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Die Erfindung betrifft ein Aktivteil für eine elektrische Maschine. Das Aktivteil weist eine bestrombare Wicklung zum Erzeugen eines magnetischen Flusses sowie ein Aktivteileisen zum Halten der bestrombaren Wicklung und zum Leiten des magnetischen Flusses der Wicklung auf. Das Aktivteileisen weist eine Vielzahl von sich zwischen zwei Stirnseiten des Aktivteileisens axial erstreckenden, entlang eines Umfangs des Aktivteileisens verteilt angeordnete Nuten auf, in welchen Wicklungsleiter der Wicklung angeordnet sind. Die Wicklungsleiter der Wicklung sind als Hohlleiter ausgebildet, wobei ein Hohlraum der Hohlleiter einen Kühlmittel führenden Kühlkanal zum Kühlen des Aktivteils ausbildet. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine, eine elektrische Antriebseinheit sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen, welche beispielsweise als Antriebsmaschinen bzw. Traktionsmaschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, eingesetzt werden können. Eine elektrische Maschine weist Aktivteile in Form von einem ortsfest gelagerten Stator bzw. Ständer sowie in Form von einem bezüglich des Stators beweglich gelagerten Rotor bzw. Läufer auf. Die Aktivteile weisen üblicherweise magnetfelderzeugende Systeme, beispielsweise eine bestrombare Wicklung und/oder Permanentmagnete auf, welche von einem Aktivteileisen gehalten werden und einen magnetischen Fluss erregen bzw. erzeugen. Wicklungsleiter der bestrombaren Wicklung sind dabei üblicherweise in Nuten des Aktivteileisens angeordnet. Im Betrieb der elektrischen Maschine erhitzen sich diese Wicklungsleiter, wodurch eine erreichbare Dauerleistung und ein erreichbares Dauermoment der elektrischen Maschine reduziert werden.
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Um die elektrische Maschine zu kühlen, ist es aus dem Stand der Technik, beispielsweise der
DE 10 2018 207 155 A1 , bekannt, die als Hairpins ausgebildeten Wicklungsleiter als Hohlleiter auszubilden. Ein Hohlraum des Hohlleiters bildet dabei einen Kühlkanal, welcher zur Kühlung des Aktivteils dazu ausgelegt ist, ein Kühlmittel zu führen. Um zwei benachbarte Formstäbe fluidisch koppeln zu können, ist ein kappenartiger Hohlkörper vorgesehen, welcher auf Endstücke der Formstäbe aufgesteckt werden kann. Dabei sind eine Vielzahl von Hohlkörpern notwendig, um sämtliche Formstäbe fluidisch koppeln zu können. Darüber hinaus muss eine Dichtigkeit zwischen den Formstäben und den Hohlkörpern gewährleistet werden, um einen Austritt von Kühlmittel zu verhindern. Dies erhöht in unerwünschter Weise die Kosten und den Montageaufwand der elektrischen Maschine.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Aktivteil für eine elektrische Maschine bereitzustellen, welches einfach und kostengünstig zu kühlen ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Aktivteil, eine elektrische Maschine, eine elektrische Antriebseinheit 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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Ein erfindungsgemäßes Aktivteil für eine elektrische Maschine weist eine bestrombare Wicklung zum Erregen eines magnetischen Flusses sowie ein Aktivteileisen zum Halten der bestrombaren Wicklung und zum Leiten des magnetischen Flusses der Wicklung auf. Das Aktivteileisen weist eine Vielzahl von sich zwischen zwei Stirnseiten des Aktivteileisens axial erstreckenden, entlang eines Umfangs des Aktivteileisens verteilt angeordnete Nuten auf, in welchen Wicklungsleiter der Wicklung angeordnet sind. Die Wicklungsleiter der Wicklung sind als Hohlleiter ausgebildet, wobei ein Hohlraum der Hohlleiter einen Kühlmittel führenden Kühlkanal zum Kühlen des Aktivteils ausbildet. Dabei ist die Wicklung als eine Wellenwicklung mit einstückigen Wicklungsleitern ausgebildet. Jeder Wicklungsleiter weist in vorbestimmten Nuten angeordnete erste Abschnitte und an den Stirnseiten zwischen zwei benachbarten ersten Abschnitten angeordnete, fügestellenlos an die ersten Abschnitte angrenzende zweite Abschnitte auf. Außerdem bildet jeder Wicklungsleiter einen wellenförmigen, entlang des Umfangs durchgehenden Kühlkanal aus, welcher dazu ausgelegt ist, Kühlmittel entlang des Umfangs von einem, einen Kühlmittelzulauf ausbildenden Anfang des Wicklungsleiters durch die ersten Abschnitte entlang der Nuten und durch die zweiten Abschnitte entlang der Stirnseiten zu einem, einen Kühlmittelablauf bildenden Ende des Wicklungsleiters zu führen.