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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, umfassend ein Gehäuse, in dem ein Stator und ein bezüglich des Stators drehbarer Rotor aufgenommen sind, eine Kühleinrichtung mit einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal, der sich von einem Einlass durch das Gehäuse und durch den Rotor bis zu einem Auslass erstreckt, eine Abdichteinrichtung zum Abdichten des Rotors gegenüber einem Innenraum des Gehäuses und einen Entlüftungskanal, der sich von der Abdichteinrichtung bis zu einer Öffnung des Gehäuses erstreckt.
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Elektrische Maschinen dieser Art werden in zunehmendem Maße bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen verwendet. Die elektrische Maschine, wird dabei überwiegend als Elektromotor für den Antrieb eines Rads oder einer Achse des Fahrzeugs eingesetzt. Hierfür kann die elektrische Maschine unter anderem als Synchronmotor oder Asynchronmotor ausgebildet sein.
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Der Elektromotor ist zumeist mechanisch mit einem Getriebe zur Drehzahlanpassung gekoppelt. Daneben ist der Elektromotor normalerweise elektrisch mit einem Wechselrichter verbunden, der aus einer von einer Batterie gelieferten Gleichspannung eine Wechselspannung für den Betrieb der elektrischen Maschine erzeugt, insbesondere eine mehrphasige Wechselspannung.
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Es ist auch möglich, die elektrische Maschine als Generator zur Rekuperation von Bewegungsenergie eines Fahrzeugs zu betreiben, wobei die Bewegungsenergie zunächst in elektrische Energie und dann in chemische Energie der Batterie umgewandelt werden kann.
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Der Rotor der elektrischen Maschine verfügt normalerweise über eine Rotorwelle, die von einem zylinderförmigen Rotorkörper umschlossen ist. Der Rotorkörper kann neben einem Paket laminierter Metallbleche unter anderem in dem Paket eingeschlossene Permanentmagneten und/oder eine Wicklung mit einem elektrischen Leiter aufweisen.
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Aufgrund der beim Betrieb der elektrischen Maschine entstehenden Wärme weist diese eine Kühleinrichtung zum Abführen der Wärme auf, die einen von einem flüssigen Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal umfasst. Der Kühlkanal erstreckt sich von einem Einlass durch das Gehäuse der elektrischen Maschine und weiter durch den Rotor bis zu einem Auslass, der in dem Gehäuse ausgebildet ist. Das Kühlmittel, bei dem es sich beispielsweise um eine Wasser-Glykol-Mischung handeln kann, wird in einem Kreislauf gefördert.
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Eine Abdichteinrichtung dichtet den Rotor gegenüber einem Innenraum des Gehäuses ab, so dass kein in dem Kühlkanal enthaltenes Kühlmittel in den Innenraum gelangen und dort zu einem Schaden, beispielsweise durch Korrosion, führen kann. Der Innenraum kann unter anderem den Stator aufnehmen und ansonsten mit Luft gefüllt sein.
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Temperaturbedingte Volumenänderungen der Luft im Inneren des Gehäuses machen es erforderlich, eine Belüftung bzw. Entlüftung vorzusehen, die die Entstehung eines Unterdrucks oder eines Überdrucks in dem Gehäuse vermeidet. Dazu kann ein Entlüftungskanal vorgesehen sein, der sich von der Abdichteinrichtung bis zu einer Öffnung des Gehäuses erstreckt.
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Es hat sich herausgestellt, dass beim Betrieb der elektrischen Maschine trotz der Abdichteinrichtung eine zumindest geringe technische Leckage des Kühlmittels über die Abdichteinrichtung auftritt. Diese technische Leckage (Kühlmittelleckage) tritt insbesondere dann auf, wenn die elektrische Maschine in einer bestimmten Drehrichtung betrieben wird. Bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug kann die Leckage zum Beispiel bei Rückwärtsfahrt auftreten.
