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Die Erfindung betrifft ein Statorsegment einer elektrischen Maschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Stator einer elektrischen Maschine, der mindestens ein derartiges Statorsegment aufweist. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Statorsegments einer elektrischen Maschine.
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Ein Generator oder ein Elektromotor weisen typischerweise einen Stator und einen Rotor auf, die relativ zueinander drehbar um eine Rotationsachse gelagert sind.
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Insbesondere ein großer Stator, das heißt ein Stator mit einem Durchmesser von mehreren Metern, kann mehrere Statorsegmente aufweisen. Diese sind beispielsweise umlaufend kreisförmig angeordnet.
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Ein Statorsegment weist typischerweise ein Statorzahnkranzsegment, umfassend eine Statorzahnkranzbasis und mehrere Statorzähne, sowie mehrere Spulen auf, wobei die Spulen so angeordnet sind, dass die Statorzähne als Spulenkerne für die Spulen fungieren.
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Im Stand der Technik gibt es eine Vielzahl verschiedener Ausführungsformen für die Statorzähne. In einem ersten Beispiel weisen die Statorzähne eine gerade Form auf, d.h. sie haben beispielsweise eine quaderförmige Form. Ein Nachteil von geraden Statorzähnen ist jedoch eine relativ geringe Effizienz des zugehörigen Generators oder Elektromotors. Des Weiteren stellt Rauschen und/oder Vibration des Generators oder des Elektromotors aufgrund einer großen Öffnung zwischen den Statorzähnen ein Problem dar. Für ein Statorsegment mit geraden Statorzähnen werden typischerweise vorgefertigte Spulen verwendet, d.h. Spulen, die nicht erst bei der Herstellung des Statorsegments gewickelt werden, sondern die schon fertig gewickelt mit der Statorzahnkranzbasis in Verbindung gebracht werden.
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Ein zweites Beispiel für die Form eines Statorzahns ist ein Statorsegment mit Statorzähnen, die Zahnspitzen aufweisen. Ein Nachteil dieser Variante ist, dass die Spulen manuell gewickelt werden müssen, nachdem sie auf die Statorzähne positioniert wurden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein im Vergleich zum Stand der Technik verbessertes Statorsegment einer elektrischen Maschine bereitzustellen, wobei das Statorsegment mindestens eine vorgefertigte Spule und mindestens einen Statorzahn mit einem Statorzahnkörper aufweisen soll, und wobei der Statorzahnkörper als ein Spulenkern für die Spule fungieren soll.
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Die Aufgabe wird gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Statorsegment einer elektrischen Maschine angegeben, wobei das Statorsegment mindestens eine vorgefertigte Spule und ein Statorzahnkranzsegment aufweist. Das Statorzahnkranzsegment umfasst eine Statorzahnkranzbasis und mindestens einen Statorzahn mit einem Statorzahnkörper und einer Statorzahnspitze. Die Spule und das Statorzahnkranzsegment sind dabei so angeordnet, dass der Statorzahnkörper als ein Spulenkern für die Spule fungiert. Die Statorzahnkranzbasis, der Statorzahnkörper und die Statorzahnspitze sind einstückig miteinander verbunden. Der Statorzahn weist eine Statorzahnlängsachse auf, und die Statorzahnspitze weist in einer ersten Richtung senkrecht zur Statorzahnlängsachse eine größere maximale Ausdehnung auf als eine maximale Ausdehnung des Statorzahnkörpers in dieser ersten Richtung. Des Weiteren weist der Statorzahn eine erste Differenzausdehnung auf, wobei die erste Differenzausdehnung eine Differenz aus der maximalen Ausdehnung der Statorzahnspitze in der ersten Richtung und der maximalen Ausdehnung des Statorzahnkörpers in der ersten Richtung ist. Ebenso weist der Statorzahn eine zweite Differenzausdehnung auf, wobei die zweite Differenzausdehnung eine Differenz aus einer maximalen Ausdehnung der Statorzahnspitze in einer zweiten Richtung und der maximalen Ausdehnung des Statorzahnkörpers in dieser zweiten Richtung ist. Die erste Richtung ist dabei entgegengesetzt zur zweiten Richtung. Schließlich ist die erste Differenzausdehnung mindestens doppelt so groß, insbesondere mindestens fünfmal so groß, wie die zweite Differenzausdehnung.
