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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein Bauteil einer elektrischen Maschine mit einem Hohlleiter, der Teil einer Wicklung der elektrischen Maschine ist und der dazu ausgebildet ist, von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt zu werden. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil für eine elektrische Maschine mit einem solchen Kühlsystem.
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Bei bekannten Bauteilen für elektrische Maschinen, insbesondere bei solchen mit hohen Leistungsdichten, müssen Maßnahmen getroffen werden, um die in den Wicklungen der Maschinenbauteile freigesetzte Verlustwärme effektiv abzuführen und so eine Überhitzung der Wicklung zu vermeiden. Bei einem solchen Bauteil kann es sich beispielsweise um einen Stator oder um einen Rotor der elektrischen Maschine handeln. Ein großer Teil der Verlustwärme in solchen Bauteilen wird als Joulesche Wärme durch den Stromfluss in den Leitersegmenten der jeweiligen Wicklung erzeugt. Um diese Stromwärmeverluste der Rotorwicklungen oder Statorwicklungen abzuführen, werden die Wicklungen nach dem Stand der Technik zumeist indirekt an ein Kühlungssystem gekoppelt. Mit anderen Worten erfolgt die Kühlung der Wicklung dadurch, dass die Wicklung durch andere Elemente des Bauteils, insbesondere ein Joch und/oder eine Leiterisolierung und/oder eine Gehäusewand der Maschine indirekt an ein Kühlmittel angekoppelt ist. Bei dem Kühlmittel kann es sich beispielsweise um Kühlwasser oder um ein Kühlöl handeln.
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Im Unterschied zu den beschriebenen Maschinen mit indirekter Wicklungskühlung ist es nach dem Stand der Technik auch bekannt, Leitersegmente der Wicklung in direktem Kontakt zu einem Kühlmittel anzuordnen, um sie also direkt entwärmen zu können. Hierzu kann beispielsweise der für die Wicklung verwendete Leiter zumindest abschnittsweise als Hohlleiter ausgeführt sein, um Kühlmittel in seinem Inneren führen zu können, wodurch der Leiter ohne zusätzliche thermische Kopplungselemente in direkten Kontakt mit dem Kühlmittel treten kann. Bei einer solchen Lösung wird die Verlustwärme der Wicklung unmittelbar dort abgeführt, wo sie entsteht. Technisch aufwendig ist hierbei jedoch die elektrische und fluidische Ankopplung dieser Hohlleiterspulen, da die einzelnen Wicklungssegmente zum einen durch elektrische Kontakte an einen äußeren Stromkreis angeschlossen werden müssen und da zum anderen die einzelnen Windungen meist getrennt voneinander an Zuflüsse und Abflüsse eines äußeren Kühlmittelkreislaufs angeschlossen werden müssen. Dies muss insbesondere so erfolgen, dass elektrische Kurzschlüsse durch das Kühlmittel zwischen den auf unterschiedlichem elektrischem Potenzial befindlichen Windungen vermieden werden. Hierzu ist es meist erforderlich, die einzelnen Windungen getrennt mit separaten Zuleitungen und Ableitungen für das Kühlmittel zu verbinden. Dadurch entsteht ein hoher apparativer Aufwand für das Anschließen der einzelnen Leitungen. Beispielsweise kann jeder einzelne Hohlleiter über zwei separate elektrisch isolierende Schlauchverbinder mit einer Kühlmittelzuflussleitung und einer Kühlmittelabflussleitung verbunden werden. Diese Vielzahl von Schlauchverbindern beansprucht viel Bauraum und verursacht hohe Kosten in der Herstellung. Außerdem sind solche Schlauchverbinder relativ wartungsintensiv.
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In der
DE 102017204472 A1 wird das alternative Konzept einer in einem axialen Endbereich angeordneten fluidisch gekapselten Kühlmittelkammer beschrieben, in welche die offenen Enden der Hohlleiterstäbe hineinragen. Hierdurch wird erreicht, dass aus der Kühlmittelkammer das Kühlmittel gleichzeitig in mehrere solche Hohlleiterstäbe hineingeleitet werden kann. Die fluiddichte Kapselung einer solchen gemeinsamen Kühlmittelkammer hat sich jedoch als apparativ relativ aufwendig erwiesen. Außerdem kann die zuverlässige elektrische Isolation der einzelnen aus der gemeinsamen Kühlmittelkammer gespeisten Hohlleiter problematisch sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Kühlsystem anzugeben, welches die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Kühlsystem zur Verfügung gestellt werden, welches auf einer Hohlleiterkühlung basiert, wobei die fluiddichte Kapselung im Bereich des Anschlusses der Kühlmittelleitung an den Hohlleiter im Vergleich zum Stand der Technik vereinfacht ist. Dabei soll trotzdem eine möglichst zuverlässige fluiddichte Kapselung des Kühlmittelanschlusses gewährleistet sein. Weiterhin soll dabei insbesondere ein vergleichsweise kompakter Aufbau für den Kühlmittelanschluss realisiert werden. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Bauteil für eine elektrische Maschine mit einem solchen Kühlsystem anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 beschriebene Kühlsystem und das in Anspruch 10 beschriebene Bauteil gelöst. Das erfindungsgemäße Kühlsystem ist ein Kühlsystem für ein Bauteil einer elektrischen Maschine, wobei die Maschine (und entsprechend auch das Bauteil) eine zentrale Maschinenachse A aufweist. Das Kühlsystem umfasst wenigstens einen Hohlleiter, der Teil einer Wicklung der elektrischen Maschine ist und der dazu ausgebildet ist, von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt zu werden. Dabei weist der Hohlleiter in wenigstens einem ersten axialen Endbereich eine Öffnung zum Einleiten und/oder Ausleiten von Kühlmittel auf. Weiterhin umfasst das Kühlsystem ein Anschlusselement, welches eine innenliegende Kühlmittelkammer aufweist, die durch eine Begrenzungswand des Anschlusselements definiert ist. Das Anschlusselement (und insbesondere dessen Begrenzungswand) weist eine erste Öffnung auf, welche den wenigstens einen Hohlleiter in seinem ersten axialen Endbereich umschließt. Weiterhin weist das Anschlusselement (und insbesondere dessen Begrenzungswand) eine zweite Öffnung auf, welche zum Einleiten und/oder Ausleiten von Kühlmittel in die innenliegende Kühlmittelkammer ausgebildet ist. Dabei ist das Anschlusselement (und insbesondere dessen Begrenzungswand) derart mit einer Vergussmasse umgossen, dass der Übergangsbereich, der sich vom Hohlleiter über die innere Dichtung zur Begrenzungswand erstreckt, zur äußeren Umgebung hin vollständig von der Vergussmasse abgedeckt ist.
