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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, welche ein Aktivteil aufweist. Ein Aktivteil ist beispielsweise ein Stator eines elektrischen Motors, welcher elektrische Wicklungen aufweist. Auch elektrische Generatoren oder auch Linearmotore weisen Aktivteile auf. Der Stator weist Nuten und Zähne auf, wobei die Nuten zur Aufnahme von elektrischen Wicklungen vorgesehen sind.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es Zähne miteinander mechanisch zu verbinden, um eine höhere Stabilität zu erzielen. Dies ist beispielsweise bei segmentierten Aktivteilen vorteilhaft, da durch die Segmentierung das Aktivteil Stabilität einbüßt. Die Segmentierung betrifft dabei insbesondere eine Teilung in Umfangsrichtung bei einer rotatorischen elektrischen Maschine. Ein Aktivteil eines Linearmotors kann in einer Längsausdehnung segmentiert sein. Ein Stabilitätsverlust ist insbesondere dann zu befürchten, wenn ein Zahn geteilt ist.
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Eine Lösung der Aufgabe gelingt beispielsweise bei einer elektrischen Maschine gemäß eines der Ansprüche 1 bis 9.
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Bei segmentierten elektrischen Maschinen, beispielsweise direktgetriebenen Windgeneratoren, kann an der Grenze zwischen zwei Segmenten ein Zahn geteilt sein. Damit sich dieser halbe Zahn nicht unter der Einwirkung elektromagnetischer Kräfte verformt oder in Schwingungen gerät, ist dieser abzustützen. Zur Abstützung der halben Zähne zweier benachbarter Segmente wird bei der Montage der Segmente in die Fuge zwischen den beiden Segmenten eine sogenannte Beilage eingelegt. Diese kann beispielsweise eine harzgetränkte Glassfasermatte sein, die nach der Montage in der Fuge aushärtet. Nach der Aushärtung ist die Fuge zwischen den Segmenten ausgefüllt und es erfolgt über die Matte eine gegenseitige Abstützung der beiden halben Zähne, so dass diese Druckkräfte durch den elektrischen Leiter in der Nut aufnehmen können und mechanische Schwingungen der Zähne vermieden werden. Die Verwendung einer Beilage ist bei der Montage einer segmentierten Maschine in den Fertigungsstätten eines Herstellers relativ unproblematisch, erweist sich jedoch bei der Montage in ungünstigen Umgebungen als schwieriger, da ein weiteres Bauteil eingepasst werden muss und die Verwendung von Harzen, Klebstoffen oder ähnlichem erforderlich ist.
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Bei einer elektrischen Maschine, welche ein Aktivteil mit Zähnen aufweist, ist ein erster Zahn über ein Ankerelement mit einem zweiten Zahn mechanisch verbunden. Das Ankerelement ist beispielsweise zur Aufnahme einer Zugbelastung und/oder einer Druckbelastung vorgesehen. Ein derartiges Ankerelement ist beispielsweise bei einem mechanisch geschwächten Zahn, wie einem Halbzahn, vorteilhaft. Das Ankerelement greift von einem Zahn zum andren und verbindet diese. Um die Stabilität zu Erhöhen kann das Ankerelement eine Vorspannung aufweisen.
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Durch Ankerelemente können eine Vielzahl von Zähnen miteinander machanisch verbunden werden. In einer Ausführungsform der elektrischen Maschine kann ein erster Zahn mit den beiden beidseitig nachfolgenden Zähnen mechanisch gekoppelt sein. Im Querschnitt betrachtet kann ein Zahn also zwei Ankerelemente aufweisen, ein erstes Ankerelement zu einem Zahn linkerhand und ein zweites Ankerelement zu einem Zahn rechterhand (betrachtet in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse).
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In einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine derart ausgebildet, dass das Ankerelement eine erste Endseite und eine zweite Endseite aufweist, wobei der erste Zahn eine erste Nut aufweist, wobei der zweite Zahn eine zweite Nut aufweist, wobei die erste Endseite in die erste Nut eingreift, und wobei die zweite Endseite in die zweite Nut eingreift. Endseiten und Nuten können beispielsweise konisch geformt sein, wobei die Endseiten die Federn einer Nut-Feder-Kombination darstellen, wobei Nut und Federn vorteilhaft sich ineinander verhaken.
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In einer Ausführungsform der elektrischen Maschine weisen zwei miteinander verbundene Zähne nur ein Ankerelement auf. Das Ankerelement kann sich dabei über die gesamte Länge der Zähne erstrecken.
