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Die Erfindung betrifft eine Statorkernkühlungsanordnung für einen Statorkern einer elektrischen Antriebsmaschine in einem Kraftfahrzeug, eine Statorkühlung mit einer Statorkernkühlungsanordnung und einer Statorwickelkopfkühlungsanordnung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Statorkernkühlungsanordnung.
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Bei verschiedenen bekannten, elektromotorisch antreibbaren Kraftfahrzeugen wird der Statorkern (synonym auch als Statorblechpaket bezeichnet) mit einem elektrisch nichtleitenden Öl, beispielsweise einem Getriebeöl, als Kühlmittel gekühlt. Hierbei kommt typischerweise ein ÖI-Wasser-Wärmetauscher zum Einsatz, der die eingebrachte Wärme aus dem Öl an den Fahrzeug-Kühlwasserkreislauf abgibt, der zudem normalerweise andere Kühlfunktionen übernimmt. Ein derartiger Kühlölkreislauf ist beispielsweise aus der
DE 10 2019 120 677 A1 bekannt.
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Wenn eine offene Kühlung zum Einsatz kommt, wird das Kühlöl hierbei in der Regel auch zur Kühlung der Statorwickelköpfe verwendet. Ein derartiger Kühlölkreislauf ist beispielsweise aus der
DE 10 2019 215 402 A1 bekannt.
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Bekannten Ölkühlunganordnungen ist gemein, dass sie wegen der höheren Viskosität von Kühlöl im Verhältnis zu anderen Kühlfluiden wie Luft oder Wasser hohe Reibungsverluste verursachen. Dieser Effekt ist weiter verstärkt bei einer offenen Kühlung, wo die höhere Reibung auch in der elektrischen Maschine anfällt.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Kühlung eines Statorkerns bzw. eines Stators zu verbessern.
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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 eine Statorkernkühlungsanordnung für einen Statorkern einer elektrischen Antriebsmaschine in einem Kraftfahrzeug. Die Statorkernkühlungsanordnung weist zumindest auf: (a) einen ersten Kühlölkreislauf, der wenigstens einen ersten Kühlkanal innerhalb einer radialen und einer axialen Erstreckung des Statorkerns aufweist; (b) einen zweiten Kühlölkreislauf, der wenigstens einen zweiten Kühlkanal innerhalb der radialen und der axialen Erstreckung des Statorkerns aufweist; (c) eine Kühlölzuteilung, die dazu eingerichtet ist, beide Kühlkreisläufe unabhängig voneinander mit einem, insbesondere mittels eines Steuermittels bestimmbaren, Kühlölfluss zu beaufschlagen, wobei die Kühlölzuteilung zur Zuteilung eines bestimmten Kühlölflusses insbesondere eine Kühlölpumpe und wenigstens ein Steuerventil oder je Kühlölkreislauf eine unabhängig von der anderen ansteuerbare Kühlölpumpe aufweisen kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart eine Statorkühlung für einen Stator einer elektrischen Antriebsmaschine in einem Kraftfahrzeug, aufweisend eine Statorkernkühlungsanordnung gemäß einer Ausführung der Erfindung und eine Statorwickelkopfkühlungsanordnung, wobei die Statorwickelkopfkühlungsanordnung mit Kühlöl gespeist ist, das an einem axialen Ende wenigstens eines ersten Kühlkanals des ersten Kühlölkreislaufs der Statorkernkühlungsanordnung oder an einem axialen Ende wenigstens eines zweiten Kühlkanals des zweiten Kühllölkreislaufs der Statorkernkühlungsanordnung bereitgestellt wird, d.h. insbesondere, aus dem Kühlkanal ausfließt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart ein Verfahren zum Kühlen eines Statorkerns und/oder eines Stators einer elektrischen Antriebsmaschine in einem Kraftfahrzeug mittels einer Statorkernkühlungsanordnung gemäß einer Ausführung der Erfindung oder einer Statorkühlung gemäß einer Ausführung der Erfindung. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Verfahrensschritte auf, die in der angegebenen oder einer anderen fachgerechten Reihenfolge durchgeführt werden können: (i) Ermitteln eines Betriebszustands der elektrischen Antriebsmaschine; (ii) Schalten eines vorbestimmten Kühlölflusses in der Statorkernkühlungsanordnung in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebszustands.
