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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Stator-Gehäuse-Anordnung für eine elektrische Maschine, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Stator-Gehäuse-Anordnung, eine elektrische Maschine mit einer solchen Stator-Gehäuse-Anordnung sowie ein Fahrzeug mit einer solchen elektrische Maschine.
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STAND DER TECHNIK
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Elektrische Maschinen werden in zunehmendem Maße in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen eingesetzt, überwiegend als Elektromotoren für den Antrieb eines Rads oder einer Achse eines solchen Fahrzeugs.
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Ein solcher Elektromotor ist zumeist mechanisch mit einem Getriebe zur Drehzahlanpassung gekoppelt. Daneben ist der Elektromotor in der Regel elektrisch mit einem Wechselrichter gekoppelt, der aus einer von einer Batterie gelieferten Gleichspannung eine Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors erzeugt, beispielsweise eine mehrphasige Wechselspannung.
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Es ist auch möglich, eine elektrische Maschine als Generator zur Rekuperation von Bewegungsenergie eines Fahrzeugs zu betreiben. Hierzu wird die Bewegungsenergie zunächst in elektrische Energie und dann in chemische Energie einer Fahrzeugbatterie umgewandelt.
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Neben einem Rotor und einem Stator, gegenüber dem der Rotor drehbar ist, kann eine elektrische Maschine mit einem Statorgehäuse ausgestattet sein, in dem der Rotor und der Stator aufgenommen sind.
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Der Stator und das Statorgehäuse werden drehstarr miteinander verbunden, um die im Betrieb der elektrischen Maschine im Stator auftretenden Kräfte beziehungsweise Drehmomente auf das Statorgehäuse übertragen zu können. Häufig wird der Stator dazu mit dem Statorgehäuse verschweißt. Beispielsweise kann zu diesem Zweck das Rührreibpunktschweiß-Verfahren eingesetzt werden.
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Dabei wird ein rotierendes Werkzeug auf das Statorgehäuse gedrückt, wodurch das Statorgehäuse und das Statorblechpaket lokal aufgeschmolzen werden. Durch die Rotation kommt es auch zu einer Vermischung der Materialien des Statorgehäuses und des Statorblechpakets. Im weiteren Verlauf wird das Werkzeug von der Schweißstelle abgehoben, woraufhin die Schmelze wieder erstarrt. Prozessbedingt kommt es dabei zu mehr oder minder großen Vertiefungen an der Schweißstelle.
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Problematisch ist dabei, dass die verbleibende Materialstärke des Statorgehäuses zumindest lokal sehr gering werden kann. Auch Lunker sind nicht völlig auszuschließen. Dies führt nun dazu, dass ein zur Kühlung der elektrischen Maschine vorgesehener Wärmeträger, der an der Schweißstelle vorbeiströmt, unter Umständen in das Innere der elektrischen Maschine gelangen und diese beschädigen kann.
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Um dieses Risiko zu vermeiden, wird von einer Anwendung des Rührreibpunktschweiß-Verfahrens bei fluidgekühlten elektrischen Maschinen zumeist Abstand genommen. Dies ist insofern sehr nachteilig, als andere Schweißverfahren für die Verschweißung der verschiedenen Materialien, aus denen das Statorgehäuse und das Statorblechpaket in aller Regel bestehen, nicht oder nur wenig geeignet sind.
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Demgemäß muss häufig auf andere, teurere Maßnahmen zur drehstarren Verbindung von Statorgehäuse und Statorblechpaket zurückgegriffen werden, zum Beispiel auf das Vorsehen einer Presspassung zwischen Statorgehäuse und Statorblechpaket.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Stator-Gehäuse-Anordnung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer solchen Stator-Gehäuse-Anordnung, eine verbesserte elektrische Maschine mit einer solchen Stator-Gehäuse-Anordnung sowie ein verbessertes Fahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine anzugeben. Insbesondere soll eine Möglichkeit für die prozesssichere, fluiddichte Verschweißung von Statorgehäuse und Statorblechpaket einer elektrischen Maschine angegeben werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Stator-Gehäuse-Anordnung für eine elektrische Maschine gelöst, welche ein Statorblechpaket und ein Statorgehäuse umfasst, wobei das Statorblechpaket und das Statorgehäuse an mehreren Schweißstellen mit Hilfe des Auffüll-Rührreibpunktschweiß-Verfahrens miteinander verschweißt sind.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung einer Stator-Gehäuse-Anordnung für eine elektrische Maschine gelöst, welches folgende Schritte aufweist:
- - Bereitstellen eines Statorblechpakets und eines Statorgehäuses,
- - Einschieben des Statorblechpakets in das Statorgehäuse und
- - Dauerhaftes Verbinden des Statorblechpakets mit dem Statorgehäuse, wobei
- - das dauerhafte Verbinden an mehreren Schweißstellen mit Hilfe des Auffüll-Rührreibpunktschweiß-Verfahrens ausgeführt wird.