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine mit zumindest einem erfindungsgemäßen Aktivteil. Die elektrische Maschine kann beispielsweise als elektrische Traktionsmaschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug verwendet werden. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine rotatorisch arbeitende elektrische Maschine. Die elektrische Maschine kann eine elektrisch erregte elektrische Maschine, eine permanenterregte elektrische Maschine oder eine hybriderregte elektrische Maschine sein. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine Synchronmaschine, kann jedoch auch als eine Asynchronmaschine ausgebildet sein. Die elektrische Maschine weist zwei Aktivteile in Form von einem ortsfest gelagerten Stator bzw. Ständer sowie einem bezüglich des Stators beweglich, beispielsweise drehbar, gelagerten Rotor bzw. Läufer auf. Zumindest der Stator weist eine Wicklung auf, welcher zum Erzeugen des magnetischen Flusses ein elektrischer Strom zuführbar ist. Die Wicklung wird von einem Aktivteileisen, beispielsweise einem Blechpaket, gehalten. Dazu weist das Aktivteileisen Nuten auf, welche sich zwischen den zwei axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Aktivteileisens erstrecken und entlang der Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind. Im Falle des Stators ist das Statoreisen insbesondere hohlzylinderförmig ausgebildet und weist an einer Innenseite die sich axial erstreckenden, entlang des Umfangs verteilt angeordnete Nuten auf.
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Der Rotor kann als Innenläufer oder Außenläufer ausgebildet sein und weist ein rotorseitiges, magnetfelderzeugendes System bzw. Erregersystem auf. Das Erregersystem weist zur Ausbildung einer elektrisch erregten Maschine eine bestrombare Spule auf, welche zur Erzeugung eines elektrisch erregten magnetischen Flusses ausgebildet ist. Zur Ausbildung einer permanenterregten Maschine weist das Erregersystem zumindest einen Permanentmagneten auf, welcher zur Erzeugung eines permanenterregten magnetischen Flusses ausgebildet ist. Zur Ausbildung einer hybriderregten Maschine weist das Erregersystem zumindest eine Rotorwicklung und zumindest einen Permanentmagneten auf, deren magnetische Flüsse sich überlagern können. Auch kann die Maschine Kavitäten zur Reluktanzbildung aufweisen, sodass zusätzlich der Reluktanzeffekt erzielt wird. Das Erregersystem wird von einem rotorseitigen Aktivteileisen, also einem Rotoreisen, welches beispielsweise als Rotorblechpaket oder massives Rotoreisen ausgebildet sein kann, gehalten. Das Rotoreisen führt zudem den magnetischen Fluss des Erregersystems.
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Um eine im Betrieb der elektrischen Maschine entstehende Wärme, welche beispielsweise durch ohmsche Verluste in den Wicklungsleitern verursacht wird, abführen zu können, weist zumindest eines der Aktivteile, insbesondere der Stator, Wicklungsleiter auf, welche als Hohlleiter ausgebildet sind. Innerhalb des Hohlraumes der Hohlleiter kann ein flüssiges und/oder gasförmiges Kühlmittel geführt werden. Ein den Hohlraum umgebender Bereich der Wicklungsleiter ist dabei zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem Metall, ausgebildet, um den elektrischen Strom zur Erzeugung des magnetischen Flusses führen zu können. Durch die Hohlleitergeometrie der Wicklungsleiter kann die Wärme von der Wärmequelle, also den stromführenden Bereichen der Wicklungsleiter, zu einer Wärmesenke, nämlich dem sich in dem Hohlraum befindlichen Kühlmittel, abgeführt werden.
