eine gleichbleibende Kühlung der Spule bei niedrigerem Druck des Kühlmediums ermöglicht. Weiterhin wird die Temperaturspreizung zwischen Spuleneingang und Spulenausgang hierdurch reduziert.
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Weiter bevorzugt werden die beiden offenen Enden des Spulenhohlleiters der mindestens einen Stelle in jeweils einem Kontaktierstück gehalten. Hierdurch wird die eingangs beschriebene Vorrichtung weiter verbessert.
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Vorzugsweise stellt das Kontaktierstück eine elektrische Verbindung zwischen den Enden des Spulenhohlleiters her und ist selbst gegenüber dem Sammelelement elektrisch, beispielsweise durch das Kühlmedium, isoliert. Somit wird der elektrische Stromfluss durch die Spule über die mindestens eine Stelle des unterbrochenen Spulenhohlleiters gewährleistet und die Spule bleibt elektrisch isoliert gegenüber dem Sammelelement.
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Weiter bevorzugt ist das Kontaktierstück gegenüber dem Sammelelement elektrisch isoliert, indem das Kontaktierstück durch die Enden des Spulenhohlleiters innerhalb des Sammelelements beabstandet von elektrisch leitenden Teilen einer Innenwandung des Sammelelements gehalten wird. Hierdurch wird die eingangs beschriebene Vorrichtung weiter verbessert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Kontaktierstück gegenüber dem Sammelelement elektrisch isoliert, indem das Kontaktierstück durch die Enden des Spulenhohlleiters außerhalb des Sammelelements beabstandet von elektrisch leitenden Teilen einer Außenwandung des Sammelelements gehalten wird. Diese Ausführungsform beschreibt eine Alternative zum im Inneren des Sammelelements gehaltenen Kontaktierstück, wodurch ebenfalls die eingangs beschriebene Vorrichtung weiter verbessert wird.
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Vorzugsweise ist das Kontaktierstück gegenüber dem Sammelelement elektrisch isoliert, indem das Kontaktierstück bis auf mindestens eine Kontaktfläche mit dem Spulenhohlleiter frei von Kühlmedium umströmbar ist. Somit kann die eingangs beschriebene Vorrichtung weiter verbessert und zudem das Gewicht der Vorrichtung reduziert werden.
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Weiter bevorzugt weist das Kontaktierstück Ausnehmungen zur Aufnahme der Enden des Spulenhohlleiters auf, wobei die Ausnehmungen so bemessen sind, dass eine Klemmverbindung zwischen dem Kontaktierstück und den Enden des Spulenhohlleiters herstellbar ist. Damit wird eine schnelle und verlässliche Verbindung zwischen dem Spulenhohlleiter und dem Kontaktierstück ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Kontaktierstück erste Ausnehmungen zur Aufnahme der Enden des Spulenhohlleiters auf, wobei die ersten Ausnehmungen so bemessen sind, dass die Enden des Spulenhohlleiters durch die ersten Ausnehmungen passgenau eingeschoben werden können. Hierdurch wird eine alternative vorteilhafte Verbindung zwischen Spulenhohlleiter und Kontaktierstück ermöglicht.
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Weiter bevorzugt weist das Kontaktierstück zweite Ausnehmungen auf, sodass ein elektrisch leitfähiger Teil der in die ersten Ausnehmungen des Kontaktierstückes eingeschobenen Enden des Spulenhohlleiters durch die zweiten Ausnehmungen von der Außenseite des Kontaktierstückes zugänglich ist. Somit kann die Verbindung zwischen Spulenhohlleiter und Kontaktierstück weiter verbessert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Sammelelement einen, beispielsweise zwischen einer der Wandungen und einer Zusatzwandung gebildeten, Hohlraum auf, der zur Aufnahme von Dichtmasse geeignet ist. Dadurch wird sichergestellt, dass durch die Öffnung des Sammelelements kein Kühlmedium aus dem Sammelkanal austreten kann.
