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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Im Rotor von elektrischen Maschinen (kurz: EM) entsteht im Betrieb Wärme, welche abgeleitet werden muss. Bei permanenterregten Synchronmaschinen (kurz: PSM) muss die Wärme beispielsweise aus den Permanentmagneten im Rotorblechpaket oder aus dem Rotorblechpaket selbst abgeleitet werden. Bei Asynchronmaschinen (ASM) muss die Wärme beispielsweise aus den Metallstäben und bei elektrisch erregten Synchronmaschinen (EESM) aus den Wicklungen im Rotor abgeleitet werden. Diese Wärmeableitung aus dem Rotor ist oftmals bei höheren Drehzahlen (steigende Eisenverluste) oder bei hoher Anforderung an die kontinuierliche Leistungsabgabe der elektrischen Maschine erforderlich.
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Verschiedene Ausführungen der aktiven Rotorkühlung von elektrischen Maschinen sind bekannt, z.B. fließendes Öl in einer Rotorhohlwelle, welches danach per Fliehkraft auf die Wickelköpfe oder die Rotorwuchtscheiben trifft, um diese zu kühlen. Hierbei ist die aktive Kühlposition (Rotorhohlwelle) am Rotor teilweise weit weg von der Position, an der die Rotorverluste anfallen - auch wenn die Rotorwuchtscheiben (oder Kurzschlussringe) mit Öl benetzt würden.
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Eine weitere bekannte Maßnahme, Wärme aus dem Rotor einer elektrischen Maschine zu entnehmen, ist das Einbringen von Heatpipes in den Rotorkörper. Heatpipes sind sehr effektive Wärmeleiter und bekannt als Rotor-Kühloption. Heatpipes in EM-Rotoren sind seit längerem als Ideen bekannt.
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Eine Heatpipe ist ein Wärmerohr, beispielsweise ein längliches Hohlgefäß, das mit einem Arbeitsmedium gefüllt ist. An einem Wärmeeintrag-Ende der Heatpipe verdampft das Arbeitsmedium in der Heatpipe und transportiert Wärme per Dampf zum anderen Ende der Heatpipe. Hier kondensiert das Arbeitsmedium und die Wärme wird über die Wandung des Hohlgefäßes an die Umgebung der Heatpipe abgegeben.
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DE 10 2014 225 173 A1 beschreibt einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, in dem wärmeleitende Mittel angeordnet sind, wobei die wärmeleitenden Mittel aus dem Rotor geführt und außerhalb des Rotors gebündelt und wärmeleitend verbunden sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige elektrische Maschine anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen Rotor, der eine zum Führen von Öl zumindest teilweise hohl ausgebildete Welle und mindestens ein Rotorblechpaket umfasst, in dem mindestens ein Magnet oder mindestens eine Wicklung angeordnet ist, wobei im Rotorblechpaket mindestens ein Wärmerohr oder mindestens ein Wärmeleitstab angeordnet ist, das oder der einen Verdampfer-Abschnitt, der innerhalb des Rotors liegt, und mindestens einen Kondensator-Abschnitt aufweist, der aus dem Rotor herausragt. Erfindungsgemäß sind in der Welle mehrere Radialbohrungen so angeordnet, dass Öl durch die Radialbohrungen aus der sich drehenden Welle austritt und zur Kühlung des Rotors zumindest durch Fliehkraft direkt oder indirekt zu dem mindestens einen Kondensator-Abschnitt geführt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmerohr in einen als Hohlwelle ausgebildeten Rotor einer elektrischen Maschine eingebracht. Das Wärmerohr weist einen Verdampfer-Abschnitt und mindestens einen Kondensator-Abschnitt auf, wobei der Verdampfer-Abschnitt für die Wärmeaufnahme im Inneren des Rotors liegt und der mindestens eine Kondensator-Abschnitt zur Wärmeabgabe in einen mit Luft gefüllten Innenraum der elektrischen Maschine ragt. Der Kondensator-Abschnitt (radial oder stirnseitig) wird mit aus dem drehenden Rotor austretendem Öl gekühlt, um effektiv Wärme zu entnehmen.
