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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. BEREICH DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektromaschine, an der eine Leistungsteileinheit befestigt ist, die eine Wechselrichtersteuerung durchführt, und genauer gesagt auf eine wechselrichterartige Elektromaschine für Fahrzeuge, die beispielsweise in Motorgeneratoren und Servomotoren verwendet wird.
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2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
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Normalerweise ist eine Leistungsteileinheit zur Durchführung einer Wechselrichtersteuerung einer Elektromaschine, wie sie beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift (ungeprüft)
JP 2004-274992 A (Seiten 17 bis 19,
1 bis
5) offenbart ist, mit einem Wechselrichtermodul versehen, das aus einer Vielzahl von Schaltelementen (Leistungsteile, wie beispielsweise Transistoren, MOSFET oder IGBT) und Dioden, die parallel zu jedem der Schaltelemente geschaltet sind, ausgebildet ist.
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Bei dem Wechselrichtermodul bilden das Schaltelement und die Diode, die einen oberen Arm ausbilden, und das Schaltelement und die Diode, die einen unteren Arm ausbilden, in Reihe geschaltet eine Gruppe, wobei drei dieser Gruppen parallel geschaltet sind.
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Eine Ankerwicklung ist in Y-Verbindung vorgesehen. Die Enden jeder Phase der Y-Verbindung sind elektrisch mit einem Zwischenpunkt zwischen den Schaltelementen des oberen Arms und den Schaltelementen des unteren Arms, die in Reihe geschaltet sind und eine Gruppe bilden, über eine Wechselstromverdrahtung entsprechend jeder der Phasen verbunden.
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Ferner ist ein positiver Elektrodenanschluss an der Batterie elektrisch mit der positiven Elektrodenseite des Wechselrichtermoduls verbunden, und ein negativer Elektrodenanschluss der Batterie ist elektrisch mit der negativen Elektrodenseite des Wechselrichtermoduls verbunden, und zwar jeweils über eine Gleichstromverdrahtung.
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Bei dem Wechselrichtermodul wird der Schaltbetrieb jedes der Schaltelemente durch Befehle von einem Regelkreis gesteuert. Ferner steuert der Regelkreis einen Feldstromerregerkreis, um einen durch die Feldwicklung des Rotors strömenden Felderregerstroms einzustellen.
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Da ein großer Energieverlust zum Zeitpunkt des Schaltens und Leitens der Schaltelemente in dem Wechselrichtermodul beim Antreiben der zuvor genannten herkömmlichen Elektromaschine auftritt, ist es ein besonders wichtiges zu lösendes Problem, dass jedes der ein Wechselrichtermodul bildenden Schaltelemente gekühlt wird.
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Beispielsweise ist bei dem Kühlsystem, das in der japanischen Offenlegungsschrift (ungeprüft)
JP 2004-274992 A offenbart ist, eine Leistungsteileinheit, die ein Wechselrichtermodul enthält, in einer Umfangsrichtung an einem Kühlkörper an einem Ende in einer axialen Richtung der Elektromaschine angeordnet, und Kühlluft wird im Strömungswege der Kühlrippen entlang jeder der Kühlrippen, die mit den Strömungswegen in der radialen Richtung versehen sind, geleitet, wodurch die Kühlkörper gekühlt werden.
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Da die ein Wechselrichtermodul aufweisende Leistungsteileinheit gemäß dem zuvor beschriebenen Stand der Technik in der Umfangsrichtung an dem Kühlkörper an einem Ende in der axialen Richtung der Elektromaschine angeordnet ist, und da Kühlluft in Strömungswege der Kühlrippen entlang jeder einzelnen der Kühlrippen, die mit den Strömungswegen in der radialen Richtung versehen sind, geleitet wird, wodurch die Kühlkörper gekühlt werden, besteht ein Problem dahingehend, dass erwärmte Kühlluft in die nachfolgende Kühlrippe strömt, wodurch gegebenenfalls die Kühlleistung verringert wird.
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Die
JP 2004-312852 A offenbart Merkmale, die unter den Oberbegriff von Anspruch 1 fallen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung soll die zuvor erwähnten Probleme lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektromaschine für Fahrzeuge zu schaffen, welche eine Kühlleistung von ein Wechselrichtermodul ausbildenden Schaltelementen verbessern kann und den Gesamtbauraum der Elektromaschine verkleinert.
