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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Stator für
einen Linearmotor oder Lineargenerator mit einem Statorgehäuse und
einer darin aufgenommenen Baueinheit, umfassend:
- – einen
Kern und
- – eine
Mehrzahl von Wickelspulen, welche mit jeweils wenigstens einem Wickelspulenabschnitt
im Wesentlichen entlang wenigstens einer Seite des Kerns verlaufen,
wobei
die ausgehärtete
Gießmasse
die Baueinheit zumindest abschnittsweise mit Innenwandbereichen des
Statorgehäuses
verbindet.
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Derartige Statoren sind in der Technik
allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von Fällen als
Antrieb bewegter Vorrichtungen oder als Generator eingesetzt.
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Nachteilig an den bekannten Statoren
ist, dass sie sich im Betrieb erwärmen, was zu einer Verminderung
des Wirkungsgrads des Stators führt, etwa
durch eine Zunahme des Widerstands der elektrischen Leitungen mit
einem Anstieg der Temperatur. Auch besteht oft die Gefahr einer Überhitzung des
Stators, so dass seine zulässige
Einschaltdauer dementsprechend verkürzt ist oder die für Dauerbetrieb
zulässige
Leistung dementsprechend niedriger ist.
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Eine Quelle dieser Erwärmung sind
im Stator auftretende Verluste. Dort treten genauer im Kern Wirbelstromverluste
(sog. "Eisenverluste") und in den elektrischen
Leitungen der Wickelspulen Verluste auf Grund elektrischen Widerstands
(sog. "Kupferverluste") auf.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen gattungsgemäßen Stator
anzugeben, bei welchem durch verstärkte Kühlung eine Erwärmung im
Betrieb reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
einen Stator, bei welchem das von der Baueinheit und der ausgehärteten Gießmasse eingenommene
Raumvolumen kleiner als das von dem Statorgehäuse begrenzte Innenraumvolumen
ist, so dass im Inneren des Statorgehäuses ein Freiraum als Durchflussraum
für ein
Kühlmittel
verbleibt, durch welchen ein Kühlmittel durchleitbar
ist.
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Bisher ist es üblich, die Statorschale vollständig, d.h.
bis zum Öffnungsrand
der Statorschale mit Gießmasse
aufzufüllen
und dann mit dem Statorschalendeckel abzudecken. Es hat sich jedoch
gezeigt, dass es ohne eine funktionsbeeinträchtigende Einbuße an Steifigkeit
und Stabilität
des Stators möglich
ist, im Inneren des Statorgehäuses
einen Freiraum als Durchflussraum für ein Kühlmittel zu belassen. Durch
diesen ist ein Kühlmittel
durchleitbar, welches Wärme
konvektiv aus dem Statorgehäuse
abführt
und den Stator dadurch kühlt.
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Grundsätzlich ist es möglich, das
Kühlmittel lediglich über eine
Oberfläche
der im Statorgehäuse ausgehärteten Gießmasse strömen zu lassen.
In diesem Falle können
die Wickelspulen vollständig
von Gießmasse
bedeckt sein. Zwar wird hier eine besonders hohe Stabilität des Stators
erreicht, jedoch muss Wärme
von den Wickelspulen durch die in der Regel schlecht Wärme leitende
Gießmasse
(dabei handelt es sich gewöhnlich
um gießbare
Kunststoffe mit entsprechend niedriger Wärmeleitfähigkeit) zum Kühlmittel
geleitet werden. Im Hinblick auf die pro Zeiteinheit abführbare Wärmemenge
ist es daher vorteilhafter, wenn Kühlabschnitte der Wickelspulen
derart in den Durchflussraum ragen oder diesen durchsetzen, dass
sie in Kontakt mit dem Kühlmittel
bringbar sind.
