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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine.
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Der grundsätzliche Aufbau einer elektrischen Maschine ist aus der Praxis bekannt. So verfügt eine elektrische Maschine über einen Stator, der auch als Ständer bezeichnet wird, und über einen Rotor, der auch als Läufer bezeichnet wird.
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DE 10 2017 102 141 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator. Zwischen dem Rotor und dem Stator ist ein Luftspalt ausgebildet. In den Stator sind Ausnehmungen eingebracht, in welchen Statorwicklungen aufgenommen sind. Die Statorwicklungen können über ein Kühlmittel gekühlt werden, welches die Statorwicklungen direkt umströmt. Um zu verhindern, dass das Kühlmittel ausgehend vom Stator über den zwischen dem Stator und dem Rotor ausgebildeten Luftspalt in Richtung auf den Stator strömt, ist zwischen dem Stator und dem Rotor ein hülsenartiges Abdichtmittel angeordnet.
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DE 10 2019 131 069 A1 offenbart eine weitere elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor. In das Statorblechpaket des Stators sind wiederum Ausnehmungen eingebracht, welche Statorwicklungen aufnehmen. Mit Abstand zu diesen Ausnehmungen, die die Statorwicklungen aufnehmen, sind in das Statorblechpaket weiterhin Kanäle eingebracht, die von Kühlmittel durchströmt sind. Das durch diese Kanäle strömende Kühlmittel umströmt die Statorwicklungen nicht direkt, vielmehr bewirkt dieses durch die Kanäle strömende Kühlmittel eine mittelbare Kühlung der Statorwicklungen. Zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen, welche die Statorwicklungen aufnehmen, ist dabei mindestens ein von Kühlmittel durchströmter Kühlkanal eingebracht, der in Umfangsrichtung gesehen einen definierten Abstand zu den die Statorwicklungen aufnehmenden Ausnehmungen aufweist.
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DE 10 2011 056 007 A1 offenbart eine weitere elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor. Der Stator verfügt über ein Statorblechpaket mit Ausnehmungen, in welchen wiederum Statorwicklungen angeordnet sind. Mit Abstand zu diesen die Statorwicklungen aufnehmenden Ausnehmungen, und zwar mit radialem Abstand, sind in das Statorblechpaket weiterhin Kanäle für Kühlmittel eingebracht.
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DE 10 2016 222 331 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei in das Statorblechpaket zusätzlich zu den Ausnehmungen, die der Aufnahme von Statorwicklungen dienen, mit Abstand zu den Ausnehmungen Kanäle für Kühlmittel eingebracht sind.
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Es besteht Bedarf an einer elektrischen Maschine mit verbesserter Kühlung des Stators. Insbesondere besteht Bedarf daran, durch eine verbesserte Kühlung des Stators der elektrischen Maschine die Dauerleistungsdichte der elektrischen Maschine zu erhöhen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine neuartige elektrische Maschine mit verbesserter Kühlung des Stators und ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine verfügt über einen Rotor, der eine Rotorwelle und ein Rotorblechpaket aufweist, und über einen Stator, der ein Statorblechpaket mit Ausnehmungen und in den Ausnehmungen des Statorblechpakets angeordnete Statorwicklungen aufweist.
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Die Ausnehmungen, welche die Statorwicklungen aufnehmen, sind von Kühlmittel derart durchströmbar, dass die Statorwicklungen vom durch diese Ausnehmungen strömenden Kühlmittel unmittelbar kühlbar sind.
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In das Statorblechpaket sind mit Abstand zu den die Statorwicklungen aufnehmenden Ausnehmungen Kanäle eingebracht, die von Kühlmittel derart durchströmbar sind, dass die Statorwicklungen von dem durch diese Kanäle strömenden Kühlmittel mittelbar kühlbar sind.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine verfügt weiterhin über eine Einrichtung, über die abhängig vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine eine Kühlmittelströmung durch die Ausnehmungen, welche die Statorwicklungen aufnehmen, und durch die Kanäle derart einstellbar ist, dass in ersten Betriebspunkten das Kühlmittel ausschließlich durch die Ausnehmungen, welche die Statorwicklungen aufnehmen, leitbar ist, und dass in zweiten Betriebspunkten das Kühlmittel zumindest durch die Kanäle leitbar ist.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine nutzt zur Kühlung der Statorwicklungen des Stators zwei unterschiedliche Strömungswege für das Kühlmittel. So kann das Kühlmittel sowohl über die die Statorwicklungen aufnehmenden Ausnehmungen zur unmittelbaren bzw. direkten Kühlung der Statorwicklungen geführt werden, als auch über von den die Statorwicklungen aufnehmenden Ausnehmungen beabstandeten, separaten Kanäle für das Kühlmittel, um die Statorwicklungen mittelbar bzw. indirekt zu kühlen.
