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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Wanderfeldmaschine. Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Wanderfeldmaschine mit einem Ständer und
einem Läufer,
die jeweils wenigstens eine Ständerspule
bzw. eine Läuferspule
aufweisen, wobei der Ständer
bzw. der Läufer
einen weichmagnetischen Eisenkörper
mit einem Ständer- bzw. Läuferrücken aufweist.
An dem weichmagnetischen Eisenkörper
sind unter Bildung von Zähnen
beabstandete Nuten ausgebildet, die zu einem Luftspalt hin orientiert
sind, den der Ständer
mit dem Läufer
begrenzt.
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Begriffsdefinitionen
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Unter
dem Begriff "Wanderfeldmaschinen", also Asynchron-,
Synchron-, Reluktanzmaschinen etc. sind sowohl Motoren als auch
Generatoren verstanden, wobei es insbesondere für die Erfindung unerheblich
ist, ob eine solche Maschine als rund laufende Maschine oder zum
Beispiel als Linearmotor ausgestaltet ist. Außerdem ist die Erfindung sowohl bei
Innenläufermaschinen
als auch bei Außenläufermaschinen
einsetzbar.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei
der Verminderung des Volumens hocheffizienter elektrischer Maschinen
spielt die Bauform und Anordnung der Leiter eine entscheidende Rolle. Möglichst
kurze Leiterlängen
in den Wicklungsköpfen bei
einer hohen Raumausnutzung vermindern die ohmschen Verluste und
erhöhen
die Leistungsdichte der elektrischen Maschine.
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Da
die ohmschen Verluste in der Ansteuerung und in der Wicklung dem
zu schaltenden Strom proportional sind, muß eine gewisse Leiterlänge im Magnetfeld
bereitgestellt werden, um bei einem möglichst niederohmigen Leiteraufbau
eine der gewünschten
hohen Ansteuerspannung entsprechende induzierte Gegenspannung zu
erzeugen.
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Konventionelle
elektrische Maschinen werden überwiegend
mit kontinuierlichen Drähten – meist
mit rundem Querschnitt – gewickelt.
Ein dünner,
flexibler Draht lässt
sich zwar einfach in die Nuten einlegen, ein Nachteil besteht jedoch
in der geringen Raumausnutzung in den Nuten und Wicklungsköpfen. Drähte mit
rundem Leiterquer schnitt können die
Querschnittsfläche
der Nut nicht vollständig
ausnutzen. Zur Erhöhung
des Füllfaktors
der Nuten (Gesamt-Drahtquerschnittsfläche/Nutquerschnittsfläche) werden
sogenannte Formstab-Spulen eingesetzt, bei denen an die geometrische
Querschnittsgestalt der Nut angepasste, in der Regel viereckige Leiterstäbe in die
Nuten eingesteckt werden, die über Stirnverbinder
an ihren Enden verbunden sind, um die Spulen zu bilden. Zur Verringerung
der ohmschen Verluste in den Wicklungsköpfen, also den aus den Nuten
herausragenden Leitungsabschnitten der Spulen, sind eine Reihe von
Lösungsansätzen bekannt, die
auf die Gestaltung der Geometrie der Wicklungsköpfe gerichtet sind.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 38 03 752 A1 ist
ein Ständer
für einen
Drehstromgenerator bekannt dessen Ständerblechpaket Nuten aufweist,
in denen Ständerwicklungen
angeordnet sind. Dabei haben die Ständerwicklungsabschnitte innerhalb
der Nuten einen rechteckigen Querschnitt und die die Spulenköpfe bildenden Ständerwicklungsabschnitte
außerhalb
der Nuten einen kreisrunden Querschnitt. Die Ständerwicklungsabschnitte mit
dem kreisrunden Querschnitt sind durch hohlzylindrische Leiter gebildet.
Die Ständerwicklungsabschnitte
mit dem rechteckigen Querschnitt sind durch Zusammenpressen des
hohlzylindrischen Leiters gebildet.
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Aus
der
GB 1 329 205 ist
es bekannt, die Wicklungen als Gußkörper herzustellen, bei denen die
(aus den Nuten herausragenden) Endabschnitte einen größeren Querschnitt
haben als die Leiterabschnitte in den Nuten.
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Aus
der
EP 1 039 616 A2 ist
eine Wanderfeldmaschine bekannt, deren Ständer eine Ständerspule
trägt.