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Um dieses Problem zu lösen, ist bereits vorgeschlagen worden, die technische Leckage in einem separaten Reservoir, d. h. in einem dafür vorgesehenen Behälter, zu sammeln. Dieser Behälter muss allerdings in bestimmten Zeitabständen im Rahmen der Wartung entleert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine anzugeben, die mit geringerem Aufwand betrieben werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass an der Öffnung des Gehäuses ein Druckausgleichselement angeordnet ist, das für gasförmige Medien durchlässig ist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Kühlmittelleckage durch das Vorsehen eines für gasförmige Medien durchlässigen Druckausgleichselements zuverlässig beseitigt werden kann. Die durch den Betrieb der elektrischen Maschine entstehende Wärme bewirkt, dass die Kühlmittelleckage verdampft beziehungsweise verdunstet, so dass die Kühlmittelleckage in einen gasförmigen Aggregatzustand übergeht. In dem gasförmigen Aggregatzustand kann die Kühlmittelleckage über das Druckausgleichselement aus dem Gehäuse nach außen entweichen. Dadurch kann auf das Entleeren der Kühlmittelleckage im Rahmen einer Wartung verzichtet werden, so dass die elektrische Maschine mit besonders geringem Aufwand betrieben werden kann.
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Darüber hinaus vermeidet das Druckausgleichselement, dass im Inneren des Gehäuses, insbesondere in dem Entlüftungskanal und/oder einem für Kühlmittelleckage vorgesehenen Reservoir, ein Überdruck oder ein Unterdruck entsteht. Die Kühlmittelleckage würde normalerweise einen Überdruck hervorrufen. Da jedoch das durch die Kühlmittelleckage verdrängte Luftvolumen über das Druckausgleichselement entweichen kann, wird die Entstehung eines Überdrucks vermieden.
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Dasselbe gilt bei einer Verringerung des Volumens der Kühlmittelleckage, beispielsweise bei einem Abkühlvorgang. In diesem Fall kann Luft über das Druckausgleichselement von außen nach innen einströmen, sodass die Entstehung eines Unterdrucks vermieden wird.
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Ein Unterdruck könnte auch dadurch entstehen, dass eine zu der Abdichteinrichtung gehörende Gleitringdichtung beim Betrieb der elektrischen Maschine ein Luftvolumen aus dem Entlüftungskanal entnimmt. Aus dem Luftvolumen wird ein Luftpolster der Gleitringdichtung aufgebaut, das diese für ihre ordnungsgemäße Funktion benötigt. Das heißt, das Luftvolumen wird von der Gleitringdichtung „konsumiert“ beziehungsweise zur „Versorgung“ der Gleitringdichtung verwendet, wobei ein Teil des Luftvolumens in den Kühlkanal gelangen kann. Auch in diesem Fall kann über das Druckausgleichselement Luft einströmen, welche das von der Gleitringdichtung aus dem Entlüftungskanal entnommene Luftvolumen ersetzt, sodass die Entstehung eines Unterdrucks vermieden wird.
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Folglich ist das Druckausgleichselement zum Ausgleichen von beim Betrieb der Abdichteinrichtung entstehenden Druckunterschieden ausgebildet. Insbesondere kann mit dem Druckausgleichselement sowohl ein Überdruck als auch ein Unterdruck in dem Entlüftungskanal und/oder einem Reservoir für Kühlmittelleckage gegenüber der das Gehäuse umgebenden Atmosphäre selbsttätig ausgeglichen werden.
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Der Kühlkanal erstreckt sich insbesondere durch eine Rotorwelle des Rotors. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Kühlkanal sich durch einen anderen Bestandteil des Rotors erstreckt, zum Beispiel durch einen Rotorkörper des Rotors.
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Vorzugsweise ist die Abdichteinrichtung zum Abdichten des Rotors in eine Radialrichtung und eine Axialrichtung ausgebildet. Dadurch wird vermieden, dass Kühlmittel aus dem Kühlkanal austritt und zum Beispiel in ein Lager der Rotorwelle gelangt. Die Abdichtung in Radialrichtung kann mit einem Radialwellendichtring realisiert sein. Die Abdichtung in Axialrichtung kann mit einer Gleitringdichtung realisiert sein,.
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Ferner kann das Druckausgleichselement für Flüssigkeiten undurchlässig sein. Dadurch wird vermieden, dass Kühlmittelleckage im flüssigen Zustand aus dem Gehäuse austritt oder Flüssigkeiten von außen in das Gehäuse eindringen. Damit kann ein für die elektrische Maschine vorgeschriebener Eindringschutz-Code (engl. Ingress Protection Code, IP-Code) erreicht werden.
