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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Beschreibung bezieht sich allgemein auf Verfahren und Systeme zur Kühlung eines Elektromotors, genauer gesagt auf die Kühlung der Bleche eines Rotors und der Endwicklungen eines Stators des Elektromotors.
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HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG
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Die Erfinder haben erkannt, dass es zur Erreichung des erwünschten Maßes an Leistung und Zuverlässigkeit eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs wünschenswert ist, die Temperatur eines Elektromotors, der das Fahrzeug antreibt, unabhängig von den Umgebungsbedingungen oder den Fahrbedingungen des Fahrzeugs innerhalb eines bestimmten Betriebsbereichs beizubehalten Im Elektromotor ist eine verstärkte Kühlung erwünscht, um einen hohen kontinuierlichen Drehmomentverlauf zu gewährleisten. Eine übermäßige Erwärmung der Magnete in einem Rotor des Motors kann zu einer verminderten Leistung, Entmagnetisierung und einer verkürzten Lebensdauer aufgrund von Verschleiß führen.
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Beispielsweise kann der Rotor durch einen passiven (oder aktiven) Luftstrom gekühlt werden, der auch die Wicklungen des Stators des Elektromotors kühlen kann. Aufgrund der im Rotor und im Stator erzeugten Wärme kann die Lufttemperatur jedoch 100°C überschreiten, was die Möglichkeit einer weiteren Wärmeabfuhr und Kühlung einschränkt. Als weiteres Beispiel kann Wasser zur Kühlung des Rotors verwendet werden. Aufgrund des hohen Kontaktwiderstandes zwischen den Blechpaketen des Rotors und der Rotorwelle kann sich die Kühlleistung des Wassers jedoch verringern. Außerdem darf Wasser aufgrund seiner leitenden Eigenschaften nicht zur Kühlung der Rotorlaminierungen verwendet werden.
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Wie bereits erwähnt, wurden die oben genannten Probleme von den Erfindern erkannt.
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Die Erfinder haben daher erkannt, dass ein robustes Kühlsystem für den Elektromotor erwünscht ist, welche eine ausreichende Kühlung für einen verbesserten Leistungsbereich des Motors bietet. In einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Kühlsystem für einen Elektromotor: einen primären Kühlkanal durch eine Rotorwelle, der mit einer Vielzahl sekundärer Kanäle durch Blechpakete eines Rotors verbunden ist, die so eingerichtet sind, dass sie Kühlmittel in einem zentralen Bereich der Blechpakete aufnehmen. Auf diese Weise wird ein geschlossener Kühlmittelweg zwischen einer Pumpe, einer Rotorwelle, Rotorblechpaketen, Ausgleichsplatten und Statorendwicklungen gebildet.
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Es versteht sich, dass die obige kurze Beschreibung dazu vorgesehen ist, in vereinfachter Form eine Auswahl an Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung weiter erläutert werden. Sie ist nicht dazu gedacht, die wichtigsten oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, dessen Umfang eindeutig durch die Ansprüche definiert wird, die auf die detaillierte Beschreibung folgen. Darüber hinaus ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die die oben oder in anderen Teilen dieser Offenbarung genannten Nachteile beheben.
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Figurenliste
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Die vorliegende Offenbarung wird durch Lesen der folgenden Beschreibung von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verstanden, die im Folgenden aufgeführt sind:
- 1 zeigt schematisch ein Fahrzeug mit einem Hybridantriebssystem.
- 2 ist eine Querschnittdarstellung eines nicht einschränkenden Beispiels eines Kühlsystems für einen Elektromotor gemäß der vorliegenden Offenbarung.
- 3 ist eine Querschnittdarstellung einer Rotorwelle des Elektromotors aus 2.
- 4 ist ein Verfahren zur Kühlung des Elektromotors gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Elektromotoren erzeugen aufgrund elektrischer, magnetischer und mechanischer Verluste Wärme, wobei eine übermäßige Wärmeentwicklung häufig zu Leistungsproblemen des Motors (z. B. verminderte Drehmomenterzeugung, Steuerung, Effizienz) und zu einer erhöhten Abnutzung der Komponenten führt. Bei Elektromotoren, die in Fahrzeugen eingesetzt werden, sind die Verluste beim Anfahren oder dynamischen Bremsen des Motors in der Regel hoch. Daher ist das Wärmemanagement für Elektromotoren wichtig, da die Automobilindustrie den Übergang zu stärker elektrisch dominierten Fahrzeugantrieben fortsetzt. In Fahrzeugen hängt die Dimensionierung des Motors direkt davon ab, wie der Motor gekühlt wird. Mit dem Bestreben, die Größe der Komponenten zu verringern, die Kosten zu senken und das Gewicht zu reduzieren, ohne dabei Abstriche bei der Leistung oder Zuverlässigkeit zu machen, steigen die Herausforderungen an das Wärmemanagement von Elektromotoren. So hängt beispielsweise die Fähigkeit des Motors, die Laufzeit bei höherer Leistung innerhalb der elektrischen Betriebsgrenzen zu verlängern, direkt mit der Fähigkeit zusammen, Wärme von bestimmten Motorkomponenten abzuführen. Mit der Verbesserung des Wärmemanagements wird es einen direkten Kompromiss zwischen Motorleistung, Effizienz, Kosten und der Dimensionierung von Elektromotoren für den Betrieb innerhalb der thermischen Beschränkungen geben.
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Die vom Elektromotor erzeugte Wärme wird auf mehrere Komponenten im Elektromotor verteilt. Wärme kann zum Beispiel in den Statorschlitzwicklungen, den Statorendwicklungen, den Statorlaminierungenn, den Rotorlaminierungenn und den Rotormagneten oder -leitern erzeugt werden. Die Verteilung der erzeugten Wärme in den Komponenten ist abhängig vom Motortyp und dem Betriebszustand (Drehmoment/Drehzahl) des Motors. Der gewählte Kühlungsansatz für den Motor wirkt sich also auf den Weg des Wärmeflusses durch den Motor sowie auf die Temperaturverteilung zwischen den Motorkomponenten aus. Ein aktueller Kühlungsansatz involviert die passive Luftkühlung, bei der die vom Motor erzeugte Wärme von den heißeren Komponenten des Motors zu einer gekoppelten Wärmesenke (z. B. einer Montagefläche) und/oder Lamellen abgeleitet werden kann. Die Wärme kann dann von der Wärmesenke und/oder den Lamellen durch Konvektion an die Luft übertragen werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass Luftkühlsysteme nicht ausreichen, wenn der Motor eine Leistung von 15 bis 20 kW oder mehr hat. Das zusätzliche Gewicht der Lamellen überwiegt daher in der Regel den Kühlungsvorteil, den die Lamellen bieten. Außerdem kann die Kühlleistung von Luftkühlsystemen durch die Umgebungstemperaturen beeinflusst werden. So kann beispielsweise die Wirksamkeit von Luftkühlsystemen in heißeren Klimazonen drastisch abnehmen.
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Ein weiterer aktueller Ansatz sind Kühlsysteme auf der Basis von Phasenwechselmaterialien, bei denen ein Phasenwechselmaterial die Wärmeenergie des Motors absorbiert, indem es sich von einem Feststoff in eine Flüssigkeit oder von einer Flüssigkeit in ein Gas verwandelt. Während des Phasenwechsels kann das Material große Wärmemengen bei geringer Temperaturänderung aufnehmen. So können Kühlsysteme aus Phasenwechselmaterialien den Kühlungsanforderungen des Motors entsprechen, doch die bei einem Phasenwechsel auftretende Volumenänderung schränkt ihre Anwendung ein. Außerdem kann das Phasenwechselmaterial nur die erzeugte Wärme aufnehmen, nicht aber die Wärme abführen, so dass das Phasenwechselmaterial die Gesamttemperatur im Fahrzeugantriebssystem nicht senken kann (z. B. kann das Phasenwechselmaterial nur die Temperaturverteilung glätten).
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Andere aktuelle Kühlungsansätze beinhalten die Kühlung über ein flüssiges Kühlmittel. Flüssige Kühlmittel haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität (d. h. die Fähigkeit, Wärme in Form von Energie in ihren Bindungen zu speichern) als Luft und sind daher im Vergleich effektiver. Außerdem bieten flüssige Kühlmittel den Vorteil einer kompakten Struktur im Vergleich zu Phasenwechselmaterialien. Bei einem aktuellen Flüssigkeitskühlsystem wird ein Ölkühlmittel in Durchgangslöcher in der Rotorwelle gespritzt oder injiziert. Bei einem anderen System wird das Ölkühlmittel in ein erstes Ende der Rotorwelle gepumpt, wo sich das Kühlmittel durch die Zentrifugalkraft ausbreiten kann, wenn sich die Rotorwelle dreht. Diese Systeme können jedoch zu einer ungleichmäßigen oder unausgewogenen Kühlung des Motors führen. Die Kühlleistung des Ölkühlmittels kann zwar ausreichen, um die Rotorwelle zu kühlen, aber die Fließeigenschaften des Öls sowie der Kontaktwiderstand zwischen dem Öl und der Innenfläche der Rotorwelle können die Wirksamkeit dieser Formen der Flüssigkeitskühlung einschränken.
