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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Temperierung einer elektrischen Maschine mit einer an einem Hülsenteil eines Stators angeordneten Statorwicklung. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Vorrichtung zur Temperierung einer elektrischen Maschine eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
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Stand der Technik
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DE 44 11 055 C2 hat einen hochdynamischen Elektromotor mit einem Ständer und einem Innenläufer zum Gegenstand. Der hochdynamische Elektromotor umfasst einen motorseitigen Wärmetauscher, in dem ein flüssiges Kühlmittel zirkuliert. Der motorseitige Wärmetauscher ist aus zwei konzentrisch ineinander geschobenen Hülsen aufgebaut. Die innere Hülse ist aus gut wärmeleitendem Werkstoff, vorzugsweise Metall, gefertigt. Die innere Hülse umschließt den Ständer vollständig und liegt an dessen äußerer Mantelfläche vollflächig an. Die innere Hülse weist an ihrer Außenseite Kühlrippen gleichbleibender Höhe auf. Auf freien Stirnseiten der Kühlrippen liegt die äußere Hülse unter leichtem Anpressdruck auf, sodass zwischen den beiden Hülsen und je zwei Kühlrippen Strömungskanäle für die Kühlflüssigkeit verbleiben. Die Kühlrippen umgeben die innere Hülse entlang einer wendelförmigen Linie, sodass sich die einzelnen Strömungskanäle zu einem einzigen, den Elektromotor entlang einer wendelförmigen Bahn umgebenden, Hohlraum ergänzen. Innerhalb dieses wendelförmigen Hohlraums strömt die Kühlflüssigkeit von einem Einlass des motorseitigen Wärmetauschers bis zu dessen Auslass. Die innere Hülse ist im Bereich ihrer beiden Stirnseiten durch ringförmige Schweißnähte mit je einer rundumlaufenden Manschette verbunden, welche mithilfe von Schraubverbindungen an den äußeren Stirnseiten der Manschetten festgelegt ist.
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Zur Abdichtung des motorseitigen Wärmetauschers ist die äußere Hülse an ihren beiden Stirnseiten mit den Manschetten verschweißt.
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WO 2006/106086 A1 betrifft einen Kühlmantel, der zur Kühlung von elektrischen Maschinen mit einem Gehäuse eingesetzt wird. Das Gehäuse umfasst zwei koaxial ineinander angeordnete hülsenförmige Elemente, die zusammengesteckt einen Kühlmantel des Stators bilden. Dabei ist sowohl das innere Element als auch das äußere Element als Strangpressprofil ausgebildet. Aus den zwei ineinander geschobenen Elementen ergibt sich ein Zwischenraum, der als Kühlmantel dient. Das innere Element kann dabei als zylinderförmiges Rohr ausgebildet werden, während das äußere Element nach innen offene Kanäle aufweist. Diese Kanäle werden durch Stege gebildet. Zwischen den beiden Elementen befinden sich am jeweiligen Ende O-Ringe, die den entstandenen Kühlkanal abdichten. Das Gehäuse weist ferner zwei Lagerschilde auf, an denen die beiden Elemente befestigt werden. Das äußere Element umfasst ferner zwei Anschlüsse zur Zu- und Abwehrung einer den Kühlmantel durchfließenden Kühlflüssigkeit, wobei die Kühlflüssigkeit durch die Stege mäanderförmig geführt wird.
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DE 10 2009 038 691 A1 hat einen Stator einer elektrischen Maschine zum Gegenstand. Der Stator umfasst einen mäanderförmig verlaufenden Kühlkanal, der in ein Element eingebettet ist. Dabei können sowohl das Element als auch der Kühlkanal aus einem Kunststoff ausgebildet sein.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Temperierung einer elektrischen Maschine vorgeschlagen mit einer in einem Hülsenteil eines Gehäuses angeordneten Statorwicklung, wobei auf dem Hülsenteil ein Kühlaufsatz angeordnet ist, der durch mindestens eine formschlüssige Verbindung am Gehäuse befestigt ist.
