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Die Erfindung betrifft ein Statorblechpaket für einen Stator einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, eine elektrische Antriebsmaschine und ein Verfahren zur Montage eines Stators einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs.
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Die effektive Kühlung des Stator und des Rotors in elektrischen Antriebsmaschinen stellt eine der Hauptanforderungen für ein hohes Dauermoment und eine hohe Dauerleistung dar, insbesondere bei stromerregten Synchronmaschinen (SSM). Die Erfindung kann aber auch für Asynchronmaschinen, permanenterregte Synchronmaschinen und andere elektrische Maschinen interessant sein, die auch eine hohe Kühlleistung benötigen.
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Eine hohe Dauerleistung ist essenziell für ein dynamisches Fahrverhalten, d.h. einer dynamischen Landstraßenfahrt oder in der dynamischen Bergfahrt.
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Bei bestimmten bekannten elektrischen Antriebsmaschinen für Kraftfahrzeuge wird der Rotor der elektrischen Antriebsmaschine mit Öl gekühlt, insbesondere von innen durch eine Hohlwellenkühlung und an der Stirnseite durch eine Stirnseitenkühlung, während der Stator durch eine Wassermantelkühlung gekühlt wird. Auch eine Ölkühlung für den Statorkern ist an sich bekannt.
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Diese Kühlung kann über verschiedene Lösungspfade erstellt werden, bei einer dieser Lösungen wird ein Wassermantel bzw. ein anderes Kühlmedium radial um den Stator herum angeordnet. Dieser Mantel wird nach aktuellem Stand der Technik über Gehäuseherstellverfahren wie Lostfoam oder Kokillenguss erstellt. Eine weitere Alternative ist eine zweiteilige Druckgusslösung. Der Mantel verursacht meist hohe Mehrkosten und ein hohes Mehrgewicht.
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Der Stator weist bei bekannten elektrischen Antriebsmaschinen für Kraftfahrzeuge typischerweise einen Statorkern mit einem Statorblechpaket auf, das eine Vielzahl von benachbarten Statorblechen aufweist, die identisch ausgebildet und entlang einer Längsachse der elektrischen Antriebsmaschine benachbart sind.
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Aus der
EP 3 157 138 A1 ein Statorblechpaket und ein Verfahren zur Kühlung des Blechpakets bekannt. Das Blechpaket besteht aus Blechen. Die Bleche weisen Aussparungen auf, wobei die Aussparungen nach dem Zusammenfügen der Bleche zu dem Blechpaket Kanäle für ein Kühlmedium bilden. Kennzeichnend für die Kanäle ist, dass in einem Jochbereich des Blechpakets Zulaufkanäle und Rücklaufkanäle aus den Aussparungen gebildet sind, dass weitere Kanäle parallelgeschaltet zu den Zulauf- und Rücklaufkanälen verlaufen und dass die weiteren Kanäle im Bereich der Zähne des Blechpakets lokalisiert sind.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Kühlung eines Stators, insbesondere eines Statorblechpakets, zu verbessern, insbesondere zu vereinfachen.
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Jeder der unabhängigen Ansprüche bestimmt mit seinen Merkmalen einen Gegenstand, der diese Aufgabe löst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einem Aspekt wird offenbart ein Statorblechpaket für einen Stator, insbesondere für einen Statorkern, einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs. Das Statorblechpaket weist zumindest auf: (a) einen Statoraußenmantel, welcher mehrere voneinander beabstandete Ausnehmungen, insbesondere Nuten, zur Aufnahme eines Kühlmittels aufweist; und (b) eine Manteldichtschicht, die dazu eingerichtet ist, einen Eintritt von Kühlmittel von dem Statoraußenmantel, insbesondere aus den Ausnehmungen und/oder dazwischen angeordneten, nicht ausgenommenen Bereichen, radial nach innen in eine Radialerstreckung des Statorblechpakets und/oder durch eine Radialerstreckung des Statorblechpakets hindurch zu unterbinden.
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Ein Kühlmantel mit einem flüssigen Kühlmittel wird nicht - wie bei bekannten Lösungen - mittels eines zusätzlichen bzw. angegossenen Bauteils (z.B. Statorträger) realisiert, sondern direkt über den Stator. Durch den Entfall des Statorträgers entfällt der Wärmeübergang zwischen Stator und Statorträger und auch die Kosten für das zusätzliche Bauteil und sein Gewicht entfallen.