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Eine elektrische Maschine ist allgemein eine in der elektrischen Energietechnik eingesetzte Maschine. Eine elektrische Maschine umfasst insbesondere einen Energiewandler, der beispielsweise elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt oder mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Vorteilhafterweise betrifft die Erfindung einen elektrischen Generator oder einen Elektromotor, das heißt vorteilhafterweise ist die elektrische Maschine ein Generator oder ein Elektromotor. Ein elektrischer Generator ist eine elektrische Maschine, die Bewegungsenergie oder mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Ein Elektromotor ist eine elektrische Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt.
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Die elektrische Maschine weist einen Rotor und einen Stator auf. Vorteilhafterweise sind der Rotor und der Stator derartig angeordnet, dass sie relativ zueinander drehbar um eine Rotationsachse gelagert sind. Der Rotor kann beispielsweise eine Form eines Hohlzylinders, beispielsweise eines Ringes, aufweisen. Ebenso kann der Stator eine Form eines Hohlzylinders, beispielsweise eines Ringes, aufweisen. Rotor und Stator können koaxial zueinander angeordnet sein. Befindet sich der Stator radial weiter entfernt von der Rotationsachse als der Rotor, wird er als externer Stator bezeichnet. Befindet sich andererseits der Stator radial weniger weit entfernt von der Rotationsachse als der Rotor, wird der Stator als ein interner Stator bezeichnet.
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Die Statorzahnlängsachse ist eine virtuelle Achse, die durch die Mitte, in anderen Worten durch den Schwerpunkt, des Statorzahnkörpers verläuft.
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Eine Abgrenzung zwischen der Statorzahnspitze und dem Statorzahnkörper ist bei einem Statorzahn mit einer ausgeprägten Statorzahnspitze eindeutig. Als Statorzahnspitze wird im Allgemeinen bei einem internen Stator derjenige Bereich des Statorzahns bezeichnet, der sich radial am weitesten von der Rotationsachse entfernt befindet. Bei Statorzähnen, die eine gerade Form aufweisen, wird derjenige Bereich des Statorzahns der dem 10% am weitesten radial von der Rotationsachse entfernten Bereich entspricht, als Statorzahnspitze bezeichnet. Als die Ausdehnung des Statorzahns, insbesondere des Statorzahnkörpers und der Statorzahnspitze, wird eine Entfernung einer Oberfläche des Statorzahns von der Statorzahnlängsachse bezeichnet.
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Das Statorsegment kann segmentierte Statorzähne mit Zahnspitzen aufweisen. Darunter fällt beispielsweise ein Statorsegment, das Statorzähne, die jeweils eine Zahnspitze aufweisen, umfasst, wobei die Statorzähne jedoch individuell an die Statorzahnkranzbasis angefügt werden. Alternativ können auch die Zahnspitzen mit den Zahnkörpern segmentiert sein.
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Befindet sich der Generator oder der Elektromotor in Betrieb, vollzieht der Rotor relativ zum Stator eine Drehbewegung um die Rotationsachse. Dem Rotor kann somit eine Rotationsrichtung oder Drehrichtung zugeordnet werden. Vorteilhafterweise ist die Rotationsrichtung unidirektional. In anderen Worten ändert sich die Rotationsrichtung während des Betriebs nicht. Wenn eine erste Phase des Betriebs des Generators oder des Elektromotors von einer zweiten Phase des Betriebs des Generators oder des Elektromotors mittels einer Phase des Stillstands unterbrochen wird, ist die Rotationsrichtung in der zweiten Phase des Betriebs vorteilhafterweise gleich wie die Rotationsrichtung in der ersten Phase des Betriebs. Beispielsweise ist die Rotationsrichtung immer im Urzeigersinn oder immer gegen den Uhrzeigersinn.