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Die elektrische Maschine kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, insbesondere als Antriebsaggregat.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit Direktkühlung eines Wärmerohrs oder Wärmeleitstabs,
- 2 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einer zusätzlichen Ölverweilkante,
- 3 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einer zusätzlichen Ölableitkante,
- 4 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einer zusätzlichen Ölsammelkammer,
- 5 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit indirekter Kühlung des Wärmerohrs oder Wärmeleitstabs, wobei das Wärmerohr oder der Wärmeleitstab radial außerhalb eines Außendurchmessers einer Wuchtscheibe angeordnet ist,
- 6 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit direkter Kühlung des Wärmerohrs oder Wärmeleitstabs, wobei das Wärmerohr oder der Wärmeleitstab radial außerhalb eines Außendurchmessers einer Wuchtscheibe angeordnet ist,
- 7 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem Rotorgrundkörper und mit indirekter Kühlung des Wärmerohrs oder Wärmeleitstabs, und
- 8 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem Rotorgrundkörper und mit direkter Kühlung des Wärmerohrs oder Wärmeleitstabs.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmerohr in einen Rotor einer elektrischen Maschine eingebracht. Das Wärmerohr weist einen Verdampfer-Abschnitt und mindestens einen Kondensator-Abschnitt auf, wobei der Verdampfer-Abschnitt für die Wärmeaufnahme im Inneren des Rotors liegt und der mindestens eine Kondensator-Abschnitt zur Wärmeabgabe in einen mit Luft gefüllten Innenraum der elektrischen Maschine ragt. Der Kondensator-Abschnitt (radial oder stirnseitig) wird mit aus einer drehenden Welle des Rotors austretendem Öl gekühlt, um effektiv Wärme zu entnehmen. Die Welle ist zumindest teilweise hohl ausgebildet und mit Radialbohrungen versehen, so dass in der Welle gefördertes Öl aus der drehenden Welle austreten und auf die Enden des Wärmerohrs spritzen kann.
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Statt eines Wärmerohrs kann optional auch ein Wärmeleitstab (auch Heatguide genannt), insbesondere ein passiv wärmeleitender Metallstab oder Stab mit hoher Wärmeleitfähigkeit, verwendet werden, der im Rotor eingebettet ist.
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Es kann vorgesehen sein, mit aus dem drehenden Rotor austretendem Öl das direkte Anspritzen des Kondensator-Abschnitts des Wärmerohrs mit einem Ölstrahl oder das direkte Umfließen mit Oberflächenöl nach Ausspritzen aus dem Rotor, insbesondere unter Zuhilfenahme von Fliehkraft und/oder Drehzahl, zu realisieren.
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Wenn keine Wärme aktiv aus dem Rotor entnommen werden muss, dann kann vorgesehen sein, kein Öl zum Rotor zu fördern. Das Wärmerohr wird dann durch Rotation in Luft weiterhin leicht gekühlt.
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Erfindungsgemäß ist mindestens ein Wärmerohr oder mindestens ein Wärmeleitstab, insbesondere ein Vollmaterialstab, in einem Rotorblechpaket eines Rotors einer elektrischen Maschine angeordnet, insbesondere außermittig, das heißt von einer Welle oder Drehachse des Rotors entfernt, beispielsweise nahe von Magneten (insbesondere in einem permanenterregten Synchronmaschinen -PSM) oder von Wicklungen (insbesondere in einem Asynchronmotor - ASM oder einem fremderregten Synchronmotor - EESM), oder auch in der Nähe der Welle.
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Der Verdampfer-Abschnitt zur Wärmeaufnahme liegt entweder in der (axialen) Rotormitte und der Kondensator-Abschnitt außerhalb des Blechpakets jeweils an beiden axialen Enden des Rotors oder der Kondensator-Abschnitt liegt nur an einem Ende des Rotors oder es gibt jeweils eigene Wärmerohre für jede axiale Rotorhälfte.