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Das Bauteil der elektrischen Maschine kann insbesondere ein Rotor oder ein Stator für eine solche elektrische Maschine sein. Alternativ kann es sich aber auch beispielsweise um eine Transformatorwicklung handeln, wobei also auch ein Transformator als eine elektrische Maschine im weiteren Sinne verstanden wird. Wesentlich ist, dass das Bauteil eine Wicklung aufweist, welche mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem nach dem Prinzip der Hohlleiterkühlung gekühlt werden kann. Dabei wird die fluidische Ankopplung des innenliegenden Teils des Hohlleiters an einen Kühlmittelzufluss und/oder einen Kühlmittelabfluss über das beschriebene Anschlusselement vermittelt. Dieses Anschlusselement wirkt also als eine Art Adapter zwischen dem Hohlleiter und einer Kühlmittelzuflussleitung beziehungsweise einer Kühlmittelabflussleitung. Dabei umfasst das beschriebene Anschlusselement vor allem die innenliegende Kühlmittelkammer, die Begrenzungswand und die beschriebenen Öffnungen. Insbesondere soll die Vergussmasse nicht als Teil des Anschlusselements angesehen werden, sondern es umhüllt dieses.
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Die erste Öffnung des Anschlusselements dient dazu, die fluidische Kopplung zwischen dem innenliegenden Teil des Hohlleiters und der Kühlmittelkammer des Anschlusselements zu vermitteln. Hierzu kann ein axialer Endbereich des Hohlleiters durch diese erste Öffnung in die Kühlmittelkammer des Anschlusselements hineinragen. Klarstellen soll erwähnt werden, dass der beschriebene „axiale Endbereich“ des Hohlleiters nicht notwendigerweise auch elektrisch gesehen ein Endstück dieses Leiters sein muss. Wesentlich ist nur, dass es sich um einen Bereich des Hohlleiters handelt, welcher sich geometrisch an einem axialen Ende der Wicklung befindet und in welchem sich zweckmäßig eine Öffnung zum Einleiten und/oder Ausleiten von Kühlmittel in den Hohlleiter bzw. aus dem Hohlleiter befindet. Bei einem solchen Endbereich kann es sich beispielsweise entweder tatsächlich um ein Endstück des Hohlleiters handeln oder aber es kann sich auch um eine Biegestelle eines haarnadelförmig gebogenen Leiters handeln. Dabei kann im Bereich dieser Biegestelle eine Öffnung vorgesehen sein, wie dies beispielsweise in der
DE 102017204472 A1 für die dortigen haarnadelförmigen Leiter beschrieben ist.
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Entsprechend dient die zweite Öffnung des Anschlusselements dazu, die fluidische Kopplung zwischen der Kühlmittelkammer des Anschlusselements und einer übergeordneten Kühlmittelzuflussleitung beziehungsweise einer Kühlmittelabflussleitung zu vermitteln.
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Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass der Übergang von dem Hohlleiter zu dem Anschlusselement zuverlässig fluidisch gegen die äußere Umgebung gekapselt ist. Diese zuverlässige Kapselung wird durch die Vergussmasse erreicht, welche zumindest den Übergangsbereich zwischen dem Hohlleiter und dem Anschlusselement vollständig umhüllt. Bei einer solchen Umhüllung mit einer Vergussmasse ist es relativ einfach, durch geeignete Materialpaarung eine dauerhafte fluiddichte Abdichtung zwischen der Vergussmasse und den übrigen Elementen - insbesondere zwischen der Vergussmasse und der Begrenzungswand - zu erreichen.
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Zusätzlich zu dieser äußeren Verkapselung mittels der Vergussmasse soll die Begrenzungswand über eine umlaufende innere Dichtung gegen den wenigstens einen Hohlleiter abgedichtet sein. Diese Dichtung soll „umlaufend“ sein in dem Sinne, dass sie den Hohlleiter ringförmig gegen die Begrenzungswand abdichtet, die den Hohlleiter im Bereich der ersten Öffnung umgibt. Die Bezeichnung „innere Dichtung“ bezieht sich darauf, dass diese zur äußeren Umgebung hin zusätzlich von der Vergussmasse abgedeckt ist. Die Funktion der inneren Dichtung besteht darin, den Innenraum des Anschlusselements während der Herstellung des Kühlsystems abzudichten (insbesondere während des Schritts des Vergießens mit der Vergussmasse). Hierzu muss mittels der inneren Dichtung nur eine temporäre fluiddichte Abdichtung des Übergangs zwischen Begrenzungswand und Hohlleiter erreicht werden. Nach der Fertigstellung des Kühlsystems wird ja der Übergang vom Hohlleiter zur Begrenzungswand des Anschlusselements im Wesentlichen durch die Vergussmasse abgedichtet, so dass es auf die Dichtigkeit der inneren Dichtung dann nicht mehr ankommt. Die Dichtigkeit im Bereich dieser inneren Dichtung muss also einerseits nur während des Vergießens mit der Vergussmasse gewährleistet sein. Andererseits muss die Dichtigkeit auch nur gegenüber der Vergussmasse gegeben sein und beispielsweise nicht gegenüber anderen, insbesondere niedrigviskosen Flüssigkeiten oder gar Gasen. Somit sind die Anforderungen an die Dichtigkeit und die Stabilität dieser inneren Dichtung relativ gering, was ihre Ausgestaltung im Vergleich zum Stand der Technik deutlich vereinfacht.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass mit dieser Ausgestaltung auf relativ einfache Weise eine besonders langzeitstabile fluiddichte Kapselung erreicht werden kann. Dies wird dadurch ermöglicht, dass es bei der Langzeitstabilität des beschriebenen Aufbaus vor allem auf die Stabilität der Grenzfläche zwischen dem Material der Begrenzungswand und der Vergussmasse ankommt. Diese beiden Materialien können relativ frei von sonstigen Randbedingungen gewählt werden, sodass insbesondere im Hinblick auf die Langzeitstabilität dieser Grenzfläche eine geeignete Materialpaarung ausgewählt werden kann. Insbesondere ist hierbei keine langzeitstabile Abdichtung gegenüber einem metallischen Leitermaterial nötig, was mit herkömmlichen Dichtmitteln und Vergussmassen wesentlich schwerer zu erreichen ist als eine Abdichtung gegenüber elektrisch nichtleitenden Materialien. Somit kann durch die vorliegende Erfindung auch eine besonders langzeitstabile und somit wartungsarme Abdichtung in dem Endbereich des Hohlleiters realisiert werden.
