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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft allgemein eine elektrische Maschine und insbesondere einen Leiterdraht für einen Stator der elektrischen Maschine.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Elektrische Maschinen, etwa ein Elektromotor, umfassen einen Stator und einen Rotor mit einander gegenüberliegenden Oberflächen. Der Stator enthält eine Vielzahl von Nuten, die an einer Oberfläche des Stators angeordnet sind, und eine Vielzahl von Leiterdrähten, die in den Nuten des Stators angeordnet sind. Der Rotor ist relativ zum Stator um eine Achse drehbar. Die Leiterdrähte erzeugen eine elektromagnetische Kraft in Ansprechen auf einen elektrischen Strom, der durch sie hindurch verläuft. Die elektromagnetische Kraft wirkt auf den Rotor, um zu veranlassen, dass sich der Rotor relativ zum Stator dreht.
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Die Stromdichte variiert über den Leiterdraht hinweg auf der Grundlage der Frequenz und wegen des Vorhandenseins von Magnetfeldern. Typischerweise wird der Großteil des Stroms durch die Außenoberflächenregion des Leiterdrahts geleitet, die allgemein als die ”Hauttiefe” des Leiterdrahts bezeichnet wird, und nur sehr wenig Strom wird durch den Kern, d. h. die Mittelregion des Leiterdrahts geleitet. Dies wird allgemein als der Skineffekt des Leiterdrahts bezeichnet. Wenn die Leiterdrähte benachbart zueinander angeordnet sind und hohe Wechselströme führen, erzeugt jeder stromführende Leiterdraht außerdem ein Magnetfeld in den benachbarten Leiterdrähten, was eine uneinheitliche Verteilung des Stroms in den benachbarten Leiterdrähten erzeugt. Dies wird allgemein als der Proximity-Effekt bzw. Nahwirkungseffekt bezeichnet.
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Der Leiterdraht umfasst typischerweise entweder eine rechteckige Quer schnittsform oder eine kreisförmige Querschnittsform. Die Leiterdrähte sollten einen niedrigen Wechselstromwiderstand umfassen und sollten auch Wärme schnell dissipieren. Die rechteckig geformten Leiterdrähte umfassen aufgrund des Skineffekts und des Proximity-Effekts bei hohen Drehzahlen und/oder Frequenzen einen hohen Wechselstromwiderstand (AC-Widerstand), wohingegen der kreisförmig geformte Leiterdraht mit kleinem Durchmesser einen niedrigen Wechselstromwiderstand umfasst, weil der Skineffekt die gesamte Querschnittsfläche des Leiterdrahts abdeckt. Der kreisförmig geformte Leiterdraht umfasst Schwierigkeiten beim Dissipieren von Wärme, weil der kreisförmig geformte Leiterdraht eine kleinere Oberfläche als der rechteckig geformte Leiterdraht umfasst, während der rechteckig geformte Leiterdraht aufgrund einer erhöhten Oberfläche eine bessere Wärmedissipierung aufweist. Darüber hinaus ist es schwierig, Wärme aus einem Mittelpunkt eines Bündels kreisförmig geformter Leiterdrähte zu extrahieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein Leiterdraht für einen Stator einer elektrischen Maschine wird offenbart. Der Leiterdraht umfasst einen quer verlaufenden Querschnitt, der eine erste Seite, eine zweite Seite, eine dritte Seite und eine vierte Seite definiert. Die dritte Seite verläuft parallel zur vierten Seite und die erste Seite und die zweite Seite erstrecken sich zwischen der dritten Seite und der vierten Seite. Die erste Seite und die zweite Seite enthalten jeweils eine konkave Furche.
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Bei einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Stator für eine elektrische Maschine offenbart. Der Stator umfasst einen Körper, der eine Vielzahl von Nuten definiert. Mindestens ein Leiterdraht ist in jeder der Vielzahl von Nuten angeordnet. Der mindestens eine Leiterdraht umfasst einen quer verlaufenden Querschnitt, der eine erste Seite, eine zweite Seite, eine dritte Seite und eine vierte Seite definiert. Die dritte Seite verläuft parallel zur vierten Seite und sowohl die erste Seite als auch die zweite Seite umfasst mindestens eine konkave Furche.
