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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit Kühlung und bevorzugt mit Elektroblechen, die zumindest abschnittsweise durch additive Fertigung hergestellt sind.
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DE 10 2016 203 945 A1 zeigt eine Statoreinrichtung, bei der auf einer Mantelfläche des Blechpakets eine durch Kaltgasspritzen hergestellte Schicht mit Kühlkanälen ausgebildet ist.
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Die
WO 2017/041957 A1 betrifft einen Hohlleiter für eine elektrische Maschine mit einer ringförmigen Trägereinrichtung und einem zentralen Kühlkanal. Die ringförmige Trägereinrichtung ist durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt und umgibt die Einzelleiter.
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Die
US 2018/0205284 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses mit einem Kühlmantel durch ein 3D-Druckverfahren.
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Die
WO 2017/121511 A1 zeigt ein Elektroblech für eine elektrische Maschine, welches mehrere Aussparungen aufweist, durch welche sich ein Steg erstreckt, welcher Steg durch eine 3D-Druckverfahren aus einem nicht magnetisierbaren Material gedruckt ist.
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Die
DE 101 64 290 A1 zeigt eine dauermagnetische erregte elektrische Maschine, bei der das Statorteil oder das Läuferteil einen Füllraum aufweisen, in dem zur Veränderung der magnetischen Leitfähigkeit mehr oder weniger Flussleitflüssigkeit vorgesehen sein kann.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine neue elektrische Maschine bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
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Eine elektrische Maschine hat einen Rotor und einen Stator. Es ist mindestens ein Blechpaket mit Elektroblechen vorgesehen, welches Blechpaket einen Kühlkanal aufweist, in welchem Kühlkanal ein Kühlmittel vorgesehen ist, und welches Kühlmittel ein Ferrofluid aufweist.
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Das Ferrofluid ermöglicht eine gute Leitung des magnetischen Flusses, und der Eisenfüllfaktor wird hierdurch erhöht. Dies führt zu einer leistungsstarken Elektromaschine mit hohem Wirkungsgrad. Zudem haben Ferrofluide eine gute Wärmeleitfähigkeit, und es sind hohe Temperaturen möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektrische Maschine einen Kühlmittelkreislauf für das Kühlmittel auf, welcher Kühlmittelkreislauf zumindest abschnittsweise durch den Kühlkanal gebildet ist. Durch das Vorsehen des Kühlkreislaufs ist eine effiziente Kühlung der Elektromaschine möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Elektrobleche zumindest in einem vorgegebenen ersten Abschnitt durch additive Fertigung hergestellt. Versuche haben ergeben, dass durch eine additive Fertigung große Freiheitsgrade bei der geometrischen Ausgestaltung von Aussparungen möglich sind. Hierdurch ist eine optimierte Kühlung möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Elektrobleche zumindest teilweise im ersten Abschnitt eine Aussparung auf, um durch die Aussparung einen Kühlkanalabschnitt des Kühlkanals auszubilden. Die Ausbildung der Aussparung im ersten Abschnitt ermöglicht insbesondere bei der Ausgestaltung der Kühlkanäle eine große geometrische Freiheit.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die additive Fertigung einen 3D-Druck. Durch den 3D-Druck lassen sich die unterschiedlichsten Formen automatisiert erstellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die additive Fertigung mit einem Werkstoff, der zumindest bereichsweise weichmagnetische Eigenschaften hat. Hierdurch kann ein hoher Eisenfüllfaktor im Blechpaket erzielt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eines der Elektrobleche einen in Längsrichtung des Blechpakets gekrümmten Kühlkanalabschnitt auf. Durch eine solche Ausgestaltung lassen sich Kühlkanäle mit gekrümmten Verläufen verwirklichen, und dies ermöglicht eine Erhöhung der Kühlkanalgrenzfläche und damit eine Verbesserung der Wärmeabfuhr. Bei bisherigen Elektroblechen sind eckige Varianten in der Richtung quer zur Längsrichtung (entsprechend dem Grundriss) beispielsweise bei den Aussparungen für die Permanentmagneten 42 bekannt. Die entsprechenden Seitenwände der Aussparungen verlaufen jedoch bei einem Stanzvorgang in Längsrichtung des Elektroblechs, insbesondere im inneren Bereich des Elektroblechs.