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Öl wird daher je nach Ausführung nur auf einer Rotorstirnseite oder auf beiden verspritzt.
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Die Welle des Rotors ist zumindest teilweise hohl ausgeführt und mit Radialbohrungen am Außendurchmesser versehen, sodass Öl aus der drehenden Welle auf die Enden des Wärmerohrs spritzen kann.
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1 ist eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine 1, umfassend einen Stator 2 mit Wickelköpfen 3 und einen Rotor 4, der eine zumindest teilweise hohl ausgebildete Welle 5 und mindestens ein Rotorblechpaket 6 umfasst, in dem mindestens ein Magnet 7 (insbesondere in einem Permanentmagnet-Synchronmotor - PMSM) oder mindestens eine Wicklung 8 (insbesondere in einem Asynchronmotor - ASM oder einem fremderregten Synchronmotor - EESM) angeordnet ist. Die Welle 5 ist zum Führen eines zur Schmierung und Kühlung verwendeten Öls ausgebildet und weist hierfür mindestens einen Öleintritt 9 auf.
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Im Rotor 4, beispielsweise im Rotorblechpaket 6, ist mindestens ein Wärmerohr 10 oder mindestens ein Wärmeleitstab 10, insbesondere ein wärmeleitender Vollmaterialstab, angeordnet. Das Wärmerohr 10 oder der Wärmeleitstab 10 weist einen Verdampfer-Abschnitt 10.1 auf, der innerhalb des Rotors 4, beispielsweise der (axialen) Rotormitte, liegt. Ferner weist das Wärmerohr 10 oder der Wärmeleitstab 10 mindestens einen, beispielsweise zwei Kondensator-Abschnitte 10.2 auf, die aus dem Rotor 4 herausragen, beispielsweise an beiden axialen Enden des Rotors 4.
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In der Welle 5 ist oder sind eine oder mehrere Radialbohrungen 11 so angeordnet, dass Öl durch die Radialbohrungen 11 aus der Welle 5 austreten und auf die Kondensator-Abschnitte 10.2 des Wärmerohrs 10 oder des Wärmeleitstabs 10 und optional auch auf die Wickelköpfe 3 spritzen kann.
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In der Ausführungsform gemäß 1 ist das Wärmerohr 10 oder der Wärmeleitstab 10 direkt gekühlt. Das Wärmerohr 10 oder der Wärmeleitstab 10 ist mit radialem Versatz zur Drehachse des Rotors 4 in Axialrichtung im Rotorblechpaket 6 und in zwei Wuchtscheiben 12 eingebracht, die das Rotorblechpaket 6 axial auf beiden Seiten begrenzen, um Wärme aus dem Kern des Rotors 4 nach außen zu führen. Die jeweiligen Kondensator-Abschnitte 10.2 des Wärmerohrs 10 oder Wärmeleitstabs 10 werden direkt mit Öl angespritzt, welches aus dem drehenden Rotor 4 durch die Radialbohrungen 11 bereitgestellt wird. Die Abwärme aus den Stirnseiten des Rotors 4 wird damit an das Öl übergeben, welches aus der elektrischen Maschine 1 läuft, beispielsweise in Richtung eines Ölkühlers. Insbesondere können eine Mehrzahl von Wärmerohren 10 und/oder Wärmeleitstäben 10 in Umfangsrichtung in den Rotor 4 eingebettet und axial ausgerichtet sein, beispielsweise je ein Wärmerohr 10 oder Wärmeleitstab 10 pro Pol oder Magnetebene bei einem Permanentmagnet-Synchronmotor.
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2 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1, die weitgehend der in 1 gezeigten Ausführungsform entspricht. Zusätzlich ist jedoch an jeder Rotorstirnfläche, insbesondere an jeder der Wuchtscheiben 12, radial außerhalb des jeweiligen Kondensator-Abschnitts 10.2 des Wärmerohrs 10 oder Wärmeleitstabs 10 eine Ölverweilkante 13 in Form eines axialen Überstands oder einer Kante angeordnet. Die Ölverweilkante 13 dient dazu, Öl nach der Direktkühlung des Kondensator-Abschnitts 10.2 kurzzeitig aufzustauen, um eine radial außen liegende Seite des Kondensator-Abschnitts 10.2 zusätzlich in Kontakt mit Öl zu bringen. Das Öl kann nach Verlassen des Rotors 4 infolge Zentrifugalkraft zur weiteren Kühlung der Wickelköpfe 3 dienen.