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Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch eine elektrische Maschine gelöst, umfassend
- - ein erstes Lagerschild und ein zweites Lagerschild,
- - eine zwischen den beiden Lagerschilden angeordnete Stator-Gehäuse-Anordnung der oben genannten Art, sowie am Statorblechpaket angeordnete Statorwicklungen und
- - einen im Stator angeordneten Rotor mit einer in den beiden Lagerschilden drehbar gelagerten Rotorwelle.
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Schließlich wird die Aufgabe auch durch ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang gelöst, der eine elektrische Maschine der oben genannten Art aufweist, die zum Antreiben des Fahrzeugs vorgesehen ist.
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Das Auffüll-Rührreibpunktschweiß-Verfahren (engl.: „Refill friction stir spot welding“) ist eine spezielle Variante der Reibschweißverfahren, bei dem ein mehrteiliges Werkzeug eingesetzt wird, das zumindest einen Werkzeugaußenteil und einen axial verschiebbaren Werkzeuginnenteil aufweist. Beim Schweißvorgang wird das rotierende Werkzeug auf das Statorgehäuse gedrückt, wodurch das Statorgehäuse und das Statorblechpaket lokal aufschmelzen.
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Durch die Rotationsbewegung des Werkzeugs kommt es insbesondere auch zu einer Vermischung der Materialien des Statorblechpakets und des Statorgehäuses. Zudem wird die Schmelze in einen Hohlraum im Inneren des Werkzeugaußenteils gedrückt, welcher gebildet wird, wenn sich das Werkzeuginnenteil in einer zurückgezogenen Stellung befindet.
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Im weiteren Verlauf wird das Werkzeug von der Schweißstelle abgehoben, wobei der Werkzeuginnenteil gegenüber dem Werkzeugaußenteil relativ zur Schweißstelle hin verschoben wird. Dadurch wird die im Hohlraum befindliche Schmelze zurück in die Schweißstelle gedrückt. Anders als beim normalen Rührreibpunktschweiß-Verfahren entsteht somit an der Schweißstelle keine Delle, sondern die Schweißstelle ist weitgehend eben ausgebildet.
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Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass die Schweißstelle prozesssicher flüssigkeitsdicht und gasdicht ausgebildet werden kann, und somit im späteren Betrieb der elektrischen Maschine kein Kühlfluid über lokale Fehlstellen in das Innere der elektrischen Maschine dringen und diese beschädigen kann. Weiterhin ist von Vorteil, dass die Strömungsverhältnisse im Kühlkanal durch die ebene Schweißstelle nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt werden.
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Durch die Rotationsbewegung beim Auffüll-Rührreibpunktschweiß-Verfahren können insbesondere verschiedene Materialien gut miteinander verschweißt werden, die mit anderen Schweißverfahren nicht oder nur schwer verschweißbar sind. Beispielsweise können die Statorbleche des Statorblechpakets aus Elektroblech und das Statorgehäuse aus Aluminium bestehen.
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Anstelle mehrerer Schweißstellen ist es auch möglich, dass das Statorblechpaket und das Statorgehäuse an nur einer Schweißstelle mit Hilfe des Auffüll-Rührreibpunktschweiß-Verfahrens miteinander verschweißt sind.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren.
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Die elektrische Maschine kann einen Außenmantel aufweisen, welcher das Statorgehäuse radial umgibt, wobei zwischen dem Statorgehäuse und dem Außenmantel ein Kühlkanal angeordnet ist. Vorteilhaft sind die Schweißstellen in diesem Kühlkanal angeordnet. Dadurch kann das Schweiß-Werkzeug gut auf das Statorgehäuse aufgesetzt werden.
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Insbesondere kann das Statorgehäuse Rippen aufweisen, wobei die Schweißstellen vorteilhaft zwischen den Rippen angeordnet sind. Auf diese Weise kann das Schweiß-Werkzeug ebenfalls gut auf das Statorgehäuse aufgesetzt werden. Rippen können sowohl bei elektrischen Maschinen mit einem Außenmantel als auch bei elektrischen Maschinen ohne Außenmantel vorgesehen sein. Letztere werden von der Umgebungsluft gekühlt.