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Gemäß einer Ausführung ist die Manteldichtschicht dazu eingerichtet, eine Umgebung gegen ein Kühlmittel auf Wasserbasis und/oder Ölbasis, wasserdicht abzudichten.
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Damit kann auch für trockenlaufende Antriebsmaschinen eine Flüssigkeitskühlung direkt im Stator erreicht werden, bei der zudem wegen der Anordnung der Kühlkanäle (also entsprechend gestapelte Ausnehmungen der einzelnen Statorbleche) eine einfache Kühlmittelzuführung vom Gehäusemantel her möglich ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Stator mit einem Statorblechpaket gemäß einer Ausführung der Erfindung sowie ein Maschinengehäuse mit einem Gehäusedeckel und einem Gehäusetopf, der einen Gehäuseinnenmantel aufweist, an dem der Statoraußenmantel des Stators angeordnet, insbesondere eingepresst, ist.
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Die elektrische Antriebsmaschine, insbesondere das Maschinengehäuse, weist eine Gehäusegrunddichtung zur Abdichtung der Ausnehmungen am Statoraußenmantel gegen den Gehäusegrund auf, und eine Gehäusedeckeldichtung zur Abdichtung der Ausnehmungen am Statoraußenmantel gegen den Gehäusedeckel.
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Damit kann auch für trockenlaufende Antriebsmaschinen eine Flüssigkeitskühlung direkt im Stator erreicht werden, bei der zudem wegen der Anordnung der Kühlkanäle (also entsprechend gestapelte Ausnehmungen der einzelnen Statorbleche) eine einfache Kühlmittelzuführung vom Gehäusemantel her möglich ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart ein Verfahren zur Montage eines Stators und/oder zur Montage des Stators in einem Maschinengehäuse einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, aufweisend zumindest die nachfolgend angegebenen Verfahrensschritte, die nicht zwingend in der angegebenen Reihenfolge durchlaufen werden müssen: (i) Einbringen von Ausnehmungen in eine Außenkontur von wenigstens einem Teil der Statorbleche; (ii) Anordnen einer Vielzahl von Statorblechen zueinander an deren Seitenflächen zu einem Statorblechpaket; (iii) Anbringen einer Manteldichtschicht an den Statorblechen und/oder dem Statorblechpaket, insbesondere an dem Statoraußenmantel.
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Damit kann auch für trockenlaufende Antriebsmaschinen eine Flüssigkeitskühlung direkt im Stator erreicht werden, bei der zudem wegen der Anordnung der Kühlkanäle (also entsprechend gestapelte Ausnehmungen der einzelnen Statorbleche) eine einfache Kühlmittelzuführung vom Gehäusemantel her möglich ist.
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Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, die Mantelkühlung über einen beschichteten Stator direkt im Gehäuse auszubilden, wobei die Kühlkanäle des Kühlmantels zwischen der Außenkontur des Statoraußenmantels und einer Innenkontur eines Gehäuseinnenmantels ausgebildet werden, so dass die Ausnehmungen der benachbart angeordneten Statorbleche des Statorblechpakets die Kühlmittelkanalquerschnitte ausbilden.
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Das Statorblechpaket kann beispielsweise über einen (an sich bekannten) Folgeverbundprozess produziert werden. Die Außengeometrie des Stators, also der Statoraußenmantel, welcher später die Kühlmittelführung im Kühlmantel übernimmt, wird dann mit Hilfe des Folgeverbundwerkzeuges so gestaltet, dass sich eine effiziente Kühlgeometrie ergibt. Beispielsweise werden am Außenumfang der einzelnen Statorbleche jeweils an den gleichen Umfangspositionen Ausnehmungen (z.B. U-förmig oder V-förmig oder rechtwinkelig) eingebracht, sodass das zusammengesetzte Statorblechpaket axial verlaufende Kühlkanäle aufweist. Alternativ können unterschiedliche Bleche mit (insbesondere zwei) verschiedenen Außendurchmessern bearbeitet werden, sodass die Ausnehmungen durch die Anordnung radial größerer und kleinerer Bleche ausgebildet werden und das zusammengesetzte Statorblechpaket in Umfangsrichtung verlaufende Kühlkanäle aufweist.
