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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft Stableiter für Statoren oder Rotoren von elektrischen Maschinen.
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HINTERGRUND
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Ein Stator ist die feststehende Komponente einer elektrischen Maschine. Der Stator interagiert mit einem Rotor, der die sich bewegende Komponente der elektrischen Maschine ist. Der Stator und der Rotor ermöglichen der elektrischen Maschine, mechanische Energie in elektrische Energie umzusetzen (Generator) und elektrische Energie in mechanische Energie umzusetzen (Motor). In Abhängigkeit vom Steuerungszustand sind elektrische Maschinen in der Lage, entweder in generierenden Modi oder in Motormodi betrieben zu werden. Einige Statoren und Rotoren weisen Permanentmagnete auf und einige weisen Leiter oder Wicklungen auf, die elektromagnetische Felder bereitstellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es wird ein Leiter für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine weist eine Achse, eine radiale Richtung, die von der Achse aus nach außen verläuft, und eine tangentiale Richtung auf, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der radialen Richtung verläuft.
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Der Leiter umfasst einen massiven Kern, der radiale Seiten aufweist, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der radialen Richtung der elektrischen Maschine oder entsprechend verlaufen, und der tangentiale Seiten aufweist, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der tangentialen Richtung der elektrischen Maschine oder entsprechend verlaufen. Mindestens eine tangentiale Vertiefung ist an mindestens einer der tangentialen Seiten oder in diese hinein verlaufend ausgebildet. Jede der tangentialen Vertiefungen erzeugt eine tangentiale Leerstelle innerhalb einer rechteckigen Umhüllung, die durch den massiven Kern definiert wird. Daher ist die Oberfläche des massiven Kerns größer als die Oberfläche der rechteckigen Umhüllung.
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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 einiger der besten Arten und anderer Ausführungsformen, um die Erfindung auszuführen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Ansicht eines ebenen Schnitts eines Stators und eines Rotors für eine elektrische Maschine;
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2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Rotors und des Stators, die in 1 gezeigt sind, welche Stableiter zeigt, die in radialen Nuten des Stators gestapelt sind;
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3A ist eine schematische Zeichnungsansicht eines der Stableiter, die in 1 und 2 gezeigt sind;
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3B ist eine schematische Zeichnungsansicht eines weiteren Stableiters, der mit dem Stator verwendet werden kann, der in 1 und 2 gezeigt ist;
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3C ist eine schematische Zeichnungsansicht eines weiteren Stableiters, der mit dem Stator verwendet werden kann, der in 1 und 2 gezeigt ist;
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3D ist eine schematische Zeichnungsansicht eines weiteren Stableiters, der mit dem Stator verwendet werden kann, der in 1 und 2 gezeigt ist;
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3E ist eine schematische Zeichnungsansicht eines weiteren Stableiters, der mit dem Stator verwendet werden kann, der in 1 und 2 gezeigt ist und der ein Füllmaterial aufweist, das in tangentialen Leerstellen angeordnet ist;
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4 ist eine schematische Ansicht eines ebenen Schnitts eines Abschnitts eines weiteren Stators, die das Stapeln unterschiedlicher Stableiter mit variabler Reihenfolge in radialen Nuten des Stators zeigt;
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5 ist eine schematische Ansicht eines ebenen Schnitts eines Abschnitts eines weiteren Stators, die mehradrige Stableiter zeigt, die in radialen Nuten des Stators gestapelt sind;
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6A ist eine schematische Zeichnungsansicht eines der mehradrigen Stableiter, die in 5 gezeigt sind, der ein halbierter Leiter ist und auch mit dem Stator verwendet werden kann, der in 1 und 2 gezeigt ist;
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6B ist eine schematische Zeichnungsansicht eines weiteren mehradrigen Stableiters, der ein versetzt aufgeteilter Leiter ist und auch mit den Statoren verwendet werden kann, die in 1 und 2 oder 5 gezeigt sind;
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6C ist eine schematische Zeichnungsansicht eines weiteren mehradrigen Stableiters, der ein doppelt konvexer Leiter ist und auch mit den Statoren verwendet werden kann, die in 1 und 2 oder 5 gezeigt sind;
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6D ist eine schematische Zeichnungsansicht eines weiteren mehradrigen Stableiters, der ein in vier Teile unterteilter Leiter ist und mit den Statoren verwendet werden kann, die in den 1 und 2 oder in 5 gezeigt sind; und
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7 ist eine schematische Ansicht eines ebenen Schnitts eines Abschnitts eines weiteren Stators, die das Stapeln unterschiedlicher mehradriger Stableiter in einer variablen Reihenfolge in radialen Nuten des Stators zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten in den mehreren Figuren entsprechen, soweit dies möglich ist, sind in 1 und 2 zwei schematische Ansichten eines Abschnitts einer elektrischen Maschine 10 gezeigt. Die in 1 und 2 gezeigte elektrische Maschine 10 umfasst einen Außenstator 12 mit Stabwicklungen, der mit einem Innenrotor 14 in der elektrischen Maschine 10 zusammenarbeitet.
