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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen elektrischen Antriebsmotor für Kraftfahrzeuge, sowie eine elektrische Maschine mit einem Doppelmantelgehäuse.
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Aus der
DE 10 2007 033 457 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt. Die bekannte elektrische Maschine weist ein Gehäuse und einen Stator auf, der an dem Gehäuse befestigt sein kann. Der Stator weist Wicklungen aus Kupferdraht auf, die mit Epoxyd-Harz an jedem vorstehenden Teil umgeben sind. Ein Kühlmedium kann nach innen über eine oder mehrere Einlassdüsen geleitet werden, um auf Wicklungen des Stators zu spritzen und diese zu kühlen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen elektrischen Maschine möglich.
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Vorteilhaft ist es, dass die isolierende Kappe einen Grundkörper und zumindest einen an einer äußeren Mantelfläche des Grundkörpers vorgesehenen Steg aufweist, der eine Wand der Kammer ausbildet. Der Grundkörper kann hierbei zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Längsachse ausbildet sein. Insbesondere durch den Grundkörper kann eine vorteilhafte Isolation gegenüber dem Gehäuse, das als Blechgehäuse ausbildet sein kann, gewährleistet werden. Durch die Ausgestaltung des Stegs kann in vorteilhafter Weise eine Geometrie der Kammer für das Kühlfluid vorgegeben werden.
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Vorteilhaft ist es, dass sich der Steg der isolierenden Kappe von dem Grundkörper zumindest näherungsweise radial nach außen bis an eine innere Mantelfläche des inneren Gehäusemantels erstreckt und dass die innere Mantelfläche des inneren Gehäusemantels die Kammer begrenzt. Vorteilhaft ist es auch, dass der innere Gehäusemantel einen radial nach innen geführten Abschnitt aufweist, der eine stirnseitige Wand der Kammer bildet. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Kammer zwischen der isolierenden Kappe und dem inneren Gehäusemantel gebildet werden. Hierbei kann die isolierende Kappe vergleichsweise einfach hergestellt werden. Vorteilhaft ist es in entsprechender Weise, dass der Steg der isolierenden Kappe eine U-förmig gebogene Wand der Kammer ausbildet.
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Vorteilhaft ist es, dass die isolierende Kappe mehrere Stege aufweist, die sich jeweils von dem Grundkörper zumindest näherungsweise radial nach außen bis an die innere Mantelfläche des inneren Gehäusemantels erstrecken, und dass die isolierende Kappe mittels der an der inneren Mantelfläche des inneren Gehäusemantels anliegenden Stege bezüglich einer Längsachse, also speziell einer Rotationsachse des Rotors, zentriert ist. Somit kann über die Stege, die die Kammern bilden, zugleich eine Ausrichtung der isolierenden Kappe im Gehäuse erzielt werden.
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Vorteilhaft ist es auch, dass die isolierende Kappe zwischen dem Stator und dem Gehäuse eingeklemmt ist. Dadurch kann auf zusätzliche Befestigungsmittel verzichtet werden. Vorteilhaft ist es ferner, dass die isolierende Kappe zumindest entlang einer Längsachse elastisch verformbar ist und dass die isolierende Kappe zwischen dem Stator und dem Gehäuse zumindest entlang der Längsachse elastisch verformt eingeklemmt ist. Durch diese Maßnahmen kann eine sichere und klapperfreie Befestigung der isolierenden Kappe im Gehäuse ermöglicht werden. Vorteilhaft ist es bei einer möglichen Ausgestaltung somit ebenfalls, dass das Gehäuse ein Lagerschild aufweist und dass die isolierende Kappe zumindest teilweise zwischen dem Wickelkopf und dem Lagerschild angeordnet ist. Hierdurch kann der Wickelkopf in vorteilhafter Weise gegenüber dem Lagerschild isoliert werden.
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Vorteilhaft ist es, dass ein Grundkörper der isolierenden Kappe zumindest eine Öffnung, insbesondere zumindest eine Bohrung, aufweist, durch die der Ausgang aus der Kammer zum Wickelkopf hin gebildet ist. Je nach Anwendungsfall können hierbei auch zwei oder mehr Öffnungen, insbesondere Bohrungen, vorgesehen sein, um eine größere Verteilung des Kühlfluids auf den Wickelkopf zu ermöglichen. Die Öffnung des inneren Gehäusemantels kann in vorteilhafter Weise als Bohrung ausgestaltet sein. Hierdurch kann diese in einfacher Weise realisiert werden.