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Der Einsatz des Kühlaufsatzes an der zu temperierenden elektrischen Maschine vereinfacht die Ausbildung von Kanälen zur Strömungsführung des Temperierungsmediums signifikant, da nunmehr die Kanalgeometrie in den bevorzugt aus Kunststoffmaterial gefertigten nachträglich montierbaren Kühlaufsatz im Wege des Spritzgießverfahrens in fertigungstechnisch günstiger Weise und hochflexibel eingearbeitet werden kann, sodass in vorteilhafter Weise eine spanabhebende oder urformende Bearbeitung von aus metallischem Material gefertigtem Gehäusekomponenten der elektrischen Maschinen entfallen kann.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird der Kühlaufsatz bevorzugt als Kunststoffteil im Wege beispielsweise des Spritzgießverfahrens gefertigt und ist auf eine Mantelfläche des Hülsenteils in fertigungstechnisch besonders einfacher Weise aufgeschoben.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können auf einer Mantelfläche des Hülsenteils einerseits oder auf einer Innenmantelfläche des Kühlaufsatzes andererseits Kanalstrukturen ausgeführt sein.
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Die besagte Kanalstruktur kann entweder einen in Umfangsrichtung umlaufenden Spiralkanal umfassen oder alternativ derart ausgebildet sein, dass die Kanalstruktur eine Anzahl von Axialrippen umfasst, die sich parallel zur Symmetrieachse des Hülsenteils oder des Kühlaufsatzes erstrecken.
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Wird bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung die Kanalstruktur derart gestaltet, dass Axialrippen ausgebildet werden, um die Strömungsführung des Temperierungsmediums zu bewerkstelligen, so sind an diesen Überströmungsöffnungen ausgeführt, über welche dem Temperierungsmedium eine mäanderförmig verlaufende Strömung durch den Kühlaufsatz aufgeprägt wird, sodass dem Temperierungsmedium ein möglichst langer Strömungsweg aufgeprägt wird, über den ein Maximum an entstehender Verlustwärme aus der elektrischen Maschine abtransportiert werden kann.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung sind am Gehäuse, dessen Hülsenteil der Aufnahme der Statorwicklung dient, eine Anzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Vorsprüngen ausgeführt. Diese stellen einen Teil einer formschlüssigen Verbindung dar, mit welchem der Kühlaufsatz mit dem Gehäuse beziehungsweise mit dem Hülsenteil des Gehäuses der elektrischen Maschine verbunden ist. Der Kühlaufsatz an sich, der bevorzugt als Kunststoffbauteil hergestellt wird und ein im Wesentlichen zylinderförmiges Aussehen hat, weist eine zur Anzahl der Vorsprünge am Gehäuse korrespondierende Anzahl von Klammern auf. Werden die Klammern des Kühlaufsatzes in axiale Richtung über die Vorsprünge des Gehäuses geführt, so entsteht eine Schnappverbindung, d. h. eine Formverschlussverbindung, ohne, dass es des Einsatzes eines Werkzeugs bedürfte.
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Zur Abdichtung des Kühlaufsatzes sind an diesem umlaufend ausgebildete ringförmige Dichtungselemente angeordnet. Bei der Montage des Kühlaufsatzes auf dem Hülsenteil des Gehäuses der elektrischen Maschine stellt eine dieser umlaufenden Dichtungen eine Abdichtung zwischen dem Kühlaufsatz einerseits und dem Hülsenteil des Gehäuses der elektrischen Maschine andererseits dar.
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Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Vorrichtung zur Temperierung einer elektrischen Maschine an einer elektrischen Maschine eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, beispielsweise eines Nutzfahrzeugs, eines Personenfahrzeugs oder eines Lastkraftwagens.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich in fertigungstechnisch besonders kostengünstiger Weise die Kanalstruktur zur Strömungsführung eines Temperierungsmediums einer elektrischen Maschine vom Gehäuse der elektrischen Maschine in ein separates Bauteil, welches insbesondere kostengünstig im Wege des Spritzgießverfahrens hergestellt werden kann, verlagern. Dadurch kann eine kostenträchtige, spanabhebende oder urformende Herstellung des Gehäuses der elektrischen Maschine aus metallischem Material umgangen werden, da im Wege des Spritzgießverfahrens bei Kunststoffmaterialien eine große Flexibilität an Strömungsführungsmöglichkeiten für das Temperierungsmedium gegeben ist.
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In montagetechnisch besonders einfacher Weise lässt sich der erfindungsgemäß vorgeschlagene insbesondere als Kunststoffbauteil hergestellte Kühlaufsatz im Wege einer formschlüssigen Verbindung beispielsweise durch die Realisierung von Schnappverschlüssen mit dem Gehäuse der elektrischen Maschine werkzeuglos fügen. Eine zwischen dem Kühlaufsatz und dem Gehäuse der elektrischen Maschine angeordnete ringförmig verlaufende Dichtung stellt zudem bei der Montage eine einfache Abdichtmöglichkeit dar.