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Günstig ist es, wenn die Schweißstellen über einen Umfang und/oder eine Länge des Statorblechpakets gleichmäßig verteilt sind. Dadurch können die im Betrieb der elektrischen Maschine auftretenden Kräfte und Drehmomente gut vom Stator auf das Statorgehäuse übertragen werden, ohne dass es lokal zu übermäßigen Spannungsspitzen kommt.
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Günstig ist es auch, wenn das Statorblechpaket vor dem Verschweißen auf eine Auflage aufgelegt wird, welche das Statorblechpaket innenseitig in einer Rotorbohrung des Statorblechpakets unterstützt. Aufgrund der hohen Kraft, die mit dem Werkzeug auf die Stator-Gehäuse-Anordnung ausgeübt wird, kann es zweckmäßig sein, das Statorblechpaket vor dem Verschweißen auf eine Auflage aufzulegen, welche das Statorblechpaket vor einer Verformung beim Schweißvorgang schützt.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen sich auf beliebige Art und Weise kombinieren.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind exemplarisch in den beigefügten schematischen Figuren dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine im Halbschnitt dargestellte beispielhafte elektrische Maschine mit mehreren Schweißstellen zwischen Statorblechpaket und Statorgehäuse;
- 2 eine Darstellung der Vorgänge beim Herstellen einer Schweißstelle;
- 3 eine weitere beispielhaft dargestellte Stator-Gehäuse-Anordnung in Schrägansicht;
- 4 die Stator-Gehäuse-Anordnung aus 3 im Halbschnitt und
- 5 ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine der vorgeschlagenen Art.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Einführend wird festgehalten, dass gleiche Teile in den unterschiedlichen Ausführungsformen mit gleichen Bezugszeichen beziehungsweise gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, gegebenenfalls mit unterschiedlichen Indizes. Die in der Beschreibung enthaltene Offenbarung eines Bauteils kann sinngemäß auf ein anderes Bauteil mit gleichem Bezugszeichen beziehungsweise gleicher Bauteilbezeichnung übertragen werden. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie zum Beispiel „oben“, „unten“, „hinten“, „vorne“, „seitlich“ und so weiter auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
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1 zeigt einen Halbschnitt durch eine schematisch dargestellte elektrische Maschine 1a. Die elektrische Maschine 1a umfasst eine Welle 2 mit einem darauf sitzenden Rotor 3, wobei die Welle 2 mit Hilfe von (Wälz)lagern 4a, 4b um eine Drehachse A gegenüber einem Stator 5 drehbar gelagert ist. Der Rotor 3 weist insbesondere nicht im einzeln dargestellte hintereinander angeordnete Rotorbleche sowie Rotormagnete oder eine Rotorwicklung auf. Der Stator 5 weist mehrere hintereinander angeordnete Statorbleche 6 auf, die gemeinsam ein Statorblechpaket 7a bilden, sowie eine am Statorblechpaket 7a angeordnete Statorwicklung 8.
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In dem in 1 gezeigten Beispiel sitzt das erste Lager 4a in einem ersten (vorderen) Lagerschild 9 und das zweite Lager 4b in einem zweiten (hinteren) Lagerschild 10. Zwischen dem ersten Lagerschild 9 und dem zweiten Lagerschild 10 ist das Statorgehäuse 11 a angeordnet, das den Stator 5 umgibt. Das Statorgehäuse 11a und das Statorblechpaket 7a sind Teil einer Stator-Gehäuse-Anordnung 12a oder bilden diese.
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Darüber hinaus weist die elektrische Maschine 1a einen optionalen Außenmantel 13 auf, welcher das Statorgehäuse 11a radial umgibt. Konkret sitzt der Außenmantel 13 auf optionalen Rippen 14 des Statorgehäuses 11 a, wodurch zwischen dem Statorgehäuse 11a und dem Außenmantel 13 ein Kühlkanal 15 ausgebildet wird.
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Das Statorblechpaket 7a und das Statorgehäuse 11 a sind an mehreren Schweißstellen 16 mit Hilfe des Auffüll-Rührreibpunktschweiß-Verfahrens miteinander verschweißt. Konkret sind die Schweißstellen 16 zwischen den Rippen 14 beziehungsweise im Kühlkanal 15 angeordnet. Grundsätzlich könnten die Schweißstellen 16 aber auch an anderer Stelle angeordnet sein, insbesondere, wenn Rippen 14 oder ein Kühlkanal 15 fehlen.
