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Die Erfindung betrifft einen Elektrische Maschine umfassend einen Rotor und einen Stator wobei der Stator einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten Statornuten aufweist, und wobei in den Statornuten Statorwicklungen angeordnet sind, wobei der Statorkörper ein Statorblechpaket mit einer Vielzahl von paketierten Statorblechen mit einer abschnittsweisen kreisrunden, radial äußeren Blechmantelkontur, welche wenigstens einen von der Kreisform abweichenden und in radialer Richtung nach außen weisenden Mantelabschnnitt aufweist, und einer Statorkühlung bei der ein Kühlmittel in Schwerkraftrichtung über die Blechmantelkontur fließt.
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Elektrische Maschinen müssen aufgrund der Verluste, die im Betrieb auftreten, effektiv gekühlt werden. Insbesondere bei hohen elektrischen Leistungen und damit einhergehenden vergleichsweise großen absoluten Wärmeverlusten werden elektrische Maschinen häufig durch einen geschlossenen Kühlkreislauf entwärmt, bei dem eine Kühlflüssigkeit nahe der aktiven Teile der Maschine geleitet wird. In vielen Fällen wird hierzu ein Kühlmantel auf das Blechpaket eines Stators der elektrischen Maschine geschrumpft, durch das die Kühlflüssigkeit geführt wird.
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Der Kühlkreislauf arbeitet umso effektiver, je näher das Kühlmedium an die aktiven Teile der elektrischen Maschine herangeführt werden kann. In diesem Zusammenhang ist bekannt, eine Kühlflüssigkeit durch axial verlaufende Bohrungen im Blechpaket des Stators zu führen, um Wirbelstromverluste und Eisenverluste möglichst effektiv abführen zu können. Häufig werden solche Kühlkanäle auch durch Startorzähne bei einem Stator mit Zahnspulenwicklung geführt, um die von den Zahnspulen erzeugten ohmsche Verluste abführen zu können.
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Aus der
DE 10 2018 117 463 A1 ist ein Stator für einen Elektromotor bekannt, mit einem Statorkern, wobei der Statorkern Statorbleche aufweist, wobei die Statorbleche in axialer Richtung in Bezug auf eine Motorachse gestapelt sind, mit einer Kühlvorrichtung zur Kühlung des Statorkerns. Dabei weist die Kühlvorrichtung mindestens einen Kühlkanalabschnitt zur Führung eines Kühlfluids auf, wobei mindestens zwischen zwei benachbarten Statorblechen ein Zwischenkühlkanalabschnitt zur Kühlung der Statorbleche gebildet ist, wobei der Zwischenkühlkanalabschnitt mit dem Kühlkanalabschnitt strömungstechnisch verbunden ist.
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Bei manchen elektrischen Maschinen wird der Statorkörper auch von außen mit einem Kühlmedium beaufschlagt, welches dann über die äußere Mantelfläche des Statorkörpers abfließt und so den Statorkörper kühlt. Das Blechpaket des Statorkörpers ist in der Regel so konstruiert, dass die Befestigungsstellen des Statorkörpers als radial nach außen gerichtete Befestigungslaschen ausgebildet sind, welche direkt mit den Statorblechen ausgestanzt werden. Durch die von der kreisrunden, radial äußeren Blechmantelkontur abweichenden Befestigungslaschen, vergrößerst sich der radiale Abstand zwischen dem Kühlmedium und den sich erwärmenden Teilen des Statorkörpers, so dass im Bereich der Befestigungslaschen die Wärmeabfuhr durch das über die äußere Mantelfläche des Statorkörpers fließenden Kühlmediums vermindert ist.
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Im Lichte des vorbekannten Standes der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung einen Stator für einen Elektromotor zu schaffen, der im Hinblick auf seine Kühleigenschaften mit einer Kühlflüssigkeit verbessert ist.
