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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor für einen Kraftfahrzeugantrieb, mit einem Stator und einem relativ zu dem Stator verdrehbar gelagerten Rotor.
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Es besteht zunehmend der Bedarf an effizient gekühlten Elektromotoren, um deren Leistungsdichte weiter zu erhöhen. Es hat sich herausgestellt, dass ein hoher Anteil der im Betrieb in dem Elektromotor erzeugten Wärmeenergie in den im Stator oder Rotor aufgenommenen Wicklungsabschnitten entsteht und anstaut. Durch die Beschaffenheit des Stators / Rotors kann diese nicht direkt abgeführt werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, dessen Bestandteile effizienter gekühlt werden, um die Leistungsdichte zu erhöhen.
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Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist ein Elektromotor für einen Kraftfahrzeugantrieb mit einem Stator und einem relativ zu dem Stator verdrehbar gelagerten Rotor ausgestattet, wobei der Stator oder der Rotor einen Grundkörper aufweist und eine in dem Grundkörper aufgenommene Spulenanordnung mehrere Wicklungsabschnitte besitzt, welche Wicklungsabschnitte in mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordneten, den Grundkörper axial durchdringenden Nutbereichen aufgenommen sind, und mit einer Kühleinrichtung, welche Kühleinrichtung je Nutbereich einen axial in diesen Nutbereich hineinragenden Leitungsabschnitt aufweist, wobei die verschiedenen Leitungsabschnitte zu einer axialen Seite des Grundkörpers hin an ein gemeinsames Verteilerrohr angeschlossen sind.
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Dadurch wird eine Kühleinrichtung in einen Elektromotor eingesetzt, die eine möglichst direkte Einbringung von Kühlfluid in die sich relativ stark aufheizenden Bereiche des Elektromotors ermöglicht, um eine effiziente Wärmeabfuhr aus dem Inneren der Bestandteile des Elektromotors zu ermöglichen.
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Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Demnach ist es weiterhin von Vorteil, wenn der jeweilige Leitungsabschnitt radial innerhalb der in demselben Nutbereich aufgenommenen Wicklungsabschnitte angeordnet ist. Dadurch wird eine bauraumsparende Schachtelung der Leitungsabschnitte mit den Wicklungsabschnitten erzielt.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der jeweilige Leitungsabschnitt mehrere zu den Wicklungsabschnitten hin austretende, axial benachbart angeordnete / verteilte Öffnungen aufweist. Dadurch wird ein Kühlfluid im Betrieb auch über die gesamte Länge des Grundkörpers hinweg gleichmäßig verteilt.
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Es hat sich zudem als zweckmäßig herausgestellt, wenn die Öffnungen als radiale Durchgangsbohrungen in dem rohrförmigen Leitungsabschnitt oder als düsenförmige / blendenartige Öffnungen ausgebildet sind. Dadurch ergibt sich eine effiziente Verteilung des durch den Leitungsabschnitt ausgetragenen Kühlfluids.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der jeweilige Leitungsabschnitt vollständig aus einem Kunststoff besteht oder zumindest zu seiner radialen Außenseite mit einer Umhüllung oder Beschichtung aus Kunststoff versehen ist. Dadurch kann der Leitungsabschnitt möglichst nahe an den Wicklungsabschnitten angeordnet werden, ohne die magnetischen Feldlinien negativ zu beeinflussen.
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Als zweckmäßig hat es sich zudem herausgestellt, wenn die Leitungsabschnitte zusammen mit dem Verteilerrohr kammförmig angeordnet sind / eine kammförmige Leitungsanordnung bilden. Dadurch sind die Leitungsabschnitte zusammen mit dem Verteilerrohr einfach in dem Grundkörper montierbar.
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Dabei ist es weiterhin von Vorteil, wenn das Verteilerrohr kreisbogenförmig oder vollständig umlaufend / ringförmig umgesetzt ist. Bei der ringförmigen Ausbildung werden alle Leitungsabschnitte gesamtheitlich in den Grundkörper eingeschoben, was die Montage weiter vereinfacht; durch die kreisbogenförmige Ausbildung ist eine möglichst gleichmäßige Druckverteilung des Kühlfluides auf die entsprechenden Leitungsabschnitte ermöglicht.
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Hinsichtlich der kreisbogenförmigen Ausbildung des Verteilerrohrs hat es sich des Weiteren als vorteilhaft herausgestellt, wenn mehrere, jeweils mit mehreren Leitungsabschnitten weiter verbundene kreisbogenförmige Verteilerrohre in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind, wobei die Verteilerrohre mit einer gemeinsamen Fluidzuführung weiter gekoppelt sind.