Der Ständer
hat einen weichmagnetischen Eisenkörper mit einem Ständerrücken an
dem unter Bildung von Zähnen
beabstandete Nuten ausgebildet sind. Die Ständerspulen haben in den Nuten angeordnete
Leiterstäbe
und an den Stirnseiten des Ständers
angeordnete, die Leiterstäbe
verbindende Stirnverbinder. Die Stirnverbinder der Ständerspulen sind
quer zum Nutengrund angeordnet und überragen den Nutengrund in
Richtung des Ständerrückens. Die
Leiterabschnitte im Stirnbereich des Stators überragen diesen radial nach
innen. Die Stirnverbinder und die Leiterstäbe sind durch Zapfen miteinander
vernietet.
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Aus
der
DE 1 123 038 A und
der
DE 101 56 268
C1 sind Ständer
für elektrische
Maschinen bekannt, die zumindest eine um die Peripherie des Wickelkopfes
in Umfangsrichtung umlaufende Rohrleitung aufweisen. Durch jede
Rohrleitung fließt
ein Kühlmittel,
das die vom Wickelkopf kommende Wärme abführt. Die Rohrleitung des aus
der
DE 1 123 038 A bekannten
Ständers
muss mittels einer komplizierten Anordnung von Kupferstreifen und
Bolzen an dem Wickelkopf angebracht und befestigt werden. Die Rohrleitungen
des aus der
DE 101
56 268 C1 bekannten Ständers
sind an örtlich
sehr begrenzten Teilen der Peripherie des Wickelkop fes fixiert.
In beiden Fällen
ist deshalb der thermische Kontakt zwischen Wickelkopf und Kühlmittel
weit entfernt von optimal.
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Aus
der
DE 101 43 217
C1 ist eine technisch vorgeschrittene Wanderfeldmaschine
bekannt, deren Ständer
bzw. Läufer
Stirnverbinder hat, die eine bestimmte Dicke im wesentlichen quer
zu einem zwischen dem Ständer
und dem Läufer
befindlichen Luftspalt haben, welche Dicke in Beziehung mit der Dicke
und der Zahl der Leiterstäbe
und mit der Tiefe des Ständer-
bzw. Läuferrückens steht.
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Aus
der gattungsbildenden
US
268,205 A ist eine elektrische Maschine mit geblechten,
geschichteten Stirnverbindern bekannt. Die Stirnverbinder haben
eine radiale Erstreckung vom jeweiligen Leiterstab zur Umgebungsluft.
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Aus
der
DE 40 04 019 A1 ist
eine Magnetspule für
eine elektrische Maschine bekannt, bei der die Magnetspule aus in
Spulenachsenrichtung aufeinanderfolgend gestapelten, im wesentlichen
ringförmigen
Blechen aufgebaut ist. Die Bleche sind jeweils in einem Bereich
ihres Umfangs unterbrochen und benachbarte Bleche in Serienschaltung
mit gleicher Stromflussrichtung leitend miteinander verbunden. Die
Bleche haben eine Rechteckform und weisen im Bereich der kürzeren Rechteckseiten Öffnungen
auf, die relativ schmal und langgestreckt sind, und die zum Teil
eine 90°-Abbiegung
aufweisen. Wenn die Bleche aufeinandergestapelt sind, fluchten diese Öffnungen
miteinander. Dadurch werden in der Spule Kühlfluidkanäle gebildet.
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Aus
der
DE 679 856 A ist
ein Stirnverbinder mit darin angeordneten Aussparungen zum Durchlass
von Kühlluft
aus dem Raum zwischen Rotor und Stator bekannt.
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Aus
der
EP 1 168 574 A2 ist
eine elektrische Maschine mit Stirnverbindern bekannt, die ein geschichtetes
Paket bilden.
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Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
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Den
vorstehend erläuterten,
bekannten Anordnungen haftet der Nachteil an, die Anforderungen an
die Leistungsdichte, wie sie in einigen Anwendungsbereichen gestellt
werden, nur teilweise zu erfüllen.
Insbesondere bei Anwendungen, in denen die elektrische Maschine
erhöhten
Umgebungstemperaturen (etwa über
100° Celsius)
ausgesetzt ist, steigen die ohmschen Verluste in den Spulen wegen
des erhöhten
spezifischen Widerstandes des Spulenmaterials erheblich an und tragen
zu den Gesamtverlusten nennenswert bei.