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1 zeigt die Ansicht eines ebenen Schnitts des Stators 12 und des Rotors 14. 2 zeigt eine Vergrößerungsansicht eines Teils des Rotors 14 und des Stators 12, die in 1 gezeigt sind. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt sind, können in diejenigen, die in 1 gezeigt sind, integriert und mit diesen verwendet werden, und Komponenten können mit allen gezeigten Konfigurationen vermischt und abgestimmt werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung im Detail mit Bezug auf Kraftfahrzeuganwendungen beschrieben ist, wird der Fachmann die weitergehende Anwendbarkeit der Erfindung erkennen. Der Fachmann wird erkennen, dass Begriffe wie etwa ”über”, ”unter”, ”nach oben”, ”nach unten” usw. zur Beschreibung der Figuren verwendet werden und keine Einschränkungen des Umfangs der Erfindung darstellen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
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Die elektrische Maschine 10 dreht sich um eine Achse 16 und kann mit einem zylindrischen Koordinatensystem beschrieben werden. Jedoch können andere Koordinatensysteme mit Bezug auf die elektrische Maschine 10, den Stator 12 oder den Rotor 14 verwendet werden. Der Rotor 14 dreht sich im Stator 12 um die Achse 16.
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Die Achse 16 verläuft direkt rechtwinklig zu der Ansicht von 1 (in die Seite hinein und aus dieser heraus) und definiert eine axiale Richtung, die eine beliebige Bewegung oder Stelle entlang und parallel zu der Achse 16 umfasst. Die elektrische Maschine 10 definiert außerdem eine radiale Koordinate, die sich von der Achse 16 aus nach außen erstreckt, und eine radiale Richtung 18, die eine Bewegung von der Achse 16 weg darstellt. Schließlich definiert die elektrische Maschine 10 eine Winkelkoordinate oder tangentiale Koordinate, die immer rechtwinklig zu der radialen Richtung 18 verläuft und eine Bewegung in eine tangentiale Richtung 20 beschreibt. Die tangentiale Richtung 20 stellt eine Drehung der elektrischen Maschine 10 im Betrieb dar.
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Der Stator 12 enthält eine Vielzahl von Leiternuten 22, die in einem Statorkern 24 ausgebildet sind. Jede Leiternut 22 verläuft im Wesentlichen parallel zu der radialen Richtung 18. In den Leiternuten 22 ist ein oder sind mehrere Leiter 30 angeordnet. Der Stator 12 ist mit vier Leitern 30 pro Leiternut 22 gezeigt. Jedoch können in den Leiternuten 22 zusätzliche oder weniger Leiter 30 angeordnet sein.
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Die Leiter 30 sind Stableiter, die in den Leiternuten 22 entlang einer einzelnen Linie in die radiale Richtung 18 gestapelt sind. Der Statorkern 24 und die Leiter 30, die zusammen als die Wicklungen bezeichnet sein können, sind die Hauptkomponenten des Stators 12.
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Mit Bezug nun auf 3A und mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1–2 ist eine detailliertere Ansicht des Leiters 30 gezeigt, der in dem Stator 12, der in 1 und 2 gezeigt ist, und auch in anderen Statoren oder in Rotoren mit Wicklungen verwendet werden kann. Der Leiter 30 ist in 3A so gezeigt, dass die radiale Richtung 18 vertikal verläuft und die tangentiale Richtung 20 horizontal verläuft. Die positiven und negativen Vektoren der radialen Richtung 18 (nach oben oder nach unten) und der tangentialen Richtung 20 (nach links oder nach rechts) bilden keine Einschränkung.
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Der Leiter 30 enthält einen massiven Kern 32, der aus leitfähigen Materialien ausgebildet ist, etwa Kupfer und Kupferlegierungen. Der massive Kern 32 weist radiale Seiten 34 auf, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der radialen Richtung 18 der elektrischen Maschine 10 oder entsprechend verlaufen, und tangentiale Seiten 36, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der tangentialen Richtung 20 der elektrischen Maschine 10 oder entsprechend verlaufen. Der massive Kern 32 definiert eine rechteckige Umhüllung 38 entlang seines Umfangs. Wenn der massive Kern 32 wie ein Rechteck geformt wäre, würde er die rechteckige Umhüllung 38 im Wesentlichen ausfüllen.
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Der Leiter 30 umfasst mindestens eine tangentiale Vertiefung 40, die an mindestens einer der tangentialen Seiten 36 ausgebildet ist. Die tangentialen Vertiefungen 40, die in 3A gezeigt sind, sind konkave Abtragungen oder Deformationen, welche jede der tangentialen Seiten 36 im Wesentlichen abdecken. Obwohl am Leiter 30 zwei tangentiale Vertiefungen 40 gezeigt sind, können andere Konfigurationen nur eine tangentiale Vertiefung 40 an nur einer der tangentialen Seiten 36 aufweisen.
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Die tangentialen Vertiefungen 40 erzeugen entsprechende tangentiale Leerstellen 42 innerhalb der rechteckigen Umhüllung 38. Die tangentialen Vertiefungen 42 existieren zwischen der rechteckigen Umhüllung 38 und dem massiven Kern 32. Aufgrund der tangentialen Vertiefungen 40 ist die Oberfläche des massiven Kerns 32 größer als die Oberfläche der rechteckigen Umhüllung 38. Es wird darauf hingewiesen, dass in 3A sowohl der massive Kern 32 als auch die rechteckige Umhüllung 38 zweidimensional gezeigt sind, aber der Umfang von beiden im Wesentlichen proportional zu der Oberfläche der dreidimensionalen Form ist.
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Der Leiter 30 enthält außerdem eine Isolierschicht 44, die den massiven Kern 32 umgibt. Bei der Verwendung hierin kann die Isolierschicht 44 verwendet werden, um einen einzelnen Leiter 30 zu identifizieren und zu definieren, im Gegensatz zu den Stapeln aus mehreren Leitern 30, die in den Leiternuten 22 angeordnet sind. Die Isolierschicht 44 kann eine glasierte oder auf Lack basierende Isolierung sein oder die Isolierschicht 44 kann eine auf Aramidfasern beruhende Hülle sein (zum Beispiel und ohne Einschränkung Nomex, Kevlar oder Kryptonband). Es wird darauf hingewiesen, dass die Isolierschicht 44 in 3A nur schematisch gezeigt ist und sich der Verlauf und die Dicke der Isolierschicht 44 davon unterscheiden können.