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Die Montage wird weiter vereinfacht, wenn das zumindest eine Verteilerrohr zu einer Stirnseite eines Wickelkopfes der Spulenanordnung hin angeordnet ist. Dadurch wird der Anschluss des Verteilerrohres an die weiteren Bestandteile der Kühleinrichtung vereinfacht.
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Auch ist es von Vorteil, wenn der jeweilige Leitungsabschnitt unmittelbar als ein den Nutbereich in radialer Richtung nach innen verschließender Verschlusskeil ausgebildet ist. Dadurch wird der Aufbau des Elektromotors vereinfacht.
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Diesbezüglich ist es auch zweckmäßig, wenn der jeweilige Leitungsabschnitt formschlüssig in einer Kerbgeometrie des Nutbereiches eingeschoben / eingerastet ist. Dadurch kommt es zu einer robusten Aufnahme des jeweiligen Leitungsabschnittes in dem Nutbereich.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß ein Kühlkamm (bestehend aus Leitungsabschnitten und Verteilerrohr) zur aktiven Kühlung einer Wicklung (Spulenanordnung mit Wicklungsabschnitten) innerhalb mehrerer Nuten (Nutbereiche) eines Elektromotors vorhanden. Die Rohre / Röhren (Leitungsabschnitte) des Kühlkamms werden axial in den Nuten angeordnet und weisen vorzugsweise Löcher oder Düsen (Öffnungen) auf, die in Richtung der Wicklungsabschnitte / Wicklungsdrähte gerichtet sind. In Abhängigkeit eines Drucks des Kühlfluids kann mehr oder weniger Kühlfluid auf die Wicklungsabschnitte gesprüht werden. Ein weiterer Vorteil des Kühlkamms ist, dass die Röhren innerhalb der Nuten die Windungsabschnitte radial in Position halten können. Der Kühlkamm kann somit auch als Nutverschlusskeil (Verschlusskeil) ausgebildet sein.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1 eine Vorderansicht eines Abschnittes eines erfindungsgemäßen Elektromotors nach einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei zwei in einem Nutbereich eines Grundkörpers angeordnete Leitungsabschnitte einer Kühleinrichtung gut zu erkennen sind,
- 2 eine Längsschnittdarstellung eines mit der Kühleinrichtung ausgestatteten Stators, wie er in 1 eingesetzt ist, wobei ein Leitungsabschnitt in Längsrichtung geschnitten dargestellt ist,
- 3 eine Detailansicht des in 2 geschnitten dargestellten Stators im Bereich des in dem Grundkörper des Stators eingeschobenen Leitungsabschnittes, wobei mehrere radial austretende Öffnungen des Leitungsabschnittes gut zu erkennen sind,
- 4 eine perspektivische Darstellung eines axial innerhalb des Grundkörpers angeordneten Endbereiches des Leitungsabschnittes zur Veranschaulichung einer Austrittsrichtung eines durch den Leitungsabschnitt eingebrachten Kühlfluids,
- 5 eine perspektivische Ansicht des nach 2 in Längsrichtung geschnittenen Stators, mit dem ein mit dem jeweiligen Leitungsabschnitt verbundenes Verteilerrohr abschnittsweise erkennbar ist,
- 6 eine perspektivische Darstellung einer kammartigen Leitungsanordnung mit Verteilerrohr und axial davon weg verlaufenden Leitungsabschnitten, wie sie in den 1 bis 5 eingesetzt ist,
- 7 eine Längsschnittdarstellung des Stators, ähnlich zu 2, wobei die Leitungsanordnung samt Verteilerrohr und Leitungsabschnitten noch nicht axial in die Nutbereiche des Grundkörpers eingeschoben ist,
- 8 eine Draufsicht auf einen in den 1 bis 7 eingesetzten Grundkörpers zur Veranschaulichung beispielhaft ausgeformter Nutbereiche, sowie
- 9 eine perspektivische Ansicht eines in Querrichtung geschnittenen Stators eines nach einem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildeten Elektromotors, in dem die Leitungsabschnitte auch als Verschlusskeile für die Nutbereiche an einer radialen Innenseite eingesetzt sind.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die verschiedenen Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele prinzipiell frei miteinander kombiniert werden.
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In Verbindung mit den 1 bis 8 ist ein nach einem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildeter, erfindungsgemäßer Elektromotor 1 in seinem Aufbau zu erkennen. Der Elektromotor 1 weist einen gesamtheitlich ringförmig ausgebildeten Stator 2 und einen radial innerhalb des Stators 2 verdrehbar aufgenommen Rotor 3 auf. Der Elektromotor 1 ist bevorzugt als eine Antriebsmaschine in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang eingesetzt. Der Elektromotor 1 dient daher vorzugsweise zum Antrieb eines rein elektrisch oder hybridisch angetriebenen Kraftfahrzeuges.