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Erfindungsgemäß kann die Abdichteinrichtung so ausgebildet sein, dass ein bei einer Drehung des Rotors in eine erste Richtung im Inneren des Gehäuses entstandener Überdruck durch das Druckausgleichselement ausgleichbar ist. Es kann vorgesehen sein, dass der Überdruck bei einer Rückwärtsfahrt eines Fahrzeugs auftritt, das mit der elektrischen Maschine angetrieben wird. Der Überdruck kann durch Kühlmittel entstehen, das aus dem Kühlmittelkreislauf über die Abdichteinrichtung in das Gehäuse gelangt. Das dadurch verdrängte Luftvolumen kann über das Druckausgleichselement nach außen entweichen, so dass kein Überdruck entsteht.
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In ähnlicher Weise kann die Abdichteinrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine so ausgebildet sein, dass ein bei einer Drehung des Rotors in eine zweite, zur ersten Richtung entgegengesetzte Richtung im Inneren des Gehäuses entstandener Unterdruck durch das Druckausgleichselement ausgleichbar ist. Wenn die Fahrtrichtung des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs und somit die Drehrichtung der elektrischen Maschine umgekehrt wird und dadurch die gegebenenfalls im Inneren des Gehäuses vorhandene technische Leckage über die Abdichteinrichtung wieder dem Kühlmittelkreislauf zugeführt wird, strömt Luft über das Druckausgleichselement von außen in das Innere des Gehäuses nach, sodass kein Unterdruck im Inneren des Gehäuses auftritt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Druckausgleichselement eine Membran oder einen Sinterfilter aufweist. Damit wird das Eindringen von Partikeln in das Gehäuse beziehungsweise eine Kontamination des Gehäuseinneren und des Kühlmittelkreislaufs durch von außen eindringende Stoffe vermieden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse ein Reservoir zum Sammeln von Leckage des Kühlmittels auf, die an der Abdichteinrichtung ausgetreten ist.
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Optional kann das Reservoir mit dem Entlüftungskanal verbunden sein, so dass ein gasförmiges Medium aus dem Reservoir in den Entlüftungskanal und aus dem Entlüftungskanal in das Reservoir strömen kann.
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Vorzugsweise ist das Druckausgleichselement im Einbauzustand der elektrischen Maschine oberhalb des Rotors oder eines höchsten möglichen Pegels von Leckage des Kühlmittels angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass sich unabhängig von dem momentanen Betriebszustand des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs an dem Druckausgleichselement stets ein gasförmiges Medium (zum Beispiel Luft) befindet, das einen Druckausgleich über das Druckausgleichselement ermöglicht.
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Die oben genannte Aufgabe wird ferner mit einem Antriebsstrang für ein Fahrzeug gelöst, der eine elektrische Maschine gemäß der Erfindung aufweist. Zusätzlich kann der Antriebsstrang über ein mit der elektrischen Maschine gekoppeltes Getriebe und/oder einen mit der Maschine verbundenen Wechselrichter verfügen, mit dem eine zum Betreiben der elektrischen Maschine benötigte mehrphasige Wechselspannung bereitstellbar ist.
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Die Aufgabe wird weiterhin mit einem Fahrzeug gelöst, das einen derartigen Antriebsstrang aufweist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, mit einem Gehäuse, in dem ein Stator und ein bezüglich des Stators drehbarer Rotor aufgenommen sind, einer Kühleinrichtung mit einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal, der sich von einem Einlass durch das Gehäuse und durch den Rotor bis zu einem Auslass erstreckt, einer Abdichteinrichtung zum Abdichten des Rotors gegenüber einem Innenraum des Gehäuses und einem Entlüftungskanal, der sich von der Abdichteinrichtung bis zu einer Öffnung des Gehäuses erstreckt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Druckunterschied zwischen dem Entlüftungskanal und der das Gehäuse umgebenden Atmosphäre durch ein an der Öffnung des Gehäuses angeordnetes, für gasförmige Medien durchlässiges, Druckausgleichselement ausgeglichen wird.
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Die im Zusammenhang mit der Beschreibung der elektrischen Maschine erläuterten Vorteile und Einzelheiten gelten sinngemäß selbstverständlich auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine perspektivische geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;
- 2 eine vergrößerte Ansicht des in 1 rechten Endes des Rotors; und
- 3 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug.
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Die in 1 in einer perspektivischen geschnittenen Ansicht gezeigte elektrische Maschine 1 gehört zum Antrieb eines Fahrzeugs.