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Das Statorblechpaket wird Blech für Blech aufeinandergesetzt und somit entsteht am Statoraußendurchmesser aufgrund der Ausnehmungen eine 3D-Geometrie, welche die Fläche und somit die Kühleffizienz erhöht. Dieser Stator wird anschließend je nach verwendetem Lack, beispielsweise über ein Backverfahren, fest verklebt, stanzpaketiert oder z.B. mittels Laser verschweißt. Nach Abschluss wird dieser Stator beispielsweise maskiert, sodass beim Folgeprozesses in dieser Ausführung lediglich die Au-ßengeometrie sowie das oberste Blech beschichtet werden müssen, um eine ausreichende Kühlmitteldichtung zu erreichen. Diese Beschichtung kann entweder durch Pulver oder Lack mit unterschiedlichen Verfahren aufgebracht werden. Der Lack muss hierbei kühlmitteldicht und ausreichend wärmeleitfähig sein.
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Der Stator - also das bewickelte Statorblechpaket wird anschließend in das Maschinengehäuse der Antriebsmaschine eingesetzt und mittels jeweils einer Dichtung auf der A- und B-Lagerseite abgedichtet. Der Stator wird mit dem B-Lagerschild (also dem Gehäusedeckel) verschraubt und verspannt. Zusätzlich weist der Stator auf der A- und B-Lagerseite gemäß einer Ausführung eine Arretierung für die Drehmomentenabstützung auf. Das Ergebnis der Erfindung ist eine einfach zu fertigende und kostengünstige Mantelkühlung mit einer sehr effizienten Kühlung, da es keinen zusätzlichen Wärmeübergang zwischen Medium und Stator gibt.
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Gemäß einer Ausführung weist die Manteldichtschicht eine Umfangs-Dichtschicht in den Ausnehmungen, insbesondere auf Nutwänden und Nutgrund, und/oder in den nicht ausgenommenen Bereichen, insbesondere an dem gesamten Statoraußenmantel (inkl. Nutwänden und Nutgrund), auf, die sich in Umfangs- und in Axialrichtung des Stators erstreckt. Diese Art der Dichtung kann einfach aufgebracht werden, beispielsweise durch ein Lackieren des bereits montierten Statorblechpakets.
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Gemäß einer Ausführung weist die Manteldichtschicht zwischen benachbartem Paaren von Statorblechen jeweils eine Radial-Dichtschicht auf, die sich in Radial- und in Umfangsrichtung des Stators erstreckt. Mit dieser Art der Dichtung kann eine sehr prozesssichere Ausbildung der Dichtung erreicht werden, weil die bereits mit einem Backlack vorbehandelten Statorbleche nach dem Aufeinandersetzen zum Statorblechpaket nur noch definiert erwärmt werden müssen, um die Dichtung versagenssicher auszubilden.
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Gemäß einer Ausführung ist die Radial-Dichtschicht mittels eines, insbesondere vor der spanenden Einbringung der Statorgeometrie aufgebrachten, Backlacks ausgebildet, der dazu eingerichtet ist, bei einer Erwärmung des Statorblechpakets, insbesondere auf eine vorbestimmte Backtemperatur, eine Dichtschicht zwischen aneinander anliegenden Blechen auszubilden.
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Gemäß einer Ausführung sind die voneinander beabstandeten Ausnehmungen ausgeformt, indem bezüglich einer Axialerstreckung des Stators abwechselnd jeweils ein oder mehrere Statorbleche mit einem Maximaldurchmesser des Statormantels und ein oder mehrere Statorbleche mit einem Ausnehmungsdurchmesser des Statormantels angeordnet sind, sodass insbesondere auf diese Weise axial voneinander beabstandete Ausnehmungen, insbesondere Umfangskühlkanäle/-nuten, an dem Statoraußenmantel ausgebildet sind. Damit kann auf denkbar einfache Weise eine Mantelkühlung ausgebildet werden, die mehrere Kühlkanäle aufweist, die jeweils in Umfangsrichtung verlaufen und axial voneinander beabstandet sind, beispielsweise durch Statorbleche mit dem Manteldurchmesser, die ggf. zur Kühlmittel führenden Verbindung punktuelle eine oder mehrere Ausnehmungen aufweisen, um benachbarte Kühlkanäle zu verbinden.
