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Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper zur Anlage an eine zu kühlende Außenfläche eines zu kühlenden Bauteils, eine Statorgehäuseanordnung für eine elektrische Antriebsmaschine sowie ein Verfahren zur Montage einer Statorgehäuseanordnung.
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In einer elektrischen Antriebsmaschine wird im Betrieb Abwärme erzeugt, die abgeführt werden muss. Dies kann über eine Gehäusekühlung erreicht werden, bei der die Abwärme beispielsweise über Kühlrippen am Gehäuse an die Umgebungsluft oder über einen Kühlkörper an ein darin geführtes Kühlmedium abgegeben wird. Bei der Verwendung eines Kühlkanals kann dieser direkt in einem Gehäuse integriert sein. Ebenso kann ein Gehäuse aus mehreren Teilen bestehen, wobei der Kühlkanal auf der Oberfläche eines dieser Teile dargestellt wird. Solche Kühlkanäle können beispielsweise mittels gängiger Gussverfahren oder durch mechanische Bearbeitung umgesetzt werden. Die Gestaltung eines innenliegenden Kühlkanals in einem Gehäuse ist dabei jedoch limitiert, beispielsweise durch die Notwendigkeit des Entfernens des Sandkerns und der Kernstützen. Bei herkömmlichen mehrteiligen Gehäusen müssen die Gehäuseteile und Bereiche des Kühlkanals, die Kontakt zu den Gehäuseteilen haben, oftmals aufwendig mechanisch nachgearbeitet werden, damit sich die Gehäuseteile ordnungsgemäß fügen lassen. Neuere Ansätze, wie etwa 3D-Druckverfahren, SLM-Verfahren (SLM: Selective Laser Melting) und dergleichen sind oftmals durch eine Größe einer entsprechenden Fertigungsanlage bzw. einer durch diese vorgegebenen maximalen Bauteilgröße, vergleichsweise hohe Kosten und lange Fertigungsdauern limitiert und daher für einen Serieneinsatz oder die Massenproduktion nicht rentabel einsetzbar.
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Beispielsweise ist in der
WO 2018 / 114 099 A1 ein Kühlmantel-Gehäuse, insbesondere für eine elektrische Maschine, beschrieben. Das Gehäuse weist dort einen sich von einem Fluideinlass zu einem Fluidauslass erstreckenden, in einer Gehäusewandung ausgebildeten Kühlmantel auf, der ringartig eine Mittelachse umgibt und von Fluid durchströmbar ist. Der Kühlmantel ist dabei in mehrere, in Umfangsrichtung benachbarte Kühlmantel-Segmente unterteilt, von denen jedes einen Segment-Eingang und einen Segment-Ausgang für das Fluid aufweist. Das Fluid wird an einer ersten Verzweigung in zwei Teilströme aufgeteilt, die zu unterschiedlichen Kühlmantel-Segmenten führen.
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Ein anderer Ansatz für eine Kühlung einer elektrischen Maschine ist in der
DE 10 2018 129 226 A1 beschrieben. Die dortige elektrische Maschine weist mehrere als Hohlleiter ausgebildete Wicklungsstücke auf, die verschiedene Spulen einer Wicklung der elektrischen Maschine bilden und jeweils Teil eines Kühlkreislauf der elektrischen Maschine sind.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine besonders einfache Möglichkeit zum Einhausen einer elektrischen Maschine anzugeben, die gleichzeitig eine effektive Kühlung der elektrischen Antriebsmaschine ermöglicht.
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Jeder der unabhängigen bzw. nebengeordneten 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 Kühlkörper zur Anlage an eine zu kühlende, insbesondere zylindermantelförmige, Außenfläche eines zu kühlenden Bauteils, insbesondere eines Statorgehäuses, für eine elektrische Antriebsmaschine.