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Eine Elektromaschine für Fahrzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Merkmale von Anspruch 1 auf.
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Bei der Elektromaschine mit dem zuvor genannten Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Kühlleistung der Schaltelemente zu verbessern, sowie den Gesamtbauraum der Elektromaschine für Fahrzeuge zu verringern.
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Die zuvor genannten Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Querschnittsansicht, die ein erstes Beispiel einer Elektromaschine für Fahrzeuge zeigt;
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2 ist eine Seitenansicht entlang der axialen Richtung einer Leistungsteileinheit gemäß 1;
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3 ist ein Schaltbild zur Erläuterung des Betriebs der mit der Leistungsteileinheit versehenen Elektromaschine; und
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4 ist eine Querschnittsansicht, die eine erste Ausführungsform der Elektromaschine für Fahrzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend werden verschiedene bevorzugte Ausführungsformen einer Elektromaschine für Fahrzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Beispiel 1:
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1 ist eine Querschnittsansicht, die ein erstes Beispiel einer Elektromaschine für Fahrzeuge zeigt, und 2 ist eine Seitenansicht einer Leistungsteileinheit gemäß 1 entlang der axialen Richtung. Diese Elektromaschine für Fahrzeuge ist eine Elektromaschine, bei der die Leistungsteileinheit als integrales Bauteil befestigt oder in der Nähe dieser angeordnet ist.
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Wie in 1 ist, ist die Elektromaschine 1 mit einem Gehäuse versehen, das aus einer vorderen Klammer 10 und einer hinteren Klammer 11, einem Stator 16 mit einer Ankerwicklung 16a und einem Rotor 15 mit einer Welle (Drehwelle) 13 und einer Feldwicklung 14 ausgebildet ist. Bei dieser Elektromaschine 1 ist der Stator 16 in dem Gehäuse gehalten und an diesem befestigt, und der Rotor 15 ist innerhalb des Stators 16 angeordnet, so dass dessen Feldwicklung 14 gegenüber der Ankerwicklung 16a positioniert ist; ebenso ist die Welle 13 des Rotors 15 durch an dem Gehäuse angeordnete Stützlager 12 gehalten, und der Rotor 15 kann koaxial mit dem Stator 16 drehen. An beiden der axialen Endflächen des Rotors 15 sind Lüfter 17 befestigt.
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Eine Riemenschreibe ist an dem Endbereich an der vorderen Seite der Welle 13 (an der Außenseite der vorderen Klammer 10) befestigt. Ein Bürstenhalter 19 ist an der hinteren Klammer 11 an der äußeren Seite der Welle 13 (an der Außenseite der hinteren Klammer 11) befestigt; ein Paar von Gleitringen 21 ist an der hinteren Seite der Welle 13 befestigt; und ein Paar von Bürsten 20 ist in dem Bürstenhalter 19 angeordnet, um in Kontakt mit den Gleitringen 21 zu gleiten. Ferner ist ein Drehpositionserfassungssensor (beispielsweise ein Drehmelder) 22 an dem hinteren seitlichen Ende der Welle 13 vorgesehen. Die Riemenscheibe 18 ist mit einer Drehwelle eines Antriebs mit Hilfe eines nicht dargestellten Riemens verbunden, und die Drehung des Antriebs wird auf die Riemenscheibe 18 übertragen. Der Bürstenhalter 19, die Bürsten 20 und die Gleitringe 21 bilden einen Energieversorgungsmechanismus zum Versorgen der Feldwicklung mit einem Gleichstrom.
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Ein Deckel 30, der den Energieversorgungsmechanismus, wie beispielsweise den Bürstenhalter 19, abdeckt, ist an der weiteren Hinterseite der hinteren Klammer 11 vorgesehen. Eine Leistungsteileinheit 4 ist in einem Raum zwischen der hinteren Klammer 11 und dem Deckel 30 angeordnet. Eine Steuerkreiskarte 44a, an der ein Regelkreis 44 befestigt ist, ist an der axialen äußeren Wandfläche des Deckels 30 positioniert, und diese Steuerkreiskarte 44a ist mit einer Platte 32 abgedeckt.