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Um den Strömungsweg für das Kühlmittel durch die die Statorwicklungen aufnehmenden Ausnehmungen und/oder durch die Kanäle, die mit Abstand zu den Ausnehmungen in das Statorblechpaket des Stators eingebracht sind, festzulegen oder zu bestimmen bzw. zu beeinflussen, verfügt die elektrische Maschine über die Einrichtung, über die abhängig vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine die Kühlmittelströmung durch die Ausnehmungen und durch die Kanäle einstellbar ist.
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Dabei strömt in ersten Betriebspunkten das Kühlmittel ausschließlich durch die die Statorwicklungen aufnehmenden Ausnehmungen. In den zweiten Betriebspunkten ist das Kühlmittel zumindest durch die Kühlmittelkanäle leitbar. Dies erlaubt eine besonders effektive Kühlung des Stators einer elektrischen Maschine und eine vorteilhafte Erhöhung der Dauerleistungsdichte.
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Vorzugsweise sind die ersten Betriebspunkte solche Betriebspunkte, in welchen bei einer Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine ein Ist-Moment der elektrischen Maschine größer als ein Schwellwert ist. Die zweiten Betriebspunkte sind solche Betriebspunkte, in welchen bei der Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine das Ist-Moment der elektrischen Maschine kleiner als der Schwellwert ist. Die ersten Betriebspunkte sind demnach solche Betriebspunkte, in welchen die elektrische Maschine bei relativ hoher Last betrieben wird. Dies sind Betriebspunkte, in welchen bei der jeweiligen Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine das von der elektrischen Maschine bereitgestellte Ist-Moment größer als ein Schwellwert ist, vorzugsweise größer als ein definierter Prozentsatz des bei der Ist-Drehzahl bereitstellbaren Maximalmoments. Die zweiten Betriebspunkte sind solche Betriebspunkte mit relativ geringer Last, also solche Betriebspunkte, in welchen bei der Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine das von der elektrischen Maschine bereitgestellte Ist-Moment kleiner als der Schwellwert ist.
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Nach einer ersten Variante der Erfindung ist in den zweiten Betriebspunkten ein erster Teil des Kühlmittels durch die Kanäle und ein zweiter Teil des Kühlmittels durch die Ausnehmungen leitbar, wobei der erste Teil des Kühlmittels größer als der zweite Teil des Kühlmittels ist. In dieser ersten Variante weist die Einrichtung, über die abhängig vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine die Kühlmittelströmung einstellbar ist, vorzugsweise einen rotatorisch antreibbaren Blendenring auf, der in den ersten Betriebspunkten die Kanäle versperrt und der in den zweiten Betriebspunkten die Kanäle freigibt. Die Kanäle und die Ausnehmungen nutzten dann vorzugsweise einen gemeinsamen Kühlmittelzulauf und vorzugsweise auch einen gemeinsamen Kühlmittelablauf.
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Diese erste Variante der Erfindung ist konstruktiv einfach und daher bevorzugt. Ferner ist an dieser ersten Variante bevorzugt, dass unabhängig vom jeweils genutzten Strömungsweg für das Kühlmittel die Wickelköpfe der Statorwicklungen immer umströmt sind.
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Der Blendenring ist vorzugsweise an einem kühlmittelströmungseintrittsseitigen Ende der Kanäle angeordnet. Dann, wenn der Blendenring an dem strömungseintrittsseitigen Ende der Kanäle angeordnet ist und in den ersten Betriebspunkten die Kühlmittelkanäle versperrt, bewirkt ein Druckgradient, der am Blendenring anliegt, eine Abdichtung der in den ersten Betriebspunkten versperrten Kanäle, und zwar dadurch, dass der Blendenring gegen das strömungseintrittsseitige Ende des Statorblechpakets gedrückt wird.
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Nach einer zweiten Variante der Erfindung ist in den zweiten Betriebspunkten das Kühlmittel ausschließlich durch die Kanäle leitbar. In dieser zweiten Variante weist die Einrichtung, über die abhängig vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine die Kühlmittelströmung einstellbar ist, vorzugsweise mindestens ein Ventil aufweist, das in den ersten Betriebspunkten das Kühlmittel ausschließlich über die Ausnehmungen und in den zweiten Betriebspunkten das Kühlmittel ausschließlich über die Kanäle führt. Die Kanäle und die Ausnehmungen nutzen dann vorzugsweise getrennte Kühlmittelzuläufe und vorzugsweise einen gemeinsamen Kühlmittelablauf.