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Da die Wärmequelle und die Wärmesenke innerhalb eines Wicklungsleiters liegen, können thermische Widerstände zwischen der Wärmequelle und Wärmesenke auf ein Minimum reduziert werden. Dies hat zur Folge, dass eine effizientere Abfuhr von Wärmeleistung möglich wird, trotz eines geringfügigen höheren Widerstandes aufgrund des Wegfalls von bestrombarer Querschnittsfläche innerhalb des Wicklungsleiters für den Kühlkanal. Somit können höhere Stromdichten herangezogen werden, wodurch neben der Erhöhung der Dauerleistung und des Dauermoments auch eine höhere Maximalleistung und ein höheres Maximalmoment wandelbar sind. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass der Widerstand in den metallischen, stromführenden Bereichen der Wicklungsleiter durch diese aktive Kühlung innerhalb der Wicklungsleiter im Betrieb reduziert werden kann, das heißt die geometrisch bedingte Erhöhung des Widerstandes aufgrund des integrierten Kühlkanals in den Wicklungsleitern kann ganz oder teilweise durch das Herabsenken der Betriebstemperatur kompensiert werden. Somit kann auch die Effizienz einer elektrischen Maschine positiv beeinflusst werden.
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Um nun die Kühlung für das Aktivteil besonders einfach herstellbar und kostengünstig zu gestalten, ist die Wicklung als Wellenwicklung ausgebildet. Dazu sind die Wicklungsleiter als wellenförmige, einstückige, entlang der Umfangsrichtung von dem Anfang des Wicklungsleiters bis zu dem Ende des Wicklungsleiters durchgängige bzw. homogene Leiterstücke ausgebildet. Jedes Leiterstück weist dabei die ersten Abschnitte und die zweiten Abschnitte auf, welche ohne technologische Verbindungsstellen bzw. Fügestellen, beispielsweise Schweißpunkte oder Verbindungselemente, aneinander angrenzen. Ein Wicklungsleiter besteht also aus ersten Abschnitten und zweiten Abschnitten. Die ersten Abschnitte erstrecken sich dabei in axialer Richtung und sind in den vorbestimmten Nuten angeordnet. Die zweiten Abschnitte sind dabei abwechselnd an der ersten Stirnseite des Aktivteileisens und der zweiten Stirnseite des Aktivteileisens, welche der ersten Stirnseite axial gegenüberliegt, angeordnet. Die zweiten Abschnitte der Wicklungsleiter bilden dabei Wickelköpfe der Wellenwicklung, die alternierend ausgeprägt sind, aus. Die Nuten, in welchen die ersten Abschnitte angeordnet sind, ergeben sich dabei aus einem vorbestimmten Abstand zwischen zwei ersten Abschnitten, welcher sich wiederum aus einem vorbestimmten Wicklungsschritt der Wellenwicklung ergibt. Durch die ersten und zweiten Abschnitte ergibt sich die Wellenform des Wicklungsleiters, welcher beispielsweise durch Biegen des Leiterstücks ausgebildet sein kann. Endbereiche des Leiterstückes bilden dabei den Anfang und das Ende des Wellenleiters. Dabei können auch mehrere Wellenleiter elektrisch parallel geschaltet werden. Dazu können die Wellenleiter aneinander gefügt werden, sodass sich die Parallelschaltung ergibt.
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Um mit einer elektrischen Maschine bestimmte Anforderungen an das Drehmoment und die Leistung zu erfüllen, ist es notwendig, die Maschine mit einer daran angepassten Windungszahl auszubilden. Ist die Maschine insbesondere mit einer Wellenwicklung ausgeführt, bestimmt sich deren Windungszahl unter anderem aus einer Nutzahl, also einer Gesamtzahl an Nuten, welche abhängige ist von einer Anzahl an Phasen sowie und einer Lochzahl der Maschine. Die Lochzahl ist die Anzahl der Nuten je magnetischem Pol und Phase. Eine Wellenwicklung bietet den Vorteil, dass im Vergleich zu einer Hairpin-Wicklung kürzere Spulenweiten im Wickelkopf erreicht werden können. Dies hat zur Folge, dass beispielsweise eine im Vergleich zu einer Hairpin-Wicklung höhere Nutzahl bereitgestellt werden kann. Eine höhere Nutzahl ermöglicht die Verwendung von höheren Lochzahlen. Somit können die Anzahl der Wicklungsleiter pro Phase und magnetischem Pol günstig beeinflusst werden, sodass die magnetische Durchflutung verstärkt wird und im Gegenzug der zugeführte elektrische Strom reduziert werden kann. Dies hat zur Folge, dass eine Effizienzsteigung und Kostensenkung für stromtragende Bauteile der elektrischen Antriebseinheit möglich wird. Außerdem bedeuten eine höhere Nutzahl und eine höhere Lochzahl auch, dass harmonische Oberwellen einer magnetischen Flussdichte im Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator reduziert werden können. Dies hat wiederum zur Folge, dass weniger Eisenverluste erzeugt werden und sowohl die oberwellenbedingte akustische Anregung als auch die oberwellenbedingte mechanische Anregung verringert werden kann. Des Weiteren kann eine Höhe des Wickelkopfes einer Wellenwicklung kürzer gestaltet werden als bei Verwendung einer Hairpin-Wicklung, welche im Wickelkopf Verbindungstechnologien, wie zum Beispiel Schweißstellen, benötigt. Eine reduzierte Höhe wirkt sich positiv auf einen Bauraumbedarf des Aktivteils aus.
