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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor mit einer Rotorwicklung und eine damit ausgestattete elektrische Maschine.
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Elektrische Maschinen sind zwar an sich seit langer Zeit bekannt, werden aber heutzutage nach wie vor verbreitet eingesetzt. Dabei werden zunehmend steigende Anforderungen an die elektrischen Maschinen gestellt, beispielsweise hinsichtlich einer Leistung, insbesondere in einem Dauerbetrieb, eine Leistungsdichte, einen möglichst geringen Bauraumbedarf sowie Material- und Kostenaufwand, eine verbesserte Zuverlässigkeit und/oder dergleichen mehr. Ein Ansatzpunkt, um hier eine Verbesserung zu erreichen, liegt in einer verbesserten Kühlung. Bei bisherigen elektrischen Maschinen ist deren Rotor oftmals vergossen, wobei dann über eine entsprechende Vergussmasse eine Wärmeableitung von einer Rotorwicklung erfolgt. Solche Vergussmassen weisen in der Regel jedoch einen relativ niedrigen Wärmeleitkoeffizienten auf. Zudem kann es zu Rissbildungen oder Absplitterungen der Vergussmasse kommen, wodurch eine thermische Anbindung signifikant verschlechtert und/oder ein Wärmeleitpfad verlängert werden sowie eine Unwucht des Rotors entstehen kann. Ebenso können elektrische Maschinen mit einem außenliegenden Kühlmantel zur Wärmeabfuhr von der elektrischen Maschine ausgestattet sein. Problematisch dabei kann jedoch sein, dass ein Wärmeleitpfad von einem Entstehungsort der Wärme zu dem Kühlmantel bzw. einem darin geführten Kühlmedium relativ lang sein kann und oftmals mehrere Bauteilgrenzen durchqueren muss. Dies kann eine effektive, effiziente und schnell ansprechende Kühlung behindern.
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Ein alternativer Ansatz ist in der
CH 627 885 A5 beschrieben. Dort wird eine Polspule einer mehrpoligen elektrischen Maschine mit Mitteln zur Kühlung der Wicklung vorgeschlagen. Zwischen einzelnen Wicklungselementen bzw. Windungen sind dabei flächenhafte Kühlelemente eingelegt, die in den Raum zwischen den Polen hineinreichen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Kühlung einer elektrischen Maschine zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in den Figuren offenbart.
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Der erfindungsgemäße Rotor ist für eine elektrische Maschine vorgesehen und weist ein Blechpaket sowie wenigstens eine daran angeordnete bzw. um einen Teil davon gewickelte mehrlagige Rotorwicklung auf. Beispielsweise kann es sich bei dem Rotor um einen Schenkelpolrotor und dementsprechend bei der elektrischen Maschine beispielsweise eine stromerregte Synchronmaschine (SSM) handeln. Dass die Rotorwicklung mehrlagig ist, kann hier insbesondere bedeuten, dass ein entsprechender Wicklungsdraht in mehreren Lagen oder Schichten gewickelt ist, wobei diese Lagen oder Schichten insbesondere senkrecht zu einer Wicklungsrichtung, also einer Längserstreckung oder Längsrichtung des Wicklungsdrahtes bzw. jeweiliger lokal parallel zueinander verlaufende Abschnitte des Wicklungsdrahtes übereinandergeschichtet oder gestapelt sein können. Die Rotorwicklung bildet an einander in axialer Richtung des Rotors, also in Richtung einer zentralen Längsdrehachse des Rotors, gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotors bzw. des Blechpakets Wickelköpfe aus.
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Erfindungsgemäß weist der Rotor wenigstens ein Entwärmungs- bzw. Kühlelement auf. Dieses Kühlelement ist zumindest bereichsweise plattenartig flächig erstreckt und liegt an wenigstens einer Rotorwicklungslage, also wenigstens einer Lage oder Schicht der Rotorwicklung, wenigstens eines der Wickelköpfe über zumindest im Wesentlichen dessen gesamte Erstreckung, also Ausdehnung oder Größe, in Wicklungsrichtung und in radialer Richtung flächig an.
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Die Wicklungsrichtung entspricht und folgt dabei zumindest im Wesentlichen jeweils der Längserstreckungsrichtung der Adern oder Wicklungsdrähte der Rotorwicklung. Bei einem Rotor mit einer Schenkelpoltopologie kann die Wicklungsrichtung also im Wesentlichen einer Umfangsrichtung eines jeweiligen Polschafts des jeweiligen Rotorschenkels oder Schenkelpols entsprechen, wobei diese Umfangsrichtung in oder parallel zu einer tangentialen Richtung eines Rotorjochs im in Umfangsrichtung gemessenen Mittelpunkt des jeweiligen Rotorpols oder Rotorschenkels verlaufen kann.
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Die radiale Errichtung kann einer Richtung einer Nut- oder Wicklungshöhe entsprechen.
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Das Kühlelement kann senkrecht zu seiner Haupterstreckungsfläche oder Haupterstreckungsebene dünn sein im Vergleich zu seiner Größe oder Ausdehnung in den Richtungen, welche die Haupterstreckungsfläche oder Haupterstreckungsebene aufspannen. Dabei muss das Kühlelement aber nicht notwendigerweise komplett eben oder flach sein, sondern kann beispielsweise in eine oder mehrere Richtungen gewölbt sein, etwa um einer Kontur des Wicklungskopfes oder der Rotorwicklung zu folgen.