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Dabei wird insbesondere ein bestimmter Kühlölfluss in einem ersten Kühlölkreislauf und ein Null-Kühlölfluss in einem zweiten Kühlölkreislauf geschaltet, wenn ein Niedriglast-Betriebszustand ermittelt wird.
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Insbesondere wird ein bestimmter Kühlölfluss in dem ersten Kühlölkreislauf und ein bestimmter Kühlölfluss in dem zweiten Kühlölkreislauf geschaltet, wenn ein Hochlast-Betriebszustand ermittelt wird.
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Insbesondere wird ein Null-Kühlölfluss in dem ersten Kühlölkreislauf und ein Null-Kühlölfluss in dem zweiten Kühlölkreislauf geschaltet, wenn ein Kalt-Betriebszustand ermittelt wird.
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Indem zwei unabhängig ansteuerbare Kühlölkreisläufe vorgesehen sind, kann der Statorkern in unterschiedlichen Lastzuständen wirksam gekühlt werden. Wenn bei einem niedrigeren Lastzustand nur einer der Kühlölkreisläufe betrieben wird, kann durch die Abschaltung des anderen Kühlkreislaufs eine hohe Kühlungseffizienz erreicht werden. Wenn bei einem höheren Lastzustand beide Kühlölkreisläufe betrieben werden, kann insgesamt eine sehr große Wärmemenge abtransportiert werden. Eine erfindungsgemäße Statorkernkühlungsanordnung kommt daher insbesondere für Hochleistungs-Kraftfahrzeuge in Betracht und ermöglicht neben der Hochleistungskühlung auch einen energieeffizienten Betrieb.
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Durch die Unabhängigkeit von einem Kühlwasserkreislauf, der im Kraftfahrzeug auch für andere Kühlungsaufgaben - wie beispielsweise eine Innenraumklimatisierung - verwendet wird, kann insbesondere auch ein sehr energieeffizienter Betriebszustand vorgesehen sein, bei dem keiner der beiden Kühlölkreisläufe mit einem Kühlölfluss beaufschlagt wird. Das kann sinnvoll sein, wenn die elektrische Antriebsmaschine im gegenwärtigen Betriebszustand keine Kühlung benötigt - beispielsweise zu Fahrtbeginn oder bei sehr kalten Umgebungsbedingungen.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass speziell für das Degradationsverhalten von elektrischen Antriebsmaschinen in Kraftfahrzeugen eine effiziente Kühlung essenziell ist. Um auch Effizienzzielen (wie beispielsweise einer gewünschten Reichweite eines BEV-Fahrzeugs mit einer HVS-Ladung) gerecht zu werden, ist eine effiziente Kühlung der elektrischen Antriebsmaschine im kundennahen (oft niedriglastigen) Betriebsbereich der elektrischen Antriebsmaschine wichtig.
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Bekannt sind bereits ölgekühlte Statorkühlkonzepte, allerdings mit nur einem Kühlölkreislauf. Anwendungen mit nur einem Kühlölkreislauf zeigen prinzipbedingt relativ hohe hydraulische Verluste (insbesondere durch die Energieaufnahme der Ölpumpe), da dieser einzige Kühlölkreis auf eine thermisch maximale Belastung ausgelegt ist, jedoch im kundennahen Betrieb effizienztechnische Nachteile mit sich bringt (beispielsweise aus Druckverlust, hydraulischer Leistung oder dem Energieverbrauch der Ölpumpe).
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Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, zwei getrennte Kühlölkreisläufe vorzusehen, um den Energieverbrauch im Kundenbetrieb gering zu halten. So kann im kundennahen Bereich einer der Kühlölkreislauf bedient und somit ein effizienterer Betrieb bei der Energieaufnahme der Ölpumpe erreicht werden. In thermisch höher belasteten Betriebsfällen kann die Kühlungswirkung der Statorkernkühlanordnung durch eine Zuschaltung des zweiten Kühlölkreislaufs sichergestellt werden.