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Das erfindungsgemäße Bauteil ist als Bauteil für eine elektrische Maschine ausgelegt. Das Bauteil umfasst eine elektrische Wicklung und ein erfindungsgemäßes Kühlsystem. Der weiter oben beschriebene Hohlleiter ist dabei insbesondere sowohl Teil des Kühlsystems (da er die direkte Kühlung der Wicklung ermöglicht) als auch typischerweise Teil der elektrischen Wicklung (zumindest in den Fällen, in denen der Hohlleiter auch bestromt ist). Die Vorteile des erfindungsgemäßen Bauteils ergeben sich dabei analog zu den weiter oben beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Kühlsystems.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 10 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Kühlsystems und des Bauteils allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
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So kann gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform die Begrenzungswand aus einem Material gebildet sein, welches von dem Material des wenigstens einen Hohlleiters verschieden ist. Dies ermöglicht es besonders vorteilhaft, für die Vergussmasse ein Material zu wählen, welches besonders im Hinblick auf eine langzeitstabile Abdichtung gegen das Material der Begrenzungswand optimiert ist. Dagegen muss die Vergussmasse nicht auf eine Abbildung gegen das typischerweise metallische Material des Hohlleiters optimiert sein. Insbesondere kann die Begrenzungswand aus einem nichtmetallischen Material gebildet sein. Die Abdichtung mittels einer Vergussmasse gegenüber einem nichtmetallischen Material ist allgemein wesentlich einfacher zu realisieren. Allgemein kann der Hohlleiter insbesondere ein metallisches Material aufweisen, beispielsweise Kupfer und/oder eine kupferhaltige Legierung.
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Besonders vorteilhaft können das Material der Begrenzungswand und das Material des Hohlleiters unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Allgemein ist es günstig, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient der Vergussmasse an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Begrenzungswand angepasst ist. Dies ist insbesondere für ein nichtmetallisches Material der Begrenzungswand vergleichsweise einfach zu erreichen. Durch die Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Vergussmasse und Begrenzungswand kann besonders wirksam die Rissbildung im Bereich der entsprechenden Grenzfläche vermieden oder zumindest reduziert werden. Besonders vorteilhaft ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn die Langzeitstabilität und/oder die fluidische Dichtigkeit für die Grenzfläche Vergussmasse/Begrenzungswand größer ist als für die Grenzfläche Vergussmasse/Hohlleiter. Für die wirksame fluiddichte Kapselung kommt es im Rahmen der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nämlich vor allem auf die Dichtigkeit und die Stabilität der erstgenannten Grenzfläche an.
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Die Wicklung der elektrischen Maschine kann allgemein mehrere Hohlleiter umfassen. Diese Mehrzahl von Hohlleitern kann beispielsweise eine verteilte Wicklung ausbilden. Dazu können einzelne Hohlleiter in ihren axialen Endbereichen elektrisch miteinander verbunden sein. Dagegen sollten alle anderen Hohlleiter, welche nicht gezielt miteinander verbunden sind, zweckmäßig elektrisch gegeneinander isoliert sein.
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Für die elektrische Isolation des wenigstens Hohlleiters gegen die Umgebung ist es allgemein vorteilhaft, wenn das Material der Begrenzungswand ein elektrisch nichtleitendes Material ist. Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen denkbar, bei denen die Begrenzungswand aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist. Dies kann zum Beispiel dann der Fall sein, wenn der wenigstens eine Hohlleiter unbestromt ist. Beispielsweise können ein oder mehrere solcher unbestromter Hohlleiter in eine (ansonsten bestromte) Wicklung eingestreut sein, um eine effektive Kühlung der Wicklung zu ermöglichen.
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Gemäß einer allgemein bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlleiter derart vollständig mit der Vergussmasse umgossen, dass keine offenliegende Grenzfläche zwischen Hohlleiter und Vergussmasse vorliegt, welche in Kontakt mit der äußeren Umgebung treten kann. Diese Ausführungsform ist deswegen besonders vorteilhaft, weil eine langzeitstabile, dichte Grenzfläche zwischen einem metallischen Leiter und einer Vergussmasse wesentlich schwerer zu realisieren ist als zwischen einer Vergussmasse und einem frei wählbaren Material. Daher ist es besonders bevorzugt, wenn die nach außen offenen Grenzflächen der fluiddichten Verkapselung insbesondere nur Grenzflächen zwischen der Vergussmasse und der Begrenzungswand sind. Durch die Vermeidung einer offenliegenden Grenzfläche zwischen Hohlleiter und Vergussmasse wird vorteilhaft erreicht, dass auch bei einem Abriss des Kontakts zwischen Hohlleiter und Vergussmasse die fluiddichte Kapselung der innenliegenden Kühlmittelkammer erhalten bleibt. Mit anderen Worten sollte eine Grenzfläche zwischen Hohlleiter und Vergussmasse vorteilhaft nur dann existieren, wenn sie sich nirgends zur äußeren Umgebung hin fortsetzt. Sie sollte also in sich geschlossen sein und sollte höchstens in eine Grenzfläche zwischen Vergussmasse und Begrenzungswand übergehen.
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Besonders vorteilhaft ist es im Rahmen dieser Ausführungsform, wenn überhaupt keine nach außen offenen Oberflächen des Hohlleiters vorliegen. Der Hohlleiter ist dann also zur äußeren Umgebung hin vollständig mit der Vergussmasse umgossen. Insbesondere kann der Hohlleiter dann in seinem gesamten axial innenliegenden Bereich von der Vergussmasse umschlossen sein, sodass höchstens seine axialen Endbereiche mit entsprechenden Anschlusselementen verbunden sind und somit ebenfalls gekapselt sind. Dabei sind diese Verbindungen wiederum durch die Vergussmasse abgedichtet, wie weiter oben beschrieben. Ein nach außen hin offen liegender Bereich des Hohlleiters wird insgesamt vorteilhaft vermieden.
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Allgemein vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Anschlusselement derart vollständig mit der Vergussmasse umgossen ist, dass die Begrenzungswand nur im Bereich der zweiten Öffnung in Kontakt mit der äußeren Umgebung treten kann. Diese Ausführungsform führt zu einer besonders hohen Fluiddichtigkeit im Bereich des Anschlusselements, da die Grenzfläche zwischen Begrenzungswand und Vergussmittel, über welche sich ein potentielles Leck zwischen der ersten Öffnung und der äußeren Umgebung erstrecken könnte, hier besonders lang ist. Die Begrenzungswand ist bei dieser Ausführungsform also überall außer im Bereich der zweiten Öffnung mittels der Vergussmasse zusätzlich gegen die äußere Umgebung gekapselt.
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Für die Ausgestaltung der inneren Dichtung sind verschiedene Varianten denkbar. So kann die innere Dichtung beispielsweise durch ein separates Dichtelement realisiert sein, welches zwischen dem Hohlleiter und der Begrenzungswand des Anschlusselements angeordnet ist. Beispielsweise kann ein solches separates Dichtelement durch einen O-Ring realisiert sein. Es kann sich alternativ auch um einen massiven Dichtring handeln. Alternativ kann es sich auch um eine ringförmige Klebedichtung handeln, wobei dann der Kleber das separate Dichtelement bildet. Allgemein vorteilhaft kann das Material eines solchen zusätzlichen Dichtelement ein elastischer Kunststoff, insbesondere ein Elastomer sein oder ein solches Material umfassen. Beispielsweise kann das Dichtelement aus Gummi sein.