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Das Kühlelement erstreckt sich hier zumindest im Wesentlichen über eine gesamte Fläche des jeweiligen Wicklungskopfes bzw. der wenigstens einen Lage der Rotorwicklung im Bereich des jeweiligen Wickelkopfes. Ebenso kann das Kühlelement in Wicklungsrichtung um den Wickelkopf herumgreifen bzw. über diesen hinausragen, also weitere Teile oder Bereiche der wenigstens einen Lage der Rotorwicklung abdecken bzw. daran anliegenden, etwa in einem sich an den Wickelkopf oder Wickelkopfbereich in axialer Richtung anschließenden und erstreckenden Seiten- oder Axialbereich des jeweiligen Rotorpols und/oder im Bereich des anderen oder eines anderen Wickelkopfes. Ebenso können mehrere entsprechende Kühlelemente an derselben Stelle oder an verschiedenen Stellen der Rotorwicklung angeordnet sein, also an dieser anliegen.
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Dass das Kühlelement an der Rotorwicklungslage flächig anliegt, kann insbesondere bedeuten, dass das Kühlelement, insbesondere direkt oder beispielsweise vermittelt durch eine wärmeleitfähige Ausgleichs- oder Kontaktmasse, eine Wärmeleitpaste, einen Wärmeleitkleber oder dergleichen, an derselben Seite mehrerer, eines Großteils oder aller zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufender Wicklungsdrahtabschnitte der jeweiligen Rotorwicklungslage an diesen anliegt, also mit diesen in wärmeleitendem Kontakt steht.
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Das Kühlelement kann insbesondere zwischen zwei Lagen oder Schichten der Rotorwicklung angeordnet sein, also mit seinen beiden Seiten an jeweils einer Rotorwicklungslage flächig anliegen. Ebenso kann das Kühlelement - oder ein jeweiliges entsprechendes weiteres Kühlelement - außenseitig an einer äußersten Lage der Rotorwicklung anliegen und/oder innenseitig an einer innersten Lage der Rotorwicklung anliegen. In ersterem Fall kann das Kühlelement beispielsweise als Radiator fungieren und Wärme an eine Umgebung abstrahlen und/oder als Kontaktfläche für ein Kühlmedium oder eine Kühlmittelleitung dienen. Dies kann aufgrund der plattenartigen flächigen Erstreckung oder Form des Kühlelements auf besonders einfache Weise eine besonders großflächige und damit besonders effektive Wärmeabfuhr ermöglichen. In dem anderen Fall hingegen kann das Kühlelement zwischen der innersten Lage der Rotorwicklung und einem umwickelten Bereich des Blechpakets angeordnet sein. Somit kann das Kühlelement dann gegebenenfalls Wärme nicht nur aus der Rotorwicklung, sondern auch besonders effektiv aus oder von dem Blechpaket ableiten oder abführen.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf den Erkenntnissen, dass eine verbesserte Kühlung elektrischer Maschinen deren Belastbarkeit und/oder Zuverlässigkeit verbessern kann und im Betrieb stromerregte elektrischer Maschinen ein Großteil der Verlustwärme innerhalb der Rotorwicklung entstehen kann. Durch das an der Rotorwicklung anliegende Kühlelement kann somit die Kühlung der elektrischen Maschine besonders unmittelbar und damit besonders effektiv und effizient verbessert werden. Die in der Rotorwicklung entstehende Wärme muss dadurch nicht zunächst über mehrere weitere Bauteile oder Komponenten des Rotors bis zu einer Kühlung oder Wärmesenke fließen, sondern kann direkt, also auf besonders kurzem Wege, über das Kühlelement abgeführt werden, beispielsweise an eine Umgebung, einen Radiator, ein Kühlmedium, eine Wärmesenke oder dergleichen mehr. Damit kann auch ein Aufheizen anderer Bauteile oder Komponenten des Rotors oder der elektrischen Maschine im Betrieb besonders effektiv vermieden oder verlangsamt werden, da die in der Rotorwicklung entstehende Wärme nicht über diese weiteren Bauteile oder Komponenten abfließen muss. Damit kann die mit dem erfindungsgemäßen Rotor ausgestattete elektrische Maschine beispielsweise mit höherer Leistung, insbesondere höherer Dauerleistung und/oder zuverlässiger oder länger mit reduzierten und/oder verzögerten thermischen Degradationseffekten betrieben werden.
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Eine besonders effektive und effiziente Kühlung kann gegebenenfalls erreicht werden, wenn das Kühlelement wie beschrieben zwischen zwei Lagen der Rotorwicklung angeordnet ist. In diesem Fall kann effektiv ein nicht direkt thermisch an eine Kühlung angebundener Querschnitt der Rotorwicklung bzw. ein eine entsprechende Länge eines Wärmeleitpfades von der Rotorwicklung zu dem bzw. zu dem jeweils nächstliegenden Kühlelement oder der jeweils nächstliegenden Wärmesenke reduziert, im Extremfall wenigstens halbiert werden.
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In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind an dem Wickelkopf, also im selben Bereich oder Abschnitt der Rotorwicklung, mehrere Kühlelemente zumindest im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Diese mehreren Kühlelemente können also - zumindest jeweils punktuell, lokal oder bereichsweise - parallel zueinander, also mit zueinander parallelen zumindest lokalen Haupterstreckungs- oder Tangentialebenen angeordnet sein. Diese Kühlelemente müssen aber, beispielsweise aufgrund einer unebenen Form oder Kontur der Rotorwicklungslage und/oder des Wickelkopfes oder Wickelkopfbereiches, nicht über ihre gesamte Fläche parallel zu einer einzigen gemeinsamen Referenzebene erstreckt oder angeordnet sein. Wenigstens zwei der mehreren Kühlelemente sind hier durch wenigstens eine dazwischenliegende Lage der Rotorwicklung getrennt. Mit anderen Worten ist in dem Wickelkopf oder im Bereich des Wickelkopfes also eine Schicht- oder Sandwichstruktur mit einer abwechselnden Schichtung aus Kühlelementen und einer oder mehreren Lagen der Rotorwicklung ausgebildet. Diese Schicht- oder Sandwichstruktur kann wenigstens zwei, aber ebenso mehr als zwei zumindest im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Kühlelemente umfassen. Dabei kann insbesondere auf der jeweils von dem oder einem anderen Kühlelement abgewandten Seite eines der Kühlelemente wenigstens eine weitere Lage der Rotorwicklung angeordnet sein.