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Vorzugsweise weist das Sammelelement Kühlrippen zur verbesserten Wärmeabgabe des Kühlmediums auf. Die Kühlrippen führen zu einer vergrößerten Oberfläche des Sammelelements, wodurch die Wärme des Kühlmediums besser an die Umgebung abgegeben werden kann.
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Weiter bevorzugt ist der Sammelkanal ring- oder ringsegmentförmig. Wodurch die erfindungsgemäße Ausführungsform weiter verbessert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Sammelelement zwei getrennte Sammelkanäle auf, von denen jeder mit jeweils einer der Öffnungen in den offenen Enden des Spulenhohlleiters, die von einem Kontaktierstück gehalten werden, bevorzugt unmittelbar, verbunden ist. Damit kann verhindert werden, dass sich das warme, aus dem Spulenhohlleiter hinausströmende Kühlmedium und das kalte, in den Spulenhohlleiter hineinströmende Kühlmedium unmittelbar in dem Sammelkanal vermischt, wodurch die Kühlung der Spule weiterhin verbessert wird.
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Vorzugsweise weist das Sammelelement ein Oberteil und ein Unterteil auf, wobei das Oberteil mit dem Unterteil derart verbindbar ist, dass die mindestens eine Öffnung durch entsprechende Sammelelementausnehmungen in Ober- und Unterteil zur Verfügung gestellt wird. Hierdurch wird die erfindungsgemäße Vorrichtung weitergehend verbessert, da die Spulenhohlleiter zur Verbindung mit dem Sammelelement nicht durch die Öffnung des Sammelelements geführt werden müssen, sondern in die Ausnehmungen des Ober- oder Unterteils eingelegt werden können. Dieses verhindert ein Verwinden und Verbiegen des Spulenhohlleiters und damit auch ein mögliches Verschließen des Kühlkreises.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung weiterhin ein Verbindungsstück auf, welches die Anschlussleitung mit einem Wechselrichter derart verbindet, dass der Hohlleiter mit einer Kühlmittelleitung des Wechselrichters verbunden ist und dass die Anschlussleitung mit einer elektrischen Stromleitung des Wechselrichters verbunden ist, wobei die Kühlmittelleitung und die Stromleitung voneinander elektrisch isoliert sind. Somit wird der Kühlkreis der Spule über die elektrische Anschlussleitung bis zur Stromversorgung im Form eines Wechselrichters fortgeführt und die Kühlung der Spule weiterhin verbessert. Weiterhin wird die elektrische Anschlussleitung dadurch leichter und kompakter. Zudem wird ein Temperaturausgleich zwischen Wechselrichter und den weiteren im Kühlkreis integrierten Bauteilen der Vorrichtung erzielt.
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Vorzugsweise umfasst das Verbindungsstück einen Ringanschluss, der die Anschlussleitung mit der Stromleitung elektrisch verbindet, eine elektrisch nichtleitende Hohlschraube, die derart in den Ringanschluss eingesetzt ist, dass sie die Kühlmittelleitung mit dem Hohlleiter verbindet, und eine elektrisch isolierende Dichtscheibe, die um die Hohlschraube und zwischen Kühlmittelleitung und Stromleitung platziert ist. Somit wird das erfindungsgemäße Verbindungsstück weiterhin verbessert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Abschnitt des Gehäuses ein Strukturelement auf, wobei das Strukturelement als Teil des Kanals einen Strukturelementkanal aufweist. Durch die Erweiterung des Kühlkreises auf einen Strukturelementkanal in einem Strukturelement des Gehäuses wird die Kühlung der Spule verbessert, eine Gewichtsreduzierung durch den Wegfall von Kühlleitungen und ein weiterer Temperaturausgleich zwischen dem Gehäuse und den weiteren im Kühlkreis eingebundenen Bauelementen erzielt. Somit wird das Leistungsgewicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht.