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Der Kühlkörper weist zumindest auf: eine biegsame Umfangswandung, insbesondere schlauchartig geformt, die wenigstens einen Kühlfluid-Leitungsquerschnitt und eine im Vergleich zu dem Leitungsquerschnitt mehrfach größere Längserstreckung aufweist, sodass der Kühlkörper wenigstens einen Kühlkanal ausbildet.
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Entlang wenigstens eines Teils der Längserstreckung aus der Umfangswandung ist ein Umfangsbereich ausgenommen, sodass die durch die Ausnehmung entstandenen Wandungsränder dazu eingerichtet sind, an die Außenfläche des zu kühlenden Bauteils angelegt zu werden. Gemäß einer Ausführung ist der Kühlkörper ein Schlauch, aus dessen Schlauchwand ein Teil ausgenommen ist.
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Durch die Ausnehmung kann das Kühlfluid in dem Kühlkörper direkt an der Außenfläche des zu kühlenden Bauteils entlang strömen. Damit wird eine direkte, und damit sehr viel stärkere Wärmeübertragung erreicht als bei einem vergleichbaren Kühlkörper, der stattdessen mit seiner Umfangswandung an der Außenfläche des zu kühlenden Bauteils anliegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart eine Statorgehäuseanordnung für eine elektrische Antriebsmaschine, aufweisend zumindest: (a) ein Statorgehäuse mit einer Statormantelaufnahme, welche einen Zylinderinnenmantel zur Aufnahme eines Statoraußenmantels und eine zylindermantelförmige Außenfläche aufweist; (b) wenigstens einen Kühlkörper nach einer Ausführung der Erfindung, der an der Außenfläche angeordnet und mit dieser an den Wandungsrändern verbunden ist.
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Damit kann eine sehr einfache Statorkühlung realisiert werden, die einen hohen Wärmeabtransport aufgrund der Ausnehmung des Kühlkörpers mit einer einwandigen Ausbildung des Statorgehäuses verbindet. Zudem ist die Montage des Kühlkörpers an der Außenfläche des Statorgehäuses denkbar einfach.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart ein Verfahren zur Montage einer Statorgehäuseanordnung, aufweisend zumindest die folgenden Verfahrensschritte: (i) Wickeln und/oder gespreiztes Aufschieben, eines Kühlkörpers gemäß einer Ausführung der Erfindung, um die Außenfläche einer Statormantelaufnahme; (ii) falls zusätzlich nötig (also gemäß einer Ausführung), Anlegen der Wandungsränder an die Außenfläche; (iii) Verbinden, insbesondere Verkleben und/oder Anschmelzen, des Kühlkörpers an die Außenfläche.
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Damit kann eine Statorkühlung bereitgestellt werden, die weder komplex zu montieren ist, wie beispielsweise bei einem doppelwandigen Statorgehäuse mit eingelegter Kühlkanalstruktur, noch komplex zu formen, wie beispielsweise bei einem Statorgehäuse, das eine eingegossene Kühlkanalstruktur aufweist.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass bei doppelwandigen Gussgehäusen mit innenliegender Kühlung die konstruktionsgerechte Darstellung des Gehäuses und des Kühlkanals bzw. der Kühlkanäle oftmals sehr aufwändig ist (z.B. Teilung des Gehäuses, Entformungsschrägen, etc.) und die zur Umsetzung eines innenliegenden Kühlkanals nötigen Sandkerne und Kernstützen im Anschluss an den Gießvorgang aufwändig herausgeklopft bzw. -geschüttelt werden müssen. Des Weiteren ist das Abdichten der Kühlmittel-Schnittstellen (z.B. im Bereich der Umlenkungen), je nach Konzept, sehr aufwändig und kann ein gewisses Restrisiko für Leckagen darstellen. Bei der additiven Fertigung sind oftmals die Anlagengröße limitierend für das Gehäuse bzw. ist der Prozess aufgrund der Dauer und Kosten für den Großserieneinsatz (noch) nicht wirtschaftlich.