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Daher besteht ein Bedarf an einem Kühlsystem für Elektromotoren, das eine gleichmäßige und effektive Temperaturregelung ermöglicht, ohne das Fahrzeuggewicht und die Herstellungskosten wesentlich zu erhöhen. Gemäß den hier offengelegten Ausführungsbeispielen werden daher Verfahren und Systeme für ein System bereitgestellt, das einen Elektromotor gleichmäßig kühlt. Genauer gesagt, kühlt das System die Laminierungen eines Rotors des Elektromotors und die Endwicklungen eines Stators mit Hilfe eines dielektrischen Fluids, wie z. B. Öl, das als Kühlmittel durch eine hohle Rotorwelle geleitet wird. Das Kühlmittel kann über einen primären Kanal in der Welle in den zentralen Bereich der Rotorwelle fließen. Der primäre Kühlmittelkanal kann mit einer Vielzahl von sekundären Kanälen, die durch die Blechpakete eines Rotors führen, über eine Vielzahl von entsprechenden Verbindungswegen im zentralen Bereich der Rotorwelle verbunden sein, wobei jeder sekundäre Kanal mit dem primären Kanal über einen entsprechenden Verbindungsweg verbunden ist. Die Vielzahl von sekundären Kanälen können sich durch die Länge der Blechpakete von einem ersten Ende der Blechpakete zu einem zweiten Ende der Blechpakete erstrecken. Der primäre Kühlmittelkanal kann so eingerichtet sein, dass das Kühlmittel in einer einzigen Richtung vom ersten Ende der Rotorwelle zum zentralen Bereich der Rotorwelle strömt, und jeder der Vielzahl von sekundären Kanälen kann so eingerichtet sein, dass eine erste Menge des vom primären Kühlmittelkanal empfangenen Kühlmittels in einer ersten Richtung vom zentralen Bereich der Blechpakete zum ersten Ende der Blechpakete und eine zweite Menge des vom primären Kühlmittelkanal empfangenen Kühlmittels in einer zweiten Richtung vom zentralen Bereich der Blechpakete zum zweiten Ende der Blechpakete strömt. Eine erste Ausgleichsplatte kann integral mit dem ersten Ende der Blechpakete und dem ersten Ende der Rotorwelle verbunden sein, und eine zweite Ausgleichsplatte kann integral mit dem zweiten Ende der Blechpakete und dem zweiten Ende der Rotorwelle verbunden sein, wobei die erste Ausgleichsplatte und die zweite Ausgleichsplatte einen oder mehrere Durchgangskanäle aufweisen. Die Durchgangskanäle in der ersten Ausgleichsplatte können mit den ersten Enden der Vielzahl von sekundären Kanälen ausgerichtet sein, wobei jeder Durchgangskanal der einen oder mehreren Durchgangskanäle in der ersten Ausgleichsplatte mit einem der Vielzahl von sekundären Kanälen korrespondiert, wobei die einen oder mehreren Durchgangskanäle in der ersten Ausgleichsplatte so eingerichtet sind, dass sie Kühlmittel von den ersten Enden der sekundären Kanäle über eine in den Durchgangskanal in den ersten Ausgleichsplatten eingeführte Düse zu den Endwicklungen eines Stators des Elektromotors leiten. Der eine oder die mehreren Durchgangskanäle in der zweiten Ausgleichsplatte können mit den zweiten Enden der Vielzahl von sekundären Kanälen ausgerichtet sein, wobei jeder Durchgangskanal der einen oder mehreren Durchgangskanäle in der zweiten Ausgleichsplatte mit einem der Vielzahl von sekundären Kanälen korrespondiert, wobei die einen oder mehreren Durchgangskanäle in der zweiten Ausgleichsplatte so eingerichtet sind, dass sie Kühlmittel von den zweiten Enden der sekundären Kanäle zu den Endwicklungen des Stators des Elektromotors über eine weitere Düse leiten, die in den Durchgangskanal in der zweiten Ausgleichsplatte eingesetzt ist. Das Kühlmittel kann dann durch Schwerkraft oder über eine Pumpe in einen Behälter geleitet und anschließend in den primären Kanal zurückgepumpt werden.
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Auf diese Weise kann das Kühlmittel, indem es zu einem zentralen Bereich der Rotorwelle und dem zentralen Bereich der Rotorblechpakete geleitet wird, gleichmäßig zu jedem Ende des Rotors fließen und eine gleichmäßige Kühlwirkung erzielen. Indem das Kühlmittel in direkten Kontakt mit den Laminierungenn gebracht wird, wird der Wärmeweg zwischen den Rotorlaminierungenn und der Kühlflüssigkeit stark reduziert, wodurch die Kühlleistung verbessert wird. Der technische Effekt des Einbaus von Durchgangskanälen und Düsen in die Ausgleichsplatten an beiden Enden besteht darin, dass das Kühlmittel aus den Rotorblechpaketen durch die Zentrifugalkräfte auf die Statorendwicklungen gesprüht werden kann, wodurch auch die Statorendwicklungen gekühlt werden. Auf diese Weise kann ein einziger Kühlmittelkreislauf verwendet werden, um eine Vielzahl von Komponenten des Elektromotors effektiv zu kühlen und die Motorleistung zu verbessern.
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1 ist ein Beispiel für ein Hybridantriebssystem für ein Fahrzeug, das einen Elektromotor enthält. 2 zeigt eine Querschnittdarstellung eines nicht einschränkenden Beispiels für ein Kühlsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung, das zur Kühlung des Elektromotors des Antriebssystems aus 1 verwendet werden kann. 2 ist annähernd maßstabsgetreu dargestellt, es können jedoch auch andere relative Abmessungen verwendet werden. Eine weitere Querschnittdarstellung der Rotorwelle ist in 3 dargestellt. 4 ist ein Verfahren zur Kühlung der Laminierungen eines Rotors und der Endwicklungen eines Stators eines Elektromotors gemäß den hier offengelegten Ausführungsbeispielen. Zum Vergleich zwischen den gezeigten Ansichten ist ein Satz von Bezugsachsen 201 bereitgestellt, der eine y-Achse, eine z-Achse und eine x-Achse angibt. In einigen Beispielen kann die y-Achse parallel zu einer Richtung der Schwerkraft verlaufen, wobei die x-Achse die horizontale Ebene definiert.
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1 veranschaulicht ein Beispiel für ein Fahrzeugantriebssystem 100. Das Fahrzeugantriebssystem 100 beinhaltet eine Kraftstoffverbrennungsanlage 102 und einen Motor 110. Als nicht einschränkendes Beispiel umfasst der Motor 102 einen Verbrennungsmotor und der Motor 110 einen Elektromotor. Der Motor 110 kann so eingerichtet sein, dass er eine andere Energiequelle nutzt oder verbraucht als der Verbrennungsmotor 102. Beispielsweise kann der Verbrennungsmotor 102 einen flüssigen Kraftstoff (z. B. Benzin) verbrauchen, um eine Motorleistung zu erzeugen, während der Motor 110 elektrische Energie verbrauchen kann, um eine Motorleistung zu erzeugen. Daher kann ein Fahrzeug mit dem Antriebssystem 100 auch als Hybridelektrofahrzeug (HEV) bezeichnet werden.
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Der Verbrennungsmotor 102 und der Motor 110 können mit einem Getriebe 104 gekoppelt sein. Das Getriebe 104 kann ein Schaltgetriebe, ein Automatikgetriebe oder eine Kombination davon sein. Darüber hinaus können verschiedene zusätzliche Komponenten wie ein Drehmomentwandler und/oder andere Getriebeteile wie eine Achsantriebseinheit usw. enthalten sein. Das Getriebe 104 ist mit einem Antriebsrad 106 gekoppelt, das mit der Fahrbahn 108 in Kontakt steht. So kann der Elektromotor 110 über das Getriebe 104 antriebsmäßig mit dem Verbrennungsmotor 102 und dem Antriebsrad 106 gekoppelt sein. Die dargestellten Verbindungen zwischen dem Verbrennungsmotor 102, dem Motor 110, dem Getriebe 104 und dem Antriebsrad 106 weisen auf die Übertragung mechanischer Energie von einer Komponente zur anderen hin, während die Verbindungen zwischen dem Motor 110 und eine Energiespeichervorrichtung 114 die Übertragung elektrischer Energieformen anzeigen können.
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Das Fahrzeugantriebssystem 100 kann in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen, denen das Fahrzeugantriebssystem 100 ausgesetzt ist, eine Vielzahl unterschiedlicher Betriebsarten nutzen. Einige dieser Modi können es ermöglichen, den Verbrennungsmotor 102 in einem ausgeschalteten Zustand zu halten (z. B. in einem deaktivierten Zustand), in dem die Verbrennung von Kraftstoff im Motor unterbrochen wird. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann der Motor 110 das Fahrzeug beispielsweise über das Antriebsrad 106 antreiben, während der Verbrennungsmotor 102 ausgeschaltet ist. Unter anderen Betriebsbedingungen kann der Verbrennungsmotor 102 in einen deaktivierten Zustand versetzt werden (wie oben beschrieben), während der Motor 110 betrieben werden kann, um eine Energiespeichervorrichtung 114 (z. B. eine Batterie, einen Kondensator, ein Schwungrad, einen Druckbehälter usw.) zu laden. Beispielsweise kann der Motor 110 das Raddrehmoment vom Antriebsrad 106 erhalten, wobei der Motor 110 die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie zur Speicherung in der Energiespeichervorrichtung 114 umwandeln kann. Dieser Vorgang kann als regeneratives Bremsen des Fahrzeugs bezeichnet werden. So kann der Motor 110 in einigen Ausführungsbeispielen eine Generatorfunktion übernehmen. In anderen Ausführungsbeispielen kann jedoch stattdessen ein Generator 120 das Raddrehmoment vom Antriebsrad 106 erhalten, wobei der Generator 120 die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie zur Speicherung in der Energiespeichervorrichtung 114 umwandeln kann.