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Vorzugsweise wird der Strukturelementkanal in einem Abstand von 1 µm bis 30 mm an einer von Luft umströmbaren Oberfläche geführt wird. Somit wird die Wärmeabgabe vom Kühlmedium an die Umgebung und folglich auch die Kühlung der Spule verbessert.
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Vorzugsweise begünstigt der Strukturelementkanal die Wärmeabgabe des Kühlmediums, indem ein Verhältnis von Oberfläche des Strukturelementkanals zum Volumen des Strukturelementkanals von 0,07 m-1 bis 20 m-1 vorliegt. Die Oberfläche des Strukturelementkanals stellt die Kontaktfläche des vom Strukturelementkanals führbaren Kühlmedium mit dem Strukturelement dar. Damit ermöglicht ein hohes Verhältnis der Oberfläche des Strukturelementkanals zum Volumen des Strukturelementkanals, und damit zum Volumen des maximal führbaren Kühlmediums, eine verbesserte Wärmeübertragung vom Kühlmedium auf das Strukturelement. Hierdurch kann die vorstehend beschriebene Vorrichtung weiter verbessert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist eine elektrische Antriebseinheit mit einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung weiterhin einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, wobei mindestens einer von Rotor und Stator die Spule aufweist, einen Wechselrichter, und eine Pumpe auf. Eine solche Antriebseinheit weist entsprechend der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein erhöhtes Leistungsgewicht auf Grund der verbesserten Kühlung der Spule, auf Grund der Gewichtsreduzierung durch die erhöhte Systemintegration als auch einen verbesserten thermischen Ausgleich zwischen den Bauteilen der Antriebseinheit auf.
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Vorzugsweise ist der Wechselrichter durch die mindestens eine Anschlussleitung an dem vom Kühlmedium durchströmbaren Kühlkreis angeschlossen. Hierdurch werden die Vorteile der erfindungsgemäßen Antriebseinheit verbessert.
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Vorzugsweise ist der Kühlkreis innerhalb der Einheit geschlossen. Hierdurch werden die Vorteile der erfindungsgemäßen Antriebseinheit weiterhin verbessert.
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Die Erfindung wurde vorstehend in Bezug auf einen ersten Aspekt beschrieben.
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Die Erfindung betrifft ferner in einem zweiten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zweier Spulenhohlleiter mittels eines Kontaktierstückes der vorstehend beschriebenen Art.
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Die Erfindung löst die eingangs genannte Aufgabe in dem zweiten Aspekt durch den Gegenstand des Anspruchs 29.
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Insbesondere schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zweier Spulenhohlleiter mittels eines Ausnehmungen aufweisenden Kontaktierstückes für eine Vorrichtung oder eine Einheit der vorstehend beschriebenen Art vor, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- - Freilegen von offenen Enden der Spulenhohlleiter von elektrischer Isolierung,
- - Einklemmen der offenen Enden der Spulenhohlleiter in Ausnehmungen des Kontaktierstückes, und
- - stoffschlüssiges Verbinden der im Kontaktierstück eingeklemmten offenen Enden der Spulenhohlleiter mit dem Kontaktierstück, sodass die Öffnungen der offenen Enden des Spulenhohlleiters nicht verschlossen werden.
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Die Erfindung betrifft ferner in einem dritten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zweier Spulenhohlleiter mittels eines Kontaktierstückes der vorstehend beschriebenen Art.
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Die Erfindung löst die vorstehend beschriebene Aufgabe in dem dritten Aspekt durch den Gegenstand des Anspruchs 30.