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Die innere Dichtung kann jedoch allgemein auch ohne ein zusätzliches Dichtelement realisiert sein. So kann beispielsweise der Hohlleiter über eine Pressdichtung temporär gegen das Material der Begrenzungswand abgedichtet sein.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante für die innere Dichtung ist der Hohlleiter direkt mit der inneren Dichtung in Kontakt. Bei dieser Ausführungsvariante ist also kein zusätzliches Element zwischen dem Hohlleiter und der inneren Dichtung vorgesehen. Sofern ein separates Dichtelement vorliegt, ist der Hohlleiter mit diesem Dichtelement in direktem Kontakt. Auf diese Weise kann eine besonders einfache temporäre Abdichtung mittels der inneren Dichtung erreicht werden. Diese Ausführungsvariante ist vor allem dann besonders vorteilhaft, wenn nur ein einzelner Hohlleiter über die erste Öffnung mit dem Anschlusselement verbunden wird.
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Gemäß einer alternativen zweiten Ausführungsvariante für die innere Dichtung steht der Hohlleiter zumindest in einem Teilbereich derart indirekt mit der inneren Dichtung in Kontakt, dass ein zusätzliches Verbindungselement den Kontakt zwischen dem Hohlleiter und der inneren Dichtung vermittelt. Diese Ausführungsvariante ist vor allem dann besonders vorteilhaft, wenn mehrere Hohlleiter über eine gemeinsame erste Öffnung mit dem Anschlusselement gekoppelt werden. Es können also mehrere Hohlleiter durch dieselbe erste Öffnung in das Anschlusselement hineinragen und dort zusammen fluidisch mit der Kühlmittelkammer verbunden sein.
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In diesem Fall kann das beschriebene Verbindungselement gleichzeitig die Funktion eines elektrischen Verbindungselements erfüllen, welches eine elektrische Verbindung zwischen zwei oder mehr Hohlleitern vermittelt. Insbesondere können auf diese Weise zwei Hohlleiter elektrisch miteinander verbunden sein, welche Hin- und Rückleiter einer gemeinsamen Windung der Wicklung ausbilden.
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Bei dieser zweiten Ausführungsvariante kann das beschriebene Verbindungselement auch nur in einem Teilbereich der Verbindungsstelle zwischen Hohlleiter und innerer Dichtung vorliegen. Hierbei können insbesondere nebeneinander ein direkter Kontakt und ein indirekter Kontakt zwischen dem Hohlleiter und der inneren Dichtung vorliegen. Optional kann aber auch das Verbindungselement den Hohlleiter derart umschließen, dass der Kontakt zwischen Hohlleiter und innerer Dichtung nur über dieses Verbindungselement vermittelt wird. Dies ist insbesondere bei einem ringförmig umhüllenden Verbindungselement der Fall.
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Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform des Kühlsystems kann das Anschlusselement mehrere erste Öffnungen aufweisen, welche jeweils einen oder mehrere Hohlleiter in ihren axialen Endbereichen umschließen. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass so auf besonders einfache Weise eine Mehrzahl von Hohlleitern fluidisch mit einer Kühlmittelzuflussleitung beziehungsweise eine Kühlmittel Abflussleitung gekoppelt werden können. Insbesondere können mehrere Hohlleiter einer verteilten Wicklung fluidisch kontaktiert werden, wobei trotzdem ein vergleichsweise einfacher und robuster Aufbau zum Einsatz kommen kann. In jede der ersten Öffnungen können also ein oder mehrere Hohlleiter der Wicklung hineinragen. Die einzelnen ersten Öffnungen des übergeordneten Anschlusselements können besonders vorteilhaft über unterschiedliche Umfangspositionen des Bauteils verteilt sein. So können insbesondere die Hohlleiter von mehreren über den Umfang verteilten Nuten des Bauteils über dasselbe Anschlusselement mit einer Kühlmittelzuflussleitung beziehungsweise Kühlmittel Abflussleitung gekoppelt sein. Besonders vorteilhaft ist für diese Ankopplung von mehreren Hohlleitern mit nur einem Anschlusselement insbesondere auch nur eine einzige zweite Öffnung nötig. Diese einzige zweite Öffnung kann also zur Einspeisung von Kühlmittel in eine Mehrzahl von Hohlleitern beziehungsweise zur Ausleitung von Kühlmittel aus einer Mehrzahl von Hohlleitern dienen.
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Besonders vorteilhaft ist es bei dieser Ausführungsform, wenn das Anschlusselement ringförmig ausgestaltet ist oder die Form eines Ringsegments aufweist. Dabei kann die innenliegende Kühlmittelkammer des Anschlusselements einen ringförmigen bzw. ringsegment-förmigen innenliegenden Kühlmittelkanal ausbilden. Dieser Kühlmittelkanal kann eine Mehrzahl von ersten Öffnungen aufweisen, welche über eine Mehrzahl von Umfangspositionen der Maschine verteilt sind.
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Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform kann das Material der Begrenzungswand ein Kunststoff sein. Besonders vorteilhaft kann es sich dabei um ein organisches polymeres Material handeln, insbesondere um einen Thermoplasten. Ein solcher Thermoplast kann beispielsweise ein gefüllter Thermoplast sein. Dabei ist Glasfasermaterial als Füllmaterial besonders bevorzugt, beispielsweise um gewünschte thermische Eigenschaften einstellen zu können. Allgemein ermöglicht die Wahl eines Kunststoffmaterials vorteilhaft eine besonders einfache Herstellung von komplexen Formen der Begrenzungswand. Besonders vorteilhaft kann dabei eine Formgebung über Spritzgießen oder über ein additives Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen.
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Das Material der Vergussmasse kann allgemein vorteilhaft ein Polymer sein beziehungsweise ein solches Material umfassen. Besonders vorteilhaft sind hier temperaturfeste Gießharze, wie beispielsweise Epoxidharze oder Polyurethane. Bevorzugt kann ein solches Gießharz im gehärteten Zustand temperaturfest entsprechend der thermischen Klasse F sein, was einer höchstzulässigen Dauertemperatur von 155 °C entspricht. Besonders bevorzugt kann ein solches Gießharz sogar temperaturfest entsprechend der thermischen Klasse H sein, was einer höchstzulässigen Dauertemperatur von 180 °C entspricht.
