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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Elektromaschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Antriebseinrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 14.
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Stand der Technik
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Antriebseinrichtungen,
vorzugsweise Hybridantriebseinrichtungen, insbesondere mit einer
Verbrennungskraftmaschine und einer Elektromaschine werden beispielsweise
eingesetzt, um Kraftfahrzeuge anzutreiben. Die als Motor und Generator
fungierende Elektromaschine in dem Kraftfahrzeug weist eine Achse
oder Welle mit einem daran angeordnete Stator oder Rotor auf. Der
Stator oder Rotor gibt Abwärme ab. Aus diesem Grund ist
eine ausreichende Kühlung der Elektromaschine erforderlich.
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Die
Antriebseinrichtung weist ein Gehäuse auf, in der die Elektromaschine
angeordnet ist bzw. das Bestandteil der Elektromaschine ist. Bei
einem offenen Gehäuse mit einer Einlassöffnung
und einer Auslassöffnung wird von einer Strömungsmaschine, z.
B. ein Gebläse, Luft durch das Gehäuse geleitet, um
die Elektromaschine zu kühlen.
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Aus
der
JP 2006-230154 ist
eine Elektromaschine mit einer Hohlachse und einem an der Hohlachse
angeordneten Stator bekannt. Um den stationären Stator
rotiert ein Rotor mittels einer Lagerung auf der Hohlachse. Ein
Gebläse fördert Luft zur Kühlung durch
die Hohlachse, um die Hohlachse und den Stator zu kühlen.
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Die
DE 10 2006 040 117
A1 zeigt eine Hybridantriebseinheit für ein Kraftfahrzeug
zum Einbau zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Fahrzeuggetriebe,
welche eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator
aufweist und als Motor oder Generator betreibbar ist, wobei radial
innerhalb der elektrischen Maschine mindestens eine schaltbare Kupplung
angeordnet ist und das Fahrzeuggetriebe eine Getriebeeingangswelle
und ein Getriebegehäuse aufweist, wobei das Kühlmittel,
beispielsweise Kühlöl, im Wesentlichen zur Kühlung
der Kupplung durch eine zentrale Kühlmittelversorgung vom
Getriebe zur Hybridantriebseinheit zu- und abführbar ist
und dass sich der zentralen Kühlmittelversorgung ein im
Wesentlichen geschlossener Kühlmittelkreislauf anschließt
und dass im Bereich der Kupplung ein Druckausgleichraum vorgesehen
ist, welcher vom Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufes
durchströmbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäße
Elektromaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend
ein Gehäuse, eine Welle, einen Stator, einen, vorzugsweise
mit der Welle verbundenen, Rotor, eine Fördereinrichtung
für ein Kühlfluid zum Fördern des Kühlfluides
im Bereich des Stators und/oder des Rotors zur Kühlung der
Elektromaschine, wobei der Rotor mit wenigstens einem Kanal versehen
ist zum Durchleiten des Kühlfluides mittels der Fördereinrichtung
durch den Rotor. Die Ausbildung von wenigstens einem Kanal in dem Rotor
hat den Vorteil, dass der Rotor nicht nur an der Außenseite
mittels des Kühlfluides gekühlt werden kann, sondern
auch im Inneren des Rotors das Kühlfluid den Rotor kühlen
kann. Dadurch ist eine besonders effiziente und gleichmäßige
Kühlung im gesamten Querschnitt des Rotors möglich.
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Insbesondere
ist der wenigstens eine Kanal in axialer Richtung der Welle ausgebildet.
Bei einer axialen Ausrichtung des wenigstens einen Kanales kann
das Kühlfluid besonders einfach durch den Rotor geleitet
werden, weil eine Förderung des Kühlfluides in
axialer Richtung besonders einfach ausführbar ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine Kanal mit einer
Abweichung von weniger als 30° in axialer Richtung der
Welle ausgebildet.
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In
einer ergänzenden Ausführungsform weisen wenigstens
zwei Kanäle mit einer Abweichung von 20% den gleichen Abstand
zu der Achse der Welle auf.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist das Kühlfluid durch wenigstens
zwei benachbarte Kanäle in entgegengesetzter Richtung förderbar.