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eines der Elektrobleche einen Kühlkanalabschnitt auf, dessen Seitenwand zumindest bereichsweise nicht parallel zur Längsrichtung des Blechpakets ausgebildet ist. Auch hierdurch kann die Kühlkanalgrenzfläche erhöht werden, und es können Kühlkanalverläufe gestaltet werden, die keine harten Kanten und damit weniger Geräusche haben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verläuft der Kühlkanal zumindest abschnittsweise in Form einer Helix oder einer Doppelhelix durch das Blechpaket. Eine solche Struktur hat eine vergleichsweise große Kühlkanalgrenzfläche.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eines der Elektrobleche einen Kühlkanalabschnitt auf, welcher Kühlkanalabschnitt einen Kühlkanalteilabschnitt aufweist, welcher Kühlkanalteilabschnitt in Längsrichtung des Blechpakets auf einer Seite oder auf beiden Seiten durch das Elektroblech begrenzt ist. Durch eine solche Ausbildung ist eine Erstreckung des Kühlkanalabschnitts entlang der Erstreckung des Elektroblechs möglich, und es kann eine große Kühlkanalgrenzfläche erzeugt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das mindestens eine Blechpaket ein erstes Blechpaket auf, welches dem Stator zugeordnet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform definiert das erste Blechpaket Statornuten, und der Kühlkanal verläuft zumindest abschnittsweise an einer der Statornuten entlang. Da im Bereich der Statornuten häufig viel Wärme erzeugt wird, führt diese Ausgestaltung zu einer guten Kühlung der Elektromaschine.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stator eine Statorwicklung auf, und der Kühlkanal verläuft zumindest abschnittsweise neben der Statorwicklung. Durch die Statorwicklung wird bei der Bestromung Wärme erzeugt, und die genannte Ausgestaltung des Kühlkanals bewirkt eine gute Kühlung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das mindestens ein Blechpaket ein zweites Blechpaket auf, welches dem Rotor zugeordnet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist dem zweiten Blechpaket mindestens ein Permanentmagnet zugeordnet, und der Kühlkanal ist zumindest abschnittsweise in einem an den Permanentmagneten angrenzenden Bereich des zweiten Blechpakets ausgebildet. Durch diese Geometrie kann der Bereich um die Permanentmagneten herum gut gekühlt werden.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt
- 1 in einer Draufsicht eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator,
- 2 in einer raumbildlichen Darstellung den Rotor von 1,
- 3 in einer Draufsicht ein Elektroblech mit einem 3D-Drucker zur Herstellung,
- 4 in einer Draufsicht ein Elektroblech mit einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich,
- 5 in einer raumbildlichen Darstellung einen Rotor mit zwei schematisch dargestellten Ausführungsformen von Kühlkanälen,
- 6 in einem Längsschnitt einen Ausschnitt eines Elektroblechs mit einem Kühlkanalabschnitt,
- 7 in einem Längsschnitt einen Ausschnitt eines Elektroblechs mit einem Kühlkanalabschnitt,
- 8 in einem Längsschnitt einen Ausschnitt eines Elektroblechs mit einem geschlossenen Kühlkanal, und
- 9 in einem Querschnitt einen Querschnitt durch ein Blechpaket mit einer Nut und einem Kühlkanal.
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1 zeigt eine elektrische Maschine 10 mit einem Rotor 40 und einem Stator 20. Der Rotor 40 weist ein Blechpaket 50 mit Elektroblechen 51 auf, und der Stator 20 weist ein Blechpaket 30 mit Elektroblechen 31 auf.
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Die Blechpakete 30, 50 haben jeweils Kühlkanäle 32, 52, in denen ein Kühlmittel 54 vorgesehen ist. Das Kühlmittel 54 weist ein Ferrofluid auf.
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Dem Blechpaket 50 sind Permanentmagnete 42 zugeordnet. Das Blechpaket 30 bildet Nuten 22 aus, durch die sich eine Statorwicklung 24 erstreckt.
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Zwischen dem Stator 20 und dem Rotor 40 ist ein magnetischer Luftspalt 18 angeordnet. Im Elektromaschinenbau wird als Luftspalt ein magnetisch schlecht leitender Bereich zwischen zwei magnetisch leitenden Flächen verstanden, hier also zwischen der Außenkontur des Rotors 40 und der Innenkontur des Stators 20. In diesem Bereich muss nicht Luft sein, und er kann z.B. bereichsweise eine Kunststoffschicht und/oder ein anderes Gas aufweisen.
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Der Rotor 40 ist ein Innenrotor und der Stator 20 ein Außenstator. Alternativ können der Rotor 40 als Außenrotor und der Stator 20 als Innenstator ausgebildet werden.
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Die Drehachse des Rotors 40 ist mit 12 bezeichnet. Diese Achse 12 entspricht auch der Längsrichtung des Stators. Daher wird sie als Längsrichtung 12 bezeichnet.
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Die Kühlkanäle 52 verlaufen bevorzugt zumindest abschnittsweise an einer der Statornuten 22 entlang, um eine gute Kühlung im Bereich der Statornuten 22 zu bewirken.