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Gemäß einer weiteren allgemein vorteilhaften Ausführungsform des Kühlsystems kann dieses ein geschlossenes Kühlsystem mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf sein. Die Vorteile der Erfindung im Hinblick auf eine dauerhafte fluiddichte Kapselung kommen bei einem solchen geschlossenen Kühlsystem besonders wirksam zum Tragen. Allerdings sollen auch Ausführungsformen mit offenen Kühlmittelsystemen grundsätzlich von der Erfindung umfasst sein.
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Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform des Bauteils kann dieses als Stator der elektrischen Maschine ausgebildet sein. Bei einem solchen feststehenden Bauteil ist die Ankopplung des beschriebenen Anschlusselements an eine übergeordnete Kühlmittelzuflussleitung beziehungsweise Kühlmittelabflussleitung besonders einfach zu realisieren. Bei der zu kühlenden Wicklung handelt es sich dann also um eine Statorwicklung.
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Alternativ kann es sich bei dem Bauteil aber auch beispielsweise um einen Rotor einer elektrischen Maschine handeln. Bei der zu kühlenden Wicklung handelt es sich dann also um eine Rotorwicklung. Auch für die Kühlung solcher Rotorwicklungen sind aus dem Stand der Technik Methoden bekannt, um das verwendete Kühlmittel insbesondere in einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf im rotierenden System zu zirkulieren oder auch zwischen dem rotierenden System und dem feststehenden System zu übertragen.
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Alternativ kann es sich bei dem Bauteil aber auch um ein anderweitiges Bauteil einer elektrischen Maschine handeln, beispielsweise um eine Transformatorwicklung eines Transformators. Auch hier kommen die Vorteile der Erfindung im Zusammenhang mit der Kühlung der Wicklung zum Tragen.
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Gemäß einer weiteren allgemein vorteilhaften Ausführungsform des Bauteils kann die Wicklung sowohl einen oder mehrere Hohlleiter als auch einen oder mehrere Massivleiter umfassen. Mit anderen Worten kann die Wicklung aus unterschiedlichen Leitern zusammengesetzt sein. Somit kann die Zahl der Hohlleiter geringer sein als die Zahl der insgesamt für die Wicklung benötigten Leiter. Hierdurch wird die Zahl der benötigten Zuflussstellen beziehungsweise Abflussstellen für das Kühlmittel reduziert. Insgesamt kann so der apparative Aufwand für die fluidische Ankopplung der einzelnen Hohlleiter im Vergleich zu einer Wicklung, die ausschließlich aus Hohlleitern zusammengesetzt ist, noch weiter reduziert werden. Abhängig von dem Anteil der eingesetzten Hohlleiter kann trotzdem noch eine effektive Direktkühlung der Wicklung realisiert werden.
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Alternativ ist es jedoch grundsätzlich allgemein auch möglich und unter Umständen vorteilhaft, dass die Wicklung ausschließlich aus Hohlleitern zusammengesetzt ist. In diesem Fall entspricht die maximale Anzahl der Hohlleiter dem Doppelten der Windungszahl, was eine entsprechend hohe Anzahl von fluidischen Verbindungsstellen zur Folge hat. Diese maximale Anzahl liegt insbesondere dann vor, wenn der Hinleiter und der Rückleiter jeder Windung jeweils durch einfache hohle Leiterstäbe gebildet sein. Bei der Verwendung von haarnadelförmig umgebogenen Hohlleitern entspricht die maximale Anzahl der Hohlleiter dagegen genau der Windungszahl.
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Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform kann das Bauteil wenigstens ein erstes Anschlusselement aufweisen, welches als Zuflusskammer für das Kühlmittel ausgestaltet ist. Zusätzlich kann das Bauteil wenigstens ein zweites Anschlusselement aufweisen, welches als Abflusskammer für das Kühlmittel ausgestaltet ist. Das erste Anschlusselement dient also insbesondere dazu, den wenigstens einen Hohlleiter fluidisch mit einer übergeordneten Kühlmittelzuflussleitung zu verbinden. Das zweite Anschlusselement dient entsprechend dazu, den wenigstens einen Hohlleiter fluidisch mit einer übergeordneten Kühlmittelabflussleitung zu verbinden. Durch die Verwendung von zwei solchen erfindungsgemäß ausgestalteten Anschlusselementen kann somit auf relativ einfache Weise eine Ankopplung des wenigstens einen Hohlleiters an einen übergeordneten Kühlmittelkreislauf realisiert werden.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Variante dieser Ausführungsform können die wenigstens eine Zuflusskammer und die wenigstens eine Abflusskammer auf derselben axialen Seite des Bauteils angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform entspricht die kürzeste Länge eines Hohlleiters genau der Länge einer Windung. Besonders vorteilhaft kann dann der Hohlleiter haarnadelförmig ausgestaltet sein. Ein Vorteil dieser ersten Variante liegt beispielsweise darin, dass eine axiale Seite des Bauteils frei von Kühlmittelanschlüssen bleiben kann. Somit kann vorteilhaft ein besonders kompakter Aufbau des Bauteils realisiert werden. Diese Variante ist besonders für elektrische Maschinen mit einer geringen axialen Länge vorteilhaft, weil dann nur geringe Probleme mit hydraulischen Druckverlusten innerhalb des Hohlleiters auftreten.
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Gemäß einer alternativen, zweiten vorteilhaften Variante können die wenigstens eine Zuflusskammer und die wenigstens eine Abflusskammer auf gegenüberliegenden axialen Seiten des Bauteils angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsvariante entspricht die kürzestmögliche Länge eines Hohlleiters sogar nur einer halben Windung. Dadurch können also noch geringere Hohlleiterlängen und somit geringere hydraulische Druckverluste realisiert werden. Bei dieser Ausführungsform kommen also vorteilhaft einfache Hohlleiterstäbe für jeden Hinleiter bzw. Rückleiter der Wicklung zum Einsatz. Diese zweite Ausführungsvariante ist vor allem für Maschinen mit etwas größerer axialer Länge zu bevorzugen, bei denen hydraulische Druckverluste eine größere Rolle spielen.