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Unter noch anderen Betriebsbedingungen kann der Verbrennungsmotor 102 durch Verbrennung von Kraftstoff (z. B. Benzin, Diesel, alkoholische Kraftstoffe, Kraftstoffgemische) betrieben werden, der von einem Kraftstoffsystem empfangen wird. So kann der Verbrennungsmotor 102 beispielsweise betrieben werden, um das Fahrzeug über das Antriebsrad 106 voranzutreiben, während der Motor 110 deaktiviert ist. Unter anderen Betriebsbedingungen können sowohl der Verbrennungsmotor 102 als auch der Motor 110 betrieben werden, um das Fahrzeug über das Antriebsrad 106 anzutreiben. Eine Konfiguration, bei der sowohl der Verbrennungsmotor 102 als auch der Motor 110 das Fahrzeug selektiv antreiben können, kann als paralleles Fahrzeugantriebssystem bezeichnet werden. Es sei angemerkt, dass in einigen Ausführungsbeispielen der Motor 110 das Fahrzeug über einen ersten Satz von Antriebsrädern und der Verbrennungsmotor 102 das Fahrzeug über einen zweiten Satz von Antriebsrädern antreiben kann.
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In anderen Ausführungsbeispielen kann das Fahrzeugantriebssystem 100 als serienmäßiges Fahrzeugantriebssystem eingerichtet sein, wobei der Verbrennungsmotor 102 das Antriebsrad 106 nicht direkt antreibt. Vielmehr kann der Verbrennungsmotor 102 betrieben werden, um den Motor 110 anzutreiben, der wiederum das Fahrzeug über das Antriebsrad 106 antreiben kann. Beispielsweise kann der Verbrennungsmotor 102 unter bestimmten Betriebsbedingungen den Generator 120 antreiben, der wiederum den Motor 110 oder die Energiespeichervorrichtung 114 mit elektrischer Energie versorgen kann. Als weiteres Beispiel kann der Verbrennungsmotor 102 betrieben werden, um den Motor 110 anzutreiben, der seinerseits eine Generatorfunktion bereitstellen kann, um die Motorleistung in elektrische Energie umzuwandeln, wobei die elektrische Energie in der Energiespeichervorrichtung 114 zur späteren Verwendung durch den Motor 110 gespeichert werden kann.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann die Energiespeichervorrichtung 114 so eingerichtet sein, dass sie elektrische Energie speichert, die anderen elektrischen Verbrauchern an Bord des Fahrzeugs (außer dem Motor) zugeführt werden kann, wie z. B. der Heizung und der Klimaanlage des Fahrzeugs, dem Motorstart, den Scheinwerfern, den Audio- und Videosystemen im Fahrzeug usw. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Energiespeichervorrichtung 114 eine oder mehrere Batterien und/oder Kondensatoren enthalten.
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Ein Steuerungssystem 122 kann mit einem oder mehreren aus dem Verbrennungsmotor 102, dem Motor 110, der Energiespeichervorrichtung 114, dem Generator 120 und/oder zusätzlichen Komponenten des Fahrzeugantriebssystems 100 kommunizieren. So kann das Steuerungssystem 122 beispielsweise sensorische Rückkopplungsinformationen von einem oder mehreren aus dem Verbrennungsmotor 102, dem Motor 110, der Energiespeichervorrichtung 114 und dem Generator 120 erhalten. Darüber hinaus kann das Steuerungssystem 122 als Reaktion auf diese sensorische Rückkopplung Steuersignale an eines oder mehrere aus dem Verbrennungsmotor 102, dem Motor 110, der Energiespeichervorrichtung 114 und dem Generator 120 senden. Das Steuerungssystem 122 kann von einem Fahrzeugführer (z. B. über einen Pedalpositionssensor, der kommunikativ mit einem Beschleunigungs- und/oder Bremspedal verbunden ist) eine Anzeige einer vom Fahrer angeforderten Leistung des Fahrzeugantriebssystems erhalten.
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Die Energiespeichervorrichtung 114 kann periodisch elektrische Energie von einer externen Energiequelle 116 erhalten, die sich außerhalb des Fahrzeugs befindet (z. B. nicht Teil des Fahrzeugs ist). Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Fahrzeugantriebssystem 100 als Plug-in-Hybridfahrzeug (PHEV) eingerichtet werden, wobei elektrische Energie von der externen Energiequelle 116 über ein elektrisches Energieübertragungskabel an die Energiespeichervorrichtung 114 geliefert werden kann. Während das Fahrzeugantriebssystem 100 betrieben wird, um das Fahrzeug anzutreiben, kann die externe Energiequelle 116 von der Energiespeichervorrichtung 114 getrennt werden. Das Steuerungssystem 122 kann die Menge der in der Energiespeichervorrichtung gespeicherten elektrischen Energie identifizieren und/oder steuern, was als Ladezustand bezeichnet werden kann. In anderen Ausführungsbeispielen kann elektrische Energie drahtlos von der externen Energiequelle 116 an der Energiespeichervorrichtung 114 empfangen werden. Beispielsweise kann die Energiespeichervorrichtung 114 elektrische Energie von der externen Energiequelle 116 über elektromagnetische Induktion, Funkwellen oder elektromagnetische Resonanz erhalten. Es versteht sich daher, dass jeder geeignete Ansatz zum Aufladen der Energiespeichervorrichtung 114 von einer Stromquelle verwendet werden kann, die nicht Teil des Fahrzeugs ist. Auf diese Weise kann der Motor 110 das Fahrzeug mit einer anderen Energiequelle als dem vom Verbrennungsmotor 102 verwendeten Kraftstoff antreiben.
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Es versteht sich somit, dass das beispielhafte Fahrzeugantriebssystem 100 für verschiedene Betriebsarten geeignet ist. Bei einer reinen Hybrid-Implementierung kann das Fahrzeugantriebssystem 100 beispielsweise mit dem Motor 110 als einziger Drehmomentquelle für den Antrieb des Fahrzeugs arbeiten. Diese „rein elektrische“ Betriebsart kann beim Bremsen, bei niedrigen Geschwindigkeiten, beim Anhalten an der Ampel usw. eingesetzt werden. Außerdem verfügt der Motor 110 über ein Kühlsystem 112, da beim Betrieb des Motors 110 als Hauptnebenprodukt Wärme erzeugt werden kann. Obwohl eine Hybrid-Implementierung des Kühlsystems 112 gezeigt wird, kann das Kühlsystem 112 für den Motor 110 auch in einem reinen Elektrofahrzeug oder einem anderen geeigneten Elektromotor eingesetzt werden.
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Das Kühlsystem 112 kann einen primären Kanal beinhalten, der durch eine zentrale Achse einer Rotorwelle des Motors von einem ersten Ende eines Rotors zu einem zentralen Bereich des Rotors verläuft, sowie zwei oder mehr sekundäre Kanäle, die durch die Blechpakete des Rotors verlaufen, wobei jeder sekundäre Kanal so eingerichtet ist, dass er Kühlmittel aufnimmt, das durch den primären Kanal fließt, und das Kühlmittel zu zwei gegenüberliegenden Enden der Blechpakete und den Endwicklungen eines Stators fließen lässt. Jeder sekundäre Kanal kann so eingerichtet sein, dass er Kühlmittel aufnimmt, das durch den primären Kanal über einen eigenen Verbindungsweg fließt, wobei die zwei oder mehr sekundären Kanäle parallel zueinander verlaufen. Ein erstes Ende jedes sekundären Kanals kann auf einen Durchgangskanal auf einer ersten Ausgleichsplatte ausgerichtet sein, die mit den Blechpaketen an einem ersten Ende gekoppelt ist, und ein zweites Ende jedes sekundären Kanals kann auf einen anderen Durchgangskanal auf einer zweiten Ausgleichsplatte ausgerichtet sein, die mit den Blechpaketen an einem zweiten Ende gekoppelt ist, wobei sowohl der Durchgangskanal als auch der andere Durchgangskanal so eingerichtet sind, dass sie Kühlmittel von jedem sekundären Kanal über entsprechende Düsen zu den Endwicklungen des Stators leiten. Eine Pumpe kann Kühlmittel aus den Endwicklungen des Stators in einen Behälter absaugen und eine andere Pumpe kann das Kühlmittel in den primären Kanal zurückführen. Die Einzelheiten des Kühlsystems 112 werden in 2-3 beschrieben.