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Aufgrund der asymmetrischen Statorzahnspitzentopologie, d.h. da die Zahnspitze in der ersten Richtung senkrecht zur Statorzahnlängsachse eine größere maximale Ausdehnung als eine maximale Ausdehnung des Statorzahnkörpers in dieser Richtung aufweist, ist es wichtig, dass die Rotationsrichtung auf die Statorzahnspitze ausgerichtet bzw. angepasst ist. Ein Ankerreaktionsmagnetfeld (Armature Reaction Magnetic Field), welches durch einen Stromfluss in den Spulenwindungen verursacht wird, ist auf einer Seite der Statorzahnspitze additiv zu einem erregten Permanentmagnetfeld, während auf einer anderen Hälfte der Statorzahnspitze beide Magnetfelder, nämlich das Ankerreaktionsmagnetfeld und das erregte Permanentmagnetfeld sich aufheben. Die Seite mit dem additiven Effekt erreicht Sättigung und ist für eine Leistung der elektrischen Maschine nicht weiter nutzvoll. Aus diesem Grund kann auf diese Hälfte der Statorzahnspitze ohne Leistungseinbuße der elektrischen Maschine verzichtet werden. Kehrt sich die Rotationsrichtung jedoch um, und diejenige Seite, bei der sich die beiden magnetischen Felder aufheben, wird entfernt, verbleibt nur diejenige Seite mit den additiven Feldern. Dadurch reduziert sich die Leistung der elektrischen Maschine.
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Eine weitere Funktion der Statorzahnspitze ist ein Arretieren oder Blockieren der Spule gegen ein Herausrutschen bei Einwirkung gravitionaler und/oder zentrifugaler Kräfte.
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Der Statorzahnkörper fungiert als Spulenkern. Dabei ist es möglich, dass die Spule, d.h. Windungen der Spule, in direktem Kontakt mit dem Statorzahn stehen. Es ist andererseits auch möglich, dass ein Luftspalt zwischen dem Statorzahnkörper und der Spule vorhanden ist.
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Vorteilhafterweise ist der Statorzahn laminiert. Dies bedeutet, dass eine Vielzahl, beispielsweise Hunderte oder Tausende von einzelnen Platten zur Reduzierung von Wirbelströmen aneinandergereiht sind. Die einzelnen Platten befinden sich dabei vorteilhafterweise in einer Ebene, die von der ersten Richtung, der zweiten Richtung und der Statorzahnlängsachse aufgespannt wird.
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Vorteilhafterweise ist die elektrische Maschine eine fraktionale Slotmaschine (Fractional Slot Machine). Dies bedeutet, dass eine Anzahl von Slots pro Pol pro Phase kleiner 1 ist. Eine Folge davon ist, dass eine Phasenspule um den Statorzahn gewunden ist, d.h. dass die Spulenwicklung nicht überlappend ist.
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Ein Vorteil einer elektrischen Maschine, die ein nach dem beschriebenen Verfahren hergestelltes Statorsegment aufweist, ist, dass sie eine höhere Leistung und/oder eine größere Effizienz als eine vergleichbare elektrische Maschine mit geraden Statorzahnspitzen aufweist.
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Ein weiterer Vorteil der elektrischen Maschine ist, dass sie eine vergleichbare Leistung und/oder eine vergleichbare Effizienz wie eine elektrische Maschine mit symmetrischen Statorzahnspitzen aufweist, jedoch einfacher und kostengünstiger als diese herzustellen ist.
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Ein nochmals weiterer Vorteil der elektrischen Maschine ist, dass sie einen niedrigeren Bedarf von Eisen während der Herstellung des Stators aufweist als eine elektrische Maschine mit symmetrischen Statorzahnspitzen.
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Schließlich kann mit dem beschriebenen Statorsegment Statormaterial eingespart werden, wodurch zusätzlich ein Gewicht des Stators reduziert wird. Diese Gewichtseinsparung ist insbesondere relevant für Anwendungen mit einem großen Stator mit einem Durchmesser von mehreren Metern, wie er beispielsweise in Windkraftanlagen eingesetzt wird.
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Des Weiteren ist ein im Vergleich zum Stand der Technik hoher Windungsfaktor oder Wicklungsfaktor möglich, da vorgefertigte Spulen verwendet werden können.
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Die Erfindung ist ebenso anwendbar für einen Generator oder einen Elektromotor mit erregten Spulen, d.h. einem elektrisch erregten Generator oder einem elektrisch erregten Elektromotor.