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Vorzugsweise
ist der wenigstens eine Kanal mit einer Abweichung von weniger als
30° in radialer Richtung der Welle ausgebildet.
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In
einer Variante ist der Stator mit wenigstens einem Kanal versehen
zum Durchleiten des Kühlfluides durch den Stator. Das zusätzliche
Ausbilden wenigstens eines Kanales auch am Stator zum Durchleiten
des Kühlfluides durch den Stator ermöglicht es, auch
den Stator im Querschnitt im Wesentlichen gleichmäßig
zu kühlen. Dadurch kann auch der Stator effektiv gekühlt
werden.
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Zweckmäßig
ist der wenigstens eine Kanal mit einer Abweichung von weniger als
30° in axialer Richtung der Welle ausgerichtet.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist die Fördereinrichtung
als eine Strömungsmaschine zum Durchleiten des Kühlfluides
durch den wenigstens einen Kanal ausgebildet.
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Insbesondere
weist die Strömungsmaschine ein Laufrad mit wenigstens
einer an dem Laufrad ausgebildeten Schaufel auf.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist das Laufrad mit der Welle verbunden
zum Antrieb der Laufrades. Bei einer mechanischen Verbindung des
Laufrades mit der Welle ist keine zusätzliche Antriebseinheit
zum Bewegen des Laufrades erforderlich. Dadurch kann die Fördereinrichtung
besonders einfach ausgeführt werden. Ferner treten bei
hohen Drehzahlen der Welle auch größere Abwärmemengen
am Rotor und/oder Stator auf und bei größeren
Drehzahlen wird auch eine größere Menge an Kühlfluid
pro Zeiteinheit von dem Laufrad mit Schaufeln gefördert. Dadurch
tritt eine automatische Anpassung der Fördermenge an Kühlfluid
zu der auftretenden Menge an Abwärme am Rotor und/oder
am Stator auf.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Strömungsmaschine
von einem, vorzugsweise elektrischen, Antriebseinheit antreibbar.
Die Strömungsmaschine kann damit unabhängig von
der Drehzahl der Welle angetrieben werden. Beispielsweise kann von einem
Temperatursensor die Temperatur am Stator und/oder am Rotor und/oder
am Gehäuse der Elektromaschine erfasst werden und in Abhängigkeit
von der Temperatur, z. B. ab einem gewissen Schwellenwert der Temperatur,
die Antriebseinheit mittels einer Steuereinheit eingeschaltet wird.
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In
einer ergänzenden Variante ist das Laufrad scheibenförmig
ausgebildet.
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In
einer weiteren Variante ist die wenigstens eine Schaufel an einer
zu dem Rotor abgewandten Seite des Laufrades ausgebildet und das
Laufrad weist wenigstens eine Öffnung auf, durch welche
das Kühlfluid mittels der wenigstens einen Schaufel durchleitbar
ist. Insbesondere ist die wenigstens eine Öffnung jeweils
deckungsgleich zu dem wenigstens einen Kanal des Rotors ausgerichtet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist das Kühlfluid durch die
wenigstens eine Öffnung in dem Laufrad zu dem wenigstens
einen Kanal und durch den wenigstens einen Kanal mittels der wenigstens
einen Schaufel förderbar oder umgekehrt.
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Insbesondere
ist das Kühlfluid Luft.
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Eine
erfindungsgemäße Antriebseinrichtung, vorzugsweise
Hybridantriebseinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
umfassend vorzugsweise eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere
zum Antrieb des Kraftfahrzeuges, vorzugsweise wenigstens ein Gehäuse,
wenigstens eine, vorzugsweise in dem wenigstens einen Gehäuse
angeordnete, Elektromaschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei
die wenigstens eine Elektromaschine gemäß einer
in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Elektromaschine ausgebildet
ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist das wenigstens eine Gehäuse
mehrteilig.
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In
einer zusätzlichen Ausgestaltung ist das Gehäuse
einteilig.