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Gemäß einer Ausführung wird die Manteldichtschicht nach dem Anordnen der Statorbleche mit einer Umfangs-Dichtschicht an dem Statoraußenmantel angebracht.
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Gemäß einer Ausführung wird die Manteldichtschicht vor dem Anordnen der Statorbleche mit einer Radial-Dichtschicht an den Flächenseiten der Statorbleche angebracht.
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Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren zusätzlich die folgenden Schritte auf: (I) Einbringen der Statorwicklungen, (II) Einschieben des Stators in einen Gehäusetopf eines Maschinengehäuses, bis zu einem Anschlag mit einer Gehäusegrunddichtung, - Aufsetzen und Fixieren, insbesondere Verschrauben, eines Gehäusedeckels auf den Gehäusetopf derart, dass bei dem Aufsetzen und/oder dem Fixieren eine axial beidseitige, fluiddichte Abdichtung der Ausnehmungen des Statoraußenmantels einerseits und andererseits des restlichen Gehäuseinnenraums, also eines Maschineninnenraums, ausgebildet wird, insbesondere durch eine beim Fixieren, insbesondere Verschrauben, aufgebrachte Verspannkraft.
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Damit kann eine einfache Dichtung und damit eine flüssig im Stator gekühlte, trocken laufende Antriebsmaschine hergestellt werden.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren:
- 1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine mit einem Statorblechpaket gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung nach der Montage des Stators in ein Statorgehäuse.
- 2 zeigt schematisch eine elektrische Maschine mit einem Statorblechpaket gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung vor der Montage des Stators in das Statorgehäuse.
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Die 1 und 2 zeigen schematisch eine elektrische Maschine 1 mit einem Statorblechpaket 2 mit einer Vielzahl von Statorblechen 3 gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung vor der Montage des Stators (dargestellt ist nur das Statorblechpaket 2 in ein Maschinengehäuse 4, das einen Gehäusetopf 6 und einen Gehäusedeckel 8 aufweist.
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In 1 ist die elektrische Maschine 1 fertig montiert dargestellt, in 2 vor einem Einschieben des Stators in den Gehäusetopf 6 und vor einem Montieren des Gehäusedeckels 8. Die dicken Pfeile in 2 zeigen grob die Richtungen der Montagebewegungen auf.
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Das Ausführungsbeispiel betrifft eine kostengünstige sowie sehr effizienten Mantelkühlung für eine elektrische Mantelkühlung. Dabei richtet sich das Interesse auf elektrische Antriebseinheit für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche elektrischen Antriebseinheiten weisen üblicherweise eine elektrische Maschine 1 mit einem Stator 2 sowie einem bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor (nicht dargestellt) auf, welcher wiederum mit einer Rotorwelle (nicht dargestellt) der elektrischen Maschine 1 drehfest verbunden ist. Die Rotorwelle kann mit einem Getriebe des Kraftfahrzeugs zur Drehmomentübertragung gekoppelt sein und ist im Ausführungsbeispiel durch die Aussparung 10 in dem Gehäusetopf 6 geführt.
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Die elektrische Maschine 1 kann mit dem Getriebe (nicht dargestellt) und mit einer Leistungselektronik (nicht dargestellt) in dem Maschinengehäuse 4 angeordnet sein. Diese Maschine 1 muss in der Regel aufgrund der erforderlichen Dauerleistung gekühlt werden. Dies erfolgt in dem Ausführungsbeispiel mittels eines Kühlmantels 12, der einen Kühlmitteleinlass 14, mehrere Kühlkanäle 16 und einen Kühlmittelauslass 18 in dem Gehäusetopf 6 aufweist.
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Der Kühlmantel 12 ist im Ausführungsbeispiel ohne ein separates Mantelbauteil mittels des Statorblechpakets 2 direkt mit dem Maschinengehäuse 4 ausgebildet.
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Dazu ist das Statorblechpaket 2 mittels einer Folgeverbundstanzanlage hergestellt, durch welche die Außengeometrie des Statorblechpakets 2 mit Ausnehmungen 15 eingebracht wird.