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2 ist eine Querschnittdarstellung 200 eines nicht einschränkenden Beispiels eines Kühlsystems 202 für einen Elektromotor (z. B. den Elektromotor 110 aus 1). Das Kühlsystem 202 kann einen Kühlmittelbehälter (z. B. einen Getriebeölbehälter), eine Kühlmittelpumpe (z. B. eine Getriebeölpumpe 244, wie weiter unten beschrieben) und eine Vielzahl von miteinander verbundenen Kanälen innerhalb des Elektromotors enthalten.
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Je nach den Zielen der Endanwendung kann eine Vielzahl geeigneter Elektromotorkonfigurationen verwendet werden. Der Motor 110 kann beispielsweise ein Wechselstrom- (AC) oder ein Gleichstrommotor (DC) sein. Zu den Wechselstrommotoren gehören Asynchronmotoren (z. B. Käfigläufer und Schleifringläufer) und Synchronmotoren. In bestimmten Ausführungsbeispielen können auch Synchronmotoren, wie z. B. Mehrphasenmotoren, verwendet werden. Zu den Arten von Mehrphasenmotoren, die eingesetzt werden können, gehören Permanentmagnet-, Synchron-Reluktanz-, Hybrid-Synchron-(z. B. permanentmagnetunterstützte Synchron-Reluktanz-), Synchron-Induktions- und Hysteresemotoren. Um beim Anwendungsfall des Wechselstrommotors zu bleiben, kann in einigen Fällen ein synchroner Permanentmagnetmotor aufgrund seines relativ hohen Wirkungsgrads eingesetzt werden.
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Der Elektromotor beinhaltet ein Gehäuse 207, das die internen Komponenten umschließt. Ein Stator 220 mit einer Endwicklungen 234 kann von dem Gehäuse 207 umschlossen werden. Die Endwicklung 234 kann eine Vielzahl von gewickelten Drähten oder Haarnadeldrähten (z. B. runde Drähte, rechteckige Drähte, flache Drähte usw.) beinhalten, die sich außerhalb eines Kerns des Stators 220 befinden. Es versteht sich jedoch, dass der Statorkern auch Drahtabschnitte enthält, die sich durch ihn hindurch erstrecken. Darüber hinaus kann der Stator 220 elektrische Energie von einer Energiespeichervorrichtung (z. B. einer Batterie, einem Kondensator usw.) empfangen und in einigen Fällen, beispielsweise wenn der Motor mit einer Regenerationsfunktion ausgestattet ist, elektrische Energie an die Energiespeichervorrichtung übertragen.
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Der Elektromotor beinhaltet ferner einen Rotor 242 mit einer Rotorwelle 208, die sich um eine zentrale Achse des Rotors 242 dreht. Die Rotorwelle 208 kann aus einem geeigneten Material gebildet sein (z. B. Aluminium, SAE 1045 in kalt- oder warmgewalztem Stahl, C1045). Die Rotorwelle 208 kann eine säulenartige Form mit kreisförmigem Querschnitt (z. B. entlang der z-Achse) haben und durch ein ausgangsseitiges Lager und ein geberseitiges Lager, die zwischen ihren beiden Enden und dem Gehäuse 207 vorgesehen sind, um ihre eigene Achse drehbar gelagert sein.
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Der Rotorkern kann eine Vielzahl von Blechpaketen 211 (z. B. laminierter magnetischer Stahl oder Eisen) oder ein massives magnetisches Metall enthalten. So enthält der Rotorkern einen magnetisch interaktiven Teil (z. B. einen Permanentmagneten oder Elektromagneten). Die Blechpakete 211 können ein Paket aus einzelnen elektromagnetischen Platten sein, die durch elektrisch isolierende Schichten getrennt sind, um Wirbelstromverluste bei magnetischer Belastung zu unterdrücken. Die Blechpakete 211 können beispielsweise aus einer Reihe von scheibenförmigen Stahlplatten gebildet sein, die mit Silikon laminiert sind. Die Platten, aus denen die Blechpakete 211 gebildet sind, können lose aufeinander gestapelt, miteinander verschweißt (z. B. plasmageschweißt, lasergeschweißt, WIG-widerstandsgeschweißt) oder auf andere Weise in geeigneter Weise verbunden werden (z. B. durch Verriegelung, Klebelack). Die Blechpakete 211 können rohrförmig sein und einen Teil der Rotorwelle 208 umgeben, so dass sich zwei Enden der Rotorwelle 208 außerhalb der Blechpakete 211 befinden. Die Statorblechpakete 210 umgeben die Rotorblechpakete 210. Es versteht sich, dass sich der Rotor 242 während des Motorbetriebs drehen kann, während der Stator 220 relativ stationär gehalten wird.
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Der Stator 220 und der Rotor 242 sind so eingerichtet, dass sie elektromagnetisch interagieren, um eine rotatorische Ausgabe zu erzeugen und in einigen Fällen elektrische Energie als Reaktion auf den Empfang einer rotatorischen Eingabe von einer externen Quelle, wie z. B. einem Fahrzeuggetriebe, in einem Anwendungsbeispiel zu erzeugen. Wie bereits erwähnt, kann der Motor jedoch in einer Vielzahl von Betriebsumgebungen eingesetzt werden. Der Elektromotor ist so eingerichtet, dass er eine rotatorische Ausgabe erzeugt und in einigen Beispielen in einem Regenerationsmodus eine rotatorische Eingabe erhält und eine elektrische Energieausgabe erzeugt. So kann der Elektromotor so ausgelegt sein, dass er elektrische Energie von der Energiespeichervorrichtung erhält und in einigen Beispielen Energie an die Energiespeichervorrichtung überträgt. Zur Erleichterung dieser Energieübertragungsfunktion können drahtgebundene und/oder drahtlose Energieübertragungsmechanismen eingesetzt werden.
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Eine erste Ausgleichsplatte 224 ist an einem ersten Ende 256 an den Blechpaketen 211 befestigt. Eine zweite Ausgleichsplatte 225 ist an einem zweiten Ende 257 an den Blechpaketen 211 befestigt. Die erste Ausgleichsplatte 224 und die zweite Ausgleichsplatte 225 können so ausgelegt sein, dass sie Unwuchten des Rotors 242 ausgleichen. Die Masse und die Massenverteilung der ersten Ausgleichsplatte 224 können so gewählt werden, dass sie die restlichen Unwuchtkräfte im Motor ausgleichen. Mit anderen Worten, die Ausgleichsplatte kann in einem Beispiel eine erhebliche Ausgleichsfunktion bieten.
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Der Elektromotor kann an ein Steuerungssystem (wie das Steuerungssystem 122 in 1) mit einer Steuerung (nicht abgebildet) gekoppelt sein. Die Steuerung kann einen Prozessor (z. B. eine Mikroprozessoreinheit und/oder andere Arten von Schaltungen) und einen Speicher (z. B. Arbeitsspeicher, Nur-Lese-Speicher, Diagnosespeicher, Kombinationen davon usw.) enthalten. Die Steuerung kann so eingerichtet sein, dass sie Steuerbefehle an die Systemkomponenten sendet und Signale von Sensoren und anderen geeigneten Komponenten empfängt. Zu den steuerbaren Komponenten kann der Elektromotor gehören (z. B. der Stator des Motors). Es versteht sich, dass die steuerbaren Komponenten auch Aktuatoren einschließen können, um die Einstellung der Komponenten zu ermöglichen. So kann die Steuerung ein Signal empfangen, das die Motordrehzahl angibt, und die Ausgabe des Motors auf der Grundlage des Drehzahlsignals anpassen. Andere steuerbare Komponenten des Elektromotors können auf ähnliche Weise funktionieren. Darüber hinaus versteht sich, dass die Steuerung Signale über drahtgebundene und/oder drahtlose Kommunikation senden und empfangen kann.
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Das Gehäuse 207 kann außerdem zusätzliche Komponenten des Elektromotors umschließen, wie z. B. eine Vielzahl von Magneten, eine elektromagnetische Spule, die um Vorsprünge eines Stators gewickelt ist, und/oder einen Rotationssensor (der Kürze halber nicht dargestellt).
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Ein erster primärer Kanal 215 kann innerhalb der Rotorwelle 208 ausgebildet sein, wobei eine zentrale Achse des ersten primären Kanals 215 mit einer zentralen Drehachse der Rotorwelle 208 zusammenfällt. Der erste primäre Kanal 215 kann sich vom ersten Ende 254 der Rotorwelle bis zu einem zentralen Bereich 205 der Rotorwelle 208 erstrecken. Am ersten Ende 254 der Rotorwelle kann der primäre Kanal 215 über eine Kühlmittelzufuhrleitung 284 mit einer Kühlmittelpumpe 244 (z. B. einer Getriebeölpumpe) verbunden sein.
