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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor.
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Elektrische Maschinen umfassen einen ortsfesten Stator und einen relativ dazu beweglichen Rotor. Der Stator enthält Nuten, in die elektrische Wicklungen eingelegt werden können. Häufig weisen derartige elektrische Maschinen einen oder mehrere Permanentmagnete mit je einem Nord- und Südpol auf. Hierdurch wird ein Rastmoment der Maschine erzeugt, welches von der Geometrie der Maschine abhängig ist. Das Rastmoment führt zu unerwünschten Geräuschen und mechanischen Vibrationen. Darüber hinaus werden die Energieausnutzung und der Wirkungsgrad der Maschine vermindert.
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Zudem verursacht das Rastmoment beziehungsweise die damit verbundene Drehmomentwelligkeit Schwankungen in der Drehzahl und Probleme bei der Steuerung.
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Letztlich rührt das Rastmoment von der Wechselwirkung, nämlich der magnetischen Anziehung zwischen dem Magnetfluss der Magnete und der Statorgeometrie her, die zu einer veränderlichen Reluktanz mit Winkelabhängigkeit des Rotors führen. Die Drehmomentwelligkeit ist das Ergebnis der Wechselwirkung von höheren Harmonischen der Flussdichte im Luftspalt, die durch die Rotormagnete und Statorströme verursacht werden. Bei Schenkelpolrotortopologien treten zusätzliche Komponenten der Drehmomentwelligkeit als Ergebnis einer Wechselwirkung zwischen dem Magnetfluss von Statorströmen und höheren Harmonischen des magnetischen Leitwerts des Rotors auf.
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In industriellen Anwendungen besteht Bedarf nach modernen Motoren mit geringer Drehmomentwelligkeit und geringem Rastmoment. Die Drehmomentwelligkeit und das Rastmoment sollten beispielsweise geringer als 5% beziehungsweise 0,5% des Nenndrehmoments sein.
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In dem Aufsatz
"Cogging Torque Reduction in a Permanent Magnet Wind Turbine Generator", E. Muljadi and J. Green, 21. American Society of Mechanical Engineers, Wind Energy Symposium, Reno, Nevada, January 14 to 17, 2002, NREL/CP-500-30768 wird vorgeschlagen, das Rastmoment bei einer Windturbine zu reduzieren. Hierfür wird ein gleichförmiger Luftspalt, eine Beeinflussung der Polbreite und eine Schrägstellung des Rotors betrachtet.
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Nachteilhaft bei diesen Ansätzen sind jedoch die Verringerung des Wirkungsgrads und/oder die Erhöhung der Herstellungskosten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Maschine und einen Rotor für eine elektrische Maschine anzugeben, bei denen ein verringertes Rastmoment und eine geringere Drehmomentwelligkeit bei gutem Wirkungsgrad und geringem Herstellungsaufwand möglich sind.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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In einer Ausführung umfasst ein Stator für eine elektrische Maschine zumindest zwei Teil-Statoren. Gemeinsam bilden die Teil-Statoren den Stator für die elektrische Maschine. Jeder Teil-Stator umfasst Nuten zur Aufnahme von Wicklungen. Die Nuten haben Nutöffnungen. Die Nutöffnungen der Nuten des mindestens einen zweiten Teil-Stators sind in Umfangsrichtung verschoben in Bezug auf die Position der Nutöffnungen der Nuten des ersten Teil-Stators. Die beiden Teil-Statoren sind miteinander axial und/oder in Umfangsrichtung kombiniert.
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Die Nutöffnungen sind bevorzugt zum Luftspalt der elektrischen Maschine hin ausgerichtet.
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Beispielsweise ist eine Symmetrieachse der Nutöffnungen der Nuten des ersten Teil-Stators um einen ersten Winkel in eine Richtung bezüglich der Symmetrieachse der Nuten verschoben, während eine entgegengesetzte Verschiebung der Symmetrieachsen der Nutöffnungen des mindestens einen zweiten Teil-Stators in Bezug auf dessen Symmetrieachsen der Nuten in entgegengesetzte Richtung um den gleichen oder einen anderen Winkel vorgesehen ist.