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Die tangentialen Leerstellen 42 werden nach einer Installation in den Leiternuten 22 des Stators 12 zu Lufttaschen oder Lufteinschlüssen zwischen dem Statorkern 24 und den Leitern 30 führen. Wenn die Isolierschicht 44 als Lack aufgebracht ist, wie in 3A gezeigt ist, wird die Isolierschicht 44 den tangentialen Vertiefungen 40 und dem Umfang des massiven Kerns 32 folgen. Wenn die Isolierschicht 44 jedoch als eine Faser- oder Bandhülle aufgebracht wird, wird die Isolierschicht 44 im Wesentlichen mit dem Verlauf der rechteckigen Umhüllung 38 übereinstimmen.
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Bei dem in 3A gezeigten Leiter 30 schneiden die tangentialen Vertiefungen 40 keine der radialen Seiten 34. Die radialen Seiten 34 bleiben daher im Wesentlichen in Übereinstimmung mit der rechteckigen Umhüllung 38. Darüber hinaus stimmt die Isolierschicht 44 an den radialen Seiten 34 im Wesentlichen mit der rechteckigen Umhüllung 38 überein.
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Im Vergleich mit einem rechteckigen Stableiter – der die rechteckige Umhüllung 38 ausfüllen würde – reduziert der Leiter 30 Wirbelstromeffekte, die in dem Leiter 30 als Folge eines sich ändernden elektrischen Stroms, elektromagnetischer Felder und eines Flusses im Betrieb der elektrischen Maschine 10 auftreten. Außerdem werden die Proximity-Effekte bzw. Nahwirkungseffekte, die von benachbarten Leitern 30 in der gleichen Leiternut 22 oder von Leiternuten 22 in der Nähe verursacht werden, reduziert. Das Reduzieren der Wirbelströme und der Proximity-Effekte zwischen den Leitern 30 kann den Widerstand reduzieren, der von den Leitern 30 im Betrieb der elektrischen Maschine 10 verursacht wird. Ein reduzierter Widerstand in den Leitern 30 kann den Betriebswirkungsgrad der elektrischen Maschine 10 verbessern.
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3A bis 3E zeigen verschiedene Stableiterformen. Alle diese weisen ein gewisses Ausmaß an reduzierten Kupferverlusten (etwa einen Leiterwiderstand) bei variierenden Betriebsbedingungen (Drehzahl, Drehmoment, Strom) der elektrischen Maschine 10 auf. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt sind, können in diejenigen, die in den einzelnen 3A–3E gezeigt sind, integriert und mit diesen verwendet werden, und Komponenten können mit allen gezeigten Konfigurationen vermischt und abgestimmt werden.
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Mit Bezug nun auf 3B und mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1–3A ist eine detaillierte Ansicht eines Leiters 130 gezeigt, der in dem Stator 12, der in 1 und 2 gezeigt ist, und auch in anderen Statoren oder Rotoren mit Wicklungen verwendet werden kann. Obwohl es nicht separat gezeigt ist, verläuft die radiale Richtung 18 wieder vertikal und die tangentiale Richtung 20 verläuft horizontal.
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Der Leiter 130 enthält einen massiven Kern 132 mit radialen Seiten 134, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der radialen Richtung 18 der elektrischen Maschine 10 oder entsprechend verlaufen, und mit tangentialen Seiten 136, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der tangentialen Richtung 20 der elektrischen Maschine 10 oder entsprechend verlaufen. Der massive Kern 132 definiert eine rechteckige Umhüllung 138 entlang seines Umfangs. Wenn der massive Kern 132 wie ein Rechteck geformt wäre, würde er die rechteckige Umhüllung 138 im Wesentlichen ausfüllen.
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Der Leiter 130 enthält eine tangentiale Vertiefung 140, die auf jeder der tangentialen Seiten 136 ausgebildet ist. Die in 3B gezeigten tangentialen Vertiefungen 140 sind wieder konkave Abtragungen. Diese tangentialen Vertiefungen 140 decken jedoch die tangentialen Seiten 136 nicht in beträchtlichem Umfang ab und weisen einen kleineren Radius als die tangentialen Vertiefungen 40 auf, die in 3A gezeigt sind.
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Die tangentialen Vertiefungen 140 erzeugen entsprechende tangentiale Leerstellen 142 innerhalb der rechteckigen Umhüllung 138. Aufgrund der tangentialen Vertiefungen 140 ist die Oberfläche des massiven Kerns 132 größer als die Oberfläche der rechteckigen Umhüllung 138. Der Leiter 130 enthält außerdem eine Isolierschicht 144, die den massiven Kern 132 umgibt. Bei dem in 3B gezeigten Leiter 130 schneiden die tangentialen Vertiefungen 140 keine der radialen Seiten 134. Daher bleiben die radialen Seiten 134 – und die Isolierschicht 144 an den radialen Seiten 134 – im Wesentlichen in Übereinstimmung mit der rechteckigen Umhüllung 138.
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Mit Bezug nun auf 3C und mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1–3B ist eine detaillierte Ansicht eines Leiters 230 gezeigt, der in dem Stator 12 verwendet werden kann, der in 1 und 2 gezeigt ist, und auch in anderen Statoren oder Rotoren, die Wicklungen aufweisen. Obwohl es nicht separat gezeigt ist, verläuft die radiale Richtung 18 wieder vertikal und die tangentiale Richtung 20 verläuft horizontal.