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Die isolierende Kappe kann zumindest im Wesentlichen aus zumindest einem isolierenden Kunststoff gebildet sein. Dadurch wird die isolierende Kappe isolierend ausgebildet. Die isolierende Kappe ist vorzugsweise einstückig ausbildet.
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Vorteilhaft ist es, dass ein äußerer Gehäusemantel vorgesehen ist, der mit dem inneren Gehäusemantel verbunden ist, und dass zwischen dem inneren Gehäusemantel und dem äußeren Gehäusemantel sich zumindest im Wesentlichen koaxial zu einer Rotationsachse erstreckende Kühlkanäle ausgebildet sind. Vorzugsweise sind der innere Gehäusemantel und der äußere Gehäusemantel Teile eines Doppelmantelgehäuses. Der innere Gehäusemantel und der äußere Gehäusemantel können hierbei aus Blechen gebildet sein. Durch die Kühlkanäle kann eine Mantelkühlung für den Stator realisiert werden. Der innere Gehäusemantel kann dann als Kühlmantel ausgebildet sein. Das Kühlfluid für die Kammer beziehungsweise die Kammern kann dann beispielsweise von dem durch die Kühlkanäle oder zu den Kühlkanälen geführten Kühlfluid abgezweigt werden.
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Vorteilhaft ist es, dass in dem Kühlfluidraum eine Umlenkung einer durch die Kühlkanäle geführten Kühlfluidströmung von einem Kühlkanal in einen umfänglich benachbarten Kühlkanal erfolgt. Hierdurch kann beispielsweise ein Umlenkraum als Kühlfluidraum dienen.
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Bei einer abgewandelten Ausgestaltung ist es vorteilhaft, dass in dem Kühlfluidraum eine Aufteilung einer in den Kühlfluidraum geführten Kühlfluidströmung auf zwei umfänglich benachbarte Kühlkanäle erfolgt. Hierdurch kann beispielsweise ein Raum, in den das Kühlfluid von einer Pumpe geförderte wird oder aus dem das Kühlfluid aus dem Gehäuse zu einer Pumpe geführt wird, als Kühlfluidraum dienen.
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Vorteilhaft ist es, dass mehrere Kammern vorgesehen sind, die oberhalb einer Längsachse angeordnet sind. Hierdurch kann das Kühlfluid zunächst zumindest im Wesentlichen in einer oberen Hälfte auf die Wicklungen geführt werden. Von dort kann es dann aufgrund der Schwerkraft auf die darunterliegenden Wicklungen gelangen.
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Je nach Ausgestaltung und Anwendungsfall können als Kühlfluid geeignete flüssige, dielektrische Fluide zum Einsatz kommen. Vorzugsweise kommt ein auf Öl basierendes Kühlfluid zum Einsatz.
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Figurenliste
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine elektrische Maschine mit einem als Doppelmantelgehäuse ausgebildeten Gehäuse und einer isolierenden Kappe in einer schematischen, räumlichen und teilweise geöffneten Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2 die in 1 dargestellte elektrische Maschine in einer auszugsweisen, räumlichen Darstellung, wobei ein Anschnitt nahe an einer Stirnseite erfolgt;
- 3 die in 1 dargestellte elektrische Maschine in einer auszugsweisen, radialen Schnittdarstellung im Bereich der Stirnseite, wobei eine Kammer zwischen der isolierenden Kappe und einem inneren Gehäusemantel gezeigt ist;
- 4 eine isolierende Kappe der in 1 dargestellten elektrischen Maschine in einer räumlichen Darstellung und
- 5 den in 3 dargestellten Ausschnitt entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine elektrische Maschine 100 mit einem als Doppelmantelgehäuse 101 ausgebildeten Gehäuse 101 in einer schematischen, räumlichen und teilweise geöffneten Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel. Die elektrische Maschine 100 eignet sich insbesondere als elektrischer Antriebsmotor 100 für Kraftfahrzeuge.
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Die tragende Struktur des Doppelmantelgehäuses 101 umfasst einen äußeren Gehäusemantel 1 und einen inneren Gehäusemantel 2, die topfförmig ausgestaltet sind. Der äußere Gehäusemantel 1 ist hierbei weitgehend außenliegend angeordnet, während das innere Gehäusemantel 2 weitgehend innenliegend angeordnet ist. Die Gehäusemäntel 1, 2 können aus Stahlblech ausgeformt werden, was insbesondere durch Tiefziehen erfolgen kann. Die Gehäusemäntel 1, 2 sind über Verbindungen 3 miteinander verbunden, die als Punkt- oder Rollnahtschweißungen 3 oder auch als Klebe- oder Lötverbindungen 3 ausgestaltet sein können. Die elektrische Maschine 100 weist eine erste Stirnseite 4 und eine zweite Stirnseite 5 auf. Die erste Stirnseite 4 kann hierbei beispielsweise eine A-Seite sein, während die zweite Stirnseite 5 eine B-Seite der elektrischen Maschine 100 sein kann.