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Insbesondere schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zweier Spulenhohlleiter mittels eines erste und zweite Ausnehmungen aufweisenden Kontaktierstückes für eine Vorrichtung oder eine Einheit der vorstehend beschriebenen Art vor, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- - Freilegen von offenen Enden der Spulenhohlleiter von elektrischer Isolierung,
- - Durchführen der offenen Enden der Spulenhohlleiter durch die ersten Ausnehmungen des Kontaktierstückes, sodass die Öffnungen der offenen Enden der Spulenhohlleiter über das Kontaktierstück hinausstehen,
- - Erhitzen des Kontaktierstückes, und
- - Zuführen von Lot in zweite, bevorzugt orthogonal zu den ersten Ausnehmungen verlaufende, Ausnehmungen des Kontaktierstückes, sodass die Öffnungen der Enden des Spulenhohlleiters nicht verschlossen werden vom Lot.
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Die Erfindung betrifft ferner in einem vierten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung mindestens eines Spulenhohlleiters mit einem Sammelelement der vorstehend beschriebenen Art.
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Die Erfindung löst die vorstehend beschriebene Aufgabe in dem vierten Aspekt durch den Gegenstand des Anspruchs 31.
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Insbesondere schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung mindestens eines Spulenhohlleiters mit einem Sammelelement für eine Vorrichtung oder eine Einheit der vorstehend beschriebenen Art vor, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- - Einlegen des mindestens einen Spulenhohlleiters in Sammelelementausnehmungen eines Ober- oder Unterteils des Sammelelements,
- - Verbinden des Ober- und Unterteils, und
- - Einbringen von Dichtmasse in einen in dem Sammelelement, beispielsweise zwischen einer Wandung und einer Zusatzwandung gebildeten, zur Aufnahme der Dichtmasse geeigneten Hohlraum.
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Die erfindungsgemäßen Verfahren und ihre möglichen Fortbildungen weisen Merkmale bzw. Verfahrensschritte auf, die sie insbesondere dafür geeignet machen, für eine Vorrichtung gemäß des ersten Aspektes der Erfindung und seiner jeweiligen Fortbildungen verwendet zu werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Gleiche oder funktionsgleiche Merkmale tragen die gleichen Bezugszeichen. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und elektrischen Antriebseinheit;
- 2: eine perspektivische Darstellung eines Schnittes durch die erfindungsgemäße Vorrichtung;
- 3: eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Schnittdarstellung;
- 4: eine perspektivische Darstellung eines Sammelelements;
- 5: eine Draufsicht auf ein Sammelelement als Schnittdarstellung;
- 6: eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Ober- oder Unterteils eines Sammelelements;
- 7: eine Draufsicht auf ein Kontaktierstück mit eingelegten Enden eines Spulenhohlleiters als Schnittdarstellung;
- 8: eine zweite Draufsicht auf das Kontaktierstück mit eingelegten Enden eines Spulenhohlleiters der 7 als Schnittdarstellung;
- 9: eine Draufsicht auf ein weiteres Kontaktierstück mit eingelegten Enden eines Spulenhohlleiters als Schnittdarstellung;
- 10: eine zweite Draufsicht auf das weitere Kontaktierstück mit eingelegten Enden eines Spulenhohlleiters der 9 als Schnittdarstellung;
- 11: eine Draufsicht auf ein Verbindungsstück als Schnittdarstellung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 und der elektrischen Antriebseinheit 1.
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Sämtliche Bestandteile der in 1 dargestellten Vorrichtung 10 und der Antriebseinheit 1 sind in einem gemeinsamen von Kühlmedium durchströmbaren Kühlkreis eingebunden.
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Der Kühlkreis entsteht beispielsweise durch ein hydraulisches oder pneumatisches in Serie schalten der einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 10, respektive der Einheit 1. Wobei elektrisch leitende Bestandteile als Hohlleiter ausgebildet sind und mit elektrisch nichtleitenden Kanälen in nichtstromtragenden Bestandteilen der Vorrichtung 10 und Einheit 1 hydraulisch oder pneumatisch verbunden sind.
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Als Kühlmedium kann beispielsweise eine nichtleitende Flüssigkeit oder ein nichtleitendes Gas verwendet werden.