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Ebenso können zwischen zwei benachbarten Lagen der Rotorwicklung, also in einem bestimmten Lagenzwischenraum, mehrere Wicklungselemente angeordnet sein. Dadurch kann gegebenenfalls eine größere Entwärmungsleistung erreicht werden.
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Jedenfalls kann durch die Anordnung mehrerer Kühlelemente in oder an der Rotorwicklung eine verbesserte Kühlung und somit eine weiter gesteigerte Belastbarkeit und/oder Zuverlässigkeit des Rotors bzw. der damit ausgestatteten elektrischen Maschine erreicht werden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Kühlelement zumindest bereichs- oder teilweise flexibel und/oder aus einem so weichen Material gefertigt, dass es sich bei der Fertigung oder Montage des Rotors, insbesondere beim Bewickeln mit der Rotorwicklung, an eine durch einzelne benachbarte zueinander parallele Wicklungsdrahtabschnitte der Rotorwicklung gebildete Kontur der jeweiligen Rotorwicklungslage anpasst oder anpassen kann. Dies kann insbesondere dann nützlich sein, wenn die Rotorwicklung einen oder mehrere Runddrähte umfasst. In diesem Fall kann ein, insbesondere im Vergleich zu einem Wicklungsdrahtmaterial flexiblere und/oder weichere, Material des Kühlelements zumindest teilweise in zwischen benachbarten parallelen Wicklungsdrahtabschnitten der jeweiligen Rotorwicklungslage eindringen. Dadurch können die Abschnitte des Wicklungselements in deren jeweiliger Umfangsrichtung weiter von dem Material des Kühlelements umgeben oder kontaktiert werden. Es kann also eine vergrößere Kontaktfläche zwischen dem Kühlelement und der Rotorwicklung erreicht werden, was wiederum einen größeren Wärmeübergang bzw. eine effektivere Entwärmung der Rotorwicklung über das Kühlelement ermöglichen kann. Das Kühlelement kann dabei monolithisch, also homogen aus dem relativ flexiblen und/oder weichen Material gefertigt sein. Ebenso kann beispielsweise zumindest oder nur ein äußerer Bereich oder eine äußere Schicht des Kühlelements aus diesem Material gefertigt sein. Ersteres kann gegebenenfalls eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung des Kühlelements ermöglichen, während Letzteres eine größere Stabilität des Kühlelements oder auch der Rotorwicklung insgesamt ermöglichen kann.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Kühlelement an seiner der jeweiligen Rotorwicklungslage zugewandten Seite eine vorgeformte Führungsstruktur für die Rotorwicklung auf. Diese Führungsstruktur kann insbesondere durch in Wicklungsrichtung verlaufende Rinnen oder Rillen gebildet sein oder solche Rinnen oder Rillen umfassen. Eine Größe und Form der Führungsstruktur bzw. von deren Rinnen oder Rillen kann insbesondere zur Größe und Form eines Wicklungsdrähte der Rotorwicklung korrespondieren, insbesondere zumindest im Wesentlichen dessen Größe und Form entsprechen, sodass beispielsweise jede Rinne oder Rille der Führungsstruktur genau einen Wicklungsdraht- oder Windungsabschnitt der Rotorwicklung aufnehmen oder führen kann. Wenn an beiden Seiten des Kühlelements jeweils eine Lage der Rotorwicklung anliegt, kann die Führungsstruktur insbesondere auf der äußeren, also bei einem Schenkelpolrotor auf einer von dem jeweiligen umwickelten Polschaft oder Blechpaketteil abgewandten, Seite des Kühlelements angeordnet sein. Dies kann das Bewickeln im Rahmen der Fertigung der Rotorwicklung bzw. des Rotors erleichtern. Zum einen kann dabei eine jeweils aktuell zu wickelnde Windung der Rotorwicklung besonders einfach korrekt positioniert werden. Zum anderen kann das Kühlelement durch die Rotorwicklung selbst besonders einfach und zuverlässig lagefest gehalten werden. Ebenso kann das Kühlelement auf seinen beiden Seiten eine jeweilige Führungsstruktur oder jeweilige Führungsstrukturen aufweisen. Dies kann, insbesondere durch die innenseitige Führungsstruktur oder Führungsstrukturen, die Anordnung oder Montage des Kühlelements vereinfachen. In jedem Fall kann durch die wenigstens eine hier vorgesehene vorgeformte Führungsstruktur des Kühlelements eine Stabilität der Rotorwicklung und/oder eine thermische Anbindung des Kühlelements an die Rotorwicklung verbessert werden, beispielsweise im Vergleich zu einer glatten Oberfläche, also glatten Außenseiten des Kühlelements.