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Da jeder Wicklungsleiter als einstückiger, fügestellenloser, durchgängiger Hohleiter ausgebildet ist, wird so ein wellenförmiger, entlang des Umfangs von dem Anfang des Hohlleiters bis zu dem Ende des Hohlleiters durchgängiger, fügestellenloser Kühlkanal ausgebildet. Der Anfang des Hohlleiters bildet dabei den Kühlmittelzulauf aus, über welchen das Kühlmittel in den Kühlkanal eingeleitet werden kann. Das Kühlmittel fließt dabei innerhalb der ersten Abschnitte durch die Nuten hindurch und innerhalb der zweiten Abschnitte über die Stirnseiten. Das Kühlmittel fließt also über den Kühlmittelzulauf entlang der axialen Richtung durch eine erste Nut, über die erste Stirnseite in eine zweite Nut, in der axialen Richtung durch die zweite Nut, über die zweite Stirnseite in eine dritte Nut, in der axialen Richtung durch die dritte Nut, usw., bis zum Ende des Wicklungsleiters. Das Ende des Wicklungsleiters bildet den Kühlmittelablauf aus, über welchen das die Abwärme transportierende Kühlmittel wieder entnommen und beispielsweise einem Kühlkreis des Kraftfahrzeugs zugeführt werden kann. Eine durch den Wicklungsleiter gebildete Wandung des Kühlkanals weist dabei insbesondere ein elektrisch isolierendes Material auf. Ein Strömungsquerschnitt des Kühlkanals ist insbesondere rechteckförmig, oval, kreisförmig, rautenförmig oder dreieckförmig ausgebildet. Dieser kann dahingehend dimensioniert werden, dass der resultierende Druckverlust so klein wie möglich ist und zugleich eine für die Wärmeabfuhr günstige Strömung resultiert.
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Dadurch, dass die Wicklungsleiter ohne mechanische hergestellte Fügestellen ausgebildet sind, weist der Kühlkanal in vorteilhafter Weise keine potentiellen Undichtigkeitsstellen bzw. Leckagen auf, an welchen Kühlmittel austreten kann. Aufgrund der wellenwicklungsbedingten erhöhten Nut- und Lochzahl wird außerdem eine Kontaktfläche zur Wärmeabfuhr zwischen der Wellenwicklung und dem Aktivteileisen deutlich vergrößert. Eine Wellenwicklung mit Hohlleiterkühlung kann sehr gut und direkt die Abwärme, bedingt durch die ohmschen Verluste der stromführenden Bereiche, abführen. Sollte die aktive Kühlung mittels des Kühlmittels in bestimmten Betriebspunkten der elektrischen Maschine nicht vollständig ausreichen, so kann zusätzlich die Wärme über die große Kontaktfläche von den Wicklungsleitern zu dem Aktivteileisen abgeführt werden.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Antriebseinheit mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und einem Kühlkreis, wobei die Kühlmittelzuläufe und die Kühlmittelabläufe der Wicklungsleiter mit dem Kühlkreis gekoppelt sind. Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit auf. Das Kraftfahrzeug ist als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Aktivteil vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße elektrische Maschine, für die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den 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. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Aktivteils für eine elektrische Maschine;
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Aktivteils;
- 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Aktivteils;
- 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des Aktivteils
- 5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des Aktivteils; und
- 6 eine schematische Darstellung einer Wellenwicklung des Aktivteils.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 bis 5 zeigen in schematischer Darstellung unterschiedliche Ausführungsformen für ein Aktivteil 1 einer elektrischen Maschine, welche insbesondere als Traktionsmaschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug verwendet wird. Das Aktivteil 1 ist hier als ein Stator 2 ausgebildet und weist ein hohlzylinderförmiges Aktivteileisen 3 auf. An einer Innenseite 4 des Aktivteileisens 3, welche einem Luftspalt zwischen dem Stator 2 und einem Rotor der elektrischen Maschine zugewandt ist, sind sich in axialer Richtung A (, siehe 6, in 1 bis 5 senkrecht zur Zeichenebene) erstreckende, entlang einer Umfangsrichtung U verteilt angeordnete Nuten 5 angeordnet. Zwischen den Nuten 5 sind Zähne 6 des Aktivteileisens 3 angeordnet. In den Nuten 5 sind Wicklungsleiter 7 einer Wicklung 8 des Aktivteils 1 angeordnet. Die Wicklung 8 ist dabei als Wellenwicklung ausgebildet, welche in 6 gezeigt ist. In 6 sind drei Wicklungsleiter 7 der als Wellenwicklung ausgebildeten Wicklung 8 gezeigt.