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Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine offenbart. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen Rotor. Der Stator umfasst eine Oberfläche und definiert eine Vielzahl von Nuten. Der Rotor liegt dem Stator gegenüber und ist um eine Langsachse relativ zum Stator drehbar. Die elektrische Maschine umfasst ferner mindestens einen Leiterdraht, der in jeder der Vielzahl von Nuten angeordnet ist. Der mindestens eine Leiterdraht umfasst einen quer verlaufenden Querschnitt, der eine erste Seite und eine zweite Seite definiert, wobei sowohl die erste Seite als auch die zweite Seite mindestens eine konkave Furche umfasst.
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Entsprechend erhöht die konkave Furche in sowohl der ersten Seite als auch der zweiten Seite des Leiterdrahts die Oberfläche des Leiterdrahts, was die Wärmedisspierung des Leiterdrahts verbessert. Zusätzlich erhöht die konkave Furche in sowohl der ersten Seite als auch der zweiten Seite des Leiterdrahts eine Hauttiefe des Leiterdrahts, d. h. den primären stromführenden Abschnitt des Leiterdrahts, und verringert den Kern des Leiterdrahts, d. h. den nicht stromführenden Abschnitt des Leiterdrahts, was den effektiven Wechselstromwiderstand bei höheren Drehzahlen und/oder Frequenzen verringert.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGN
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1 ist eine fragmentarische schematische Querschnittsansicht eines Elektromotors.
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2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines Leiterdrahts des Elektromotors.
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3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform des Leiterdrahts des Elektromotors.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit Bezug auf die Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten entsprechende Teile bezeichnen, ist in 1 eine elektrische Maschine allgemein bei 20 gezeigt. Die elektrische Maschine 20 kann einen Elektromotor, der ausgestaltet ist, um einen elektrischen Strom in eine mechanische Bewegung umzusetzen, einen elektrischen Generator, der ausgestaltet ist, um eine mechanische Bewegung in einen elektrischen Strom umzusetzen oder eine andere ähnliche Einrichtung umfassen.
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Mit Bezug auf 1 umfasst die elektrische Maschine 20 ein Gehäuse 22, einen Stator 24 und einen Rotor 26. Der Stator 24 ist mit dem Gehäuse 22 starr gekoppelt. Der Stator 24 umfasst eine umlaufende Innenoberfläche 28 und definiert eine Vielzahl von Nuten 30. Die Nuten 30 erstrecken sich von der umlaufenden Innenoberfläche 28 aus radial nach außen in den Stator 24 hinein. Der Rotor 26 liegt dem Stator 24 gegenüber und ist mit dem Gehäuse 22 drehbar gekoppelt. Der Rotor 26 ist relativ zum Stator 24 um eine Längsachse 32 herum drehbar und umfasst eine Vielzahl von Magneten 33, wie gut bekannt ist. So wie sie bisher beschrieben ist, ist die elektrische Maschine 20 typisch für bekannte elektrische Maschinen 20 und arbeitet in derselben Weise, und folglich sind die Komponenten, die Orientierung der Komponenten relativ zueinander und deren Arbeitsweise hier nicht im Detail beschrieben.