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Eine Verschiebung der Nutöffnungen führt zu einer entsprechenden Verschiebung der Drehmomentkurve des Rastmoments um einen bestimmten Winkel. Die Aufteilung des Stators in mehrere Teil-Statoren ermöglicht eine Konfiguration, in der sich die Rastmomentkurven des Drehmoments mit Teil-Statoren unterschiedlicher Position der Nutöffnungen gerade gegenseitig auslöschen. Mit anderen Worten ist durch geeignete relative Verschiebung der Nutöffnungen der Teil-Statoren ein verschwindendes Rastmoment des Gesamtstators für eine elektrische Maschine erzielt. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Rastmomentkurven der Teil-Statoren zueinander um 180° verschoben sind und sich so die Kurven gegenseitig vollständig auslöschen.
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Im Gegensatz zu einem geschrägten Rotor ist das vorgeschlagene Prinzip mit wenigstens zwei Teil-Statoren, in die der Stator entweder in axialer oder in Umfangsrichtung aufgeteilt wird, sowie eine Verschiebung der Nutöffnungen, mit verhältnismäßig geringem Aufwand auch in einer Serienfertigung herstellbar. Demnach ergibt sich eine kostengünstige Realisierung. Der Wirkungsgrad der Maschine sowie andere Leistungsparameter bleiben dabei im Wesentlichen unverändert.
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In einer Weiterbildung sind die Nutöffnungen der Nuten des mindestens einen zweiten Teil-Stators in Bezug auf die Nutöffnungen der Nuten des ersten Teil-Stators in axialer Richtung oder in Umfangsrichtung derart verschoben, dass das Rastmoment der Teil-Statoren gegenseitig kompensiert und/oder die Drehmomentwelligkeit reduziert ist.
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Die Teil-Statoren, in die der Stator der elektrischen Maschine aufgeteilt ist, haben in einer Weiterbildung abgesehen von der Verschiebung der Nutöffnungen den gleichen Aufbau und insbesondere gleiche Geometrie.
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Insbesondere können die Zähne, die zwischen benachbarten Nuten ausgebildet sind, gleiche Polform und Polbreite aufweisen und lediglich bezüglich der Position der Nutöffnungen, die verschiedenen Teil-Statoren zugeordnet sind, unterschiedlich sein.
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Nach dem vorgeschlagenen Prinzip ist ein axialer Ausgleich der Rastmomente vorgesehen. Hierzu können zusätzlich vertiefte Nuten bei einem der Teil-Statoren vorgesehen sein.
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Bei einer Teilung des Stators in Umfangsrichtung kann beispielsweise in einem Teil-Stator entlang des Umfangs in einem im Querschnitt halbkreisförmigen Segment des Stators eine Verschiebung der Nutöffnungen nach rechts und im gegenüberliegenden halben Segment, das heißt im anderen Teil-Stator, eine Verschiebung der Nutöffnungen nach links um einen betragsmäßig gleichen Winkel, vorgesehen sein.
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In einer anderen Ausführungsform ist eine elektrische Maschine vorgesehen, die einen Stator wie vorstehend beschrieben umfasst. Relativ zum Stator drehbar gelagert ist ein Rotor vorgesehen. Der Rotor kann wie bei einer herkömmlichen Maschine ausgeführt sein und beispielsweise Permanentmagneten umfassen.
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Alternativ zur rotationssymmetrischen Maschine ist auch das vorgeschlagene Prinzip bei einer Linearmaschine, also einem Linearmotor oder Lineargenerator anwendbar. In diesem Fall ist der Rotor längs des Stators beweglich vorgesehen.
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Bei einer Linearmaschine sind die Nutöffnungen nicht um einen bestimmten Winkel, sondern um eine bestimmte Länge in Bewegungsrichtung des Rotors aus einer Symmetrieachse oder Mittellage heraus verschoben.
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Die elektrische Maschine umfasst beispielsweise einen der folgenden Typen: Linearmaschine, Axialflussmaschine, Radialflussmaschine, Asynchronmaschine, Synchronmaschine.
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Weiterhin kann die Maschine mit Innenläufer oder als Maschine mit Außenläufer aufgebaut sein.