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2 zeigt die in 1 dargestellte elektrische Maschine 100 in einer auszugsweisen, räumlichen Darstellung, wobei ein Anschnitt nahe an der zweiten Stirnseite 5 erfolgt. Zur Aufnahme eines Lagers an der zweiten Stirnseite 5 dient ein Lagerring 6, der als Stahldrehteil ausgestaltet sein kann. Der Lagerring 6 kann beispielsweise von innen in das Doppelmantelgehäuse 101 eingepresst und über eine geeignete Verbindung gesichert werden. Die Verbindung kann hierbei als Schweißverbindung ausgestaltet sein. Im Flanschbereich, also an der Schnittstelle zum Getriebegehäuse zu der ersten Stirnseite 4 hin, kann beispielsweise ein Verstärkungsring, der als Stanzteil ausgestaltet sein kann, für eine bessere Pressungsverteilung in einer Dichtfuge eingesetzt werden. Das Doppelmantelgehäuse 101 kann direkt mit einem Stator-Blechpaket 7 über eine Verbindung 8 verbunden werden, die als Schweiß-, Klebe-, Press- oder Lötverbindung 8 ausgestaltet sein kann.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die Gehäusemäntel 1, 2 des Doppelmantelgehäuses 101 so ausgestaltet, dass eine mäanderförmige Durchströmung des Doppelmantelgehäuses 101 mit einem Kühlfluid zur Kühlung der elektrischen Maschine 100, insbesondere am Statorjoch, möglich ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind hierfür an dem Doppelmantelgehäuse 101 Verbindungskammern 9, 10 an der ersten Stirnseite 4, Verbindungskammer 12, 13 an der zweiten Stirnseite 5 und Längskanäle (Kühlkanäle) 14 bis 17 vorgesehen. Zur Vereinfachung der Darstellung sind hierbei nur die Verbindungskammern 9, 10, 12, 13 und die Längskanäle 14 bis 17 gekennzeichnet. Die Längskanäle 14 bis 17 erstrecken sich koaxial zu einer Längsachse 20. Geeignete Fluidanschlüsse können an der ersten Stirnseite 4 vorgesehen sein. Dadurch kann eine mäanderförmige Durchströmung der Längskanäle 14 bis 17 über den Umfang der elektrischen Maschine 100 erreicht werden. Der innere Gehäusemantel 2 kann dann als Kühlmantel 2 dienen. Bei einer abgewandelten Ausgestaltung kann auch eine parallele Durchströmung der Längskanäle 14 bis 17 erfolgen.
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Der äußere Gehäusemantel 1 ist mit dem inneren Gehäusemantel 2 derart verbunden, dass - zwischen dem inneren Gehäusemantel 2 und dem äußeren Gehäusemantel 1 Kühlkanäle 14-17 ausgebildet sind, die sich beispielsweise zumindest im Wesentlichen koaxial zu einer Längsachse 20 erstrecken, und dass -in dem Kühlfluidraum 25-28 eine Umlenkung einer durch die Kühlkanäle 14-17 geführten Kühlfluidströmung von einem Kühlkanal 14-17 in einen umfänglich benachbarten Kühlkanal 14-17 erfolgt oder eine Aufteilung einer in den Kühlfluidraum 25-28 geführten Kühlfluidströmung auf zwei umfänglich benachbarte Kühlkanäle 14-17 erfolgt.
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In der Verbindungskammer 12 erfolgt nach dem Ausführungsbeispiel beispielsweise eine Umlenkung zwischen den Längskanälen 14, 15. In der Verbindungskammer 13 erfolgt beispielsweise eine Umlenkung zwischen den Längskanälen 16, 17.
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Im Folgenden wird die Ausgestaltung der elektrischen Maschine 100 des ersten Ausführungsbeispiels auch unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschrieben.
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3 zeigt die elektrische Maschine 100 in einer auszugsweisen, radialen Schnittdarstellung im Bereich der zweiten Stirnseite 5. Die elektrische Maschine 100 weist einen in dem Gehäuse 101 angeordneten Stator 21 auf, der das Stator-Blechpaket 7 umfasst. Außerdem ist ein Wickelkopf 22 einer Statorwicklung 23 des Stators 21 dargestellt. Die Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels ist für den an der zweiten Stirnseite 5 angeordneten Wickelkopf 22 beschrieben. In entsprechender Weise kann eine Ausgestaltung für einen an der ersten Stirnseite 4 vorgesehenen Wickelkopf (nicht dargestellt) der Statorwicklung 23 realisiert sein.