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Die Vorrichtung 10 umfasst eine elektromagnetische Spule 12, die aus einem Spulenhohlleiter 12 gewickelt ist, eine 3-phasige elektrische Anschlussleitung 16, die einen Hohlleiter 22c umfasst und die Spule 12 mit einem Wechselrichter 46 verbindet, einen Abschnitt 20 des Gehäuses 14, wobei der Abschnitt 20 ein Sammelelement 24 und ein Strukturelement 58 aufweist. Als Teil des Kanals 22 weist das Sammelelement 24 einen Sammelelementkanal 22a und das Strukturelement 58 einen Strukturelementkanal 22b auf.
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Der Sammelelementkanal 22a und der Strukturelementkanal 22c bilden den Kanal 22. Der Kanal 22 ist mit dem Hohlleiter 22c und dem Spulenhohlleiter 18 hydraulisch oder pneumatisch in Serie geschaltet und das Ende des Strukturelementkanals 22b zur Pumpe 66 ist mit den Enden des Hohlraums 22c zum Wechselrichter 46 hydraulisch oder pneumatisch verbunden, sodass entsprechend der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ein von einem Kühlmedium durchströmbarer Kühlkreis gebildet ist.
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1 zeigt ferner den geschlossenen Kühlkreis der elektrischen Antriebseinheit 1. Der Kühlkreis der Einheit 1 umfasst weiterhin, neben der Vorrichtung 10, ebenfalls einen Wechselrichter 46 und eine Pumpe 66. Ferner umfasst die Einheit 1 neben der Vorrichtung 10, dem Wechselrichter 46, die Pumpe 66 noch einen Elektromotor 60 mit einem Stator 62 und einem Rotor 64. Wobei die Spule 12 in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sowohl Bestandteil des Rotors 64 als auch des Stators 62 sein kann.
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Die elektrische Anschlussleitung 16 ist mit dem Spulenhohlleiter 18 nicht nur hydraulisch oder pneumatisch verbunden, sondern auch elektrisch, um die Spule 16 mit elektrischem Strom zu versorgen. Der Spulenhohlleiter 18 ist hingegen mit dem Sammelelementkanal 22c nur hydraulisch oder pneumatisch verbunden, nicht elektrisch.
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Die elektrische Anschlussleitung 16 ist mit dem Wechselrichter 46 mittels eines Verbindungsstückes 44 verbunden. Das Verbindungsstück 44 verbindet dabei die Anschlussleitung 16 mit einer Stromleitung 50 des Wechselrichters 46 und den Hohlleiter 22c der Anschlussleitung 16 mit einer Kühlmittelleitung 48 des Wechselrichters 46.
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In dem Ausführungsbeispiel kann ein Teil der im Spulenhohlleiter erzeugten und vom Kühlmedium aufgenommenen Wärme über das Sammelelement 24 und das Strukturelement 58 an die Umgebung abgegeben werden. Das Sammelelement 24 und das Strukturelement 58 dienen in diesem Sinne über ihre weiteren Funktionen hinaus ebenfalls als Wärmetauscher.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Schnittes durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 10.
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Das Ausführungsbeispiel zeigt ferner einen direkt gekühlten Außenläufermotor 60. Hierbei befindet sich die mit einem Spulenhohlleiter 18 gewickelte Spule 12 auf dem Rotor 64, der sich um den innenliegenden Stator 62 bewegt.
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Die Vorrichtung 10 umfasst zwei Sammelkanäle 24, die jeweils einen Sammelelementkanal 22a aufweisen und die an dem oberen und unteren Ende des Wickelkopfes der Spule 12 angeordnet sind. Das Strukturelement 58 als Teil des Gehäuses 14 ist als Verbindungsarm zwischen dem außenliegenden Rotor 64 und dem innenliegenden Stator 62 angeordnet.
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3 zeigt eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Schnittdarstellung. Insbesondere zeigt 3 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Abschnittes 20 des Gehäuses 14.
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Der Abschnitt 20 weist dabei zwei Sammelelemente 24 und ein Strukturelement 58 auf.