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Die Leistungsteileinheit 4 beinhaltet ein Paar vom Kühlkörpern mit einem inneren Kühlkörper 50 und einem äußeren Kühlkörper 51, die einander unter Bildung eines vorbestimmten Spalts in der Axialrichtung gegenüberliegen. Der innere Kühlkörper 50 und der äußere Kühlkörper 51 sind mit einer in 2 dargestellten Haltestange 6 an der hinteren Klammer 11 befestigt. Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, sind mehrere Gruppen von Schaltelementen 41a und 41b des oberen Arms und des unteren Arms in einer Umfangsrichtung an den einander gegenüberliegenden inneren Wandflächen in der Axialrichtung des inneren Kühlkörpers 50 und des äußeren Kühlkörpers 51 angeordnet. Der innere Kühlkörper 50 und der äußere Kühlkörper 51 sind mit Kühlrippen 50a und 51a versehen, die Strömungswege in der radialen Richtung an den axial gegenüberliegenden äußeren Wandflächen einschließen. Durch Vorsehen des inneren Kühlkörpers 50 und des äußeren Kühlkörpers 51 wird eine größere Kühlwirkung erzielt.
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Es ist bevorzugt, dass die Kühlrippen 50a und 51a über die gesamten Flächen des inneren Kühlkörpers 50 und des äußeren Kühlkörpers 51 oder in regelmäßigen Intervallen in der Umfangsrichtung angeordnet sind.
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Die Schaltelemente 41a und 41b sind mit jeweils über Lötstellen mit dem inneren Kühlkörper 50 und dem äußeren Kühlkörper 51 verbunden.
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Lüftungslöcher 31a und 31b sind benachbart zueinander und gegenüber der äußeren Umfangsfläche jeder der Kühlrippen 50a und 51a in der Umfangswand des Deckels 30 vorgesehen. Die Lüftungslöcher 31a und 31b sind bevorzugt offen, so dass sie gegenüber den Schaltelementen 41a und 41b angeordnet sind.
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Durch die Drehung der Lüfter 17, wie durch die Pfeile F gezeigt ist, wird ein Luftstrom frischer Umgebungsluft erzeugt, der durch die Lüftungslöcher 31a und 31b und durch jede der Kühlrippen 50a und 51a einströmt und von einer Ansaugöffnung 11a der hinteren Klammer 11 angesaugt wird und durch eine Auslassöffnung 11b ausströmt. Auf diese Weise werden der innere Kühlkörper 50 und der äußere Kühlkörper 51 stets mit Umgebungsluft gekühlt. Die Ansaugöffnung 11a der hinteren Klammer 11 ist bevorzugt an Bereichen in der Nähe der inneren Umfangsenden der Kühlrippen 50a und 51a ausgebildet, um die Kühlwirkung zu verbessern.
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Wie zuvor beschrieben wurde, werden der innere Kühlkörper 50 und der äußere Kühlkörper 51 stets durch frische Umgebungsluft gekühlt, so dass eine Kühlleistung zum Kühlen der Schaltelemente 41a und 41b verbessert werden kann. Ferner wird der Raum zwischen der hinteren Klammer 11 und dem Deckel 30 ausgenutzt, so dass die gesamte Elektromaschine nur einen geringen Bauraum benötigt.
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Wie in 2 gezeigt ist, ist eine Leistungsteileinheit 4 aus drei Phasen U, V, W von Abschnitten (U-Phasenabschnitt, V-Phasenabschnitt und W-Phasenabschnitt) der Schaltelemente 41a des oberen Arms, in dessen Phase vier Schaltelemente 41a parallel an der Wandfläche des inneren Kühlkörpers 50 verbunden sind, und aus drei Phasen U, V, W von Abschnitten (U-Phasenabschnitt, V-Phasenabschnitt und W-Phasenabschnitt) der Schaltelemente 41b des unteren Arms ausgebildet, in dessen Phase vier Schaltelemente 41b parallel an der Wandfläche des äußeren Kühlkörpers 51 verbunden sind. Bei den Schaltelementen 41a und 41b kann es sich um solche der diskreten Art, der TPM-Art oder der sogenannten Bare-Chip-Art handeln.