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Figurenliste
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht des auf ein Hülsenteil eines Gehäuses, insbesondere eines Getriebegehäuses, montierten Kühlaufsatzes,
- 2 eine Darstellung des von einem Temperierungsmedium durchströmten Kühlaufsatzes,
- 3 einen Längsschnitt durch das Hülsenteil des Getriebes, die in diesem angeordnete Statorwicklung und den das Hülsenteil umschließenden Kühlaufsatz,
- 4 eine zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlaufsatzes, mittels Schraubverbindungen am Getriebegehäuse angeflanscht und
- 5 eine Darstellung einer Kanalstruktur gemäß der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung.
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Ausführungsvarianten der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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Der Darstellung gemäß 1 ist zu entnehmen, dass ein Gehäuse 10, insbesondere einer elektrischen Maschine, einen A-Lagerschild 12 umfasst. Von diesem aus erstreckt sich ein Hülsenteil 14, welches symmetrisch zu seiner Symmetrieachse 20 ausgeführt ist. Das Hülsenteil 14 umfasst eine Mantelfläche 16, die eine Statorwicklung 18 einer nicht näher dargestellten elektrischen Maschine umschließt. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um einen asynchronen Motor oder dergleichen zum Antrieb eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Personenkraftwagens, eines Nutzfahrzeugs oder eines Lastkraftwagens.
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In die Statorwicklung 18, die ihrerseits vom Hülsenteil 14 des Gehäuses 10 umschlossen ist, ist ein hier nicht näher dargestellter Rotor einer elektrischen Maschine eingelassen, der einerseits im A-Lagerschild 12 und andererseits in einem B-Lagerschild beidseits gelagert ist.
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Der perspektivischen Ansicht gemäß 1 ist zu entnehmen, dass auf das Hülsenteil 14 des Gehäuses 10 ein Kühlaufsatz 24 aufgebracht ist. Der Kühlaufsatz 24 seinerseits umfasst eine Mantelfläche 26, an der sich ein Zulauf 28 für ein Temperierungsmedium sowie ein Ablauf 30 für das Temperierungsmedium befinden. Bei dem Temperierungsmedium kann es sich beispielsweise um Kühlfluid handeln, mit welchem Abwärme der elektrischen Maschine abgeführt werden kann, um deren zu starke Erwärmung im Betrieb zu verhindern.
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Aus der perspektivischen Darstellung gemäß 1 ergibt sich des Weiteren, dass der Kühlaufsatz 24 durch eine formschlüssige Verbindung mit dem Gehäuse 10 verbunden ist. Bei der formschlüssigen Verbindung handelt es sich beispielsweise um eine Anzahl von Vorsprüngen 32, die entsprechend einer Teilung 36 in Umfangsrichtung am Gehäuse 10 im Bereich von dessen Hülsenteil 14 ausgeführt sind. Diese Vorsprünge 32 werden von Klammern 34 umschlossen, nach Art eines Schnappverschlusses, sobald der Kühlaufsatz 24 in axiale Richtung auf die Mantelfläche 16 des Hülsenteils 14 aufgeschoben wird und die federnd ausgebildeten Klammern 34 an einer Stirnseite des Kühlaufsatzes 24 die Vorsprünge 32 umschließen und im Wege einer Schnappverbindung eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Kühlaufsatz 24 einerseits und dem Gehäuse 10 andererseits herstellen. Die Herstellung der formschlüssigen Verbindung durch das Einrasten der Klammern 34 an den Vorsprüngen 32 erfolgt insbesondere werkzeuglos bei der äußerst einfach erfolgenden Montage des Kühlaufsatzes 24 in axiale Richtung.
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Am Gehäuse 10 ist ein Ring 38 ausgeführt, der durch eine Anzahl von Versteifungsrippen 40 abgestützt ist.