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3 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1, die weitgehend der in 2 gezeigten Ausführungsform entspricht. Zusätzlich ist jedoch an der Ölverweilkante 13 eine Ölableitkante 14, beispielsweise in Form einer Rampe, angeordnet. Dadurch wird das Öl, welches nach der Wärmeentnahme am Kondensator-Abschnitt 10.2 erwärmt ist, nicht auf die Wickelköpfe 3, sondern in einen Auffangbereich 15 in einem nicht-drehenden Gehäuse 16 der elektrischen Maschine 1 geleitet, beispielsweise wenn das Öl nach dem Kühlen des Rotors 4 zu warm wäre, um die Wickelköpfe 3 sinnvoll abkühlen zu können.
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4 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1, die weitgehend der in 2 gezeigten Ausführungsform entspricht. Zusätzlich ist jedoch an oder in den Rotorstirnflächen, insbesondere an oder in jeder der Wuchtscheiben 12, jeweils eine Ölsammelkammer 17 vorgesehen. Das Öl spritzt aus den Radialbohrungen 11 der Welle 5 in die Ölsammelkammer 17, die in 4 beispielhaft innerhalb der Wuchtscheibe 12 ausgebildet ist und die Ölverweilkante 13 bildet, damit sich das Öl nahe dem Kondensator-Abschnitt 10.2 sammeln kann um Wärme zu entziehen. Eine oder mehrere radiale Bohrungen 18 in der Ölsammelkammer 17 verhindert/n ein Volllaufen und verzögert/n das Ausspritzen des Öls aus der Ölsammelkammer 17, beispielsweise in Richtung der Wickelköpfe 3.
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5 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1, die weitgehend der in 1 gezeigten Ausführungsform entspricht. Abweichend ist jedoch das Wärmerohr 10 oder der Wärmeleitstab 10 radial außerhalb eines Außendurchmessers der Wuchtscheiben 12 angeordnet. Die Radialbohrung 11 in der Welle 5 ist dabei nicht genau radial, sondern in einem Winkel auf eine Stirnfläche der Wuchtscheibe 12 gerichtet, so dass diese mit Öl angesprüht wird, das Öl die Stirnfläche der Wuchtscheibe 12 benetzt und durch Fliehkraft zum Wärmerohr 10 oder Wärmeleitstab 10 hin fließt. Nach dem Passieren des Wärmerohrs 10 oder Wärmeleitstabs 10 erfolgt beispielsweise ein Zerstäuben des Öls hin zu den Wickelköpfen 3, da die Wuchtscheibe 12 sich nicht weiter nach radial außen fortsetzt.
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6 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1, die weitgehend der in 1 gezeigten Ausführungsform entspricht. Abweichend ist jedoch das Wärmerohr 10 oder der Wärmeleitstab 10 radial außerhalb eines Außendurchmessers der Wuchtscheiben 12 angeordnet. Die Radialbohrung 11 in der Welle 5 ist dabei radial ausgerichtet, so dass das Öl direkt auf das Wärmerohr 10 oder den Wärmeleitstab 10 gespritzt wird, ohne die Wuchtscheibe 12 gezielt zu benetzen. Ein Benetzen der Wuchtscheibe 12 ist dadurch jedoch nicht ausgeschlossen.