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Zwar können die Wickelspulen in beliebliger Art
und Weise am Kern angeordnet sein, solange wenigstens ein Wickelspulenabschnitt
einer Wickelspule wenigstens einer Seite des Kerns zugewandt ist. Eine
gute Ausnutzung des Kernmaterials zur Verstärkung des von den Wickelspulen
erzeugten Magnetfelds kann erreicht werden, wenn die Wickelspulen den
Kern umgeben. Bevorzugt umgeben die Wickelspulen den Kern jedoch
derart, dass ihre jeweiligen Wicklungsebenen zur Kernlängsrichtung
im Wesentlichen orthogonal orientiert sind. Diese Anordnung ist kostengünstiger
in der Herstellung insbesondere auf Grund der Möglichkeit des Einsatzes vorgewickelter Spulen.
Vorzugsweise sind zwischen benachbarten Wickelspulen Polzahnscheiben
angeordnet. Durch die Polzahnscheiben kann darüber hinaus auch der magnetische
Streufluss zwischen zwei benachbarten Wickelspulen verstärkt und
nutzbar gemacht werden.
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Zum Zwecke einer einfachen Montage
kann das Statorgehäuse
durch eine Statorschale und eine diese bedeckenden Statorschalendeckel
gebildet sein. Die Baueinheit kann dann einfach in die Statorschale
eingelegt und durch anschließendes
Einfüllen von
Gießmasse
an der Statorschale festgelegt werden. Bei einem aus Statorschale
und Statorschalendeckel gebildeten Statorgehäuse bildet aus Gründen einer
einfachen Montierbarkeit des Stators an einem Untergrund in der
Regel der Boden der Statorschale die läufernahe Seite des Stators.
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Durch ein Einfüllen der Gießmasse vom
Boden der Statorschale bis zu einer Höhe unterhalb der Statorschalenöffnung derart,
dass jeweils ein Teil der um die läuferferne Seite des Kerns herumgeführten Wickelspulenabschnitte
nicht eingegossen ist und diese somit in dem zwischen Gießmassenoberfläche und
Statorschalendeckel gebildeten Durchflussraum liegende Kühlabschnitte
bilden, können
einerseits die einer Statorschaleninnenwand gegenüberliegenden Wickelspulenabschnitte
sicher an dieser durch Gießmasse
festgelegt und ein Stator mit großer Steifigkeit erzeugt werden.
In diesem Falle können
an den seitlichen Innenwänden
und am Boden der Statorschale Wickelspulenabschnitte anliegen und
durch Gießmasse
mit diesen verbunden sein. Andererseits kann ein nicht oder nur
wenig zur Stabilität
und Steifigkeit des Stators beitragender Wickelspulenabschnitt zur Wärmeabgabe
an das Kühlmittel
genutzt werden.
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Der Kern kann zu Verlängerung
seiner Standzeit sicher dadurch vor Umwelteinflüssen geschützt sein, dass er an allen
seinen Längsseiten, vorzugsweise
auch an seinen Stirnflächen,
von Gießmasse
umgeben ist.
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Die Wärmemenge, die von dem Kühlmittel pro
Zeiteinheit von den Wickelspulen abgeführt werden kann, ist von der
Fläche
der Wickelspulen abhängig,
die in Kontakt mit dem Kühlmittel
bringbar ist. Diese kann dadurch wesentlich erhöht werden, dass Giesmasse lediglich
in einem wandnahen Bereich von Innenwänden des Statorgehäuses aufgetragen ist,
so dass zumindest ein Teil von zu Innenwänden des Statorgehäuses hinweisenden
Wickelspulenabschnitten von Gießmasse
benetzt ist und zumindest ein Teil von zum Kern hinweisenden Wickelspulenabschnitten
oder/und von zwischen Innenwänden
des Statorgehäuses
verlaufenden Wickelspulenabschnitten als Kühlabschnitte in den Durchflussraum
ragt oder diesen durchsetzt. Der Auftrag von Gießmasse lediglich in Wandnähe der Statorschaleninnenwände führt zu einem
ausreichend steifen und robusten Stator. Der resultierende Stator
bietet ein sehr großes Durchflußraumvolumen
zur Kühlung
des Stators durch ein den Durchflussraum durchströmendes Kühlmittel.