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2 zeigt ebenfalls in perspektivischer Ansicht den Kühlaufsatz 24, der auf dem Hülsenteil 14 des Gehäuses 10 montiert ist. Im montierten Zustand besteht eine formschlüssige Verbindung zwischen den in der Teilung 36 angeordneten Vorsprüngen 32 und den Klammern 34, die in einer korrespondierenden Teilung 36 an einer Stirnseite des Kühlaufsatzes 24 ausgeführt sind. Die formschlüssige Verbindung zwischen dem Kühlaufsatz 24 einerseits und dem Gehäuse 10 andererseits erfolgt durch eine Rastverbindung bei der axial erfolgenden Montage des Kühlaufsatzes 24 auf dem Hülsenteil 14 des Gehäuses 10. In der in 2 dargestellten Ausführungsvariante ist eine Kanalstruktur 70 derart ausgebildet, dass diese einen Spiralkanal 44 umfasst, der von einer spiralförmig verlaufenden Begrenzungswand 46 gebildet ist. Es besteht einerseits die Möglichkeit, den Spiralkanal 44 der Kanalstruktur 70 auf einer Mantelfläche 16 des Hülsenteils 14 auszubilden oder andererseits den Spiralkanal 44 an einer Innenmantelfläche 56 des Kühlaufsatzes 24. Beide Ausführungsvarianten der Kanalstruktur 70 sind möglich. Der Spiralkanal 44 wird dabei in vorteilhafter Weise insbesondere durch eine sich spiralförmig erstreckende Begrenzungswand 46 gebildet. Eine Abdichtung des Kühlaufsatzes 24 im am Hülsenteil 14 montierten Zustand erfolgt durch eine beispielsweise ringförmig ausgebildete erste umlaufende Dichtung 48 sowie eine weitere, zweite, ebenfalls ringförmig ausgebildete umlaufende Dichtung 50.
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Im in 2 dargestellten Zustand ist beispielsweise die zweite ringförmig ausgebildete Dichtung 50 im montierten Zustand so angeordnet, dass diese eine Stirnseite des im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Kühlaufsatzes 24 gegen eine gegenüberliegende Stirnseite des Gehäuses 10 abdichtet.
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Der perspektivischen Darstellung gemäß 2 ist ebenfalls zu entnehmen, dass das Temperierungsmedium am Zulauf 28 eintritt und den Kühlaufsatz 24 am Ablauf 30 mit einer erhöhten Temperatur verlässt. In der Darstellung gemäß 2 ist eine Strömungsrichtung des Temperierungsmediums mit Position 42 bezeichnet und verläuft im Wesentlichen entgegen des Uhrzeigersinns bezogen auf den in 2 angedeuteten Spiralkanal 44.
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3 zeigt einen Längsschnitt durch das Gehäuse 10 und den A-Lagerschild 12. Vom Gehäuse 10 mit A-Lagerschild 12 erstreckt sich das Hülsenteil 14, auf dessen Mantelfläche 16 der Kühlaufsatz 24 aufgeschoben ist. Das Hülsenteil 14 umschließt die Statorwicklung 18 und ist symmetrisch zu seiner Symmetrieachse 20 ausgebildet. Beidseits des im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildeten Kühlaufsatzes 24 verlaufen die erste ringförmig ausgeführte Dichtung 48 beziehungsweise die zweite ebenfalls ringförmig ausgeführte Dichtung 50. Diese ist im montierten Zustand des Kühlaufsatzes 24 zwischen diesem und dem Flanschbereich des Gehäuses 10 eingequetscht und dichtet hier das Temperierungsmedium gegen die äußere Umgebung ab.
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Aus der Darstellung gemäß 3 ist ebenfalls ersichtlich, dass die an einer Stirnseite des im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Kühlaufsatzes 24 angeordneten Klammern 34 die Vorsprünge 32 übergreifen und dadurch eine formschlüssige Verbindung zwischen dem im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Kühlaufsatz 24 einerseits und dem Gehäuse 10 andererseits darstellen.
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In den 4 und 5 ist eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlaufsatzes 24 dargestellt.
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Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass das Gehäuse 10 das Hülsenteil 14 aufweist, das einerseits die Statorwicklung 18 aufnimmt und andererseits auf seiner Mantelfläche 16 den Kühlaufsatz 24 aufnimmt. Im Unterschied zu der in den 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsvariante ist in der in den 4 und 5 dargestellten weiteren Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung der Kühlaufsatz 24 nicht über eine formschlüssige Verbindung sondern an Befestigungsstellen 62 über Verschraubungen 64 mit dem Gehäuse 10 verbunden. Dazu befindet sich an einer Stirnseite des Kühlaufsatzes 24, dessen Mantelfläche mit Bezugszeichen 26 bezeichnet ist, ein Anschlagring 60. An diesem sind einzelne domförmige Erhebungen ausgeführt, an welchen die Verschraubung 64 dargestellt ist. Am Umfang der Mantelfläche 26 des Kühlaufsatzes 24 befindet sich der Zulauf 28 für das Temperierungsmedium, wohingegen der Ablauf in der perspektivischen Darstellung gemäß 4 der zweiten Ausführungsvariante nicht dargestellt ist. Bezugszeichen 56 bezeichnet die innere Mantelfläche des Kühlaufsatzes 24 der analog zur ersten Ausführungsvariante im Wesentlichen zylinderförmig ausgeführt ist.
