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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zur Kühlung eines Stators für eine elektrische Maschine, umfassend einem Stator, welcher um eine Rotationsachse herum angeordnet ist, wobei durch die Rotationsachse eine axiale Richtung und radial zur Rotationsachse eine radiale Richtung ausgebildet ist, wobei der Stator ein Statorjoch und Statornuten aufweist, wobei sich das Statorjoch um die Rotationsachse in radialer Richtung und axialer Richtung erstreckt, wobei die Statornuten an dem Statorjoch zu der Rotationsachse hinweisend angeordnet sind, wobei sich die Statornuten in axialer Richtung erstrecken, wobei in den Statornuten Wicklungen vorgesehen sind, welche jeweils in axialer Richtung endseitig einen ersten Wickelkopf und einen zweiten Wickelkopf ausbilden. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine.
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Elektrische Maschinen, welche einen Rotor und einen den Rotor umgebenden Stator aufweisen, müssen heutzutage hohen Anforderungen genügen. Die elektrischen Maschinen, insbesondere solchen in Kraftfahrzeugen, müssen hohe Drehmomente auf kleinstem Bauraum bewältigen. Daraus resultiert eine hohe Stromdichte in Rotor- und Statorwicklungen, welche zu thermischen Verlusten und hoher Abwärme führt. Diese kann jedoch die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine beeinträchtigen. Um eine Abwärme der elektrischen Maschine zu reduzieren, werden Rotor und Stator gekühlt. Hierzu wird für den Stator insbesondere Luft oder Wasser eingesetzt. So kann der Stator außenseitig mit einen Wassermantel gekühlt werden. Dieser erfordert jedoch einen großen Bauraum.
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Die
DE 10 2009 034 235 A1 offenbart einen Stator eines Hybrid- oder Elektrofahrzeuges, mit einer Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmig angeordneten Statorsegmenten, deren Achsen im Wesentlichen radial ausgerichtet sind, mit einer Kühlvorrichtung zur Kühlung des Stators. Die Kühlvorrichtung weist in den Statorsegmenten ausgebildete Rippen auf, wobei die Rippen Kühlkanäle bilden, wobei der Stator einen Statorträger aufweist, wobei Statorsegmente und Statorträger derart zueinander ausgerichtet sind und der Statorträger derart ausgebildet ist, dass die Kühlvorrichtung von dem Statorträger begrenzt ist.
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Die
DE 102012022452A1 offenbart eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, mit einem Maschinengehäuse, mit einem in Bezug auf das Maschinengehäuse festgelegten Stator, mit einem Rotor, der in Bezug auf das Maschinengehäuse drehbar gelagert ist, und mit einer Kühlanordnung, die wenigstens einen Kühlkanal aufweist, der im Bereich eines Außenumfanges des Stators angeordnet und durch den hindurch ein Kühlfluid leitbar ist. Dabei ist im Bereich des Außenumfanges des Stators eine Vielzahl von Kühlkanälen angeordnet, wobei wenigstens zwei der Kühlkanäle im Bereich ihrer Enden unter Bildung einer Mäanderanordnung miteinander verbunden sind und wobei im Bereich des Außenumfanges des Stators eine Mehrzahl derartiger Mäanderanordnungen angeordnet ist, die parallel an eine Fluidversorgungseinrichtung angeschlossen sind.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Kühlanordnung anzugeben, welche eine verbesserte Kühlung bei gleichzeitig kleinem Bauraum ermöglicht. Ferner ist eine Aufgabe eine elektrische Maschine mit einer solchen Kühlanordnung anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 19. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der Beschreibung angegeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlanordnung zur Kühlung eines Stators für eine elektrische Maschine, umfassend einem Stator, welcher um eine Rotationsachse herum angeordnet ist, wobei durch die Rotationsachse eine axiale Richtung und radial zur Rotationsachse eine radiale Richtung ausgebildet ist, wobei der Stator ein Statorjoch und Statornuten aufweist, wobei sich das Statorjoch um die Rotationsachse in radialer Richtung und axialer Richtung erstreckt, wobei die Statornuten an dem Statorjoch zu der Rotationsachse hinweisend angeordnet sind, wobei sich die Statornuten in axialer Richtung erstrecken, wobei in den Statornuten Wicklungen vorgesehen sind, welche jeweils in axialer Richtung endseitig einen ersten Wickelkopf und einen zweiten Wickelkopf ausbilden,
wobei
ein erster Fluidring und ein zweiter Fluidring vorgesehen ist, wobei der erste Fluidring endseitig am Statorjoch und der zweite Fluidring gegenüberliegend endseitig am Statorjoch angeordnet ist,
wobei der erste Fluidring zumindest eine Einlassöffnung zum Einströmen von Fluid
von einem den Stator zumindest teilweise umgebenden Statorgehäuse aufweist, und wobei das Statorjoch in axialer Richtung mehrere Statoraxialkanäle aufweist, welche zum Durchströmen des eingeströmten Fluids von dem ersten Fluidring zu dem zweiten Fluidring ausgebildet sind, wobei der zweite Fluidring zur Aufnahme als auch Umlenkung des Fluids ausgebildet ist.
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Unter Fluidring sind ringförmige Kanäle zu verstehen, welche zur Fluidführung beispielsweise Öl, ausgebildet sind.
