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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen mit Scheibenrotoren, insbesondere Transversalflussmaschinen. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zur Reduzierung von Drehmomentwelligkeiten.
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Stand der Technik
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Als Transversalflussmaschinen ausgebildete elektrische Maschinen zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte bei einem vergleichsweise geringen Gewicht aus. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
WO 2009/115247 A1 eine Transversalflussmaschine mit einem Scheibenrotor bekannt. In eine Rotorscheibe des Scheibenrotors sind in konstantem Abstand von einer Drehachse Permanentmagnete eingebettet, die in Umfangsrichtung magnetisiert sind. Benachbarte Permanentmagnete sind zueinander entgegengesetzt magnetisiert, so dass die einander zugewandten Pole zweier benachbarter Permanentmagnete jeweils gleichartig sind. Die Feldlinien zwischen diesen gleichartigen Polen werden damit so überlagert, dass ein sich in axialer und radialer Richtung von dem Polzwischenraum ausbreitendes Rotormagnetfeld erzeugt wird.
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Der Scheibenrotor ist axial zwischen zwei Statoreinheiten angeordnet, die jeweils eine konzentrisch um eine Motorachse verlaufende Statorwicklung aufweisen. Zu jeder der Statorwicklungen radial nach innen und außen versetzt weist jede der Statoreinheiten sich in Umfangsrichtung erstreckende und in Richtung des Scheibenrotors hervorstehende innere und äußere Statorzähne auf.
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Bei der Bestromung der Statorwicklung einer Statoreinheit wirkt eine Kraft auf die Magnetpole des Scheibenrotors in Richtung des in Umfangsrichtung am nächsten gelegenen Magnetpols der Statoreinheiten, der eine zu dem betreffenden Magnetpol entgegengesetzte Magnetisierung aufweist. Dadurch kann ein von der Position des Scheibenrotors sowie vom Betrag und Vorzeichen des Statorstroms abhängiges Drehmoment erzeugt werden.
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Um Anlaufschwierigkeiten zu vermeiden, werden Transversalflussmaschinen in der Regel mehrphasig ausgeführt, wobei mehrere Scheibenrotoren axial zueinander versetzt angeordnet und jeweils mit einem eigenen Paar von Statoreinheiten versehen werden. Die Radien der Statorwicklungen sind dabei im Wesentlichen gleich vorgesehen, um einen elektromagnetisch symmetrischen Aufbau zu erreichen. Der elektromagnetisch symmetrische Aufbau ermöglicht das Ausgleichen der beim Betrieb der Transversalflussmaschine auftretenden Kräfte und dadurch eine Reduktion möglicher Drehmomentschwankungen.
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Um einen mehrphasigen Betrieb zu ermöglichen, können bei der obigen Transversalflussmaschine der
WO 2009/115247 A1 die Statorwicklungen abschnittsweise zwischen den Statorzähnen geführt werden, so dass verschiedenen Phasen zugeordnete Statorwicklungen in jeweils einem Abschnitt zwischen den Statorzähnen eines Statorzahnrings angeordnet sind. Diese Ausführung hat jedoch den Nachteil, dass der Abschnitt der Statorwicklung, der außerhalb der zwischen den Statorzähnen befindlichen Nut geführt wird, keinen Beitrag zum Drehmoment der Transversalflussmaschine leistet.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Transversalflussmaschine zur Verfügung stellen, die es ermöglicht, dass die Statorwicklungen in ihrem gesamten Umfang zur Drehmomentbildung beitragen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Statoreinheit für eine mehrphasige Transversalflussmaschine gemäß Anspruch 1 sowie durch die Transversalflussmaschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Statoreinheit für eine mehrphasige Transversalflussmaschine vorgesehen, umfassend:
- – einen Rückschlussbereich aus magnetischem Material mit einer Fläche; und
- – mehrere von der Fläche hervorstehende Statorzähne, die in mehreren kreisförmigen, zueinander konzentrischen Statorzahnanordnungen angeordnet sind, wobei jede der Statorzahnanordnungen eine innere Statorzahnreihe und eine äußere Statorzahnreihe mit jeweils voneinander beabstandeten Statorzähnen umfasst, wobei jede der Statorzahnanordnungen in mehrere Segmente, insbesondere mit jeweils gleichen Segmentwinkeln, aufgeteilt ist, wobei eine einer Phase zugeordnete Statorwicklung durch ein Segment einer der Statorzahnanordnungen und ein Segment einer weiteren der Statorzahnanordnungen geführt ist.
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Eine Idee der obigen Statoreinheit besteht darin, diese mit mehreren radial zueinander versetzten ringförmigen Statorzahnanordnungen zu versehen, in denen jeweils eine Statorwicklung vorgesehen ist. Jede der Statorzahnanordnungen weist kreissegmentförmige Abschnitte auf, in denen jeweils eine der Statorwicklungen abschnittsweise geführt wird, wobei zwischen mindestens zwei Abschnitten die Statorwicklung von einer der Statorzahnanordnungen zu einer weiteren der Statorzahnanordnungen wechselt. Auf diese Weise wird im Gegensatz zu der in der Druckschrift
WO 2009/115247 dargestellten Ausführungsform der Abschnitt der Statorwicklung nicht außerhalb eines Statorzahnrings geführt, so dass die Statorwicklungen jeder elektrischen Phase über den gesamten Umfang hinweg zur Drehmomentbildung beitragen können.
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Weiterhin können Enden der Segmente in Umfangsrichtung zueinander ausgerichtet sein.