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Gemäß einer Ausführung ist der wenigstens eine erste Kühlkanal des ersten Kühlölkreislaufs radial weiter innen in dem Statorkern angeordnet als der wenigstens eine zweite Kühlkanal des zweiten Kühlölkreislaufs.
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So kann beispielsweise der erste Kühlölkreislauf zum Abtransport von Wärmemengen aus häufigen Betriebszuständen verwendet werden, bei denen keine extreme Wärmemenge abgeführt werden muss. Dazu sind dann insbesondere die kürzeren, radial weiter innen angeordneten Kühlkanäle ausreichend, einhergehend mit einer geringeren benötigten Pumpleistung. Damit wird ein sehr effizienter Normalbetrieb der Kühlungsanordnung ermöglicht, wenn der zweite Kühlölkreislauf in diesen Fällen nicht mit Kühlöl versorgt wird.
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Der zweite, radial weiter außen wirkende Kühlölkreislauf kann wegen der radial äußeren Positionierung über eine größere Kühlkanallänge eine größere Wärmekontaktfläche bereitstellen und daher in Hochlast-Betriebsfällen eine maximale Wärmemenge abführen, insbesondere im Zusammenwirken mit dem weiterhin betriebenen ersten Kühlölkreislauf.
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Gemäß einer Ausführung endet wenigstens ein erster Kühlölkanal und/oder wenigstens ein zweiter Kühlölkanal an einem Ende einer Axialerstreckung des Statorkerns offen, insbesondere sodass an dem Ende Kühlöl zur Kühlung eines Statorwickelkopfs ausgelassen werden kann.
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Damit kann eine nasse Ölkühlung im Arbeitsraum der elektrischen Antriebsmaschine umgesetzt werden, insbesondere zur Kühlung der Statorwickelköpfe. In diesem Fall weist das Maschinengehäuse einen Ölsumpf zum Sammeln des Kühlöls auf, das zum Kühlen der Statorwickelköpfe und ggf. weiteren darin angeordneter Komponenten auf, aus dem heraus die Kühlölpumpe(n) mit Kühlöl versorgt wird.
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Unter einem Statorkern ist vorliegend insbesondere das Statorblechpaket des Stators zu verstehen. Zusätzlich zu den Ausnehmungen für die Wicklungen im Statorkern weist vorliegend ein Statorkern insbesondere zusätzlich Ausnehmungen für wenigstens einen ersten Kühlkanal wenigstens einen zweiten Kühlkanal auf.
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Unter einem Kühlölkreislauf ist vorliegend insbesondere ein Kreislauf zur Förderung und Führung von Kühlöl zu verstehen, der insbesondere wenigstens einen Kühlkanal aufweist, sowie eine Ölpumpe, die den Kühlkanal mit Kühlöl versorgt. Des Weiteren kann der Kühlkreislauf ein Ölreservoir aufweisen, in welchem sich Kühlöl aus dem Kühlkanal sammeln kann und aus welchem die Ölpumpe mit zu pumpendem Öl versorgt wird.
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Unter einem Kühlkanal ist vorliegend insbesondere eine Ausnehmung im Statorkern zu verstehen, welche insbesondere längsaxial im Statorkern sich erstreckt und zur Führung eines durch die Ölpumpe aufbringbaren Kühlölflusses ausgebildet ist.
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Unter einem Kühlölfluss ist vorliegend insbesondere Kühlöl zu verstehen, dass mittels der Ölpumpe mit einer bestimmten Flussrate durch einen Kühlkreislauf, insbesondere einen Kühlkanal, gefördert wird, um Wärme abzuführen, die an den Wänden eines Kühlkanals anliegt.
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Unter einem Steuermittel ist vorliegend insbesondere ein Software- und/oder Hardware-Bestandteil eines Steuergeräts des Kraftfahrzeugs zu verstehen, das dazu eingerichtet ist, die Ölpumpe so anzusteuern, dass ein gewünschter Kühlölfluss in den Kühlkanälen zustande kommt. Gegebenenfalls ist der Steuermittel auch dazu eingerichtet, ein Schaltventil so anzusteuern, dass ein Kühlölfluss in einem oder beiden der Kühlkreisläufe mit einer jeweils gewünschten Flussrate zustande kommt.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren:
- Fig. zeigt eine Statorkühlung mit einer Statorkernkühlungsanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung.