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Statornuten können durch am Statorjoch angeordnete Statorzähne ausgebildet werden, welche in radialer Richtung beanstandet zueinander angeordnet sind.
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Die beiden Fluidringe können anhand des Statorjochs sowie am Stator angeordneten Statorfixierungen zentriert bzw. ausgerichtet werden.
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Durch diese Kühlanordnung kann eine Kühlung erzielt werden, ohne dass axialer oder radialer Bauraum geschaffen werden muss bzw. verändert werden muss. Die Konstruktion umliegender Bauteile kann damit gleichbleiben. Insbesondere durch Zuführung des Fluids von nur einer Endseite des Statorjochs kann der vorhandene Bauraum optimal genutzt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Kühlanordnung wird ein Außendurchmesser des Stators nicht beeinflusst. Vielmehr kann durch wegfallen eines Wasserkühlmantels der Außendurchmesser des Stators d.h. der Stator vergrößert werden zur besseren Ausnutzung des Volumens und damit der Wirkungsgrad erhöht werden.
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Vorzugsweise ist an dem ersten Fluidring an der von dem Statorjoch abgewandten Seite ein weiterer umlaufender Zusatzring vorgesehen und angeordnet, welcher eine zum Statorgehäuse hin geöffnete umlaufende Fluidnut zur Aufnahme des Fluids aus dem Statorgehäuse aufweist. Dadurch kann eine einfache Fluidübergabe, hier Ölübergabe, aus dem Statorgehäuse gewährleistet werden. Weiterhin vorzugsweise ist zwischen Statorgehäuse und Zusatzring eine Dichtung angeordnet, welche ein Herauslaufen des Fluids (Öl) verhindert. Vorzugsweise sind der erste Fluidring und der Zusatzring quasi zwischen Wickelkopf und Statorjoch angeordnet. Dadurch wird kein weiterer axialer Bauraum benötigt.
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Weiterhin vorzugsweise weist der erste Fluidring zumindest eine Öffnung und der Zusatzring zumindest einen Durchbruchskanal von der Fluidnut zu der zumindest einen Öffnung zum Einströmen des Fluids von der Fluidnut in den ersten Fluidring auf, so dass die zumindest eine Einlassöffnung durch die Fluidnut, den zumindest einen Durchbruchskanal und die zumindest eine Öffnung ausgebildet ist.
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Dadurch ist ein einfacher Transport des Fluids, beispielsweise Öl von der Fluidnut durch den zumindest einen Durchbruchskanal zu der Öffnung und durch die Öffnung hindurch in den ersten Fluidring möglich. Die /der Durchbruchskanäle können dabei Bohrungen sein.
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Vorzugsweise sind mehrere Öffnungen vorgesehen, welche als Langlöcher ausgebildet sind, welche über den Umfang verteilt sind. Dabei sind vier Langlöcher zur schnellen und einfachen Befüllung ausreichend.
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Durch die Anordnung am Statorgehäuse wirkt das Statorgehäuse als axiale Anpressung des Zusatzringes an den ersten Fluidring. Dadurch kann eine axiale Fixierung sichergestellt werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung weist zumindest der Zusatzring eine Oberfläche auf, wobei zumindest die Oberfläche aus isolierten nicht leitfähigen Material besteht. Weiterhin vorzugsweise weist zudem der erste und der zweite Fluidring eine Oberfläche auf, welche aus isolierten nicht leitfähigen Material besteht. Dadurch ist eine Anbringung nahe den Wicklungen und den Wickelköpfen möglich.
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Die Fluidringe als auch der Zusatzring werden im Bauraum integriert, welcher derzeit als Luftisolation verwendet wird. Dadurch ist es möglich, die bisherigen Abmaße der umliegenden Bauteile nicht zu verändern. Durch diese Ausgestaltung kann eine optimale Bauraumausnutzung gewährleistet werden.
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Vorzugsweise besteht der Zusatzring aus isolierten nicht leitfähigen Material. Auch kann der erste und der zweite Fluidring aus isolierten nicht leitfähigen Material bestehen. Dadurch ist ebenfalls eine Anbringung nahe den Wicklungen und den Wickelköpfen möglich. Durch diese Ausgestaltung wird zudem die Kriechstrecke zu umliegenden Bauteilen eingehalten, ohne dass negative Einflüsse auf die Effektivität der Kühlung entstehen.
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In weiterer Ausgestaltung kann der erste Fluidring und der Zusatzring einstückig ausgebildet sein. Dadurch kann beispielsweise auf Dichtungen zwischen den ersten Fluidring und den Zusatzring verzichtet werden.
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Vorzugsweise sind der erste Fluidring und der Zusatzring zweiteilig ausgebildet, wobei der Zusatzring so angeordnet und ausgebildet ist, dass der Zusatzring mittels des Statorgehäuses an den ersten Fluidring in axialer Richtung anpressbar ist. Dadurch ist eine sichere axiale Fixierung möglich. Ferner kann durch diese Anordnung sichergestellt werden, dass kein zusätzlicher axialer oder radialer Bauraum benötigt wird. In weiterer bevorzugter Ausgestaltung sind in oder an dem zweiten Fluidring Umlenkkanäle vorgesehen, wobei erste Statoraxialkanäle so angeordnet sind, dass diese in die Umlenkkanäle einmünden, wobei die Umlenkkanäle weiter so angeordnet sind, dass diese in zweite Statoraxialkanäle einmünden, so dass vom ersten Fluidring durch die ersten Statoraxialkanäle zu dem zweiten Fluidring strömendes Fluid mittels der Umlenkkanäle umlenkbar ist und durch die zweiten Statoraxialkanäle zu dem ersten Fluidring zurückströmbar ist.