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Rotor wenigstens eine Sternscheibe auf, die im Bereich des Wickelkopfes auf einer Stirnseite des Blechpakets angeordnet ist. Das Kühlelement ist oder umfasst hier ein elektrisch isoliertes Blech, das in radialer Richtung mit der Sternscheibe wärmeleitend verbunden ist. Dazu kann das Blech beispielsweise auf einer entsprechenden Oberfläche der Sternscheibe aufsetzen oder in eine entsprechende Aufnahmenut oder Ausnehmung der Sternscheibe eingreifen bzw. eingesteckt sein. Das Kühlelement, hier also das Blech, ist somit also über die Sternscheibe thermisch angebunden, sodass eine Wärmeableitung der von dem Kühlelement aus der Rotorwicklung aufgenommenen Wärme über die Sternscheibe erfolgen kann. Auf diese Weise kann eine Wärmeableitung durch ohnehin vorhandene Bauteile oder Komponenten des Rotors realisiert werden. Dadurch, dass das Kühlelement hier als Blech, also aus einem metallischen Werkstoff, gefertigt ist, kann eine besonders gute Wärmeableitung auf besonders einfache, aufwandsarme und kompakte, also bauraumsparende Weise erreicht werden, beispielsweise unter Vermeidung eines mit einer Flüssigkühlung verbundenen Aufwandes. Für die an anderer Stelle beschriebenen Anpassung des Kühlelements an eine Kontur der Rotorwicklung kann das Blech entsprechend dünn bzw. flexibel sein, sodass es also durch bei der Wicklung mit der Rotorwicklung auftretende Kräfte zumindest in gewissem Maße verformt werden kann. Ebenso kann die elektrische Isolation des Bleches wie an anderer Stelle beschrieben ein entsprechend flexibles und/oder weiches Material sein oder umfassen, das sich - mit dem Blech oder ohne Verformung des Bleches - an die Kontur der Rotorwicklung anpassen kann. Das Blech kann für eine vorgegebene Entwärmungsleistung, beispielsweise im Vergleich zu einem vollständig aus Kunststoff gefertigten Kühlelement, besonders dünn sein. Dadurch kann das Kühlelement insgesamt besonders bauraumsparend gefertigt sein, was wiederum in dem Rotor mehr Bauraum für die Rotorwicklung frei lässt. Dadurch kann der Rotor bzw. die entsprechende elektrische Maschine bei vorgegebenem Nenndrehmoment besonders kompakt sein.
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In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Kühlelement, hier also insbesondere das Blech, an beiden Seiten des Wicklungskopfes in Wicklungsrichtung der Rotorwicklung folgend umgebogen, sodass es jeweils zumindest teilweise in einen in axialer Richtung erstreckten Seiten- oder Längsbereich - auch als Axialbereich bezeichnet - hineinragt, in dem die Wicklungsrichtung der Rotorwicklung zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung des Rotors verläuft. Der Längsbereich kann also derjenige Bereich sein, der sich in axialer Richtung zwischen zwei einander gegenüberliegenden Wicklungskopfes in der Rotorwicklung erstreckt. Durch die hier vorgeschlagene Form des Kühlelements kann eine gesteigerte Entwärmungsleistung erreicht werden, da das Kühlelement die Rotorwicklung über eine größere Fläche kontaktieren kann. Insbesondere kann sich das Kühlelement aber in axialer Errichtung nur über einen Teil, insbesondere weniger als die Hälfte, der axialen Länge oder Ausdehnung des Blechpakets in der axialen Richtung in dem Längsbereich erstrecken. Dadurch kann in dem dort typischerweise besonders beengten oder knappen Bauraum mehr Platz für die Rotorwicklung gelassen und eine besonders einfache Führung der Rotorwicklung zu dem jeweiligen Rotorpol hin und/oder von diesem weg ermöglicht werden. Dazu kann insbesondere auch dann, wenn wenigstens ein entsprechendes Kühlelement an oder in beiden einander gegenüberliegenden Wicklungsköpfen angeordnet ist, zwischen diesen Kühlelementen eine Lücke verbleiben, die ein Hindurchführen der Rotorwicklung auf besonders einfache Weise ermöglicht.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Kühlelement einen Kühlkanal auf, der von einem, insbesondere flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium durchströmbar ist. Das Kühlelement kann also einen solchen Kühlkanal formen oder bilden oder es kann ein solcher Kühlkanal in oder an dem Kühlelement angeordnet sein. Insbesondere kann das Kühlelement bzw. der Kühlkanal in Wicklungsrichtung eine nahezu - beispielsweise bis auf wenigstens eine Durchführung für die Rotorwicklung - geschlossene Schleife bilden. Beispielsweise kann das Kühlelement bzw. der Kühlkanal dann bei einem Schenkelpolrotor einen jeweiligen Polschaft, der mit der Rotorwicklung umwickelt ist, in Umfangsrichtung zumindest nahezu vollständig umgeben. Durch eine Durchströmung des Kühlkanals mit einem Kühlmedium, beispielsweise einem Wasser-Glykol-Gemisch, einem Öl oder dergleichen, kann eine besonders große Entwärmungsleistung, also eine besonders effektive Kühlung der Rotorwicklung erreicht werden.
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Der Kühlkanal kann wenigstens einen Zulauf und wenigstens einen Ablauf aufweisen, die beispielsweise an einen Kühlkreislauf des Rotors, der elektrischen Maschine und/oder einer externen Einrichtung, beispielsweise eines mit der elektrischen Maschine ausgestatteten Kraftfahrzeugs, angeschlossen sein oder angeschlossen werden können. Der Zulauf und der Ablauf können an der gleichen oder an unterschiedlichen, insbesondere einander in axialer Richtung gegenüberliegenden, Seiten des Rotors angeordnet sein. Dies kann beispielsweise abhängig von einem verfügbaren Bauraum, einem Verlauf eines entsprechenden Kühlkreislaufs, in den das Kühlelement eingebunden oder einzubinden ist, einer Anzahl und/oder Anordnung von in oder an dem jeweiligen Kühlelement oder dem jeweiligen Rotorpol vorgesehenen Kühlkanälen und/oder dergleichen mehr abhängen, also jeweils bedarfsgerecht festgelegt werden.