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Auch mit der zweiten Variante der Erfindung kann abhängig vom Betriebspunkt die Kühlmittelströmung eingestellt werden. Da in dieser Variante jedoch die Kanäle und die Ausnehmungen getrennte Kühlmittelzuläufe nutzen, ist in dieser Variante in den zweiten Betriebspunkten keine Umströmung der Wickelköpfe der Statorwicklungen am kühlmitteleintrittseitigen Ende des Statorblechpakets gewährleistet.
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Das Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine ist in Anspruch 10 definiert.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 einen Querschnitt durch eine erste elektrische Maschine in axialer Schnittrichtung;
- 2 den Querschnitt II-II der 1;
- 3 den Querschnitt III-III der 1;
- 4 einen Querschnitt durch eine zweite elektrische Maschine in axialer Schnittrichtung.
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1 zeigt einen schematisierten Querschnitt durch eine elektrische Maschine 10. Die elektrische Maschine 10 verfügt über einen Rotor 11, wobei vom Rotor 11 eine Rotorwelle 12 und ein Rotorblechpaket 13 gezeigt ist. Die elektrische Maschine 10 verfügt weiterhin über einen Stator 14. Der Stator 14 verfügt über ein Statorblechpaket 15 sowie über ein Gehäuse 16. Zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 14 ist ein Luftspalt 19 ausgebildet.
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Das Statorblechpaket 15 des Stators 14 verfügt über Ausnehmungen 17, in welchen Statorwicklungen 18 angeordnet sind. In 2 und 3 sind für zwei Ausnehmungen 17 die in den Ausnehmungen 17 angeordneten Statorwicklungen 18 gezeigt. Die Statorwicklungen 18 ragen an axialen Enden des Statorblechpakets 15 aus demselben heraus und bilden dort Wickelköpfe 20 aus.
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Bei der elektrischen Maschine 10 sind die Ausnehmungen 17, welche die Statorwicklungen 18 aufnehmen, von Kühlmittel derart durchströmbar, dass die Statorwicklungen 18 von dem durch die Ausnehmungen 17 strömenden Kühlmittel unmittelbar und demnach direkt kühlbar sind. In 1 und 2 visualisieren Pfeile 21 die Strömung von Kühlmittel durch die die Statorwicklungen 18 aufnehmenden Ausnehmungen 17.
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Um zu verhindern, dass das durch die Ausnehmungen 17 strömende Kühlmittel über den Luftspalt 19 in Richtung auf den Rotor 11 strömt, ist im Luftspalt 19 ein hülsenartiges Dichtungselement 22 angeordnet, welches vorzugsweise radial innen mit dem Statorblechpaket 15 fest verbunden ist. Dieses hülsenartige Abdichtelement 22 erstreckt sich in Axialrichtung über die axialen Enden des Statorblechpakets 15 hinaus und deckt demnach auch die Wickelköpfe 20 gegenüber dem Rotor 11 ab.
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Zusätzlich zu den Ausnehmungen 17, welche die Statorwicklungen 18 aufnehmen, sind in das Statorblechpaket 15 mit Abstand zu den die Statorwicklungen 18 aufnehmenden Ausnehmungen 17 Kanäle 23 eingebracht, wobei diese Kanäle 23 ebenfalls von Kühlmittel durchströmbar sind. In 1 und 2 visualisieren Pfeile 24 eine Kühlmittelströmung durch die Kanäle 23, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel die Kanäle 23 mit radialem Abstand zu den Ausnehmungen 17 in das Statorblechpaket 15 eingebracht sind, nämlich bezogen auf die Ausnehmungen 17 radial außen außen in ein sogenanntes Joch des Statorblechpaket 15. Kühlmittel, welches im Sinne der Pfeile 24 durch diese Kanäle 23 strömt, dient der mittelbaren bzw. indirekten Kühlung der Statorwicklungen 18. Dieses durch die Kanäle 23 strömende Kühlmittel umströmt demnach die Statorwicklungen 18 nicht direkt.
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Die elektrische Maschine 10 verfügt über eine Einrichtung 25, über die abhängig vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine 10 eine Strömung des Kühlmittels durch die Ausnehmungen 17, welche die Statorwicklungen 18 aufnehmen, und durch die Kanäle 23 eingestellt werden kann.