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Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, einen flexiblen, sprich biegsamen, schlauchartigen Kühlkörper um eine Gehäuseaußenwand zu legen. Der Kühlkörper ist auf der Kontaktseite zum Gehäuse offen, d.h. das Kühlmedium strömt direkt an der Außenwand des Gehäuses, wodurch eine optimale Anbindung und somit Wärmeabfuhr sichergestellt wird. Durch den flexiblen, schlauchförmigen Aufbau kann der Kühlkörper quasi in jeder beliebigen Form und einem beliebigen Verlauf aufgebracht werden. Der offene Bereich des Kühlkörpers wird auf das Gehäuse fixiert, z.B. verklebt, um somit ein nach außen geschlossenes System darzustellen. An den beiden Enden des Kühlkörpers können die beiden Kühlmittel-Schnittstellen für Zu- und Abführung eines Kühlfluids angeordnet sein.
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Die Umfangswandung ist gemäß einer Ausführung für eine einfachere Montage biegsam ausgebildet, insbesondere als ein flexibler Gewebe- und/oder Kunststoffschlauch.
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Gemäß einer alternativen Ausführung ist die Umfangswandung für eine robustere Ausführung mit einer, insbesondere tiefgezogenen, Blechkonstruktion ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführung bilden die Wandungsränder Kontaktflächen, beispielsweise in Form eines umlaufenden Kragens, aus, die dazu ausgebildet sind, mit der Außenfläche kühlfluiddicht verbunden, insbesondere verklebt und/oder angeschmolzen, beispielsweise ultraschall- oder reibverschweißt, zu werden, sodass insbesondere die Oberfläche des zu klebenden Bereichs vergrößert und die Klebewirkung erheblich verbessert wird.
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Dadurch wird ein Kühlkanal festgelegt, dessen Begrenzungs-Querschnitt dann im ausgenommenen Umfangsbereich von der Außenfläche des zu kühlenden Bauteils selbst ausgebildet wird. An den Verbindungsnähten - beispielsweise ausgebildet als Klebstofflinie oder als Schmelze eines zur Verbindung eingebrachten oder in der Umfangswandung vorliegenden Materials - bilden diese gegebenenfalls den Begrenzungs-Querschnitt aus.
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Gemäß einer Ausführung macht der ausgenommene Umfangsbereich einen Anteil von zwischen 25% und 60%, insbesondere von zwischen 30% und 40% des vollständigen Umfangs aus. Damit kann - angepasst an den Anwendungsfall - eine möglichst große Kontaktfläche zwischen dem Kühlfluid mit und der Außenfläche mit einer möglichst gro-ßen Kühlfluidfluss verbunden werden.
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Gemäß einer Ausführung ist die Biegsamkeit der Umfangswandung dazu ausgebildet, ein mehrfaches Wickeln des Kühlkörpers um eine, insbesondere hohl-, zylindermantelförmige Außenfläche des zu kühlenden Bauteils zu ermöglichen.
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Insbesondere sind also die Parameter der Biegsamkeit der Umfangswandung so gewählt, dass die Biegungen kühlfluiddicht umsetzbar sind, die sich beispielsweise aufgrund einer Krümmung der Außenfläche des zu kühlenden Bauteils und/oder aufgrund einer gewünschten Kühlkanalgeometrie ergeben.
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Gemäß einer Ausführung wird eine zylindermantelförmige Außenfläche mittels eines Kühlkörpers gekühlt, dessen Umfangswandung eine spiralförmige oder mäanderförmige oder, einfach oder mehrfach, helixförmige Anordnung auf der Außenfläche aufweist. Gemäß einer Ausführung ist der Leitungsquerschnitt, abseits des ausgenommenen Umfangsbereichs, teilellipsoid, insbesondere teilkreisförmig, ausgebildet. Das ermöglicht eine Führung einer großen Menge von Kühlfluid, bezogen auf eine Kontaktfläche des Kühlfluids in dem ausgenommenen Bereich der Umfangswandung des Kühlkörpers.
