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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem als Rotor oder Stator einsetzbaren
Hauptelement für
eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Gleichstrom-Kleinmotor,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
magnetisch leitfähigen
Körper
von Statoren oder Rotoren einer elektrischen Maschine werden zunehmend
aus SMC-Material (Soft Magnetic Powder Iron Composite) hergestellt
und verdrängen insbesondere
bei Gleichstromkleinmotoren die laminierten Eisenkörper oder
Blechpakete, da sie fertigungstechnisch sehr viel einfacher herstellbar
sind. Darüber
hinaus bietet das SMC-Material weitere Vorteile im Vergleich zu
Stator- oder Rotorkörper
aus Blechlamellenpaketen, so die Reduktion von Eisenverlusten bei
hohen Frequenzen bei Motoren mit hoher Drehzahl oder einer großen Polzahl,
eine verbesserte thermische Charakteristik durch den Gebrauch von
dünnen
Zahnisolationen, da die Zähne
ohne scharfe Ecken und Kanten gepresst werden können, und eine hohe Flexibilität im Design
des Motors. Das SMC-Material wird üblicherweise mittels eines
Presswerkzeugs in die gewünschte
Form des Stators oder Rotors gepresst und dann bei einer relativ
niedrigen Temperatur von beispielsweise bis zu 500°C wärmebehandelt.
Bei der Pressung muss eine relativ hohe Dichte des Materials erreicht
werden, die der von Eisen (7,8 g/cm3) möglichst
nahe kommt. Eine solche Dichte kann nur dann erreicht werden, wenn
das Formverhältnis
des Presslings (aspect ratio) möglichst
groß ist.
Als Grenzwert hat sich dabei ein Formverhältnis von 1:15 herausgestellt.
Unter Formverhältnis
wird das Verhältnis
der kleinsten Abmessung des quer zur Pressrichtung sich erstreckenden
Querschnitts des Presslings zur Länge des Presslings in Pressrichtung
verstanden.
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Zur
Einhaltung eines solchen Formverhältnisses ist bei einem bekannten,
mehrpoligen Stator aus SMC-Material für eine Innenläufermaschine
(WO 99/50949) der außenliegende
Rückschlussring,
auch Rückschlussjoch
genannt, aus einer der Zähnezahl der
Statorzähne
entsprechenden Anzahl von Ringsegmenten in Umfangsrichtung zusammengesetzt. Jedes
Ringsegment des Rückschlussrings
trägt einstückig einen
Statorzahn mit einem Zahnhals und einem den Zahnhals an dessen rückschlussringfernem Ende
begrenzenden Zahnschuh. Jedes Ringsegment mit Zahnhals und Zahnschuh
ist aus SMC-Material
durch Pressen und Wärmebehandlung
hergestellt. Die Zahnhälse
sind an ihren axialen Enden abgerundet oder weisen ein ovales Profil
auf, so dass infolge Wegfall von scharfen Kanten an den Zahnhälsen nur
eine dünne
Isolierschicht aufgebracht werden muss, auf die dann die Ringspule
aufgewickelt werden kann. Die einzelnen Ringspulen der Statorwicklung
werden direkt auf die Zahnhälse
mit herkömmlicher
maschineller Wickeltechnik aufgewickelt. Nach Aufwicklung der Ringspulen
werden die einzelnen Ringsegmente in Umfangrichtung aneinandergesetzt
und fest miteinander verbunden.
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Bei
einem ebenfalls bekannten Stator aus SMC-Material für eine Innenläufermaschine
(WO 00/69047) wird der Rückschlussring
einerseits und die Statorzähne
mit Zahnhals und Zahnschuh andererseits getrennt aus SMC-Material
in der gewünschten
Form hergestellt. Nach Aufschieben der vorgefertigten Ringspulen
auf die Zahnhälse
werden die Statorzähne
mit den zahnschuhfernen Enden der Zahnhälse in vorbereitete Ausnehmungen
im Rückschlussring
formschlüssig
eingesetzt und an diesen befestigt.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Hauptelement
für eine
elektrische Maschine mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den
Vorteil, dass die einzelnen, aus SMC-Material gefertigten Module
einerseits ein relativ großes
Formverhältnis
in axialer Pressrichtung haben und daher mit großer Materialdichte hergestellt
werden können
und andererseits durch Aneinanderfügen von nur wenigen Modulen aus
nur zwei Modulvarianten sich eine große axiale Länge des Hauptelements darstellen
lässt.