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Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Maßnahmen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt umfasst eine elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator wobei der Stator einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten Statornuten aufweist, und wobei in den Statornuten Statorwicklungen angeordnet sind, wobei der Statorkörper ein Statorblechpaket mit einer Vielzahl von paketierten Statorblechen mit einer abschnittsweisen kreisrunden, radial äußeren Blechmantelkontur, welche wenigstens einen von der Kreisform abweichenden und in radialer Richtung nach außen weisenden Mantelabschnnitt aufweist, und einer Statorkühlung bei der ein Kühlmittel in Schwerkraftrichtung über die Blechmantelkontur fließt dadurch gekennzeichnet, dass das Statorblechpaket wenigstens eine erste Gruppe von Statorblechen und eine zweite Gruppe von Statorblechen umfasst, welche jeweils in Umfangsrichtung eine Perforation besitzen, und wenigstens ein Statorblech aus der ersten Gruppe von Statorblechen und ein Statorblech aus der zweiten Gruppe von Statorblechen aneinander anliegen, und die erste Gruppe von Statorblechen einen sich in Umfangsrichtung in den Mantelabschnitt hineinerstreckenden Kühlkanaleingang aufweist, und die zweite Gruppe von Statorblechen oder die erste Gruppe von Statorblechen einen sich in Umfangsrichtung aus dem Mantelabschnitt herauserstreckenden Kühlkanalausgang aufweist, wobei die erste Gruppe von Statorblechen und die zweite Gruppe von Statorblechen in Umfangsrichtung versetzt und bereichsweise überlappend zueinander ausgeformte Kühlkanäle aufweisen, so dass der Kühlkanaleingang und der Kühlkanalausgang hydraulisch miteinander verbunden sind.
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Hierdurch kann eine für die elektrischen bzw. elektromagnetisch wirksamen Bauteile und Statorabschnitte über den Umfang gleichmäßigere Kühlung des Statorkörpers bereitgestellt werden. Die hiermit optimierte hydraulische Kühlung des Statorkörpers ist ferner besonders kostengünstig und fertigungstechnisch einfach ausführbar, indem die Perforation beim Stanzen der Rotorbleche mit in diesen ausgebildet wird, was praktisch ohne höhere Kosten möglich ist.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
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Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken. Bevorzugt ist die elektrische Maschine eine Radialflussmaschine.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen.
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Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
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Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Insbesondere wird von einem Rotor gesprochen, wenn es auch einen Stator gibt.
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Der Stator einer als im Zusammenhang mit der Erfindung bevorzugten Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Durch diesen Aufbau werden die durch das Statorfeld verursachten Wirbelströme im Stator geringgehalten. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten oder umfänglich geschlossene Ausnehmungen eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
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Als Statorzähne werden Bestanteile des Statorkörpers bezeichnet, die als umfänglich beabstandete, zahnartig radial nach innen oder radial nach außen gerichtete Teile des Statorkörpers ausgebildet sind und zwischen deren freien Enden und einem Rotorkörper ein Luftspalt für das Magnetfeld gebildet ist.
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Bevorzugt weist die elektrische Maschine ein Motorgehäuse auf. Das Motorgehäuse umhaust die elektrische Maschine. Ein Motorgehäuse kann darüber hinaus auch die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen. Das Motorgehäuse kann darüber hinaus auch Bestandteil eines Kühlsystems für die elektrische Maschine und derart ausgebildet sein, dass Kühlfluid über das Motorgehäuse der elektrischen Maschine zugeführt werden und/oder die Wärme über die Gehäuseflächen nach außen abgeführt werden kann. Darüber hinaus schützt das Motorgehäuse die elektrische Maschine sowie die ggf vorhandene Elektronik vor äußeren Einflüssen.
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Ein Motorgehäuse kann insbesondere aus einem metallischen Material gebildet sein. Vorteilhafter Weise kann das Motorgehäuse aus einem metallischen Gussmaterial, wie zum Beispiel Grauguss oder Stahlguss geformt sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, das Motorgehäuse ganz oder teilweise aus einem Kunststoff auszubilden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der Kühlkanaleingang in Schwerkraftrichtung oberhalb des Kühlkanalausgangs angeordnet ist, was ein rein schwerkraftbewirktes Durchfließen des Kühlkanals ohne zusätzliche Pumpenleistung begünstigt.