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Unter erste Statoraxialkanäle wird eine erste Anzahl von Statoraxialkanälen verstanden. Analoges gilt für die zweiten und dritten Statoraxialkanäle.
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Durch diese Umlenkungen /Windungen kann das Statorjoch und vor allem die Wicklungen in den Statornuten besonders gut gekühlt werden und zwar mit einem Fluid, welches ausschließlich von einer Seite einströmbar ist /zugeführt wird. Dadurch kann auf eine zweiseitige Zuführung verzichtet werden.
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Vorzugsweise weist der erste Fluidring einen umlaufenden geschlossenen Unterringkanal auf, wobei die zweiten Statoraxialkanäle so angeordnet sind, dass diese in den Unterringkanal einmünden.
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Weiterhin vorzugsweise weist der Unterringkanal erste Auslaßöffnungen auf.
Dabei sind die ersten Auslaßöffnungen insbesondere radial oberhalb in Bezug auf die Rotationsachse des ersten Wickelkopfes angeordnet, so dass ein Benetzen des ersten Wickelkopfes mit durch die ersten Auslaßöffnungen hindurchströmenden Fluid ermöglichbar ist.
Radial oberhalb bedeutet hier, dass die ersten Auslassöffnungen einen größeren Radius aufweisen als die Wickelköpfe, in Bezug auf die Rotationsachse, quasi nahe an einen Statoraußenmantel angeordnet sind.
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Somit ist die Anzahl der ersten Statoraxialkanälen und die Anzahl der zweiten Statoraxialkanälen identisch. Das vom ersten Fluidring durch die ersten Statoraxialkanäle zu dem zweiten Fluidring strömende Fluid wird mittels der Umlenkkanäle in die zweiten Statoraxialkanäle geströmt und durch die zweiten Statoraxialkanäle zu dem ersten Fluidring zurückgeströmt.
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Der erste Fluidring weist somit zwei Kanäle auf; einen für das einströmende Fluid vom Zusatzring und den Unterkanal in dem das vom zweiten Fluidring zurückströmende Fluid der zweiten Statoraxialkanäle einströmt.
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Dabei sind die ersten Auslassöffnungen radial oberhalb in Bezug auf die Rotationsachse des ersten Wickelkopfes angeordnet, so dass eine Kühlung des ersten Wickelkopfes durch herausströmendes /fließendes Fluid möglich ist. Dieses tropft entlang des ersten Wickelkopfes und kühlt diesen ab. Der erste Wickelkopf wird somit im oberen Bereich gekühlt, wobei das Fluid den ersten Wickelkopf entlangfließt und diesen somit kühlt.
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Radial oberhalb bedeutet hier, dass die ersten Auslassöffnungen einen größeren Radius aufweisen als die Wickelköpfe, in Bezug auf die Rotationsachse. Durch die Anordnung der ersten Auslaßöffnungen ist ein nahezu druckfreier Auslass des Fluids möglich. Hier wird die Schwerkraft ausgenutzt.
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Durch diese Verschaltung von ersten Fluidring, ersten Statoraxialkanälen und zweiten Statoraxialkanälen miteinander, ist es möglich, mit demselben Öl zum einen das Statorjoch zu kühlen, als auch zum anderen den ersten Wickelkopf zu kühlen. Dadurch kann ferner eine effiziente Kühlung mit wenig Fluid erzielt werden.
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In weiterer vorzugsweiser Ausgestaltung sind dritte Statoraxialkanäle so angeordnet, dass diese in den zweiten Fluidring einmünden. Der zweite Fluidring weist hierzu Einlässe, beispielsweise Bohrungen, auf. Ferner weist der zweite Fluidring zweite Auslaßöffnungen auf.
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Ferner sind vorzugsweise die zweiten Auslaßöffnungen radial oberhalb in Bezug auf die Rotationsachse des zweiten Wickelkopfes so angeordnet, so dass ein Benetzen des zweiten Wickelkopfes mit durch die zweiten Auslaßöffnungen hindurchströmenden Fluid ermöglichbar ist.
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Dadurch ist eine effiziente Kühlung des Statorjochs / Wicklung in den Statornuten als auch des zweiten Wickelkopfes möglich.
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Radial oberhalb bedeutet hier, dass die zweiten Auslassöffnungen einen größeren Radius aufweisen als die Wickelköpfe, in Bezug auf die Rotationsachse.
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Durch die Hin- und Rückführung des Ölflusses ist eine Reduzierung des Volumenstroms möglich. So kann bereits mit einer relativ geringen Menge von beispielsweise ca. 8 L/min eine Kühlung des Stators und gleichzeitig eine Kühlung der Wickelköpfe erzielt werden.
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Ferner wird eine Kühlung mit nur einem Einlass von außen möglich. Dadurch wird Bauraum eingespart, da keine Zuleitungen notwendig sind.