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Gemäß einer weiteren allgemein vorteilhaften Ausführungsform des Bauteils kann dieses aus einer Anzahl s von Segmenten zusammengesetzt sein. Dabei kann das Bauteil eine Mehrzahl n von Anschlusselementen aufweisen, wobei n entweder gleich 2.s oder ein ganzzahliges Vielfaches von 2.s ist. Somit liegt für jedes Segment des Bauteils insbesondere zumindest eine Zuflusskammer und eine Abflusskammer vor. Allgemein vorteilhaft kann es sich bei der Anzahl s um eine Mehrzahl von Segmenten handeln, so dass ein echtes segmentiertes Bauteil vorliegt. Beispielsweise kann es sich um einen in Umfangsrichtung segmentierten Stator oder Rotor einer elektrischen Maschine handeln. Alternativ kann die Anzahl s aber auch 1 sein, so dass es sich insbesondere um einen einstückigen „Komplettstator“ oder „Komplettrotor“ einer elektrischen Maschine handeln kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung für einen Teil eines Kühlsystems nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,
- 2 einen etwas größeren Ausschnitts eines ähnlichen Kühlsystems nach einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt,
- 3 einen Ausschnitt eines Kühlsystems nach einem dritten Beispiel der Erfindung zeigt und
- die 4 und 5 zwei axiale Längsschnitte von Teilbereichen von elektrischen zeigen.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine schematische Schnittdarstellung für einen Teilbereich eines Kühlsystems 1 einer elektrischen Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dabei umfasst die Schnittebene zum einen die axiale Richtung a (welche parallel zur Maschinenachse verläuft) und eine zweite Richtung r. Diese zweite Richtung r kann dabei prinzipiell entweder eine radiale Richtung der Maschine oder auch eine Umfangsrichtung der Maschine sein. Beide geometrischen Varianten bezüglich der Anordnung der hier gezeigten Elemente sind also möglich. Die Schnittebene der 3 liegt in jedem Fall in einem gewissen radialen Abstand von der Maschinenachse.
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Das Kühlsystem 1 dient hier als Kühlsystem für einen Stator einer elektrischen Maschine. Dieser Stator umfasst eine Statorwicklung, von der hier stellvertretend nur zwei einzelne Leiterabschnitte gezeigt sind, nämlich Teile von zwei stabförmigen Hohlleitern 3. Gezeigt ist hier nur ein kleiner Teilbereich dieser Hohlleiter, nämlich ein erster axialer Endbereich 3a. Diese beiden Hohlleiters sind in dem axialen Endbereich 3a parallel zueinander geführt. Beide weisen einen innenliegenden Hohlraum auf mit einer Öffnung 4 zum Einleiten und/oder Ausleiten von Kühlmittel. Die in dem Ausschnitt der 1 dargestellten Öffnungen 4 werden beide zum Einspeisen von Kühlmittel in die Hohlleiter verwendet. An den gegenüberliegenden Enden dieser Hohlleiter liegen jedoch entsprechende, hier nicht dargestellte Öffnungen zum Ausleiten von Kühlmittel vor. Um die beiden Hohlleiter 3 fluidisch an eine Kühlmittelversorgung des Kühlsystems 1 anzuschließen, sind die beiden dargestellten axialen Endbereiche 3a an ein Anschlusselement 5 angekoppelt. Dieses Anschlusselement 5 weist eine innenliegende Kühlmittelkammer 6 auf, von der aus ein flüssiges Kühlmittel in die beiden Hohlleiter 3 eingespeist werden kann. Dies geschieht über eine erste Öffnung 5a des Anschlusselements, welche die beiden Hohlleiter in den axialen Endbereichen gemeinsam umschließt. Die Einspeisung von Kühlmittel in die innenliegende Kühlmittelkammer 6 geschieht wiederum durch eine zweite Öffnung 5b des Anschlusselements 5, welche mit einer hier nicht gezeigten übergeordneten Kühlmittelzuflussleitung verbunden werden kann. Die Flussrichtung des Kühlmittels ist hier durch den Pfeil 12 verdeutlich.
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Die innenliegende Kühlmittelkammer 6 des Anschlusselements 5 wird durch eine Begrenzungswand 7 definiert. Diese Begrenzungswand ist beispielsweise aus einem elektrisch nichtleitenden Material und insbesondere aus Kunststoff gebildet. Hierdurch werden ungewollte elektrische Kurzschlüsse im Bereich dieser Wand vermieden. Die fluiddichte Abdichtung der innenliegenden Kühlmittelkammer 6 gegen die äußere Umgebung 10 wird bei der Herstellung des Stators in zwei aufeinanderfolgenden Stufen erreicht. Zunächst wird zwischen den beiden in die Öffnung 5a hineinragenden Hohlleitern 3 und der umgebenden Begrenzungswand 7 eine temporäre Abdichtung geschaffen. Dabei sind zunächst die beiden Hohlleiters 3 über ein zusätzliches Verbindungselement 11 elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Ein solches Verbindungselement kann beispielsweise ein metallisches Kontaktelement sein, welches die beiden Hohlleiters 3 nach Art einer Klammer ringförmig umgibt. Dieses Verbindungselement 11 ist wiederum über eine innere Dichtung 8 mit der Begrenzungswand 7 verbunden. Bei dieser inneren Dichtung kann es sich beispielsweise um eine O-Ring-Dichtung handeln. Wesentlich ist, dass diese innere Dichtung 8 die beiden Hohlleiters 3 zumindest temporär fluiddicht gegen die Begrenzungswand abdichtet. Dabei wird in diesem Beispiel die Abdichtung zwischen dem Hohlleiters und der inneren Dichtung zusätzlich über das Verbindungselement 11 vermittelt. Diese temporäre Abdichtung wird nun in einem zweiten Schritt so mit einer Vergussmasse 9 umgossen, dass der beschriebene Verbindungsbereich zur äußeren Umgebung 10 hin vollständig umhüllt ist.
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Beim Beispiel der 1 ist das Anschlusselement so vollständig mit der Vergussmasse 9 umgossen, dass die Begrenzungswand 7 nur im Bereich der zweiten Öffnung 5b zur äußeren Umgebung 10 hin offenliegt. Die Begrenzungswand 7 setzt sich zwar nach rechts und links über den dargestellten Bereich hinaus fort. Allerdings kann sie auch in den hier nicht dargestellten außenliegenden Bereichen entweder nach außen hin von der Vergussmasse umhüllt sein oder (falls die zweite Richtung r eine Umfangsrichtung ist) in sich ringförmig geschlossen sein.