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Aufgrund des schon erwähnten Ankerreaktionsmagnetfelds und des erregten Permanentmagnetfelds kann es unnötig sein, dass das Statorsegment auf mehreren Seiten des Statorzahns Statorzahnspitzen aufweist. Somit ist es vorteilhaft, beispielsweise nur auf Seiten, wo es nötig ist, eine Statorzahnspitze anzubringen.
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Ein weiterer Grund für die Wahl einer asymmetrischen Statorzahnspitze ist der Kompromiss zwischen einfacher Herstellung und optimaler Leistung der elektrischen Maschine, der, insbesondere bezüglich der einfachen Herstellbarkeit, eine nicht allzu große Statorzahnspitze fordert. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Statorzahnspitze vor allem auf nur einer Seite auszuprägen, während sie auf der gegenüberliegenden Seite reduziert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Statorzahnspitze in genau einer Richtung senkrecht zur Statorzahnlängsachse eine größere Ausdehnung als der Statorzahnkörper auf.
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Vorteilhafterweise weist die Statorzahnspitze senkrecht zur Statorzahnlängsachse eine Spitze, eine gerade Seitenfläche und/oder eine gekrümmte Seitenfläche auf.
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Auch hier ist es vorteilhaft, ein Optimum zwischen einfacher Herstellbarkeit und größtmöglicher Leistung der elektrischen Maschine anzustreben.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die elektrische Maschine ein Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Stator einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Generators zur Erzeugung elektrischen Stroms, wobei der Stator mindestens ein zuvor beschriebenes Statorsegment umfasst.
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Ob der Stator ein Statorsegment oder mehrere Statorsegmente umfasst, hängt unter anderem von der Größe, d.h. einem Durchmesser, des Stators ab. Bei einem ringförmigen Stator sind die Statorsegmente, welche der Stator aufweist, in einer ersten Alternative jeweils selbst gekrümmt. In einer weiteren Alternativen umfasst der ringförmige Stator Statorsegmente, die selber für sich gerade, d.h. nicht gekrümmt, sind, aber deren Anordnung eine Krümmung aufweist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist jeder Statorzahn des Stators von je einer Spule umwickelt.
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Dabei umfasst "jeder Statorzahn" insbesondere den zuvor genannten ersten weiteren Statorzahn sowie den zweiten weiteren Statorzahn.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Stator ein Teil einer Windkraftanlage, insbesondere einer direkt angetriebenen Windkraftanlage.
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Der Stator beziehungsweise das Statorsegment können somit verwendet werden, um als Teil einer Windkraftanlage elektrischen Strom zu erzeugen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Statorsegments einer elektrischen Maschine, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
- a) Bereitstellen einer vorgefertigten Spule und eines Statorzahnkranzsegments. Dabei umfasst das Statorzahnkranzsegment eine Statorzahnkranzbasis und mindestens einen Statorzahn mit einem Statorzahnkörper und einer Statorzahnspitze. Die Statorzahnkranzbasis, der Statorzahnkörper und die Statorzahnspitze sind einstückig miteinander verbunden. Der Statorzahn weist eine Statorzahnlängsachse auf, und die Statorzahnspitze weist in mindestens einer Richtung senkrecht zur Statorzahnlängsachse eine größere maximale Ausdehnung als eine maximale Ausdehnung des Statorzahnkörpers in dieser Richtung auf.
- b) Verbinden der Spule mit dem Statorzahnkranzsegment. Die Spule und das Statorzahnkranzsegment sind dabei so angeordnet, dass der Statorzahnkörper als ein Spulenkern für die Spule fungiert.
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Wegen des Komprimierens der Spule nach dem Einsetzen der Spule auf dem Statorzahnkranzsegment und aufgrund Materialeinsparung am Statorzahn, insbesondere an der Statorzahnspitze, ist es vorteilhaft, die Statorzahnspitze nur in genau einer Richtung auszudehnen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Verfahrensschritt b) die folgenden Verfahrensunterschritte auf:
- b1) Positionieren der Spule auf der Statorzahnkranzbasis, wobei ein Innenumfang der Spule in einer ersten Querschnittsebene senkrecht zur Statorzahnlängsachse mindestens so groß wie ein Außenumfang der Statorzahnspitze in einer zweiten Querschnittsebene senkrecht zur Statorzahnlängsachse ist; und
- b2) Verkleinern des Innenumfangs der Spule, so dass der Innenumfang der Spule in der ersten Querschnittsebene kleiner als der Außenumfang der Statorzahnspitze in der zweiten Querschnittsebene wird.