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Vorzugsweise ist die Anzahl der ersten Statoraxialkanäle gleich der Anzahl der dritten Statoraxialkanäle und die Anzahl der zweiten Statoraxialkanäle gleich der Anzahl der ersten Statoraxialkanäle. Ferner können alle Statoraxialkanäle parallel angeordnet sein und geometrisch nahezu identisch ausgeführt sein. Das gewährleistet eine gleiche Kühlung der Wickelköpfe.
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Vorzugsweise ist der zweite Fluidring zweiteilig ausgeführt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der zweite Wickelkopf einen ausladenden Kopfdurchmesser aufweist. Dadurch ist eine nachträgliche Anbringung möglich.
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Vorzugsweise sind die Statoraxialkanäle im Bereich der Statornuten angeordnet. Dadurch kann eine effiziente Kühlung der Wicklung erzielt werden.
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Weiterhin vorzugsweise ist das Fluid als Öl ausgebildet. Dadurch sind eine besonders gute Kühlung und gleichzeitige Kühlung der Wickelköpfe möglich.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung sind der erste Fluidring und der zweite Fluidring am Statorjoch angeklebt. Durch das Ankleben des ersten Fluidrings und zweiten Fluidrings am Statorjoch ist eine nachträgliche sowie einfache Anbringung möglich. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit einer wie oben beschriebenen Kühlanordnung zum Betreiben eines Fahrzeugs.
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Dadurch ist eine effiziente Kühlung im Fahrzeug möglich.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Darin zeigen schematisch:
- 1: eine Kühlanordnung im Querschnitt gemäß der Erfindung,
- 2: ein Zusatzring und Fluidring im Detail,
- 3: der Zusatzring ausschnittsweise im Detail,
- 4: schematisch die Kühlanordnung,
- 5: schematisch eine elektrische Maschine.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt.
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Die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 weist einen Stator 2 auf, welcher um eine Rotationsachse Rot (5) herum angeordnet ist. Der Stator 2 weist ein Statorjoch 3 auf, welches sich in einer radialen Richtung R um die Rotationsachse Rot erstreckt. Ferner erstreckt dieses sich in einer axialen Richtung A zudem um die Rotationsachse Rot. Unter axialer Richtung A wird dabei eine Richtung parallel entlang der Rotationsachse Rot verstanden. Die Radialrichtung erstreckt sich in Richtung des Radiuses des Stators 2.
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Ausgehend vom Statorjoch 3 sind hinweisend zu der Rotationsachse Rot Statornuten 4 angeordnet, wobei sich die Statornuten 4 in axialer Richtung A erstrecken. In den Statornuten 4 ist eine Wicklung angeordnet, welche jeweils endseitig, auch Stirnseitig, genannt, einen ersten Wickelkopf 5 und einen zweiten Wickelkopf 6 ausbilden. Die Wickelköpfe 5,6 weisen hier eine unterschiedliche Größe auf. Ferner kann der Stator 2 noch Statorzähne aufweisen, welche hier nicht aufgeführt sind.
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Der Stator 2 ist teilweise von einem Statorgehäuse 7 umgeben. Erfindungsgemäß wird der Stator 2 mit einem Fluid, hier Öl, gekühlt.
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Erfindungsgemäß weist die Kühlanordnung 1 einen ersten Fluidring 8 auf. Der erste Fluidring 8 ist endseitig an dem Statorjoch 3 angeordnet und zur Fluidführung, insbesondere Ölführung, ausgebildet. Die Anordnung des ersten Fluidrings 8 am Statorjoch 3 erfolgt insbesondere durch Klebung mit einem Klebstoff. Dadurch kann eine stoffschlüssige Verbindung erzielt werden.
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Die Zentrierung des ersten Fluidrings 8 erfolgt am Statorjoch 3. Insbesondere kann das Statorjoch 3 als Blechpaket aus in axialer Richtung A gestapelten ringförmigen Statorblechen ausgeführt sein. Die Zentrierung des ersten Fluidrings 8 erfolgt dann an dem Blechpaket, so dass die Toleranzen direkt aus den direkt betroffenen Teilen summiert werden können. Ferner können Statorfixierungen 24 (4) vorgesehen sein, an welchen ebenfalls eine Zentrierung erfolgen kann.
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Ferner weist die Kühlanordnung 1 einen Zusatzring 9 (2, 3) auf, welcher an dem ersten Fluidring 8 angeordnet ist. Der Zusatzring 9 und der erste Fluidring 8 sind hier zweiteilig ausgebildet, können jedoch auch einstückig ausgebildet sein.
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2 und 3 zeigen den Zusatzring 9 im Detail.
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Der Zusatzring 9 weist eine umlaufende Fluidnut 10 auf, von welcher Öl von dem Statorgehäuse 7 in die umlaufende Fluidnut 10 einströmen kann. Zwischen den Zusatzring 9 und dem Statorgehäuse 7 ist eine Dichtung 11 angeordnet, welche ein hinauslaufen des Öls zwischen dem Statorgehäuse 7 und dem Zusatzring 9 verhindert. Der erste Fluidring 8 weist zudem Öffnungen 13 (4) auf. Diese sind hier als Langloch ausgebildet. Insbesondere weist der erste Fluidring 8 vier solcher Langlöcher auf, ist aber nicht auf diese Anzahl beschränkt.