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In
2 ist ein etwas größerer Ausschnitt eines ähnlichen Kühlsystems
1 nach einem zweiten Beispiel der Erfindung gezeigt. Auch hier entspricht a der axialen Richtung der Maschine und die zweite Richtung
r soll für dieses Beispiel der Umfangsrichtung der Maschine entsprechen. Der hier gewählte Ausschnitt zeigt einen Teilbereich einer verteilten Wicklung
13, welche wiederum Teil einer Statorwicklung der Maschine ist. Diese verteilte Wicklung ist aus mehrfach gebogenen und insgesamt haarnadelförmigen Hohlleitersegmenten
3 gebildet, welche beispielsweise ähnlich wie in der
DE 102017204472 A1 beschrieben ausgestaltet sein können. Die Abmessungen der einzelnen Teilabschnitte sind jedoch nicht maßstabsgetreu gezeigt und sind nur äußerst schematisch zu verstehen. Insbesondere kann der axial innenliegende Bereich
3c dieser Leitersegmente wesentlich länger ausgebildet sein als die übrigen Teilstücke. Außerdem können diese axial innenliegenden Teilstücke im axialen Bereich
3c in die Nuten eines hier nicht dargestellten Statorblechpakets eingebettet sein. Das Anschlusselement
5 ist hier insgesamt ähnlich ausgestaltet wie beim Beispiel der
1. Wesentlich für das Beispiel der
2 ist, dass die haarnadelförmigen Hohlleitersegmente abgesehen von ihren ersten axialen Endbereichen
3a auf ihrer ganzen axialen Länge in die Vergussmasse
9 eingebettet sind. In dem innenliegenden Bereich
3c, in dem die Hohlleiter in den Nuten des Statorblechpakets verlaufen, kann insbesondere auch dieses Statorblechpaket zusammen mit den Hohlleitern in die Vergussmasse
9 eingebettet sein. Wesentlich ist im Zusammenhang mit diesem Beispiel, dass die beiden Hohlleiter auf ihrer gesamten Länge vollständig gegenüber der äußeren Umgebung
10 gekapselt sind. Innerhalb der gezeigten Querschnittsfläche weist daher die Vergussmasse
9 nur in den beiden gegenüberliegenden axialen Endbereichen nach außen hin offenliegende Oberflächen
9a auf.
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Wie bereits im Zusammenhang mit dem Beispiel der 1 beschrieben, kann sich der innenliegende Kühlmittelkanal 6 in Umfangsrichtung r in beiden Richtungen nach Art eines ringförmigen oder ringsegmentförmigen Kühlmittelkanals 6a fortsetzen. Bei der gezeigten haarnadelförmigen Ausgestaltung der Hohlleiters sind die hier nicht dargestellten gegenüberliegenden Endstücke auch im ersten axialen Teilbereich 3a des Stators angeordnet. Diese gegenüberliegenden Endstücke entsprechen dann der Kühlmittelaustrittsseite der einzelnen Hohlleitern. Sie können in analoger Weise fluidisch mit einem entsprechenden, ähnlich ausgebildeten zweiten Anschlusselement 5 gekoppelt sein. Ähnliches gilt für die Austrittsseite der Hohlleiter 3 der 1. Ein solches zweites Anschlusselement kann insbesondere in einer anderen radialen Ebene angeordnet sein als das hier gezeigte erste Anschlusselement, welches zur Einspeisung von Kühlmittel vorgesehen ist. Auf diese Weise kann im selben axialen Endbereich eine Einspeisung von Kühlmittel mit einer Zuflusskammer und eine Ausleitung von Kühlmittel mit einer entsprechenden Abflusskammer realisiert sein. Hierzu können die jeweiligen zweiten Öffnungen 5b der einzelnen Anschlusselemente 5 mit einer entsprechenden übergeordneten Kühlmittelzuflussleitung beziehungsweise Kühlmittelabflussleitung verbunden sein.
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In 3 ist ein Teilbereich eines Kühlsystems 1 nach einem dritten Beispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist wiederum eine Schnittebene, welche eine axiale Richtung a parallel zur Maschinenachse und als zweite Richtung r die Umfangsrichtung umfasst. Auch hier weist das Kühlsystem ein Anschlusselement 5 auf, welches zur fluidischen Ankopplung mehrerer Hohlleiter an einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf vorgesehen ist. Bei diesem Beispiel soll das gezeigte Anschlusselement 5 allerdings beispielhaft einer Abflusskammer für das Kühlmittel entsprechen, wie durch die Flussrichtung 12 angedeutet ist. Eine analoge Zuflusskammer kann aber grundsätzlich auf gleiche Weise aufgebaut sein. Der Ausschnitt der 3 ist so gewählt, dass zwei von dem ringförmigen Kühlmittelkanal 6a abzweigende erste Öffnungen 5a sichtbar sind. Diese stehen stellvertretend für eine deutlich größere Anzahl von solchen ersten Öffnungen, welche über die Umfangsrichtung des Bauteils verteilt angeordnet sein können. In jede dieser ersten Öffnungen ragt im gezeigten Beispiel nur ein einziger Hohlleiter 3 hinein. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, dass wiederum mehrere Hohlleiters über eine gemeinsame erste Öffnung mit der innenliegenden Kühlmittelkammer 6 gekoppelt sind. Die einzelnen gezeigten Hohlleiters 3 sind hier jeweils direkt (also nicht über ein zusätzliches Verbindungselement) über die innere Dichtung 8 gegen die umgebende Begrenzungswand 7 temporär abgedichtet. Auch hier dient die innenliegende Dichtung nur dazu, um eine temporäre Abdichtung bezüglich der im zweiten Schritt aufgebrachten Vergussmasse 9 zu bewirken. Beim Beispiel der 3 ist die innere Dichtung 8 beispielsweise als massiver Dichtring ausgebildet und bildet jedenfalls auch hier ein separates Dichtelement aus. Die Abdichtung mit der Vergussmasse bewirkt ähnlich wie bei den beiden vorhergehenden Beispielen die endgültige fluiddichte Abdichtung des Verbindungsbereichs gegenüber dem verwendeten Kühlmittel.
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Elektrisch sind die gezeigten Hohlleiters 3 jeweils mit einem zugeordneten Massivleiter 23 verbunden, mit dem sie zusammen eine Windung der Wicklung ausbilden können. Diese Massivleiter sind also ebenfalls Bestandteile der Wicklung des Maschinenbauteils. Sie sind aber nicht Bestandteil des Kühlsystems, da über sie kein flüssiges Kühlmittel transportiert wird. Die direkte Kühlung der Wicklung erfolgt also hier nur über diejenigen ausgewählten Leitersegmente, welche als Hohlleiter gebildet sind. Wenn dies nur eine bestimmte Teilmenge der gesamten Zahl von Leitersegmenten ist, kann die Zahl der benötigten fluidischen Anschlüsse verringert und somit das Kühlsystem insgesamt vereinfacht werden.
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In der 3 ist der gegenüberliegende axiale Endbereich 3b der einzelnen Leitersegmente nicht dargestellt. Er kann prinzipiell ähnlich wie bei dem Beispiel der 2 ausgestaltet sein, sodass die Leiter insbesondere haarnadelförmig ausgebildet sind und über entsprechende Biegungen in den Endbereichen 3b jeweils sowohl den Hinleiter als auch den Rückleiter einer übergeordneten Windung ausbilden. Alternativ ist es aber auch möglich und unter Umständen vorteilhaft, wenn die einzelnen Leitersegmente (sowohl die Hohlleiter als auch die Massivleiter) als einfache Leiterstäbe ausgebildet sind. Dann ist es zweckmäßig, wenn auch in dem gegenüberliegenden axialen Endbereich 3b ein entsprechendes Anschlusselement 5 vorgesehen ist, welches dann analog zur Einspeisung von Kühlmittel ausgebildet ist.