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Der Anschlagring 60, der an einer der Stirnseiten des im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Kühlaufsatzes 24 angeordnet ist, liegt an einem Flansch 66 des A-Lagerschilds 12 an, der Teil des Gehäuses 10 ist.
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5 ist des Weiteren zu entnehmen, dass in der zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung eine Kanalstruktur 70 vorgesehen ist. In der in 5 dargestellten Ausführungsvariante der Kanalstruktur 70 sind beispielsweise sich in axiale Richtung erstreckende Axialrippen 52 vorgesehen. Diese können entweder an der Innenmantelfläche 56 des in 5 transparent dargestellten Kühlaufsatzes 24 vorgesehen sein oder sich auf der Mantelfläche 16 des Hülsenteils 14 befinden. Beide Ausführungsvarianten sind möglich. In vorteilhafter Weise erstrecken sich die Axialrippen 52 axial zur Symmetrieachse 20 des Hülsenteils 14. Die Axialrippen 52 sind entsprechend einer Teilung 58, die sich in Umfangsrichtung erstreckt, ausgeführt und weisen jeweils Überströmöffnungen 68 auf, die jeweils durch verkürzt ausgebildete Axialrippen 52 gebildet sind, sodass ein Überströmen des Temperierungsmediums von einem Segment in das benachbarte Segment des Kühlaufsatzes 24 möglich ist.
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Analog zur in 4 dargestellten Ansicht weist der Kühlaufsatz 24 den Anschlagring 60 auf, der an einem korrespondierend zu diesem ausgebildeten Flansch 66 am A-Lagerschild 12 des Gehäuses 10 anliegt. Entsprechend einer Teilung, die beispielsweise der Teilung 58 in Umfangsrichtung zwischen den einzelnen Axialrippen 52 entsprechen kann, befinden sich am Flansch 66 einzelne Befestigungsstellen 62, bei denen beispielsweise über eine Verschraubung 64 eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Kühlaufsatz 24 und dem A-Lagerschild 12 des Gehäuses 10 hergestellt werden kann. Am Gehäuse 10 können - wie in 5 ebenfalls dargestellt - einzelne Versteifungsrippen 40 vorgesehen sein, welche einerseits die Vibrationen dämpfen und andererseits Schwingungen dämpfen können.
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Bei den obenstehend anhand der 1 bis 5 dargestellten Ausführungsvarianten der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist hinsichtlich der Ausbildung des Kühlaufsatzes 24 gemeinsam, dass dieser als Kunststoffspritzgussteil gefertigt werden kann und die Geometrie der Kanalstruktur 70 einerseits auf der Mantelfläche 16 des Hülsenteils 14 und andererseits an der Innenmantelfläche 56 des Kühlaufsatzes 24 ausgebildet sein kann. Da dieser als Spritzgussbauteil gefertigt werden kann, besteht eine wesentlich günstigere Herstellungsmöglichkeit für die Kanalstruktur 70, sei sie ein Spiralkanal 44, sei sie aus Axialrippen 52 mit Überströmöffnungen 68 ausgeführt. In beiden Ausführungsvarianten ist in vorteilhafter Weise gegeben, dass auf eine spanabhebende Bearbeitung zur Herstellung der Kanalstruktur 70 verzichtet werden kann, was die Fertigungskosten günstig beeinflusst. Des Weiteren ergibt sich durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eine erheblich vereinfachte Montagemöglichkeit des im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Kühlaufsatzes 24 in axiale Richtung auf die Mantelfläche 16 des Hülsenteils 14 des Getriebes.
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Hinsichtlich der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist festzuhalten, dass deren Verwendung sich insbesondere bei elektrischen Antrieben von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einsetzen lässt, seien es Personenkraftwagen, seien es Nutzfahrzeuge oder seien es Lastkraftwagen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung beziehungsweise deren Verwendung, lassen sich die Herstellungskosten von E-Achsen-Modulen, die an den oben genannten Fahrzeugarten eingesetzt werden können, erheblich herabsetzen und der Aufwand hinsichtlich der Herstellung einer Temperierung elektrischer Maschinen während des Betriebs erheblich verbessern.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4411055 C2 [0002]
- WO 2006/106086 A1 [0004]
- DE 102009038691 A1 [0005]