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Ferner weist der Zusatzring 9 Durchbruchskanäle 12 (3) auf, welche zur Ölführung ausgebildet sind. Diese erstrecken sich von der Fluidnut 10 (2) bis zu den Öffnungen 13 (4), hier den vier Langlöchern, und dienen der Ölführung von der umlaufenden Fluidnut 10 durch einen der Durchbruchskanäle 12 (3) und einen der Öffnungen 13 (4) bis in den ersten Fluidring 8. Zwischen dem ersten Fluidring 8 und den Zusatzring 9 ist eine Rahmendichtung 16 (3) angeordnet, welche ein Herausfließen des Öls zwischen dem ersten Fluidring 8 und dem Zusatzring 9 verhindern kann. Ist der Zwischenring 9 und der erste Fluidring 8 einstückig ausgebildet, so kann diese Rahmendichtung 16 (3) entfallen.
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Der Zwischenring 9 und der erste Fluidring 8 sind dabei so im Statorgehäuse 7 angeordnet, dass der Zusatzring 9 an den ersten Fluidring 8 axial angepresst wird. Dadurch kann die Dichtigkeit gewährleistet werden.
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Bevorzugt besteht daher der Zusatzring 9 als auch der erste Fluidring 8 aus einem nichtleitfähigen Material. Alternativ kann zumindest der Zusatzring 9 eine Oberfläche aufweisen, welche nichtleitend ausgeführt ist. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, den Zusatzring 9 und den ersten Fluidring 8 nahe an dem ersten Wickelkopf 5 anzuordnen, ohne dass die Gefahr eines Funkenüberschlags besteht bzw. wird dadurch die Kriechstrecke zu umliegenden Bauteilen eingehalten ohne dass negative Einflüsse auf die Effektivität der Kühlung entstehen. Dies ermöglicht zudem eine Anbringung in einem bisher freien, mit Luft gefüllten Bauteilraum. Dadurch ergeben sich keine notwendigen Bauraumveränderungen, so dass die umliegenden Bauteile in ihrer bisherigen Konstruktion weiter Verwendung finden können.
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Ferner weist die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 einen zweiten Fluidring 14 , wie in 4 gezeigt, auf. Dieser ist gegenüber dem ersten Fluidring 8 ebenfalls am Statorjoch 3 angeordnet. Der zweite Fluidring 14 ist ebenfalls zum Führen von Öl ausgestaltet.
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Die Anordnung des zweiten Fluidrings 14 am Statorjoch 3 erfolgt ebenfalls insbesondere durch Klebung mit einem Klebstoff. Dadurch kann eine stoffschlüssige Verbindung erzielt werden. Die Zentrierung des zweiten Fluidrings 14 erfolgt am Statorjoch 3. Insbesondere kann das Statorjoch 3 als Blechpaket aus in axialer Richtung A gestapelten ringförmigen Statorblechen ausgeführt sein. Die Zentrierung des zweiten Fluidrings 14 erfolgt dann an dem Blechpaket, so dass die Toleranzen direkt aus den direkt betroffenen Teilen summiert werden können.
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Ebenfalls kann der zweite Fluidring 14 aus nichtleitenden Material ausgeführt sein. Dabei kann der zweite Fluidring 14 aus einem nichtleitenden Material bestehen oder zumindest die Oberfläche aus nichtleitenden Material bestehen.
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Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, den zweiten Fluidring 14 nahe an dem zweiten Wickelkopf 6 anzuordnen, ohne dass die Gefahr eines Funkenüberschlags besteht bzw. wird dadurch die Kriechstrecke zu umliegenden Bauteilen eingehalten, ohne dass negative Einflüsse auf die Effektivität der Kühlung entstehen. Dies ermöglicht zudem eine Anbringung in einem bisher freien, mit Luft gefüllten Bauteilraum. Dadurch ergeben sich keine notwendigen Bauraumveränderungen, so dass die umliegenden Bauteile in ihrer bisherigen Konstruktion weiter Verwendung finden können.
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Die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 weist mehrere Statoraxialkanäle auf. Diese sind in 4 gezeigt.
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Die Statoraxialkanäle erstrecken sich von dem ersten Fluidring 8 zu dem zweiten Fluidring 14 bzw. Vice Versa und sind zur Ölführung zwischen dem ersten Fluidring 8 und dem zweiten Fluidring 14 ausgestaltet.
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Dabei erstrecken sich erste Statoraxialkanäle 15 zwischen dem ersten Fluidring 8 und dem zweiten Fluidring 14 zum Transport des Öls vom ersten Fluidring 8 zum zweiten Fluidring 14.
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Der zweite Fluidring 14 weist in oder an dem zweiten Fluidring 14 integrierte Umlenkkanäle 17 auf. Dabei sind die ersten Statoraxialkanäle 15 so angeordnet, dass diese ersten Statoraxialkanäle 15 in die Umlenkkanäle 17 einmünden. Die Umlenkkanäle 17 lenken das durchfließende von den ersten Statoraxialkanälen 15 kommende Öl um. Dabei sind die Umlenkkanäle 17 so angeordnet und ausgestaltet, dass diese in zweite Statoraxialkanäle 18 einmünden.