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In
einer weiteren Ausgestaltung fungiert die wenigstens eine Elektromaschine
als Motor und/oder als Generator.
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Ein
erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine in
dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Elektromaschine und/oder
eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Antriebseinrichtung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Kraftfahrzeug aufladbare
Batterien. Die Batterien versorgen die Elektromaschine mit elektrischen Strom
und beim Verzögern des Kraftfahrzeuges mittels der Elektromaschine
können die Batterien von dem von der Elektromaschine erzeugen
elektrischen Strom aufgeladen werden. Außerdem können
die Batterien auch während eines Stillstandes des Kraftfahrzeugs,
beispielsweise von einem öffentlichen Stromnetz, aufgeladen
werden. Insbesondere sind die Batterien als Lithiumionenbatterien
ausgebildet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigt:
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1 eine
stark schematisierte Darstellung einer Hybridantriebseinrichtung,
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2 einen
Längsschnitt einer Elektromaschine,
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Rotors und einer Welle der Elektromaschine
gemäß 2,
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Laufrades mit Schaufeln der Elektromaschine
gemäß 2 und
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5 eine
Ansicht eines Kraftfahrzeuges.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
eine Hybridantriebseinrichtung 2 ausgebildete Antriebseinrichtung 1 für
ein Kraftfahrzeug 3 dargestellt. Die Hybridantriebseinrichtung 2 für
ein Kraftfahrzeug 3 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 4 sowie
eine Elektromaschine 5, die als Motor 17 und Generator 18 fungiert,
jeweils zum Antreiben oder Verzögern des Kraftfahrzeuges 3.
Die Verbrennungskraftmaschine 4 und die Elektromaschine 5 sind
mittels einer Antriebswelle 20 miteinander verbunden. Die
mechanische Koppelung zwischen der Verbrennungskraftmaschine 4 und
der Elektromaschine 5 kann mittels einer Kupplung 19 hergestellt
und aufgehoben werden. Ferner ist in der Antriebswelle 20,
welche die Verbrennungskraftmaschine 4 und die Elektromaschine 5 miteinander
koppelt, eine Elastizität 21 angeordnet. Die Elektromaschine 5 ist
mit einem Differentialgetriebe 23 mechanisch gekoppelt.
In der Antriebswelle 20, welche die Elektromaschine 5 und
das Differentialgetriebe 23 miteinander verbindet, ist
ein Wandler 22 und ein Getriebe 27 angeordnet.
Mittels des Differentialgetriebes 23 werden über
die Radachsen 24 die Antriebsräder 25 angetrieben.
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Anstelle
der in 1 dargestellten Anordnung der Verbrennungskraftmaschine 4 und
der Elektromaschine 5 für das Kraftfahrzeug 3 sind
auch andere Möglichkeiten denkbar (nicht dargestellt). Beispielsweise
kann die Elektromaschine 5 seitlich an der Verbrennungskraftmaschine 4 angeordnet sein
und mittels eines Riemens oder einer Kette oder von Zahnrädern
mit der Verbrennungskraftmaschine 4 mechanisch verbunden
sein anstelle der in 1 abgebildeten Antriebswelle 20 (nicht
dargestellt). Außerdem könnte die Elektromaschine 5 an
einem Getriebe, z. B. ein Ausgleichsgetriebe, angeordnet sein oder
die Elektromaschine 5 kann als Radnabenmotor und/oder als
Radnabengenerator fungieren, d. h. im Bereich einer Radnabe angeordnet
sein (nicht dargestellt).
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2 zeigt
die Elektromaschine 5 für die Hybridantriebseinrichtung 2 als
Innenpolmaschine in einer ersten Ausführungsform mit einem
feststehenden Stator 6 und einem rotierenden Rotor 7 der
Hybridantriebseinrichtung 1 in einer stark vereinfachten
Darstellung, so dass beispielsweise elektrische Leitungen, die Wicklungen
des Stators 6 und des Rotors 7, und Fixierungsmittel
für den Stator 6 nicht oder nur stark vereinfacht
dargestellt sind. Eine Welle 8 besteht aus Metall, z. B.
