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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, mit dessen Hilfe ein Rotor der elektrischen Maschine elektromagnetisch angetrieben werden kann.
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Aus
DE 10 2018 117 463 A1 ist ein Stator für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem in axialer Richtung gestapelte Statorbleche über in Umfangsrichtung verlaufende Kühlkanäle mit einem oberen axial verlaufenden Vorlauf zur Zufuhr eines Kühlmediums und einem unteren axial verlaufenden Rücklauf zur Abfuhr des erwärmten Kühlmediums verbunden sind.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis einen Stator einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug mit geringen Aufwand zu kühlen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die mit geringen Aufwand eine gute Kühlung eines Stators einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen Stator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Eine Ausführungsform betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, mit einem Statorring zum Tragen von Elektromagneten, mehreren in dem Statorring ausgebildeten im Wesentlichen axial verlaufenden Kühlkanälen zum Kühlen des Statorrings mit Hilfe eines durch die Kühlkanäle geführten Kühlmediums, einem an einer ersten Axialseite des Statorrings vorgesehenen ersten Verbindungskanal zur fluidischen Verbindung von einem ersten Paar in Umfangsrichtung zueinander beabstandeten Kühlkanälen und einem an einer von der ersten Axialseite des Statorrings weg weisenden zweiten Axialseite des Statorrings vorgesehenen zweiten Verbindungskanal zur fluidischen Verbindung von einem von dem ersten Paar verschiedenen zweiten Paar in Umfangsrichtung zueinander beabstandeten Kühlkanälen.
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Jeweils zwei in Umfangsrichtung nachfolgende Kühlkanäle können zu dem ersten Paar beziehungsweise zu dem zweiten Paar zusammengefasst werden, wobei einer der Kühlkanäle sowohl Teil des ersten Paares als auch Teil des zweiten Paares sein kann. In Umfangsrichtung nachfolgende Paare an Kühlkanälen können sich jeweils einen gemeinsamen Kühlkanal teilen und sich insofern überlappen. Das in dem einen Kühlkanal in die eine Axialrichtung strömende Kühlmedium kann am in Strömungsrichtung vorliegenden Ende des Kühlkanals von dem ersten Verbindungskanal oder von dem zweiten Verbindungskanal aufgenommen und in Umfangsrichtung und/oder in tangentialer Richtung zu einem in Umfangsrichtung versetzten Kühlkanal geführt werden, den das Kühlmedium in der entgegengesetzten Axialrichtung durchströmen kann. Durch die mit Hilfe der im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Verbindungskanäle miteinander verbundenen axial verlaufenden Kühlkanäle kann das Kühlmedium in den miteinander fluidisch verbunden verbundenen und in Umfangsrichtung zueinander versetzten axial verlaufenden Kühlkanälen, insbesondere mäanderförmig und/oder zick-zack-förmig, hin und her strömen. Das selbe Kühlmedium kühlt den Stator dadurch nicht nur über eine axiale Länge nur eines einzigen Kühlkanals, sondern über die axiale Länge der Summer mehrere Kühlkanäle, wobei auch die Verbindungskanäle einen Beitrag zur Kühlleistung erbringen können. Da das Kühlmedium dadurch einem längeren Kontakt mit dem im Betrieb erwärmten Material des Statorrings ausgesetzt ist, kann sich das Kühlmedium wesentlich stärker erwärmen und eine deutlich höhere Wärmeenergie pro Volumen aufnehmen, als wenn das Kühlmedium über eine geringere Fläche mit dem Statorring in Kontakt kommen würde. Bei einem vorgegebenen Volumenstrom des Kühlmediums kann die Kühlleistung erhöht werden. Zudem kann aufgrund der größeren Temperaturerhöhung des Kühlmediums die von dem Kühlmedium aufgenommene Wärmemenge leichter wieder abgegeben werden. Beispielsweise kann aufgrund der höheren Eingangstemperatur des in dem Statorrings erwärmten Kühlmediums in einem passiven Wärmetauscher, beispielsweise ein durch Fahrtwind luftgekühlter Frontkühler des Kraftfahrzeugs, eine größere Wärmemenge, insbesondere durch konvektive Wärmeabfuhr, dem Kühlmedium entzogen werden, wodurch die Kühlleistung für die Kühlung des Stators weiter verbessert werden kann. Durch die mit Hilfe der Verbindungskanäle mäanderförmig miteinander verbundenen axialen Kühlkanäle kann eine hohe Kühlleistung für die Kühlung des Statorrings erreicht werden, so dass mit geringen Aufwand eine gute Kühlung eines Stators einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug ermöglicht ist.