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Der Leiter 230 enthält einen massiven Kern 232 mit radialen Seiten 234, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der radialen Richtung 18 der elektrischen Maschine 10 oder entsprechend verlaufen, und mit tangentialen Seiten 236, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der tangentialen Richtung 20 der elektrischen Maschine 10 oder entsprechend verlaufen. Der massive Kern 232 definiert entlang seines Umfangs eine rechteckige Umhüllung 238. Wenn der massive Kern 232 wie ein Rechteck geformt wäre, würde er die rechteckige Umhüllung 238 im Wesentlichen ausfüllen.
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Der Leiter 230 enthält zwei tangentiale Vertiefungen 240, die an jeder der tangentialen Seiten 236 ausgebildet sind, sodass in der tangentialen Richtung 20 insgesamt vier tangentiale Vertiefungen 240 ausgebildet sind. Die in 3C gezeigten tangentialen Vertiefungen 240 sind wiederum kleine konkave Abtragungen, ähnlich wie die tangentialen Vertiefungen 140, die in 3B gezeigt sind.
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Die tangentialen Vertiefungen 240 erzeugen entsprechende tangentiale Leerstellen 242 innerhalb der rechteckigen Umhüllung 238. Aufgrund der tangentialen Vertiefungen 240 ist die Oberfläche des massiven Kerns 232 größer als die Oberfläche der rechteckigen Umhüllung 238. Der Leiter 230 enthält auch eine Isolierschicht 244, die den massiven Kern 232 umgibt. Bei dem Leiter 230, der in 3C gezeigt ist, schneiden die tangentialen Vertiefungen 240 keine der radialen Seiten 234. Daher bleiben die radialen Seiten 234 – und die Isolierschicht 244 an den radialen Seiten 234 – im Wesentlichen in Übereinstimmung mit der rechteckigen Umhüllung 238.
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Mit Bezug nun auf 3D und mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1–3C ist eine detaillierte Ansicht eines Leiters 330 gezeigt, der in dem Stator 12, der in 1 und 2 gezeigt ist, und auch in anderen Statoren oder in Rotoren mit Wicklungen verwendet werden kann. Obwohl es nicht separat gezeigt ist, verläuft die radiale Richtung 18 wieder vertikal und die tangentiale Richtung 20 verläuft horizontal.
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Der Leiter 330 enthält einen massiven Kern 332 mit radialen Seiten 334, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der radialen Richtung 18 der elektrischen Maschine 10 oder entsprechend verlaufen, und mit tangentialen Seiten 336, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der tangentialen Richtung 20 der elektrischen Maschine 10 oder entsprechend verlaufen. Der massive Kern 332 definiert eine rechteckige Umhüllung 338 entlang seines Umfangs. Wenn der massive Kern 332 wie ein Rechteck geformt wäre, würde er die rechteckige Umhüllung 338 im Wesentlichen ausfüllen.
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Der Leiter 330 enthält zwei tangentiale Vertiefungen 340, die an jeder der tangentialen Seiten 336 ausgebildet sind, sodass in der tangentialen Richtung 20 insgesamt vier tangentiale Vertiefungen 340 ausgebildet sind. Die in 3D gezeigten tangentialen Vertiefungen 340 sind wieder kleine konkave Abtragungen. Jedoch erstrecken sich die tangentialen Vertiefungen 340 auf die radialen Seiten 334 und schneiden diese. Anders als die in 3A–3C gezeigten Leiter 30, 130 und 230 ist der Leiter 330 im Wesentlichen an seinen radialen Seiten 334 und seinen tangentialen Seiten 336 symmetrisch.
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Die tangentialen Vertiefungen 340 erzeugen entsprechende tangentiale Leerstellen 342 innerhalb der rechteckigen Umhüllung 338. Aufgrund der tangentialen Vertiefungen 340 ist die Oberfläche des massiven Kerns 332 größer als die Oberfläche der rechteckigen Umhüllung 338. Der Leiter 330 enthält außerdem eine Isolierschicht 344, die den massiven Kern 332 umgibt. Zentrale Abschnitte der Isolierschicht 344 an den radialen Seiten 334 und den tangentialen Seiten 336 bleiben im Wesentlichen in Übereinstimmung mit der rechteckigen Umhüllung 338.
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Mit Bezug nun auf 3E und mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1–3D ist eine detaillierte Ansicht eines Leiters 430 gezeigt, der in dem Stator 12, der in 1 und 2 gezeigt ist, und außerdem in anderen Statoren oder in Rotoren, die Wicklungen aufweisen, verwendet werden kann. Obwohl es nicht separat gezeigt ist, verläuft die radiale Richtung 18 wieder vertikal und die tangentiale Richtung 20 verläuft horizontal.
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Der Leiter 430 enthält einen massiven Kern 432 mit radialen Seiten 434, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der radialen Richtung 18 der elektrischen Maschine 10 oder entsprechend verlaufen, und mit tangentialen Seiten 436, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der tangentialen Richtung 20 der elektrischen Maschine 10 oder entsprechend verlaufen. Der massive Kern 432 definiert entlang seines Umfangs eine rechteckige Umhüllung 438. Wenn der massive Kern 432 wie ein Rechteck geformt wäre, würde er die rechteckige Umhüllung 438 im Wesentlichen ausfüllen.
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Der Leiter 430 enthält eine tangentiale Vertiefung 440, die an jeder der tangentialen Seiten 436 ausgebildet ist. Die in 3B gezeigten tangentialen Vertiefungen 440 sind wiederum konkave Abtragungen, welche die tangentialen Seiten 436 im Wesentlichen abdecken, ähnlich wie die tangentialen Vertiefungen 40, die in 3A gezeigt sind.