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Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass der Mantelabschnitt eine in axialer Richtung verlaufende Bohrung zur Befestigung des Statorblechpakets an einem Motorgehäuse aufweist, wodurch eine einfache Montage des Statorblechpakets realisierbar ist.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann es ferner bevorzugt sein, dass die Statorbleche wenigstens drei, bevorzugt wenigstens vier Mantelabschnitte aufweisen, wodurch eine besonders sichere und geometrisch bestimmte Anordnung des Statorblechpakets beispielsweise in einem Motorgehäuse realisierbar ist.
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Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass die Perforation auf einer Kreisbahn verläuft, deren radial innerer Durchmesser im Wesentlichen dem radial äußeren Durchmesser der Blechmantelkontur entspricht. Hierdurch gehen die Kontur der Perforation und der Blechmantelkontur praktisch stufenlos ineinander über, was ein besonders gutes Überströmen dieses Abschnitts durch das Kühlfluid erlaubt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die Kühlkanäle im Wesentlichen eine gleiche kreisringsegmentförmige Ausbildung besitzen, so dass die Komplexität und Variantenfülle der Bauteile geringgehalten werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Perforation so ausgebildet ist, dass die Kühlkanäle einen Abstand in Umfangsrichtung von 1-10 Winkelgrad zueinander aufweisen, was sich hinsichtlich der schwerkraftbewirkten Durchströmung der Kanäle sowie der strukturellen Stabilität des Statorblechpakets als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
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Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass die Kühlkanäle der ersten Gruppe von Statorblechen und der zweiten Gruppe von Statorblechen ein axiales Überlappungsverhältnis von 0.1-0.25 besitzen, was sich ebenfalls hinsichtlich der Durchströmbarkeit der Kühlkanäle mit dem Kühlfluid als vorteilhaft herausgestellt hat.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann es ferner bevorzugt sein, dass das Statorblechpaket gebildet ist aus einer Mehrzahl von unmittelbar aneinander anliegenden Statorblechen der ersten Gruppe von Statorblechen und/oder aus einer Mehrzahl von unmittelbar aneinander anliegenden Statorblechen der zweiten Gruppe von Statorblechen, wodurch der durchströmbare Querschnitt der Kühlkanäle und damit auch die Kühlleistung anpassbar ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele innerhalb des technisch machbaren frei miteinander kombiniert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Vorderansicht auf eine elektrische Maschine,
- 2 eine schematische perspektivische Ansicht auf eine elektrische Maschine,
- 3 eine schematische Detailansicht jeweils auf eine erste und eine zweite Gruppe von Statorblechen sowie auf eine Detailansicht auf ein Statorblechpaket,
- 4 eine schematische Umfangsschnittansicht durch ein Statorblechpaket, und
- 5 ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine.
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1 zeigt beispielhaft eine elektrische Maschine 1, insbesondere für die Verwendung in einem hybridisierten oder vollelektrischen Antriebsstrang 26 eines Kraftfahrzeugs 25, wie es exemplarisch in der 5 gezeigt ist.
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Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Rotor 2 und einen Stator 3, wobei der Stator 3 einen Statorkörper 4 mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne 5 und zwischen den Statorzähnen 5 gebildeten Statornuten 6 aufweist. In den Statornuten 6 sind die von elektrischem Strom durchfließbaren Statorwicklungen 7 angeordnet. Der Statorkörper 4 ist in einem Motorgehäuse 21 aufgenommen und umfasst - wie in der 2 dargestellt - ein Statorblechpaket 8 mit einer Vielzahl von paketierten Statorblechen 9 mit einer abschnittsweisen kreisrunden, radial äußeren Blechmantelkontur 10, welche in der gezeigten Ausführungsform vier von der Kreisform abweichende und in radialer Richtung nach außen weisende Mantelabschnitte 11 aufweist.
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Der Statorkörper 3 besitzt ferner eine Statorkühlung 12, bei der ein Kühlmittel 13 in Schwerkraftrichtung über die Blechmantelkontur 10 fließt, was durch die gestrichelten Pfeile in der 2 angedeutet ist. Das Kühlmittel 13 ist in dem Ausführungsbeispiel der 2 ein Öl. Das Statorblechpaket 8 weist eine erste Gruppe von Statorblechen 14 und eine zweite Gruppe von Statorblechen 15 auf, welche jeweils in Umfangsrichtung eine Perforation 16 entlang einer Kreisbahn besitzen, was gut anhand der 3 zu erkennen ist.