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Über diese Einrichtung 25 kann die Kühlmittelströmung derart eingestellt werden, dass in ersten Betriebspunkten der elektrischen Maschine 10 das Kühlmittel ausschließlich durch die die Statorwicklungen 18 aufnehmenden Ausnehmungen 17 leitbar ist und demnach strömt, und dass in zweiten Betriebspunkten der elektrischen Maschine 10 das Kühlmittel zumindest durch die Kühlmittelkanäle 23 leitbar ist und demnach strömt.
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Abhängig vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine 10 kann demnach die Kühlmittelströmung durch die Ausnehmungen 17 und Kanäle 23 definiert eingestellt werden, um eine besonders vorteilhafte Kühlung des Stators 14 der elektrischen Maschine 10 zu gewährleisten und so die Dauerleistungsdichte der elektrischen Maschine 10 zu erhöhen.
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Die ersten Betriebspunkte der elektrischen Maschine 10, in welchen das Kühlmittel ausschließlich durch die die Statorwicklungen 18 aufnehmenden Ausnehmungen 17 strömt, sind solche Betriebspunkte, in welchen bei einer Ist-Drehzahl des jeweiligen Betriebspunkts der elektrischen Maschine 10 ein Ist-Moment derselben größer als ein Schwellwert ist, vorzugsweise größer als ein definierter Prozentsatz des bei der Ist-Drehzahl des jeweiligen Betriebspunkts maximal bereitstellbaren Moments der elektrischen Maschine 10.
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Die zweiten Betriebspunkte der elektrischen Maschine 10, in welchen das Kühlmittel zumindest durch die Kühlmittelkanäle 23 leitbar ist, sind solche Betriebspunkte der elektrischen Maschine 10, in welchen bei der Ist-Drehzahl des jeweiligen Betriebspunkts der elektrischen Maschine 10 das Ist-Moment derselben kleiner als der Schwellwert ist.
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Der Schwellwert kann zum Beispiel 75% oder 80% des bei der Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine 10 von derselben bereitstellbaren maximalen Moments betragen.
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1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 10, bei welcher in den zweiten Betriebspunkten ein erster Teil des Kühlmittels durch die Kanäle 23 und ein zweiter Teil des Kühlmittels durch die Ausnehmungen 17 leitbar ist, wobei der erste Teil des Kühlmittels, der durch die Kanäle 23 strömt, größer ist als der zweite Teil des Kühlmittels, der durch die Ausnehmungen 17 strömt. In dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 weist die Einrichtung 25, über die abhängig vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine 10 die Kühlmittelströmung über die Ausnehmungen 17 und die Kanäle 23 einstellbar ist, einen rotatorisch antreibbaren Blendenring 26 auf.
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In den ersten Betriebspunkten der elektrischen Maschine 10 versperrt der Blendenring 26 der Einrichtung 25 die Kanäle 23, sodass dann in den ersten Betriebspunkten der elektrischen Maschine 10 das Kühlmittel ausschließlich durch die die Statorwicklungen 18 aufnehmenden Ausnehmungen 17 strömt. In den zweiten Betriebspunkten gibt der Blendenring 26 die Kanäle 23 frei. In diesen zweiten Betriebspunkten kann dann das Kühlmittel sowohl über die Kanäle 23 als auch über die Ausnehmungen 17 strömen, wobei jedoch infolge des deutlich geringeren Strömungswiderstands in den Kanälen 23 in den zweiten Betriebspunkten ein deutlich größerer Teil des Kühlmittels durch die Kanäle 23 strömt.
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Der Blendenring 26 ist dabei an einem kühlmittelströmungseintrittsseitigen Ende des Statorblechpakets 15 und damit der in das Statorblechpaket 15 eingebrachten Kanäle 23 angeordnet. Dann, wenn der Blendenring 26 die Kanäle 23 in den ersten Betriebspunkten versperrt, wird derselbe infolge des anliegenden Druckgefälles gegen das Ende des Statorblechpakets 15 gedrückt, wodurch dann die Kanäle 23 vorteilhaft abgedichtet sind.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 nutzen die Ausnehmungen 17, welche die Statorwicklungen 18 aufnehmen, und die Kanäle 23 sowohl einen gemeinsamen Kühlmittelzulauf 27 als auch einen gemeinsamen Kühlmittelablauf 28, der am Gehäuse 16 des Stators 14 ausgebildet ist.