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In der Fig. sind Kühlölflüsse mittels doppelt gestrichener Pfeile dargestellt, die im Falle eines Kühlölflusses innerhalb einer Leitung durchgezogen, in Bereichen von freiem Kühlölfluss gebrochen dargestellt sind.
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Ein Stator 2 und ein Rotor 3 sind lediglich oberhalb einer Drehachse dargestellt, die in der Fig. als Längsachse L des Stator eingetragen ist.
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Alle Komponenten und Kühlölflüsse abseits des Stators 3 und unterhalb der Längsachse L sind rein schematisch dargestellt.
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Die Fig. zeigt eine Statorkühlung 1 für einen Stator 2 einer elektrischen Antriebsmaschine 4 in einem Kraftfahrzeug. Die Statorkühlung 1 weist eine Statorkernkühlungsanordnung 6 zur Kühlung eines Statorkerns 7 des Stators 2 und eine Statorwickelkopfkühlungsanordnung 8 zur Kühlung der Statorwickelköpfe 9 (9.1 und 9.2 in der Figur) auf.
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Die Statorkernkühlungsanordnung 6 weist einen ersten Kühlölkreislauf 10 auf. Der erste Kühlölkreislauf 10 wird mittels einer Ölpumpe P betrieben, die mittels eines Steuermittels S angesteuert werden kann, und verläuft von und bis zu einem Ölreservoir R, das innerhalb eines Maschinengehäuses G der elektrischen Antriebsmaschine 4 angeordnet ist. Von dem Ölreservoir verläuft eine Ölleitung hin zu der Ölpumpe P.
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Stromabwärts der Ölpumpe P ist ein Dreiwege-Steuerventil V angeordnet, das ebenfalls mittels des Steuermittels S angesteuert werden kann. Stromabwärts des Ventils V ist eine Zuführ-Ölleitung des ersten Kühlölkreislaufs 10 hin zu mehreren, in Umfangsrichtung des Statorkerns verteilten, ersten Kühlkanälen 11 des ersten Kühlölkreislaufs 10 angeordnet, die Kühlöl aus der Ölpumpe bei einer entsprechenden Ventilstellung hin zu den ersten Kühlkanälen 11 leiten kann.
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Die ersten Kühlkanäle 11 sind an einer Radialposition I im Innenbereich des Statorkerns 7 angeordnet, und enden beiderseits an den axialen Begrenzungen des Statorkerns 7 mit jeweils einem auf die zugehörigen Statorwickelköpfe 9 gerichteten Ausfluss.
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Die Statorkernkühlungsanordnung 6 weist zudem einen zweiten Kühlölkreislauf 12 auf, der an von dem Ölreservoir R bis hin zu dem Ventil V gemeinsam mit dem ersten Kühlölkreislauf 10 ausgebildet ist.
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Stromabwärts des Ventils V ist eine Zuführ-Ölleitung des zweiten Kühlölkreislaufs 12 hin zu mehreren, in Umfangsrichtung des Statorkerns verteilten, zweiten Kühlkanälen 13 des zweiten Kühlölkreislaufs 12 angeordnet, die Kühlöl aus der Ölpumpe bei einer entsprechenden Ventilstellung hin zu den zweiten Kühlkanälen 13 leiten kann.
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Die zweiten Kühlkanäle 13 sind an einer Radialposition A im Außenbereich des Statorkerns 7 angeordnet, und enden beiderseits an den axialen Begrenzungen des Statorkerns 7 mit jeweils einem auf die zugehörigen Statorwickelköpfe 9 gerichteten Ausfluss.
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Die Ölpumpe P und das Ventil V bilden eine Kühlölzuteilung 20 aus, die dazu eingerichtet ist, beide Kühlkreisläufe 10 und 12 unabhängig voneinander mit einem Kühlölfluss zu beaufschlagen, wobei die Kühlölpumpe P für die Bereitstellung der benötigten Flussrate und das Ventil V für die gewünschte Verteilung des Kühlölflusses auf die beiden Kühlölkreisläufe 10 und 12 eingesetzt wird.