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In dem Gehäuse 101 sind Kühlfluidräume 25 bis 28 ausgebildet, die jeweils bezüglich der Längsachse 20 der elektrischen Maschine 100 radial beabstandet zu dem Wickelkopf 22 der Statorwicklung 23 angeordnet sind. Der Gehäusemantel 2 ist zwischen den Kühlfluidräumen 25 bis 28 und dem Wickelkopf 22 angeordnet. Hierbei begrenzt der Gehäusemantel 2 die Kühlfluidräume 25 bis 28 zum Wickelkopf 22 hin. Ferner sind an dem Gehäusemantel 2 Öffnungen 30 bis 33 in Form von Bohrungen 30 bis 33 ausgebildet.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kühlfluidraum 25 durch die Verbindungskammer 13 gebildet. Ferner ist der Kühlfluidraum 26 durch die Verbindungskammer 12 gebildet. Die Kühlfluidräume 27, 28 sind in entsprechender Weise durch weitere Verbindungskammern gebildet. Dadurch kann der jeweilige Kühlfluidraum 25 bis 28 je nach Durchströmung der Längskanäle 14 bis 17 und der weiteren Längskanäle aus zumindest einem betreffenden Längskanal gespeist werden.
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4 zeigt eine isolierende Kappe zur Führung der Fluidströmung der elektrischen Maschine 100 in einer räumlichen Darstellung. Die isolierende Kappe 35 ist in das Gehäuse 101 eingesetzt und zwischen dem Gehäusemantel 2 und dem Wickelkopf 22 angeordnet. Zwischen der isolierenden Kappe 35 und dem Gehäusemantel 2 sind Kammern 36 bis 39 ausgebildet. Durch die in dem Gehäusemantel 2 ausgebildeten Öffnungen 30 bis 33 wird im Betrieb das Kühlfluid aus dem jeweiligen Kühlfluidraum 25 bis 28 zum Wickelkopf 22 hin in die Kammern 36 bis 39 geführt.
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Ferner sind zum Spritzen des Kühlfluids aus den Kammer 36 bis 39 auf den Wickelkopf 22 Ausgänge 41 bis 44 aus den Kammern 36 bis 39 zum Wickelkopf 22 hin vorgesehen. Die Kammer 36 bis 39 und die Öffnungen 30 bis 33 des Gehäusemantels 2 sind hierbei in aufeinander abgestimmte Weise ausgestaltet und angeordnet. Die Ausgänge 41 bis 44 und die Öffnungen 30 bis 33 können durch Bohrungen gebildet sein. Insbesondere die Ausgänge 41 bis 44 können eine besondere Düsenform aufweisen welche die Verteilung des Kühlfluids auf den Wickelköpfen 22 optimiert, so dass ein gute gleichmäßige Kühlung gewährleistet ist. Die Anzahl der Kammern 36 bis 39 am Umfang inkl. der Öffnungen 41 bis 44 richtet sich nach dem Kühlbedarf der Wickelköpfe und kann bei Bedarf erhöht werden.
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Die isolierende Kappe 35 umfasst einen Grundkörper 45 und an einer äußeren Mantelfläche 46 des Grundkörpers 46 vorgesehene Stege 47 bis 50. Durch die Stege 47 bis 50 sind im montierten Zustand der isolierenden Kappe 35 Wände 47 bis 50 der Kammern 36 bis 39 ausbildet. Jeder der Stege 47 bis 50 erstreckt sich von dem Grundkörper 45 zumindest näherungsweise radial nach außen bis an eine innere Mantelfläche 51 des Gehäusemantels 2. Die innere Mantelfläche 51 des Gehäusemantels 2 begrenzt dadurch ebenfalls die Kammern 36 bis 39. Durch die Anordnung und Ausgestaltung der Stege 47 bis 50 ist die isolierende Kappe 35 im montierten Zustand dann mittels der an der inneren Mantelfläche 51 des Gehäusemantels 2 anliegenden Stege 47 bis 50 bezüglich der Längsachse 20 zentriert. Die isolierende Kappe weist am inneren Durchmesser einen Ring 60 auf, der das Ablaufen des Kühlfluids von den Wickelköpfen 22 weg verhindert.