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Der Rotor kann als Käfigläufer oder, im Falle der Asynchronmaschine, als Mehrschichtrotor aufgebaut sein. Im Falle der Synchronmaschine kann der Rotor als Permanentmagnetrotor, Rotor mit vergrabenen Magneten, elektrisch gespeister Rotor, insbesondere Vollpolrotor, Schenkelpolrotor, Heteropolar-Rotor oder Homopolar-Rotor aufgebaut sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei sind gleiche oder gleich wirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1A ein erstes Ausführungsbeispiel eines Teilrotors nach dem vorgeschlagenen Prinzip in abgewickelter Darstellung,
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1B die zugehörige Rastmomentkurve,
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2A einen beispielhaften, zweiten Teilrotor nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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2B die zu 2A zugehörige Rastmomentkurve,
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3 eine Kombination der Rastmomentkurven von 1B und 2B,
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4A ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Prinzips bei einer elektrischen Maschine mit einem ersten Teil-Stator,
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4B die Darstellung von 4A, jedoch mit einem zweiten Teil-Stator und
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5 eine Kombination der Ausführungen von 4A und 4B entlang der Umfangsrichtung,
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6A ein Ausführungsbeispiel eines Stators mit teilbarem Joch,
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6B ein Ausführungsbeispiel eines Stators mit Linksverschiebung der Nutöffnungen,
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6C ein Ausführungsbeispiel des Stators mit Rechtsverschiebung der Nutöffnungen,
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6D eine Kombination von zwei Teil-Statoren gemäß 5B und 5C entlang der Umfangsrichtung des Stators.
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1A zeigt in abgewickelter Darstellung einen Stator 1 und einen Rotor 2, jeweils in einem Ausschnitt eines Querschnitts. Zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 2 ist ein Luftspalt vorgesehen. Der Stator 1 weist eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Nuten 3 auf, zwischen denen Zähne 4 gebildet sind. Die Nuten haben einen quaderförmigen Querschnitt und je eine Nutöffnung 5. Die Nutöffnung 5 ist zum Luftspalt, das heißt zum Rotor hin, ausgerichtet. Die Nutöffnung hat eine geringere Breite als die Nut selbst, so dass sich die Nut zum Luftspalt hin verjüngt. Die Nut 3 hat eine Symmetrieachse A, ebenso hat auch die Nutöffnung eine Symmetrieachse B. Diese im Querschnitt als Achsen erkennbaren Symmetrielinien sind tatsächlich Symmetrieebenen der räumlich ausgedehnten elektrischen Maschine. Man erkennt, dass alle Nutöffnungen 5 eine Symmetrieachse B haben, die gegenüber der Symmetrieachse A der Nut 3 selbst um einen Winkel αX1 nach rechts verschoben ist. Aufgrund der abgewickelten Darstellung ist der Winkel als Distanz dargestellt.
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Mit anderen Worten ist die Nutöffnung nicht mittig an der zum Luftspalt hin gewandten Seite der Nut angeordnet, sondern dazu um den Winkel αX1 verschoben.
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Der Rotor 2 ist im Wesentlichen parallel zum Stator 1 angeordnet und weist in Form von Permanentmagneten Nord- und Südpole auf, deren Magnetisierung durch Pfeile dargestellt ist.
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Anhand der Drehmomentkurven von 1B erkennt man sofort, dass durch Rechtsverschiebung der Nutöffnungen auch eine Rechtsverschiebung der zugehörigen Rastmomentkurve erfolgt. Die konventionelle Maschine ist dabei eine, bei der die Symmetrieachse B der Nutöffnung und die Symmetrieachse A der Nut zusammenfällt, das heißt bei der keine Verschiebung der Nutöffnung aus dem Zentrum der Nut erfolgt. Der Winkel aus 1A wäre bei der konventionellen Maschine null.
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Gleiches gilt bei einer Linksverschiebung der Nutöffnung, wie in 2A gezeigt. Hier ist die Symmetrieachse B der Nutöffnung 5 gegenüber der Symmetrieachse A der Nut 3 nach links verschoben, und zwar um den Winkel αX2. Dies gilt für alle Nutöffnungen des Stators gemäß 2.
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Die Verschiebungswinkel der Nutöffnungen der Nuten von 1A und 2A sind betragsmäßig gleich groß, jedoch entgegengesetzt gerichtet. Abgesehen davon sind der Aufbau und die Geometrie der Teil-Statoren von 1A und 2A gleich.
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Wie anhand der zugehörigen Rastmomentkurve gemäß 2B deutlich wird, führt die Linksverschiebung der Symmetrieachsen der Nutöffnungen und damit die Linksverschiebung der Nutöffnungen aus dem Zentrum heraus auch zu einer Linksverschiebung der zugehörigen Rastmomentkurve.