Dies erlaubt die kostengünstige
Herstellung von im Durchmesser kleinen elektrischen Maschinen mit
einer großen
axialen Länge
zur Erzielung einer hohen Leistung, insbesondere von Kleinmotoren
für Anwendungszwecke
in Kraftfahrzeugen, z.B. Gleichstrommotoren für Sitzverstellung und Fensterantrieb
oder bürstenlosen
Gleichstrommotoren für
die Benzindirekteinspritzung. Unabhängig von der Polzahl oder der
Zähnezahl
der elektrischen Maschine sind für
einen Rotor oder Stator größerer Länge nur
vier SMC-Körper
mit nur zwei Pressformen zu pressen und dann zu fügen. Diese
Zahl an SMC-Einzelteilen liegt
weit unter der Zahl der SMC-Bauelemente, die bei den eingangs beschriebenen,
bekannten SMC-Statoren gepresst und montiert werden müssen, um
den fertigen Stator zu erhalten.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Hauptelements einer elektrischen Maschine möglich.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind zwei identische Module als Außenmodule außenliegend
und zwei identische Module als Zwischenmodule zwischen den Außenmodulen angeordnet.
Dabei sind die Außenmodule
so geformt, dass bei Entfernen der beiden Zwischenmodule die beiden
Außenmodule
zu einem axial verkürzten
Rückschlussring
mit angeformten Zähnen
aneinandersetzbar sind. Dies hat den Vorteil, dass die elektrische
Maschine gleicher Bauart je nach Leistungsbedarf ohne konstruktive
oder fertigungstechnische Änderungen
nach dem Baukastenprinzip einmal mit großer und einmal mit kleiner
axialer Baulänge
und damit mit größerer oder
kleinerer Leistung hergestellt werden kann. Hierzu sind lediglich
von den für
eine lange Maschine erforderlichen Modulen die beiden Zwischenmodule
wegzulassen, um eine Maschine mit kleiner axialer Baulänge und
entsprechend geringerer Leistung zu erhalten.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines wicklungslosen Stators aus SMC-Material
von großer
axialer Baulänge
für einen
Innenläufermotor,
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2 eine
Draufsicht des bewickelten Stators in Richtung Pfeil II in 1,
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3 einen
Schnitt des wicklungslosen Stators längs der Linie III-III in 2,
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4 einen
Schnitt eines Zahnen des Stators längs der Linie IV-IV in 3,
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5 eine
Explosionsdarstellung des mittig getrennten Stators in 1,
wobei jede Statorhälfte zwei
Module unterschiedlicher Ausgestaltung umfasst,
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6 eine
Stirnansicht der einen Statorhälfte
in Richtung Pfeil VI in 5,
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7 einen
Schnitt längs
der Linie VII-VII in 6,
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8 eine
Explosionsdarstellung einer Statorhälfte in 5,
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9 eine
Stirnansicht des in 8 linken Moduls, in Richtung
Pfeil IX,
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10 einen
Schnitt längs
der Linie X-X in 9,
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11 eine
Stirnansicht des in 8 rechten Moduls in Richtung
Pfeil XI,
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12 einen
Schnitt längs
der Linie XII-XII in 11,
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13 eine
Explosionsdarstellung eines wicklungslosen Stators mit verkürzter axialer
Baulänge,
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14 eine