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Als Kühlmedium kann insbesondere eine Flüssigkeit, beispielsweise Öl oder Wasser verwendet werden. Der Statorring ist insbesondere aus einem metallischen Material hergestellt, so dass in den von dem Statorring getragenen und als Elektromagneten verwendete Spulen entstehende Wärme mit guten Wärmeleitfähigkeit an das Kühlmedium abgeführt werden kann. Der Statorring kann einstückig aus einem metallischen, insbesondere eisenhaltigen und/oder stahlhaltigen, Halbzeug hergestellt sein. Alternativ kann der Statorring aus einem Paket mehrere in axialer Richtung gestapelter Scheiben zusammengesetzt sein, wobei an den aufeinander zu weisenden Axialseiten der Scheiben eine ausreichende Dichtigkeit für die durch die Scheiben in axialer Richtung hindurchverlaufenden Kühlkanäle vorgesehen ist. Der Statorring kann unbeweglich in der elektrischen Maschine montiert sein, beispielsweise indem der Statorring unmittelbar oder mittelbar mit einem Motorgehäuse der elektrischen Maschine fest verbunden werden kann.
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Insbesondere sind mehrere erste Verbindungskanäle und mehrere zweite Verbindungskanäle in Umfangsrichtung alternierend vorgesehen. Der Strömungsweg des Kühlmediums kann dadurch weiter verlängert werden. Insbesondere sind hierzu durch die Verbindungskanäle jeweils unmittelbar in Umfangsrichtung nachfolgende Kühlkanäle miteinander verbunden, so dass zwei oder mehr in die selbe Umfangsrichtung fließende separate Strömungen des Kühlmediums vermieden sind. Zudem ist insbesondere vorgesehen, dass jeder Verbindungskanal jeweils nur genau zwei Kühlkanäle miteinander verbindet. Der jeweilige Verbindungskanal bewirkt dadurch im Wesentlichen nur eine Umlenkung der Strömung des Kühlmediums in die entgegengesetzte Axialrichtung.
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Vorzugsweise sind die Kühlkanäle, insbesondere sämtliche Kühlkanäle, über nur genau einen Zulauf zur Zuführung des Kühlmediums und/oder nur genau einen Ablauf zum Abführen des Kühlmediums mit einem Kühlkreislauf verbindbar. Dies ermöglicht eine besonders einfache Anschlusstechnik des Statorrings an den Kühlkreislauf. Die mehreren Kühlkanäle können aus nur einer Quelle gespeist und an nur einer Stelle wieder entleert werden. Alternativ kann mehr als ein Zulauf und/oder rmehr als ein Ablauf vorgesehen sein.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass ein zur Zuführung des Kühlmediums vorgesehener Zulauf zur Aufteilung des zugeführten Kühlmediums in unterschiedliche Umfangsrichtungen mit zwei Kühlkanälen fluidisch verbunden ist und/oder ein zum Abführen des Kühlmediums vorgesehener Ablauf zum Zusammenführen aus unterschiedlichen Umfangsrichtungen ankommenden Kühlmediums mit zwei Kühlkanälen fluidisch verbunden ist. Beispielsweise kann der Zulauf und/oder der Ablauf, vorzugsweise mittig, in einen der Verbindungskanäle einmünden. Das über den Zulauf ankommende Kühlmedium kann dadurch in zwei Teilströme aufgeteilte werden, die mänderförmig in unterschiedliche Umfangsrichtungen durch den Statorring strömen und insbesondere an dem gemeinsamen Ablauf wieder zu einem gemeinsamen Strom zusammengeführt werden. Dies ermöglicht einen symmetrischen Aufbau und eine symmetrische Kühlung, bei dem der Zulauf und der Ablauf nicht in unmittelbarer Nähe zueinander vorgesehen sein müssen.