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Wenn man nun beispielsweise die Statoren von 1A und 2A miteinander in einer einzigen Statorstruktur kombiniert, und zwar beispielsweise derart, dass die Hälfte der axialen Länge der Maschine dem Stator gemäß 1A und die andere Hälfte dem Stator gemäß 2A entspricht, so kann das resultierende Rastmoment des gesamten Stators zu Null reduziert werden. Beispielsweise können die Verschiebewinkel αX1 und αX2 gleich oder verschieden gewählt werden, abhängig vom Motordesign.
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Für einen vorgegebenen Verschiebewinkel der Nutöffnungen können die Rastmomentkomponenten für den ersten und zweiten Teil des Rotors der Maschine um 180° elektrisch zueinander verschoben werden, wie anhand von 3 dargestellt ist. In diesem Fall ist das resultierende Rastmoment des gesamten Stators beziehungsweise der gesamten Maschine komplett eliminiert.
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4A und 4B zeigen an einem anderen Ausführungsbeispiel jeweilige Teil-Statoren, die miteinander in axialer Richtung zu einem Gesamtstator kombiniert sind. In einem Teil der axialen Länge sind die Nutöffnungen nach rechts verschoben, wie in 4A gezeigt ist. Im anderen Teil der axialen Länge des Stators sind die Nutöffnungen gegenüber dem Nutzentrum nach links verschoben, wie in 4B gezeigt ist.
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Man erkennt somit, dass in 4A die Nutöffnungen aus dem Nutzentrum heraus um den Winkel αX1 alle nach rechts verschoben sind oder mit anderen Worten im Uhrzeigersinn, während 4B eine Linksverschiebung betragsmäßig um den gleichen Winkel, jedoch in entgegen gesetzter Richtung, zeigt. Mit anderen Worten sind bei 4B die Nutöffnungen im mathematisch positiven Sinn, also im Gegenuhrzeigersinn, verschoben.
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Diese Art der Statorstruktur wird auch als Statorstruktur mit diskreten Nutöffnungen bezeichnet. In beiden Hälften der Maschine, das heißt im ersten Teil-Stator und im zweiten Teil-Stator, können diese mit den gleichen Laminierblechen gefertigt sein.
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Alternativ können auch mehrere oder sogar beliebig viele Teil-Statoren in axialer Richtung hintereinander kombiniert werden, womit natürlich der Fertigungsaufwand wächst. Führt man den Grenzübergang durch, kann eine Statortopologie mit kontinuierlich veränderlichen Nutöffnungen erzielt werden.
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5 zeigt im Gegensatz zu 4A und 4B keine Kombination von Teil-Statoren in axialer Richtung, sondern eine Kombination von Teil-Statoren in Umfangsrichtung. Dabei ist der im Wesentlichen kreisförmige Querschnitt des Stators in zwei gleich große Hälften geteilt, eine obere Hälfte 6 und eine untere Hälfte 7.
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So ist in der oberen Bildhälfte der 5 ein Teil-Stator 6 mit einer Rechtsverschiebung der Nutöffnungen um den Winkel αX1, analog zu 4A, vorgesehen, während in der unteren Bildhälfte ein Teil-Stator 7 mit einer Verschiebung der Nutöffnungen nach links, also um den Winkel αX2 vorgesehen ist.
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Allgemein gilt, dass der Stator wie im Querschnitt gemäß 5 beispielhaft gezeigt mit einstückigen Blechen in je einer Blechebene realisiert sein kann. Alternativ könnten auch zwei oder mehr Bleche je Blechebene vorgesehen und bei der Fertigung miteinander kombiniert sein.
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Auch dies ist eine einfach zu fertigende Lösung. In diesem Fall besteht der Statorkern nur aus einer Laminierstruktur in axialer Richtung. In der einen Hälfte der minimalen Symmetrie der Maschine werden die Nutöffnungen nach rechts verschoben und in der zweiten Hälfte der Minimumsymmetrie sind die Nutöffnungen nach links verschoben.
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Gegenüber der Ausführung von 4A und 4B hat die Ausführung gemäß 5 den Vorteil, dass in axialer Richtung die Nutöffnung konstant ist, was wiederum die Bewicklung des Stators weiter vereinfacht. Selbstverständlich können mehr als zwei verschiedene diskrete Nutöffnungswinkel verwendet werden, das heißt dass der Stator aus mehr als zwei Teil-Statoren bestehen kann. Bei der Aufteilung des Stators in Umfangsrichtung wie in 5 an einem Beispiel gezeigt ist hier der begrenzende Faktor die minimale Symmetrie der Maschine.
