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Die
Erfindung betrifft eine Gehäuseanordnung
für eine
flüssigkeitsgekühlte elektrische
Maschine sowie eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug. Unter einer
elektrischen Maschine wird hier insbesondere ein Elektromotor für einen
elektrischen Antrieb, ein Starter für einen Verbrennungsmotor oder
auch ein Generator für
ein Bordnetz eines Fahrzeugs verstanden.
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Elektrische
Maschinen für
Fahrzeuge müssen
so kompakt wie möglich
gebaut sein, d. h. das Volumen der Maschine soll bei einer vorgegebenen, von
der Maschine zu erbringenden Leistung möglichst gering sein. Eine Möglichkeit,
eine elektrische Maschine kompakter zu bauen, ergibt sich durch
ein aktives Kühlen
der elektrischen Maschine. Eine aktive Kühlung erlaubt es, mit einer
Maschine eine größere Leistung
umzusetzen als dies ohne Kühlung möglich wäre. Besonders
effektiv ist dabei eine Kühlung
mithilfe einer Flüssigkeit.
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Nachteilig
bei einer aktiven Kühlung
einer elektrischen Maschine mithilfe einer Kühlflüssigkeit ist allerdings, dass
Leitungen nötig
sind, um die Flüssigkeit
entlang einer zu kühlenden
Wandung einer elektrischen Maschine zu kanalisieren. Solche Leitungen
benötigen
ihrerseits Platz. Damit eine elektrische Maschine bei einer vorgegebenen
elektrischen Leistung tatsächlich
ein kleineres Volumen aufweisen kann, muss somit der Platzbedarf
für die
Kühlung des
Gehäuses
möglichst
gering sein.
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Bei
bisherigen elektrischen Maschinen ist es üblich, Kanäle zum Leiten einer Kühlflüssigkeit
als Hohlräume
in der Gehäusewandung
vorzusehen – beispielsweise
in einem Druckgussgehäuse
für einen Stator.
Bei einem solchen Gehäuse
ist es allerdings schwierig, es fest in einem Fahrzeug zu verankern. Insbesondere
bei Elektromotoren, die zum Antreiben eines Fahrzeugs eingesetzt
werden, müssen
große Kräfte von
einem Stator des Elektromotors über
sein Gehäuse
in den Fahrzeugrohbau übertragen
werden, wenn mittels des Elektromotors ein hohes Drehmoment erzeugt
wird. Hohlräume
im Inneren des Statorgehäuses,
wie die Kanäle
zum Leiten der Kühlflüssigkeit,
verringern dabei die Steifigkeit eines Gehäuses in unerwünschter
Weise.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gehäuse für eine flüssigkeitsgekühlte elektrische Maschine
bereitzustellen, bei dem eine aktive Kühlung des Gehäuses ermöglicht ist,
ohne dass dazu besonders viel zusätzlicher Bauraum im Vergleich
zu einem Gehäuse
ohne aktive Kühlung
benötigt
wird.
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Die
Aufgabe wird durch eine Gehäuseanordnung
gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Die Aufgabe wird auch durch eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug
gemäß Patentanspruch
9 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Bei
der erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung
für eine
flüssigkeitsgekühlte elektrische
Maschine grenzen zwei separate Teile zusammen einen Hohlraum ab,
der ein Kanal für
eine Kühlflüssigkeit einer
Kühlung
der Gehäuseanordnung
ist. Das eine Teil ist dabei ein Gehäuse für einen Stator der elektrischen
Maschine und das andere Teil eine das Gehäuse umgebende Manschette.
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Indem
ein Gehäuse
aus mehreren Teilen zusammengefügt
wird und dabei dafür
gesorgt wird, dass zwischen den zusammengefügten Teilen Hohlräume zum
Kanalisieren von Kühlflüssigkeit
bestehen bleiben, lässt
sich ein leicht herzustellendes Gehäuse für eine elektrische Maschine
konstruieren, das sich mit einer Flüssigkeit kühlen lässt. Durch Umgeben eines Gehäuses mit
einer Manschette kann der Kanal für die Kühlflüssigkeit dabei bereitgestellt werden,
ohne dass dazu signifikant mehr Bauraum benötigt wird. Das Gehäuse ist
dabei nicht sehr viel größer als
ein Gehäuse
ohne Flüssigkeitskühlung.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Gehäuse ist auch
eine Kraftübertragung
von einem Stator im Inneren des Gehäuses hin zu einem Lager des
Gehäuses
am Fahrzeugrohbau nicht beeinträchtigt,
denn jedes Teil, insbesondere das Gehäuse für den Stator, kann nötigenfalls
optimal für
eine Kraftübertragung ausgelegt
werden. Außerdem
wird es ermöglicht,
das Gehäuse
selbst direkt mit einem Fahrzeugrohbau fest zu verbinden. Die Manschette
selbst muss somit keine Kraft vom Gehäuse in den Fahrzeugrohbau ableiten.