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Die Verfahrensunterschritte b1) und b2) beschreiben eine vorteilhafte Ausführungsform des Verbindens der Spule mit dem Statorzahnkranzsegment. Die Spule, die eine vorgefertigte Spule ist, wird zunächst über den Statorzahnkörper übergestülpt. Weist der Statorzahn beispielsweise einen auf der linken Seite benachbarten Statorzahn und auf der rechten Seite benachbarten Statorzahn auf und bezeichnet man einen Zwischenraum zwischen dem Statorzahn und dem links benachbarten Statorzahn als eine linke Nut und einen Zwischenraum zwischen dem Statorzahn und dem rechts benachbarten Statorzahn als eine rechte Nut, so wird in anderen Worten die Spule in die linke Nut und die rechte Nut eingefügt oder eingeführt, so dass die Spule den Statorzahnkörper umgibt. Da die maximale Ausdehnung der Statorzahnspitze größer als die maximale Ausdehnung des Statorzahnkörpers ist, ist der Innenumfang der Spule größer als der Außenumfang des Statorzahnkörpers. Aus diesem Grund wird im Verfahrensunterschritt b2) die Spule gedrückt oder gepresst oder komprimiert, so dass sie näher an den Statorzahnkörper heranrückt oder positioniert wird. In anderen Worten wird dadurch ein hoher Füllfaktor des Statorsegments erreicht.
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Es ist vorteilhaft, bei der Wahl der maximalen Ausdehnung der Statorzahnspitze im Verhältnis zur maximalen Ausdehnung des Statorzahnkörpers einen Kompromiss zwischen einer Einfachheit der Herstellung des Statorsegments, insbesondere des Vollziehens des Verfahrensunterschritts b2), und einer Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine aufgrund der Statorzahnspitze zu wählen. So kann eine große Statorzahnspitze zwar eine große Leistungssteigerung der elektrischen Maschine bewirken, allerdings kann dadurch das Komprimieren bzw. Stauchen der Spule nach dem Positionieren aufwändig werden. Andererseits ist es vorteilhaft, die Statorzahnspitze nicht zu klein zu wählen, um ein Statorsegment mit einem hohen Leistungspotential zu erhalten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren die weiteren folgenden Verfahrensschritte auf:
- m) Bereitstellen eines ersten weiteren Statorzahns mit einem ersten weiteren Statorzahnkörper und einer ersten weiteren Statorzahnspitze; und
- n) Verbinden des ersten weiteren Statorzahns mit der Statorzahnkranzbasis.
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Weist das Statorsegment eine Vielzahl von Statorzähnen auf und befinden sich zwischen den Statorzähnen Nuten, die gerade so breit ausgestaltet sind, dass die passenden Spulen darin Platz finden, kann es schwierig oder unmöglich sein, den letzten Statorzahn mit einer Spule zu umgeben bzw. zu umwickeln. Insbesondere ist dies bei einem ringförmigen Statorsegment der Fall. Somit ist es vorteilhaft, eine erste weitere vorgefertigte Spule mit dem ersten weiteren Statorzahn zu verbinden, wobei die Verbindung vorteilhafterweise bündig geschieht. In anderen Worten wird die erste weitere Spule schon in einem Abstand zum ersten weiteren Statorzahn gebracht, welcher einem endgültigen Abstand in einem fertiggestellten Statorsegment entspricht. Anschließend wird in Verfahrensschritt n) dieser erste weitere Statorzahn, der von der ersten weiteren Spule umgeben ist, mit der Statorzahnkranzbasis verbunden. Das somit hergestellte Statorsegment umfasst damit mindestens einen Statorzahn, der relativ zur Statorzahnkranzbasis zweistückig, d.h. aus zwei individuellen Teilen bestehend, ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren die weiteren folgenden Verfahrensschritte auf:
- o) Bereitstellen einer zweiten weiteren Statorzahnspitze; und
- p) Verbinden der zweiten weiteren Statorzahnspitze mit einem zweiten weiteren Statorzahnkörper, wobei der zweite weitere Statorzahnkörper mit der Statorzahnkranzbasis einstückig verbunden ist.
