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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, wie sie in der
DE 10 2007 025 971 A1 beschrieben ist. Eine derartige hybriderregte, polumschaltbare elektrische Maschine eignet sich insbesondere für die Verwendung in Kraftfahrzeugen, da sie sowohl als Generator wie auch als Starter betrieben werden und daher eine zweite Maschine ersetzen kann. Der Rotor dieser Maschine besitzt in einer vorgegebenen Folge permanentmagnetische und elektrisch erregte Pole, wobei die Polzahl des Rotors in Abhängigkeit von der Stärke und der Richtung der elektrischen Erregung umsteuerbar ist.
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Weiterhin ist aus der
JP-2008 125 324 A eine elektrische Klauenpolmaschine für Kraftfahrzeuge bekannt, welche als Generator und als Motor in Kraftfahrzeugen verwendet werden kann. Der Stator der Maschine ist mit Blechen aufgebaut, welche teilweise nach außen abgewinkelt oder verlängert sind und so einerseits im Bereich zwischen der Statorwicklung und dem Maschinengehäuse einen zusätzlichen Jochquerschnitt ausbilden und andererseits nach Art von Kühlrippen über den Außenumfang des Statorkerns hinausragen, wodurch die Ableitung der in der Maschine erzeugten Wärme verbessert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat gegenüber dem aufgezeigten Stand der Technik den Vorteil, dass der bei der Umschaltung der Polzahl sich ausbildende größere magnetische Fluss im Joch des Stators der Maschine durch die spezielle Gestaltung des Jochquerschnittes aufgenommen werden kann, ohne dass die Gesamtabmessungen der Maschine vergrößert werden müssen.
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Da hierbei der für die kleinere Polzahl erforderliche größere Jochquerschnitt durch eine Vergrößerung der axialen Länge des Statorjochs erreicht wird, können in der Regel die radialen Abmessungen des Ständerjoches sogar verkleinert und damit die Außenabmessungen der Maschine reduziert werden. Andererseits ist es durch eine gestufte Ausführung des Statorjochs möglich, den Durchmesser der Maschine zu reduzieren, wenn sich deren Lagerschilde an einem radialen Absatz des Ständerjochs abstützen und nicht über das Joch radial hinausragen, sondern im Wesentlichen auf gleicher Höhe mit dem Statorjoch abschließen. Auch eine Kombination der vorgenannten Gestaltungen ist möglich, indem das Statorjoch einerseits gestuft ausgebildet ist und am Außenumfang der Maschine zwischen die Lagerschilde des Gehäuses hineinragt, und andererseits innerhalb des Gehäuses axial verlängert ist, wobei die axialen Verlängerungen des Jochs die Wickelköpfe der Statorwicklung teilweise umschließen. Zur Verringerung der magnetischen Verluste ist der Stator der Maschine in grundsätzlich bekannter Weise in axialer Richtung geblecht ausgeführt, wahlweise durch eine Schichtung von Einzelblechen oder durch Hochkantrollen eines Blechpaketstreifens.
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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße, polumschaltbare Maschine,
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2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Maschine mit einer dreiphasigen, im Stern verschalteten Statorwicklung,
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3 einen Querschnitt durch den magnetisch aktiven Teil einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und
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4a–e Prinzipdarstellungen verschiedener Ausführungen des Statorblechpaketes.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Schnitt durch eine elektrische Maschine 10 in der Ausführung als Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge dargestellt. Dieser weist ein zweiteiliges Gehäuse 13 auf, das aus einem ersten Lagerschild 13.1 und einem zweiten Lagerschild 13.2 besteht. Der Lagerschild 13.1 und der Lagerschild 13.2 nehmen einen Stator 16 auf, mit einem Statorblechpaket 17, in dessen nach innen offene und sich axial erstreckende Nuten 19 eine Statorwicklung 18 eingelegt ist. Der ringförmige Stator 16 umgibt mit seiner radial nach innen gerichteten Oberfläche einen Rotor 20, der als hybriderregter Rotor ausgebildet ist. Der Stator 16 wirkt hierbei über einen Arbeitsluftspalt mit dem im Stator 16 drehbar gelagerten Rotor 20 zusammen.
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Der Rotor 20 weist über seinen Umfang in einer vorgegebenen Folge mehrere Nordpole und Südpole auf, die durch Permanentmagnete 24, 25 sowie durch die Erregerwicklung 29 ausgebildet werden. Dabei lässt sich die Polzahl des Rotors 20 in Abhängigkeit von der Stärke und Richtung eines Erregerstromes in der Erregerwicklung 29 und durch die Zahl der eingesetzten Permanentmagnete verändern.
