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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere hybriderregte Homopolarmaschinen. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zum Aufbau von hybriderregten Homopolarmaschinen.
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Stand der Technik
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Bei elektrisch unterstützten Lenkungen von Kraftfahrzeugen greift ein Elektromotor in die Lenkung ein, um die Lenkkraft des Fahrers zu verstärken. Dazu ist eine elektrische Maschine über ein starres Getriebe mit der Lenkstange verbunden, wobei diese so angesteuert wird, dass eine Lenkbewegung des Fahrers unterstützt wird. Je nach verwendeter Art des Elektromotors treten Drehmomentenschwankungen auf, die bei einer Betätigung des Lenkrads spürbar sind. Weiterhin kann es je nach Art des verwendeten Elektromotors im Fehlerfall zu einem Gegenmoment kommen, das der Bewegung des Lenkrads entgegenwirkt und das Lenken erschwert.
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Eine wesentliche Anforderung an einen Elektromotor zur Lenkkraftunterstützung besteht darin, dass Fehler in dem Elektromotor nicht zu einer Gefährdung des Fahrers führen. Bei der Verwendung von permanentmagneterregten Elektromotoren kann beispielsweise das durch die Rotormagneten erzeugte magnetische Feld nicht abgeschaltet werden, was in einem Fehlerfall, wie z. B. bei einem Kurzschluss in der Statorwicklung, zu erheblichen Bremsmomenten führen kann. Durch die starre Kopplung der elektrischen Maschine mit der Lenkmechanik kann die durch den Ausfall der Lenkunterstützung bereits erhöhte benötigte Lenkkraft weiter erhöht werden und unter Umständen kann die Lenkung vollständig blockiert sein.
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Um obige Nachteile zu überwinden werden zusehends hybriderregte Homopolarmaschinen zur Lenkunterstützung vorgesehen, bei denen im Fehlerfall die bremsenden Momente klein bleiben, da ein Teil des Erregermagnetfelds durch einen schaltbaren Erregerstrom erzeugt wird.
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Insbesondere die Anordnung und Montage der statorfest angeordneten Erregerwicklung in hybriderregten Homopolarmaschinen ist aufwändig und erfordert neuartige Montagekonzepte, insbesondere für das Einsetzen der Erregerspule in das Innere der Statoranordung.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Montage einer Statoranordnung für eine rotatorische elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, sowie durch die Statoranordnung, den Spulenträger und die elektrischen Maschine gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zur Montage einer zylinderförmigen Statoranordnung für eine rotatorische elektrische Maschine mit einem Spulenträger für eine Erregerspule zum Einprägen eines Erregermagnetfelds in einen Rotor der elektrischen Maschine vorgesehen, wobei der Spulenträger eine Mittenachse der rotatorischen elektrischen Maschine umgibt, mit folgenden Schritten:
- – Bereitstellen von mehreren Statorsegmenten mit jeweils mindestens einem Statorzahn, wobei die Statorzähne jeweils eine Führungsnut aufweisen; und
- – Zusammensetzen der Statorsegmente zu der zylinderförmigen Statoranordnung mit einer Innenausnehmung zur Aufnahme eines Rotors, so dass die Führungsnuten in der Innenausnehmung eine umlaufende Nut zur Aufnahme des Spulenträgers ausbilden,
wobei das Zusammensetzen durch konsekutives Anordnen der Statorsegmente um den Spulenträger durchgeführt wird, so dass der Außenrand des Spulenträgers in der Führungsnut aufgenommen wird.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, ein Verfahren zur Montage einer Statoranordnung für eine rotatorische elektrische Maschine, insbesondere für eine hybriderregte Homopolarmaschine, zur Verfügung zu stellen, mit dem insbesondere das Einsetzen eines Spulenträgers für eine Erregerspule in die Statoranordnung in verbesserter Weise durchgeführt werden kann. Dazu ist der Aufbau der Statoranordnung aus einzelnen Statorsegmenten vorgesehen, die jeweils einen oder mehrere Statorzähne tragen. Die Statorsegmente werden im nichtmontierten Zustand bewickelt und die Statorzähne weisen eine Führungsnut auf, in die vor dem Zusammensetzen der einzelnen Statorsegmente der Spulenträger eingelegt wird. Anschließend werden die einzelnen Statorsegmente nacheinander um den Spulenträger zusammengefügt, so dass sich eine zylinderförmige Statoranordnung ergibt.