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Mit Bezug auch auf 2 umfasst der Elektromotor 20 ferner mindestens einen Leiterdraht 34, der in jeder der Vielzahl von Nuten 30 angeordnet ist. Der Leiterdraht 34 umfasst einen quer verlaufenden Querschnitt, der eine erste Seite 36, eine zweite Seite 38, eine dritte Seite 40 und eine vierte Seite 42 definiert. Die dritte Seite 40 und die vierte Seite 42 verlaufen parallel zueinander, wobei sich die erste Seite 36 und die zweite Seite 38 zwischen der dritten Seite 40 und der vierten Seite 42 erstrecken. Die dritte Seite 40 und die vierte Seite 42 sind jeweils rechtwinklig zu sowohl der ersten Seite 36 als auch der zweiten Seite 38. Wie gezeigt ist die erste Seite 36 symmetrisch zur zweiten Seite 38 und sowohl die erste Seite 36 als auch die zweite Seite 38 umfassen mindestens eine konkave Furche 44. Es ist jedoch festzustellen, dass die erste Seite 36 alternativ asymmetrisch zur zweiten Seite 38 sein kann. Wie gezeigt sind die konkaven Furchen 44 in der ersten Seite 36 Spiegelbilder der konkaven Furchen 44 in der zweiten Seite 38. Wenn alternativ die erste Seite 36 asymmetrisch zur zweiten Seite 38 ist, dann sind die konkaven Furchen 44 in der ersten Seite 36 keine Spiegelbilder der konkaven Furchen 44 in der zweiten Seite 38. Die konkaven Furchen 44 in der ersten Seite 36 und der zweiten Seite 38 erhöhen die Oberfläche des Leiterdrahts 34, was eine Wärmedissipierung des Leiterdrahts 34 verbessert. Zudem verringern die konkaven Furchen 44 einen Kernbereich 45, d. h. eine Mittelregion des Leiterdrahts 34, der bzw. die wenig oder keinen Strom leitet, wodurch der Wechselstromwiderstand (AC-Widerstand) bei hohen Drehzahlen und/oder Frequenzen erhöht wird. Die geometrische Form und/oder Ausgestaltung der konkaven Furchen 44 kann für die spezielle Frequenz und das Magnetfeld, die in der elektrischen Maschine 20 vorhanden sind, optimiert sein. Folglich kann die spezielle geometrische Form und Größe der konkaven Furchen 44 für jede spezielle Verwendung variieren.
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Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die mindestens eine konkave Furche 44 in sowohl der ersten Seite 36 als auch der zweiten Seite 38 eine erste Furche 46 und eine zweite Furche 48. Es ist festzustellen, dass die mindestens eine konkave Furche 44 mehr als die in 2 gezeigte erste Furche 46 und zweite Furche 48 umfassen kann. Zum Beispiel kann die konkave Furche 44 drei, vier, fünf oder mehr Furchen in sowohl der ersten Seite 36 als auch der zweiten Seite 38 umfassen.
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Vorzugsweise sind die erste Furche 46 und die zweite Furche 48 in der ersten Seite 36 und der zweiten Seite 38 jeweils zwischen der dritten Seite 40 und der vierten Seite 42 gleichmäßig beabstandet. Es ist jedoch festzustellen, dass die erste Furche 46 und die zweite Furche 48 relativ zu der dritten Seite 40 und der vierten Seite 40 anders orientiert sein kann, als es hier gezeigt und beschrieben ist.
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Die dritte Seite 40, die erste Furche 46, die zweite Furche 48 und die vierte Seite 42 wirken zusammen, um dazwischen jeweils eine Vielzahl von Fingern an der ersten Seite 36 bzw. der zweiten Seite 38 zu definieren. Insbesondere wirken die dritte Seite 40 und die erste Furche 46 zusammen, um dazwischen einen ersten Finger 50 zu definieren, die erste Furche 46 und die zweite Furche 48 wirken zusammen, um dazwischen einen zweiten Finger 52 zu definieren und die zweite Furche 48 und die vierte Seite 42 wirken zusammen, um dazwischen einen dritten Finger 54 zu definieren. Es ist festzustellen, dass die Anzahl der Finger, die sowohl in der ersten Seite 36 als auch der zweiten Seite 38 definiert werden, von der Anzahl der konkaven Furchen 44 in der ersten Seite 36 bzw. der zweiten Seite 38 abhängt.