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Die Kühlkanäle 52 verlaufen bevorzugt zumindest abschnittsweise neben der Statorwicklung 24, da die Statorwicklung 24 bei der Bestromung aufgrund des elektrischen Widerstands Wärme erzeugt und durch die Kühlkanäle 52 gekühlt werden kann.
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Das das Ferrofluid aufweisende Kühlmittel 54 ist vorteilhaft, da Ferrofluide magnetisch gut leitend sind. Die Aussparungen für die Kühlkanäle bewirken grundsätzlich erhöhte Eisenverluste, und die magnetische Flussdichte im Elektroblech wird hierdurch erhöht. Durch das Vorsehen des Ferrofluids im Bereich der Kühlkanäle 52 kann die magnetische Flussdichte im Mittel gesenkt werden. Zudem haben Ferrofluide eine gute Wärmeleitfähigkeit, und sie ermöglichen hohe Einsatztemperaturen. Das Ferrofluid ist somit gleichzeitig zur Kühlung und zur magnetischen Flussführung geeignet. Es kann eine Elektromaschine (Motor oder Generator) mit hohem Wirkungsgrad und großer Leistungsdichte verwirklicht werden. Bei der Verwendung der Elektromaschine in einem Fahrzeug kann eine größere Reichweite des Fahrzeugs erzielt werden.
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Ein weiterer Vorteil des Ferrofluid ist die Eigenschaft, dass durch das Ferrofluid eine gute akustische und mechanische Dämpfung erzielbar ist.
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2 zeigt in einer raumbildlichen Darstellung den Rotor 40. Das Blechpaket 50 ist aus gestapelten Elektroblechen 51 aufgebaut. Der Aufbau als Blechpaket 50 ist vorteilhaft, da er die Ausbildung von Wirbelströmen verringert. Die Elektrobleche 51 weisen bevorzugt an der Oberfläche einen Isolator auf, um einen Stromfluss zwischen den Elektroblechen 51 zu verhindern oder zu verringern.
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Der Rotor 40 weist bevorzugt an einem oder beiden axialen Enden Wellenenden 41 auf.
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Schematisch ist ein Kühlmittelkreislauf 56 für das Kühlmittel 54 eingezeichnet, welcher Kühlmittelkreislauf 56 zumindest abschnittsweise durch den Kühlkanal 52 bzw. die Kühlkanäle 52 gebildet ist. Da sich der Rotor 40 dreht, erfolgt eine Anbindung der Kühlkanäle 52 üblicherweise über eine Drehkupplung an den Wellenenden 41.
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Beim Stator 20 kann in gleicher Weise ein Kühlmittelkreislauf ausgebildet werden, und es ist eine feste Anbindung an einen äußeren Kühlkreislaufabschnitt oder eine Ausbildung des Kühlkreislaufs im Stator möglich.
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Bevorzugt sind die Kühlkanäle 52 zumindest teilweise derart vorgesehen, dass sie zumindest abschnittsweise in einem an den Permanentmagneten 42 angrenzenden Bereich des zweiten Blechpakets 50 ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel sind sie in der Umfangsrichtung der Permanentmagneten 42 vorgesehen. Sie können aber auch radial innerhalb oder außerhalb der Permanentmagneten 42 vorgesehen sein.
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3 zeigt ein Rotorblech 51 des Rotors 40, welches Aussparungen 43 für die Magneten 42 sowie Aussparungen für die Kühlkanäle 52 aufweist. Gezeigt ist die Fertigung des Rotorblechs 51 durch additive Fertigung. Hierzu ist ein 3D-Drucker 100 schematisch dargestellt, der auf der linken Seite den restlichen Abschnitt des Rotorblechs 51 herstellt. Die Herstellung kann durch Aufbringung des Werkstoffs in Schichten erfolgen. Im Ausführungsbeispiel ist das gesamte Rotorblech 51 und damit der gesamte Bereich 61 durch additive Fertigung hergestellt.
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Die additive Fertigung erfolgt bevorzugt mit einem Werkstoff, der zumindest bereichsweise weichmagnetische Eigenschaften hat. Hierdurch kann das Rotorblech 51 gut den magnetischen Fluss leiten.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Rotorblechs 51. Das Rotorblech 51 hat einen ersten Abschnitt 61 und einen zweiten Abschnitt 62. Der erste Abschnitt 61 ist im Ausführungsbeispiel ringförmig oder ringsegmentförmig um den zweiten Abschnitt 62 vorgesehen. Der zweite Abschnitt 62 kann durch ein anderes Fertigungsverfahren hergestellt werden als der erste Abschnitt 61. Beispielsweise kann der zweite Abschnitt durch einen Stanzvorgang aus einem Elektroblech gestanzt werden, wie das bei der Herstellung von Statorblechen und Rotorblechen üblich ist. Ein solches Stanzverfahren ist schnell und günstig. Zudem haben die Aussparungen 43 für die Permanentmagneten einfache geometrische Formen.