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Zusätzlich ist
die erfindungsgemäße Gehäuseanordnung
auch günstig
in der Herstellung, da der Kanal zum Leiten der Kühlflüssigkeit
nicht als Hohlraum z. B. im Inneren eines Druckgussgehäuses ausgebildet
werden muss.
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Vorzugsweise
besteht das Gehäuse
für den Stator überwiegend
aus Aluminium und/oder die Manschette überwiegend aus Stahl. Die Wärmedehnungsdifferenz
zwischen einem Bauteil aus Aluminium und einem Bauteil aus Stahl
ist in vorteilhafter Weise so gering, dass sich zwischen den beiden Bauteilen
bei einer Erwärmung
der Gehäuseanordnung
kein Spalt bilden kann, durch den Kühlflüssigkeit austreten könnte.
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Des
Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Manschette ein Gussteil mit
wenigstens einem integrierten Zufluss und/oder wenigstens einem
integrierten Abfluss für
die Kühlflüssigkeit
ist oder wenn die Manschette ein Rohr mit wenigstens einem daran angeordneten
Rohrstutzen ist. Dies macht das Zu- bzw. Abführen der Kühlflüssigkeit besonders einfach, denn
mit der Montage der Manschette auf dem Gehäuse besteht automatisch eine
Verbindung zu dem Kanal durch die Manschette hindurch.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Manschette einteilig ausgebildet
und auf das Gehäuse
aufschiebbar ist. Bei einer einteilig ausgebildeten Manschette müssen keine
zusätzlichen
Maßnahmen getroffen
werden, um einen Austritt der Kühlflüssigkeit
durch die Manschette hindurch zu verhindern. Indem die Manschette
auf das Gehäuse
aufschiebbar ist, ist die Montage der erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung
auch besonders einfach.
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Die
Manschette wird vorzugsweise mittels eines Presssitzes auf dem Gehäuse gehalten.
Dazu kann vorgesehen sein, die Manschette vor der Montage zu erhitzen
und dadurch ihren Durchmesser zunächst zu vergrößern, um
die Manschette nach dem Aufschieben anschließend auf das Gehäuse aufzuschrumpfen.
Werden dagegen vorab zu montierende O-Ringe zur Abdichtung der Manschette
gegen das Gehäuse
verwendet, kann natürlich
nicht thermisch gefügt
werden. Dann wird die Manschette bevorzugt gegen einen Anschlag
am Gehäuse
aufgeschoben und anschließend
mit einem Gegenanschlag axial in beide Richtungen fixiert. Der Gegenanschlag
kann hierbei z. B. mit einem (rotationssymmetrischen) Schraubenkopf
einer radial ins Gehäuse
auf Block einzuschraubenden Schraube gebildet sein. Der Gegenanschlag
kann aber natürlich
auch z. B. durch einen axialen Deckel gebildet werden, der ein zum
Einsetzen von Rotor und Stator einseitig offenes, topfförmiges Gehäuse abschließt und somit
den Deckel des Gehäusetopfes
darstellt.
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Die
erfindungsgemäße Gehäuseanordnung wird
auch in vorteilhafter Weise weitergebildet, wenn zwischen der Manschette
und dem Gehäuse
entweder wenigstens ein Dichtungsring verläuft oder die Manschette eine
in dem Gehäuse
ausgebildete Nut abdeckt und in der Nut eine Dichtmasse, insbesondere
Silikon, angeordnet ist, durch welche ein Austritt von Kühlflüssigkeit
aus dem Hohlraum in eine Richtung senkrecht zu einem Verlauf der
Nut blockierbar ist. Ein Dichtungsring ist eine besonders preisgünstige und
leicht montierbare Abdichtung für
einen Zwischenraum, der zwischen der Manschette und dem Gehäuse nach
einer Montage gegebenenfalls noch vorhanden sein kann.