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Das Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 verfügt über den Vorteil, dass unabhängig vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine 10 und damit unabhängig vom genutzten Strömungsweg für das Kühlmittel die aus dem Statorblechpaket 15 an den axialen Enden desselben herausragenden Wickelköpfe 20 immer von Kühlmittel umströmt werden können, um so diese Wickelköpfe 20 zu kühlen. Dies gilt insbesondere für die Wickelköpfe 20, die am kühlmittelströmungseintrittsseitigen Ende des Statorblechpakets 18 aus den Ausnehmungen 17 herausragen und von kaltem Kühlmittel umströmt sind.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 10, bei welchem in den zweiten Betriebspunkten der elektrischen Maschine 10 das Kühlmittel ausschließlich durch die Kanäle 23 im Sinne der Strömung 24 leitbar ist. Im Ausführungsbeispiel der 4 umfasst die Einrichtung 25, über die abhängig vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine 10 die Kühlmittelströmung einstellbar ist, mindestens ein Ventil 29a, 29b. In den ersten Betriebspunkten ist das Ventil 29a geöffnet und das Ventil 29b ist geschlossen. In den zweiten Betriebspunkten der elektrischen Maschine 10 der 4 ist das Ventil 29a geschlossen und das Ventil 29b ist geöffnet. In 4 strömt demnach in den ersten Betriebspunkten das Kühlmittel im Sinne der Strömung 21 ausschließlich über die die Statorwicklungen 18 aufnehmenden Ausnehmungen 17 und in den zweiten Betriebspunkten strömt das Kühlmittel im Sinne der Strömung 24 ausschließlich über die Kanäle 23.
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Im Ausführungsbeispiel der 4 nutzen die Kanäle 23 und die Ausnehmungen 17 getrennte Kühlmittelzuläufe 27a, 27b. Daher kann in 4 der am kühlmittelströmungseintrittsseitigen Ende des Statorblechpakets 15 aus den Ausnehmungen 17 herausragende Wickelkopf 20 nur dann gekühlt werden, wenn das Kühlmittel über die die Statorwicklungen 18 aufnehmenden Ausnehmungen 17 strömt. Der am kühlmittelströmungsaustrittsseitigen Ende aus dem Statorblechpaket 15 herausragende Wickelkopf 20 kann jedoch in allen Betriebspunkten vom Kühlmittel umströmt.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine 10 nutzt demnach eine Statorkühlung mit unterschiedlichen Strömungswegen für das Kühlmittel, die abhängig vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine 10 genutzt werden. Die Steuerung oder Beeinflussung der Kühlmittelströmung erfolgt über die Einrichtung 25, vorzugsweise über einen rotatorisch verlagerbaren Blendenring 26.
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In den ersten Betriebspunkten der elektrischen Maschine 10 mit hoher Last der elektrischen Maschine 10 erfolgt die Kühlung ausschließlich über eine direkte Umströmung der Statorwicklungen 18 mit dem Kühlmittel.
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In den zweiten Betriebspunkten der elektrischen Maschine 10 mit geringer Last strömt das Kühlmittel zumindest größtenteils über die Kanäle 23. Hierzu ist in den zweiten Betriebspunkten eine geringere Leistung für eine das Kühlmittel fördernde Kühlmittelpumpe erforderlich als in den ersten Betriebspunkten, da der Druckverlust in den Kanälen 23 kleiner ist als in den die Statorwicklungen 18 aufnehmenden Ausnehmungen 17. So kann in den zweiten Betriebspunkten die Pumpenleistung reduziert und somit die Reichweite eines Elektrofahrzeugs erhöht werden. Ferner kann durch die effektive Kühlung in den ersten Betriebspunkten bei hoher Last die Dauerleistungsdichte der elektrischen Maschine 10 erhöht werden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer solchen elektrischen Maschine 10. Das Verfahren sieht vor, dass in den ersten Betriebspunkten der elektrischen Maschine 10 das Kühlmittel ausschließlich durch die die Statorwicklungen 18 aufnehmenden Ausnehmungen 17 geleitet wird, und dass in den zweiten Betriebspunkten der elektrischen Maschine 10 das Kühlmittel zumindest durch die Kanäle 23 geleitet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017102141 A1 [0003]
- DE 102019131069 A1 [0004]
- DE 102011056007 A1 [0005]
- DE 102016222331 A1 [0006]
- DE 102005000642 A1 [0007]
- WO 2019238365 A1 [0007]