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Vorteilhafterweise wird zwischen den Verfahrensschritte o) und p) eine zweite weitere Spule über den zweiten weiteren Statorzahnkörper gestülpt. Dabei wird ein Innenumfang der zweiten weiteren Spule derart gewählt, dass sich die zweite weitere Spule relativ zu benachbarten, schon positionierten Spulen in das Statorsegment in vorteilhafter Weise einfügt. Dieses Verfahren ist insbesondere vorteilhaft bei dem Einfügen der letzten Spule in einem aus einer Vielzahl von Spulen bestehenden Statorsegment, insbesondere einem ringförmigen Statorsegment. Somit weist ein nach diesem Verfahren hergestelltes Statorsegment einen Statorzahn auf, dessen Komponenten Statorzahnkörper und Statorzahnspitze aus mindestens zwei Teilen, also insbesondere nicht einstückig, sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Statorsegment eine Vielzahl von Statorzähnen und eine Vielzahl von Spulen auf. Vorteilhafterweise ist eine Gesamtzahl der Vielzahl von Statorzähnen gleich einer Gesamtzahl der Vielzahl von Spulen.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Gesamtzahl der Vielzahl von Statorzähnen an einen Gesamtdurchmesser des Stators angepasst ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist ein nach oben beschriebenem Verfahren hergestelltes Statorsegment eine Statorzahnspitze auf, die asymmetrisch bezüglich der Statorzahnlängsachse ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer schematischer, nicht maßstabgetreuer Figuren näher erläutert. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
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1 einen Generator mit einem Stator nach dem Stand der Technik, wobei der Generator Statorzähne mit symmetrischen Statorzahnspitzen aufweist;
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2 einen Generator mit einem Stator mit geraden Statorzähnen nach dem Stand der Technik;
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3 einen ersten segmentierten Statorzahn;
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4 einen zweiten segmentierten Statorzahn;
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5 einen Generator mit einem Stator mit Statorzähnen, die einseitige, asymmetrische Statorzahnspitzen aufweisen;
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6 ein Statorsegment mit Statorzähnen, die unterschiedlich gestaltete Statorzahnspitzen aufweisen;
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7 ein Statorzahn mit einer Statorzahnspitze mit einer gekrümmten Seitenfläche;
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8 eine perspektivische Ansicht eines Statorzahnkranzsegments;
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9a–d Verbinden einer Spule mit einem Statorzahnkranzsegment;
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10a Verfahren zum Herstellen eines ersten segmentierten Statorsegments; und
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10b Verfahren zum Herstellen eines zweiten segmentierten Statorsegments.
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Die 1 zeigt einen Generator 10 mit einem im Wesentlichen ringförmigen Rotor 12 und einen im Wesentlichen ringförmigen Stator 11. Der Rotor 12 weist eine Rotationsachse 14 auf. Es handelt sich um einen internen Stator 11, da sich der Stator 11 radial näher an der Rotationsachse 14 als der Rotor 12 befindet. In anderen Worten handelt es sich um einen Außenläufer. Der Rotor 12 weist acht Permanentmagnete 13 auf. Der Stator 11 weist zwölf Statorzähne auf, die jeweils einen Statorzahnkörper 33 und eine Statorzahnspitze 34 umfassen. Die Statorzahnspitze 34 ist symmetrisch bezüglich einer Statorzahnlängsachse 35.
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Der in 1 gezeigte Generator 10 ist ein typischer Generator 10 nach dem Stand der Technik, wie er beispielsweise in kleinen elektrischen Maschinen verwendet wird. Die symmetrischen Statorzahnspitzen 34 haben den Vorteil, dass mehr magnetischer Fluss von den Permanentmagneten 13 eingesammelt werden kann, woraus eine Leistungssteigerung des Generators 10 die Folge ist. Des Weiteren hat eine teilweise Überdeckung eines Statorzahnzwischenraums zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 32 den Vorteil einer Reduktion von Maschinenrauschen und des Vibrationsniveaus. Ein Einsetzen vorgefertigter Spulen ist jedoch in dem in 1 gezeigten Stator 11 kaum möglich, so dass typischerweise die Spulen manuell gewickelt werden. Das Einsetzen vorgefertigter Spulen ist vor allem durch die teilweise überdeckten Statorzahnzwischenräume behindert.