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Anstelle
eines Dichtungsringes oder zusätzlich
dazu kann auch vorgesehen sein, die Manschette zunächst ohne
ausreichende Dichtmittel auf das Gehäuse aufzuschieben. Dadurch
ist eine Montage in besonders vorteilhafter Weise erleichtert. Um
anschließend
mögliche
Austrittsstellen der Kühlflüssigkeit
aus dem Kanal zu verschließen,
kann dann eine Dichtmasse, insbesondere Silikon, in einen Bereich einer
Anlagefläche
der Manschette an dem Gehäuse eingefügt werden.
Dazu sind bei der Weiterbildung Nuten in dem Gehäuse in dem Bereich der Anlagefläche bereitgestellt,
in die nach einer Montage der Manschette die Dichtmasse hineingepresst
wird, so dass sich selbige entlang der Nut ausbreitet und in den
Bereich der Anlagefläche
quillt. Diese Form des Abdichtens ist besonders zuverlässig, da
auch Ungenauigkeiten, wie sie bei einer Fertigung des Gehäuses oder
der Manschette entstehen können,
ausgeglichen werden.
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In
einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung
ist das Gehäuse
ein Hohlzylinder und die Manschette ein Rohr. Durch ein Gehäuse, das
die Form eines Hohlzylinders aufweist, ergibt sich eine elektrische Maschine,
deren Durchmesser nur unwesentlich größer als der Durchmesser eines
Stators der elektrischen Maschine ist. Ein solcher Hohlzylinder
kann auch ein oder beidseitig mit einem Deckel versehen werden,
so dass er insgesamt die Form eines Topfes aufweist. Wird als Manschette
ein Rohr verwendet, so ergibt sich der Vorteil, dass diese Manschette
besonders kostengünstig
hergestellt werden kann. Beispielsweise lassen sich Manschetten
bei dieser Ausführungsform
herstellen, indem ein langes Rohr in mehrere Segmente zerschnitten
wird, von denen jedes als Manschette verwendet werden kann.
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Ein
aus einem Hohlzylinder bestehendes Gehäuse wird in vorteilhafter Weise
weitergebildet, wenn das Gehäuse
wenigstens eine das Gehäuse versteifende
erhabene Struktur aufweist, welche auf einer Mantelfläche des
Hohlzylinders angeordnet ist und eine Wand des Kanals bildet. Eine
solche erhabene Struktur kann beispielsweise ein Steg oder eine Rippe
sein. Durch die erhabene Struktur wird ein Biegemoment einer Wandung
des Gehäuses
verstärkt. Die
erhabene Struktur wird bei der Weiterbildung in vorteilhafter Weise
als Wandung für
den Kanal benutzt. Indem eine erhabene Struktur zur Versteifung des
Gehäuses
gleichzeitig als Wandung für
den Kanal verwendet wird, ergibt sich für einen Durchmesser des Gehäuses, dass
er durch den Kanal selbst nicht vergrößert wird. Mit anderen Worten
wird dadurch für
eine flüssigkeitsgefüllte elektrische
Maschine eine besonders kompakte Bauweise ermöglicht.
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Bei
einer Gehäuseanordnung
mit einem zylinderförmigen
Gehäuse
ergibt sich ein weiterer Vorteil, wenn das Gehäuse wenigstens eine Leitung
aufweist, durch welche Kühlflüssigkeit
in den Hohlraum fließen
kann und die sich in eine Richtung parallel zu einer Zylinderachse
des Gehäuses
erstreckt. Bevorzugt weist das Gehäuse dabei zwei solcher Leitungen
auf, nämlich
einen Zu- und einen Abfluss für
die Kühlflüssigkeit
in den Kanal hinein und aus diesem heraus. Eine Leitung, die sich
entlang einer Zylinderachse des Gehäuses erstreckt steht in vorteilhafter Weise
nicht von dem Gehäuse
ab. Dadurch wird durch den Zu- bzw. Abfluss für den Kanal ein Durchmesser
des Gehäuses
nicht vergrößert.
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Zu
der Erfindung gehört
auch eine elektrische Maschine für
ein Fahrzeug, die eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Gehäuses aufweist.
Das Gehäuse
ist dabei bevorzugt ein Gehäuse für einen
Stator einer elektrischen Maschine mit Innenläufer.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu
zeigen:
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1 eine
perspektivische Schnittdarstellung eines Gehäuses für einen Stator eines Elektromotors
gemäß einer
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung;
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2 eine
perspektivische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung
bei der Montage; und
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3 eine
perspektivische Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung
mit einer silikongefüllten Nut.