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Der Rotor 20 besitzt einen magnetisch leitfähigen Körper, der als Blechpaket 21 ausgebildet ist. Das Rotorblechpaket ist in Achsrichtung laminiert mit einer Blechstärke zwischen 0,1 mm und 2,0 mm. Unterhalb 0,1 mm ist die Widerstandsfähigkeit des Blechpaketes 21 gegen Fliehkräfte zu gering. Oberhalb von 2,0 mm ist die Verringerung des Wirbelstromverluste auf der Außenfläche des Rotors 20 nicht mehr ausreichend, so dass die eingebauten Permanentmagnete 24, 25 geschädigt, beziehungsweise entmagnetisiert werden können.
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Die axiale Länge des Rotorblechpaketes 21 entspricht am Luftspalt der axialen Länge des Statorblechpaketes 17, beziehungsweise ist für einen Toleranzausgleich bis zu 2 mm länger oder kürzer als das Statorblechpaket 17 und wird vorzugsweise durch Schweißnähte zusammengehalten. Es können statt Schweißungen auch Nieten, beziehungsweise Knöpfungen eingesetzt werden.
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Die Erregerwicklung 29 ist beispielhaft bei der zweipoligen Variante als Durchmesserspule ausgebildet und liegt in Nuten, die aus dem Blechpaket 21 ausgestanzt sind. Die Erregerwicklung 29 kann z. B. als Flyerwicklung (Doppelflyer) direkt in das Rotorblechpaket 21 eingewickelt werden.
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Die Magnete 24, 25 werden vorzugsweise in ausgestanzte Taschen 41 im Rotorblechpaket eingesetzt. Hierdurch ist es möglich, die im Betrieb auftretenden Fliehkräfte aufzunehmen und dadurch einen sicheren Halt der Magnete auf dem Rotor zu gewährleisten. Als Magnetmaterial erweist sich ein Material mit einer Remanenzinduktion von größer 1 T als besonders vorteilhaft. Diese magnetischen Eigenschaften weisen insbesondere Permanentmagnete aus Seltenerde-Material auf. Die Magnete werden hierbei in den Rotor derart eingebaut, dass sie ein im Wesentlichen radiales Feld erzeugen. Dieses Feld tritt dann vom Rotor über den Luftspalt in das Statorblechpaket ein und induziert bei Drehung des Rotors eine Spannung in den Wicklungen des Stators.
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Der Rotor 20 ist mittels einer Welle 27 und je einem auf je einer Rotorseite befindlichen Wälzlager 28 in den jeweiligen Lagerschilden 13.1 beziehungsweise 13.2 drehbar gelagert. Er weist zwei axiale Stirnflächen auf, an denen jeweils ein Lüfter 30 befestigt ist. Diese Lüfter bestehen im Wesentlichen aus einem plattenförmigen, beziehungsweise scheibenförmigen Abschnitt, von dem Lüfterschaufeln in bekannter Weise ausgehen. Die Lüfter 30 dienen dazu, über Öffnungen 48 in den Lageschilden 13.1 und 13.2 einen Luftaustausch zwischen der Außenseite und dem Innenraum der elektrischen Maschine 10 zu ermöglichen. Dazu sind Öffnungen 48 an den axialen Enden der Lagerschilde 13.1 und 13.2 vorgesehen, über die mittels der Lüfter 30 Kühlluft in den Innenraum der elektrischen Maschine 10 eingesaugt wird. Diese Kühlluft wird durch die Rotation der Lüfter 30 radial nach außen beschleunigt, so dass sie durch die kühlluftdurchlässigen Statorwickelköpfe 50 auf der Antriebsseite und 51 auf der Elektronikseite hindurchtreten und auch diese kühlen kann. Die Kühlluft nimmt nach dem Hindurchtreten durch die Wickelköpfe 50, 51, beziehungsweise nach dem Umströmen der Wickelköpfe, einen Weg radial nach außen durch Öffnungen 52.
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Verschiedene Möglichkeiten der Gestaltung des Statorblechpaketes 17 sind weiter unten anhand der 4a–e näher erläutert. Aus der Darstellung gemäß der 1 sind zwei grundsätzliche Gestaltungsmöglichkeiten bereits ersichtlich, nämlich im oberen Teil von 1 eine gestufte Ausführung des Statorblechpaketes, welches sich mit radialen Absätzen an den Lagerschilden 13.1 und 13.2 abstützt. Im unteren Teil der 1 ist das Statorblechpaket 17 derart gestaltet, dass es ebenfalls radial bündig mit den Lagerschilden 13.1 und 13.2 abschließt, dabei aber mit axialen Verlängerungen 44 und 45 die Lagerschilde 13.1 und 13.2 hintergreift und dabei die Wickelköpfe 50 und 51 der Statorwicklung 18 teilweise umschließt.