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Gemäß einer Ausführung ist der Leitungsquerschnitt, abseits des ausgenommenen Umfangsbereichs, prismatisch, insbesondere rechteckig, ausgebildet. Das ermöglicht, eine große Kontaktfläche des Kühlfluids mit einem geringen, beispielsweise radialen, Aufmaß des Kühlkörpers zu verbinden.
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Gemäß einer Ausführung weist der ausgenommene Umfangsbereich entlang der Längserstreckung der Ausnehmung eine gleichbleibende mittlere Umfangsposition auf. Dadurch ist der Kühlkörper einfacher herzustellen.
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Gemäß einer Ausführung sind eine Eintrittsschnittstelle und eine Austrittsschnittstelle für das Kühlfluid an entgegengesetzten Enden des Kühlkörpers angeordnet und/oder ist eine Führung des Kühlfluids außerhalb des Kühlkörpers abseits anderer Bestandteile des Statorgehäuses ausgebildet.
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Indem der Kühlkanal ausschließlich durch die Außenfläche des Statorgehäuses und die Umfangswandung des Kühlkörpers ausgebildet wird, entfällt die Notwendigkeit für eine äußere Wand des Statorgehäuses. Damit ist es eben auch möglich, die Kühlfluidführung jenseits der eigentlichen Kühlflächen komplett von dem Statorgehäuse zu entkoppeln.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren:
- 1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht eine Statorgehäuseanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung.
- 2 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht den Kühlkörper der Statorgehäuseanordnung aus 1, der gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung ausgebildet ist.
- 3 zeigt einen Ausschnitt des Kühlkörpers aus 2 aus einer anderen Perspektive.
- 4 zeigt in drei verschiedenen Ansichten einen biegsamen Kühlkörper gemäß einer Ausführung der Erfindung vor einem Aufwickeln auf das Statorgehäuse des zu kühlenden Stators.
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1 zeigt eine Statorgehäuseanordnung 1 für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Statorgehäuseanordnung 1 weist ein Statorgehäuse 2 mit einer Statormantelaufnahme 4 auf, welche einen Zylinderinnenmantel zur Aufnahme eines Statoraußenmantels und eine zylindermantelförmige Außenfläche 6 aufweist.
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Die Statorgehäuseanordnung 1 weist ferner einen Kühlkörper 8 auf, der mit einer Umfangswandung 14 als biegsamer Schlauch aus einem Kunststoff- und/oder Gummimaterial ausgebildet ist, der an der Außenfläche 6 angeordnet und mit dieser an Kontaktflächen 11 von Wandungsrändern 10 verklebt ist. Die Wandungsränder 10 resultieren aus einer Ausnehmung 12 eines Umfangsteils des Kühlkörpers in demjenigen Umfangsbereich einer Umfangswandung 14, an welchem der Kühlkörper 8 an der Außenfläche 6 anliegt. Auf diese Weise bildet der Kühlkörper 8 einen Kühlkanal 16 aus.
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Durch die Ausnehmung 12 kann das Kühlfluid im Betrieb der Antriebsmaschine die Abwärme direkt von der Außenfläche 6 abgeführt werden, ohne einen zusätzlichen Wärmeübergang durch die Umfangswandung 14. Der ausgenommene Umfangsbereich macht einen Anteil von ca. 35% des vollständigen Umfangs aus. So wird ein ausreichend großer Anteil der Außenfläche in direkten Kontakt mit dem Kühlfluid gebracht, um einen ausreichenden Wärmeübergang sicherzustellen. Für eine einfache Fertigung des Kühlkörper-Schlauchs weist der ausgenommene Umfangsbereich entlang der Längserstreckung der Ausnehmung eine gleichbleibende mittlere Umfangsposition auf.
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Der Kühlkörper 8 weist eine Eintrittsschnittstelle 18 und eine Austrittsschnittstelle 20 für das Kühlfluid auf. Ein radial außerhalb des Kühlkörpers angeordneter Gehäuseteil ist damit nicht erforderlich, weil das Kühlfluid jenseits des Kühlkörpers nicht in Gehäuseteile geführt wird.