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2 zeigt nun schematisch die Herstellung der Stator-Gehäuse-Anordnung 12a, konkret die Verschweißung des Statorgehäuses 11a mit dem Statorblechpaket 7a. Die Verschweißung erfolgt mit einem rotierenden Werkzeug 17, das einen Werkzeugaußenteil 18 und einen axial verschiebbaren Werkzeuginnenteil 19 aufweist. Der Werkzeuginnenteil 19 ist in der 2 in einer zurückgezogenen Stellung dargestellt, wodurch zwischen dem Werkzeugaußenteil 18 und dem Werkzeuginnenteil 19 ein Hohlraum ausgebildet wird.
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Beim Schweißvorgang wird das rotierende Werkzeug auf das Statorgehäuse 11a gedrückt, wodurch dieses lokal aufschmilzt. Im weiteren Verlauf wird auch das Statorblechpaket 7a lokal aufgeschmolzen. Durch die Rotationsbewegung kommt es insbesondere auch zu einer Vermischung der Materialien des Statorblechpakets 7a und des Statorgehäuses 11a. Zudem wird die Schmelze in den Hohlraum im Inneren des Werkzeugaußenteils 18 gedrückt.
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Im weiteren Verlauf wird das Werkzeug 17 zurückgezogen (das heißt in der 2 nach oben bewegt), wobei der Werkzeuginnenteil 19 gegenüber dem Werkzeugaußenteil 18 relativ nach unten verschoben wird. Dadurch wird die im Hohlraum befindliche Schmelze zurück nach unten in die Schweißstelle 16 gedrückt. Anders als beim normalen Rührreibpunktschweiß-Verfahren entsteht somit an der Schweißstelle 16 keine Delle, sondern die Schweißstelle 16 ist eben ausgebildet. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass die Schweißstelle 16 prozesssicher flüssigkeitsdicht und gasdicht ausgebildet werden kann, und somit im späteren Betrieb der elektrischen Maschine 1a kein Kühlfluid vom Kühlkanal 15 über die zwischen den Statorblechen 6 angeordneten Spalten in das Innere der elektrische Maschine 1a dringen und diese beschädigen kann. Weiterhin ist von Vorteil, dass die Strömung des Kühlfluids im Kühlkanal 15 durch die Schweißstelle 16 nicht beeinträchtigt wird.
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Das Verfahren zur Herstellung der Stator-Gehäuse-Anordnung 12a für die elektrische Maschine 1a umfasst somit folgende Schritte:
- - Bereitstellen des Statorblechpakets 7a und des Statorgehäuses 11a,
- - Einschieben des Statorblechpakets 7a in das Statorgehäuse 11a und
- - Dauerhaftes Verbinden des Statorblechpakets 7a mit dem Statorgehäuse 11a an mehreren Schweißstellen 16 mit Hilfe des Auffüll-Rührreibpunktschweiß-Verfahrens.
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Aufgrund der hohen Kraft, die mit dem Werkzeug 17 auf die Stator-Gehäuse-Anordnung 12a ausgeübt wird, kann es zweckmäßig sein, das Statorblechpaket 7a vor dem Verschweißen auf eine Auflage 20 aufzulegen, welche das Statorblechpaket 7a innenseitig in einer Rotorbohrung des Statorblechpakets 7a unterstützt, so wie das in der 2 dargestellt ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Statorblechpaket 7a beim Schweißvorgang deformiert wird.
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Durch die Rotationsbewegung beim Auffüll-Rührreibpunktschweiß-Verfahren können insbesondere verschiedene Materialien gut miteinander verschweißt werden, die mit anderen Schweißverfahren nicht oder nur schwer verschweißbar sind. Beispielsweise können die Statorbleche 6 des Statorblechpakets 7a aus Elektroblech und das Statorgehäuse 11a aus Aluminium bestehen.
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3 und 4 zeigen ein weiteres Beispiel einer Stator-Gehäuse-Anordnung 12b, die 3 in Schrägansicht, die 4 im Längsschnitt.
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Vorteilhaft sind die Schweißstellen 16 über einen Umfang und/oder eine Länge des Statorblechpakets 7a, 7b gleichmäßig verteilt. Dadurch können die im Betrieb der elektrischen Maschine 1a zwischen dem Statorblechpakets 7a, 7b und dem Statorgehäuse 11a, 11b auftretenden Kräfte gut übertragen werden. Mit anderen Worten wird das Statorblechpaket 7a, 7b über die Schweißstellen 16 mit dem Statorgehäuse 11a, 11b drehstarr verbunden.