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Insbesondere sind der Zulauf in Schwerkraftrichtung oben und der Ablauf in Schwerkraftrichtung unten am Statorring vorgesehen. Insbesondere sind der Zulauf an einer maximal weit oberen Stelle und der Ablauf an einer maximal weit unteren Stelle am Statorring vorgesehen. Dadurch kann die an dem Kühlmedium angreifende Schwerkraft in Strömungsrichtung wirken, wodurch die Kühlwirkung unterstützt und erforderlichenfalls das Kühlmedium leicht ohne zusätzliche Hilfsmittel aus dem Statorring abgelassen werden kann. Zudem kann das Kühlmedium mit seiner zu Beginn der Kühlung niedrigsten Temperatur am oberen Ende des Statorrings beginnen, wo durch Stauwärme die höchsten Temperaturen des Statorrings zu erwarten sind. Dadurch kann an der temperaturkritischsten Stelle des Statorrings die höchste lokale Kühlleistung erreicht werden.
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Vorzugsweise ist der erste Verbindungskanal zumindest teilweise durch eine erste Nut in der ersten Axialseite des Statorrings und/oder der zweite Verbindungskanal zumindest teilweise durch eine zweite Nut in der zweiten Axialseite des Statorrings ausgebildet. Die jeweilige Nut kann beispielsweise spanlos durch Druckumformen, insbesondere Prägen, in dem Material des Statorrings erzeugt sein. Alternativ kann die jeweilige Nut durch ein spanabhebendes Verfahren, beispielsweise Fräsen, erzeugt sein. Zur offenen Axialseite hin kann der jeweilige Verbindungskanal und das jeweilige axiale Ende der über den Verbindungskanal miteinander verbundenen Kühlkanäle mit einer ausreichenden Dichtigkeit abgedeckelt werden.
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Besonders bevorzugt ist der erste Verbindungskanal zumindest teilweise durch ein an der ersten Axialseite mit dem Statorring verbundenes erstes Deckblech und/oder der zweite Verbindungskanal zumindest teilweise durch ein an der zweiten Axialseite mit dem Statorring verbundenes zweites Deckblech ausgebildet. Das jeweilige Deckblech kann teilweise oder vollständig den Strömungsquerschnitt des zugehörigen Verbindungskanals begrenzen. Der jeweilige Kühkanal kann sich dadurch besonders weit in axialer Richtung erstrecken und über einen entsprechend langen Strömungsweg Wärme von dem Statorring aufnehmen. Die jeweilige Nut kann beispielsweise spanlos durch Druckumformen, insbesondere Prägen, in dem Material des Deckblechs erzeugt sein.
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Insbesondere ist das erste Deckblech und/oder das zweite Deckblech durch ein Gehäuseteil eines Motorgehäuses zur Aufnahme der elektrischen Maschine ausgebildet. Beispielsweise soll der Statorring sowieso mit dem Motorgehäuse verbunden werden, so dass es möglich ist den Statorring ausreichend abgedichtet an eine Innenwand des Motorgehäuses anzudrücken und in dem Material des Motorgehäuses die Konturierung des zugehörigen Deckblechs auszubilden. Die Bauteileanzahl kann dadurch gering gehalten werden. Insbesondere kann in dem eher massiv ausgeführten Material des Motorgehäuses auch ein Zufuhrkanal zur Zufuhr des Kühlmediums in den Statorring und/oder ein Abfuhrkanal zur Abfuhr des Kühlmediums aus dem Statorring integriert sein, wodurch die Bauteileanzahl weiter reduziert werden kann.
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Vorzugsweise ist das mehrere, insbesondere alle, erste Verbindungskanäle ausbildende erste Deckblech und/oder das mehrere, insbesondere alle, zweite Verbindungskanäle ausbildende zweite Deckblech über mindestens ein, insbesondere gemeinsames, in einem gemeinsamen Radiusbereich mit dem ersten Verbindungskanal und dem zweiten Verbindungskanal vorgesehenes Befestigungsmittel mit dem Statorring verbunden, wobei der erste Verbindungskanal und/oder der zweite Verbindungskanal entlang seines Verlaufs in Umfangsrichtung radial innen und/oder radial außen an dem Befestigungsmittel vorbeigeführt ist. Die radiale Erstreckung des Statorrings und der Deckbleche kann dadurch gering gehalten werden, so dass Bauraum für andere Kraftfahrzeugkomponenten geschaffen werden kann. Die Qualität der Befestigungstechnik wird dadurch von den Verbindungskanälen nicht beeinträchtigt. Beispielsweise ist es möglich, dass der jeweilige Verbindungskanal sich in Umfangsrichtung in zwei Teilstücke aufteilt, die jeweils radial innen und radial außen an dem Befestigungsmittel vorbeigeführt sind und in Strömungsrichtung hinter dem Befestigungsmittel wieder zusammengeführt werden. Das Befestigungsmittel kann beispielsweise Teil einer Schraubenverbindung sein, über welche die Deckbleche an den Statorring mit einer ausreichenden Dichtigkeit angepresst werden können.