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In 1 auf der rechten Seite befindet sich eine Schutzkappe 47, die verschiedene Bauteile vor Umgebungseinflüssen schützt. So deckt diese Schutzkappe 47 eine Schleifringbaugruppe 49 ab, welche die Erregerwicklung 29 mit Erregerstrom versorgt. Um diese Schleifringbaugruppe 49 herum ist ein Kühlkörper 53 angeordnet, der hier als Pluskühlkörper wirkt, an dem Plusdioden oder MOSFETs 59 montiert sind. Als sogenannter Minuskühlkörper wirkt der Lagerschild 13.2. Zwischen dem Lagerschild 13.2 und dem Kühlkörper 53 ist eine Anschlussplatte 56 angeordnet, welche im Lagerschild 13.2 befestigte Minusdioden oder MOSFETs 58 mit den Plusdioden oder MOSFETs 59 in Form einer Brückenschaltung 69 miteinander verbindet.
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2 zeigt das Schaltschema einer dreisträngigen Wechselstrommaschine, beispielsweise in der Ausführung als Wechselstromgenerator, mit einem Umrichter 64 in der Form eines Synchrongleichrichters oder als Startergenerator, bei dem die Schaltelemente 58 und 59 zyklisch mittels der Ansteuerschaltung 60 mit einer Gleichspannungsquelle 61 verbunden werden. Ein Verbraucher 62 ist über eine Schalteinrichtung 63 an die Gleichspannungsquelle 61 anschließbar. Die drei über Stromschienen mit den Schaltelementen 58, 59 verbundenen Stränge der Statorwicklung 18 sind mit 71, 72, 73 bezeichnet und im Verbindungspunkt 75 zu einem Stern verschaltet. Die Phasenlage in der Statorwicklung 18 wird durch einen Sensor 65 überwacht, welcher entsprechende Signale an die Ansteuerschaltung 60 liefert zur synchronen Ansteuerung der Schaltelemente 58 und 59 und zur Speisung der Erregerwicklung 29 mit dem Erregerstrom Ie. Im Falle der Ausführung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine als Generator ersetzen die vorzugsweise als MOSFETs ausgebildeten Schaltelemente 58 und 59 die bei herkömmlichen Generatoren verwendeten Dioden und bilden dabei einen synchron zur Phasenlage angesteuerten Gleichrichter, welcher im Betrieb deutlich geringere Verluste aufweist als ein Gleichrichter auf der Basis von Halbleiterdioden. Der Vorteil der reduzierten Verluste bei der Verwendung von Halbleiterschaltelementen zur Gleichrichtung übertrifft deutlich den zusätzlichen Aufwand für deren Ansteuerschaltung 60. Zudem eröffnet die Ausführung des Umrichters 64 mit steuerbaren Halbleiter-Schaltelementen die Möglichkeit, die elektrische Maschine als Startergenerator für die Brennkraftmaschine auszubilden, so dass ein separater Starter entfällt. Im Falle der Umsteuerung der Maschine auf eine niedrigere Polzahl wird der Erregerwicklung 29 von der Ansteuerschaltung 60 ein negativer Erregerstrom eingeprägt, wodurch die Maschine schnell abgeregelt werden kann.
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Selbstverständlich lassen sich auch andere Phasenzahlen und Verschaltungsarten ausführen. Besonders zu erwähnen sind hierzu fünfphasige oder sechsphasige Systeme in Stern- oder Dreieckschaltung, deren Ausführung grundsätzlich bekannt ist und hier nicht weiter erörtert werden muss.