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Der Stator 2 weist in dieser Ausführung einen Grundkörper 4 auf, in dem auf übliche Weise eine Spulenanordnung 5 aufgenommen ist. Der Grundkörper 4 ist weiter bevorzugt durch ein Blechpaket gebildet. Der Stator 2 ist zudem mit der nachfolgend näher beschriebenen Kühleinrichtung 8 ausgestattet. In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungen ist stattdessen der Rotor 3 mit dieser Kühleinrichtung 8 ausgestattet. Es sei daher darauf hingewiesen, dass die nachfolgend in Bezug auf den Stator 2 geschilderten Details in weiteren Ausführungsbeispielen auf den Rotor 3 angewendet sind.
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Wie in 5 zu erkennen, ist der Stator 2 mit einem Grundkörper 4 ausgestattet, der im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist. Dieser Grundkörper 4 ist aus einem Blechpaket, d. h. aus mehreren als Gleichteile ausgebildeten axial gestapelten Blechsegmenten / Einzelblechen, zusammengesetzt.
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Der Grundkörper 4 weist mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete, den Grundkörper 4 axial vollständig durchdringende Nutbereiche 7 auf. Diese in 8 nähre zu erkennenden Nutbereiche 7 sind in dem ersten Ausführungsbeispiel in radialer Richtung nach innen geöffnet. Diese Nutbereiche 7 weisen im Querschnitt betrachtet eine in radialer Richtung verlaufende Längserstreckung auf. Je Nutbereich 7 verlaufen mehrere Wicklungsabschnitte 6 axial durch den Grundkörper 4 hindurch, wie etwa in 5 gut zu erkennen. Die Wicklungsabschnitte 6 sind bspw. Bestandteil eines gewickelten Drahts oder so genannter gesteckter Drahtabschnitte / -pins. Die Wicklungsabschnitte 6 sind zu einer ersten axialen Seite 10a des Grundkörpers 4 zu einem Wicklungskopf 16 ausgebildet, um im Betrieb elektrisch mit einer Steuerung verbunden zu sein. Auch auf einer, der ersten axialen Seite 10a entgegengesetzten, zweiten axialen Seite 10b ragen die Wicklungsabschnitte 6 aus dem Grundkörper 4 hinaus.
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Es sei auch darauf hingewiesen, dass die Nutbereiche 7 auch auf andere Weise als in 8 dargestellt ausgebildet sein können. Mit 8 ist zu erkennen, dass der Nutbereich 7 in dieser Ausführung einen in radialer Richtung mit einer konstanten Breite verlaufenden Wicklungsaufnahmeraum 19 aufweist, in dem unmittelbar die Wicklungsabschnitte 6 angeordnet sind. Radial innerhalb des Wicklungsaufnahmeraums 19 schließt ein Leitungsaufnahmeraum 20 an. Der Wicklungsaufnahmeraum 19 geht über zwei in Umfangsrichtung beidseitig des Nutbereiches 7 vorgesehene Schultern 21 in den Leitungsaufnahmeraum 20 über. Die Schultern 21 dienen vorzugsweise zur radialen Abstützung der in dem Nutbereich 7 aufgenommenen Wicklungsabschnitte 6. Zu einer radialen Innenseite des Leitungsaufnahmeraums 20 sind (radial beabstandet zu den Schultern 21) zwei in Umfangsrichtung aufeinander zu verlaufende Laschen 22 vorgesehen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel der Aufnahme / Fixierung eines nachfolgend beschriebenen Leitungsabschnittes 9 dienen.
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Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung 8, wie sie in Verbindung mit den 1 bis 7 gut zu erkennen ist, weist mehrere gemäß 6 dargestellte Leitungsanordnungen 23 auf, die in Umfangsrichtung aneinander anschließen und folglich wiederum gesamtheitlich ein ringförmiges Leitungssystem bilden. Jede Leitungsanordnung 23 weist ein bogenförmig verlaufendes Verteilerrohr 11 auf, wobei mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Leitungsabschnitte 9 von einer gemeinsamen axialen Seite des Verteilerrohrs 11 weg verlaufen. Die Leitungsanordnung 23 weist folglich eine Kammform auf.
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Gemäß weiteren Ausführungen ist es alternativ möglich, ein einziges Verteilerrohr 11 in Umfangsrichtung durchgängig / ringförmig verlaufen zu lassen. Die entsprechenden Leitungsabschnitte 9 verlaufen dann wiederum von diesem Verteilerrohr 11 zentral in axialer Richtung weg und in den jeweiligen Nutbereich 7 hinein.