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Vorzugsweise
sollte die Maschine auch eine Ausführung aufweisen, die thermisch
effizient und im Zusammenbau unkompliziert ist.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Zur
Lösung
dieser Probleme lehrt die Erfindung eine Wanderfeldmaschine mit
einem Ständer und
einem Läufer,
die jeweils wenigstens eine Ständerspule
bzw. eine Läuferspule
aufweisen, wobei der Ständer
bzw. der Läufer
einen weichmagnetischen Eisenkörper
mit einem Ständer-
bzw. Läuferrücken aufweist,
an dem unter Bildung von Zähnen
beabstandete Nuten ausgebildet sind, und die Ständer- bzw. Läuferspulen
in den Nuten des Ständers
bzw. des Läufers
angeordnete Leiterstäbe
und an den Stirnseiten des Ständers
bzw. Läufers
angeordnete, die Leiterstäbe
verbindende Stirnverbinder aufweisen, die mit den Leiterstäben elektrisch
leitend verbunden sind, um Leiterstäbe in voneinander beabstandeten
Nuten elektrisch zu verbinden, wobei jeder Stirnverbinder aus einem
im wesentlichen ebenen dünnen
Blech gebildet ist, das in seiner auf die Mittellängsachse
des Ständers
bzw. des Läufers
bezogenen radialen Erstreckung von dem jeweiligen Leiterstab etwa
bis zu der bzw. in die Wärmesenke
reicht, so dass durch das Blech sowohl ein Stirnverbinder als auch
ein thermisch leitendes Element einstückig ausgebildet sind, und
die Stirnverbinder ein geschichtetes Paket bilden, wobei die Wärmesenke durch
Wandabschnitte gebildet ist, die mit dem thermisch leitenden Element
einen Kanal für
wärmeabführendes
Fluid begrenzen, der koaxial zu den Leiterstäben angeordnet ist, und wobei
die Wärmesenke für die Stirnverbinder
mit einer Wärmesenke
für den Ständer bzw.
Läufer
mit wenigstens einem Durchlass fluidleitend verbunden ist.
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Diese
Ausgestaltung erlaubt eine maximale Ausnutzung des vorhandenen Raums
(sowohl in axialer als auch in radialer bzw. seitlicher Richtung)
bei gleichzeitiger Leistungsoptimierung der elektrischen Maschine
mit sehr hoher Zuverlässigkeit
im Betrieb; insbesondere bei Anwendungen, in denen die elektrische
Maschine erhöhten
Umgebungstemperaturen (z. B. etwa über 100° Celsius) ausgesetzt ist. Zudem verringert
diese Ausgestaltung den Fluidleitungsaufwand in der elektrischen
Maschine.
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Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
Erfindung
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung steht das thermisch leitende Element mit wenigstens
einem der Stirnverbinder in thermischem (Ober-)Flächenkontakt
um eine thermische Verbindung zu der Wärmesenke zu bilden. Alternativ
dazu kann das thermisch leitende Element als Fortsatz eines der
Stirnverbinder ausgestaltet sein und von diesem abstehen um eine
thermische Verbindung zu der Wärmesenke
zu bilden.
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Jedes
der thermisch leitenden Elemente ragt dabei – je nach Ausgestaltung – in die
Wärmesenke hinein
oder ist mit deren Außenwand
thermisch leitend verbunden.
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Jeder
der Stirnverbinder kann aus einem im wesentlichen ebenen dünnen Blech
gebildet sein, das in seiner auf die Mittellängsachse des Ständers bzw.
des Läufers
bezogenen radialen Erstreckung von dem jeweiligen Leiterstab etwa
bis zu der bzw. in die Wärmesenke
reicht.
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Dabei
können
die aus einem im wesentlichen ebenen dünnen Blech gebildeten Stirnverbinder
zur Mittellängsachse
des Ständers
bzw. des Läufers
entweder im wesentlichen quer oder im wesentlichen tangential orientiert
sein. Mit anderen Worten sind die Stirnverbinder entweder flach
oder hochkant orientiert. Die thermisch leitenden Elemente haben
im wesentlichen die selbe Orientierung wie die Stirnverbinder.
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Die
Leiterstäbe
haben an ihren Enden jeweils einen Zapfen, der in eine entsprechend
geformte Ausnehmung an einem Ende des Stirnverbinders eingreift,
um mit diesem eine elektrisch leitende Verbindung einzugehen.
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Die
elektrisch leitende Verbindung der Enden der Stirnverbinder und
der Enden der Leiterstäbe kann
durch Elektro-Impuls-Schweißen
ausgeführt sein.