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Die tangentialen Vertiefungen 440 erzeugen entsprechende tangentiale Leerstellen 442 innerhalb der rechteckigen Umhüllung 438. Wegen der tangentialen Vertiefungen 440 ist die Oberfläche des massiven Kerns 432 und des leitfähigen Materials größer als die Oberfläche der rechteckigen Umhüllung 438. Anstelle von Lufteinschlüssen in den tangentialen Leerstellen 442 jedoch ist ein Füllmaterial 446 in den tangentialen Leerstellen 442 angeordnet.
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Der Leiter 430 enthält außerdem eine Isolierschicht 444, die den massiven Kern 432 umgibt. Die Isolierschicht 444 umgibt sowohl das Füllmaterial 446 als auch den massiven Kern 432. Daher stimmt die Isolierschicht 444 im Wesentlichen mit der rechteckigen Umhüllung 438 sowohl an den radialen Seiten 434 als auch den tangentialen Seiten 436 überein.
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Mit Bezug nun auf 4 und mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1–3E ist eine detaillierte Ansicht eines Abschnitts eines Stators 512 gezeigt, der dem in 1 und 2 gezeigten Stator 12 ähnelt und der ein Teil einer elektrischen Maschine (nicht separat bezeichnet) sein kann. In anderen Figuren gezeigte Merkmale und Komponenten können in diejenigen, die in 4 gezeigt sind, integriert und mit diesen verwendet werden, und Komponenten können mit allen gezeigten Konfigurationen gemischt und abgestimmt werden.
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Im Wesentlichen durch den Mittelpunkt des Stators 512 ist eine (nicht gezeigte) Achse definiert und ein (nicht gezeigter) Rotor dreht sich um diese Achse. Eine radiale Richtung 518 verläuft von der Achse aus nach außen, und eine tangentiale Richtung 520 ist rechtwinklig zu der radialen Richtung 518.
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Der Stator 512 enthält eine Vielzahl von Leiternuten 522, die in einem Statorkern 524 ausgebildet sind. Jede Leiternut 522 erstreckt sich entlang einer einzelnen radialen Richtung 518 und alle sind in die tangentiale Richtung 520 gleich. Jede Leiternut 522 weist mindestens einen ersten Leiter 530 und einen zweiten Leiter 531 auf, die darin angeordnet sind.
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Der erste Leiter 530 enthält einen ersten massiven Kern 532 mit radialen Seiten 534, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der radialen Richtung 518 oder entsprechend verlaufen, und mit tangentialen Seiten 536, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der tangentialen Richtung 520 der elektrischen Maschine oder entsprechend verlaufen. Eine erste tangentiale Vertiefung 540 ist an jeder der tangentialen Seiten 536 des ersten massiven Kerns 532 ausgebildet.
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Der zweite Leiter 531 ist in der gleichen Leiternut 522 wie der erste Leiter 530 angeordnet, aber er ist in die radiale Richtung 518 über oder unter den ersten Leiter 530 gestapelt. Anders ausgedrückt ist der erste Leiter 530 in die tangentiale Richtung 520 parallel zum zweiten Leiter 531 oder er ist entlang der gleichen radialen Linien/Achsen ausgerichtet.
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Der zweite Leiter 531 enthält einen zweiten massiven Kern 533 mit radialen Seiten 534, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der radialen Richtung 518 oder entsprechend verlaufen, und mit tangentialen Seiten 536, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der tangentialen Richtung 520 der elektrischen Maschine oder entsprechend verlaufen. Eine zweite tangentiale Vertiefung 541 ist an jeder der tangentialen Seiten 536 des zweiten massiven Kerns 533 ausgebildet. Der erste Leiter 530 und der zweite Leiter 531 können mit einer Isolierschicht (nicht separat gezeigt) bedeckt sein, welche dem Umfang des ersten Leiters 530 und des zweiten Leiters 531 im Wesentlichen folgt.
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Die erste tangentiale Vertiefung 540 und die zweite tangentiale Vertiefung 541 sind im Wesentlichen nicht identisch, sodass der Stator 512 unterschiedliche Leiterformen in seinen Leiternuten 522 enthält. Das in 4 gezeigte Muster der Leiterformen – zwischen dem ersten Leiter 530 und dem zweiten Leiter 531 abwechselnd – ist nicht einschränkend. Zusätzliche Leiterformen, welche (ohne Einschränkung) beliebige derjenigen umfassen, die in 3A–3E gezeigt sind, können innerhalb der gleichen Leiternut 522 verwendet werden. Darüber hinaus können verschiedene Leiternuten 522 innerhalb des Stators 512 variierende Stapel der verschiedenen Leiter oder variierende Reihenfolgen der Leiter aufweisen.
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Mit Bezug nun auf 5 und mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1–4 ist eine schematische Ansicht eines ebenen Schnitts eines Abschnitts einer weiteren elektrischen Maschine 610 gezeigt. Ein Stator 612 und ein Rotor 614 der elektrischen Maschine 610 sind um eine Achse 616 herum ausgerichtet. Die elektrische Maschine 610 definiert eine radiale Richtung 618, die sich von der Achse 616 aus nach außen erstreckt, und eine tangentiale Richtung 620 rechtwinklig zu der radialen Richtung 618.