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Die 2 zeigt einen Generator 10 mit einem Rotor 12 und einem Stator 11, wobei der Stator 11 Statorzähne mit einem Statorzahnkörper 33 und einer Statorzahnspitze 34 aufweist. Die Statorzahnspitzen 34 haben bezüglich einer Statorzahnlängsachse 35 eine im Wesentlichen vergleichbare Ausdehnung als die Statorzahnkörper 33. Dies erleichtert zwar bzw. ermöglicht erst ein Einsetzen vorgefertigter Spulen, allerdings geht dies auf Kosten der Leistung des Generators 10. Dies ist in einer fehlenden Überdeckung von Statorzahnzwischenräumen mittels der Statorzahnspitzen 34 begründet. Der in 2 gezeigte Generator 10 ist ein Generator 10, der typischerweise in großen elektrischen Maschinen verwendet wird.
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Um die Vorteile sowohl des in 1 gezeigten Statorzahnkonzeptes als auch des in 2 gezeigten Statorzahnkonzeptes miteinander zu vereinen, werden segmentierte Statorsegmente, wie sie beispielsweise in 3 und 4 gezeigt sind, angegeben. Die 3 zeigt eine Statorzahnkranzbasis 31, die mit einem Statorzahn, umfassend einen Statorzahnkörper 33 und eine Statorzahnspitze 34, verbunden ist. Der Statorzahnkörper 33 fungiert dabei für die Spule 21 als Spulenkern 22.
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Dahingehend ist in 4 der Statorzahnkörper 33 mit der Statorzahnkranzbasis 31 einstückig verbunden, während die Statorzahnspitze 34 ein ursprünglich davon separates Teil darstellt. Wiederum fungiert der Statorzahnkörper 33 für die Spule 21 als Spulenkern 22.
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Ein Vorteil der in 3 und in 4 gezeigten Statorzahnkonzepte ist, dass sie vorgefertigte Spulen mit Statorzahnspitzen, die bezüglich einer Statorzahnlängsachse eine größere Ausdehnung als der Statorzahnkörper aufweisen, möglich machen.
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Die 5 zeigt einen Generator 10 mit einem Rotor 12 mit Permanentmagneten 13 und einen Stator 11. Der Stator 11 weist zwölf Statorzähne auf, die jeweils einen Statorzahnkörper 33 und eine Statorzahnspitze 34 aufweisen. Die Statorzahnspitze 34 ist bezüglich einer Statorzahnlängsachse 35 asymmetrisch. Der Rotor 12 rotiert um den Stator 11 um eine Rotationsachse 14. Eine Rotationsrichtung 15 ist gegen den Uhrzeigersinn vorgegeben. Es ist dabei entscheidend, dass die Ausdehnung der Statorzahnspitzen 34 der Rotationsrichtung 15 entgegengesetzt ausgerichtet ist. Dadurch ist eine maximale Leistung und Effizienz des Generators 10 gewährleistet.
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6 zeigt einen Ausschnitt aus einem Statorzahnkranzsegment 30. Es sind drei Statorzähne 32 zu sehen, die jeweils einen Statorzahnkranzkörper 33 und eine Statorzahnspitze 34 aufweisen. Es befindet sich jeweils eine Spule 21, die den Statorzahnkörper 33 umschließt und als Spulenkern 22 fungiert.
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Es sind verschiedene Ausgestaltungsformen der Statorzahnspitze 34 gezeigt. Es ist eine Statorzahnspitze 34 mit einer geraden Seitenfläche 41 gezeigt, eine Statorzahnspitze 34 mit einer Spitze 40 sowie eine Statorzahnspitze 34 mit einer gekrümmten Seitenfläche 42. Eine Wahl der Form der Statorzahnspitze 34 wird vorteilhafterweise unter anderem von der Einfachheit des Herstellverfahrens als auch von dem erreichten Magnetfluss und, damit verbunden, der erreichbaren Leistung elektrischen Maschine, d.h. des Generators 10, abhängig gemacht.