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Auf diese Weise ist es möglich eine Statoranordnung für eine hybriderregte Homopolarmaschine zu schaffen, bei der der Spulenträger für die Erregerspule zuverlässig in der Statoranordnung gehalten wird und bei der es weiterhin möglich ist, über die gesamte axiale Länge der Statoranordung verlaufende Statorspulen vorzusehen. Dadurch, dass die Statorspulen über die gesamte axiale Länge der Statoranordnung verlaufen, kann Bauraum und Wicklungsdraht für weitere Wickelköpfe eingespart werden und es kann durch den Aufbau aus einzelnen Statorsegmenten ein hoher Füllfaktor erreicht werden. Zudem wird die Anzahl an Teilen, die gefügt werden müssen, reduziert.
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Weiterhin kann das konsekutive Anordnen der Statorsegmente um den Spulenträger eine konsekutiv erfolgende Befestigung der Statorsegmente an dem Spulenträger umfassen.
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Die Statorsegmente können durch Einrasten an dem Spulenträger befestigt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Befestigen der Statorsegmente an dem Spulenträger durch Aufsetzen der Statorsegmente jeweils auf ein in radialer Richtung von dem Spulenträger hervorstehendes Aufsetzelement durchgeführt wird.
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Insbesondere können die Statorsegmente nach dem Zusammensetzen zu der zylinderförmigen Statoranordnung gegeneinander fixiert werden.
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Weiterhin können die Statorzähne der Statorsegmente vor dem Zusammensetzen zu der zylinderförmigen Statoranordnung mit einer Statorspule bewickelt werden, die sich über die gesamte axiale Länge der Statoranordnung erstreckt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine zylinderförmige Statoranordnung für eine rotatorische elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- – einen Spulenträger mit einer Erregerspule zum Erzeugen eines Erregermagnetfelds in einem Rotor der elektrischen Maschine, wobei der Spulenträger eine Mittenachse der Statoranordnung umgibt; und
- – mehrere Statorsegmente, die zu der zylinderförmigen Statoranordnung zusammengesetzt sind und eine Innenausnehmung zur Aufnahme des Rotors umgeben, wobei jedes Statorsegment mindestens einen Statorzahn aufweist, der in Richtung der Innenausnehmung ausgerichtet ist, wobei die Statorzähne jeweils eine Führungsnut aufweisen,
wobei die Führungsnuten eine quer zur Mittenachse umlaufende Nut in der Innenausnehmung ausbilden, in die dem Außenrand des Spulenträgers aufgenommen ist.
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Eine Idee der obigen Statoranordnung für eine elektrischen Maschine besteht darin, dass trotz Vorsehen einer Erregerspule im Inneren der Statoranordnung die Statorzähne mit entsprechenden Statorspulen versehen werden können, die sich über die gesamte axiale Länge der Statoranordung erstrecken.
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Weiterhin kann der Spulenträger mit Befestigungsstrukturen versehen sein, um mit einer korrespondierenden Struktur in der Führungsnut der Statorsegmente zusammenzuwirken, so dass die Statorsegmente formschlüssig an dem Spulenträger gehalten sind.