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Zur Befestigung des Stators an einem
Untergrund kann an den Kern wenigstens ein Statorfuß montiert
sein. Dabei ist es hinsichtlich einer niedrigen Anzahl von zur Bildung
des Stators benötigten
Bauteilen vorteilhaft, wenn das Spannmittel von einer den Kern im
Wesentlichen in Stapelrichtung durchsetzenden Kopfschraube und dem
Statorfuß gebildet
ist, in welchen die Kopfschraube eingedreht ist.
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Weiterhin ist es wichtig, das Kühlmittel
mit einem möglichst
geringen Strömungswiderstand
durch den Stator an dem wenigstens einen Kühlabschnitt der Wickelspulen
vorbei zu leiten. Der Strömungswiderstand
kann zumindest im Bereich des wenigstens einen Statorfußes dadurch
reduziert sein, dass dieser im Bereich des Durchflussraums einen
Abschnitt verringerten Querschnitts aufweist.
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Wie bereits beschrieben wurde, sind
Statoren zur Ausnutzung des magnetischen Flusses in der Regel mit
Polzahnscheiben zwischen entlang der Kernlängsrichtung benachbarten Wickelspulen
versehen. Diese können
ebenfalls durch Verringerung des Strömungsquerschnitts im Inneren
des Statorgehäuses
ein erhebliches Strömungshindernis
für das Kühlmittel
darstellen. Um diese Behinderung der Kühlmittelströmung möglichst gering zu halten, können die
Polzahnscheiben Durchtrittsöffnungen
aufweisen. Alternativ oder zusätzlich
können
die Polzahnscheiben zur Vereinfachung ihrer Herstellung auch derart
gestaltet sein, dass sie Durchtrittsöffnungen mit dem Gehäuse oder/und
mit dem Kern bilden.
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Eine solche Durchtrittsöffnung kann
mit dem Gehäuse
besonders einfach dadurch gebildet sein, dass wenigstens ein Durchtritts-Außenrandabschnitt der
Polzahnscheiben einem Durchtritts-Innenwandabschnitt des Statorgehäuses mit
Abstand gegenüberliegt,
wobei der Durchtritts-Außenrandabschnitt
bezüglich
diesem benachbarter Außenrandabschnitte
zurückgesetzt
ist oder/und ein Krümmungsradius
des Durchtritts-Außenrandabschnitts
einen anderen Wert aufweist als ein Krümmungsradius des Durchtritts-Innenwandabschnitts.
Die unterschiedlichen Krümmungsradien
von Innenwandabschnitten der Statorschale und diesen gegenüberliegenden
Außenrandabschnitten
der Polzahnscheiben führen
zu Spalten, durch die Kühlmittel
strömen
kann.
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Eine Durchtrittsöffnung mit dem Kern kann dagegen
einfach dadurch gebildet sein, dass wenigstens ein Durchtritts-Innenrandabschnitt
der Polzahnscheiben Durchtritts-Außenwandabschnitten des Kerns
mit Abstand gegenüberliegen,
wobei der Durchtritts-Innenrandabschnitt bezüglich diesem benachbarten Außenrandabschnitten
zurückgesetzt
ist oder/und ein Krümmungsradius
des Durchtritts-Außenrandabschnitts
einen anderen Wert aufweist als ein Krümmungsradius des Durchtritts-Innenwandabschnitts.
Ein leicht zu transportierender Stator, welcher überdies gut gegen äußere Einflüsse geschützt ist,
kann dadurch erhalten werden, dass eine Baueinheit aus Kern, Wickelspulen,
vorzugsweise wenigstens einem Statorfuß, wenigstens einer Kühlmittelzufuhrleitung
und wenigstens einer Kühlmittelabfuhrleitung,
vorzugsweise einschließlich
von Polzahnscheiben, von einem Statorgehäuse umgeben und in diesem durch
ausgehärtete
Gießmasse
festgelegt ist.
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Als Kühlmittel kann bevorzugt ein
flüssiges Kühlmittel,
wie etwa ein Kühlöl verwendet
werden, welches besonders gute konvektive Wärmetransporteigenschaften aufweist.