perspektivische Ansicht des Stators in 13,
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15 eine
Stirnansicht des Stators in 14,
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16 einen
Schnitt längs
der Linie XVI-XVI in 15,
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17 einen
Schnitt eines Zahns des Stators längs der Linie XVII-XVII in 16.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 bis 3 ist
ein als Stator eingesetztes Hauptelement eines dreiphasigen, mehrpoligen,
z.B. vierpoligen, bürstenlosen
Innenläufer-Gleichstrommotors
als Ausführungsbeispiel
für ein
Hauptelement einer elektrischen Maschine in perspektivischer Ansicht,
in Stirnansicht und im Längsschnitt
dargestellt. Der Stator weist einen aus magnetisch leitfähigem SMC-Material
(Soft Magnetic Powder Iron Composite) hergestellten SMC-Körper 11 mit einem
Rückschlussjoch
oder Rückschlussring 12 und
mit am Rückschlussring 12 einstückig angeformten,
radial nach innen abstehenden Zähnen 13,
die um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt sind, sowie eine
in 2 schematisch angedeutete Statorwicklung 10 auf,
die in Form von einzelnen Ringspulen 101 auf die Zähne 13 aufgewickelt
ist. Der SMC-Körper 11 besteht
aus insgesamt vier separat gefertigten, axial fluchtend aneinandergesetzten
Modulen, von denen jeweils zwei Module identisch ausgebildet und
beim Aneinandersetzen gegeneinander um 180° in der von den Modulachsen
aufgespannten Ebene gedreht sind. Dabei sind zwei identische Module
als Außenmodule 14 außenliegend
und zwei identische Module als Zwischenmodule 15 zwischen den
Außenmodulen 14 angeordnet.
Zur Herstellung der Module 14, 15 wird SMC-Eisenpulver
in einer Pressform, die die Form der Außenmodule 14 bzw. der
Zwischenmodule 15 vorgibt, gepresst, wobei die Pressung
in axialer Richtung der Module 14, 15 erfolgt,
und anschließend
thermisch behandelt. Die Module 14, 15 werden
dabei auf eine Dichte von ca. 7,3 g/cm3 oder
größer gepresst.
Die thermische Behandlung erfolgt beispielsweise über ca.
30 min in Luftatmosphäre
bei einer Temperatur von ca. 500C°. Damit
die angegebene, gewünschte
hohe Dichte des Eisenpulvers in den Modulen 14, 15 erreicht
wird, ist jedes Modul 14, 15 so geformt, dass
sein sog. Formverhältnis
(aspect ratio) einen Grenzwert von 1:15 nicht unterschreitet. Unter
Formverhältnis
wird das Verhältnis
der kleinsten Abmessung des Presslings quer zur Pressrichtung zu
der Abmessung des Presslings in Pressrichtung definiert. Da bei
den Modulen 14, 15 die Pressung des Eisenpulvers
in Achsrichtung der Module 14, 15, erfolgt, ist
die axiale Länge der
einzelnen Module 14, 15 so gewählt, dass das Formverhältnis an
keiner Stelle des Moduls kleiner als das vorgegebenen minimale Verhältnis ist.
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Die
Module 14, 15 weisen jeweils ein ringförmiges Rückschlusselement
oder -segment 16 bzw. 17 und eine gleiche Zahl
von um gleiche Umfangswinkel am Rückschlusssegment 16 bzw. 17 versetzten
Modulzähnen 18, 19 auf.
Jedes Rückschlusssegment 16, 17 bildet
einen von vier axialen Abschnitten des Rückschlussrings 12,
und die Modulzähne 18, 19,
die einseitig über
das zugeordnete Rückschlusssegment 16 bzw. 17 vorstehen,
bilden mit Zusammensetzen der Module 14, 15 die
Zähne 13 des SMC-Körpers 11.
Die Zahl der Modulzähne 18 bzw. 19 an
jedem Außenmodul 14 bzw.
Zwischenmodul 15 ist halb so große wie die Zahl der Zähne 13 des SMC-Körpers 11.