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Indem mehrere Anzahlen von Schaltelementen 41a und 41b jeweils parallel verbunden werden, kann die durch jedes der Schaltelemente 41a und 41b strömende Strommenge verringert werden. Somit ist es möglich, preiswerte Schaltelemente 41a und 41b mit einer geringen zulässigen Stromstärke zu verwenden und entsprechend Kosten einzusparen.
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3 ist ein Schaltbild zur Erläuterung des Betriebs einer Elektromaschine, die mit einer Leistungsteileinheit versehen ist.
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Wie in 3 gezeigt ist, ist ein Elektromaschinenabschnitt 1a mit einer Ankerwicklung 16a, die um einen Stator gewickelt ist, und mit einer Feldwicklung 14, die um einen Rotor gewickelt ist, versehen. Die Ankerwicklung 16a ist aus drei Phasen (U-Phase, V-Phase, W-Phase) der Spulen in Y-Verbindung (Stern-Verbindung) aufgebaut. Die Leistungsteileinheit 4 ist mit einem Wechselrichtermodul 40, das aus einer Mehrzahl von Schaltelementen (Leistungstransistor, MOSFET, IGBT oder dergleichen) 41a und 41b ausgebildet ist, und mit Dioden 42, die parallel zu den jeweiligen Schaltelementen 41a und 41b geschaltet sind, und mit einem Kondensator 43 versehen, der parallel zu dem Wechselrichtermodul 40 geschaltet ist. Bei dem Wechselrichtermodul 40 bilden das Schaltelement 41a und die Diode 42, die einen oberen Arm 46 ausbilden, und das Schaltelement 41b und die Diode 42, die einen unteren Arm 47 ausbilden, in Reihe geschaltet gemeinsam eine Gruppe, wobei drei dieser Gruppen parallel geschaltet sind.
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Die Enden jeder Phase der Y-Verbindung in der Ankerwicklung 16a sind über eine Wechselstromverdrahtung 9 elektrisch mit Verbindungspunkten zwischen den Schaltelementen 41a des oberen Arms 46 und den Schaltelementen 41b des unteren Arms 47 der entsprechenden Gruppen verbunden. Ferner sind ein positiver Elektrodenanschluss und ein negativer Elektrodenanschluss an der Batterie 5 elektrisch entsprechend mit der positiven Elektrodenseite und der negativen Elektrodenseite des Wechselrichtermoduls 40 mittels einer Wechselstromverdrahtung 8 verbunden.
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Der Schaltbetrieb jedes der Schaltelemente 41a und 41b in dem Wechselrichtermodul 40 wird durch Befehle von einem Regelkreis 44 gesteuert. Ferner steuert der Regelkreis 44 einen Erregerstromregelkreis 45, um einen durch die Feldwicklung 14 des Rotors strömenden Erregerstrom einzustellen.
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Unter Bezugnahme auf das in 3 dargestellte Schaltbild wird der Leistungsteileinheit 4 über die Gleichstromverdrahtung 8 von der Batterie 5 beim Start des Antriebs ein Gleichstrom zugeführt, der Regelkreis 44 führt eine AN/AUS-Steuerung jedes der Schaltelemente 41a und 41b des Wechselrichtermoduls 40 durch, und der Gleichstrom wird in einen dreiphasigen Wechselstrom umgerichtet. Ein umgerichteter dreiphasiger Wechselstrom wird der Ankerwicklung 16a des Elektromaschinenabschnitts 1a über die Wechselstromverdrahtung 9 zugeführt, ein magnetisches Drehfeld wird um die Feldwicklung 14 des Rotors erzeugt, dem ein Erregerstrom von der Batterie 5 mittels des Erregerstromregelkreises 45 zugeführt wird, der Rotor wird drehend angetrieben und der Antrieb dann mit Hilfe einer Riemenscheibe, die an der Welle des Rotors befestigt ist, eines Riemens, einer Kurbelscheibe und einer Kupplung gestartet (AN).