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Dabei sind die ersten Statoraxialkanäle 15 und die zweiten Statoraxialkanäle 18 geometrisch identisch. Das vom ersten Fluidring 8 durch die ersten Statoraxialkanäle 15 zu dem zweiten Fluidring 8 strömende Fluid wird mittels der Umlenkkanäle 17 in die zweiten Statoraxialkanäle 18 geströmt und durch die zweiten Statoraxialkanäle 18 zu dem ersten Fluidring 8 zurückgeströmt.
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Der erste Fluidring 8 weist einen umlaufenden geschlossenen Unterringkanal 19 (1) auf, wobei die zweiten Statoraxialkanäle 18 so angeordnet sind, dass diese in den Unterringkanal 19 (1) einmünden. Der Unterringkanal 19 (1) ist somit im ersten Fluidring 8 integriert und zur Ölführung ausgelegt. Der erste Fluidring 8 weist damit somit zwei (Ring)Kanäle auf; einen für das einströmende Öl vom Zusatzring 9 und einen in dem die in die zweiten Statoraxialkanäle 18 einmünden. Im Unterringkanal 19 (1) wird das Öl aus den zweiten Statoraxialkanälen 18 zusammengeführt.
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Ferner weist der Unterringkanal 19 (1) erste Auslaßöffnungen 20 (1,2) auf. Dabei sind die ersten Auslassöffnungen 20 (1, 2) radial oberhalb des ersten Wickelkopfes 5 angeordnet, so dass eine Kühlung des ersten Wickelkopfes 5 durch herausströmendes /fließendes Öl möglich ist.
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Radial oberhalb bedeutet hier, dass die ersten Auslassöffnungen 20 einen größeren Radius aufweisen als die Wickelköpfe, in Bezug auf die Rotationsachse Rot. Dieses tropft entlang des ersten Wickelkopfes 5 und kühlt diesen ab. Der erste Wickelkopf 5 wird somit im oberen Bereich beölt, wobei das Öl den Wickelkopf 5 entlangfließt und diesen somit kühlt.
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Durch die Anordnung der ersten Auslaßöffnungen 20 (1, 2) und unter Berücksichtigung der Schwerkraft ist ein nahezu druckfreier Auslass des Öls möglich.
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Durch diese Verschaltung von ersten Fluidring 8, ersten Statoraxialkanälen 15 und zweiten Statoraxialkanälen 18 miteinander sowie den ersten Auslaßöffnungen 20, ist es möglich mit demselben Öl zum einen das Statorjoch 3 / Statornuten 4 zu kühlen, als auch den ersten Wickelkopf 5 zu kühlen.
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Dadurch kann eine effiziente Kühlung mit wenig Öl erzielt werden.
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Durch einen geringen Wickelkopfdurchmesser des ersten Wickelkopfes 5 ist eine einstückige Ausgestaltung des ersten Fluidrings 8 sowie des Zusatzringes 9 möglich. Diese können nachträglich (mit der Rahmendichtung 16) an die Stirnseite des Statorjochs 3 angeordnet werden bzw. über den Wickelkopf 5 darüber geschoben werden. Der erste Fluidring 8 kann dann mit dem Statorjoch 3 verklebt werden. Sind der erste Fluidring 8 und der Zusatzring 9 einstückig ausgebildet so können diese gemeinsam (Ohne O- Ringdichtung 16) an dem Statorjoch 3 angeordnet werden.
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4 zeigt weiter dritte Statoraxialkanäle 22, welche vom ersten Fluidring 8 zu dem zweiten Fluidring 14 führen und Öl in den zweiten Fluidring 14 führen. Diese führen nicht -wie die ersten Statoraxialkanäle 15- in die Umlenkkanäle 17, sondern direkt in den zweiten Fluidring 14. Der zweite Fluidring 14 weist zweite Auslaßöffnungen 21 auf. Diese sind in 1 zu sehen. Dabei sind die zweiten Auslaßöffnungen 21 (1) radial oberhalb des zweiten Wickelkopfes 6 (1) angeordnet, so dass eine Kühlung des zweiten Wickelkopfes 6 (1) durch herausströmendes /fließendes Öl möglich ist. Dieses tropft entlang des zweiten Wickelkopfes 6 und kühlt diesen ab. Radial oberhalb bedeutet hier, dass die zweiten Auslassöffnungen 21 einen größeren Radius aufweisen als die Wickelkopfe, in Bezug auf die Rotationsachse Rot.
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Der zweite Wickelkopf 6 (1) wird somit im oberen Bereich beölt, wobei das Öl den zweiten Wickelkopf 6 (1) entlangfließt und diesen somit kühlt. Durch die Anordnung der zweiten Auslaßöffnungen 21 (1) radial oberhalb des zweiten Wickelkopfes 6 (1) ist ein nahezu druckfreier Auslass des Öls möglich.
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Durch diese Verschaltung von ersten Fluidring 8, zweiten Fluidring 14 in Verbindung mit den dritten Statoraxialkanälen 22 sowie den zweiten Auslaßöffnungen 21 (1), ist es möglich mit demselben Öl zum einen das Statorjoch 3 (1) zu kühlen, als auch zum anderen den zweiten Wickelkopf 6 (1) zu kühlen.