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In 8 ist
von den beiden identischen Außenmodulen 14 und
den beiden identischen Zwischenmodulen 15 jeweils eines
perspektivisch dargestellt. 9 und 10 zeigen
das Außenmodul 14 in
Stirnansicht und im Längsschnitt. 11 und 12 zeigen
das Zwischenmodul 15 in Stirnansicht und im Längsschnitt.
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Entsprechend
dem vorher Gesagten besitzt das Außenmodul 14 drei um
gleiche Umfangswinkel zueinander an der Innenwand des Rückschlusssegments 16 versetzt
angeordnete Modulzähne 18,
die einstückig
mit dem Rückschlusssegment 16 ausgeführt sind.
Jeder Modulzahn 18 weist einen Zahnhals oder Zahnschaft 20 und
einen Zahnschuh 21 auf, der an dem vom Rückschlusssegment 16 abgekehrten Ende
des Zahnschaftes 20 angeordnet ist und an den voneinander
abgekehrten, sich in Axialrichtung erstreckenden Längsseiten
des Zahnschaftes 20, also in Umfangsrichtung, über den
Zahnschaft 20 vorsteht. Die Zahnschuhe 21 haben
eine gleiche axiale Länge
wie die Zahnschäfte 20.
Die Zahnschäfte 20 sind
an ihren Stirnseiten abgerundet, wie dies in 17 zu
erkennen ist. Zahnschäfte 20 und
Zahnschuhe 21 stehen mit einem Teil ihrer Axiallänge, im Beispiel
mit der halben Axiallänge,
einseitig über
das Rückschlusssegment 16 vor.
Die Anzahl der Modulzähne 18 ist
halb so groß,
wie die Gesamtzahl der Zähne 13 am
Rückschlussring 12 des
SMC-Körpers 11.
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In 11 und 12 ist
das Zwischenmodul 15 in Stirnansicht und im Längsschnitt
dargestellt. Am Rückschlusssegment 17 sind
wiederum die drei Modulzähne 19 um
gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt einstückig an der Innenwand des Rückschlusssegments 17 angeformt.
Die Anzahl der Modulzähne 19 ist
halb so groß wie
die Gesamtzahl der Zähne 13 am
Rückschlussring 12 des
SMC-Körpers 11.
In gleicher Weise wie beim Außenmodul 14 besitzt
jeder Modulzahn 19 einen Zahnhals oder Zahnschaft 22 und
einen Zahnschuh 23, die in gleicher Weise ausgebildet sind
wie bei den Modulzähne 18 am
Rückschlusssegment 16.
Die Modulzähne 19,
die die gleiche Axiallänge
besitzen wie die Modulzähne 18,
stehen aber mit einer größeren axialen
Länge über die
Stirnseite des Rückschlusssegments 17 vor, so
dass die Übergangsfläche von
Zahnschaft 22 zum Rückschlusssegment 17 kleiner
ist als bei dem Außenmodul 14.
Die außerhalb
des Rückschlusssegments 17 liegenden
Stirnenden der Zahnschäfte 22 sind – wie die
Zahnschäfte 20 der
Modulzähne 18 am Außenmodul 14 – abgerundet.
Die innerhalb des Rückschlusssegments 17 liegenden
Stirnenden der Zahnschäfte 22 sind
jeweils mit einer konkaven Einwölbung 24 versehen,
die einen gleichen Wölbungsradius
aufweist wie die Rundungen der Zahnschäfte 22 an dem anderen
Stirnende der Zahnschäfte 22 bzw.
an den Stirnenden der Zahnschäfte 20 in
dem Außenmodul 14.
Die Zahnschuhe 23 sind gegenüber den Zahnschäfte 22 an
dem die Einwölbung 24 tragenden
Stirnende der Zahnschäfte 22 verkürzt und reichen
nur bis an die tiefste Stelle der Einwölbung 24, wie dies
in 12 und auch in 4 zu sehen
ist.
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Wie
aus 8 und 12 zu
erkennen ist, weist das Rückschlusssegment 17 des
Zwischenmoduls 15 drei um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt
angeordnete Aussparungen 25 auf, die von derjenigen Stirnseite
des Rückschlusssegments 17 aus
eingebracht sind, an der die Modulzähne 19 vorstehen.