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Der Stator 612 enthält eine Vielzahl von Leiternuten 622 in einem Statorkern 624. Die Leiternuten 622 sind in die radiale Richtung 618 ausgerichtet. Innerhalb jeder der Leiternuten 622 ist mindestens ein mehradriger Leiter 630 für die elektrische Maschine 610 angeordnet. Die mehradrigen Leiter 630 sind zum Empfang eines elektrischen Stroms und zur Erzeugung elektromagnetischer Felder ausgestaltet. Anders als einige der vorstehend hier beschriebenen Leiter sind die mehradrigen Leiter 630 aus mehr als einer leitfähigen Komponente ausgebildet.
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Mit Bezug nun auf 6A–D und mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1–5 sind unterschiedliche Konfigurationen und Formen von mehradrigen Leitern gezeigt, etwa der in 5 gezeigten mehradrigen Leiter 630. Jeder der mehradrigen Leiter oder mehradrigen Stableiter kann mit allen hier gezeigten Statoren verwendet werden, welche den Stator 612 von 5 oder den Stator 12 umfassen, der in 1–2 gezeigt ist.
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6A zeigt eine schematische Zeichnungsansicht des in 5 gezeigten mehradrigen Leiters 630. Der mehradrige Leiter 630 enthält einen ersten massiven Kern 632 und einen zweiten massiven Kern 633, welcher den ersten massiven Kern 632 direkt kontaktiert. Der erste massive Kern 632 und der zweite massive Kern 633 können aus leitfähigen Materialien ausgebildet sein, etwa Kupfer und Kupferlegierungen. Die Kontaktzone oder Schnittstelle zwischen dem ersten massiven Kern 632 und dem zweiten massiven Kern 633 ist eine blanke Schnittstelle 636, sodass die Kupfermaterialien einander direkt kontaktieren. Die blanke Schnittstelle 636 ist ein Bereich mit Kontakt von Leiter zu Leiter (in diesem Fall von Metall zu Metall) ohne Zwischenmaterialien wie etwa einer Isolierung oder Füllmaterialien.
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Der mehradrige Leiter 630 kann als halbierter Leiter bezeichnet werden. Der zweite massive Kern 633 ist in die radiale Richtung 618 über oder unter den ersten massiven Kern 632 ausgerichtet oder gestapelt. Daher sind der zweite massive Kern 633 und der erste massive Kern 632 in die tangentiale Richtung 620 symmetrisch.
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Eine Isolierschicht 644 umgibt den ersten und zweiten massiven Kern 632, 633. Die Isolierschicht 644 kann verwendet werden, um die Grenzen der einzelnen mehradrigen Leiter 630 zu identifizieren und zu definieren. Die Isolierschicht 644 verläuft nicht durch die blanke Schnittstelle 636 hindurch und es gibt keine Isolierung zwischen dem ersten massiven Kern 632 und dem zweiten massiven Kern 633. Die Isolierschicht 644 kann eine Glasur oder ein Lack sein. Um eine Migration der Isolierung zwischen den ersten massiven Kern 632 und den zweiten massiven Kern 633 besser verhindern zu können, kann die Isolierschicht 644 jedoch eine auf Aramidfasern beruhende Hülle oder ein Band sein (zum Beispiel und ohne Beschränkung Nomex, Kevlar oder Krypton).
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Wie in 6A gezeigt ist, weist der erste massive Kern 632 eine erste radiale Dicke 638 auf und der zweite massive Kern 633 weist eine zweite radiale Dicke 639 auf. Bei dem mehradrigen Leiter 630 sind die erste radiale Dicke 638 und die zweite radiale Dicke 639 im Wesentlichen gleich. Im Vergleich mit einem rechteckigen Stableiter, der in die gleiche Umhüllung passen würde, die durch die Isolierschicht 644 definiert ist, sind die erste radiale Dicke 638 und die zweite radiale Dicke 639 jeweils in etwa die Hälfte der Größe des rechteckigen Stableiters.
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6B zeigt eine schematische Zeichnungsansicht eines weiteren mehradrigen Leiters 730, der ein versetzt aufgeteilter Leiter ist und auch mit den Statoren verwendet werden kann, die in 1 und 2 oder 5 gezeigt sind. Obwohl es nicht separat gezeigt ist, sind die radiale und tangentiale Richtung im Wesentlichen identisch zu denjenigen, die in 6A gezeigt sind. Der mehradrige Leiter 730 enthält einen ersten massiven Kern 732 und einen zweiten massiven Kern 733, der den ersten massiven Kern 732 direkt kontaktiert. Der erste massive Kern 732 und der zweite massive Kern 733 können aus leitfähigen Materialien gebildet sein, etwa aus Kupfer und Kupferlegierungen. Die Kontaktzone oder Schnittstelle zwischen dem ersten massiven Kern 732 und dem zweiten massiven Kern 733 ist eine blanke Schnittstelle 736, sodass sich die Kupfermaterialien direkt kontaktieren.
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Der zweite massive Kern 733 ist in die radiale Richtung über oder unter den ersten massiven Kern 732 ausgerichtet oder gestapelt. Daher sind der zweite massive Kern 733 und der erste massive Kern 732 in die tangentiale Richtung symmetrisch.
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Eine Isolierschicht 744 umgibt den ersten und zweiten massiven Kern 732, 733. Die Isolierschicht 744 kann verwendet werden, um die Grenzen der einzelnen mehradrigen Leiter 730 zu identifizieren und zu definieren. Die Isolierschicht 744 verläuft nicht durch die blanke Schnittstelle 736 hindurch und es gibt keine Isolierung zwischen dem ersten massiven Kern 732 und dem zweiten massiven Kern 733. Die Isolierschicht 744 kann eine Glasur oder ein Lack sein. Um jedoch eine Migration der Isolierung zwischen den ersten massiven Kern 732 und den zweiten massiven Kern 733 besser verhindern zu können, kann die Isolierschicht 744 eine Hülle oder ein Band sein.
