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Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitspumpe, insbesondere eine Ölpumpe zur Versorgung eines Kupplungsaktors, eines Getriebeaktors, eines Schmierungssystems und/oder eines Kühlungssystems eines Antriebsstrangs, mit einer elektrischen Antriebseinheit und einer Steuereinheit zur Steuerung der elektrischen Antriebseinheit.
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Derartige Flüssigkeitspumpen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden häufig in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Automobilen verbaut.
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Dabei müssen die Flüssigkeitspumpen teilweise im Widerspruch zueinander stehenden Anforderungen genügen. Einerseits wird in diesem Zusammenhang allgemein ein kompakter Aufbau von Flüssigkeitspumpen gefordert. Dies liegt darin begründet, dass durch einen kompakten Aufbau in der Regel Material eingespart wird und so kostengünstige Flüssigkeitspumpen bereitgestellt werden können. Zudem ist diese Anforderung den engen Platzverhältnissen im Motorraum eines Kraftfahrzeugs geschuldet, in dem derartige Flüssigkeitspumpen in der Regel angeordnet sind. Andererseits müssen Flüssigkeitspumpen insbesondere im Anwendungsfeld von Kraftfahrzeugen in einem breiten Temperaturfeld betreibbar sein.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Flüssigkeitspumpe bereitzustellen, die den genannten Konflikt löst und dabei sowohl kompakt im Aufbau ist und gleichzeitig in einem breiten Temperaturfeld verwendet werden kann.
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Die Aufgabe wird durch eine Flüssigkeitspumpe der eingangs genannten Art gelöst, bei der zwischen der Steuereinheit und der elektrischen Antriebseinheit ein Wärmeleitelement zur thermischen Kopplung der Steuereinheit mit der Antriebseinheit positioniert ist. Die Antriebseinheit und die Steuereinheit sind also wärmeleitend gekoppelt. Somit kann einerseits innerhalb der Steuereinheit anfallende Abwärme in Richtung der elektrischen Antriebseinheit geleitet werden und andererseits in der elektrischen Antriebseinheit anfallende Abwärme in Richtung der Steuereinheit. Somit kann ein thermischer Ausgleich zwischen der elektrischen Antriebseinheit und der Steuereinheit stattfinden. Auf diese Weise werden beide Komponenten vor hohen Temperaturen geschützt und können in einem Umfeld mit hohen Umgebungstemperaturen zuverlässig betrieben werden. Gleichzeitig baut das Wärmeleitelement vergleichsweise kompakt, sodass eine damit ausgestattete Flüssigkeitspumpe nur einen geringen Platzbedarf hat.
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Das Wärmeleitelement kann gleichzeitig ein Wärmespeicherelement sein. Dann kann Abwärme, die entweder innerhalb der Steuereinheit und/oder innerhalb der Antriebseinheit anfällt, im Wärmeleitelement gespeichert werden. Folglich kann die Flüssigkeitspumpe bei kompaktem Gesamtaufbau auch bei hohen Umgebungstemperaturen verwendet werden. Die im Wärmeleitelement gespeicherte Wärme kann beispielsweise in einer Betriebspause wieder an die Umgebung abgegeben werden oder dient dazu, die bei Belastungsspitzen auftretende Abwärme zwischenzuspeichern, damit sie in nachfolgenden Betriebsphasen mit geringerer Belastung wieder abgegeben wird.
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Die Flüssigkeitspumpe ist insbesondere eine Schmierölpumpe, eine Kühlmittelpumpe, eine Zusatzölpumpe oder eine Aktorpumpe.
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Bevorzugt ist das Wärmeleitelement ein Metallelement, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, oder ein thermisch leitendes Kunststoffelement. Solche Materialien weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Darüber hinaus sind sie vergleichsweise kostengünstig und können mit standardmäßigen Maschinen leicht bearbeitet werden. Ein derartiges Wärmeleitelement ist somit einfach und kostengünstig herstellbar.
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Das Wärmeleitelement kann einen plattenförmigen Grundkörper aufweisen, auf dem Wärmeleitungsrippen angeordnet sind, insbesondere wobei auf einer der Antriebseinheit zugewandten Seite des Wärmeleitelements Wärmeleitungsrippen vorgesehen sind und eine der Steuereinheit zugewandte Seite des Wärmeleitelements ohne Wärmeleitungsrippen ausgeführt ist. Ein derart gestaltetes Wärmeleitelement ist insbesondere dafür geeignet, Wärme von der Steuereinheit zur Antriebseinheit zu leiten. Mittels der Wärmeleitungsrippen wird dabei diejenige Oberfläche, an der diese angeordnet sind, vergrößert, sodass an der mit Wärmeleitungsrippen versehenen Oberfläche ein effizienter Wärmeübertrag in ein mit dieser in Kontakt stehendes Medium stattfinden kann.