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Die elektrische Maschine 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem ein Stator 3 und ein bezüglich des Stators 3 drehbarer Rotor 4 mit einer Rotorwelle 22 aufgenommen sind. Die Rotorwelle 22 ist von einem zylinderförmigen Rotorkörper 23 umschlossen. Die elektrische Maschine 1 weist weiter eine Kühleinrichtung mit einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal 5 auf, der sich von einem Einlass 7 durch das Gehäuse 2 bis zu einem Auslass 6 erstreckt.
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Der Einlass 7 und der Auslass 6, die auch miteinander vertauscht sein können, sind über nicht dargestellte Kühlmittelleitungen mit einer Pumpe verbunden, sodass das Kühlmittel in einem Kreislauf gefördert wird. Das Kühlmittel führt bei dem Betrieb der elektrischen Maschine 1 erzeugte Wärme ab.
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In 1 erkennt man, dass sich der Kühlkanal 5 von dem Einlass 7 durch das Gehäuse 2 erstreckt. Das Kühlmittel strömt durch ein Kühlrohr 25 (auch als „Lanze“ bezeichnet) in die hohle, d.h. einen Hohlraum 24 aufweisende, Rotorwelle 22 des Rotors 4 hinein. Am Ende des Kühlrohrs 25 wird die Strömungsrichtung des Kühlmittels umgekehrt, wonach das Kühlmittel innen am Mantel der Rotorwelle 22 entlang an einer Abdichteinrichtung 19 vorbei aus der Rotorwelle 22 herausströmt und weiter zum Auslass 6 gelangt.
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An der Außenseite des Gehäuses 2 ist ein Wechselrichter 8 angeordnet, der die für den Betrieb der elektrischen Maschine 1 benötigte Wechselspannung bereitstellt.
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2 ist eine geschnittene Ansicht und zeigt das rechte Ende der in 1 gezeigten Rotorwelle 22. Die Abdichteinrichtung 19 dient zum Abdichten der Rotorwelle 22 in Radialrichtung und Axialrichtung gegenüber einem Innenraum 20 des Gehäuses 2. Insbesondere dient die Abdichteinrichtung 19 zum Abdichten der Rotorwelle 22 gegenüber einem Innenraum 20 des Gehäuses 2, in dem der Stator 3 aufgenommen ist. Mit dem Abdichten wird vermieden, dass Kühlmittel in den Innenraum 20 gelangt und dort zu Korrosion der Wicklungen des Stators führt.
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Die Abdichteinrichtung 19 umfasst eine Gleitringdichtung 9 und einen Radialwellendichtring 11. Die Gleitringdichtung 9 ist in Axialrichtung zwischen dem (in 1 rechten) freien Ende der Rotorwelle 22 und einem Abschnitt des Gehäuses 2 angeordnet. Die Gleitringdichtung 9 dichtet die Rotorwelle 22 axial ab. Das Ende der Rotorwelle 22 ist von einer Hülse 10 aus gehärtetem Edelstahl umschlossen. Die Hülse 10 ist von dem Radialwellendichtring 11 umschlossen, der die Rotorwelle 22 radial gegenüber dem Innenraum 20 des Gehäuses 2 abdichtet.
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Von der Abdichteinrichtung 19 erstreckt sich ein Entlüftungskanal 12 bis zu einer Öffnung 13 des Gehäuses 2. Die Öffnung 13 ist durch ein Druckausgleichselement 14 verschlossen. In dem in 2 gezeigten Einbauzustand befindet sich das Druckausgleichselement 14 oberhalb des Rotors 4. Dadurch ist sichergestellt, dass das Druckausgleichselement nicht direkt in Kontakt mit flüssigem Kühlmittel kommt. Das Druckausgleichselement 14 ist für gasförmige Medien durchlässig und für Flüssigkeiten undurchlässig.
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Beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 kann in geringem Umfang eine technische Leckage des Kühlmittels entstehen, indem Kühlmittel an der Abdichteinrichtung 19 aus dem Kühlkanal 5 austritt und in einen die Abdichteinrichtung 19 umgebenden Freiraum gelangt. Die Schwerkraft bewirkt, dass sich die Leckage in einem Reservoir 21 sammelt, das vom unteren Bereich des Freiraums gebildet wird.