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In den gezeigten Beispielen verlaufen die Rippe 14 beziehungsweise der Kühlkanal 15 in einem weiten Umfangsbereich entlang von Kreisen um die Rotationsachse A. Lediglich in einem engen Umfangsbereich weist der Verlauf der Rippe 14 beziehungsweise des Kühlkanals 15 eine Axialkomponente auf. Denkbar wäre aber auch, dass die Rippe 14 und der Kühlkanal 15 entlang einer Schraubenlinie mit konstanter Steigung verläuft. Weiterhin können auch mehrere parallel durchflossene Kühlmittelkanäle 15 vorgesehen sein, die beispielsweise von einem ersten Sammler ausgehen und in einen zweiten Sammler münden. Insbesondere können die Rippen 14 und Kühlmittelkanäle 15 dann auch in axialer Richtung verlaufen.
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Der Kühlkanal 15 wird in einer betriebsbereiten Anordnung (beispielsweise in einem Fahrzeug) hydraulisch in einen Kühlkreislauf eingebunden, welcher beispielsweise eine Pumpe und einen Kühler umfassen kann. Beispielsweise kann Wasser (insbesondere mit einem Gefrierschutz versetztes Wasser) oder Öl als Wärmeträger im Kühlkreislauf fungieren. Denkbar wäre aber auch, dass ein gasförmiger Wärmeträger im Kühlkreislauf zirkuliert. Möglich ist weiterhin, dass der Außenmantel 13 weggelassen wird, und die elektrische Maschine 1a luftgekühlt ist. Insbesondere können auch bei einer luftgekühlten Maschine 1a Rippen 14 vorgesehen sein, die in axialer Richtung oder in Umfangsrichtung verlaufen.
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An dieser Stelle wird auch angemerkt, dass die elektrische Maschine 1a mit den vorgeschlagenen Maßnahmen nicht nur gekühlt, sondern natürlich auch beheizt werden kann. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 1a bei niedrigen Außentemperaturen vorgeheizt werden.
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Die 5 zeigt schließlich die in ein Fahrzeug 21 eingebaute elektrische Maschine 1. Das Fahrzeug 21 weist zwei Achsen auf, von denen eine angetrieben ist. Konkret ist die elektrische Maschine 1 über ein optionales Getriebe 22 mit den Halbachsen 23 der Hinterachse verbunden. An den Halbachsen 23 sind schließlich die angetriebenen Räder 24 montiert. Die elektrische Maschine 1, das Getriebe 22 und die Halbachsen 23 sind dabei Teil des Antriebsstrangs des Fahrzeugs 21. Der Antrieb des Fahrzeugs 21 erfolgt zumindest teilweise oder zeitweise durch die elektrische Maschine 1. Das heißt, die elektrische Maschine 1 kann zum alleinigen Antrieb des Fahrzeugs 21 dienen oder zum Beispiel im Verbund mit einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen sein (Hybridantrieb).
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Abschließend wird festgehalten, dass der Schutzbereich durch die Patentansprüche bestimmt ist. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Die in den Figuren enthaltenen Merkmale können beliebig ausgetauscht und miteinander kombiniert werden. Insbesondere wird auch festgehalten, dass die dargestellten Vorrichtungen in der Realität auch mehr oder auch weniger Bestandteile als dargestellt umfassen können. Teilweise können die dargestellten Vorrichtungen beziehungsweise deren Bestandteile auch nichtmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a
- elektrische Maschine
- 2
- Welle
- 3
- Rotor
- 4a, 4b
- (Wälz)lager
- 5
- Stator
- 6
- Statorblech
- 7a, 7b
- Statorblechpaket
- 8
- Statorwicklung
- 9
- erstes Lagerschild
- 10
- zweites Lagerschild
- 11a, 11b
- Statorgehäuse
- 12a, 12b
- Stator-Gehäuse-Anordnung
- 13
- Außenmantel
- 14
- Rippe
- 15
- Kühlkanal
- 16
- Schweißstelle
- 17
- Werkzeug
- 18
- Werkzeugaußenteil
- 19
- Werkzeuginnenteil
- 20
- Auflage
- 21
- Fahrzeug
- 22
- Getriebe
- 23
- Halbachse
- 24
- Rad
- A
- Drehachse