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Die
Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
dar.
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In 1 ist
ein Gehäuse 10 für einen
Stator einer Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs dargestellt.
Die Antriebseinheit ist ein Elektromotor mit Innenläufer. Das
Gehäuse 10 ist
aus Aluminium mittels eines Druckgussverfahrens hergestellt. Ein
hohlzylindrisch geformter Teil 12 des Gehäuses 10 umgibt
den in 1 nicht dargestellten Stator entlang einer Umfangsrichtung
des Stators. Eine Rückwand 14 schließt das Gehäuse 10 in
Richtung einer Symmetrieachse 16 des zylinderförmigen Teils 12 hin
ab. Der zylindrische Teil 12 und die Rückwand 14 bilden zusammen
einen Topf. Ein ebenfalls zu dem Gehäuse 10 gehörigen Deckel
zum verschließen
des Topfes ist in 1 nicht dargestellt. Das Gehäuse 10 ist
selbsttragend, d. h. es ist steif genug, um sich bei einem Betrieb
der Antriebseinheit nicht signifikant zu verformen. Über Flansche 18 kann
das Gehäuse 10 mit
einem in 1 nicht dargestellten Fahrzeugrohbau verbunden
werden.
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Das
Gehäuse 10 ist
flüssigkeitsgekühlt, um Wärme, die
bei einem Betrieb der Antriebseinheit im Inneren des Gehäuses freigesetzt
und in das Gehäuse 10 übertragen
wird, abführen
zu können.
Entlang eines Außenumfangs
des Gehäuses 10 verläuft dazu ein
Kanal 20, durch den Kühlwasser 22 gepumpt
werden kann.
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Der
Kanal 20 verläuft
zwischen zwei Stegen 24, 26, die in Umfangsrichtung
um den zylindrischen Teil 12 des Gehäuses 10 eine Mantelfläche 28 des zylindrischen
Teils 12 in radialer Richtung überragen. Die Mantelfläche 28 selbst
bildet ebenfalls eine Wandung des Kanals 20. Eine vierte
Wandung des Kanals 20 ist durch ein verhältnismäßig dünnes Rohr 30 aus
Edelstahl gebildet. Zwischen dem Rohr 30 und den Stegen 24, 26 sorgen
Dichtungsringe 32, 34 dafür, dass keine Kühlflüssigkeit 22 austritt.
Bei den Dichtungsringen 32, 34 handelt es sich
um O-Ringe, die in Nuten eingelegt sind, die ihrerseits in den Stegen 24, 26 ausgebildet
sind.
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Die
Kühlflüssigkeit 22 wird über einen
in 1 nicht dargestellten Zufluss in gekühltem Zustand
in den Kanal 20 gepumpt und an anderer Stelle über einen
in 1 ebenfalls nicht gezeigten Abfluss zum Kühlen aus
dem Kanal 20 wieder abgeführt. Der Zufluss und der Abfluss
verlaufen parallel zur Symmetrieachse 16 des Gehäuses 10.
Damit stehen der Zufluss und der Abfluss in radialer Richtung senkrecht
zur Symmetrieachse 16 nicht über die Flansche 18 hinaus.
Das Rohr 30 ist auf den zylindrischen Teil 12 des
Gehäuses
aufgeschoben. Die Flansche 18 sind auf der Seite des Gehäuses 10,
auf der sich auch die Rückwand 14 befindet,
abgeflacht, um das Aufschieben des Rohres 30 zu ermöglichen.
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Durch
die Stege 24, 26 ist das Gehäuse 10 sehr struktursteif.
Indem als Materialien für
das Gehäuse 10 Aluminium
und Stahl verwendet werden, ist die Wärmedehnungsdifferenz zwischen
den Bauteilen bei einer Niedertemperaturkühlung der Antriebseinheit sehr
gering. Eine Änderung
der Differenz der Radien des zylinderförmigen Teils 12 und
des Rohres 30 liegt in der Größenordnung von nur 0,05 mm, wenn
sich die Antriebseinheit im Betrieb erwärmt. Die Dichtungen 32, 34 dichten
den Kanal 20 deshalb auch dann während einer Erwärmung gut
ab. Bei einem vorgegebenen Statordurchmesser ergibt sich durch das
Gehäuse 10 ein
verhältnismäßig geringer Außendurchmesser
der gesamten Antriebseinheit, wobei das Gehäuse 10 dennoch sehr
steif ist und zugleich eine Flüssigkeitskühlung der
Einheit ermöglicht
ist.