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Die Wandungsränder 10 mit ihren Kontaktflächen 11 sind in den 2 und 3 besser erkennbar als in 1. Die Wandungsränder 10 bilden Kontaktflächen 11 aus, die mit der Außenfläche kühlfluiddicht verklebt sind.
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Der Kühlkörper 8 ist kann hier als Gewebeschlauch ausgebildet sein und besteht vorliegend aus einem temperatur-, witterungs- und kühlmedienbeständigen Kunststoff. Insbesondere ist er in Schichtbauweise mit zusätzlichen Materialien aufgebaut. Diese zusätzlichen Materialien können entweder als Füllstoffe oder als Gewebeeinlagen im Schlauch eingebracht sein und erhöhen einerseits die Festigkeit / Widerstandsfähigkeit des Gewebeschlauchs und verbessern andererseits seine Haftwirkung zur Gehäuseoberfläche hin. So kann z.B. auf der Kontaktseite des Schlauchs zum Gehäuse 2 hin eine dünne Aluminiumgewebeschicht aufgebracht (insbesondere aufvulkanisiert) werden.
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Der Gewebeschlauch wird für den eigentlichen Klebeprozess vorliegend unter leichter Spannung auf das Gehäuse 2 aufgebracht (vgl. das Aufbringen des Griffbands auf den Tennisschläger). Im hier dargestellten Beispiel weist der Schlauch an seiner Kontaktseite zum Gehäuse hin als Kontaktflächen 11 einen umlaufenden Kragen auf, welcher die Oberfläche des zu klebenden Bereichs vergrößert und die Klebewirkung erheblich verbessert. Der Kragen ist für die Verständlichkeit der Darstellung in den 1 bis 3 nicht dargestellt.
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In 4 ist der Kühlkörper vor seinem Aufwickeln auf das Gehäuse 2 in verschiedenen Ansichten dargestellt - zwei unterschiedlichen Perspektiven und einer Schnittansicht. Dabei sind die als Kragen ausgebildete Kontaktflächen 11 gut erkennbar. Ein solcher Kontaktflächen-Kragen 11 kann bspw. als separates Bauteil durch Vulkanisation mit dem eigentlichen Schlauchkörper verbunden werden. Der Kleber erfüllt neben seiner Hauptfunktion des Haftens des Schlauches auf der Gehäuseoberfläche auch die des Abdichtens des Kühlmediums. Das Kleben des Schlauchs auf das Gehäuse erfolgt hier mittels gängiger Ein- oder Zwei-Komponenten-Kleber für Kunststoffe und Metall (z.B. der Firmen 3M, Würth, Loctite oder Weicon) mittels Prozessschritten „Oberflächen reinigen und entfetten“, „Kleber mischen und auftragen“, „Klebepartner fügen und positionieren“ und „Kleber (thermisch oder bei Raumtemperatur) aushärten lassen“. Alternativ gäbe es speziell im Falle des Schlauchs mit Kragen die Möglichkeit, eine Art Klebeschicht bereits direkt auf den Kragen aufzubringen, welche bis zur Montage durch z.B. eine Abzieh-Folie geschützt ist. Beim Abziehen dieser Folie reagiert der Kleber z.B. mit der Umgebungsluft oder im Ofen und beginnt auszuhärten.
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Das Ausführungsbeispiel zeigt also einen flexiblem, schlauchartigen Kühlkörper 8 auf, der auf seiner Kontaktseite zum Gehäuse hin offen ist (siehe insbesondere die vergrößerte Darstellung in 3). Das heißt, das Kühlmedium strömt direkt auf der Außenwand 6 des Statorgehäuses 2 entlang, wodurch eine optimale Kühlanbindung und somit Wärmeabfuhr sichergestellt wird.