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Wie in 6B gezeigt ist, weist der erste massive Kern 732 eine erste radiale Dicke 738 auf und der zweite massive Kern 733 weist eine zweite radiale Dicke 739 auf. Bei dem mehradrigen Leiter 730 sind die erste radiale Dicke 738 und die zweite radiale Dicke 739 im Wesentlichen nicht gleich, sodass die blanke Schnittstelle 736 radial versetzt ist.
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Die relativen Größen der ersten radialen Dicke 738 und der zweiten radialen Dicke 739 bilden keine Einschränkung. Bei der in 6B gezeigten Ausführungsform ist die erste radiale Dicke 738 größer, sodass sich der größere Leiterkern weiter außen befindet. Jedoch kann die zweite radiale Dicke 739 größer sein.
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6C ist eine schematische Zeichnungsansicht eines weiteren mehradrigen Leiters 830, eines doppelt konvexen Leiters, der auch mit den Statoren verwendet werden kann, die in 1 und 2 oder 5 gezeigt sind. Obwohl es nicht separat gezeigt ist, sind die radiale und tangentiale Richtung im Wesentlichen identisch zu denjenigen, die in 6A gezeigt sind. Der mehradrige Leiter 830 enthält einen ersten massiven Kern 832 und einen zweiten massiven Kern 833, der den ersten massiven Kern 832 direkt kontaktiert. Der erste massive Kern 832 und der zweite massive Kern 833 können aus leitfähigen Materialien gebildet sein, etwa aus Kupfer und Kupferlegierungen. Die Kontaktzone oder Schnittstelle zwischen dem ersten massiven Kern 832 und dem zweiten massiven Kern 833 ist eine blanke Schnittstelle 836, sodass sich die Kupfermaterialien direkt kontaktieren.
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Der zweite massive Kern 833 ist in die radiale Richtung über oder unter den ersten massiven Kern 832 ausgerichtet oder gestapelt. Daher sind der zweite massive Kern 833 und der erste massive Kern 832 in die tangentiale Richtung symmetrisch.
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Eine Isolierschicht 844 umgibt den ersten und zweiten massiven Kern 832, 833. Die Isolierschicht 844 kann verwendet werden, um die Grenzen der einzelnen mehradrigen Leiter 830 zu identifizieren und zu definieren. Die Isolierschicht 844 verläuft nicht durch die blanke Schnittstelle 836 hindurch, und es gibt keine Isolierung zwischen dem ersten massiven Kern 832 und dem zweiten massiven Kern 833. Die Isolierschicht 844 kann eine Glasur oder ein Lack sein. Um jedoch eine Migration der Isolierung zwischen den ersten massiven Kern 832 und den zweiten massiven Kern 833 besser verhindern zu können, kann die Isolierschicht 844 eine Hülle oder ein Band sein.
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Wie in 6C gezeigt ist, weist der erste massive Kern 832 eine erste radiale Dicke 838 auf und der zweite massive Kern 833 weist eine zweite radiale Dicke 839 auf. Bei dem mehradrigen Leiter 830 sind die erste radiale Dicke 838 und die zweite radiale Dicke 839 im Wesentlichen gleich, sodass die blanke Schnittstelle 836 in radialer Richtung ausgeglichen ist.
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Der mehradrige Leiter 830, der erste massive Kern 832 und der zweite massive Kern 833 sind im Wesentlichen nicht rechteckig. Stattdessen weisen der erste massive Kern 832 und der zweite massive Kern 833 ein konvexes Profil auf. Der erste massive Kern 832 und der zweite massive Kern 833 definieren an einander gegenüberliegenden Seiten der blanken Schnittstelle 836 tangentiale Leerstellen 842. Wie in 6C gezeigt ist, überlagert die Isolierschicht 844 die tangentialen Leerstellen 842 und hinterlässt Lufttaschen in dem mehradrigen Leiter 830.
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6D ist eine schematische Zeichnungsansicht eines weiteren mehradrigen Leiters 930, eines in vier Teile unterteilten Leiters, der mit den Statoren verwendet werden kann, die in 1 und 2 oder 5 gezeigt sind. Obwohl es nicht separat gezeigt ist, sind die radiale und tangentiale Richtung im Wesentlichen identisch zu denjenigen, die in 6A gezeigt sind. Der mehradrige Leiter 930 enthält einen ersten massiven Kern 932 und einen zweiten massiven Kern 933, der den ersten massiven Kern 932 entlang einer blanken Schnittstelle 936 direkt kontaktiert. Der mehradrige Leiter 930 enthält außerdem einen dritten massiven Kern 934 und einen vierten massiven Kern 935. Der dritte massive Kern 934 und der vierte massive Kern 935 kontaktiert den ersten massiven Kern 932 direkt entlang einer zusätzlichen blanken Schnittstelle 937, und der vierte massive Kern 935 kontaktiert den zweiten massiven Kern 933 direkt entlang der zusätzlichen blanken Schnittstelle 937.
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Der erste massive Kern 932 und der zweite massive Kern 933 können aus leitfähigen Materialien wie etwa Kupfer und Kupferlegierungen ausgebildet sein. Daher kontaktieren die Kupfermaterialien einander direkt.
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Bei der in 6D gezeigten Konfiguration ist der zweite massive Kern 933 in die radiale Richtung unter den ersten massiven Kern 932 ausgerichtet oder gestapelt. Der dritte massive Kern 934 und der vierte massive Kern 935 sind in die tangentiale Richtung neben den ersten massiven Kern 932 und den zweiten massiven Kern 933 gestapelt. Daher ist der mehradrige Leiter 930 sowohl in die radiale als auch die tangentiale Richtung symmetrisch.