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In einer Variante weist das Wärmeleitelement auf einer der Antriebseinheit zugewandten Seite eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Sensorelements, insbesondere eines rotorseitigen Sensorelements, auf. Das rotorseitige Sensorelement kann mit einem Sensorgegenelement, das in der Steuereinheit, insbesondere auf einer Leiterplatte der Steuereinheit, vorgesehen ist, einen Drehzahlsensor bilden. Dabei umfasst das rotorseitige Sensorelement beispielsweise einen Magneten. Indem das Sensorelement in der Ausnehmung angeordnet ist, hat die Flüssigkeitspumpe einen vergleichsweise kompakten Aufbau entlang ihrer Rotationsachse.
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Auch kann die Antriebseinheit einen Stator und einen innerhalb des Stators angeordneten Rotor umfassen, wobei der Rotor innerhalb eines den Rotor flüssigkeitsdicht vom Stator trennenden Rotortopfes angeordnet ist und das Wärmeleitelement einen Boden des Rotortopfes bildet. Unter einem Rotortopf ist dabei ein Bauelement zu verstehen, das einen im Wesentlichen zylindermantelförmigen Wandabschnitt, der auch als Topfwand bezeichnet werden kann, und einen den zylindermantelförmigen Wandabschnitt axial verschließenden Boden oder Topfboden aufweist. Ein derartiger Rotortopf trennt sogenannte nasse, d.h. mit zu pumpender Flüssigkeit in Berührung kommende, und trockene, d.h. nicht mit der zu pumpenden Flüssigkeit in Kontakt tretende, Bereiche innerhalb der Antriebseinheit. Dabei befindet sich der Rotor in einem nassen Bereich und der Stator in einem trockenen Bereich. Indem das Wärmeleitelement als Boden des Rotortopfes ausgeführt ist, ersetzt es einen standardmäßig ausgebildeten Boden. Das Wärmeleitelement übernimmt also sowohl die Funktionen der Wärmeleitung als auch die mechanischen Funktionen des Bodens. Auf diese Weise kann die Flüssigkeitspumpe platzsparend aufgebaut sein. Wie bereits erläutert, kommt der Bereich innerhalb des Rotortopfes mit zu pumpender Flüssigkeit in Berührung. Es kann somit mittels des Wärmeleitelements auch Wärme an die zu pumpende Flüssigkeit abgegeben werden. Daraus resultiert ein zusätzlicher Kühlungseffekt für die Antriebseinheit und/oder die Steuereinheit.
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Vorteilhafterweise ist das Wärmeleitelement am Rotortopf vergossen oder innerhalb des Rotortopfes umspritzt oder mit einem Wandabschnitt des Rotortopfes gefügt. Das Wärmeleitelement liegt somit zunächst als separates Bauteil vor und wird dann entweder mittels eines urformenden kunststofftechnischen Produktionsverfahrens mit dem Wandabschnitt des Rotortopfes verbunden oder mit dem Wandabschnitt gefügt. Bevorzugte Fügeverfahren sind dabei Ultraschallschweißen und Heißverstemmen. Alle genannten Varianten zum Verbinden des Wärmeleitelements mit dem Wandabschnitt des Rotortopfes sind einfach und kostengünstig. Gleichzeitig wird so sichergestellt, dass der Rotortopf den Rotor und den Stator flüssigkeitsdicht trennen kann.
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In einer Variante ist ein Kühlmittelströmungspfad zur Kühlung der Antriebseinheit und/oder der Steuereinheit vorgesehen und das Wärmeleitelement begrenzt den Kühlmittelströmungspfad zumindest abschnittsweise. Das Wärmeleitelement ist also thermisch mit dem Kühlmittelströmungspfad gekoppelt. Somit kann über den Kühlmittelströmungspfad, d.h. mittels des Kühlmittels, Wärme vom Wärmeleitelement abgeführt werden. Auf diese Weise lassen sich sowohl die Antriebseinheit als auch die Steuereinheit effektiv kühlen. Damit ist die Flüssigkeitspumpe auch in Umgebungen mit besonders hohen Temperaturen zuverlässig einsetzbar.