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Es kann ein einziger Kühlkanal vorgesehen sein, was eine einfachere und/oder kostengünstigere Fertigung ermöglichen kann. Ebenso können mehrere Kühlkanäle vorgesehen sein, was eine genauere und zuverlässigere Vorgabe oder Einstellung dazu ermöglichen kann, wo und wie sich Kühlmittelströmungen ausbilden.
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In dem Kühlkanal kann wenigstens eine Versteifungsstruktur und/oder wenigstens eine Leitstruktur für das Kühlmedium angeordnet sein. Erstere kann einfach und zuverlässig sicherstellen, dass der Kühlkanal stets eine freie innere Mindestgröße zum Führen des Kühlmediums aufweist, letztlich also eine besonders sichere und zuverlässige Kühlung der Rotorwicklung ermöglichen, während letztere einen besonders effektiven Wärmeübergang und Wärmeabtransport ermöglichen kann. So können durch die Leitstruktur beispielsweise bedarfsgerecht bereichsweise Turbulenzen des Kühlmediums erzeugt oder gehemmt, eine bestimmte Hauptströmungsrichtung erzwungen und/oder Kreisströmungen des Kühlmediums und/oder Bereiche mit zumindest nahezu verschwindender Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Kühlkanals vermieden oder reduziert werden.
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In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist der Rotor wenigstens eine Sternscheibe auf, die im Bereich des Wickelkopfes auf einer Stirnseite des Blechpakets angeordnet ist. Der Kühlkanal ist dann an eine Kühlmittelführung der Sternscheibe bzw. in der Sternscheibe angeschlossen. Insbesondere kann der Kühlkanal an einer von dem Blechpaket abgewandten axialen Stirnseite der der Sternscheibe an die Kühlmittelführung der Sternscheibe angeschlossen sein. Die hier vorgeschlagene Ausgestaltung, bei der das Kühlmedium also durch die Kühlmittelführung der Sternscheibe zu dem Kühlkanal des Kühlelements zugeführt und/oder von diesem abgeführt werden kann, ermöglicht eine besonders bauraumsparende Gestaltung und Anordnung der Kühlung. Zudem kann so über die Sternscheibe weitere Wärme durch das Kühlmedium aufgenommen und aus dem Rotor abgeführt werden. Die Anordnung des Anschlusses oder der Verbindungen des Kühlkanals des Kühlelements an die bzw. mit der Kühlmittelführung der Sternscheibe an deren Stirnseite kann besonders einfach und ohne Beeinträchtigung der elektromagnetischen Funktion des Rotors oder eines für die Rotorwicklung zur Verfügung stehenden Bauraums realisiert werden. Beispielsweise können dazu in die Stirnseite der Sternscheibe axiale Bohrungen eingebracht werden, die als Teil der Kühlmittelführung der Sternscheibe und zum Anschließen des Kühlkanals dienen können.
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Der Rotor kann ebenso auf beiden einander in axialer Richtung gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils eine entsprechende Sternscheibe aufweisen. Der Kühlkanal kann dann an einer der beiden Sternscheiben oder an beiden Sternscheiben an deren Kühlmittelführung angeschlossen sein. Beispielsweise kann ein Zulauf des Kühlkanals an einer der beiden Sternscheiben und der Ablauf des Kühlkanals an der gegenüberliegenden anderen Sternscheibe angeschlossen sein. Dadurch können flexibel und bedarfsgerecht unterschiedliche Anordnungen, Verläufe oder Topologien der Kühlung, also des Kühlkanals oder mehrerer Kühlkanäle des Kühlelements oder mehrerer Kühlelemente, realisiert werden.
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In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist das Kühlelement einen weicheren und/oder flexibleren äußeren, also außenliegenden Teil oder Bereich und eine relativ dazu steifere innere Stützstruktur, insbesondere eine Wabenstruktur, auf. Diese Stützstruktur versteift den Kühlkanal gegen ein Zusammendrücken oder Kollabieren. Beispielsweise kann die Stützstruktur in dem Kühlkanal oder außenseitig an dem Kühlkanal oder um den Kühlkanal angeordnet sein. Die Stützstruktur bzw. der Kühlkanal kann dann nur außen von dem im Vergleich zu der Stützstruktur weicheren und/oder flexibleren Bereich oder Material umgeben oder ummantelt sein. Ebenso kann die Stützstruktur integral in den weicheren und/oder flexibleren Bereich bzw. dessen Material eingebettet, dann also allseits davon umgeben sein. Die hier vorgesehene Stützstruktur kann der an anderer Stelle genannten Versteifungsstruktur entsprechen oder zusätzlich zu dieser oder unabhängig von dieser vorgesehen sein. Durch die hier vorgeschlagene Kombination unterschiedlich weicher, flexibler und/oder steifer Bereiche, Materialien oder Komponenten des Kühlelements kann eine besonders effektive und zuverlässige Kühlung erreicht werden. Zum einen kann durch den weicheren und/oder flexibleren äußeren Bereich eine besonders große Kontaktfläche zwischen dem Kühlelement und der Rotorwicklung realisiert werden. Zum anderen kann durch die Stützstruktur ein Zusammendrücken des Kühlkanals verhindert oder reduziert werden, wodurch eine entsprechende Verringerung eines Massenstroms des Kühlmediums durch den Kühlkanal und eine damit gegebenenfalls einhergehende Reduzierung der Entwärmungsleistung vermieden werden kann. Die Stützstruktur kann beispielsweise aus einem metallischen, keramischen oder härteren wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial oder dergleichen gefertigt sein. Der äußere Bereich kann beispielsweise aus einem weicheren und/oder flexibleren wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial, einer Wärmeleitmasse oder Wärmeleitpaste, einem Wärmeleitkleber, einem Gummimaterial oder dergleichen gefertigt sein.