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Sowohl die erste Furche 46 als auch die zweite Furche 48 in der ersten Seite 36 und der zweiten Seite 38 umfassen jeweils eine Breite 56 und eine Länge 58. Die Breite 56 der ersten Furche 46 und der zweiten Furche 48 in sowohl der ersten Seite 36 als auch der zweiten Seite 38 wird parallel zur ersten Seite 36 bzw. zur zweiten Seite 38 gemessen. Die Länge 58 der ersten Furche 46 und der zweiten Furche 48 in sowohl der ersten Seite 36 als auch der zweiten Seite 38 wird rechtwinklig zu der ersten Seite 36 bzw. der zweiten Seite 38 gemessen. Wie in 2 gezeigt ist, sind die Langen 58 der ersten Furche 46 und der zweiten Furche 48 größer als die Breiten 56 der ersten Furche 46 bzw. der zweiten Furche 48.
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Der in 2 gezeigte Leiterdraht 34 kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren ausgebildet werden, was ein Ziehen des Leiterdrahts 34 in die vorstehend beschriebene Form, ein Walzen des Leiterdrahts 34 in die vorstehend beschriebene Form oder ein Biegen des Leiterdrahts 34 umfasst, um die vorstehend beschriebene Form zu definieren. Der Leiterdraht 34 enthält Kupfer und ist vorzugsweise daraus gefertigt. Es ist jedoch festzustellen, dass der Leiterdraht 34 aus einem anderen Material hergestellt werden kann. Der Leiterdraht 34 kann mit einem Drahtlack beschichtet sein, der ein Polyamid umfassen kann, aber nicht darauf beschränkt ist, muss aber nicht beschichtet sein. Zudem kann der Leiterdraht 34 mit einer nicht leitfähigen Konversionsbeschichtung beschichtet sein, die ein stabilisiertes Metalloxid umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist, muss aber nicht beschichtet sein.
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Mit Bezug auf 3 ist eine alternative Ausführungsform eines Leiterdrahts allgemein bei 60 gezeigt. Die alternative Ausführungsform des Leiterdrahts 60 umfasst einen quer verlaufenden Querschnitt, der eine erste Seite 62, eine zweite Seite 64, eine dritte Seite 66 und eine vierte Seite 68 definiert. Die dritte Seite 66 und die vierte Seite 68 verlaufen parallel zueinander, während sich die erste Seite 62 und die zweite Seite 64 zwischen der dritten Seite 66 und der vierten Seite 68 erstrecken. Wie gezeigt, ist die erste Seite 62 zu der zweiten Seite 64 symmetrisch und sowohl die erste Seite 62 als auch die zweite Seite 64 umfasst mindestens eine konkave Furche 70. Es ist jedoch festzustellen, dass die erste Seite 62 alternativ asymmetrisch zu der zweiten Seite 64 sein kann, sodass die erste Seite 62 kein Spiegelbild zur zweiten Seite 64 ist.
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Die konkave Furche 70 der alternativen Ausführungsform des Leiterdrahts 60 in sowohl der ersten Seite 62 als auch der zweiten Seite 64 erstreckt sich vollständig zwischen der dritten Seite 66 und der vierten Seite 68. Mit anderen Worten umfasst sowohl die erste Seite 62 als auch die zweite Seite 64 eine einzige konkave Furche 70, wobei die konkave Furche 70 die gesamte erste Seite 62 bzw. zweite Seite 64 definiert. Die konkave Furche 70 umfasst eine Breite 72 und eine Länge 74. Die Breite 72 der konkaven Furche 70 in sowohl der ersten Seite 62 als auch der zweiten Seite 64 wird parallel zu der ersten Seite 62 bzw. der zweiten Seite 64 gemessen. Die Länge 74 der konkaven Furche 70 in sowohl der ersten Seite 62 als auch der zweiten Seite 64 wird rechtwinklig zu der ersten Seite 62 bzw. der zweiten Seite 64 gemessen. Wie in 3 gezeigt ist, ist die Breite 72 der konkaven Furche 70 in sowohl der ersten Seite 62 als auch der zweiten Seite 64 größer als die Länge 74 der konkaven Furche 70 in der ersten Seite 62 und der zweiten Seite 64.
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Es ist festzustellen, dass der Leiterdraht 34, 60 so ausgebildet sein kann, dass er eine andere Querschnittsform als in 2 und 3 gezeigt und hier beschrieben umfasst und dennoch in den Umfang der beigefügten Ansprüche fällt.
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Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.