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Auch kann ein vom Inneren des Rotortopfes gebildeter Rotorraum ein Abschnitt des Kühlmittelströmungspfades sein. Es strömt also Kühlmittel durch das Innere des Rotortopfes. Wenn das Wärmeleitelement als Boden des Rotortopfes ausgeführt ist, kommt dabei das Kühlmittel auch mit dem Wärmeleitelement in Kontakt. Mit anderen Worten ist das Wärmeleitelement mit dem Kühlmittel thermisch gekoppelt, weshalb mittels des Kühlmittelströmungspfades Wärme aus dem Wärmeleitelement abgeführt werden kann. Zudem kann in dieser Variante auch über den Kühlmittelströmungspfad direkt Abwärme aus dem Rotor abgeführt werden. Es ergibt sich insgesamt eine besonders leistungsfähige Kühlung der Antriebseinheit und/oder der Steuereinheit.
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In einer Alternative geht der Kühlmittelströmungspfad von einem Flüssigkeitsausgang der Flüssigkeitspumpe aus und mündet in einen Flüssigkeitseingang der Flüssigkeitspumpe, wobei der Kühlmittelströmungspfad entweder zumindest abschnittsweise zwischen dem Rotor und dem Stator verläuft oder zumindest abschnittsweise radial außerhalb des Stators verläuft. Indem der Flüssigkeitsströmungspfad vom Flüssigkeitsausgang abzweigt und in den Flüssigkeitseingang mündet, wird diejenige Flüssigkeit, die mittels der Flüssigkeitspumpe gefördert wird, gleichzeitig als Kühlmittel verwendet. Damit kann die Flüssigkeitspumpe einfach und kostengünstig aufgebaut sein. Insbesondere ist so kein von der zu fördernden Flüssigkeit separater Kühlmittelkreislauf notwendig. In diesem Zusammenhang werden unter dem Flüssigkeitseingang alle die zu fördernde Flüssigkeit führenden Leitungen bis zum Sauganschluss der eigentlichen Pumpeinheit verstanden. In analoger Weise werden unter dem Flüssigkeitsausgang alle die zu fördernde Flüssigkeit führenden Leitungen verstanden, die vom Druckausgang der Pumpeinheit abgehen. Der Flüssigkeitseingang betrifft somit die Saugseite der Flüssigkeitspumpe und der Flüssigkeitsausgang die Druckseite. Wenn der Kühlmittelströmungspfad zumindest abschnittsweise zwischen dem Rotor und dem Stator verläuft, ist er im weitesten Sinne im Spalt der durch den Rotor und den Stator gebildeten elektrischen Maschine angeordnet. An dieser Stelle lässt sich die in der Antriebseinheit anfallende Abwärme besonders effizient abführen. Wenn der Kühlmittelströmungspfad zumindest abschnittsweise bezüglich einer Rotationsachse der Antriebseinheit radial außerhalb des Stators verläuft, umgibt er die Antriebseinheit außenseitig und kann so für eine effiziente Wärmeabfuhr sorgen. Im Unterschied zur ersten Variante verläuft nun also der Kühlmittelströmungspfad nicht im Bereich des Spalts der aus Rotor und Stator gebildeten elektrischen Maschine. Im Vergleich zu dieser Variante kann der Spalt somit besonders klein gewählt werden, wodurch die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine gesteigert wird.
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Der Kühlmittelströmungspfad kann zumindest abschnittsweise in einem Wandabschnitt des Rotortopfes verlaufen. Somit beansprucht er nur einen äußerst geringen Bauraum. Dadurch kann eine zugehörige Flüssigkeitspumpe kompakt ausgeführt sein.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass der Kühlmittelströmungspfad innerhalb eines Kühlmittelkanals im Wandabschnitt verläuft, der an einer radialen Innenseite des Wandabschnitts in Richtung des Rotorraums offen ist, insbesondere über die gesamte axiale Länge des Rotortopfes offen ist. Es kann somit, insbesondere über die gesamte axiale Länge des Rotortopfes, ausgehend vom Kühlmittelkanal Kühlmittel ins Innere des Rotorraums strömen. Dadurch kann der Rotor insbesondere auf seiner gesamten axialen Länge durch Kühlmittel benetzt werden, wodurch dieser in effizienter Weise gekühlt wird.