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Maschine, die einen Stator und einen erfindungsgemäßen Rotor aufweist. Der erfindungsgemäße Rotor ist dabei relativ zu dem Stator um eine zentrale Längsdrehachse drehbar gelagert und von dem Stator durch einen Luftspalt beabstandet. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann insbesondere die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rotor genannte elektrische Maschine sein. Dementsprechend kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine einige oder alle der in diesem Zusammenhang genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann insbesondere für ein Kraftfahrzeug, beispielsweise als Traktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet oder ausgelegt sein. Ein solches, mittels der oder einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ausgestattetes Kraftfahrzeug kann ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sein. Ebenso sind aber andere Anwendungsmöglichkeiten oder Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine möglich. So kann diese etwa für Schienenfahrzeuge oder stationäre Anlagen eingesetzt werden. Dort kann besonders viel Bauraum zur Verfügung stehen, sodass das Kühlelement entsprechend für eine noch größere Kühlwirkung oder Kühlleistung ausgelegt sein kann und/oder der Rotor ohne Weiteres mehrere Kühlelemente aufweisen kann. Dies kann eine besonders hohe Dauerbelastbarkeit und Zuverlässigkeit der elektrischen Maschine ermöglichen.
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Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine ausschnittweise schematische Perspektivansicht eines Rotors einer elektrischen Maschine mit einer Rotorwicklung und einem daran anliegenden Kühlelement in einer ersten Variante;
- 2 eine schematische Perspektivansicht des Kühlelements in der ersten Variante;
- 3 eine ausschnittweise schematische Perspektivansicht des Rotors mit mehreren Kühlelementen in einer zweiten Variante;
- 4. eine schematische Perspektivansicht der Kühlelemente in der zweiten Variante für eine A-Seite des Rotors; und
- 5 eine schematische Perspektivansicht der Kühlelemente in der zweiten Variante für eine B-Seite des Rotors.
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In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine ausschnittweise schematische Perspektivansicht einer elektrischen Maschine 10. Konkret ist hier ein Ausschnitt bzw. ein Polbereich oder Schenkel eines als Schenkelpolrotor ausgebildeten Rotors 12 dargestellt. Der Rotor 12 weist ein Blechpaket 14 auf, an dessen axialen Stirnseiten jeweils eine Sternscheibe 16 angeordnet ist.
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Die Sternscheiben 16 umfassen jeweils einen Kern 18 und eine daran angeordnete Isolation 20. Der Kern 18 kann beispielsweise aus Aluminium oder dergleichen gefertigt sein, während die Isolation 20 aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein kann. Die Isolation 20 kann beispielsweise jeweils auf den Kern 18 aufgespritzt oder aufgesteckt sein.
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Der Rotor 12 umfasst weiter eine Rotorwicklung 22, die hier um einen Schenkelpol des Rotors 12 bzw. einen Polschaft des Blechpakets 14 gewickelt ist. Die Rotorwicklung 22 ist auch um die Sternscheiben 16 gewickelt. Im Bereich der Sternscheiben 16 bildet die Rotorwicklung 22 dabei auf beiden axialen Stirnseiten des Blechpakets 14 einen jeweiligen Wickelkopf 24 aus. Dort kann die Rotorwicklung 22 an der jeweiligen Sternscheibe 16 abgestützt oder geführt sein. Zwischen den Wickelköpfen 24 erstrecken sich in axialer Richtung Axialbereiche 26 der Rotorwicklung 22.
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Die Rotorwicklung 22 ist hier in mehreren ganz oder teilweise übereinanderliegenden Lagen gewickelt. An wenigstens einer solchen Lage aus mehreren zumindest im Wesentlichen parallel verlaufenden Abschnitten eines Wicklungsdrahts der Rotorwicklung 22 liegt vorliegend ein jeweiliges Kühlelement 28 an.
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Das Kühlelement 28 kann aus einem thermisch gut leitenden Material und, zumindest außenseitig, elektrisch isoliert oder elektrisch isolierend gefertigt. Beispielsweise kann das Kühlelement 28 aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein oder eine kunststoffumwandelte Innenstruktur aus einem metallischen Werkstoff aufweisen. Beispielsweise kann das Kühlelement 28 zumindest teilweise aus einem elastisch oder plastisch verformbaren Material und/oder bereichsweise aus einem faserverstärkten Material gefertigt sein. Es kann günstig sein, das Kühlelement 28 aus einem einheitlichen Material zu fertigen, beispielsweise mittels eines 3D-Druck- oder rapid prototyping-Verfahrens. Ebenso kann es günstig sein, das Kühlelement 28 - beispielsweise mittels eines Co-Injektionsverfahrens - aus unterschiedlichen Kunststoffmaterialien zu fertigen, die sich dabei selbstständig stoffschlüssig verbinden können und/oder miteinander verschweißt oder verklebt werden können.