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Dadurch kann eine effiziente Kühlung mit wenig Öl erzielt werden.
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Im Fall eines ausladenden / großen Wickelkopfdurchmessers des zweiten Wickelkopfes 6, - wie hier in 1 - kann der zweite Fluidring 14 zweigeteilt als zwei Halbringe ausgeführt werden. Dadurch ist auch noch ein nachträgliches Verkleben mit dem Statorjoch 3 möglich.
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Dabei sind die zweiten Auslaßöffnungen 21 (1) in den jeweiligen Halbringen derart angeordnet, dass ein Beträufeln des zweiten Wickelkopfes 6 möglich ist. Das bedeutet, dass die zweiten Auslaßöffnungen 21 (1) von der Mehrteiligkeit des zweiten Fluidrings 14 abhängig sind.
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Vorzugsweise sind sowohl die ersten Auslaßöffnungen 20 (1) als auch die zweiten Auslaßöffnungen 21 (1) als Austrittsbohrungen ausgeführt. Diese sind besonders einfach herzustellen.
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Wie in 4 genauer zu sehen ist, sind bevorzugt die ersten Statoraxialkanäle 15, zweiten Statoraxialkanäle 18, und dritten Statoraxialkanäle 22 geometrisch identisch oder nahezu identisch ausgeführt und parallel zueinander angeordnet. Dies bedeutet, dass jeder der Statoraxialkanäle 1/2 des durch das Statorgehäuse 7 und den Zusatzring 9 zugeführte Öl aufweist.
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Somit wird 1/2 des zuströmenden Öls durch dritte Statoraxialkanäle 22 zu den zweiten Auslaßöffnungen 21 geführt.
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Ferner werden 1/2 des zuströmenden Öls durch die ersten Statoraxialkanäle 15 und zweiten Statoraxialkanäle 18 und die Umlenkkanäle 17 geführt. Dies bedeutet, dass die ersten Statoraxialkanäle 15 und die zweiten Statoraxialkanäle 18 jeweils 1/2 des zugeführten Öls aufweisen und mittels der zweiten Statoraxialkanäle 18 1/2 des zugeführten Öls zu den ersten Auslaßöffnungen 20 geführt wird. Dadurch ist ein gleichmäßiges Beträufeln des ersten Wickelkopfes 5 (1) und des zweiten Wickelkopfes 6 (1) mit derselben Ölmenge möglich.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 23. Diese weist einen Stator 2 auf. Der Stator 2 weist Statornuten 4 (1) auf. Ferner weist der Stator 2 ein Statorjoch 3 auf. In dem Statorjoch 3 sind erste Statoraxialkanäle 15, zweite Statoraxialkanäle 18 und dritte Statoraxialkanäle 22 (4) eingebracht, welche sich von einem ersten Fluidring 8 (1) zu einem zweiten Fluidring 14 (1) erstrecken und zur Führung eines Kühlfluids, hier Öl, ausgebildet sind.
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Die ersten Statoraxialkanäle 15, zweiten Statoraxialkanäle 18 und dritten Statoraxialkanäle 22 (4) sind dabei vorzugsweise im Bereich der Statornuten 4 (1) angeordnet, d.h. nahe an den Statornuten 4 (1) angeordnet ohne die Dichtigkeit zu gefährden.
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Dadurch kann das Statorjoch 3 und vor allem die Wicklung in den Statornuten 4 (1) besonders gut gekühlt werden.
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Am Statorjoch 3 ist endseitig (gegenschaltseitig) ein erster Fluidring 8 (1) angeordnet. Ferner ist gegenüberliegend endseitig (schaltseitig) ein zweiter Fluidring 14 (1) angeordnet, insbesondere geklebt. Beide Fluidringe 8,14 (1) sind zur Führung eines Fluids, hier Öl ausgebildet. Die beiden Fluidringe 8,14 (1) können anhand des Statorjochs 3 sowie am Stator 3 angeordneten Statorfixierungen 24 ( 4) zentriert bzw. ausgerichtet werden.
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Am ersten Fluidring 8 ist ein Zusatzring 9 (1) angeordnet. Dieser weist eine Fluidnut, hier Ölnut 10 (2) auf, durch welche Öl aus dem Statorgehäuse 7 (1) in den Zusatzring 9 (1) einströmen kann. Zwischen Statorgehäuse 7 und Zusatzring 9 ist eine Dichtung 11 (1) angeordnet, welche ein Herausströmen /Herausfließen von Öl vermeidet. Der Zusatzring 9 (1) weist axiale Durchbrüche, die Durchbruchskanäle 12 (3) auf, welche das Fluid, hier Öl von der Ölnut 10 (Fluidnut) zu dem ersten Fluidring 8 transportieren. Der erste Fluidring 8 weist hierzu Öffnungen 13, beispielsweise Langlöcher auf, durch welche das Öl in den ersten Fluidring 8 einströmen kann.
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Ferner ist zwischen Zusatzring 9 (3) und erstem Fluidring 8 (3) die Rahmendichtung 16 (3) angeordnet. Der erste Fluidring 8 ist durch ankleben an das Statorjoch 3 angebracht; der Zusatzring 9 durch axiale Anpressung seitens des Statorgehäuses 7.