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In einer Variante können auch eine Mehrzahl an Kühlmittelströmungspfaden und Kühlmittelkanälen vorgesehen sein. Es ergibt sich so eine gleichmäßige und leistungsfähige Kühlung der Antriebseinheit und der Steuereinheit.
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Gemäß einer Alternative umfasst die Steuereinheit eine Leiterplatte, die thermisch mit dem Wärmeleitelement gekoppelt ist. Diese Kopplung kann direkt oder indirekt erfolgen. Dabei kann zur Kopplung beispielsweise eine Wärmeleitpaste oder ein wärmeleitendes Bauteil eingesetzt werden. In beiden Varianten ist eine effiziente Abfuhr der Wärme von der Leiterplatte zum Wärmeleitelement gewährleistet.
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Bevorzugt ist die Flüssigkeitspumpe eine Zahnradpumpe, insbesondere eine Zahnringpumpe. Zahnringpumpen werden auch als Gerotorpumpen bezeichnet und stellen eine Art Zahnradpumpe dar, die besonders leistungsfähig und gleichzeitig kompakt im Aufbau ist.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Es zeigen:
- - 1 eine erfindungsgemäße Flüssigkeitspumpe in einer perspektivischen Außenansicht, und
- - 2 die erfindungsgemäße Flüssigkeitspumpe aus 1 in einer zwei Varianten umfassenden Radialschnittdarstellung.
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1 zeigt eine Flüssigkeitspumpe 10, die in der abgebildeten Ausführungsform als Ölpumpe zur Versorgung eines Kupplungsaktors ausgebildet ist.
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Gleichzeitig ist die Flüssigkeitspumpe 10 auch dafür geeignet, einen Getriebeaktor, ein Kühlungssystem und/oder ein Schmierungssystem eines Antriebsstrangs mit Öl zu versorgen.
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Die Flüssigkeitspumpe 10 ist dabei eine Zahnringpumpe. Sie umfasst also eine Pumpeinheit 12, die nach dem Prinzip einer Zahnringpumpe funktioniert.
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Mittels der Pumpeinheit 12 wird über einen Flüssigkeitseingang 14 der Flüssigkeitspumpe 10 bereitgestellte Flüssigkeit in einen Flüssigkeitsausgang 16 der Flüssigkeitspumpe 10 gefördert. Dabei wir die Flüssigkeit mit Druck beaufschlagt, weshalb der Flüssigkeitseingang 14 auch als Saugseite und der Flüssigkeitsausgang 16 als Druckseite bezeichnet werden kann.
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Die Pumpeinheit 12 wird mittels einer elektrischen Antriebseinheit 18 angetrieben, die mittels einer Steuereinheit 20 gesteuert wird. Die Steuereinheit 20 umfasst hierfür eine Leiterplatte 20a.
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Die elektrische Antriebseinheit 18 ist zwischen der Pumpeinheit 12 und der Steuereinheit 20 angeordnet.
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Sie weist einen Stator 22 und einen Rotor 24 auf, die eine elektrische Maschine bilden. Nachdem der Rotor 24 in einem Rotorraum 26 aufgenommen ist, der innerhalb des Stators 22 liegt, spricht man auch von einem Innenrotor.
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Darüber hinaus ist ein Wärmeleitelement 28 vorgesehen, das zwischen der Steuereinheit 20 und der elektrischen Antriebseinheit 18 positioniert ist und die Steuereinheit 20 thermisch mit der Antriebseinheit 18 koppelt.
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Dabei ist auch die Leiterplatte 20a thermisch mit dem Wärmeleitelement 28 gekoppelt, beispielsweise über zwischen dem Wärmeleitelement 28 und der Leiterplatte 20a angeordnete Bahnen an Wärmeleitpaste.
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Beim Wärmeleitelement 28 handelt es sich in den dargestellten Ausführungsformen um ein Metallelement, das insbesondere aus Aluminium ist.
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Es weist einen plattenförmigen Grundkörper 28a auf, der auf einer der Steuereinheit 20 zugewandten Seite des Wärmeleitelement 28 eben ist.
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Ferner ist das Wärmeleitelement 28 mit Wärmeleitungsrippen 28b ausgestattet, die auf einer der Antriebseinheit 18 zugewandten Seite des Grundkörpers 28a angeordnet sind.