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Sobald der Antrieb gestartet ist, wird eine Drehkraft des Antriebs über die Kurbelscheibe, den Riemen und die an der Welle des Rotors des Elektromaschinenabschnitts 1a befestigte Riemenscheibe an einen Rotor übertragen, der Rotor wird drehend angetrieben, wodurch eine dreiphasige Wechselspannung an der Ankerspule 16a induziert wird, der Regelkreis 44 führt eine AN/AUS-Steuerung jedes der Schaltelemente 41a und 41b durch, die an der Ankerspule 16a induzierte dreiphasige Wechselspannung wird in einen Gleichstrom umgerichtet, und die Batterie 5 wird geladen.
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Ausführungsform 1:
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4 ist eine Querschnittsansicht, die eine erste Ausführungsform der Elektromaschine für Fahrzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei gleiche Bezugsziffern gleiche oder gleichartige Bauteile wie in 1 bezeichnen.
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Unter Bezugnahme auf 4 entspricht der Aufbau jedes Bauteils im Wesentlichen demjenigen des zuvor beschriebenen ersten Beispiels. Unterschiede zum ersten Beispiel bestehen dahingehend, dass eine Lüftungsöffnung 31c an dem äußeren Umfangsbereich des Deckels 30 vorgesehen ist, und dass eine Führung 60 vorgesehen ist, mit der ein Vorsprung 60a mit einem dreieckigen Querschnitt einteilig ausgebildet ist, um die äußeren Umfangskanten des inneren Kühlkörpers 50 und des äußeren Kühlkörpers 51 zu verbinden.
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Gemäß dieser ersten Ausführungsform wird, sobald die Kühlrippen 17 gedreht werden, wie durch die Pfeile F gezeigt ist, ein Luftstrom erzeugt, so dass frische Umgebungsluft durch die Lüftungsöffnung 31c angesaugt wird; die angesaugte Umgebungsluft wird mit Hilfe der Führung 60, an welcher der Vorsprung 60a ausgebildet ist, in zwei Richtungen verteilt; und die verteilte Umgebungsluft strömt durch jede der Kühlrippen 50a und 51a, wird von einer Ansaugöffnung 11a der hinteren Klammer 11 angesaugt und strömt durch die Auslassöffnung 11b.
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Wie zuvor beschrieben wurde, werden der innere Kühlkörper 50 und der äußere Kühlkörper 51 stets mit frischer Umgebungsluft gekühlt, so dass eine Kühlleistung zum Kühlen der Schaltelemente 41a und 41b verbessert werden kann. Ferner wird der Raum zwischen der hinteren Klammer 11 und dem Deckel 30 genutzt, so dass die gesamte Elektromaschine nur wenig Raum einnimmt. Zudem weist die Elektromaschine gemäß dieser ersten Ausführungsform einen Aufbau auf, bei dem die angesaugte Umgebungsluft mittels der Führung 60 verteilt wird, so dass eine Lüftungsöffnung 31c ausreichend ist, wodurch ein einfacher Aufbau erzielt werden kann.
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Obwohl gemäß dem zuvor beschriebenen ersten Beispiel und der ersten Ausführungsform die Schaltelemente 41a und 41b an den entsprechenden Kühlkörpers 50 und 51 positioniert sind, ist es bevorzugt, dass eines der Schaltelemente 41a und 41b an einem Kühlkörper befestigt ist, und das andere der Schaltelemente beispielsweise an der Oberfläche einer reinen Harzplatte befestigt ist. Ferner ist es bevorzugt, dass beide Kühlkörper entfernt werden, und dass die Schaltelemente 41a und 41b entsprechend an einem Paar von Harzplattenoberflächen befestigt sind.
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Obwohl eine Elektromaschine für Fahrzeuge beschrieben wurde, in der die Feldwicklung 14 des Rotors 15 und der Bürstenhalter 19 angeordnet sind, können die zuvor genannten Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung auch auf andere Elektromaschinen für Fahrzeuge angewendet werden, bei denen ein Magnetpol eines Rotors aus einem Permanentmagneten ausgebildet ist und weder die Feldwicklung 14 noch der Bürstenhalter 19 vorgesehen sind.
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Die Elektromaschine für Fahrzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung kann effektiv als Elektromaschine genutzt werden, die beispielsweise in Automobilen angeordnet wird.
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Während vorliegend bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, sollte klar sein, dass diese Offenbarung zu Darstellungszwecken dient und dass verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, der durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist.