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Die Statorwickelkopfkühlungsanordnung 8 ist als Spritzölkühlung ausgebildet und ist mit Kühlöl gespeist, das an den Ausflüssen der Kühlkanäle 11 und 13 durch den Förderdruck der Kühlölpumpe ausspritzt. Damit wird die Wärmeabfuhr von den Statorwickelköpfen 9 erreicht.
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Das Kühlöl tropft anschließend von den Statorwickelköpfen 9 ab in das Ölreservoir R und kann erneut von der Kühlölpumpe P angesaugt werden. Beide Kühlkreisläufe 10 und 12 sind damit geschlossen.
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Ein gegebenenfalls benötigter Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme aus dem erwärmten Öl ist in der Figur nicht dargestellt, kann aber fachgerecht in dem gemeinsam ausgebildeten Teil der beiden Kühlkreisläufe 10 und 12 zwischen den Ölreservoir P und dem Ventil V ausgebildet und angeordnet sein.
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In einem regulären Betrieb des Kraftfahrzeugs steuert das Steuermittel S die Kühlölpumpe P und das Ventil V in Abhängigkeit von einem ermittelten Betriebszustand der elektrischen Antriebsmaschine 4 an.
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Zur Ermittlung des Betriebszustands der elektrischen Antriebsmaschine vier greift das Steuermittel S auf im Fahrzeug verfügbare Daten, beispielsweise zu Temperaturen der verschiedenen Komponenten der elektrischen Antriebsmaschine vier und/oder der Umgebung zurück. Gegebenenfalls kann auch auf modellierte Zusammenhänge zwischen einer Lastanforderung durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs und einer Temperaturbelastung des Stators zurückgegriffen werden.
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Wenn dabei ein Niedriglast-Betriebszustand ermittelt wird, wird ein geeigneter, vorbestimmter Kühlölfluss in dem ersten Kühlölkreislauf und ein Null-Kühlölfluss in dem zweiten Kühlölkreislauf geschaltet. Auf diese Weise ergibt sich eine effiziente Kühlung bei häufig auftretenden Betriebssituationen.
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Wenn ein Hochlast-Betriebszustand ermittelt wird, wird ein geeigneter, vorbestimmter Kühlölfluss in dem ersten Kühlölkreislauf und ein geeigneter, vorbestimmter Kühlölfluss in dem zweiten Kühlölkreislauf geschaltet, wodurch eine ausreichende und wirksame Wärmeabfuhr auch bei Hochleistung gewährleistet ist.
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Wenn ein Kalt-Betriebszustand ermittelt wird, wird ein Null-Kühlölfluss in dem ersten Kühlölkreislauf und ein Null-Kühlölfluss in dem zweiten Kühlölkreislauf geschaltet. Durch das Vorsehen zweier komplett unabhängig betreibbarer Kühlölkreisläufe 10 und 12 kann die Kühlung auch komplett abgeschaltet werden und der entsprechende Effizienzgewinn realisiert werden. Dies ist beispielsweise bei Wassermantelkühlungen, deren Kühlkreislauf auch andere Kühlaufgaben im Kraftfahrzeug übernimmt, nicht immer ohne weiteres möglich.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Statorkühlung
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- elektrische Antriebsmaschine
- 6
- Statorkernkühlungsanordnung
- 7
- Statorkern
- 8
- Statorwickelkopfkühlungsanordnung
- 9
- Statorwickelköpfe
- 10
- erster Kühlölkreislauf
- 11
- Kühlkanälen
- 12
- zweiter Kühlölkreislauf
- 13
- zweite Kühlkanäle
- 20
- Kühlölzuteilung
- A
- Radialposition im Außenbereich des Statorkerns
- I
- Radialposition im Innenbereich des Statorkerns
- G
- Maschinengehäuse
- L
- Längsachse
- P
- Ölpumpe
- R
- Ölreservoir
- S
- Steuermittels
- V
- Dreiwege-Steuerventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019120677 A1 [0002]
- DE 102019215402 A1 [0003]