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In einer weiteren Ausführungsform der elektrischen Maschine weisen zwei miteinander verbundene Zähne eine Vielzahl von Ankerelementen auf.
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In einer Ausführungsform der elektrischen Maschine weist zumindest eine der Nuten eine Verjüngung auf, wobei zumindest eine der Endseiten eine Verdickung aufweist. Ist ein Querschnitt der Verjüngung kleiner als ein Querschnitt der Verdickung so wird das Ankerelement in der Nut gehalten. Derart kann beispielsweise ein Zug zwischen den Zähnen aufgebaut werden.
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In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist das Ankerelement einen tangential ausgerichteten Abschnitt und endseitig einen radial ausgerichteten Abschnitt auf. Derart kann eine Klammer ausgebildet werden, welche sich über die Nut hinweg zwischen zwei Zähnen spannt.
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In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist das Ankerelement eine erste Endseite und eine zweite Endseite auf, wobei der erste Zahn eine erste Ausnehmung aufweist, wobei der zweite Zahn eine zweite Ausnehmung aufweist, wobei die erste Endseite in die erste Ausnehmung eingreift, und wobei die zweite Endseite in die zweite Ausnehmung eingreift. Die Ausnehmungen in den Zähnen können dabei eine Öffnung aufweisen, welche radial nach außen offen ist. Die Öffnung der Ausnehmung befindet sich dann nicht innerhalb der Nut, welche zur Aufnahme der elektrischen Wicklungen vorgesehen ist.
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In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine verschließt das Ankerelement eine Nut zwischen dem ersten Zahn und dem zweiten Zahn. Die Verschlossene Nut ist dabei die Nut, welche zur Aufnahme der elektrischen Wicklungen dient. Das Ankerelement ist derart in seiner Funktion auch ein Nutverschlusskeil.
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In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist der erste Zahn ein erstes axial gerichtetes Loch auf, wobei der zweite Zahn ein zweites axial gerichtetes Loch aufweist, wobei das Ankerelement in das erste axial gerichtete Loch und in das zweite axial gerichtete Loch eingreift. Löcher im Aktivteil können auf relativ einfache Art und Weise erzeugt werden. Oft weisen die Aktivteile Blechpakete auf. Einzelne Bleche des Blechpakets können derart gestanzt werden, dass sich durch deren Aneinanderreihung ein Loch im Blechpaket ergibt. Dieses Loch, bzw. eine Vielzahl von Löchern können von unterschiedlichem Querschnitt sein. Dies betrifft deren Größe wie auch deren Gestalt.
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In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist das Ankerelement in einem Kopfbereich des ersten Zahns und des zweiten Zahns positioniert. Gerade im Kopfbereich ist die mechanischen Belastbarkeit der Zähne reduziert, so dass der Einsatz des Ankerelementes dort Vorteile birgt. Der Kopfbereich eines Zahnes grenzt an einen Luftspalt der elektrischen Maschine an.
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In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine verbindet das Ankerelement einen Halbzahn mit einem Vollzahn. Die verbessert insbesondere die mechanische Belastbarkeit des Halbzahnes. Der Halbzahn ist dabei insbesondere das Ende eines Teilsegmentes eines Aktivteils der elektrischen Maschine. Derartige elektrische Maschine mit segmentierten Aktivteil finden sich beispielsweise bei Windgeneratoren, oder Motoren für Erzmühlen.
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Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von Figuren beschrieben und erläutert. Es zeigt:
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1 einen ersten Nutverschlusskeil;
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2 einen zweite Nutverschlusskeil;
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3 ein erstes Ankerelement;
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4 ein zweites Ankerelement;
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5 ein drittes Ankerelement; und
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6 ein viertes Ankerelement.
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Die Darstellung gemäß 1 zeigt eine elektrische Maschine 1 ausschnittsweise und schematisch. Die elektrische Maschine 1 weist ein Aktivteil 3, welches insbesondere ein Stator ist und einen Läufer 4 auf. Zwischen dem Läufer 4 und dem Aktivteil 3 befindet sich ein Luftspalt 2. Das Aktivteil 3 weist insbesondere ein Blechpaket auf, wobei dieses Blechpaket einen ersten Zahn 5 und einen zweiten Zahn 9 aufweist. Weitere Zähne des Blechpaketes sind in dieser und den nachfolgenden Figuren nicht dargestellt. Zwischen dem ersten Zahn 5 und dem zweiten Zahn 9 befindet sich eine Nut 8. Diese Nut 8 nimmt eine elektrische Wicklung 6 auf. Der erste Zahn 5 ist mit dem zweiten Zahn 9 über ein Ankerelement 7 verbunden. Das Ankerelement 7 greift in eine erste Nut 15 des ersten Zahnes 5 und in eine zweite Nut 17 des zweiten Zahnes 9 ein.