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Insbesondere kann der Spulenträger als Befestigungsstrukturen radial nach außen vorstehende Aufsetzelemente aufweisen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Spulenträger als Befestigungsstrukturen Halteelemente aufweist, die durch Hintergreifen an entsprechenden Ausnehmungen der Statorsegmente befestigt werden können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Spulenträger für eine Erregerspule zum Einsatz in der obigen Statoranordnung vorgesehen, wobei der Spulenträger mit mindestens einer radial nach außen vorstehenden Befestigungsstruktur versehen ist, um mit einer korrespondierenden Struktur in der Führungsnut der Statorsegmente zusammenzuwirken.
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Insbesondere kann das mindestens eine Befestigungselement in einer Vertiefung in einem Außenumfang des Spulenträgers angeordnet sein.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts aus einer hybriderregten Homopolarmaschine;
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2 ein Statorsegment zum Aufbau einer der Statoranordung für eine elektrische Maschine nach 1;
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3 eine Veranschaulichung einer Montage der Statoranordung für die elektrische Maschine nach 1;
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4a–4d Möglichkeiten zur Befestigung der Erregerspule in den Führungsnuten der Statorzähne; und
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5 Varianten von Verzahnungsgeometrien bei einer Sternradverzahnung in der Führungsnut.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts aus einer elektrischen Maschine 1, die als hybriderregte Homopolarmaschine ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 1 umfasst eine Statoranordnung 2 mit Statorzähnen 3, die in Richtung einer Innenausnehmung 4 ausgerichtet sind, um eine Innenläufermaschine auszubilden.
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Die Statorzähne 3 weisen jeweils eine Zahnbasis, einen Zahnschaft und einen bezüglich des Zahnschafts der Zahnbasis gegenüberliegenden verbreiterten Zahnkopf 5 auf. Die Statorzähne 3 sind mit Einzelzahnwicklungen mit Statorspulen bewickelt, wobei sich die Statorspulen 6 über die gesamte axiale Länge A der Statoranordnung 2 erstrecken. Durch die Zahnköpfe 5 verjüngen sich die durch benachbarte Statorzähne 3 gebildeten Statornuten 7, so dass die darin befindlichen Statorspulenseiten zuverlässiger gehalten werden.
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Im vorliegenden Fall weist die elektrische Maschine 1 exemplarisch 12 Statorzähne 3 bzw. 12 Statornuten 7 auf. In einem Innenraum, der durch die an den nach innen gerichteten Statorzähnen 3 angeordneten Zahnköpfe 5 definiert ist, befindet sich ein Rotor 10, der drehbeweglich um eine Achse angeordnet ist, die im Wesentlichen auch der Achse der zylindrischen Statoranordnung 2 entspricht. Der Rotor 10 weist einen ersten Rotorteil 11 und einen zweiten Rotorteil 12 auf, die entlang einer axialen Richtung angeordnet sind.
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Der erste und der zweite Rotorteil 11, 12 weisen jeweils Taschen 13 auf, in denen jeweils ein Permanentmagnet 14 angeordnet ist. Die Rotorteile 11, 12 sind aus magnetischem Material ausgebildet und können eine Außenkontur 15 aufweisen, die Rotorpole definiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist jedes der Rotorteile 11, 12 acht Rotorpole auf.
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Die Permanentmagneten 14 sind in dem Körper des betreffenden Rotorteils 11 als Folgepolanordnung angeordnet und weisen eine in radialer Richtung identische Polung auf, wobei nur jeder zweite Rotorpol 12 mit einem Permanentmagneten 14 versehen ist. Die Anordnung der Permanentmagneten 14 ist für beide Rotorteile 11, 12 in Umfangsrichtung versetzt, so dass an einer Umfangsposition des Rotors 10 nur eines der beiden Rotorteile 11, 12 mit einem Permanentmagneten 14 versehen ist. Die Polungen der Permanentmagneten 14 in einem der Rotorteile 11, 12 weist die umgekehrte Polung auf im Vergleich zum entsprechend anderen Rotorteil 11, 12.