Stahl, auf dem der Rotor 7 konzentrisch angeordnet ist,
wobei die Welle 8 und der Rotor 7 mittels einer
nicht dargestellten Lagerung an dem feststehenden Gehäuse 9 gelagert
sind. Die Welle 8, der Rotor 7 und der Stator 6 sind
innerhalb des Gehäuses 9 angeordnet. Konzentrisch
um den Rotor 7 ist der Stator 6 an einem Gehäuse 9 angeordnet,
der mittels nicht dargestellter Fixierungsmittel daran befestigt
ist. Der Stator 6 kann auch ohne zusätzliche Fixierungsmittel
an dem Gehäuse 9 befestigt sein, z. B. mittels
Pressverbund und/oder Schrumpfverbund. Die Welle 8 ist
dabei innerhalb der Hybridantriebseinrichtung 2 mit der
Antriebswelle 20 der Hybridantriebseinrichtung 2 verbunden
bzw. stellt einen Teil der Antriebswelle 20 dar.
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Der
Rotor 7 der Elektromaschine 5 weist zwölf
Kanäle 11 zum Durchleiten eines Kühlfluides durch
den Rotor 7 auf. In 2 sind lediglich
im Querschnitt zwei der zwölf Kanäle 11 dargestellt.
Die Welle 8 weist eine Achse 26 auf. Die zwölf
Kanäle 11 sind dabei im gleichen Abstand zu der
Achse 26 der Welle 8 in axialer Richtung zu der
Achse 26 in dem Rotor 7 ausgebildet. An beiden
Enden des Rotors 7 ist in jeweils axialer Richtung der
Welle 8 betrachtet je eine als Strömungsmaschine 12 ausgebildete
Fördereinrichtung 10 vorhanden, d. h. eine erste
Strömungsmaschine 12a und eine zweite Strömungsmaschine 12b.
Die Strömungsmaschinen 12 dienen dazu, das Kühlfluid
durch die zwölf Kanäle 11 zu fördern.
Die Strömungsmaschine 12 ist als ein Laufrad 13 mit
daran angeordneten Schaufeln 14 ausgebildet. Die Schaufeln 14 (2, 3 und 4)
an dem Laufrad 13 sind dabei in axialer und radialer Richtung
der Welle 8 ausgebildet und die Schaufeln 14 sind
an der zu dem Rotor 7 abgewandten Seite 15 des
in 4 dargestellten Laufrades 13 vorhanden. Abweichend
hiervon können die Schaufeln 14 auch gekrümmt
(2) ausgebildet sein (nicht in 4 dargestellt;
insofern sind in 2 Schaufeln 14 mit einer
anderen Geometrie abgebildet als in 4). Das
Laufrad 13 ist dabei fest mit der Welle 8 verbunden,
so dass das Laufrad 13 eine Rotationsbewegung der Welle 8 in
gleicher Weise ausführt wie die Welle 8. Das Laufrad 13 ist
in 4 ohne einer Deckscheibe 28 abgebildet.
Die Schaufeln 14 sind somit zwischen dem in 4 abgebildeten
Teil des Laufrades 13 und der Deckscheibe 28 (2 und 3) ausgebildet.
Die Deckscheibe 28 stellt ein Laufrad 13 dar und
ist Bestandteil der Strömungsmaschine 12. Zwei
benachbarte Kanäle 11 des Rotors 7 werden dabei
in entgegengesetzter Richtung von dem Kühlfluid durchströmt.
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Die
in 3 abgebildeten sechs Öffnungen 16 des
Laufrades 13 der ersten Strömungsmaschine 12a dienen
dazu, das Kühlfluid, d. h. Luft, in die ersten sechs Kanäle 11 einzuleiten.
Die sechs Öffnungen 16 weisen dabei die gleiche
Größe auf wie die Kanäle 11,
wobei die sechs Öffnungen 16, welche in 3 dargestellt
sind, deckungsgleich zu den entsprechenden Kanälen 11 ausgebildet
sind bzw. ausgerichtet sind, durch welche die Luft durch die Öffnungen 16 und
anschließend durch die entsprechenden Kanäle 11 strömt.