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Ein Statorblech 9 aus der ersten Gruppe von Statorblechen 14 und ein Statorblech 9 aus der zweiten Gruppe von Statorblechen 15 liegen in dem Statorblechpaket 8 aneinander an, wobei die erste Gruppe von Statorblechen 14 einen sich in Umfangsrichtung in den Mantelabschnitt 11 hineinerstreckenden Kühlkanaleingang 17 aufweist, und die zweite Gruppe von Statorblechen 15 einen sich in Umfangsrichtung aus dem Mantelabschnitt 11 herauserstreckenden Kühlkanalausgang 18 aufweist. Dies ist besonders gut aus der Zusammenschau von 3 und 4 ersichtlich. Der Kühlkanaleingang 17 ist in Schwerkraftrichtung oberhalb des Kühlkanalausgangs 18 angeordnet ist. Die erste Gruppe von Statorblechen 14 und die zweite Gruppe von Statorblechen 15 weisen in Umfangsrichtung versetzt und bereichsweise überlappend zueinander ausgeformte Kühlkanäle 19 auf, so dass der Kühlkanaleingang 17 und der Kühlkanalausgang 18 hydraulisch miteinander verbunden sind.
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Das Kühlmittel 13 fließt also, wie in der 2 gezeigt, über die äußere Blechmantelkontur 10 in Schwerkraftrichtung in den Kühlkanaleingang 17 hinein, durch die Kühlkanäle 19 hindurch und aus dem Kühlkanalausgang 18 heraus. In der gezeigten Ausführungsform der 2 weisen alle vier Mantelabschnitte 11 derartige Kühlkanaleingänge 17, Kühlkanäle 19 und Kühlkanalausgänge 18 auf. Wie der 2 ebenfalls entnommen werden kann, sind eine Vielzahl von derartigen Kühlkanaleingängen 17, Kühlkanälen 19 und Kühlkanalausgängen 18 in axialer Richtung nebeneinander an einem Mantelabschnitt 11 ausgebildet, so dass eine Kühlung des Statorkörpers 4 über seine axiale Erstreckung realisiert ist.
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Der Mantelabschnitt 11 weist ferner eine in axialer Richtung verlaufende Bohrung 20 zur Befestigung des Statorblechpakets 8 an einem Motorgehäuse 21 auf. Die Befestigung kann beispielsweise mittels einer Schraube erfolgen.
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Die Perforation 16 verläuft auf einer Kreisbahn, deren radial innerer Durchmesser 22 im Wesentlichen dem radial äußeren Durchmesser 23 der Blechmantelkontur 10 entspricht, was aus einer Zusammenschau von 2 und 3 ersichtlich wird. Aus der 3 wird ferner deutlich, dass die Kühlkanäle 19 im Wesentlichen eine gleiche kreisringsegmentförmige Ausbildung besitzen und einen Abstand in Umfangsrichtung von 1-10 Winkelgrad zueinander aufweisen. Die Kühlkanäle 19 der ersten Gruppe von Statorblechen 14 und der zweiten Gruppe von Statorblechen 14 besitzen ein axiales Überlappungsverhältnis 24 von 0.1-0.25, was besonders gut anhand der Schnittdarstellung der 4 erkennbar wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 2
- Rotor
- 3
- Stator
- 4
- Statorkörper
- 5
- Statorzähne
- 6
- Statornuten
- 7
- Statorwicklungen
- 8
- Statorblechpaket
- 9
- Statorblechen
- 10
- Blechmantelkontur
- 11
- Mantelabschnnitt
- 12
- Statorkühlung
- 13
- Kühlmittel
- 14
- eine erste Gruppe von Statorblechen
- 15
- eine zweite Gruppe von Statorblechen
- 16
- Perforation
- 17
- Kühlkanaleingang
- 18
- Kühlkanalausgang
- 19
- Kühlkanäle
- 20
- Bohrung
- 21
- Motorgehäuse
- 22
- radial innerer Durchmesser
- 23
- radial äußerer Durchmesser
- 24
- Überlappung
- 25
- Kraftfahrzeug
- 26
- Antriebsstrang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018117463 A1 [0004]