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Dies stellt eine Alternative zur Ausbildung einer Teilfuge zwischen zwei Segmenten eines Aktivteils durch Beilagen dar. Durch eine Fixierung des Zahns innerhalb des jeweiligen Segments mittels des Ankerelementes erhöht sich die Stabilität. Dadurch lassen sich die Segmente des Aktivteils ohne weitere Maßnahme spezieller Art unmittelbar montieren. Das Ankerelement 7 gemäß 1 ist als ein Nutverschlusskeil ausgeführt, der auch zur Aufnahme von Zugkräften ausgebildet sein könnte. Der Keil 7 zum Verschließen der Nut 8 der elektrischen Maschine 1 ist so ausgebildet, dass dieser Druckkräfte aufnehmen kann.
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Die Darstellung gemäß 2 zeigt ähnlich wie 1 einen Ausschnitt einer elektrischen Maschine 1. Gleichartige Elemente werden hier und im Folgenden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im Vergleich zu 1 weist das Ankerelement 7 einen anderen Querschnitt auf. Damit unterscheiden sich auch die erste Nut 15 und die zweite Nut 17 in ihrer Ausformung von denen der 1. Wie das Ankerelement 7 gemäß 1 nimmt auch das Ankerelement 7 gemäß 2 Druckkräfte auf, welche zwischen dem ersten Zahn 5 und dem zweiten Zahn 9 auftreten können.
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Durch eine Modifikation der Form des Ankerelementes 7 kann erreicht werden, dass dieses nicht nur zur Aufnahme von Druckkräften fähig ist, sondern es auch gelingt durch dieses Zugkräfte aufzunehmen. Die Darstellungen gemäß der nachfolgenden 3, 4, 5 und 6 zeigen mögliche Variationen derartiger Ankerelemente. Durch eine Modifikation der Keilform beispielsweise entsprechend 3 (Hammerkopf) oder gemäß 4 (Kugelkopf) wird erreicht, dass das Ankerelement auch Zugkräfte aufnehmen kann. Dabei kann das Ankerelement gleichzeitig die Funktion eines Nutverschlusskeiles übernehmen. Durch die Ausgestaltungen der Ankerelemente gemäß der 3 bis 6 kann erreicht werden, dass beispielsweise ein Randzahn (gegebenenfalls Halbzahn) gehalten und an mechanischen Bewegungen oder Schwingungen gehindert wird.
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Die Darstellung gemäß 3 zeigt eine Verjüngung 30 der zweiten Nut 17 in einem Bereich, welcher an die Nut 8 angrenzt. Im Fußbereich der zweiten Nut 17 weitet sich diese im Vergleich zur Verjüngung 30 wieder auf. Die Aufweitung ist zur Aufnahme einer Verdickung 13 eines Endbereiches des Ankerelementes 7 vorgesehen. Die Endbereiche des Ankerelementes 7 weisen dabei eine Hammerform auf. Dabei betrifft der Endbereich jeweils die Enden des Ankerelementes 7, welche den Zähnen 5 bzw. 9 zugewandt sind.
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In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine 1 kann das Ankerelement 7 mittels einer Vergussmasse 10 in die Nuten 15 und 17 der Zähne 5 und 9 vergossen sein.
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Die Darstellung gemäß 4 zeigt ähnlich wie 3 Verjüngungen 30 und Aufweitungen 35. Im Unterschied zu 3 weist die 4 bezüglich der Endbereiche des Ankerelementes 7 bzw. des Nutgrundes der Nuten 15 und 17 eine Kugel- bzw. Kreisform auf.
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Bei den in den Figuren dargestellten Ausführungsformen können in einem halben Zahn und den unmittelbar benachbarten Zahn Nuten in den Zahnkopf eingestanzt werden. Das Aktivteil weist dabei ein Blechpaket mit verschiedenen aneinandergereihten Elektroblechen auf, wobei die Elektrobleche gestanzt sind. Bei der Stanzung der Elektrobleche kann die entsprechende Nut zur Aufnahme des Ankerelementes mit eingestanzt werden.