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Die Rotorteile 11, 12 sind an einer Rotorwelle angeordnet (nicht gezeigt) und voneinander in axialer Richtung beabstandet, so dass eine Erregerspule 20 zwischen die Körper der beiden Rotorteile 11, 12 hineinragen kann. Die Erregerspule 20 ist quer zur axialen Erstreckung des Rotors 10 bzw. der Statoranordnung 2 vorgesehen und liegt konzentrisch um die Wellenachse der elektrischen Maschine, d. h. die Erregerspule 20 kann so angeordnet sein, dass die Richtung ihrer größten Ausdehnung quer zur axialen Richtung verläuft. Die Erregerspule 20 ist in einem formstabilen Spulenträger 21 angeordnet und wird statorfest durch die Statoranordnung 2 gehalten. Dazu ist vorgesehen, dass die Statorzähne 3 im Bereich ihrer Zahnköpfe 5 eine Führungsnut 32 aufweisen, in der der Spulenträger 21 der Erregerspule 20 aufgenommen ist und durch eine geeignete Form oder Kraftschlussstruktur zuverlässig gehalten wird.
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Die Erregerspule 20 zwischen den Rotorteilen 11, 12 dient dazu, ein gleichförmiges Magnetfeld in achsparalleler Richtung zu erzeugen. Das durch die Erregerspule 20 erzeugte Erregermagnetfeld überlagert das durch die Permanentmagneten 14 erzeugte Magnetfeld, so dass dieses durch die magnetfeldleitenden Körper der Rotorteile 11, 12 verläuft und in radialer Richtung zu den Rotorpolen umgelenkt wird. Einen magnetischen Rückschluss erfährt das elektrisch erzeugte Erregermagnetfeld in dem durch die Zahnbasen der Statoranordnung 2 gebildeten Statorring.
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Die Erregerspule 20 kann mithilfe eines Reglers elektrisch angesteuert werden, der Erregerströme im Bereich zwischen 0 und einem Maximalwert ermöglicht. Weist dieser Regler weiterhin eine H-Brücke zum Ansteuern des Erregerstroms auf, so sind dagegen ebenfalls negative Erregerströme möglich. Dadurch wird ermöglicht, dass das durch die Permanentmagneten 14 erzeugte Erregermagnetfeld gestärkt oder abgeschwächt wird, so dass je nach Betriebsfall ein hohes Antriebsmoment oder ein Freilauf mit abgeschwächten Bremsmomenten erreicht werden kann.
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Zum Aufbau der Statoranordnung 2 für die hybriderregte Homopolarmaschine der 1 wird diese vorzugsweise durch einzelne Statorsegmente 30 mit jeweils einem oder mehreren Statorzähnen 3 vorgesehen. 2 zeigt ein Beispiel eines Statorsegments 30 mit einem einzelnen Statorzahn 3, dessen Zahnschaft mittig einer Statorsegmentbasis 31, die die Zahnbasis bildet, angeordnet ist. Eine dem Zahnschaft gegenüberliegende Seite der Statorsegmentbasis 31 ist entsprechend dem Außenumfang der mit den Statorsegmenten 30 zu bildenden Statoranordnung 2 gekrümmt ausgebildet. Der Zahnschaft des Statorzahns 3 erstreckt sich quer zur Breite der Statorsegmentbasis 31.
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Im Bereich des Zahnkopfs 5 des Statorzahns 3 weist dieser eine Führungsnut 32 auf, die sich quer zur axialen Länge L des Statorzahns 3 erstreckt und zur Aufnahme des Spulenträgers 21 der Erregerspule 20 dient. Die Statorsegmente 30 werden so bewickelt, dass eine Einzelzahnwicklung (nicht gezeigt) den Zahnschaft des Statorzahns 3 umgibt und seitlich (an den Enden der Wicklungsachse) durch die Statorsegmentbasis 31 und den verbreiterten Zahnkopf 5 begrenzt ist.
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Nach dem Bewickeln der Statorzahnsegmente 30 werden diese, wie in 3 gezeigt, auf den Spulenträger 21 der Erregerspule 20 aufgesetzt, so dass sie entlang dessen Umfangsrichtung nebeneinander zu liegen kommen.