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Die 7 zeigt einen Statorzahn 32, umfassend einen Statorzahnkörper 33 und eine Statorzahnspitze 34, der einstückig mit einer Statorzahnkranzbasis 31 verbunden ist. Der Statorzahn 32 weist eine erste Differenzausdehnung 74 auf, die sich aus einer Differenz einer maximalen Ausdehnung der Statorzahnspitze in erster Richtung 73 und einer maximalen Ausdehnung des Statorzahnkörpers in erster Richtung 72 berechnet. Die erste Richtung 71 ist dabei senkrecht zu einer Statorzahnlängsachse 35 gewählt. Desselbengleichen weist der Statorzahn 32 eine zweite Differenzausdehnung 84 auf, die sich aus einer Differenz einer maximalen Ausdehnung der Statorzahnspitze in zweiter Richtung 83 und einer maximalen Ausdehnung des Statorzahnkörpers in zweiter Richtung 82 berechnet. Die zweite Richtung 81 ist dabei entgegengesetzt, also im 180° Winkel, zur ersten Richtung 71 gewählt.
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Wie in 7 zu sehen ist, übertrifft die erste Differenzausdehnung 74 die zweite Differenzausdehnung 84 um circa das Dreifache.
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Die 8 verdeutlicht in perspektivischer Ansicht ein beispielhaftes Verhältnis zwischen einer maximalen Ausdehnung des Statorzahnkörpers in erster Richtung 72 und einer Längsausdehnung 91 eines Statorzahns 32. Beispielhaft beträgt die maximale Ausdehnung des Statorzahnkörpers in erster Richtung 72 2 cm (Zentimeter) und die Längsausdehnung 91 beträgt 100 cm.
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Die 9 zeigt ein Herstellverfahren zum Verbinden einer Spule 21 mit einem Statorzahnkranzsegment 30. In einem ersten Verfahrensschritt, 9a, wird die vorgefertigte Spule 21 auf einen Statorzahn gesetzt. In anderen Worten wird die vorgefertigte Spule 21 in eine Nut, die sich jeweils zwischen dem Statorzahn und den benachbarten Statorzähnen ausbildet, eingesetzt. In 9b befindet sich die Spule 21 in direkten Kontakt zum Statorzahnkranzsegment 30. Im nächsten Verfahrensschritt, 9c, wird die Spule 21 komprimiert oder gequetscht oder zusammengedrückt, mit dem Ziel bündig an einen Statorzahnkörper 33 des Statorzahns 32 anzuschließen. Dieser Statorzahnkörper 33 wirkt als Spulenkern 22 sobald der Generator in Betrieb ist. Sobald die Spule 21 mit dem Statorzahnkranzsegment 30 verbunden und platziert ist, siehe 9d, wird die erhaltene Anordnung auch als Statorsegment 20 bezeichnet.
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Die 10a zeigt ein Statorsegment 20, das eine Statorzahnkranzbasis 31 mit mehreren Statorzähnen umfasst. Alle gezeigten Statorzähne sind schon von jeweils einer Spule umgeben. In der 10a wird gezeigt, wie ein erster weiterer Statorzahn 50, umfassend einen ersten weiteren Statorzahnkörper 51 und eine erste weitere Statorzahnspitze 52, mit dem Statorsegment 20 verbunden wird. Da die direkt benachbarten Statorzähne schon jeweils von einer Spule umgeben sind, wird der erste weitere Statorzahn 50 eingesetzt, in dem schon eine vorgefertigte Spule den ersten weiteren Statorzahn 50, insbesondere den ersten weiteren Statorzahnkörper 51, umgibt. Es befindet sich eine Verbindungsvorrichtung am ersten weiteren Statorzahnkörper 51, die dafür vorgesehen ist, den ersten weiteren Statorzahn 50 mit der Statorzahnkranzbasis 31 zu verbinden.
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10b zeigt ein alternatives Verfahren, einen letzten Statorzahn mit einer Spule zu bestücken. Es handelt sich hierbei um einen zweiten weiteren Statorzahnkörper 61, der einstückig mit der Statorzahnkranzbasis 31 verbunden ist. Eine vorgefertigte Spule wird eingesetzt und umgibt den zweiten weiteren Statorzahnkörper 61. Anschließend wird die zweite weitere Statorzahnspitze 62 mit dem zweiten weiteren Statorzahnkörper 61 verbunden.