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Sowohl die Ausführung gemäß 4A und B, als auch die Ausführung von 5 zeichnen sich dadurch aus, dass das Rastmoment und die Drehmomentwelligkeit mit einfachen Mitteln. deutlich reduziert werden können. Die Produktionskosten sind im Wesentlichen die gleichen gegenüber einer konventionellen Statorstruktur.
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6A bis 6D zeigen eine beispielhafte modulare Konstruktion eines Stators nach dem vorgeschlagenen Prinzip, die zu einer besonders günstigen Montage und zu geringen Kosten in der Herstellung führt.
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Für elektrische Maschinen mit konzentrierten Wicklungstopologien können die Herstellungskosten des Stators verringert werden, wenn der Statorkern mittels separater Komponenten wie nachfolgend beschrieben modular konstruiert ist. Dies ist am Beispiel einer Maschine mit zwölf Zähnen und zehn Polen erläutert.
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Wie in 6A gezeigt, wird zunächst eine einzelne Statorkomponente konstruiert, die den Zahn und das halbe Joch umfasst. Im nächsten Schritt wird eine konzentrierte Wicklung um den Statorzahn gewickelt, wie ebenfalls in 6A in der oberen Bildhälfte ersichtlich ist. Die Wicklung ist im Querschnitt mit einem X markiert.
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Zwei zusammengehörende Statorkomponenten, die beide den Aufbau und die Wicklung wie in der oberen Bildhälfte gezeigt haben, werden jochseitig, wie in der unteren Bildhälfte von 6A gezeigt ist, miteinander kombiniert.
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Der vollständige Stator wird durch Montage der Statormodule, wie in 6B gezeigt, hergestellt. Die jeweils paarweise bereits kombinierten Statorkomponenten werden mittels weiterer nichtmagnetischer Teile zu dem Stator montiert.
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Im Beispiel der 6A und 6B ergibt sich ein Teil-Stator mit Linksverschiebung der Nutöffnungen.
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In analoger Weise kann, wie in 6C gezeigt ist, durch die modulare Herstellungsmethode eine Konfiguration des Stators mit nach rechts verschobenen Nutöffnungen erzielt werden. Kombiniert man die Ausführungen gemäß 6B und 6C als Teil-Statoren zu einem Gesamt-Stator in axialer Richtung, ergibt sich eine ähnliche Ausführung, wie in 4A und 4B mit den dort beschriebenen Vorteilen.
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Alternativ kann, wie in 6D gezeigt, auch eine Kombination der Teil-Statoren in Umfangsrichtung erfolgen, analog zu der Ausführung gemäß 5. Auch bei der Ausführung gemäß 6D können mehr als zwei unterschiedliche Nutöffnungswinkel für die Verschiebung der Nutöffnung eingesetzt werden, was in entsprechender Anzahl von Teil-Statoren resultiert. Begrenzend ist hier die minimale Symmetrie des Stators der Maschine.
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Wie anhand der Ausführungsbeispiele deutlich wird, erlaubt es das vorgeschlagene Prinzip, einen Stator sowie eine elektrische Maschine mit dem Stator zu erzielen, welche eine Verringerung oder vollständige Kompensation der Rastmomente bewirkt und zugleich mit geringem Aufwand herstellbar ist und einen guten Wirkungsgrad erzielt. Die vorgeschlagene Stator-Topologie kann für alle Arten der bekannten elektrischen Maschinen eingesetzt werden, wie beispielsweise Asynchronmaschine, Permanentmagnet (PM) erregte Synchronmaschine, bürstenlose Gleichstrom-PM-Maschine, geschaltete Reluktanzmaschine, synchrone Reluktanzmaschine, Gleichstrommaschine und so weiter. Zudem ist der Einsatz für unterschiedliche Kombinationen von Rotorpolzahlen und Statornutzahlen möglich und sinnvoll.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Rotor
- 3
- Nut
- 4
- Zahn
- 5
- Nutöffnung
- 6
- Teil-Stator
- 7
- Teil-Stator
- A
- Symmetrieachse der Nut
- B
- Symmetrieachse der Nutöffnung
- αX1
- Verschiebungswinkel
- αX2
- Verschiebungswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Cogging Torque Reduction in a Permanent Magnet Wind Turbine Generator”, E. Muljadi and J. Green, 21. American Society of Mechanical Engineers, Wind Energy Symposium, Reno, Nevada, January 14 to 17, 2002 [0006]