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Wie in Verbindungen der 5 und 7 gut zu erkennen, wird die Leitungsanordnung 23 derart axial in den Stator 2 sowie den Grundkörper 4 hineingeschoben, dass im fertig montierten Zustand der Kühleinrichtung 8 in jeden Nutbereich 7 ein Leitungsabschnitt 9 eingeschoben ist. Der jeweilige Leitungsabschnitt 9 ist in dem Leitungsaufnahmeraum 20 aufgenommen. Gemäß 3 weist jeder Leitungsabschnitt 9 in seinem axial in dem Grundkörper 4 angeordneten Bereich mehrere axial beabstandete Öffnungen 12 auf, durch die im Betrieb das dem Leitungsabschnitt 9 zugeführte Kühlfluid in den Leitungsaufnahmeraum 20 und in radialer Richtung nach außen zu den Wicklungsabschnitten 6 austritt (4).
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Mit 4 ist zudem gut zu erkennen, dass durch die Anordnung der Leitungsabschnitte 9 radial innerhalb der Wicklungsabschnitte 6 des jeweiligen Nutbereiches 7 das Kühlfluid in radialer Richtung nach außen direkt auf die Wicklungsabschnitte 6 aufgesprüht wird.
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Die Leitungsabschnitte 9 der jeweiligen Leitungsanordnung 23 sind gleich ausgebildet, sodass sie in axialer Richtung auf gleicher Höhe die entsprechenden Öffnungen 12 aufweisen. Jener Bereich des Leitungsabschnittes 9, der axial außerhalb des Grundkörpers 4 angeordnet ist, ist ohne Öffnungen realisiert.
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Des Weiteren ist zu erkennen, dass das somit axial außerhalb des Grundkörpers 4 sowie axial versetzt zu einer Stirnseite 15 des Wickelkopfs 16 angeordnete Verteilerrohr 11 mit einer weiteren radial schräg verlaufenden Koppelleitung 24 im Betrieb mit einer Fluidzuführung weiter verbunden ist (5 und 6).
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Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass der jeweilige Leitungsabschnitt 9 durch ein Rohr gebildet ist, das zumindest teilweise aus einem Kunststoff besteht. In weiteren Ausführungen ist es prinzipiell auch möglich, den Leitungsabschnitt 9 vollständig aus Kunststoff herzustellen. In der gegenständlichen Ausführung ist das Verteilerrohr 11 zu seiner Außenseite 13 hin von einer aus Kunststoff bestehenden, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Umhüllung ummantelt (4).
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Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass auch wenn gemäß 3 die Öffnungen 12 in diesen Ausführungen als Bohrungen, d. h. mit gleichbleibendem Durchmesser umgesetzt sind, sie in weiteren Ausführungen als Blende / Düse umgesetzt sein können.
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Gemäß 9 ist schließlich ein weiteres zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromotors 1 zu erkennen, das in Aufbau und Funktionsweise weitestgehend dem ersten Ausführungsbeispiel gleicht. Der Kürze wegen sind demnach nachfolgend lediglich die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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Wie mit 9 gut zu erkennen, ist der jeweilige Leitungsabschnitt 9 nun direkt als Verschlusskeil 17 ausgebildet, um unmittelbar den jeweiligen Nutbereich 7 zu einer radialen Innenseite der Wicklungsabschnitte 6 hin abzuschließen. Der Leitungsabschnitt 9 ist dabei nicht mehr wie im ersten Ausführungsbeispiel mit kreisförmigem Querschnitt, sondern mit einem im Wesentlichen trapezförmigen Vierkantquerschnitt realisiert.
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Es ist zudem zu erkennen, dass auf die Ausbildung der Laschen 22 folglich verzichtet ist. Der jeweilige Leitungsabschnitt 9 ist formschlüssig in eine die Schultern 21 ersetzenden Kerbgeometrie 18 an den umfangsseitigen Kanten des Nutbereiches 7 unmittelbar verrastet.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, wird erfindungsgemäß eine Möglichkeit zur Kühlung der Wickeldrähte (Wicklungsabschnitte 9) innerhalb der Nut (Nutbereiche 7) bei Statoren 2 mit verteilter Wicklung vorgeschlagen. Der Vorteil daran ist, dass dieser Bereich des Stators 2 die heißeste Stelle im System ist. Das liegt daran, dass hier die Drähte sehr dicht gepackt liegen und um sie herum durch das Blechpaket (Grundkörper 4) diese Wärme nicht abgeführt werden kann. Mit der hier aufgeführten Lösung wird eine aktive Kühlung durch ein flüssiges Kühlmedium / Kühlfluid beschrieben. Durch die Verringerung der Temperatur im Stator 2 werden so die damit verbundenen Verluste verringert, was die Gesamteffizienz des Systems steigert. Ebenso können durch geeignete Wahl des Kühlmittels auch höhere Ströme eingestellt werden, was eine Leistungssteigerung der elektrischen Maschine (Elektromotor 1) zur Folge hat.