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In 3 ist der magnetisch aktive Teil einer elektrischen Maschine mit 14 Polen dargestellt, welche auf zwei Pole umschaltbar ist. Die Abbildung zeigt einen Rotor 20, beziehungsweise ein Rotorblech 21, mit zwei nach innen stark verbreiterten Nuten 40, an dessen Umfang zwei oder vierzehn Pole ausgebildet werden. Die elektrisch erregbaren Einzelpole 32 auf der rechten Rotorhälfte sind als Nordpole und die elektrisch erregbaren Pole 34 auf der linken Rotorseite als Südpole gekennzeichnet. Zwischen den elektrisch erregbaren Polen 32 und 34 sind die Permanentmagnete 24 und 25 in Taschen 43 gehalten, welche in ausgesparten Bereichen 41 zwischen den elektrisch erregbaren Polen 32 und 34 aus den Rotorblechen 21 ausgestanzt sind. In den Taschen 43 sind die Permanentmagnete sicher gehalten, insbesondere gegen die hohen Fliehkräfte im Betrieb der Maschine. Dabei sind die Permanentmagnete 24 und 25 derart ausgerichtet, dass sich ihre Polarität am Luftspalt jeweils mit der Polarität der benachbarten elektrisch erregbaren Pole 32 und 34 abwechselt. Dies bedeutet, dass die Permanentmagnete so angeordnet sind, dass zwischen den Nordpole ausbildenden elektrischen Polen 32 auf der rechten Rotorseite von den Permanentmagneten 25 am Luftspalt jeweils ein Südpol (S) ausgebildet wird, während auf der linken Rotorhälfte die Permanentmagnete 24 so angeordnet sind, dass sie zwischen den Südpole ausbildenden, elektrisch erregten Polen 34 am Luftspalt jeweils einen Nordpol (N) bilden.
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Der Rotor 20 einer gemäß 3 aufgebauten elektrischen Maschine besitzt ein zweipoliges Erregergrundfeld. Die Erregerwicklung 29 ist in zwei gleiche Spulen 29a und 29b aufgeteilt, die beidseitig der Rotorwelle 27 angeordnet und bei Parallelschaltung jeweils vom halben Erregerstrom Ie/2, bei Reihenschaltung vom vollen Erregerstrom Ie gleichsinnig durchflossen sind. Die Permanentmagnete 24 und 25 sind so gepolt, dass sich eine Magnetisierung mit insgesamt 14 Polen ergibt, von denen acht elektrisch und sechs permanentmagnetisch erregt sind. Zur Erzielung einer hohen Leistungsdichte der elektrischen Maschine werden hierbei als Permanentmagnete vorzugsweise Seltenerd-Magnete eingesetzt. Bei geringeren Anforderungen an die Leistungsdichte können statt der Seltenerd-Magnete jedoch auch Ferrit-Magnete als Permanentmagnete verwendet werden.
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Die Schnittdarstellung des Stators 16 einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zeigt in 3 einen Blechschnitt mit 42 Nuten und 42 Zähne. Das Statorblechpaket 17 ist in radialer Richtung zweigeteilt und besitzt ein inneres Blechpaket 37 mit Nuten 19, andere Joch- und Lamellengestaltungen ergeben sich aus den verschiedenen Darstellungen der . Die Zähnezahl, beziehungsweise die Nutzahl von N = 42 ergibt dabei in Verbindung mit einer dreisträngigen Statorwicklung und der größeren Polzahl 2p = 14 im Rotor eine Lochzahl q = 1.
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4 zeigt in vereinfachter Darstellung verschiedene Ausführungen von Statorblechpaketen, bei denen ohne Vergrößerung des Außendurchmessers der Maschine ein Jochquerschnitt A vorhanden ist, welcher die Bedingung A ≥ 0,2·D· l / N erfüllt. Diese Bemessung ergibt sich aus folgender Überlegung:
Die Luftspaltinduktion Bδ sollte bei einer erfindungsgemäßen Maschine im Bereich von 0,5 T bis 1,0 T liegen. Für das Statorjoch eignen sich vorzugsweise Stahlbleche mit einer Sättigungsinduktion Bj von cirka 2,2 T bis 2,4 T. Daraus folgt der erfindungsgemäße Quotient Bδ:Bj für die Bemessung des Jochquerschnittes zu A = Bδ / Bj ·D· l / N ≥ 0,2·D· l / N .