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Der primäre Kanal 215 kann mit einer Vielzahl von sekundären Kanälen, die durch die Blechpakete 211 führen, über eine Vielzahl von entsprechenden Verbindungswegen im zentralen Bereich 205 der Rotorwelle verbunden sein, wobei jeder sekundäre Kanal mit dem primären Kanal über einen entsprechenden Verbindungsweg verbunden ist. In dieser Darstellung sind ein erster sekundärer Kanal 264 und ein zweiter sekundärer Kanal 270 dargestellt, die mit dem primären Kanal 215 über einen ersten Verbindungsweg 214 bzw. einen zweiten Verbindungsweg 216 verbunden sind. Öffnungen wie die Öffnung 219 führen zu anderen ähnlichen Verbindungswegen. Der erste Verbindungsweg 214 und der zweite Verbindungsweg 216 können sich linear zu gegenüberliegenden Seiten des primären Kanals 215 erstrecken. Der erste sekundäre Kanal 264 und der zweite sekundäre Kanal 270 können jeweils durch einen zentralen Bereich der Blechpakete verlaufen, der sich vom ersten Ende 256 der Blechpakete 211 zum zweiten Ende 257 der Blechpakete erstreckt, wobei der erste sekundäre Kanal 264 im Wesentlichen parallel zum zweiten sekundären Kanal 270 verläuft.
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Die erste Ausgleichsplatte 224 kann eine Vielzahl von Durchgangskanälen enthalten, die mit den jeweiligen Enden der sekundären Kanäle ausgerichtet sein können. Wie in dieser Querschnittdarstellung dargestellt, kann ein erster Durchgangskanal 226 mit einem ersten Ende des ersten sekundären Kanals 264 und ein zweiter Durchgangskanal 228 mit einem zweiten Ende des ersten sekundären Kanals 264 ausgerichtet sein. In ähnlicher Weise kann ein dritter Durchgangskanal 236 mit einem ersten Ende des zweiten sekundären Kanals 270 und ein vierter Durchgangskanal 238 mit einem zweiten Ende des zweiten sekundären Kanals 270 ausgerichtet sein. In einem anderen Beispiel können die Durchgangskanäle in der Ausgleichsplatte nicht auf das Ende der sekundären Kanäle ausgerichtet sein. Durch die Form der Ausgleichsplatten kann ein Kollektorhohlraum zwischen den Ausgleichsplatten und dem Blechpakete entstehen. Der Ölstrom kann über die Durchgangskanäle in der Ausgleichsplatte umverteilt werden, und die Anzahl der Durchgangskanäle kann unabhängig von der Anzahl der sekundären Kanäle sein.
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Der erste Durchgangskanal 226, der zweite Durchgangskanal 228, der dritte Durchgangskanal 236 und der vierte Durchgangskanal 238 können jeweils zylindrische Kanäle sein, die durch die jeweiligen Ausgleichsplatten führen, wobei jeder der Durchgangskanäle eine Düse (nicht dargestellt) enthalten kann. Die in die Durchgangskanäle der Ausgleichsplatten eingesetzten Düsen sind so dimensioniert, dass das Kühlmittel aus den Durchgangskanälen über die jeweiligen Düsen zu den Endwicklungen des Stators fließen kann. Der Zweck der Düsen ist es, den Ölstrom zu beschleunigen und einen Ölstrahl zu erzeugen, der in Richtung der Endwindungen spritzt.
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In dieser Querschnittdarstellung sind zwei parallel zueinander verlaufende sekundäre Kanäle dargestellt. Es kann jedoch mehr als zwei sekundäre Kanäle geben, die den primären Kanal 215 umgeben.
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3 zeigt eine Querschnittdarstellung 300 einer Rotorwelle 208 des Elektromotors entlang der Achse A1, wie in 2 dargestellt, und zeigt mehr als zwei sekundäre Kanäle, die den primären Kanal umgeben. Der primäre Kanal 215 kann durch die Rotorwelle 208 verlaufen und koaxial zur Rotorwelle 208 sein. In diesem Beispiel sind acht gleichmäßig beabstandete sekundäre Kanäle dargestellt, die den primären Kanal 215 umgeben, wobei die Anordnung der sekundären Kanäle radial symmetrisch um den primären Kanal 215 ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann eine beliebige Anzahl von sekundären Kanälen in beliebiger Anordnung um den primären Kanal 215 herum angeordnet werden. Jeder der sekundären Kanäle kann horizontal (z. B. parallel zur x-Achse) durch die Blechpakete 211 verlaufen und den primären Kanal 215 umgeben. Die sekundären Kanäle können beispielsweise Folgendes enthalten: einen ersten sekundären Kanal 264, der an einen dritten sekundären Kanal 304 angrenzt und von diesem beabstandet ist; einen vierten sekundären Kanal 306, der an den dritten sekundären Kanal 304 angrenzt und von diesem beabstandet ist; einen fünften sekundären Kanal 308; einen zweiten sekundären Kanal 270 (wie in 2 dargestellt), einen sechsten sekundären Kanal 310, einen siebten sekundären Kanal 312 und einen achten sekundären Kanal 314 um den äußeren Umfang des primären Kanals 215. Die Kanäle, die die Vielzahl der sekundären Kanälen umfassen, können röhrenförmig sein und einen kreisförmigen, elliptischen oder polygonalen Querschnitt aufweisen. Jeder der sekundären Kanäle kann durch zentrale Bereiche der Blechpakete 211 des Rotors 208 führen.
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Jeder sekundäre Kanal kann mit dem primären Kanal 215 über einen entsprechenden, separaten Verbindungsweg fluidisch verbunden sein. Zum Beispiel kann der erste sekundäre Kanal 264 über einen ersten Verbindungsweg 214 mit dem primären Kanal 215 gekoppelt sein, der dritte sekundäre Kanal 304 kann über einen dritten Verbindungsweg 305 mit dem primären Kanal 215 gekoppelt sein, der vierte sekundäre Kanal 306 kann über einen vierten Verbindungsweg 307 mit dem primären Kanal 215 gekoppelt sein, der fünfte sekundäre Kanal 308 kann über einen fünften Verbindungsweg 309 mit dem primären Kanal 215 gekoppelt sein, der zweite sekundäre Kanal 270 kann über einen zweiten Verbindungsweg 216 mit dem primären Kanal 215 verbunden werden, der sechste sekundäre Kanal 310 kann über einen sechsten Verbindungsweg 311 mit dem primären Kanal 215 verbunden werden, der siebte sekundäre Kanal 312 kann über einen siebten Verbindungsweg 313 mit dem primären Kanal 215 verbunden werden, und der achte sekundäre Kanal 314 kann über einen achten Verbindungsweg 315 mit dem primären Kanal 215 verbunden werden. Jeder der Verbindungswege kann gleichmäßig beabstandet sein und radial aus dem primären Kanal 215 austreten.
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Wieder bezogen auf 2 können die Blechpakete 211 die gleiche axiale Mitte wie der Außenumfangsabschnitt der Rotorwelle 208 haben. Die Blechpakete 211 können mit der Rotorwelle 208 verbunden oder in geeigneter Weise gekoppelt werden, so dass beide Komponenten als Reaktion auf die Zufuhr von elektrischer Energie in den Motor in einem Stück gedreht werden. Beispielsweise kann die Vielzahl der Magnete innerhalb des Gehäuses 207 um den Außenumfangsabschnitt der Blechpakete 211 angeordnet sein. Wenn also der durch die elektromagnetische Spule fließende Strom in geeigneter Weise geändert wird (z. B. über die Ausgabe von einer gekoppelten Energiespeichervorrichtung wie der Energiespeichervorrichtung 114 aus 1), ändert sich das in den Vorsprüngen des Stators erzeugte Magnetfeld. Die Änderung des Magnetfelds des Stators bewirkt wiederum eine Drehung der Blechpakete 211 und der Rotorwelle 208 (z. B. über die Vielzahl der Magnete), die als mechanische Antriebskraft für das Fahrzeug ausgegeben werden kann.
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Eine Rücklaufleitung 280 für das Kühlmittel kann von den Endwicklungen 234 des Stators zu einem Behälter (nicht dargestellt) führen, der dann mit der Druckpumpe 244 verbunden werden kann. Das Kühlmittel kann in einem geschlossenen Kreislauf durch die Rotorwelle 208, die Rotorblechpakete 211, die Ausgleichsplatten und die Endwicklungen 234 über die Kühlmittelzufuhrleitung 284 (Richtung des Kühlmittelflusses durch Pfeil 286 dargestellt) und die Rücklaufleitung 280 (Richtung des Kühlmittelflusses durch Pfeil 282 dargestellt) zirkulieren. Nachdem das Kühlmittel durch die Motorkomponenten geflossen ist, kann es aufgrund der Schwerkraft oder über eine Spülpumpe (nicht abgebildet) in die Rücklaufleitung 280 zurückfließen. Bevor das Kühlmittel über die Druckpumpe 244 zurückgeführt wird, kann die (von den Motorkomponenten aufgenommene) Wärme des Kühlmittels über einen Wärmetauscher (nicht dargestellt) abgeführt werden, z. B. einen Wasser-Öl-Wärmetauscher. Beispielsweise kann das Kühlmittel aus dem Behälter über die Pumpe 244 und die Kühlmittelzufuhrleitung 284 in den primären Kühlmittelkanal 216 geleitet werden. Das Kühlmittel kann von dem primären Kühlmittelkanal 216 über entsprechende Verbindungswege zur Mitte jedes der Vielzahl von sekundären Kanälen fließen und dann über die Vielzahl von sekundären Kanälen zu den beiden Enden der Blechpakete 211 fließen und dann zu den Düsen in den Durchgangskanälen innerhalb der Ausgleichsplatten geleitet werden und dann über die Düsen zu den Endwicklungen 234 des Stators gesprüht werden. Beispielsweise kann das Kühlmittel vom primären Kanal 215 über den ersten Verbindungspfad 214 zum ersten sekundären Kanal 264 und vom primären Kanal 215 über den zweiten Verbindungspfad 216 zum zweiten sekundären Kanal 270 fließen.