Alternativ können
die Enden der Stirnverbinder mit den Enden des Leiterstabes auch
durch Laserschweissen elektrisch leitend verbunden sein.
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Abhängig von
den Isolationsanforderungen an die Spulen der erfindungsgemäßen Wanderfeldmaschine
sind Leiterstäbe
und/oder der Stirnverbinder mit einem Kunststoff-, Keramik- oder Email-Überzug versehen.
Es ist jedoch auch möglich,
die Leitungen aus Aluminium herzustellen, so dass die Isolation
der Leiterstäbe
bzw. der Stirnverbinder gegeneinander durch eine Schicht aus Aluminiumoxid
gebildet ist.
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In
entsprechender Weise können
die thermisch leitenden Elemente aus Kupfer-, Aluminium-, oder diese
Metalle enthaltenden Legierungen gebildet sein. Alternativ dazu
können
die thermisch leitenden Elemente auch aus Aluminiumnitrid geformt sein.
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Vorzugsweise
ist die Wärmesenke
durch Wandabschnitte gebildet, die mit den thermisch leitenden Elementen
einen Kanal für
wärmeabführendes
Fluid, insbesondere Wasser oder Öl
begrenzen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Wanderfeldmaschine
sind die Wandabschnitte der Wärmesenke
durch zur Mittellängsachse
des Ständers
bzw. des Läufers
konzentrische Ringelemente gebildet, von denen jeweils benachbarte
Ringelemente thermisch leitende Elemente zwischen sich aufnehmen.
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Zur
Bildung des Kühlkanals,
durch den das wärmeabführende Fluid
strömt,
sind die Wandabschnitte der Wärmesenke
mit den thermisch leitenden Elementen verlötet, verschweißt, verklebt oder
anderweitig fluiddicht und im wesentlichen formbeständig verbunden.
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Bevorzugt
sind die Wandabschnitte der Wärmesenke
und die thermisch leitenden Elemente aus Kupfer, Aluminium, oder
anderen thermisch leitenden Materialien gebildet. Es können je
nach Besonderheiten des Einsatzgebietes der Wanderfeldmaschine auch
andere thermisch gut leitenden Materialien eingesetzt werden.
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Im Übrigen kann
die Wärmesenke
für die Stirnverbinder
auch mechanisch mit dem Kühlkanal verbunden
sein.
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Dieser
Kühlkanal
ist bevorzugt an dem Rücken
des Ständers
bzw. Läufers
als Wärmesenke
angeordnet.
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden
für einen
Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der
auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In 1 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ständers für eine elektrische
Maschine gemäß der Erfindung
veranschaulicht.
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In 2 ist
eine schematische Längsschnittsdarstellung
eines Ständers
für eine
elektrische Maschine gemäß 1 entlang
der Linie II-II veranschaulicht.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
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In
den Zeichnungen ist ein Ständer 10 für eine elektrische
Maschine gemäß der Erfindung
einer (nicht weiter veranschaulichten) Aussenläufermaschine, wobei die Er findung
auch für
eine Innenläufermaschine
einsetzbar ist. Der Ständer 10 ist
in der vorliegenden Ausführungsform
aus übereinandergestapelten
Blechen 11 aufgebaut, könnte
aber auch aus zu der entsprechenden Form gepreßten und gesinterten Eisenpartikeln
bestehen.
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Der
Ständer 10 ist
ein weichmagnetischer Eisenkörper
mit einem Ständerrücken 10a und
hat nebeneinander angeordnete Nuten 12, durch die Wicklungskammern
für die
entsprechenden Ständerspulenwicklungen 14 gebildet
sind. In der gezeigten Ausführungsform
haben die Wicklungskammern 12 einen im wesentlichen viereckigen
Querschnitt, wobei sie an ihrer dem (nicht gezeigten) Läufer zugewandten
Seite Schlitze 16 haben. Jeweils zwischen zwei Schlitzen 16 sind
damit Zähne 18 gebildet
(siehe 1). Dabei haben die Stirnverbinder 22 eine
im wesentlichen parallele Orientierung relativ zur Stirnfläche des
Ständers
bzw. Läufers
oder zu den Blechen 11.
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Jede
Ständerspule 14 ist
aus im Querschnitt im wesentlichen rechteckigen Leiterstäben 20 gebildet,
welche in die Wicklungskammern 12 eingebracht sind und
mit Stirnverbindern 22 verbunden sind. Die Stirnverbinder 22 aller
Wicklungen bilden zusammen Wicklungsköpfe 24 (siehe 2).