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Bei der als Wellenwicklung ausgebildeten Wicklung 8 sind die Wicklungsleiter 7 wellenförmig ausgebildet und entlang der Umfangsrichtung U durchgängig bzw. homogen ausgebildet. Jeder Wicklungsleiter 7 weist erste Abschnitte 9 auf, welche in den Nuten 5 angeordnet sind und sich entlang der axialen Richtung A erstrecken, und zweite Abschnitte 10 auf, welche an axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Aktivteileisens 3 angeordnet sind und Wickelköpfe des Aktivteils 1 ausbilden. Die ersten Abschnitte 9 und die zweiten Abschnitte 10 eines Wicklungsleiters 7 sind dabei ohne technologisch gefertigte Verbindungsstellen bzw. Fügestellen verbunden, sondern bilden einen einteiligen, fügestellenlosen Wicklungsleiter 7 aus. Jeder Wicklungsleiter 7 weist dabei einen Anfang 11 und eine Ende 12 auf.
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Die Wicklungsleiter 7 sind dabei als Hohlleiter ausgebildet. Dadurch bildet ein Hohlraum 13 eines Wicklungsleiters 7 einen Kühlkanal 14 aus, welcher sich wellenförmig von dem Anfang 11 zu dem Ende 12 erstreckt und welcher ein Kühlmittel zum Abführen von Abwärme führen kann. Der Anfang 11 bildet einen Kühlmittelzulauf 15 aus, über welchen das Kühlmittel in den Kühlkanal 14 eingeleitet werden kann. Das Ende 12 bildet einen Kühlmittelablauf 16 aus, über welchen das Kühlmittel wieder aus dem Kühlkanal 14 entnommen werden kann. Zwischen den Wicklungsleitern 7 und dem Aktivteileisen 3 befindet sich ein elektrischer Isolator 17 in den Nuten 5, um die Wicklungsleiter 7 elektrisch von dem Aktivteileisen 3 zu isolieren. Außerdem sind Wandungen 18 der Wicklungsleiter 7, welche dem Hohlraum 13 und/oder den Nuten 5 zugewandt sind, beispielsweise mittels einer Beschichtung, aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet.
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Der Kühlkanal 14 kann dabei unterschiedliche Strömungsquerschnittsformen aufweisen. Bei der Ausführungsform des Aktivteils 1 gemäß 1 weist der Kühlkanal 14 einen ovalen Strömungsquerschnitt auf, bei der Ausführungsform des Aktivteils 1 gemäß 2 weist der Kühlkanal 14 einen runden Strömungsquerschnitt auf, bei der Ausführungsform des Aktivteils 1 gemäß 3 weist der Kühlkanal 14 einen quadratischen Strömungsquerschnitt auf, bei der Ausführungsform des Aktivteils 1 gemäß 4 weist der Kühlkanal 14 einen rautenförmigen Strömungsquerschnitt auf und bei der Ausführungsform des Aktivteils 1 gemäß 5 weist der Kühlkanal 14 einen rechteckförmigen Strömungsquerschnitt auf. Die Kühlkanalgeometrie kann also beliebige Geometrien aufweisen. Sie ist jedoch derartig auszulegen, dass der Druckabfall des Kühlmittels nicht zu stark ins Gewicht fällt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018207155 A1 [0003]