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Der erste Abschnitt 61 kann dagegen durch ein additives Verfahren hergestellt werden, und im ersten Abschnitt 61 sind Kühlkanäle 52 bzw. entsprechende Aussparungen 63 vorgesehen. Hierdurch können die Kühlkanäle 52 mit großer geometrischer Gestaltungsfreiheit bzw. vielen Freiheitsgraden im additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden.
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5 zeigt beispielhaft zwei mögliche Ausbildungen des Verlaufs der Kühlkanäle 52 durch das Blechpaket.
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Eine Variante 52A hat die Form einer Doppelhelix. In gleicher Weise können die Kühlkanäle die Form einer Helix haben.
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Eine Variante 52 B hat eine schlangenförmige Grundform mit Krümmungen in unterschiedliche Richtungen.
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Die gezeigten Formen sind mit einem reinen Stanzvorgang nicht oder nur mit großem Aufwand realisierbar. Bei der additiven Fertigung hat man dagegen große Freiheit bei der Ausgestaltung der Kühlkanäle 52.
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6 zeigt einen Längsschnitt entlang der Längsrichtung 12 des Blechpakets 30, 50 durch ein Elektroblech 31, 51 mit einem Kühlkanalabschnitt 64. Es ist beispielhaft eine Asymptote 65 im inneren Bereich des Kühlkanalabschnitts 64 vorgesehen, und diese verläuft schräg (nicht 0°) zur Längsrichtung 12. Anders ausgedrückt verläuft die Seitenwand des Kühlkanalabschnitts 64 zumindest bereichsweise nicht parallel zur Längsrichtung 12.
Zudem hat der Kühlkanalabschnitt 64 eine Krümmung in die Längsrichtung 12. Eine solche Ausgestaltung ist mit einem Stanzprozess nicht möglich.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Elektroblechs 31, 51 mit einem Kühlkanalabschnitt 64. Der Kühlkanalabschnitt 64 verläuft abschnittsweise entlang des Elektroblechs 31, 51. In einem ersten Kühlkanalteilabschnitt 64A ist der Kühlkanalabschnitt des Elektroblechs 31, 51 in Längsrichtung 12 auf einer Seite durch das Elektroblech 31, 51 begrenzt, und in einem Kühlkanalteilabschnitt 64B ist das Elektroblech 31, 51 in Längsrichtung 12 auf beiden Seiten durch das Elektroblech 31, 51 begrenzt. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht bei vergleichsweise geringer lateraler Erstreckung des Kühlkanals 52 eine große Oberfläche und damit eine gute Kühlung.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Elektroblechs 31, 51. Der Kühlkanal 52 ist innerhalb des Elektroblechs 31, 51 ausgebildet und zumindest teilweise mit dem Kühlmittel 54 gefüllt. Der Kühlkanal 52 kann auch als gedrucktes Röhrchen bezeichnet werden. Alternativ können ein oder mehrere Auslassöffnungen im Elektroblech 31, 51 vorgesehen sein, um einen Ein- oder Austritt des Kühlmittels 54 zu ermöglichen.
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9 zeigt ausschnittsweise einen Querschnitt durch ein Blechpaket 20, bei dem ein Kühlkanal 52 in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung 12 (vgl. 6) zumindest teilweise um die Statornut 22 herum verläuft. Hierdurch ist eine gute Kühlung im Bereich der Statornut 22 möglich. Wenn die Elektromaschine 10 als Nassläufer mit einem Kühlmittel im Bereich zwischen dem Rotor 40 und dem Stator 20 ausgebildet ist, können die dem Luftspalt 18 zugewandten Enden des Kühlkanals 52 offen sein und durch das Kühlmittel 54 durchströmt werden. Wenn die Elektromaschine 10 dagegen als Trockenläufer ausgebildet ist, können die dem Luftspalt 18 zugewandten Enden des Kühlkanals 52 nach dem Befüllen mit dem Kühlmittel 54 verschlossen werden. Alternativ können beispielsweise ein erster Durchlass auf einer ersten Seite des Statorblechs 31 und ein zweiter Durchlass auf der entgegengesetzten zweiten Seite des Statorblechs 31 vorgesehen sein, wie das in 7 gezeigt ist.
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Ein Vorteil der additiven Fertigung besteht darin, dass die Gesamtstruktur des Blechpakets 30 trotz des Kühlkanals 52 stabil ausgebildet werden kann.
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Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016203945 A1 [0002]
- WO 2017/041957 A1 [0003]
- US 2018/0205284 A1 [0004]
- WO 2017/121511 A1 [0005]
- DE 10164290 A1 [0006]