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Das Kühlelement 28 ist hier einerseits derart flexibel ausgelegt, dass es - ähnlich einem Band - zumindest im Wesentlichen lückenlos und mit möglichst guter oder großflächiger thermischer Anbindung zumindest nahezu vollflächig über den gesamten Umfang und zumindest nahezu über die gesamte Höhe wenigstens einer Lage der Rotorwicklung 22 um diese gelegt oder von dieser belegt oder mit dieser bewickelt werden kann. Andererseits ist das Kühlelement 28, beispielsweise durch eine innenliegende Versteifungs- oder Wabenstruktur, derart stabil ausgelegt, dass es von nachfolgend aufgebrachten, also über ihm liegenden Lagen oder Windungen der Rotorwicklung 22 nicht zusammengedrückt oder kollabiert wird.
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In einer hier vorgesehenen ersten Variante des Kühlelements 28 bildet dieses insbesondere einen Kühlkanal aus, der von einem Kühlmedium durchströmbar ist. Das Kühlelement 28 ist also zumindest derart stabil ausgelegt, dass dieser Kühlkanal bei der Fertigung und im Betrieb des Rotors 12 bzw. der damit ausgestatteten elektrischen Maschine 10 nicht zusammengedrückt oder kollabiert wird und somit eine Durchströmung des Kühlkanals durch das Kühlmedium sichergestellt ist.
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Das Kühlelement 28 weist hier - beispielhaft an derselben Stirnseite - einen Zulauf 30 und einen Ablauf 32 für das Kühlmedium auf. Der Zulauf 30 und der Ablauf 32 sind hier an einer Stirnseite 34 der Sternscheibe 16 an eine Kühlmittelführung der Sternscheibe 16 angeschlossen. Somit kann das Kühlmedium also, beispielsweise über eine entsprechende Bohrung, aus der Sternscheibe 16 in den Zulauf 30 eintreten, von dort aus den wenigstens einen Kühlkanal in dem Kühlelement 28 bis zu dem Ablauf 32 durchströmen und dort, beispielsweise über eine weitere Bohrung in der Sternscheibe 16, in die Sternscheibe 16 bzw. eine darin ausgebildete Kühlmittelführung eintreten. Das Kühlmedium kann in der Sternscheibe 16 bzw. deren, insbesondere ganz oder teilweise interner, Kühlmittelführung geführt werden, beispielsweise bis zu einer hier nicht dargestellten Rotorwelle und über diese durch einen entsprechenden Kühlkreislauf zurück zu der Rotorwelle bzw. der Sternscheibe 16 und zu dem Zulauf 30.
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Anders als hier dargestellt können der Zulauf 30 und der Ablauf 32 ebenso auf oder an verschiedenen, insbesondere einander gegenüberliegenden, Seiten des Kühlelements 28 angeordnet sein. Ebenso können ein oder mehrere weitere Fluidanschlüsse als Zu- und/oder Abläufe für den Kühlkanal und/oder einen oder mehrere weitere Kühlkanäle vorgesehen sein.
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Unabhängig von der konkreten Anordnung können entsprechende Übergabepunkte, Anschlüsse oder Fluidkopplungen zumindest an dem Zulauf 30 und dem Ablauf 32 gegen einen Austritt des Kühlmediums gedichtet bzw. gesichert sein.
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Durch das Kühlelement 28 kann in der Rotorwicklung 22 entstehende Wärme direkt oder auf besonders kurzem Wege abgeführt werden.
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2 zeigt eine schematische Perspektivansicht des Kühlelements 28 in der bereits im Zusammenhang mit 1 beschriebenen ersten Variante. Hier ist erkennbar, dass das Kühlelement 28 entlang der Axialbereiche 26 erstreckte Seitenbereiche 36 sowie an den Wickelköpfen 24 angeordnete Wickelkopfbereiche 38 aufweist.
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3 zeigt eine weitere schematische ausschnittweise Perspektivdarstellung des Rotors 12, wobei hier jedoch das Kühlelement 28 in einer zweiten Variante ausgeführt ist. Konkret umfasst das Kühlelement 28 hier wenigstens ein, insbesondere elektrisch isoliertes, Blech, das im Bereich des Wickelkopfes 24 angeordnet ist und sich nicht oder nur teilweise entlang des Axialbereich 26 erstreckt. Mindestens ein solches Blech kann auch an oder in dem hier nicht dargestellten gegenüberliegenden Wickelkopf 24 angeordnet sein.
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Das Kühlelement 28 ist hier thermisch, insbesondere wärmeleitend, an die Sternscheibe 16 angebunden. Dazu kann eine Kante oder Schmalseite des jeweiligen Blechs beispielsweise auf einer entsprechenden Oberfläche 40 der Sternscheibe 16 aufliegen oder in eine dort angeordnete Aufnahmenut oder Ausnehmung eingesteckt sein oder hineinragen. Insbesondere kann das jeweilige Blech dort die Isolation 20 durchgreifen oder durchtreten und somit - direkt oder vermittelt über eine Wärmeleitungsmasse oder einen Wärmeleitkleber - wärmeleitend an den, insbesondere metallischen, Kern 18 der jeweiligen Sternscheibe 16 angebunden sein.
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Die Wickelköpfe 24 können im Betrieb der elektrischen Maschine 10 mit dem Rotor 12 thermische Hotspots, also Bereiche mit besonders großer Wärmeentwicklung und besonders großer Dicke der Rotorwicklung 22 sein. Deshalb ist die Anordnung des Kühlelements 28 im Bereich des Wickelkopfes 24 für eine effektive und effiziente Entwärmung des Rotors 12 bzw. der Rotorwicklung 22 besonders nützlich und wirksam.