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Besonders bevorzugt ist der Statorring sowohl radial innen zum Zusammenwirken mit einem als Innenläufer ausgestalteten Rotor einer ersten elektrischen Maschine als auch radial außen zum Zusammenwirken mit einem als Außenläufer ausgestalteten Rotor einer zweiten elektrischen Maschine genutet ausgeführt. Der Statorring kann dadurch sowohl radial innen als auch radial außen Elektromagneten tragen, die für jeweils eine andere elektrische Maschine vorgesehen sind. Der selbe gekühlte Statorring kann dadurch für zwei verschiedene elektrische Maschinen genutzt werden. Der Aufwand die Statoren der beiden elektrischen Maschinen zu kühlen ist dadurch gering gehalten.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine schematische Prinzipdarstellung eines Antriebstrangs für ein Hybrid-Kraftfahrzeug,
- 2: eine schematische perspektivische teilgeschnittene Vorderansicht eines Stators für den Antriebsstrang aus 1,
- 3: eine schematische perspektivische Explosionsansicht des Stators aus 2 und
- 4: eine schematische perspektivische Explosionsansicht des Stators aus 2 von hinten.
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Der in 1 dargestellte Antriebsstrang 10 für ein Hybrid-Kraftfahrzeug weist einen als Verbrennungsmotor ausgestalteten Kraftfahrzeugmotor 12 auf, an dessen, insbesondere als Kurbelwelle ausgestalteten, Ausgangswelle 14 ein beispielsweise als Zweimassenschwungrad ausgestalteter Drehschwingungsdämpfer 16 vorgesehen ist. Der Drehschwingungsdämpfer 16 ist ausgangsseitig, insbesondere über eine Zwischenübersetzung 18, mit einer Zwischenwelle 20 gekoppelt, die mit einem mit einem Stator 22 zusammenwirkenden Rotor 24 einer elektrischen Maschine 26 zum elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zwischenwelle 20 koaxial zu dem Rotor 24 angeordnet und fällt mit einer mit dem Rotor 24 verbundenen Rotorwelle 28 der elektrischen Maschine zusammen. Alternativ kann die elektrische Maschine achsparallel versetzt zur Zwischenwelle 20 vorgesehen sein und die Rotorwelle 28 beispielsweise über ein Zugmittel und/oder eine Zahnradpaarung mit der Zwischenwelle 20 gekoppelt sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist koaxial zu der elektrischen Maschine 26 eine weitere elektrische Maschine 30 vorgesehen, die einen mit einem weiteren Stator 32 zusammenwirkenden weiteren Rotor 34 aufweist, wobei die radial innere elektrische Maschine 26 als Innenläufer und die radial äußere weitere elektrische Maschine 30 als Außenläufer ausgestaltet sind. Eine mit dem weiteren Rotor 34 verbundene weitere Rotorwelle 36 kann über eine Trennkupplung 38 mit der Zwischenwelle 20 beziehungsweise der Rotorwelle 28 gekoppelt werden. Die weitere Rotorwelle 36 kann insbesondere mit einer Getriebeeingangswelle 40 eines Kraftfahrzeuggetriebes 42 zusammenfallen, an dem ausgangsseitig über ein Differentialgetriebe 44 Antriebsräder des Kraftfahrzeugs angeschlossen sein können.