Die Aussparungen 25 haben gleiche Abmessungen in Axial-
und Umfangsrichtung. Sie sind mittig zwischen den Modulzähnen 19 angeordnet.
Wie in 5 illustriert ist, nehmen die Aussparungen 25 die die
Modulzähne 19 tragenden
Bereiche des Rückschlusssegments 17 des
anderen Zwischenmoduls 15 auf. Dadurch wird einerseits
sichergestellt, dass eine ausreichend große Verbindungsfläche zwischen Rückschlusssegment 17 und
Modulzahn 19 vorhanden ist und andererseits eine drehsteife
Verbindung zwischen den aneinandergesetzten Zwischenmodulen 15 besteht.
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Um – wie eingangs
beschrieben worden ist – bei
der Herstellung der Module 14, 15 durch axiales Pressen
des SMC-Pulvers
das geforderte Formverhältnis
möglichst
groß zu
machen, ist bei einer beispielhaften radialen Dicke oder Stärke der
Rückschlusssegmente 16, 17 von
6 mm die axiale Länge der
Rückschlusssegmente 16, 17 ca.
25 mm gewählt, was
ein Formverhältnis
von ca. 1:4 ergibt. An den kritischen Stellen der Module 14, 15,
nämlich
an den relativ dünnen
Zahnschuhen 21, 23 mit einer radialen Dicke von
ca. 2 mm, ergibt sich damit noch ein im Toleranzbereich liegendes
Formverhältnis
von ca. 1:12.
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Zur
Herstellung des in 1 bis 3 dargestellten
SMC-Körpers 11 werden – wie bereits
beschrieben – zwei
Außenmodule 14 und
zwei Zwischenmodule 15 axial aneinandergereiht. Hierzu
wird zunächst – wie dies
in 8 dargestellt ist – ein Zwischenmodule 15 auf
einen Außenmodul 14 axial
aufgesetzt, und zwar so, dass die Modulzähne 18 und 19 miteinander
fluchten. Am Ende der durch die Pfeile markierten Aufsetzbewegung
dringen die Rundungen an den Modulzähnen 18 in die Einwölbungen 24 an
den Modulzähnen 19 ein,
und die Zahnschuhe 21 und 23 liegen ebenso plan
aneinander wie die einander zugekehrten Stirnflächen der Rückschlusssegmente 16 und 17.
Durch die in die Einwölbungen 24 der
Zahnschäfte 22 eindringenden
Zahnschäfte 20 wird
ein Verdrehen der beiden Module 14, 15 relativ zueinander
verhindert, was das Aufbringen der Ringspulen auf die aus den Modulzähnen 18, 19 zusammengesetzten
Zähne 13 erleichtert.
Jeder Zahn 13 des SMC-Körpers 11 wird
dabei in Achsrichtung zur Hälfte
von einem Modulzahn 18 und einem Modulzahn 19 gebildet.
Auf jeden Zahn 13 wird nunmehr eine Ringspule 101 der
Statorwicklung 10 aufgewickelt, wie dies in 2 schematisch
angedeutet ist.
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Zwei
solcher, jeweils aus einem Außenmodul 14 und
einem Zwischenmodul 15 zusammengesetzter Komponenten des
SMC-Körpers 11,
die jeweils die Hälfte
der Gesamtzahl der Zähne 13 und
entsprechend die Hälfte
der Gesamtzahl der Ringspulen 101 der Statorwicklung 10 tragen,
werden axial zu dem SMC-Körper 11 mit
Statorwicklung 10 zusammengesetzt, wobei vor dem Fügen die
eine Komponente aus Außenmodul 14 und
Zwischenmodul 15 in der Ebene, in der die Modulachsen liegen,
um 180° gegenüber der
anderen Komponente aus Außenmodul 14 und
Zwischenmodul 15 gedreht wird, so dass die beiden Zwischenmodule 15 einander
zugekehrt sind, wie dies in 5 perspektivisch
dargestellt ist. Zusätzlich
wird noch das eine Außenmodul 14 und
das damit starr verbundene Zwischenmodul 15 gegenüber dem
anderen Außenmodul 14 und
dem damit starr verbundenen Zwischenmodul 15 um einen solchen
Winkel in Umfangsrichtung gedreht, dass die Zähne 13 der einen Komponente
des SMC-Körpers 11 auf
Lücke zu
den Zähnen 13 der
anderen Komponente des SMC-Körpers 11 stehen.