Es kann jedoch auch daran gedacht sein, ein Gas als Kühlmittel
zu verwenden, welches bei der Durchströmung von geringen Strömungsquerschnitten
einen geringeren Strömungswiderstand
zu überwinden
hat als ein flüssiges
Kühlmittel.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand
der beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert
werden. Es stellt dar:
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1 einen
schematischen Längschnitt durch
eine erste Ausführungsform
eines Stators gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
Ansicht eines Schnitts entlang Linie II–II in 1;
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3 eine
Ansicht eines Schnitts entlang Linie III–III in 1;
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4 eine
Ansicht eines Schnitts längs
Linie IV-IV in 1;
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5 einen
schematischen Längschnitt durch
eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
Ansicht eines Schnitts entlag Linie VI-VI in 5;
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßer Stator allgemein
mit 10 bezeichnet. Der Stator weist ein Statorgehäuse 12 mit
einer Statorschale 14 und einem eine der Öffnung 15 der
Statorschale 14 abdeckenden Statorschalendeckel 16 auf.
Der Statorschalendeckel 16 ist mit der Statorschale 14 durch
eine um die Statorschale 14 nahe ihrer Öffnung 15 umlaufende
Kleberaupe 18 verklebt.
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In dem Statorgehäuse befindet sich eine Baueinheit 20,
welche einen in 1 nicht
sichtbaren Kern, den Kern umgebende Wickelspulen 22, zwischen
benachbarten Wickelspulen angeordnete Polzahnscheiben 24 und
mit dem Kern verschraubte, zur Statorschalenöffnung 15 hin verlaufende
Statorfüße 26 umfasst.
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An dem Statorschalendeckel 16 sind
zwei Zugentlastungsvorrichtungen 28 und 30 vorgesehen, durch
die nicht dargestellte elektrische Leitungen zu den Wickelspulen 22 der
Baueinheit 20 geführt
sind.
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Weiter sind an dem Statorschalendeckel 16 ein
zwischen den Zugentlastungsvorrichtungen 28 und 30 vorgesehener
Kühlmitteleinlaß 36 und
zwei in je einem Längsendbereich
des Statorschalendeckels 16 Kühlmittelauslässe 38 und 40 vorgesehen.
Durch den Kühlmitteleinlaß 36 wird
in einen Freiraum 42 im Inneren des Statorgehäuses 12 ein
Kühlmittel
eingeleitet, welches den Freiraum 42 durchströmt, dabei Wärme aufnimmt
und schließlich
bei den Kühlmittelauslässen 38 und 40 den
Stator 10 wieder verlässt. In 1 geben schwarze Pfeile
beispielhaft eine mögliche Strömungsführung des
Kühlmittels
in dem Freiraum 42 des Statorgehäuses 12 an.
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In 1 ist
die läufernahe
bzw. einem nicht dargestellten Läufer
zugewandte Seite der Statorschale 14 mit 14a bezeichnet.
Diese wird von dem orthogonal zur Zeichenebene der 1 liegenden Boden 14d der Statorschale 14 gebildet.
Die im Inneren des Statorgehäuses 12 nahe
der läufernahen
Seite 14a der Statorschale 14 dargestellte Strömung kann dabei
dergestalt sein, dass eine Kühlmittelströmung von
links nach rechts, wie sie auf der linken Seite des Stators 10 von 1 eingezeichnet ist, sich
in einer vor der Zeichenebene der 1 liegenden
Ebene ausbildet, während
sich die auf der rechten Seite des Stators 10 eingezeichnete
Strömung
von rechts nach links in einer hinter der Zeichenebene liegenden
Ebene ausbilden kann. Alternativ kann in einem der Pakete aus Polzahnscheiben 24 ein
Kanal 44 vorgesehen sein, durch welchen das Kühlmittel
von der läufernahen
zur läuferfernen
Seite der Baueinheit 20 zurückströmen kann. Ein derartiger Kanal
ist in 1 strichliniert
dargestellt.
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Die Wickelspulen 22 umgeben
den Kern, wobei ihre zur Zeichenebene der 1 orthogonale Wicklungsebene WE orthogonal
zur Längsrichtung
L des Kerns orientiert ist.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch den Stator 10 von 1 längs
der in 1 gezeigten Linie II–II.