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Das Leiten des Kühlmittels zu beiden Enden der Blechpakete beinhaltet für jeden sekundären Kanal, dass ein erster Teil des vom primären Kühlmittelkanal erhaltenen Kühlmittels zur ersten Ausgleichsplatte 224 fließt, die mit dem ersten Ende der Blechpakete verbunden ist, und dass ein zweiter Teil des vom primären Kühlmittelkanal erhaltenen Kühlmittels zur zweiten Ausgleichsplatte 225 fließt, die mit dem zweiten Ende der Blechpakete verbunden ist. Die Strömungsrichtung des ersten Teils des Kühlmittels durch einen sekundären Kanal (wie 264 oder 270) kann der Strömungsrichtung des zweiten Teils des Kühlmittels durch den sekundären Kanal (wie 264 oder 270) entgegengesetzt sein. Da das Kühlmittel in entgegengesetzter Richtung durch die sekundären Kanäle fließt (Kühlmittelfluss durch gestrichelte Pfeile dargestellt), von der Mitte der sekundären Kanäle zu jedem Ende der Kanäle, können die Blechpakete gleichmäßig gekühlt werden. Durch die Verteilung des Kühlmittels in der Mitte der Blechpakete kann den Blechpaketen mehr Wärme entzogen werden, wodurch die Kühlwirkung verbessert wird.
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Der erste Teil des Kühlmittels aus einem sekundären Kanal kann die erste Ausgleichsplatte 224 erreichen und der zweite Teil des Kühlmittels aus einem sekundären Kanal kann die zweite Ausgleichsplatte 225 erreichen. Wie bereits beschrieben, können die Ausgleichsplatten Durchgangskanäle enthalten, die mit den jeweiligen Enden der sekundären Kanäle ausgerichtet sind und über die das Kühlmittel zu Düsen geleitet und dann über die Düsen auf die Endwicklungen des Stators gesprüht werden kann. In diesem Beispiel kann der erste Teil des Kühlmittels, der durch den ersten sekundären Kanal 264 fließt, durch eine erste Düse auf den oberen Teil (entlang der y-Achse) des ersten Endes der Endwicklungen 234 (aufgrund der Zentrifugalkraft) gesprüht werden. In ähnlicher Weise kann der zweite Teil des durch den ersten sekundären Kanal 264 fließenden Kühlmittels (aufgrund der Zentrifugalkraft) durch eine zweite Düse auf den oberen Teil (entlang der y-Achse) des zweiten Endes der Endwicklungen 234 gesprüht werden. Der erste Teil des Kühlmittels, der durch den zweiten sekundären Kanal 270 fließt, kann (aufgrund der Zentrifugalkraft) durch eine dritte Düse auf den unteren Teil (entlang der y-Achse) des ersten Endes der Endwicklungen 234 gesprüht werden. Entsprechend kann der zweite Teil des Kühlmittels, der durch den zweiten sekundären Kanal 270 fließt, durch eine vierte Düse auf den unteren Teil (entlang der y-Achse) des zweiten Endes der Endwicklungen 234 (aufgrund der Zentrifugalkraft) gesprüht werden. Auf diese Weise kann das Kühlmittel zu beiden Ausgleichsplatten und zu beiden Enden der Statorendwicklungen geleitet werden, um eine wirksame Kühlung zu gewährleisten. Von den Endwicklungen kann das Kühlmittel über die Rücklaufleitung 280 zurück in den Behälter geleitet werden. Die Rückführung in den Behälter kann durch Schwerkraft oder über eine Druckpumpe 244 erfolgen.
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Wenn das Kühlsystem 202 entsprechend dimensioniert ist, kann das System 202 selbstpumpend sein (z. B. wenn der Auslass des Rotorkühlkreislaufs radial mehr Auslass zum Einlass ist, können Zentrifugalkräfte einen Kühlmittelstrom erzwingen). In einigen Beispielen kann das System 202 durch eine externe Pumpe angetrieben und/oder unterstützt werden. In einigen Beispielen kann das Kühlsystem 202 anstelle des flüssigen Kühlmittels eine Ölversorgung enthalten, wobei Öl durch den geschlossenen Kreislauf gepumpt wird, um die Kühlung des Elektromotors zu bewirken (z. B. kann eine Wasserglykollösung durch die Innenfläche der mit einer dielektrischen Auskleidung versehenen axialen Löcher geleitet werden).
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So kann das Kühlmittel kontinuierlich und gleichmäßig durch die Rotor- und Statorwicklungen fließen, wenn der Motor in Betrieb ist. Während das Kühlmittel durch die Motorkomponenten zirkuliert, kann die erzeugte Wärme an das Kühlmittel abgegeben werden, wodurch der Motor gekühlt wird. Indem das Kühlmittel durch die Vielzahl von axialen sekundären Kanälen geleitet wird, kann der Gesamtwiderstand zwischen dem Kühlmittel und den Blechpaketen 211 verringert und damit die Wirksamkeit der Kühlung durch das Kühlmittel erhöht werden. Auf diese Weise kann das Kühlsystem 202 für eine gleichmäßige Kühlung sorgen, ohne den Motor übermäßig zu belasten. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Innenfläche der Vielzahl von sekundären Kanälen mit einer Auskleidung (z. B. einer dielektrischen Auskleidung) versehen sein, so dass das Kühlsystem 202 eine andere Art von flüssigem Kühlmittel (z. B. Wasser) verwenden kann. In einigen Ausführungsbeispielen kann anstelle der Kühlmittelpumpe 244 ein passives Auffangsystem verwendet werden, um den kontinuierlichen Fluss des Kühlmittels durch den Motor aufrechtzuerhalten.
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Auf diese Weise sehen die Systeme in 1-3 eine Rotorwelle vor, die radial in Blechpaketen eines Rotors eingeschlossen ist, einen Stator mit Endwicklungen an jedem Ende, die die Blechpakete eines Rotors einschließen, einen primären Kanal, der durch eine zentrale Achse der Rotorwelle von einem ersten Ende des Rotors zu einem zentralen Bereich des Rotors verläuft, und zwei oder mehr sekundäre Kanäle, die durch die Blechpakete des Rotors verlaufen, wobei jeder sekundäre Kanal so eingerichtet ist, dass er Kühlmittel aufnimmt, das durch den primären Kanal fließt, und das Kühlmittel zu zwei gegenüberliegenden Enden der Blechpakete und den Endwicklungen des Stators fließen lässt. Eine erste Pumpe kann so ausgelegt sein, dass sie Kühlmittel aus den Endwicklungen des Stators in einen Behälter absaugt und eine zweite Pumpe kann so ausgelegt sein, dass sie das Kühlmittel in den primären Kanal zurückführt.
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4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 400 zur Kühlung von Komponenten eines Elektromotors gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Das Verfahren 400 wird in Bezug auf das System und die Komponenten beschrieben, die oben in Bezug auf 1-3 beschrieben wurden, kann aber auch mit anderen Systemen/Komponenten (z. B. einem Elektromotor eines Elektrofahrzeugs, Elektromotoren von Maschinen) durchgeführt werden, ohne vom Geltungsbereich dieser Offenbarung abzuweichen. Das Verfahren 400 kann gemäß Anweisungen ausgeführt werden, die in einem nicht transitorischen Speicher einer Computervorrichtung wie einer Zentraleinheit (CPU) oder eines Steuerungssystems (z. B. des Steuerungssystems 122 aus 1) eines Fahrzeugs gespeichert sind.
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Bei 402 kann das Verfahren 400 die Zufuhr von Kühlmittel durch einen primären Kühlmittelkanal (wie den primären Kanal 215 in 2) innerhalb einer rotierenden Rotorwelle über eine erste Kühlmittelleitung (wie die Kühlmittelzufuhrleitung 284 in 2) einschließen. Das Kühlmittel kann aus einem Behälter zu einem ersten Ende der Rotorwelle gepumpt werden, wo das Kühlmittel in den primären Kühlmittelkanal eintritt und durch den Kanal zum zentralen Bereich der Rotorwelle fließt. Wenn das Kühlmittel durch den primären Kanal fließt, kann die Wärme von der Rotorwelle an das Kühlmittel abgegeben werden.
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Nachdem das Kühlmittel den zentralen Bereich der Rotorwelle über den primären Kühlmittelkanal erreicht hat, kann es bei 404 vom primären Kühlmittelkanal zu einer Vielzahl von sekundären Kühlmittelkanälen (wie die sekundären Kanäle 264 und 270 in 2) über entsprechende Verbindungswege (wie die Wege 214 und 216 in 2) fließen. Jeder Verbindungsweg verbindet fluidisch einen zentralen Bereich eines entsprechenden sekundären Kanals mit dem primären Kanal. Daher kann das Kühlmittel aus dem primären Kanal im Wesentlichen (z. B. innerhalb einer 5%igen Abweichung) gleichmäßig auf die Vielzahl von sekundären Kanälen verteilt werden, und das Kühlmittel aus dem primären Kanal kann den zentralen Bereich jedes sekundären Kanals erreichen. Auf diese Weise kann bei acht sekundären Kanälen das durch den primären Kanal fließende Kühlmittel im Wesentlichen gleichmäßig in acht Teile aufgeteilt werden, wobei jeder Teil in einen sekundären Kanal fließt.