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Die zwei Sammelelemente 24 weisen jeweils einen Sammelelementkanal 22a auf. Die Enden 26 des Spulenhohlleiters 18 erstrecken sich in die Sammelelementkanäle 22a, sodass eine hydraulische oder pneumatische Verbindung zwischen dem Sammelkanal 22a und dem Spulenhohlleiter 18 besteht. Die Sammelelementkanäle 22a sind ebenfalls hydraulisch oder pneumatisch mit den Strukturelementkanälen 22b verbunden.
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Die Strukturelementkanäle 22b werden im Inneren des Strukturelementes 58 dicht unterhalb der Oberfläche geführt. Zudem weist das Strukturelement 58 freiliegende, exponierte Bereiche innerhalb der Vorrichtung 10 auf, sodass die Oberfläche des Strukturelementes 58 von Luft frei umströmbar ist.
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Ferner sind Kontaktierstücke 28; 29 an den Spulenhohlleitern 18 im Inneren des Sammelelementkanals 22a angebracht. Auf die Beschaffenheit und Funktion der Kontaktierstücke wird in den nachfolgenden Figuren weitergehend eingegangen.
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4 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Sammelelements 24.
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Das Sammelelement 24 ist ringförmig. Allerdings ist das Sammelelement nicht auf eine ringförmige Formgebung beschränkt. Das Sammelelement 24 kann weiterhin auch ringsegmentförmig, elliptisch, polygonal oder jede andere mögliche ein-, zwei- oder dreidimensionale Form annehmen.
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Das Sammelelement 24 weist ein Ober- 38 und ein Unterteil 40 auf. Des Weiteren weist das Sammelelement Öffnungen 24e zum Einführen und/oder Halten von Spulenhohlleitern 18 auf.
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5 zeigt eine Draufsicht auf ein Sammelelement 24 als Schnittdarstellung.
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Für den Fall, dass das Sammelelement 24 ein Ober- 38 und Unterteil 40 aufweist, kann 5 auch als eine Draufsicht auf ein Ober- 40 oder Unterteil 38 eines Sammelelements 24 verstanden werden. Die in 5 in Klammern gesetzten Bezugszeichen beziehen sich dabei dann auf das Ober- 38 und Unterteil 40.
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Das Sammelelement 24 weist zwei Wandungen 24a; 24b auf. Zwischen den Wandungen 24a; 24b ist der Sammelelementkanal 22a ausgebildet. Die Wandung 24b weist Öffnungen 24c auf durch welche die Enden 26 des Spulenhohlleiters 18 sich in den Sammelelementkanal 22a erstrecken können. (Die entsprechenden Teile der Wandung 24b des Ober- 38 und Unterteils 40 weisen Ausnehmungen 42 auf, die bei der Verbindung des Ober- 40 mit dem Unterteil 38 die Öffnungen 24c bilden und durch welche die Enden 26 des Spulenhohlleiters 18 in den Sammelelementkanal 22a gelegt werden können.)
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Zwischen den Enden 26 und dem Sammelelement 24 befindet sich eine elektrische Isolierung 25, die den Spulenhohlleiter 18 gegenüber dem Sammelelement 24 elektrisch isoliert. Diese Isolierung kann die äußere Isolierschicht des Spulenhohlleiters 18 sein oder eine andere, separate elektrische Isolierung.
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Weiterhin weist das Sammelelement 24 eine weitere Wandung 24d auf. Zwischen den Wandungen 24b und 24d ist ein Hohlraum 36 ausgebildet. Der Hohlraum 36 dient zur Aufnahme von Dichtmasse, damit die Öffnungen 24c bzw. etwaige Zwischenräume, welche in der Öffnung 24c zwischen dem Spulenhohlleiter 18 und der Wandung 24b bei einem in die Öffnung 24c eingeführten Ende 26 des Spulenhohlleiters 18 entstehen, abgedichtet werden können und kein Kühlmedium aus dem Sammelelement 24 austreten kann.