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In 2 ist
das im Zusammenhang mit 1 beschriebene Gehäuse 10 noch
einmal während
der Montage gezeigt. In 2 sind für einander entsprechende Teile
dieselben Bezugszeichen wie in 1 vergeben.
Im Gegensatz zu 1 ist bei 2 ein
kleinerer Ausschnitt des Gehäuses 10 dargestellt.
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Um
den Kanal 20 zum Leiten der Kühlflüssigkeit zu bilden, wird das
Rohr 30 auf den zylindrischen Teil 12 des Gehäuses 10 aufgeschoben.
In 2 ist die Richtung 36, in die das Rohr 30 dazu
bewegt wird, ebenfalls angedeutet. Die Richtung 36 entspricht
der Verlaufsrichtung der in 1 gezeigten Symmetrieachse 16.
Die beiden Dichtungen 32, 34 in Form von O-Ringen
sind bei der Montage des Rohres 30 bereits in den entsprechenden
Nuten in den Stegen 24, 26 eingelegt. Das Rohr 30 lässt sich
problemlos über
die O-Ringe hinwegschieben.
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Das
Rohr 30 wird gegen im Druckguss dargestellte Abschläge 18' geschoben,
von denen in 2 nur einer gezeigt ist. Die
Anschläge 18' sind in dem
Beispiel jeweils Teil eines Anschraubauges an dem jeweiligen Flansch 18.
Das andere Ende des Rohres 30 kann mit einer radial einzudrehenden Schraube
gesichert sein. Wird das Rohr nicht wie in dem in den 1 und 2 dargestellten
Beispiel aus Richtung der Rückwand 14 aufgeschoben,
sondern von der entgegengesetzten Seite, so kann der am offenen
Ende des Gehäuses
zum Schluss anzubringenden Deckel den Gegenanschlag bilden.
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In 3 ist
ein Ausschnitt eines Gehäuses 38 dargestellt,
bei dem wie bei dem im Zusammenhang mit 1 und 2 beschriebenen
Gehäuse 10 ein
Rohr 30' über einen
zylindrischen Teil 12' geschoben
ist. In 3 ist auch gezeigt, wie das
Rohr 30' ebenfalls
auf einem Steg 24' aufliegt.
Während das
Rohr 30' auf
den zylindrischen Teil 12' des
Gehäuses 38 aufgeschoben
wurde, befand sich in einer Nut 40 im Gegensatz zu dem
in 1 und 2 dargestellten Gehäuse kein
Dichtmittel. Nachdem das Rohr 30' in eine gewünschte Position gebracht worden
ist, so dass ein Kanal 20' zwischen
dem Rohr 30' und
dem zylindrischen Teil 12' des
Gehäuses
gebildet ist, wurde über
eine Öffnung 42 und
eine Zuleitung 44 Silikon unter Druck in die Nut 40 gepresst. Das
Silikon ist in der Nut 40 entlang eines Umfangs des Gehäuses 38 in
der Nut verteilt und dichtet einen Zwischenraum zwischen dem Rohr 30' und dem Steg 24' derart ab,
dass ein in dem Kanal 20' befindliches Kühlmittel
nicht zwischen dem Rohr 30' und
dem Steg 24' nach
Außen
dringen kann.
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Durch
die Beispiele ist gezeigt, wie eine mit einem Kühlmantel versehene elektrische
Maschine unter kleinstmöglicher
radialer Ausdehnung hergestellt werden kann. Der Kühlmantel
dient dabei zur Statorkühlung.
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- 10
- Gehäuse
- 12,
12'
- zylindrischer
Teil
- 14
- Rückwand
- 16
- Symmetrieachse
- 18
- Flansch
- 18'
- Anschlag
- 20,
20'
- Kanal
- 22
- Kühlflüssigkeit
- 24,
24'
- Steg
- 26
- Steg
- 28
- Mantelfläche
- 30,
30'
- Rohr
- 32
- Dichtung
- 34
- Dichtung
- 36
- Richtung
- 38
- Gehäuse
- 40
- Nut
- 42
- Öffnung
- 44
- Zuleitung