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Hierbei bezeichnen:
- A
- = Gesamtquerschnitt des Statorjochs 42
- D
- = Innendurchmesser des Stators 16
- l
- = axiale Luftspaltlänge = axiale Jochlänge am Luftspalt
- h
- = radiale Jochhöhe
- N
- = Zahl der Erregernuten 40
- Bδ
- = Luftspaltinduktion
- Bj
- = maximale Jochinduktion
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In 4a ist eine erste erfindungsgemäße Statorausführung gezeigt, bei der der Querschnitt A des Statorjochs 22 eine Fläche ≥ 0,2·D·l/N aufweist, wobei als Jochquerschnitt A die Querschnittsfläche radial außerhalb des Nutgrundes der Statornuten bezeichnet wird, in 4 also jeweils die Fläche oberhalb der Statorwicklung 18. Das Blechpaket 17 besitzt eine einheitliche Länge und Dicke und ist durch die beiden Lagerschilde 13.1 und 13.2 in axialer und radialer Richtung gesichert. Die Lagerschilde ragen über das Blechpaket hinaus und bestimmen den Gesamtdurchmesser der Maschine. Im Blechpaket liegt in Längsnuten 19 die Statorwicklung 18, deren Wickelköpfe 50 und 51 deutlich über das Blechpaket 17 in axialer Richtung hinausragen, wobei der Raum zwischen den Wickelköpfen und dem Gehäuse 13 ungenutzt bleibt.
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4b zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Statorblechpaketes 17, bei dem das Statorjoch 22 gestuft ausgeführt ist, derart, dass es Stützflächen für die Lagerschilde 13.1 und 13.2 ausbildet und radial außen bündig mit den Lagerschilden 13.1 und 13.2 abschließt. Die Stufung kann dabei sowohl durch nachträgliche Bearbeitung des Blechpaketes mittels Andrehungen wie auch durch eine Schichtung aus Lamellen mit entsprechend gestufter Größe ausgeführt sein. Durch den bündigen Abschluss der Lagerschilde mit dem Statorblechpaket wird der Durchmesser der Maschine verringert.
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4c zeigt eine gestufte Ausführungsform des Statorblechpaketes 17, bei der die axiale Länge des Statorjochs 42 bereichsweise größer ist als die axiale Länge l des Rotorblechpaketes 21. Hierbei umschließt das Statorjoch 42 teilweise die Wickelköpfe 50 und 51 der Statorwicklung und nutzt so den Freiraum zwischen der Statorwicklung 18 und dem Maschinengehäuse 13 zur Vergrößerung des Jochquerschnittes A. Zum Aufbau des Statorblechpaketes und insbesondere des Statorjochs 42 können wie bei allen anderen Ausführungen der 4 sowohl Einzelbleche als auch ein hochkant gerollter Wickel zum Aufbau des Blechpaketes 17 verwendet werden. Durch die Verlängerung des Jochs 42 kann dessen radiale Ausdehnung reduziert werden und damit der Durchmesser der gesamten Maschine. Die Stufung des Statorjochs 42 erfolgt nur im Bereich oberhalb des Nutgrundes, am Luftspalt sind die axialen Längen des Rotorblechpaketes und des Statorblechpaketes gleich. Die Stützflächen zur Arretierung des Statorblechpaketes 17 sind an den Lagerschilden 13.1 und 13.2 ausgebildet.
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4d zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Stufung des Statorjochs 42 sowohl im Anschluss an den Nutgrund der Statornuten 19 als auch im Bereich des Außenumfangs der Maschine durchgeführt ist. Ein axialer Überhang des Statorjochs 42 erstreckt sich so bis zum Außenumfang der Maschine, die Form des radialen Abschlusses zwischen dem Statorjoch 42 und den Lagerschilden 13.1 und 13.2 entspricht der Ausführung gemäß 4b.
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4e zeigt eine weitere Variante der Gestaltung des Statorjochs 42 mit einer Stufung und einer axialen Verlängerung. In dieser Ausführung ist eine Bearbeitung der Lagerschilde 13.1 und 13.2 nicht erforderlich. Stattdessen wird eine zweite äußere Stufung des Statorjochs durch entsprechende Gestaltung und Dimensionierung der Statorlamellen ausgeführt, welche die Stützflächen für das Blechpaket an den Lagerschilden 13.1 und 13.2 bildet.
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Die Statorwicklung 18 ist, wie bereits anhand von 2 erläutert, vorzugsweise als dreiphasige, im Stern geschaltete Wicklung ausgeführt, wobei andere geeignete Gestaltungen der Wicklung möglich sind. Entsprechendes gilt für den Stator insgesamt, beispielsweise hinsichtlich der Ausführung des Stators als Flachpaket mit anschließendem Rundformen des Statorblechpaketes 17 einschließlich der Statorwicklung 18. Die axiale Verlängerung des Statorjochs 42 hat den Vorteil, dass die radiale Erstreckung des Statorblechpaketes 17 reduziert werden kann, wodurch auch eine Flachpaketfertigung des Stators im Einzelfall ermöglicht oder erleichtert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007025971 A1 [0001]
- JP 2008125324 A [0002]