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Um eine exakte Ausrichtung der Statorsegmente 30 in einer zylindrischen Anordnung zu ermöglichen, sind, wie in 2 gezeigt, die entsprechend der Umfangsrichtung der Statoranordnung 2 definierten Enden der Statorsegmentbasen 31 mit korrespondierenden Strukturen 34 versehen, die ineinandergreifen und ein eine relative Bewegung der Statorsegmente 30 zueinander verhindern. Alternativ können die Zähne dabei auch als zusammenhängende Kette – über Scharniere, oder leicht biegbare Verbindungsstege – verbunden sein.
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Die Tiefe der Führungsnut 32 in den Statorzähnen 3 wird durch den Außendurchmesser des Spulenträgers 21 der Erregerspule 20 bestimmt. Der Außendurchmesser des Spulenträgers 21 ist so gewählt, dass bei Aufsetzen der Statorsegmente 30 eine vorbestimmte Anzahl der Statorsegmente 30 eine kreiszylindrische Statoranordnung 2 ausbildet und dabei der Spulenträger 21 zumindest teilweise in die Führungsnut 32 aufgenommen ist. Im Falle der zusammenhängenden Kette kann diese dann um die Erregerspule gerollt werden.
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Werden die Statorsegmente 30 als Blechstapel ausgebildet, wie es beim Aufbau von elektrischen Maschinen üblich ist, so kann das in 2 dargestellte Statorsegment 30 durch die Verwendung von lediglich zwei verschiedenen Formschnitten von Blechen durch Stapeln hergestellt werden. Eine erste Blechform definiert eine Kontur, die die Statorsegmentbasis 31 und den Statorzahn 3 mit dem dazugehörigen Zahnkopf 5 definiert, während die zweite Blechform eine Kontur definiert, die lediglich die Statorsegmentbasis 31 und den Zahnschaft des Statorzahns 3 definiert und keine Zahnkopfkontur vorsieht. Das Ausbilden der Führungsnut 32 wird erreicht, indem Bleche mit der zweiten Blechform zwischen zwei gleich langen Blechstapeln von Blechen der ersten Blechform angeordnet werden, so dass der Blechstapel der Bleche der zweiten Blechform etwa mittig angeordnet ist.
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Um eine statorfeste Anordnung des Spulenträgers 21 der Erregerspule 20 an der Statoranordnung 2 zu erreichen, kann für den Spulenträger 21 auch eine Außenkontur vorgegeben werden, die mit dem zurückstehenden Zahnschaft einen Formschluss bildet und somit das Fügen der Statorsegmente 30 an dem Spulenträger 21 erleichtert.
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In den 4a bis 4d sind verschiedene Ausbildungen der Kontur der Führungsnut 32 und eine Außenkontur des Spulenträgers 21 dargestellt. Die Formschlussmerkmale zum Halten des Spulenträgers 21 in der Führungsnut 32 sollen eine Rollbewegung sicherstellen. Beispielsweise kann, wie in 4a dargestellt, an dem Außenumfang des Spulenträgers 21 ein Vorsprung 24 mit einer konkaven Ausnehmung 22 vorgesehen sein, die in der Führungsnut 32 mit einer komplementären Formgebung (konvexe Form) zur Ausgestaltung des Endes des Zahnschafts des Statorzahns 3 zusammenwirkt.
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Alternativ ist ein Formschluss über eine Clipsverbindung möglich, die schematisch in den 4b und 4c dargestellt ist. Hierbei wird die Verbindung so ausgeführt, dass eine Zentrierung und Ausrichtung der Einzelzähne auch während der Montage der Statoranordnung 2 eine definierte Ausgleichsbewegung, insbesondere eine Schwenkbewegung zwischen dem Spulenträger 21 und dem Statorsegment 30 in Umfangsrichtung, zulässt. Die Ausgleichsbewegung soll sicherstellen, dass während der Montage keine Blockier- oder zu hohen Querkräfte auf die Clipsverbindung einwirken und die Verbindung beschädigen.