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Dabei ist auf der der Antriebseinheit 18 zugewandten Seite des Wärmeleitelements 28 zudem eine Ausnehmung 28c vorgesehen, die dazu dient, ein Sensorelement aufzunehmen, das an einem der Steuereinheit 20 zugewandten Ende einer Rotorwelle vorgesehenen ist und einen Magneten 29a umfasst.
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Der Magnet 29a an der Rotorwelle wirkt mit einem an der Leiterplatte 20a vorgesehenen Sensorgegenelement 29b zusammen, sodass ein Drehzahlsensor gebildet ist.
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Das Wärmeleitelement 28 bildet zudem einen Boden eines Rotortopfes 30, der den Rotor 24 flüssigkeitsdicht vom Stator 22 trennt. Dabei ist das Wärmeleitelement 28 am Rotortopf 30 vergossen, genauer gesagt mit einem Wandabschnitt 30a des Rotortopfes 30 vergossen.
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Die Flüssigkeitspumpe 10 weist zudem zumindest einen Kühlmittelströmungspfad 32 auf, der vorliegend mittels Pfeilen symbolisiert ist. Er dient der Kühlung der elektrischen Antriebseinheit 18 sowie der Kühlung der Steuereinheit 20.
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Dabei geht der Kühlmittelströmungspfad 32 vom Flüssigkeitsausgang 16 aus und mündet in den Flüssigkeitseingang 14, wobei unter dem Flüssigkeitseingang 14 alle saugseitig die Pumpeinheit 12 mit Flüssigkeit versorgenden Leitungen zu verstehen sind und unter dem Flüssigkeitsausgang 16 alle innerhalb der Flüssigkeitspumpe 10 verlaufenden Leitungen, die von der Pumpeinheit 12 wegführen. Es wird also die mittels der Flüssigkeitspumpe 10 geförderte Flüssigkeit gleichzeitig als Kühlmittel verwendet.
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Ferner verläuft der Kühlmittelströmungspfad 32 durch den Rotorraum 26, der durch das Innere des Rotortopfes 30 gebildet ist.
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Das bedeutet, dass der Rotor 24 in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel steht, nicht jedoch der Stator 22. Mit anderen Worten ist der Rotor 24 in einem „nassen“ Bereich der Flüssigkeitspumpe 10 angeordnet und der Stator 22 in einem „trockenen“ Bereich.
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Auch verläuft der Kühlmittelströmungspfad 32 abschnittsweise innerhalb von Kühlmittelkanälen 30b, 30c, die im Wandabschnitt 30a des Rotortopfes 30 ausgebildet sind.
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Mit anderen Worten verläuft der Kühlmittelströmungspfad 32 zumindest abschnittsweise zwischen dem Rotor 24 und dem Stator 22, also innerhalb eines zwischen dem Rotor 24 und dem Stator 22 ausgebildeten Spalts.
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Um den Rotor 24 wirkungsvoll zu kühlen, sind dabei die Kühlmittelkanäle 30b, 30c an ihren radialen Innenseiten in Richtung des Rotorraums 26 offen. Der Rotor 24 wird also unter anderem an seinem Umfang mit Kühlmittel benetzt.
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Dabei sind die Kühlmittelkanäle 30b, 30c im Wesentlichen über die gesamte axiale Erstreckung des Rotortopfes 30 an den radialen Innenseiten offen.
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Das Kühlmittel strömt also über den Kühlmittelkanal 30b in den Rotorraum 26 und verlässt diesen über den Kühlmittelkanal 30c.
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Im Bereich des Bodens des Rotortopfes 30, der ja durch das Wärmeleitelement 28 gebildet ist, wird der Kühlmittelströmungspfad 32 zudem durch das Wärmeleitelement 28 begrenzt. An dieser Stelle findet also ein Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeleitelement 28 und dem Kühlmittel statt.
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In einer alternativen Ausführungsform verläuft ein Kühlmittelströmungspfad 34 nicht zwischen dem Rotor 24 und im Stator 22, sondern bezüglich einer Rotationsachse 36 der elektrischen Antriebseinheit 18 radial außerhalb des Stators 22. Diese Alternative ist ebenfalls mittels Pfeilen symbolisiert.
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Auch wenn vorstehend lediglich ein einziger Kühlmittelströmungspfad 34 erläutert wurde, versteht es sich, dass die Flüssigkeitspumpe 10 auch mit mehreren Kühlmittelströmungspfaden 34 ausgestattet sein kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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