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Bei Erreichen jedes sekundären Kanals fließt bei 406 ein erster Teil des Kühlmittels, das diesen sekundären Kanal erreicht, zu einem ersten Ende der Rotorblechpakete, während bei 408 ein zweiter (verbleibender) Teil des Kühlmittels, das diesen sekundären Kanal erreicht, zu einem zweiten, gegenüberliegenden Ende der Rotorblechpakete fließt. Da das Kühlmittel gleichzeitig axial durch die Vielzahl von sekundären Kanälen fließt, die durch die Blechpakete verlaufen, kann die an den Blechpaketen erzeugte Wärme an das Kühlmittel abgegeben werden. In jedem sekundären Kanal fließt der erste Teil des Kühlmittels in einer ersten Richtung vom zentralen Bereich des sekundären Kanals zum ersten Ende, während der zweite Teil des Kühlmittels in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung vom zentralen Bereich des sekundären Kanals zum zweiten Ende fließt.
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Bei 410 kann das Kühlmittel von jedem Ende der sekundären Kanäle zu entsprechenden Düsen fließen, die mit den Durchgängen in den Ausgleichsplatten verbunden sind. Die Ausgleichsplatten können als Kollektor wirken und den Ölstrom über die Düsen in den Ausgleichsplatten umverteilen. Der erste Teil des Kühlmittels kann durch einen Durchgangskanal in der ersten Ausgleichsplatte fließen (wie die erste Ausgleichsplatte 224 in 2) und eine Düse erreichen. Der zweite Teil des Kühlmittels kann durch einen Durchgangskanal in der zweiten Ausgleichsplatte fließen (wie die zweite Ausgleichsplatte 225 in 2) und eine weitere Düse erreichen.
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Bei 412 kann das Kühlmittel von jedem sekundären Kanal über die Düsen auf eine Seite der Statorendwicklungen gesprüht werden. Der erste Teil des Kühlmittels kann über eine mit der Ausgleichsplatte verbundene Düse auf eine erste Seite der Statorendwicklungen gesprüht werden. Der zweite Teil des Kühlmittels kann über eine weitere Düse, die mit der Ausgleichsplatte verbunden ist, auf eine zweite Seite der Statorendwicklungen gesprüht werden. Die Düsen können so gestaltet (z. B. geformt und bemessen) sein, dass das durch den sekundären Kanal und die Ausgleichsplatten fließende Kühlmittel aufgrund der Zentrifugalkraft auf die Statorendwicklungen gesprüht wird. Wenn das Kühlmittel durch die Ausgleichsplatten und auf die Statorendwicklungen fließt, kann Wärme von den Ausgleichsplatten und jeder Seite der Statorendwicklung an das Kühlmittel abgeleitet werden. Ein oder mehrere sekundäre Kanäle können über entsprechende Düsen Kühlmittel zur ersten und zweiten Seite der Statorendwicklungen leiten.
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Bei 414 kann das auf die erste Seite und die zweite Seite der Statorendwicklungen gesprühte Kühlmittel über eine Rücklaufleitung (wie die Rücklaufleitung 280 in 2) in den Behälter zurückgeführt werden. Eine Spülpumpe kann verwendet werden, um das Kühlmittel vom Stator zum Behälter zu leiten. Für die Weiterleitung des Kühlmittels vom Behälter zum primären Kanal kann eine separate Druckpumpe verwendet werden. Vor der Rückführung des Kühlmittels in den primären Kanal kann die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme in einem Wärmetauscher abgeführt werden.
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Auf diese Weise kann das Kühlmittel über eine Vielzahl gleichmäßig verteilter sekundärer Kanäle effektiv durch einen zentralen Bereich der Blechpakete eines Rotors geleitet werden, wodurch eine verbesserte Kühlung des Rotors erreicht wird. Indem das Kühlmittel zu den Statorendwicklungen geleitet wird, kann auch eine weitere Kühlung des Stators über einen einzigen Kühlmittelkreislauf erreicht werden. Indem das Kühlmittel (z. B. Öl) in direkten Kontakt mit der Oberfläche der Rotorlaminierungen gebracht wird, kann die Kontaktfläche vergrößert werden, wodurch der Wärmewiderstand insgesamt verringert und der Rotor gleichmäßig gekühlt wird.
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Ein beispielhaftes Kühlsystem für einen Elektromotor umfasst: einen primären Kühlkanal durch eine Rotorwelle, der mit einer Vielzahl sekundärer Kanäle durch Blechpakete eines Rotors verbunden ist, die so eingerichtet sind, dass sie Kühlmittel in einem zentralen Bereich der Blechpakete aufnehmen. In dem vorhergehenden Beispiel ist der primäre Kühlmittelkanal zusätzlich oder optional mit der Vielzahl von sekundären Kanälen über eine Vielzahl von entsprechenden Verbindungswegen in einem zentralen Bereich der Rotorwelle verbunden, wobei jeder sekundäre Kanal mit dem primären Kanal über einen entsprechenden Verbindungsweg verbunden ist. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele verläuft zusätzlich oder optional der primäre Kühlmittelkanal entlang einer Mittelachse der Rotorwelle von einem ersten Ende der Rotorwelle zu dem zentralen Bereich der Rotorwelle, wobei der primäre Kühlmittelkanal mit der Vielzahl von sekundären Kanälen verbunden ist, wobei der zentrale Bereich im Wesentlichen den gleichen Abstand von dem ersten Ende und einem zweiten Ende der Rotorwelle hat. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele ist die Vielzahl von sekundären Kanälen zusätzlich oder optional radialsymmetrisch um eine Mittelachse des primären Kanals angeordnet und über entsprechende Verbindungswege mit dem primären Kanal verbunden. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele durchläuft die Vielzahl von sekundären Kanälen zusätzlich oder optional eine Länge der Blechpakete von einem ersten Ende der Blechpakete zu einem zweiten Ende der Blechpakete. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele ist der primäre Kühlmittelkanal zusätzlich oder optional so eingerichtet, dass das Kühlmittel in einer einzigen Richtung vom ersten Ende der Rotorwelle zum zentralen Bereich der Rotorwelle strömt, und wobei jeder der Vielzahl von sekundären Kanälen so eingerichtet ist, dass eine erste Menge des vom primären Kühlmittelkanal empfangenen Kühlmittels in einer ersten Richtung vom zentralen Bereich der der Blechpakete zum ersten Ende der Blechpakete und eine zweite Menge des vom primären Kühlmittelkanal empfangenen Kühlmittels in einer zweiten Richtung vom zentralen Bereich der der Blechpakete zum zweiten Ende der Blechpakete strömt. Eines oder alle der vorhergehenden Beispiele umfassen ferner zusätzlich oder optional eine erste Ausgleichsplatte, die integral mit dem ersten Ende des Blechpakets und dem ersten Ende der Rotorwelle verbunden ist, und eine zweite AusgleichBlechpaketss und dem zweiten Ende der Rotorwelle verbunden ist, wobei die erste Ausgleichsplatte und die zweite Ausgleichsplatte einen oder mehrere Durchgangskanäle aufweisen. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele sind zusätzlich oder optional die Durchgangskanäle in der ersten Ausgleichsplatte mit den ersten Enden der Vielzahl von sekundären Kanälen ausgerichtet, wobei jeder Durchgangskanal der einen oder mehreren Durchgangskanäle in der ersten Ausgleichsplatte mit einem der Vielzahl von sekundären Kanälen korrespondiert, wobei die einen oder mehreren Durchgangskanäle in der ersten Ausgleichsplatte dazu eingerichtet sind, Kühlmittel von den ersten Enden der sekundären Kanäle zu den Endwicklungen eines Stators des Elektromotors über eine mit der ersten Ausgleichsplatte gekoppelte Düse zu leiten. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele sind die einen oder mehreren Durchgangskanäle in der zweiten Ausgleichsplatte zusätzlich oder optional mit den zweiten Enden der Vielzahl von sekundären Kanälen ausgerichtet, wobei jeder Durchgangskanal der einen oder mehreren Durchgangskanäle in der zweiten Ausgleichsplatte mit einem der Vielzahl von sekundären Kanälen korrespondiert, wobei die einen oder mehreren Durchgangskanäle in der zweiten Ausgleichsplatte so eingerichtet sind, dass sie Kühlmittel von den zweiten Enden der sekundären Kanäle zu den Endwicklungen des Stators des Elektromotors über eine weitere Düse leiten, die mit der zweiten Ausgleichsplatte verbunden ist. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele ist der primäre Kühlmittelkanal zusätzlich oder optional so eingerichtet, dass er über eine Kühlmittelpumpe Kühlmittel aus einem Behälter erhält, wobei das System ferner eine Spülpumpe umfasst, die so eingerichtet ist, dass sie das Kühlmittel von den Endwicklungen des Stators zum Behälter zurückführt, um es dem primären Kühlmittelkanal wieder zuzuführen.