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In 4b ist beispielsweise der Zahnschaft mit einer zylinderförmigen Ausnehmung 29 versehen, in die ein entsprechendes vorspringendes zylinderförmiges Halteelement 27 an dem Spulenträger 21 eingreift. Das zylinderförmige Halteelement 27 kann in einer Vertiefung 25 des Spulenträgers 21 vorgesehen sein. Das zylinderförmige Halteelement 27 ist mithilfe eines Stegs 26 innerhalb der Vertiefung 25 angeordnet, so dass sich der Steg 26 und das Halteelement 27 bezüglich des Spulenträgers 21 in radialer Richtung nach außen erstrecken.
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In der Vertiefung 25 kann anstelle des zylinderförmigen Halteelements 27 auch ein keilförmiges Halteelement 28 vorgesehen sein, das in eine entsprechende Ausnehmung 29 in dem Zahnschaft des Statorzahns 3 eingreift. Auf diese Weise kann ein nachträgliches Entfernen oder Herabrutschen des Statorsegments 3 von dem Spulenträger 21 verhindert werden, da Teile des Statorzahns 3 das keilförmige Halteelement 28 des Erregerspulenträgers 21 im montierten Zustand hintergreifen.
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In einer alternativen Ausgestaltung, die hier in 4d dargestellt ist, kann eine axiale Clipsverbindung vorgesehen sein, bei der der Spulenträger 21 mit sich in axialer Richtung erstreckenden Rastelementen 38 versehen ist, die sich an einem elastischen Abschnitt, beispielsweise an sich in radialer Richtung erstreckenden Stegen 39 des Spulenträgers 21 befinden. Entsprechend ist die Führungsnut 32 der Statorsegmente 30 mit Ausnehmungen 37 versehen, die zum Einrasten den Rastelemente 38 des Spulenträgers 21 entsprechen, so dass bei Einsetzen des Spulenträgers 20 in die Führungsnut 32 die Stege 39 zunächst gegeneinander gedrückt werden, bis die Rastelemente 38 entsprechend in den axialen Ausnehmungen 37 der Statorsegmente 30 einrasten.
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Eine weitere Möglichkeit der Anordnung der Statorsegmente 30 auf dem Spulenträger 21 ist in 5 dargestellt. Der Spulenträger 21 weist dazu sternförmig in radialer Richtung verlaufende Aufsetzhalteelemente 51 (Aufsetzelemente) auf, auf die jeweils Statorsegmente 30 aufgesetzt werden können, die entsprechende Ausnehmungen aufweisen. Die Aufsetzhalteelemente 51 sind im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und können unterschiedliche Querschnittsgeometrien aufweisen, die auf der rechten Seite der 5 beispielhaft dargestellt sind. Zum Beispiel können die Querschnitte kreisförmig, quadratisch, rechteckig, viereckig, dreieckig und dergleichen sein.
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Insbesondere sind die Aufsetzhalteelemente 51 so geformt, dass deren Mantellinien immer parallel zur Körpersymmetrieachse der Statorsegmente 30 liegen, d. h. immer parallel zu einer radialen Richtung einer Achse des Aufsetzhalteelements 51 ausgerichtet sind.
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Nach dem Aufsetzen der Statorsegmente 30 auf der Statoranordnung 2 können diese miteinander durch Schweißen, Pressen in ein Gehäuse, einen zusätzlichen Pressring oder durch Verkleben zueinander fixiert werden.
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Vor dem Einsatz des letzten Statorsegments 30 können Anschlussleitungen für die Erregerspule 20 in dem Spulenträger 21 parallel zu einer Spulenseite eines zuvor eingesetzten Statorsegments 30 nach außen in axialer Richtung geführt werden.