Bei der dargestellten Ausführung
des SMC-Körpers 11 mit
sechs Zähnen 13 beträgt der Verdrehungswinkel
60°. Allgemein
beträgt
der Verdrehungswinkel 360°/N,
wenn N die Gesamtzahl der am SMC-Körper 11 vorhandenen Zähne 13 ist.
Die beiden Komponenten des SMC-Körpers 11 werden
in dieser Ausrichtung, wie sie auch in 5 zu sehen
ist, axial in Pfeilrichtung ineinandergeschoben, wobei wechselseitig
die die Modulzähne 18 tragenden
Bereiche oder Abschnitte der Rückschlusssegmente 17 des
einen Zwischenmoduls 15 in die Aussparungen 25 im
jeweils anderen Zwischenmodul 15 formschlüssig eindringen.
Am Ende des Fügungsvorgangs
ergibt sich der in 1 perspektivisch und in 3 im
Längsschnitt
jeweils ohne Statorwicklung 10 dargestellte Stator.
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Der
vorstehend beschriebene Aufbau des SMC-Körpers 11 hat den zusätzlichen
Vorteil, dass ohne konstruktive und fertigungstechnische Änderungen
sich eine elektrische Maschine, insbesondere ein Gleichstrommotor,
gleicher Bauart mit verkürzter, axialer
Länge realisieren
lässt.
Hierzu werden – wie dies
in 13 bis 16 dargestellt
ist – die
beiden Zwischenmodule 15 zwischen den Außenmodulen 14 entfernt
und die Außenmodule 14 unmittelbar
in der in 13 durch die Pfeile angedeuteten
Axialrichtung aneinandergefügt.
Die beiden Außenmodule 14 sind
dabei in gleicher Weise ausgerichtet wie vorstehend beschrieben,
so dass ihre Stirnseiten, an denen die Modulzähne 18 axial vorstehen,
einander zugekehrt sind und die Modulzähne 18 in dem einen Außenmodul 14 auf
Lücke zu
den Modulzähnen 18 im
anderen Außenmodul 14 stehen.
Vor dem Zusammenfügen
der Außenmodule
werden die Ringspulen der Statorwicklung auf die Modulzähne 18 beider
Außenmodule 14 aufgewickelt.
Der zusammengesetzte SMC-Körper 11 mit
axial verkürzter
Baulänge
ist in 14 perspektivisch, in 15 in
Stirnansicht und in 16 im Längsschnitt dargestellt. Die
Rückschlusssegmente 16 der
beiden aneinanderliegenden und drehfest miteinander verbundenen
Außenmodule 14 bilden
den Rückschlussring 11' des axial verkürzten Stators,
und jeweils ein Modulzahn 18 der beiden Außenmodule 14 bildet
einen Zahn 13' des axial
verkürzten
Stators. Da im Ausführungsbeispiel jedes
Außenmodul 14 jeweils
drei Modulzähne 18 trägt, ergibt
sich wiederum die Gesamtzahl von sechs Zähnen 13' am verkürzten Stator.
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Die
Erfindung ist nicht auf den beispielhaft beschriebenen Stator für eine Innenläufermaschine beschränkt. So
kann in gleicher Weise auch ein Stator für eine Außenläufermaschine aufgebaut werden. Ebenso
ist die erfindungsgemäße Zusammensetzung
des SMC-Körpers
auch bei Rotoren für
elektrische Maschinen mit gleichen Vorteilen vornehmbar.