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Ein weiteres beispielhaftes Verfahren für ein Kühlsystem eines Elektromotors umfasst: Leiten von Kühlmittel von einem primären Kühlmittelkanal zu einer Mitte jedes einer Vielzahl von sekundären Kanälen über entsprechende Verbindungswege, Leiten von Kühlmittel zu beiden Enden von Blechpaketen eines Rotors über die Vielzahl von sekundären Kanälen und Leiten von Kühlmittel zu den Endwicklungen eines Stators über Kanäle in Ausgleichsplatten. Im vorhergehenden Beispiel durchläuft zusätzlich oder optional die Vielzahl von sekundären Kanälen eine Länge der Blechpakete von einem ersten Ende der Blechpakete zu einem zweiten Ende der Blechpakete, wobei jeder sekundäre Kanal der Vielzahl von sekundären Kanälen über einen entsprechenden Verbindungsweg in der Mitte des sekundären Kanals mit dem primären Kühlmittelkanal verbunden ist. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele kann das Leiten des Kühlmittels zu beiden Enden der Blechpakete für jeden sekundären Kanal, zusätzlich oder optional beinhalten, dass ein erster Teil des vom primären Kühlmittelkanal erhaltenen Kühlmittels zu einer ersten Ausgleichsplatte fließt, die mit dem ersten Ende der Blechpakete verbunden ist, und dass ein zweiter Teil des vom primären Kühlmittelkanal erhaltenen Kühlmittels zu einer zweiten Ausgleichsplatte fließt, die mit dem zweiten Ende der Blechpakete verbunden ist. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele ist zusätzlich oder optional eine Strömungsrichtung des ersten Teils des Kühlmittels durch einen sekundären Kanal entgegengesetzt zu einer Strömungsrichtung des zweiten Teils des Kühlmittels durch den sekundären Kanal. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele beinhaltet das Leiten von Kühlmittel zu den Endwicklungen über Durchgangskanäle in Ausgleichsplatten zusätzlich oder optional das Sprühen der ersten Menge an Kühlmittel durch eine erste Düse, die Kühlmittel aus einem ersten Satz von Durchgangskanälen in der ersten Ausgleichsplatte erhält, auf die Endwicklung an einem ersten Ende des Stators, und das Sprühen der zweiten Menge an Kühlmittel durch eine zweite Düse, die Kühlmittel aus einem zweiten Satz von Durchgangskanälen in der zweiten Ausgleichsplatte erhält, auf die Endwicklung an einem zweiten Ende des Stators. Eines oder alle der vorhergehenden Beispiele umfassen ferner zusätzlich oder optional das Leiten des Kühlmittels von den Endwicklungen über eine Pumpe und eine Kühlmittelrücklaufleitung zu einem Kühlmittelbehälter und das Zurückführen des Kühlmittels über die Pumpe und eine Kühlmittelzufuhrleitung zum primären Kühlmittelkanal.
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Ein weiteres Beispiel für einen Elektromotor umfasst: eine Rotorwelle, die radial in Blechpaketen eines Rotors eingeschlossen ist, einen Stator mit Endwicklungen an jedem Ende, die die Blechpakete eines Rotors einschlie-ßen, einen primären Kanal, der durch eine zentrale Achse der Rotorwelle von einem ersten Ende des Rotors zu einem zentralen Bereich des Rotors verläuft, und zwei oder mehr sekundäre Kanäle, die durch die Blechpakete des Rotors verlaufen, wobei jeder sekundäre Kanal so eingerichtet ist, dass er Kühlmittel aufnimmt, das durch den primären Kanal fließt, und das Kühlmittel zu zwei gegenüberliegenden Enden der Blechpakete und den Endwicklungen des Stators fließen lässt. In dem vorhergehenden Beispiel ist zusätzlich oder optional jeder sekundäre Kanal so eingerichtet, dass er Kühlmittel aufnimmt, das durch den primären Kanal über einen eigenen Verbindungsweg fließt, wobei die zwei oder mehr sekundären Kanäle parallel zueinander verlaufen. In einem oder allen der vorhergehenden Beispiele ist zusätzlich oder optional ein erstes Ende jedes sekundären Kanals auf einen Durchgangskanal auf einer ersten Ausgleichsplatte ausgerichtet, die mit den Blechpaketen an einem ersten Ende gekoppelt ist, und wobei ein zweites Ende jedes sekundären Kanals auf einen anderen Durch auf einer zweiten Ausgleichsplatte ausgerichtet ist, die mit den Blechpaketen an einem zweiten Ende gekoppelt ist, wobei sowohl der Durch als auch der andere Durch so eingerichtet sind, dass sie Kühlmittel von jedem sekundären Kanal über entsprechende Düsen zu den Endwicklungen des Stators leiten. Eines oder alle der vorhergehenden Beispiele umfassen ferner zusätzlich oder optional eine erste Pumpe, die so ausgelegt ist, dass sie Kühlmittel aus den Endwicklungen des Stators in einen Behälter absaugt, und eine zweite Pumpe, die so ausgelegt ist, dass sie das Kühlmittel in den primären Kanal zurückführt.
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1-4 zeigen Beispielkonfigurationen mit der relativen Anordnung der verschiedenen Komponenten. Wenn diese Elemente in direktem Kontakt zueinander stehen oder direkt gekoppelt sind, können sie zumindest in einem Beispiel als in direktem Kontakt bzw. direkt gekoppelt bezeichnet werden. In ähnlicher Weise können Elemente, die nebeneinander oder aneinander angrenzend dargestellt sind, zumindest in einem Beispiel aneinander oder aneinander angrenzend sein. So können beispielsweise Komponenten, die in flächigem Kontakt zueinander liegen, als in flächigem Kontakt stehend bezeichnet werden. Als weiteres Beispiel können in mindestens einem Fall Elemente, die voneinander getrennt sind und zwischen denen sich nur ein Zwischenraum befindet und die keine anderen Komponenten aufweisen, als solche bezeichnet werden. In noch einem weiteren Beispiel können Elemente, die über/untereinander, auf gegenüberliegenden Seiten oder links/rechts voneinander dargestellt sind, als solche bezeichnet werden, und zwar relativ zueinander. Wie in den Figuren dargestellt, kann ein oberstes Element oder ein oberster Punkt des Elements als „Oberseite“ der Komponente und ein unterstes Element oder ein unterster Punkt des Elements als „Unterseite“ der Komponente bezeichnet werden. Die hier verwendeten Begriffe Oberseite/Unterseite, oberer/unterer, oberhalb/unterhalb können sich auf eine vertikale Achse der Figuren beziehen und zur Beschreibung der Positionierung von Elementen der Figuren zueinander verwendet werden. So sind in einem Beispiel Elemente, die oberhalb anderer Elemente angezeigt werden, vertikal über den anderen Elementen angeordnet. Als weiteres Beispiel können die Formen der in den Figuren dargestellten Elemente als solche bezeichnet werden (z. B. kreisförmig, gerade, eben, gekrümmt, abgerundet, abgeschrägt, abgewinkelt o. ä.). Ferner können die dargestellten Elemente, die sich gegenseitig schneiden, in mindestens einem Beispiel als sich schneidende Elemente oder als einander schneidende Elemente bezeichnet werden. Darüber hinaus kann ein Element, das innerhalb eines anderen Elements oder außerhalb eines anderen Elements dargestellt wird, als solches bezeichnet werden.
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Ein Element oder ein Schritt, der in der Einzahl aufgeführt ist und mit dem Wort „eine“ oder „einer“ fortgesetzt wird, schließt die Mehrzahl dieser Elemente oder Schritte nicht aus, es sei denn, ein solcher Ausschluss wird ausdrücklich erwähnt. Darüber hinaus sind Hinweise auf „ein Ausführungsbeispiel“ der vorliegenden Erfindung nicht so zu verstehen, dass zusätzliche Ausführungsbeispiele, die ebenfalls die genannten Merkmale aufweisen, ausgeschlossen sind. Ferner können Ausführungsbeispiele, die ein Element oder eine Vielzahl von Elementen mit einer bestimmten Eigenschaft „umfassen“, „einschließen“ oder „aufweisen“, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, zusätzliche Elemente enthalten, die diese Eigenschaft nicht haben. Die Ausdrücke „einschließlich“ und „in welchen“ werden als einfaches Äquivalent zu den entsprechenden Begriffen „umfassend“ und „wobei“ verwendet. Darüber hinaus werden die Begriffe „erster“, „zweiter“, „dritter“ usw. lediglich als Bezeichnungen verwendet und sollen den Gegenständen keine numerischen Anforderungen oder eine bestimmte Rangfolge auferlegen.
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In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele verwendet, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform, zu offenbaren und um einen Fachmann auf dem relevanten Gebiet in die Lage zu versetzen, die Erfindung zu praktizieren, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von integrierten Verfahren. Der patentierbare Geltungsbereich der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele einschließen, die sich Fachleuten erschließen. Solche anderen Beispiele sollen in den Geltungsbereich der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich nicht vom Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum Wortlaut der Ansprüche enthalten.