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Im Statorjoch 3 sind in der Nähe der Statornuten 4 (1) erste Statoraxialkanäle 15, zweite Statoraxialkanäle 18 und dritte Statoraxialkanäle 22 vorgesehen, welche sich zum Fluidaustausch zwischen dem erstem Fluidring 8 und dem zweiten Fluidring 14 erstrecken. Dabei sind die ersten Statoraxialkanäle 15, zweiten Statoraxialkanäle 18 und dritten Statoraxialkanäle 22 (4) parallel zueinander angeordnet und geometrisch ähnlich ausgebildet, d.h. sie können jeweils die gleiche Menge an Öl transportieren.
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Im oder am zweiten Fluidring 14 (4) sind Umlenkkanäle 17 (4) angeordnet, in welche Öl durch die ersten Statoraxialkanäle 15 einströmt und in zweite Statoraxialkanäle 18 umgeleitet wird und zum ersten Fluidring 8 zurückströmt. Dadurch ist eine segmentierte Übergabe möglich.
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Dort mündet das Öl in einen Unterringkanal 17 (1) ein, welcher zum Ölauslass erste Auslassöffnungen 20 (1) aufweist. Diese sind jeweils radial oberhalb des ersten Wickelkopfes 5 angeordnet und beträufeln diesen zur Kühlung mit dem Öl. Die dritten Statoraxialkanäle 22 münden in den zweiten Fluidring 14 (1) ein, welcher zweite Auslassöffnungen 21 (1) aufweist, welche ebenfalls radial oberhalb des zweiten Wickelkopfes 6 (1) angeordnet sind zum Beträufeln des zweiten Wickelkopfes 6 (1) zur Kühlung mit Öl.
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Dadurch ist eine effiziente Kühlung des Statorjochs 3/ Wicklung in den Statornuten 4 (1) als auch des ersten Wickelkopfes 5 und zweiten Wickelkopfes 6 möglich.
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Durch ausführen des ersten Fluidrings 8, des Zusatzringes 9 und des zweiten Fluidrings 14 als nichtleitende Materialien bzw. mit einer Beschichtung oder Ausführen der jeweiligen Oberflächen als nichtleitende Materialien, können diese nahe an die Wickelköpfe 5,6 angeordnet werden. Durch diese Ausführung wird der bislang notwendige Isolationsraum, welcher aufgrund der stromführenden Wicklung notwendig ist, weiter eingehalten.
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Ferner wird dadurch die Kriechstrecke zu umliegenden Bauteilen eingehalten ohne dass negative Einflüsse auf die Effektivität der Kühlung entstehen.
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Durch die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 kann eine Kühlung erzielt werden, ohne dass axialer oder radialer Bauraum geschaffen werden muss bzw. verändert werden muss. Die Konstruktion umliegender Bauteile kann damit gleichbleiben. Insbesondere durch Zuführung des Öls von nur einer Endseite des Statorjochs 3 (1) kann der vorhandene Bauraum optimal genutzt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Kühlanordnung wird ein Außendurchmesser des Stators 2 nicht beeinflusst. Vielmehr kann durch wegfallen eines Wasserkühlmantels der Außendurchmesser des Stators 2 d.h. der Stator 2 vergrößert werden zur besseren Ausnutzung des Volumens und damit der Wirkungsgrad erhöht werden.
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Durch die erfindungsgemäße Hin- und Rückführung des Ölflusses ist eine Reduzierung des Volumenstroms möglich. So kann bereits mit einer relativ geringen Menge von beispielsweise ca. 8 L/min eine Kühlung des Stators 2 und gleichzeitig eine Kühlung der Wickelköpfe 5,6 erzielt werden.
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Durch das Ankleben des ersten Fluidrings 8 und des zweiten Fluidrings 14 am Statorjoch 3 ist eine nachträgliche Anbringung möglich. Ferner kann bei radial ausladenden Wickelköpfen eine zweiteilige Ausführung eines Fluidrings 8,14 mit jeweils entsprechenden Auslaßöffnungen 21,22 verwendet werden, ohne dass die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 beeinträchtigt wird.
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Die elektrische Maschine 23 weist zudem einen Rotor 25 auf, welcher um die Rotationsachse Rot drehbar gelagert ist. Dieser kann ein Getriebe 26 antreiben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlanordnung
- 2
- Stator
- 3
- Statorjoch
- 4
- Statornuten
- 5
- erster Wickelkopf
- 6
- zweiter Wickelkopf
- 7
- Statorgehäuse
- 8
- erster Fluidring
- 9
- Zusatzring
- 10
- Fluidnut
- 11
- Dichtung
- 12
- Durchbruchskanäle
- 13
- Öffnungen
- 14
- zweiter Fluidring
- 15
- erste Statoraxialkanäle
- 16
- Rahmendichtung
- 17
- Umlenkkanäle
- 18
- zweite Statoraxialkanäle
- 19
- Unterringkanal
- 20
- erste Auslassöffnung
- 21
- zweite Auslassöffnung
- 22
- dritte Statoraxialkanäle
- 23
- elektrische Maschine
- 24
- Statorfixierungen
- 25
- Rotor
- 26
- Getriebe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009034235 A1 [0003]
- DE 102012022452 A1 [0004]