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7 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1, umfassend einen Stator 2 mit Wickelköpfen 3 und einen Rotor 4, der eine zumindest teilweise hohl ausgebildete Welle 5 und mindestens ein Rotorblechpaket 6 umfasst, in dem mindestens ein Magnet 7 (insbesondere in einem permanenterregten Synchronmaschinen - PSM) oder mindestens eine Wicklung 8 (insbesondere in einem Asynchronmotor - ASM oder einem fremderregten Synchronmotor - EESM) angeordnet ist. Die Welle 5 ist zum Führen eines zur Schmierung und Kühlung verwendeten Öls ausgebildet und weist hierfür mindestens einen Öleintritt 9 auf. Der Rotor 4 weist ferner einen Rotorgrundkörper 19 auf, der eine Nabe 20 aufweist, die auf die Welle 5 aufgezogen und mit dieser fixiert ist. Die Nabe 20 weist dabei eine geringere axiale Ausdehnung auf als der Rest des Rotorgrundkörpers 19, so dass dieser, ausgehend von der Nabe 20, zu den Rotorstirnflächen hin jeweils eine Innenfläche 21 ausbildet. Radial außen auf den Rotorgrundkörper 19 folgen das Rotorblechpaket 6 mit dem mindestens einen Magneten 7 oder der mindestens einen Wicklung 8 und als Begrenzung der Rotorstirnflächen die Wuchtscheiben 12.
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Im Rotor 4 ist mindestens ein Wärmerohr 10 oder mindestens ein Wärmeleitstab 10, insbesondere ein wärmeleitender Vollmaterialstab, angeordnet. Das Wärmerohr 10 oder der Wärmeleitstab 10 weist einen Verdampfer-Abschnitt 10.1 auf, der innerhalb des Rotors 4 liegt. Ferner weist das Wärmerohr 10 oder der Wärmeleitstab 10 mindestens einen Kondensator-Abschnitt 10.2 auf, der aus dem Rotor 4 herausragt, beispielsweise radial nach innen durch den Rotorgrundkörper 19 und dessen Innenfläche 21.
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In der Welle 5 sind ein oder mehrere Radialbohrungen 11 so angeordnet, dass Öl durch die Radialbohrungen 11 aus der Welle 5 austreten und auf die Innenfläche 21 gespritzt werden kann. Die Innenfläche 21 ist dabei so zur jeweiligen Rotorstirnfläche hin geneigt, dass das Öl anschließend infolge der Fliehkraft zur Rotorstirnfläche hin und dadurch an dem Kondensator-Abschnitt 10.2 des Wärmerohrs 10 oder des Wärmeleitstabs 10 entlang fließt, um dort die Wärme zu entnehmen.
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Insbesondere können eine Mehrzahl von Wärmerohren 10 und/oder Wärmeleitstäben 10 in Umfangsrichtung in den Rotor 4 eingebettet und radial ausgerichtet sein.
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8 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1, die weitgehend der in 7 gezeigten Ausführungsform entspricht. Abweichend sind jedoch die Radialbohrungen 11 so angeordnet, dass Öl durch die Radialbohrungen 11 aus der Welle 5 austreten und direkt auf den Kondensator-Abschnitt 10.2 des Wärmerohrs 10 oder des Wärmeleitstabs 10 gespritzt werden kann.
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Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich insbesondere darin, zusätzliche Kühlleistung im Rotor einer elektrischen Maschine zu erzielen, indem die Wärmeabfuhr des Wärmerohrs nicht alleine durch Rotieren in Luft (geringe Wärmeentnahme) oder komplexe Kühlanbindung des drehenden Rotors an einen Kühlmittelfluss im stehenden Statorteil (Kühlkanäle) erfolgt, sondern unter anderem durch direktes Anspritzen mit beschleunigtem Öl unter Ausnutzung der Drehzahl der elektrischen Maschine. Die Direktkühlung von Bauteilen durch beschleunigte Kühlmitteltropfen (Strahl) bietet sehr hohe Wärmeübertragungskoeffizienten. Mit der Idee ist kein aufwändiges Leiten von Kühlmittel durch das Rotorblechpaket notwendig, ebenso entfallen damit gegebenenfalls verbundene Dichtheitsprobleme und erhöhte ölbasierte Verluste, wenn Kühlmittel auf großem Rotordurchmesser im Rotor auf Drehzahl gebracht werden muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014225173 A1 [0006]