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Es können hier insbesondere mehrere zumindest im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Kühlelemente 28 bzw. entsprechende Bleche vorgesehen sein, die durch jeweils wenigstens eine Lage der Rotorwicklung 22 voneinander getrennt sein können. Je nach Kühlungsbedarf, Anzahl der Lagen der Rotorwicklung 22 und/oder verfügbarem Bauraum können beispielsweise zwei, drei oder mehr solche Bleche in den Wickelkopf 24 integriert sein.
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Das wenigstens eine Blech des Kühlelements 28 kann hier aus einem besonders gut wärmeleitfähigen Material, beispielsweise Kupfer oder Aluminium oder einer entsprechenden Legierung oder dergleichen, gefertigt sein. Das Kühlelement 28 bzw. das entsprechende Blech kann zur Maximierung einer wirksamen Kühl- oder Kontaktfläche und einer erreichbaren Kühlwirkung oder Kühlleistung zumindest annähernd die gleiche Höhe wie die Rotorwicklung 22 im Bereich des Wickelkopfes 24 aufweisen und sich in Wicklungsrichtung zumindest im Wesentlichen über die gesamte Breite des jeweiligen Wickelkopfes 24 erstrecken.
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4 zeigt eine schematische Perspektivansicht mehrerer als Kühlelemente 28 verwendbarer Bleche. Konkret sind hier ein Innenblech 42, ein Mittelblech 44 und ein Außenblech 46 in einer räumlichen Anordnung relativ zueinander, wie sie auch in dem in 3 dargestellten Wickelkopf 24 vorliegen oder gegeben sein kann, dargestellt. Dabei kann zwischen dem Innenblech 42 und dem Mittelblech 44 sowie zwischen dem Mittelblech 44 und dem Außenblech 46 jeweils wenigstens eine Lage der Rotorwicklung 22 angeordnet sein. Ebenso kann innenseitig des Innenblechs 42 und/oder außenseitig des Außenblech 46 wenigstens eine weitere Lage der Rotorwicklung 22 angeordnet sein. Ebenso kann das Außenblech 46 die Rotorwicklung 22 nach außen hin abdecken, wodurch es als Schutz der Rotorwicklung 22 zumindest im Bereich des jeweiligen Wickelkopfes 24 fungieren kann. Anders als hier dargestellt können die Abstände zwischen dem Innenblech 42 und dem Mittelblech 44 einerseits sowie zwischen dem Mittelblech 44 und dem Außenblech 46 unterschiedlich sein, beispielsweise je nach Struktur oder Form der Rotorwicklung 22.
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5 zeigt analog zu 4 eine Anordnung eines Innenblechs 42, eines Mittelblechs 44 und eines Außenblechs 46, die als Kühlelemente 28 verwendet werden können. 5 zeigt die Bleche 42, 44, 46 dabei in einer Perspektive, die eine Anordnung in einem Wickelkopf 24 entspricht, der demjenigen Wickelkopf 24, in dem die in 4 dargestellten Bleche 42, 44, 46 in der dort dargestellten Perspektive angeordnet sind, axial gegenüberliegend angeordnet sein kann. Somit können in dem Wickelkopf 24 auf einer A-Seite des Rotors 12 die Bleche 42, 44, 46 wie sie in 4 dargestellt sind und in dem gegenüberliegenden Wickelkopf 24 auf einer B-Seite des Rotors 12 die Bleche 42, 44, 46 wie sie in 5 dargestellt sind angeordnet sein.
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Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des wenigstens einen Kühlelements 28 kann dieses eine möglichst geringe Dicke oder Wandstärke, beispielsweise von höchstens einem oder zwei Durchmessern eines Wicklungsdrahtes der Rotorwicklung 22, aufweisen. Der Durchmesser des Wicklungsdrahtes kann beispielsweise bei einer Anwendung im Fahrzeugbereich in der Größenordnung von 1-2 mm liegen, bei anderen Anwendungen aber gegebenenfalls bis zu mehreren Zentimetern betragen. Durch eine bei vorgegebener Entwärmungsleistung möglichst geringen Dicke oder Wandstärke des Kühlelements 28 kann eine besonders große Drehmoment- oder Leistungsdichte der elektrischen Maschine 10 durch entsprechend mehr für die Rotorwicklung 22 verfügbaren Bauraum erreicht werden. Zudem kann das Kühlelement 28 dann gegebenenfalls ohne Weiteres inhärent eine gewisse Flexibilität aufweisen, und sich dadurch an eine Form oder Kontur der Rotorwicklung 22 und/oder des Blechpakets 14 anpassen, wodurch eine verbesserte Wärmeübertragung erreicht werden kann.
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Anders als hier dargestellt kann das wenigstens eine Kühlelement 28 an einer oder beiden Seiten einer Kontur der daran anliegenden Lage der Rotorwicklung 22 nachempfunden sei, also eine entsprechende Führungsstruktur aufweisen. Dadurch können die einzelnen Windungen oder Lagen der Rotorwicklung 22 beim Bewickeln geführt und gegen ein Verrutschen gesichert werden. Zudem kann das wenigstens eine Kühlelement 28 hier zur Stabilisierung der Rotorwicklung 22 beitragen.
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Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine direkt integrierte Wicklungskühlung einer stromerregten Maschine realisiert werden kann, um eine verbesserte Kühlung zu erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Rotor
- 14
- Blechpaket
- 16
- Sternscheibe
- 18
- Kern
- 20
- Isolation
- 22
- Rotorwicklung
- 24
- Wickelkopf
- 26
- Axialbereich
- 28
- Kühlelement
- 30
- Zulauf
- 32
- Ablauf
- 34
- Stirnseite
- 36
- Seitenbereich
- 38
- Wickelkopfbereich
- 40
- Oberfläche
- 42
- Innenblech
- 44
- Mittelblech
- 46
- Außenblech
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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