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Ferner weist die Ausführungsform Kontaktierstücke 28; 29 auf. Die Kontaktierstücke 28; 29 verbinden im Inneren des Sammelelementkanals 22a jeweils zwei Enden 26 der Spulenhohlleiter 18.
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6 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der in 5 gezeigten Draufsicht auf das Sammelelement 24.
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In der gezeigten Ausführungsform werden die Kontaktierstücke 28; 29 von den Enden 26 der Spulenhohlleiter 18 von jeglicher Wandung 24a; 24b des Sammelelementes 24 beabstandet gehalten. Die Kontaktierstücke 28; 29 sind weiterhin auch von weiteren Wandungen, die in 6 nicht gezeigt sind, elektrisch isoliert. Beispielsweise indem das Kontaktierstück 28,29 bis auf eine Kontaktierfläche zwischen den Enden 26 und dem Kontaktierstück 28; 29 frei vom Kühlmedium umströmbar ist oder indem zwischen dem Kontaktierstück 28; 29 und den Wandungen des Sammelelements 24 eine elektrische Isolierung besteht. Auf jeden Fall ist das Kontaktierstück 28; 29 elektrisch isoliert vom Sammelelement 24.
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Die Enden 26, die mit jeweils demselben Kontaktierstück 28; 29 verbunden sind, sind die beiden offenen Enden 26, die durch eine Durchtrennung des Spulenhohlleiters 18 an einer Stelle der Wicklung der Spule 18 entstehen. Eine derartige Unterbrechung des Spulenhohlleiters 18 unterbricht sowohl den Kühlkreis der Spule 18 als auch den elektrischen Stromfluss durch die Spule 18. Der Sammelelementkanal 22a schließt den durch die Durchtrennung des Spulenhohlleiters 18 unterbrochenen Kühlkreis. Das Kontaktierstück 28; 29 stellt eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Enden 26 her und schließt somit den durch die Spule 12 gehenden elektrischen Stromkreis.
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Die Öffnungen 35 der Enden 26 des Spulenhohlleiters 18 sind durch das Kontaktierstück 28;29 nicht verschlossen.
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7 zeigt eine Draufsicht auf ein Kontaktierstück 28 mit eingelegten Enden 26 eines Spulenhohlleiters 18 als Schnittdarstellung.
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Das Kontaktierstück 28 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material und stellt eine elektrische Verbindung zwischen zwei Enden 26 des Spulenhohlleiters 18 her. Da der Spulenhohlleiter 18 typischerweise eine äußere elektrische Isolierung aufweist, muss diese vor der Verbindung der Enden 26 mit dem Kontaktierstück 28 entfernt werden.
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Das Kontaktierstück 28 weist für jedes zu verbindende Ende 26 jeweils eine Ausnehmung 30 auf. Die Ausnehmungen 30 weisen dabei eine passgenaue oder annähernd passgenaue Formung an den Außendurchmesser des rundrohrförmigen Spulenhohlleiters 18 auf, wobei jedoch der Umfang des orthogonalen Schnitts durch die Ausnehmungen 30 geringfügig größer als der Außenumfang der Enden 26 ist, sodass die Enden 26 in die Ausnehmungen 30 geklemmt oder von den Ausnehmungen 30 gehalten werden können.
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Durch die Verbindung des Endes 26 des Spulenhohlleiters 18 mit dem Kontaktierstück 28 entsteht eine Kontaktfläche 31 zwischen dem Spulenhohlleiter 18 und dem Kontaktierstück 28.
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Eine stoffschlüssige Verbindung der Enden 26 mit dem Kontaktierstück 28 kann beispielsweise durch Löten oder Laserschweißen erfolgen.
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8 zeigt eine zweite Draufsicht auf das Kontaktierstück 28 mit den eingelegten Enden 26 des Spulenhohlleiters 18 der 7 als Schnittdarstellung.