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Die Darstellung gemäß 5 zeigt eine klammerartige Ausgestaltung des Ankerelementes 7. In einem ganzen oder halben Zahn und den unmittelbaren benachbarten Zahn sind dabei Nuten 15, 17 in den Zahnkopf eingestanzt. In diese Nuten bzw. in die für das Ankerelement vorgesehene Ausnehmungen können Endbereiche einer Kappe oder Spange einfassen. Diese Endbereiche können ihrerseits Ausnehmungen Aussparungen zu mechanischen Einrasten in entsprechende Nuten der Zähne aufweisen. Das als Kappe bzw. Klammer ausgebildete Ankerelement ist zur Aufnahme von Zugkräften fähig. Zugkräfte treten dabei zwischen den Zähnen auf, insbesondere zwischen dem halben Zahn und dem Segment.
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Die Anordnung kann derart ausgestaltet sein, dass diese im weitesten Sinne einem Deckel eines Kabelkanals ähnelt. Das als Klammer ausgebildete Ankerelement kann sich dabei über eine gesamte Längsausdehnung der Nut 8, also der Maschinenlänge erstrecken. In einem derartigen Fall kann die Kappe beispielsweise aus nichtleitendem Material bestehen, um Blechkurzschlüsse im Ankerelement zu vermeiden. Ist das Ankerelement unterbrochen ausgeführt, kann dieses auch Metall aufweisen oder aus Metall bestehen, welches insbesondere zur Vermeidung von Blechkurzschlüssen mit einem nichtleitenden material, wie z. B. Kunststoff ganz- oder teilweise ummantelt ist.
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Die axiale Länge von Klammerabschnitten, welche elektrisch leitend sind, sind entsprechend der auftretenden bzw. erwartenden Kräfte zu dimensionieren. Das Ankerelement 7 weist eine tangentiale Ausrichtung 41 und eine radiale Ausrichtung 42 auf. Durch diese Gestalt des Ankerelements ist es vorteilhaft, dass entsprechende Aufnahmenuten bzw. Ausnehmungen im Bereich der Zähne 5 und 9 im Kopfbereich der Zähne derart angeordnet sind, dass eine radiale Öffnung vorhanden ist. Dies bedeutet, dass die Ausnehmungen 45 und 47 in den Zähnen 5 und 9 nicht oder nur teilweise zur Nut 8 hin geöffnet sind.
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Die Darstellung gemäß 6 zeigt ein Ankerelement 7, welches in ein Loch eines Zahnes 5, 9 eingreift. Der erste Zahn 5 weist ein erstes Loch 55 und der zweite Zahn 9 weist ein zweites Loch 57 auf. Das erste Loch 55 und das zweite Loch 57 befinden sich jeweils in einem Kopfbereich 58 des jeweiligen Zahnes, wobei es sich beim ersten Zahn 5 um einen Vollzahn handelt und bei dem zweiten Zahn 9 um einen Halbzahn. Die Löcher werden wie die Ausnehmungen und Nuten durch aneinandergereihte Bleche ausgebildet. Zur Fixierung können in die Bleche des halben Zahnes bzw. des ganzen Zahnes (des unmittelbar benachbarten Zahnes im Segment) Bohrungen gestanzt werden. Durch die Bohrung im halben Zahn wird eine Spange 7 als Ankerelement gefädelt und durch Umbiegen in die entsprechenden Bohrungen im Nachbarzahn befestigt. Alternativ dazu kann die Spange im halben Zahn auch geteilt sein und nach dem Einführen durch einen Schnappverschluss zusammengefügt werden. Zur Vermeidung von Wirbelströmen ist die Spange vorteilhaft unterbrochen. Zur Vermeidung von Blechkurzschlüssen ist die Spange beispielsweise aus einem nichtleitenden Material oder derart mittels eines nichtleitenden Materials ummantelt (z. B. Kunststoff, Lack, Gummi, usw.) dass die Spange, also das Ankerelement elektrisch nicht leitend ist.
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Die Abstützung bzw. mechanische Stabilisierung jeweils halber Zähne an Segmentgrenzen erfolgt innerhalb des jeweils betroffenen Segmentes des Aktivteils. Die Fuge zwischen zwei benachbarten Segmenten muss nicht mehr ausgefüllt werden um Druckkräfte von Segment zu Segment aufnehmen zu können. Dies stellt eine erhebliche Vereinfachung der Montage dar. Weiterhin vorteilhaft kann es sein, dass durch die Verwendung der Ankerelemente die Fugen zwischen zwei Segmenten nicht mehr geringe Toleranzen aufweisen müssen, wodurch sich eine Fertigungsvereinfachung und Konstruktionsreduzierung ergeben kann.