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In 2 ist
ein aus Lamellen 66 aufgebauter Kern 48 zu sehen.
Die Lamellen 66 weisen Durchgangslöcher 50 auf, durch
die eine Kopfschraube 52 hindurchgeführt und in eine Gewindebohrung 54 des Statorfußes 26 eingedreht
ist. Die Kopfschraube 52 und der Stator 26 bilden
ein Spannmittel, durch das die Lamellen 66 zusammengehalten
werden. Der Freiraum 42 ist in drei strömungstechnisch miteinander
kommunizierende Teil-Freiräume
unterteilt: ein erster Teil-Freiraum 42a ist begrenzt durch
den Statorschalendeckel 16 und die läuferferne Seite der Baueinheit 20.
Ein zweiter Teil-Freiraum 42b ist begrenzt durch läufernahe
Innenwandabschnitte der Statorschale 14 und läufernahe
Randabschnitte 24e der Polzahnscheiben 24 bzw.
läufernahe Randabschnitte 22b der
Wickelspulen 22 (siehe auch 4).
Ein dritter Teil-Freiraum 42c ist gebildet durch einen
Durchtritts-Innenrandabschnitt 24a der Polzahnscheiben 24 und
einem Außenwandabschnitt 48a des
Kerns 48. In dem Freiraum 42c ist auch der Kopf 52a der
Schraube 52 aufgenommen.
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Zur Festlegung der Baueinheit 20 in
dem Gehäuse 12 ist
an den Innenwänden
der Statorschale 14 eine Gießmasse 56 aufgetragen.
Die Gießmasse 56 ist
nur in einem wandnahen Bereich der Innenwände und des Bodens der Statorschale 14 vorgesehen,
wobei die Gießmasse 56 sowohl
an den Wickelspulen 22 als auch an den Außenrandabschnitten 24b, 24c und 24d der
Polzahnscheiben 24, welche an Innenwänden 14c, 14d und 14e der
Statorschale 14 anliegen, anhaftet und diese somit an den
Innenwänden 14c, 14d und 14e der
Statorschale 14 festlegt. Beispielsweise liegt die Polzahnscheibe 24 von 2 mit ihren geraden Außenrandabschnitten 24b und 24c an
den Innenseitenwänden 14c und 14e der Statorschale 14 an
und liegt mit ihrem geraden Außenrandabschnitt 24d am
Boden 14d der Statorschale 14 an.
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Ein erster Durchtritts-Außenrandabschnitt 24e der
Polzahnscheibe 24 liegt einem ersten gekrümmten Durchtritts-Innenwandabschnitt 14b der Statorschale 14 gegenüber. Auf
Grund der unterschiedlichen Krümmung
der beiden Abschnitte – der Durchtritts-Außenrandabschnitt
weist einen sehr kleinen Krümmungsradius
auf, der gerade Durchtritts-Außenrandabschnitt 24e dagegen
einen unendlich großen
Krümmungsradius – ist im
Teil-Freiraum 42b eine Durchtrittsöffnung 25 geschaffen.
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Alternativ kann der Druchtritts-Außenrandabschnitt
der Polzahnscheibe 24 entsprechend dem Durchtritts-Außenrandabschnitt 24e' (siehe in 2 rechts) mit einem größeren, jedoch
endlich großen,
Krümmungsradius
als der ihm gegenüberliegende
Durchtritts-Innenwandabschnitt 14b' der Statorschale 14 ausgebildet
sein.
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Anzumerken ist, dass der Statorfuß 26 im Bereich
seines Schaftes 26a einen Abschnitt 58 geringeren
Querschnitts aufweist, um für
das Kühlmittel einen
möglichst
großen
Strömungsquerschnitt
im Teil-Freiraum 42a bereitzustellen.
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In 3 ist
im Wesentlichen eine zur Polzahnscheibe 24 von 2 alternative Polzahnscheibe 24" dargestellt.