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Die Leckage kann aus dem Reservoir 21 verdampfen beziehungsweise verdunsten, so dass die Leckage den gasförmigen Aggregatzustand erreicht, in welchem die Leckage aus dem Reservoir 21 durch den Entlüftungskanal 12 über das Druckausgleichselement 14 nach außen abgeführt beziehungsweise entlüftet werden kann. Hierzu ist das Reservoir 21 über den restlichen Freiraum mit dem Entlüftungskanal 12 verbunden.
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Im Einbauzustand der elektrischen Maschine 1 befindet sich der höchste mögliche Pegel von Leckage des Kühlmittels in dem Reservoir 21. Alternativ dazu kann der Pegel auch den restlichen Freiraum, der die Abdichteinrichtung 19 umgibt, oder den Entlüftungskanal erreichen. Der höchste mögliche Pegel ist beispielsweise der höchste Flüssigkeitsstand von Leckage, der beim bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Maschine 1 voraussichtlich erreichbar ist.
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Die Abdichteinrichtung 19 hat die Eigenschaft, dass bei einer Drehung des Rotors 4 in eine erste Drehrichtung, die der Rückwärtsfahrt des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs zugeordnet ist, die erwähnte Kühlmittelleckage entsteht. Dadurch wird Luft aus dem Entlüftungskanal 12 über das Druckausgleichselement 14 nach außen verdrängt. Damit wird ein Überdruck in dem Reservoir 21 und dem Entlüftungskanal 12 vermieden.
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Bei einer Umkehrung der Drehrichtung wird die Kühlmittelleckage wieder über die Abdichteinrichtung 19 dem Kühlmittelkreislauf zugeführt. Dadurch strömt Luft von außen über das Druckausgleichselement 14 in das Innere des Gehäuses 2. Damit wird ein Unterdruck in dem Reservoir 21 und dem Entlüftungskanal 12 vermieden.
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Das Druckausgleichselement 14 vermeidet somit in jedem Betriebszustand Druckunterschied zwischen dem Inneren des Gehäuses 2 der elektrischen Maschine 1 und der das Gehäuse 2 umgebenden Atmosphäre entsteht. Außerdem besteht eine besondere Funktion des Druckausgleichselements 14 darin, der Gleitringdichtung 9 ein geringes Luftvolumen zuzuführen, das für deren die ordnungsgemäße Funktion benötigt wird.
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Das Druckausgleichselement 14 umfasst eine Membran, die das Eindringen von Partikeln in das Innere des Gehäuses 2 vermeidet. Die Membran ist für Luft und Dampf durchlässig, jedoch undurchlässig für Flüssigkeiten. Als Alternative zu einer Membran kann auch ein Sinterfilter vorgesehen sein. Kühlmittelleckage, die über die Abdichteinrichtung 19 in das Reservoir 21 gelangt ist, kann verdunsten und über das Druckausgleichselement 14 nach außen entlüftet werden.
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Bei dem Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine 1 wird somit ein Druckunterschied zwischen dem Reservoir 21 beziehungsweise dem Entlüftungskanal und der das Gehäuse 2 umgebenden Atmosphäre durch das an der Öffnung 13 des Gehäuses 2 angeordnete, für gasförmige Medien durchlässige Druckausgleichselement 14 ausgeglichen.
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3 zeigt ein Fahrzeug 15 mit einem Antriebsstrang 26, der die elektrische Maschine 1 umfasst. Die elektrische Maschine 1 ist über ein Getriebe 16 mit einem Rad 17 des Fahrzeugs 15 gekoppelt. Daneben ist die elektrische Maschine 1 mit dem Wechselrichter 8 verbunden. Die in einer Batterie 18 gespeicherte Energie wird durch den Wechselrichter 8 in eine Wechselspannung für den Betrieb der elektrischen Maschine 1 umgewandelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Gehäuse
- 3
- Stator
- 4
- Rotor
- 5
- Kühlkanal
- 6
- Auslass
- 7
- Einlass
- 8
- Wechselrichter
- 9
- Gleitringdichtung
- 10
- Hülse
- 11
- Radialwellendichtring
- 12
- Entlüftungskanal
- 13
- Öffnung
- 14
- Druckausgleichselement
- 15
- Fahrzeug
- 16
- Getriebe
- 17
- Rad
- 18
- Batterie
- 19
- Abdichteinrichtung
- 20
- Innenraum
- 21
- Reservoir
- 22
- Rotorwelle
- 23
- Rotorkörper
- 24
- Hohlraum
- 25
- Kühlrohr
- 26
- Antriebsstrang