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In den 4 und 5 sind schematisch zwei allgemeine Varianten dafür dargestellt, wie die Ankopplung der bereits beschriebenen Teile des Kühlsystems an eine übergeordnete Kühlmittelzuflussleitung 47 und eine übergeordnete Kühlmittelabflussleitung 48 in den beiden axialen Endbereichen 3a und 3b realisiert sein kann. Gezeigt sind jeweils Längsschnitte von elektrischen Maschinen 41 entlang der Maschinenachse A. Dabei zeigen beide Figuren stellvertretend nur den oberhalb der Maschinenachse A liegenden Teilbereich des innenliegenden Rotors 43 und des außenliegenden Stators 42. Auch hier ist der Stator 42 dasjenige Bauteil der Maschine, welches mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem gekühlt wird. Dies ist jedoch nur eine mögliche Realisierung und es ist alternativ auch möglich, dass der Rotor der Maschine auf die erfindungsgemäße Weise gekühlt wird.
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4 zeigt eine elektrische Maschine, deren Stator 42 mit einem Kühlsystem 1 gekühlt wird. Dieses Kühlsystem 1 weist nur in einem axialen Endbereich Kühlmittelanschlüsse auf. Dabei handelt es sich um denjenigen Endbereich, welcher dem ersten axialen Endbereich 3a der Statorwicklung 44 entspricht. Diese Statorwicklung 44 ist in ihrem axial innenliegenden Bereich in die Nuten eines Statorblechpakets 45 eingebettet. Die Statorwicklung 44 kann entweder nur aus Hohlleitern zusammengesetzt sein, ähnlich wie bei den Beispielen der 1 und 2 oder aber sie kann aus einer Mischung von Hohlleitern und massiven Leitern zusammengesetzt sein, ähnlich wie bei dem Beispiel der 3. Wesentlich ist, dass die Statorwicklung zumindest einen Hohlleiter umfasst. Die einseitige fluidische Ankopplung an den Kühlmittelkreislauf wird dadurch ermöglicht, dass das Kühlsystem an demselben axialen Ende sowohl eine Zuflusskammer 51 als auch eine Abflusskammer 52 aufweist. Jede dieser beiden Kammern 51 und 52 ist dabei durch ein Anschlusselement 5 gebildet, welches beispielsweise ähnlich ausgestaltet sein kann, wie es im Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschrieben wurde. In der 4 sind diese beiden Kammern 51 und 52 nur sehr schematisch angedeutet. Sie sind insbesondere nur durch den Umriss des mit Vergussmasse umgossen Bereichs 49 angedeutet, welcher sich in den relevanten axialen Endbereich 3a hinein erstreckt. Diese beiden Kammern 51 und 52 können jeweils ringförmig ausgestaltet sein oder zumindest die Form eines Ringsegments aufweisen, sodass sie mit den Hohlleitern auf unterschiedlichen Umfangspositionen gekoppelt werden können. Um eine räumliche Überlappung der beiden einzelnen Kammern 51 und 52 zu vermeiden (wie man sie aufgrund der nur äußerst groben Skizze der 4 vermuten könnte), können die beiden Einzelkammern beispielsweise in unterschiedlichen radialen Ebenen der Maschine angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können sie auch ein komplexes und ineinander verschachteltes Netzwerk von einzelnen Zuflusskanälen und Abflusskanälen bilden, welche nur an einzelnen Positionen in axialer, radialer und/oder azimutaler Richtung zueinander versetzt sind. In jedem Fall ist die Zuflusskammer 51 fluidisch an eine übergeordnete Kühlmittelzuflussleitung 47 gekoppelt und die Abflusskammer 52 ist an eine übergeordnete Kühlmittelabflussleitung 48 gekoppelt. Auch die in 4 dargestellte Position dieser beiden Leitungen 47 und 48 ist nur äußerst schematisch zu verstehen. Die beiden Leitungen können insbesondere in axialer Richtung, in radialer Richtung und/oder in azimutaler Richtung benachbart zueinander angeordnet sein. Wesentlich ist nur, dass sie sich an denselben axialen Ende des Maschinenbauteils befinden.
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Auch 5 zeigt eine ähnliche elektrische Maschine 41, deren Stator 42 durch ein Kühlsystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gekühlt wird. Im Unterschied zum Beispiel der 4 sind hier jedoch die Kühlmittelzuflussleitung 47 und die Kühlmittelabflussleitung 48 an gegenüberliegenden axialen Enden des Stators angeordnet. Auch hier ist zum Anschluss an die Kühlmittelzuflussleitung eine Zuflusskammer 51 vorgesehen, welches durch ein Anschlusselement gebildet wird, wie es weiter oben beschrieben wurde. In ähnlicher Weise ist zum Anschluss an die Kühlmittelabflussleitung eine Abflusskammer 52 vorgesehen, welche ebenfalls durch ein solches Anschlusselement gebildet wird. Beim Beispiel der 5 sind allerdings die Zuflusskammer 51 und die Abflusskammer 52 an unterschiedlichen axialen Enden des Stators angeordnet. Dies ermöglicht die Verwendung von einfachen Hohlleiterstäben, deren Länge dann nur einer halben Windung der Statorwicklung entspricht. Auf diese Weise kann die von dem Kühlmittel durchströmte Länge des Hohlleiters insgesamt kürzer gewählt werden, und die hydraulischen Verluste können geringer ausfallen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlsystem
- 3
- Hohlleiter
- 3a
- erster axialer Endbereich
- 3b
- zweiter axialer Endbereich
- 3c
- axial innenliegender Bereich
- 4
- Öffnung des Hohlleiters
- 5
- Anschlusselement
- 5a
- erste Öffnung
- 5b
- zweite Öffnung
- 6
- innenliegende Kühlmittelkammer
- 6a
- ringförmiger Kühlmittelkanal
- 7
- Begrenzungswand
- 8
- innere Dichtung
- 9
- Vergussmasse
- 9a
- offenliegende Oberfläche der Vergussmasse
- 10
- äußere Umgebung
- 11
- Verbindungselement
- 12
- Flussrichtung
- 13
- verteilte Wicklung
- 23
- Massivleiter
- 24
- elektrisches Verbindungselement
- 41
- elektrische Maschine
- 42
- Stator
- 43
- Rotor
- 44
- Statorwicklung
- 45
- Statorbleckpaket
- 47
- Kühlmittelzuflussleitung
- 48
- Kühlmittelabflussleitung
- 49
- umgossener Bereich
- 51
- Zuflusskammer
- 52
- Abflusskammer
- A
- zentrale Maschinenachse
- a
- axiale Richtung
- r
- zweite Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017204472 A1 [0004, 0008, 0048]