Anstelle von Durchtritts-Außenrandabschnitten,
welche, wie in 1 gezeigt
ist, zusammen mit der Innenwandabschnitten der Statorschale 14 bzw.
einer darauf aufgetragenen ausgehärteten Schicht an Gießmasse 56 eine
Durchtrittsöffnung
bilden, sind in der Polzahnscheibe 24" Durchtrittsöffnungen 25" vorgesehen,
durch die Kühlmedium
hindurch treten kann.
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In 4 ist
ein Schnitt entlang Linie IV–IV von 1 durch eine Wickelspule 22 gezeigt.
Die dort dargestellte Polzahnscheibe 24 entspricht der
in 2 gezeigten, wobei
die Polzahnscheibe 24 von 4 Durchtritts-Außenrandabschnitte 24e' aufweist, welche
einen größeren Krümmungsradius
als die ihnen gegenüberliegenden
Durchtritts-Innenwandabschnitte 14b aufweisen.
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In 4 bildet
der läuferferne
Abschnitt 22a der Wickelspule 22 einen ersten
Kühlabschnitt
derselben, welcher im Teil-Freiraum 42a von Kühlmittel umströmt und dadurch
gekühlt
wird. Ein zweiter Kühlabschnitt 22b der
Wickelspule 22 ist gebildet durch die zu den zweiten Teil-Freiräumen 42b hinweisenden
Wickelspulenabschnitte 22b. Ein dritter Kühlabschnitt 22c der
Wickelspule 22 ist im Bereich des dritten Freiraums 42c gebildet.
Es handelt sich dabei um einen zur läufernahen Seite des Kerns 48 hinweisenden
Wickelspulenabschnitt 22c.
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In 5 ist
eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Stators
im Längschnitt schematisch
abgebildet. In 5 sind
gleiche Bauteile wie in 1 mit
gleichen Bezugszeichen versehen, jedoch vermehrt um die Zahl 100.
Die in 5 gezeigte Ausführungsform
wird im Folgenden nur insoweit beschrieben werden, als sie sich
von der in 1 gezeigten
unterscheidet. Im Übrigen
wird auf die Beschreibung der 1 bis 4 verwiesen.
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Der wesentliche Unterschied zwischen
der Ausführungsform
von 5 zu der in 1 Gezeigten besteht darin,
dass bei dem Stator 110 der zweiten Ausführungsform
Gießmasse
vom Boden 114a der Statorschale 114 bis zu einer
Höhe H
in die Statorschale 114 eingefüllt wurde. Dadurch ist lediglich ein
einziger Freiraum 142 nahe des Statorschalendeckels 116 auf
der läuferfernen
Seite des Kerns vorhanden. Der Statorschalendeckel 116 weist
nahe seines einen Längsendes
einen Kühlmitteleinlaß 136 auf,
durch den Kühlmittel
in den Freiraum 142 eingeleitet wird. Nahe des anderen
Längsendes
des Statorschalendeckels 116 ist ein Kühlmittelauslaß 140 vorgesehen,
durch den Kühlmittel
aus dem Freiraum 142 abgeführt wird. Durch diese Anordnung
von Kühlmitteleinlaß 136 und
Kühlmittelauslaß 140 kann sicher
gestellt werden, dass das Kühlmittel
den Freiraum 142 möglichst über seine
gesamte Länge durchströmt und dabei
Wärme von
den Wicklungen aufnimmt.
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In 6 ist
ein Querschnitt längs
der Linie VI-VI von 5 dargestellt.
Dort ist zu erkennen, dass der strichliniert angedeutete, den Freiraum 142 durchsetzende
Wickelspulenabschnitt 122a der einzige Kühlabschnitt
der Wickelspule 122 ist. Dieser wird rundum von Kühlmittel
umströmt
und gibt dabei Wärme
an dieses ab.
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Es ist weiter zu erkennen, dass die
Einfüllhöhe H derart
gewählt
ist, dass der Kern 148 vollständig von Gießmasse 156 umgeben
ist. Dadurch ist der Kern 148 gut gegen Umwelteinflüsse, wie
z. B. Feuchtigkeit, geschützt.