Dabei zeigt der in 2 gezeigte Querschnitt nur ein
Ende der Leiterstäbe
bzw. eine Stirnseite des Ständer.
Das andere, nicht gezeigte Ende stimmt spiegelbildlich überein.
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Wie
in 2 gezeigt ist, bilden die die Leiterstäbe 20 elektrisch
leitend verbindenden Stirnverbinder 22 ein geschichtetes
Paket 26, von dem jeweils zwischen zwei Stirnverbindern 22 ein
thermisch leitendes Element 28 absteht, das zu einer Wärmesenke 30 in
Gestalt eines von Kühlflüssigkeit
durchströmten
Flüssigkeitskanals
reicht.
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Die
thermisch leitenden Elemente 28 stehen mit den Stirnverbindern 22 in
thermischem (Ober-)Flächenkontakt
um eine thermische Verbindung zu der Wärmesenke 30 herzustellen.
Dazu ragen die thermisch leitenden Element 28 in die Wärmesenke 30 hinein.
Wie aus 2 ersichtlich, sind die Stirnverbinder 22 aus
einem im wesentlichen ebenen dünnen
Blech gebildet ist, das in seiner auf die Mittellängsachse
M des Ständers 10 bezogenen
radialen Erstreckung von dem jeweiligen Leiterstab (20)
in die Wärmesenke 30 reicht.
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Die
Leiterstäbe 20 und
die Stirnverbinder 22 sind in diesem Ausführungsbeispiel
aus Kupfer und haben an ihren Enden jeweils Zapfen 20a,
Jeder Zapfen 20a greift in eine entsprechende Ausnehmung 22a am
Ende des jeweiligen Stirnverbinders 22 ein, um mit diesem
eine elektrisch leitende Verbindung einzugehen. Dazu wird der Zapfen 20a mit
der Ausnehmung 22a am Ende des Stirnverbinders 22 durch
Elektro-Impuls-Schweißen oder
durch Laserschweissen elektrisch leitend verbunden. Es ist jedoch
auch möglich,
auf die Zapfen 20a und die Ausnehmungen 22a zu
verzichten und die Schweissung stumpf auszuführen. Jeder der Leiterstäbe und der Stirnverbinder
sind zur elektrischen Isolation mit einem Keramik- oder Email-Überzug versehen.
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Der
die Wärmesenke
bildende von Kühlflüssigkeit
durchströmte
Flüssigkeitskanal 30 ist
durch Wandabschnitte 30a, 30b gebildet, die zusammen mit
den thermisch leitenden Elementen 28 einen hohlring-zylindrischen
Kanal für
wärmeabführendes Fluid
begrenzen. Dazu sind die Wandabschnitte der Wärmesenke 30 durch
zur Mittellängsachse
M des Ständers 10 konzentrische
Ringelemente 30a, 30b gebildet, von denen jeweils
benachbarte Ringelemente 30a, 30a und 30b, 30b thermisch
leitende Elemente 28 zwischen sich aufnehmen und mit diesen verschweisst
oder verlötet
sind.
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Wie
in 1 veranschaulicht, haben die thermisch leitenden
Elemente 28 eine kreissegmentförmige Gestalt, bei denen radiale
Fortsätze 28a jeweils
zu den Leiterstäben 20 reichen,
mit denen sie an den Zapfen 20a verschweisst sind. Der
in die Wäremesenke 30 hineinreichende
radial innere Abschnitt des thermisch leitenden Elementes 28 hat eine
der Gestalt des Ringkanals der Wärmesenke 30 folgende
Ausnehmung 28b, um die Strömung des Kühlfluides nicht zu behindern.
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Wie
in 2 veranschaulicht, hat der Ständer 10 an seinem
Rücken 10a eine
eigene Fluidkühlung
in Form eines Kühlflüssigkeitskanals 40.
Dieser Kühlflüssigkeitskanal 40 ist
koaxial zu dem von Kühlflüssigkeit
durchströmten
Flüssigkeitskanal 30 für die Kühlung der
Stirnverbinder 22 angeordnet. Außerdem sind die beiden Kühleinrichtungen über Durchlässe 42 miteinander
fluidleitend verbunden.
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Die
in den Fig. gezeigten Verhältnisse
und Proportionen der einzelnen Teile und Abschnitte hiervon zueinander
und deren Materialdicken sind nicht einschränkend zu verstehen. Vielmehr
können
einzelne Abmessungen auch von den gezeigten abweichen.