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Die Öffnungen 35 der Enden 26 stehen dabei über das Kontaktierstück 28 hinaus. Wichtig ist bei der Verbindung der Enden mit dem Kontaktierstück 28, insbesondere bei der stoffschlüssigen Verbindung, dass die Öffnungen 35 nicht verschlossen werden, damit der Kühlkreis nicht unterbrochen wird und das Kühlmedium in den Spulenhohlleiter 18 hineinrespektive aus dem Spulenhohlleiter 18 hinaustreten kann.
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9 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Kontaktierstück 29 mit den eingelegten Enden 26 des Spulenhohlleiters 18 als Schnittdarstellung.
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Das Kontaktierstück 29 besteht ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigem Material und stellt eine elektrische Leitung zwischen den Enden 26 des Spulenhohlleiters 18 her. Im Fall einer äußeren elektrischen Isolierung des Spulenhohlleiters 18 muss diese ebenfalls erst entfernt werden bevor die beiden Enden 26 des Spulenhohlleiters 18 in jeweils eine erste Ausnehmung 32 des Kontaktierstückes 29 durchgeführt werden.
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Das Kontaktierstück 29 weist weiterhin zwei zweite Ausnehmungen 34 auf, wobei jeweils eine zweite Ausnehmung 34 mit jeweils einer ersten Ausnehmung 32 orthogonal verbunden ist. Damit ist ein elektrisch leitfähiger Teil 33 der durch die ersten Ausnehmungen 32 durchgeführten Enden 26 durch die zweiten Ausnehmungen 34 von der Außenseite 37 des Kontaktierstückes 29 zugänglich.
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Die zweiten Ausnehmungen ermöglichen ein stoffschlüssiges Verbinden der Enden 26 mit dem Kontaktierstück 29, insbesondere das Löten der Enden 26 an das Kontaktierstück 29. Hierzu wird das Kontaktierstück 29 nach dem Freilegen der Enden 26 von elektrischer Isolierung und dem Durchführen der Enden 26 durch die ersten Ausnehmungen 32, zunächst erhitzt und daran anschließend das Lot in die zweiten Ausnehmungen 34 zugeführt.
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10 zeigt eine zweite Draufsicht auf das weitere Kontaktierstück 29 mit den eingelegten Enden 26 des Spulenhohlleiters 18 der 9 als Schnittdarstellung.
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Die Enden 26 sind derart durch die ersten Ausnehmungen 32 durchgeführt, dass die Öffnungen 35 über das Kontaktierstück 29 hinausstehen. Dadurch wird das Verschließen der Öffnungen 35 durch das Lot bei der Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Enden 26 und dem Kontaktierstück 29 erschwert respektive verhindert.
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11 zeigt eine Draufsicht auf ein Verbindungsstück 44 als Schnittdarstellung.
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Das Verbindungsstück 44 verbindet den Hohlleiter 22c einer elektrischen Anschlussleitung 16 sowohl hydraulisch oder pneumatisch mit der Kühlmittelleitung 48 eines Wechselrichters 46 als auch elektrisch mit der elektrischen Stromleitung 50 des Wechselrichters 46.
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Das Verbindungsstück 44 umfasst einen Ringanschluss 52, der die Stromleitung 50 mit dem in den Ringanschluss eingeführten Hohlleiter 22c elektrisch leitend verbindet. Weiterhin umfasst das Verbindungsstück eine elektrisch nichtleitende Hohlschraube 54, welche, durch den Ringanschluss 52 durchgeführt, mit der Kühlmittelleitung 48 schraubend verbunden ist, sodass für das Kühlmedium eine Verbindung zwischen der Kühlmittelleitung 48 und dem Hohlleiter 22c entsteht. Ferner weist das Verbindungsstück 44 einen Dichtring 56 auf, der die Kühlmittelleitung 48 von der Stromleitung 50 und der Anschlussleitung 16 elektrisch isoliert.