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Wie in 2 dargestellt ist, kann der Stator 22 gleichzeitig auch den weiteren Stator 32 ausbilden, indem der Stator 22 einen Statorring 46 aufweist, der sowohl radial innen als auch radial außen zur Aufnahme von Elektromagneten ausbildenden Spulen genutet ausgeführt ist. Der Statorring 46 ist mit Hilfe eines Kühlmediums, beispielsweise Öl, gekühlt, wodurch mit nur einer Kühltechnik sowohl die radial innen als auch die radial äußeren Elektromagneten gekühlt werden können. Hierzu weist der Statorring 46 mehrere in axialer Richtung durch den Statorring 46 hindurch verlaufende Kühlkanäle 48 auf, die insbesondere in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt vorgesehen sein können. Die Kühlkanäle 48 sind in Umfangsrichtung alternierend über jeweils einen an einer ersten Axialseite 50 des Statorrings 46 vorgesehen ersten Verbindungskanal 52 und an einer entgegengesetzten zweiten Axialseite 54 des Statorrings 46 vorgesehen zweiten Verbindungskanal 56, die jeweils in Umfangsrichtung verlaufen, miteinander verbunden. Von einem in Schwerkraftrichtung maximal weit oben vorgesehenen Zulauf 58, der mit dem obersten Verbindungskanal 52, 56 verbunden ist, kann das über den Zulauf 58 zugeführte Kühlmedium in unterschiedliche Umfangsrichtungen aufgeteilt werden und im Wesentlichen mäanderförmig abwechselnd über jeweils einen Kühlkanal 48 und einen Verbindungskanal 52, 56 fließen, bis das Kühlmedium in einem in Schwerkraftrichtung unteresten Bereich über jeweils einen Ablauf 60 aus dem Statorring 46 wieder austreten kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur genau ein Zulauf 58 und genau zwei Abläufe 60 vorgesehen, wobei es alternativ auch möglich ist nur genau einen Ablauf 60 und/oder nur genau zwei Zuläufe 58 vorzusehen.
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Wie in 3 dargestellt ist, können die ersten Verbindungskanäle 52 durch in einem ersten Deckblech 62, beispielsweise durch Prägen erzeugte, erste Nuten 64 ausgebildet werden, wobei das erste Deckblech 62 mit Hilfe von, insbesondere als Schrauben ausgestalteten, Befestigungsmitteln 66 fluiddicht an den Statorring 46 angepresst werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann an der ersten Axialseite 50 in dem Statorring 46 eine Nut zur Ausbildung des ersten Verbindungskanals 52 vorgesehen sein.
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Wie in 4 dargestellt ist, können analog auch die zweiten Verbindungskanäle 56 durch in einem zweiten Deckblech 68, beispielsweise durch Prägen erzeugte, zweite Nuten 70 ausgebildet werden, wobei das zweite Deckblech 68 mit Hilfe der selben Befestigungsmitteln 66 fluiddicht an den Statorring 46 angepresst werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann an der zweiten Axialseite 54 in dem Statorring 46 eine Nut zur Ausbildung des zweiten Verbindungskanals 56 vorgesehen sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Befestigungsmittel 66 zu den ersten Verbindungskanälen 52 in Umfangsrichtung versetzt vorgesehen, wobei die Befestigungsmittel 66 durch jeweils einen der zweiten Verbindungskanäle 56 hindurchgeführt sind. Die Formgestaltung der zweiten Verbindungskanäle 56 ist hierbei derart ausgestaltet, dass das Kühlmedium sowohl radial innen als auch radial außen an dem hindurchgeführten Befestigungsmittel 66 vorbeigeführt wird. Über die mit Hilfe der Befestigungsmittel 66 erreichten Schraubenverbindungen können die Deckbleche 62, 68 gegebenenfalls über eine Dichtlage fluiddicht an die Axialseiten 50, 54 angepresst sein, wobei gegebenenfalls zwischen einem Schraubenkopf des Befestigungsmittels 66 und dem zugeordneten Deckblech 62, 68 und/oder zwischen einem auf dem Befestigungsmittel 66 aufgeschraubten Schraubenmutter und dem zugeordneten Deckblech 62, 68 eine Dichtung vorgesehen sein kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Antriebsstrang
- 12
- Kraftfahrzeugmotor
- 14
- Ausgangswelle
- 16
- Drehschwingungsdämpfer
- 18
- Zwischenübersetzung
- 20
- Zwischenwelle
- 22
- Stator
- 24
- Rotor
- 26
- elektrische Maschine
- 28
- Rotorwelle
- 30
- weitere elektrische Maschine
- 32
- weiterer Stator
- 34
- weiterer Rotor
- 36
- weitere Rotorwelle
- 38
- Trennkupplung
- 40
- Getriebeeingangswelle
- 42
- Kraftfahrzeuggetriebe
- 44
- Differentialgetriebe
- 46
- Statorring
- 48
- Kühlkanal
- 50
- erste Axialseite
- 52
- erster Verbindungskanal
- 54
- zweite Axialseite
- 56
- zweiter Verbindungskanal
- 58
- Zulauf
- 60
- Ablauf
- 62
- erstes Deckblech
- 64
- erste Nut
- 66
- Befestigungsmittel
- 68
- zweites Deckblech
- 70
- zweite Nut
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018117463 A1 [0002]