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Bei Statoren 2 mit Nutschulter (Schulter 21) steht in der Nut ungenutzter Raum zur Verfügung. Das hier beschriebene System beschreibt die Nutzung des Raums durch ein aktives Kühlsystem (Kühleinrichtung 8). Durch exakte Anpassung der Nut und eines Isolationspapiers 14 wird Raum für Kühlelemente, wie z.B. Rohre, erzeugt werden. Sollte durch die Veränderung der Nutgeometrie die Effizienz des Stators 2 ggf. sinken, kann dies durch eine effiziente Kühlung mehr als ausgeglichen werden.
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In den 2 bis 4 ist die Form und das Prinzip der Kühlung dargestellt. Die axial in die Nut geführten Rohre (Leitungsabschnitte 9) haben kleine Löcher oder Düsen (Öffnungen 12), welche auf die Wickeldrähte gerichtet sind. Je nach Druck kann mehr oder weniger Kühlmittel, je nach Bedarf, auf die Wicklung gespritzt werden. Um Kurzschlüsse oder elektrische Überschläge und Beschädigung bei der Montage der Rohre an den Drähten und Isolationspapier 14 zu vermeiden, besitzen diese Rohre keine metallische Oberfläche.
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Die 5 bis 7 zeigen wie der Kühlkamm (Leitungsanordnung 23) umgesetzt werden kann. Über ein kreisförmiges Rohr, dem Kühlmittelverteiler (Verteilerrohr 11), wird das Kühlmittel auf die einzelnen Rohre, welche in die Nuten ragen, verteilt. Dieses Verteilerrohr 11 kann von außen über eines oder mehrere Zuführungen, welche ebenfalls Rohre oder auch Schläuche sein können, mit Kühlmittel aus einem Reservoir versorgt werden.
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Das Verteilerrohr 11 kann auch in mehrere Segmente unterteilt werden, um so die Versorgung des Kühlmittels gleichmäßig zu halten (6). Wie in 7 zu sehen, wird der gesamte oder segmentierte Kamm axial in die Nuten geführt. Dabei ist es für das Prinzip der Kühlung unerheblich, von welcher Seite dies geschieht. In diesem Beispiel handelt es sich um einen mit Hairpins gewickelten Stator 2, wobei die Montage des Kühlkamms von der sogenannten Twistseite geschieht. Der Kühlkamm kann jedoch auch in Statoren mit Wellenwicklung oder Einziehwicklung zum Einsatz kommen. Entscheidend ist hier lediglich die o.g. Form der Nut und dem außerhalb des Stators 2 zur Verfügung stehenden Bauraum.
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Ein weiterer Vorteil des Kühlkamms ist, dass durch die in der Nut liegenden Rohre die Wicklung radial in Position gehalten wird. Im Fall der Wellenwicklung könnte der Kühlkamm zusätzlich als Nutverschlusskeil dienen (9).
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Dadurch ergeben sich zusammenfassend folgende Vorteile: Aktive Kühlung der Drähte innerhalb der Nut mit Kühlmittel; Erhöhung der Effizienz und Leistungsfähigkeit von Statoren; Positionssicherung der Wicklung in radialer Richtung; Kombination mit Nutverschlusskeil in Wellenwicklungen möglich; segmentierter Aufbau des Kühlkamms möglich, um die Kühlmittelverteilung besser zu gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Grundkörper
- 5
- Spulenanordung
- 6
- Wicklungsabschnitt
- 7
- Nutbereich
- 8
- Kühleinrichtung
- 9
- Leitungsabschnitt
- 10a
- erste axiale Seite
- 10b
- zweite axiale Seite
- 11
- Verteilerrohr
- 12
- Öffnung
- 13
- Außenseite
- 14
- Isolationspapier
- 15
- Stirnseite
- 16
- Wickelkopf
- 17
- Verschlusskeil
- 18
- Kerbgeometrie
- 19
- Wicklungsaufnahmeraum
- 20
- Leitungsaufnahmeraum
- 21
- Schulter
- 22
- Lasche
- 23
- Leitungsanordnung
- 24
- Koppelleitung