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Die Ausnehmungen 15 bilden die Querschnitte für die Kühlkanäle 16, welche die Wasserführung im Kühlmantel 12 übernehmen und sind so gestaltet, dass sich eine effiziente Kühlgeometrie ergibt. Im Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen 15 ausgeformt, indem bezüglich einer Axialerstreckung des Stators abwechselnd jeweils mehrere Statorbleche 3a mit einem Maximaldurchmesser des Statormantels und mehrere Statorbleche 3b mit einem Ausnehmungsdurchmesser des Statormantels angeordnet sind, sodass auf diese Weise axial voneinander beabstandete Ausnehmungen 15 als Umfangskühlkanäle 16 an dem Statoraußenmantel 13 ausgebildet sind. Diese Kühlmantelgeometrie entsteht, indem das Statorblechpaket 2 Blech für Blech aufeinandergesetzt wird, wobei abwechselnd mehrere Bleche 3a gefolgt von mehreren Blechen 3b gesetzt werden.
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Die aufeinandergesetzten Statorbleche 3a, 3b sind an ihrem Seiten mit einem Backlack 20 beschichtet und werden nach dem Aufeinandersetzen mittels eines Backverfahrens fest verbunden, bei dem der Backlack aufgrund der hohen Temperatur eine Klebewirkung entfaltet.
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Damit ist das Statorblechpaket 2 aus den einzelnen Blechen 3a und 3b aufgebaut. Anschließend wird das Statorblechpaket 2 mit einer Manteldichtschicht 22 maskiert, wobei lediglich die Außengeometrie (also der Außenmantel des Statorblechpakets) sowie die beiden axialen Außenbleche beschichtet werden. Diese Maskierung kann beispielsweise durch Pulver oder Lack mit unterschiedlichen Verfahren, an sich bekannten Verfahren aufgebracht werden. Die Manteldichtschicht 22 muss hierbei kühlmitteldicht sowie wärmeleitfähig sein, um einerseits das Kühlmittel aus dem Maschineninnenraum 9 jenseits der Kühlkanäle 16 fernzuhalten, andererseits aber einen guten Wärmeübergang von den Statorblechen in das Kühlmittel in den Kühlkanälen 16 zu ermöglichen.
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In das Statorblechpaket 2 werden anschließend die Wicklungen (nicht dargestellt) eingebracht, und der dadurch ausgebildete Stator wird in das Maschinengehäuse 4 eingepresst, sodass zwischen dem Gehäuseinnenmantel 7 und dem Statoraußenmantel 13 (an den Blechen 3a mit dem Maximaldurchmesser des Statormantels) eine feste Verbindung ausgebildet ist und die Kühlkanäle 16 auch zum Maschinengehäuse 4 hin abgegrenzt sind.
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Axial erfolgt die Abgrenzung bzw. Abdichtung des Kühlmittelflusses mittels Dichtungen auf der A- und B-Lagerungsseite, also mittels einer Gehäusegrunddichtung 24 und einer Gehäusedeckeldichtung 26. Der Stator wird mit dem B-Lagerschild verschraubt und verspannt.
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Zusätzlich kann der Stator auf der A- und B-Lagerungsseite eine Arretierung für die Drehmomentenabstützung aufweisen.
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Die Manteldichtschicht kann in dem beschriebenen oder anderen Ausführungsbeispielen so ausgebildet sein, dass als Manteldichtschicht 22 eine über den Außenmantel aufgebrachte Maskierung als Umfangs-Dichtschicht oder eine jeweils zwischen den Statorblechen angeordnete Schicht von verbackenem Backlack die (insbesondere radiale) Abdichtung des Maschineninnenraum 9 gegen Kühlmittel (insbesondere gemeinsam mit den axialen Dichtungen 24 und 26) ausbildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Statorblechpaket
- 3
- Statorblech
- 3a
- Statorblech mit maximalem Durchmesser
- 3b
- Statorblech mit Ausnehmungsdurchmesser
- 4
- Maschinengehäuse
- 6
- Gehäusetopf
- 7
- Gehäuseinnenmantel
- 8
- Gehäusedeckel
- 9
- Maschineninnenraum
- 10
- Aussparung
- 12
- Kühlmantel
- 13
- Statoraußenmantel
- 14
- Kühlmitteleinlass
- 15
- Ausnehmungen
- 16
- Kühlkanäle
- 18
- Kühlmittelauslass
- 20
- Backlack
- 22
- Manteldichtschicht
- 24
- Gehäusegrunddichtung
- 26
- Gehäusedeckeldichtung
- A
- Axialerstreckung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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