An dem Laufrad 13 mit Schaufeln 14 sind außerdem
Radialöffnungen 29 vorhanden. Die Radialöffnungen 29 bilden
sich zwischen der Deckscheibe 28, den Schaufeln 14 und
dem übrigen scheibenförmigen Teil des Laufrades 13 gemäß der
Abbildung in 4. Die zweite Strömungsmaschine 12b,
welche in der 3 ohne den Öffnungen 16 des
Laufrades 13 abgebildet ist, fördert die Luft aufgrund
der Zentrifugalkraft und der Rotationsbewegung des Laufrades 13 mit
den Schaufeln 14 mittels Unterdruck nach dem Prinzip des
Radiallüfters. Die zweite Strömungsmaschine 12b dient
somit dazu, die Luft durch die Öffnungen 16 der
Deckscheibe 28 der ersten Strömungsmaschine 12a anzusaugen, diese
angesaugte Luft strömt anschließend durch die sechs
Kanäle 11 des Rotors 7 und strömt
darauffolgend durch sechs Radialöffnungen 29 der
in 3 weiter hinten abgebildeten zweiten Strömungsmaschine 12b wieder
aus.
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In
umgekehrter Weise strömt die Luft durch sechs Öffnungen 16 (nicht
in 3 dargestellt) an der zweiten Strömungsmaschine 12b,
anschließend durch sechs weitere Kanäle 11 in
dem Rotor 7 und strömt anschließend durch
sechs Radialöffnungen 29 an der ersten Strömungsmaschine 12a wieder
heraus. Die erste und zweite Strömungsmaschine 12a, 12b dienen
damit dazu, Luft anzusaugen und die Luft durch die sechs Kanäle 11 sowie
den korrespondierend dazu ausgerichteten sechs Öffnungen 16 in
den Deckscheiben 28 anzusaugen. Damit wird durch die zwölf
Kanäle 11 des Rotors 7 jeweils benachbart
in entgegengesetzter Richtung die Luft als Kühlfluid zum
Kühlen des Rotors 7 durchgeleitet. In vorteilhafter
Weise wird damit der Rotor 7 nicht nur an der Außenseite,
sondern auch innenseitig gekühlt. Dies ermöglicht
im Querschnitt eine ungefähr konstante Temperaturverteilung
innerhalb des Rotors 7, so dass dadurch eine sichere und
zuverlässige Kühlung des Rotors 7, insbesondere
auch bei höheren Drehzahlen, gewährleistet ist.
Die durch die Kanäle 11 pro Zeiteinheit geförderte
Menge an Luft hängt von der Zentrifugalkraft in den Strömungsmaschinen 12a, 12b ab.
Je höher die Drehzahl der Welle 8 und damit der
Strömungsmaschine 12a, 12b ist, desto
höher ist die geförderte Luftmenge. Ferner tritt
auch bei hohen Drehzahlen eine große Menge an Abwärme
in dem Rotor 7 auf.
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Das
Gehäuse 9 weist nicht in den Figuren abgebildete Öffnungen
auf, durch welche die Luft in das Gehäuse 9 einströmt
und ausgeleitet wird. Diese Öffnungen an dem Gehäuse 9 sind
dabei ungefähr im Bereich der Öffnungen 16 an
den beiden Deckscheiben 28 sowie im Bereich der Radialöffnungen 29 ausgebildet.
Dadurch kann auf einfache Art und Weise Luft aus der Umgebung der
Elektromaschine 5 durch den Rotor 7 geleitet werden
zur Kühlung der Elektromaschine 5.
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Insgesamt
betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung 1 bzw.
Elektromaschine 5 wesentliche Vorteile verbunden. Das Kühlfluid
wird durch den Rotor 7 in Kanälen 11 mittels zweier
Strömungsmaschinen 12a, 12b geleitet,
so dass eine gleichmäßige Kühlung des
Rotors 7 gewährleistet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2006-230154 [0004]
- - DE 102006040117 A1 [0005]