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In diesem Ausführungsbeispiel bildet jeder der Stege 47 bis 50 eine U-förmig gebogene Wand 47 bis 50 der jeweiligen Kammer 36 bis 39 aus. Die Wände 47 bis 50 können dadurch hufeisenförmig ausgestaltet sein. Zusätzlich weist der Gehäusemantel 2 einen radial nach innen geführten Abschnitt 52 auf, der eine stirnseitige Wand 53 der Kammern 36 bis 39 bildet. Da der Gehäusemantel 2 topfförmig ist, kann der Abschnitt 52 hier ein Lagerschild 52` bilden. Somit ist jede der Kammern 36 bis 39 durch das Zusammenwirken der isolierenden Kappe 35 mit dem inneren Gehäusemantel 2 eingeschlossen, wobei ein Zulauf des Kühlfluids über die Öffnungen 30 bis 33 und ein Ablauf des Kühlfluids über die Ausgänge 41 bis 44 realisiert ist. Bei einem entsprechend hohen Druck des Kühlfluids wird dieses dann auf Wicklungen des Wickelkopfs 22 gespritzt. Da mehrere Kammern 36 bis 39 vorgesehen sind, wird das Kühlfluid verteilt auf den Wickelkopf 22 gespritzt. Hierbei sind die Kammern 36 bis 39 oberhalb der Längsachse 20 angeordnet, da die darunter liegenden Wicklungen durch das herabfließende Kühlmittel oder im Sumpf der elektrischen Maschine 100 gekühlt werden können. Vorzugsweise werden die oberen 120° des Wickelkopfes 22 aus den Ausgängen 41 bis 44 direkt beölt. Dadurch kann eine homogene Kühlung der Wicklungsstäbe erreicht werden. Die Längsachse 20 kann durch eine Rotationsachse 20 eines Rotors 55 (3) der elektrischen Maschine 100 gegeben sein.
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Zur Befestigung der isolierenden Kappe 35 wird die isolierende Kappe 35 zwischen dem Stator 21 und dem Gehäuse 101 eingeklemmt. Hierbei ist die isolierende Kappe 35 entlang der Längsachse 20 elastisch verformbar. Im montierten Zustand ist die isolierende Kappe 35 dann elastisch verformt eingeklemmt und über die Stege 47 bis 50 zentriert, so dass ohne weitere Befestigungsmittel eine zuverlässige und wackelfreie Befestigung gegeben ist. Die isolierende Kappe 35 ist aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet. Der innere Gehäusemantel 2 liegt vorzugsweise in einem Bereich 54 (3) an dem Grundkörper 45 der isolierenden Kappe 35 an, so dass die Kammer 37 hierdurch abgedichtet ist.
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Die isolierende Kappe 35 erfüllt mehrere Funktionen. Durch die isolierende Kappe 35 ist der Wickelkopf 22 gegenüber dem als Blech- beziehungsweise Metallgehäuse ausgebildeten Gehäuse 101 isoliert. Ferner ist durch die isolierende Kappe 35 die Ausbildung der Kammern (Vorräume) 36 bis 39 realisiert. Außerdem können die Ausgänge 41 bis 44 nahe an den Wicklungen des Wickelkopfes 22 angeordnet sein, da die isolierende Kappe anders als das Gehäuse 101 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gebildet ist.
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5 zeigt den in 3 dargestellten Ausschnitt entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. Hierbei sind neben dem Ausgang 42 der Kammer 37 noch weitere Ausgänge 42', 42" vorgesehen, so dass das Kühlmittel entlang der Längsachse 20 breiter über die Wicklungen des Wickelkopfes 22 verteilt ist. Dies kann in entsprechender Weise auch an den anderen Kammern 36, 38, 39 realisiert sein.
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Durch die effiziente Kühlung des Wickelkopfes 22 ist es möglich, die elektrische Maschine 100 zu kühlen und die Dauerleistung des Systems zu erhöhen. Gegebenenfalls kann dann auf eine Mantelkühlung verzichtet werden, so dass im Aufbau des Gehäuses 101 signifikant Kosten gespart werden können. Diese gilt insbesondere für Wickelköpfe 22 mit Steckwicklung, da diese in Lagen aufgefächert sind und somit keine Wärmeleitung in Querrichtung erlauben. Somit ist besonders in diesem Fall in besonderer Weise auf die Verteilung des Kühlfluids (Öls) um den Wickelkopf 22 zu achten, um Hotspots (lokale Temperaturüberhöhungen) zu verhindern. Durch die vorgeschlagene Lösung kann eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels (Öls) in und zwischen den Lagen des Wickelkopfs 22 ermöglicht werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007033457 A1 [0002]