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Zusätzlich ist das Statorgehäuse 2 auf seiner Kontaktseite zum Kühlkörper 8 hin mechanisch derart bearbeitet, beispielsweise aufgeraut, so dass diese Oberfläche eine bestmögliche Kühlanbindung für den Kühlschlauch darstellt.
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Der Kühlkörper wird über seine, dem Gehäuse zugewandten, Kontaktfläche mit diesem mechanisch verbunden und verklebt, um somit einen nach außen geschlossenen Kühlkanal 16 darzustellen. Der flexibel biegsame, schlauchförmige Kühlkörper 8 ermöglicht auf einfache Weise fast jede beliebige Gestaltung des Kühlkanals, beispielsweise in Mäanderform, Helixform, oder anders.
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In einer nicht dargestellten alternativen beispielhaften Ausführung ist der Kühlkörper 8 (der im Übrigen wie in den 1 bis 3 geformt sein und/oder einen Kragen wie in 4 aufweisen kann) aus Aluminiumblech geformt und mittels eines Schweißprozesses mit der Gehäuseoberfläche verbunden.
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Beim einem dünnwandigen Schlauchkörper aus Aluminium ist eine geringere Biegsamkeit gegeben als beim Gewebeschlauch. Natürlich kann durch eine dünne Wandstärke des Schlauchkörpers eine gewisse Flexibilität / Anpassungsfähigkeit in der Kontur erreicht werden, allerdings reicht diese nicht an die des Gewebeschlauchs heran. Aus diesen Gründen muss einerseits die Innenkontur des Schlauchkörpers der Außenkontur des Gehäuses und andererseits der Verlauf des Kühlkanals (im hier dargestellten Beispiel eine Spiralform) weitestgehend nachempfunden werden, was bereits beim Herstellprozess des Schlauchkörpers (z.B. Tiefziehen und Kontur-Umformen) berücksichtigt werden muss. Für einen besseren Toleranzausgleich und zur Verbesserung der Dichtwirkung kann ein umlaufendes Pad auf der Kontaktseite des Schlauchkörpers zum Gehäuse hin angebracht werden. Ebenso wie der Gewebeschlauch kann der Schlauchkörper an seiner Kontaktseite zum Gehäuse hin einen umlaufenden Kragen aufweisen (vgl. 4), welcher die Oberfläche des zu schweißenden Bereichs vergrößert und die Dichtwirkung (mit den optionalen Pads) verbessert. Ein solcher Kragen kann analog zum Gewebeschlauch bspw. als separates Bauteil mit dem eigentlichen Schlauchkörper verbunden (verklebt) werden bzw. kann ein solcher Kragen direkt beim Herstellprozess des Schlauchkörpers dargestellt werden.
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Für eine bessere Zugänglichkeit der Elektrode beim Schweißvorgang ist auf einen ausreichenden Abstand der einzelnen Spiralen zueinander zu achten. Zusätzlich kann die Prozesssicherheit des Schweißvorgangs bzgl. Leckagen durch ein Werkzeug (z.B. ein viertelkreis-förmiger Stempel) verbessert werden. Dieses Werkzeug drückt die Außenkontur des Schlauchkörpers definiert auf das Gehäuse an. Dieses Werkzeug läuft mit der Elektrode in Umfangsrichtung um den Schlaukörpers herum, so dass immer im Bereich des aktuellen Schweißvorgangs der Kontakt zwischen der Innenkontur des Schlauchkörpers und der Außenkontur des Gehäuses sichergestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Statorgehäuseanordnung
- 2
- Statorgehäuse
- 4
- Statormantelaufnahme
- 6
- Außenfläche
- 8
- Kühlkörper
- 10
- Wandungsrändern
- 11
- Kontaktfläche / Kragen
- 12
- Ausnehmung
- 14
- Umfangswandung
- 16
- Kühlkanal
- 18
- Eintrittsschnittstelle
- 20
- Austrittsschnittstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018114099 A1 [0003]
- DE 102018129226 A1 [0004]