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Eine Isolierschicht 944 umgibt den ersten und zweiten massiven Kern 932, 933 und auch den dritten und vierten massiven Kern 934, 935. Die Isolierschicht 944 kann verwendet werden, um die Grenzen einzelner mehradriger Leiter 930 zu identifizieren und zu definieren. Die Isolierschicht 944 verläuft nicht durch die blanke Schnittstelle 936 oder die zusätzliche blanke Schnittstelle 937 hindurch. Es gibt keine Isolierung zwischen dem ersten massiven Kern 932 und dem zweiten massiven Kern 933 oder zwischen dem dritten massiven Kern 934 und dem vierten massiven Kern 935. Die Isolierschicht 944 kann eine Glasur oder ein Lack sein. Um jedoch eine Migration der Isolierung in die blanke Schnittstelle 936 oder die zusätzliche blanke Schnittstelle 937 hinein besser verhindern zu können, kann die Isolierschicht 944 eine Hülle oder ein Band sein, die bzw. das aufgebracht wird, nachdem der erste und zweite massive Kern 932, 933 oder der dritte und vierte massive Kern 934, 935 zusammengesetzt sind.
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Wie in 6D gezeigt ist, weisen der erste massive Kern 932 und der dritte massive Kern 934 eine erste radiale Dicke 938 auf, und der zweite massive Kern 933 und der vierte massive Kern 935 weisen eine zweite radiale Dicke 939 auf. Die erste radiale Dicke 938 und die zweite radiale Dicke 939 sind im Wesentlichen gleich, sodass die blanke Schnittstelle 936 in radialer Richtung ausgeglichen ist.
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Mit Bezug nun auf 7 und mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1–6D ist eine schematische Ansicht eines ebenen Schnitts eines Abschnitts eines weiteren Stators 1012 gezeigt, der mit einer elektrischen Maschine (nicht separat gezeigt) verwendet werden kann. Der Stator 1012 in 7 zeigt eine Stapelung in variabler Reihenfolge von (mindestens zwei) unterschiedlichen mehradrigen Stableitern, wie etwa denjenigen, die in 6A–6D gezeigt sind.
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Der Stator 1012 (und ein nicht gezeigter Rotor) weisen eine Mittelachse (nicht gezeigt) auf. Der Stator 1012 definiert eine radiale Richtung 1018, die sich von der Achse aus nach außen erstreckt, und er definiert eine tangentiale Richtung 1020 rechtwinklig zu der radialen Richtung 1018. Der Stator 1012 enthält eine Vielzahl von Leiternuten 1022, die jeweils in die radiale Richtung 1018 ausgerichtet sind.
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Ein erster mehradriger Leiter 1030 ist innerhalb einer der Vielzahl der Leiternuten 1022 angeordnet. Ein zweiter mehradriger Leiter 1031 ist ebenfalls innerhalb der gleichen Leiternut 1022 angeordnet. Der zweite mehradrige Leiter 1031 liegt in der radialen Richtung 1018 über oder unter dem ersten mehradrigen Leiter 1030. Obwohl spezielle Beispiele gezeigt sind, können der erste und zweite mehradrige Leiter 1030, 1031 beliebige der mehradrigen Leiter (630, 730, 830, 930) sein, die in 6A–6D gezeigt sind, oder sie können beliebige der Leiter (30, 130, 230, 330, 430) sein, die in 3A–3E gezeigt sind.
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Bei der in 7 gezeigten Konfiguration enthält der erste mehradrige Leiter 1030 einen ersten massiven Kern 1032 und einen zweiten massiven Kern 1033, der den ersten massiven Kern 1032 entlang einer ersten blanken Schnittstelle 1036 direkt kontaktiert. Eine erste Isolierschicht 1044 umgibt den ersten und zweiten massiven Kern 1032, 1033. Jedoch verläuft die erste Isolierschicht 1044 nicht durch die erste blanke Schnittstelle 1036 hindurch, sodass es keine Isolierung zwischen dem ersten massiven Kern 1032 und dem zweiten massiven Kern 1033 gibt.
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Bei der in 7 gezeigten Konfiguration enthält der zweite mehradrige Leiter 1031 einen dritten massiven Kern 1034 und einen vierten massiven Kern 1035, der den dritten massiven Kern 1034 entlang einer zweiten blanken Schnittstelle 1037 direkt kontaktiert. Eine zweite Isolierschicht 1045 umgibt den dritten und vierten massiven Kern 1034, 1035. Die zweite Isolierschicht 1045 verläuft jedoch nicht durch die zweite blanke Schnittstelle 1037 hindurch, sodass es keine Isolierung zwischen dem dritten massiven Kern 1034 und dem vierten massiven Kern 1035 gibt.
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Bei dem Stator 1012 ist der zweite mehradrige Leiter 1031 im Wesentlichen nicht identisch zu dem ersten mehradrigen Leiter 1030. Der erste und der zweite mehradrige Leiter 1030, 1031 können relativ zueinander in einer beliebigen Reihenfolge gestapelt sein und sie können mit zusätzlichen Leitertypen kombiniert sein. Darüber hinaus müssen der erste und der zweite mehradrige Leiter 1030, 1031 nicht in jeder der Leiternuten 1022 in der exakt gleichen Reihenfolge gestapelt sein.
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Die genaue Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Erfindung, aber der Umfang der Erfindung wird allein durch die Ansprüche definiert. Obwohl einige der besten Arten und andere Ausführungsformen zum Ausführen der beanspruchten Erfindung im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen, um die Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, in die Praxis umzusetzen.