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Insbesondere können mehrere Statorwicklungen vorgesehen sein, wobei jede der Statorwicklungen zwischen zwei Segmenten in Umfangsrichtung zu einer weiteren Statorzahnanordnung geführt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann jede der Statorwicklungen einen Anschluss aufweisen, wobei die Anschlüsse an einer gemeinsamen Anschlussstelle aus der Statoreinheit herausgeführt sind.
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Alternativ kann jede der Statorwicklungen einen Anschluss aufweisen, wobei die Anschlüsse an verschiedenen Anschlussstellen aus der Statoreinheit herausgeführt sind.
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Mindestens eine der Anschlussstellen kann zwischen zwei Segmenten vorgesehen sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Statorzahnanordnungen in radialer Richtung durch ein magnetisch nicht leitendes Isolationsmedium voneinander getrennt sind.
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Weiterhin können die Statorzähne der inneren Statorzahnreihe einer der Statorzahnanordnungen und die Statorzähne der äußeren Statorzahnreihe einer weiteren der Statorzahnanordnungen in Umfangsrichtung sowie bezüglich einer radialen Richtung zueinander versetzt sein.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Statoreinheit einstückig, insbesondere mit einem Presswerkzeug, aus einem SMC-Material ausgebildet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine, insbesondere eine Transversalflussmaschine, vorgesehen, umfassend:
- – einen Scheibenrotor mit in Umfangsrichtung polarisierten, in Magnetringanordnungen angeordneten Permanentmagneten; und
- – mindestens eine der obigen Statoreinheiten, die axial versetzt zu dem Scheibenrotor angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung der obigen Statoreinheit vorgesehen, wobei die Statoreinheit einstückig mit einem Presswerkzeug aus einem SMC-Material ausgebildet wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a und 1b Querschnittsdarstellungen einer Transversalflussmaschine mit einem Scheibenrotor;
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2 eine Darstellung einer Draufsicht auf eine Statoreinheit mit einer Sechsfachsegmentierung für eine Transversalflussmaschine gemäß der 1a und 1b mit einem gemeinsamen Anschlusspunkt der Phasenstränge;
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3 eine Draufsicht auf eine Statoreinheit mit drei Phasensträngen mit einer Dreifachsegmentierung der Statorzahnanordnungen und einer ungebündelten Ausführung der Anschlüsse der Statorwicklungen;
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4 eine Draufsicht auf eine Statoreinheit mit drei Phasensträngen mit einer Dreifachsegmentierung der Statorzahnanordnungen und einer gebündelten Ausführung der Anschlüsse der Statorwicklungen;
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5 eine Draufsicht auf eine Statoreinheit mit zwei Phasensträngen mit einer Zweifachsegmentierung der Statorzahnanordnungen und einer ungebündelten Ausführung der Anschlüsse der Statorwicklungen; und
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6 eine Draufsicht auf eine Statoreinheit mit zwei Phasensträngen mit einer Zweifachsegmentierung der Statorzahnanordnungen und einer gebündelten Ausführung der Anschlüsse der Statorwicklungen.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Die 1a und 1b sowie die 2 zeigen Querschnittsdarstellungen einer Transversalflussmaschine 1 mit einem Scheibenrotor 2. 1a zeigt eine radiale Draufsicht auf eine Querschnittsansicht in Umfangsrichtung U, 1b eine Querschnittsansicht in Umfangsrichtung U und 2 eine Draufsicht auf eine der Statoreinheiten 3 in axialer (achsparalleler) Richtung A.
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Die Transversalflussmaschine 1 umfasst zwei Statoreinheiten 3, zwischen denen der Scheibenrotor 2 drehbeweglich um eine Drehachse angeordnet ist, die die axiale Richtung A definiert. Der Scheibenrotor 2 ist aus einem magnetisch und elektrisch nicht leitenden Material ausgebildet, wie beispielsweise aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff oder dergleichen, und enthält darin eingebettete Permanentmagnete 4.
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Die Permanentmagnete 4 können in drei konzentrischen ringförmigen Magnetringanordnungen in dem Scheibenrotor 2 vorgesehen, wobei in jeder der Magnetringanordnungen die Permanentmagnete 4 in Umfangsrichtung U voneinander beabstandet sind. Die Anzahl der Magnetringanordnungen kann der Anzahl der Phasen der Transversalflussmaschine 1 entsprechen und kann daher auch zwei oder mehr als drei betragen. Die Polarisierung der Permanentmagnete 4 ist für jede der Magnetringanordnungen in Umfangsrichtung U ausgerichtet, wobei die Polarisierungen von jeweils zwei in Umfangsrichtung U zueinander benachbarten Permanentmagneten 4 einander entgegengesetzt sind, so dass jeweils gleichartige Magnetpole einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die einander in Umfangsrichtung U gegenüberliegend angeordneten Magnetpole der Permanentmagneten 4 bilden Rotorpole mit einem resultierenden Magnetfeld aus, die sich von dem Bereich zwischen jeweils zwei Magnetpolen der Permanentmagnete 4 in radialer und axialer Richtung erstrecken. Die Breite der Magnetringanordnungen in einer zur axialen Richtung A radialen Richtung R kann im Wesentlichen identisch sein, und insbesondere kann die Anzahl der Permanentmagnete 4 in jeder der zueinander konzentrischen Magnetringanordnungen gleich sein. Alternativ kann die Breite der Magnetringanordnungen in der radialen Richtung R auch unterschiedlich sein.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Anzahl der Magnetringanordnungen auch weniger als die Anzahl der Phasen sein, wobei die Permanentmagnete 4 in radialer Richtung R vergrößert sind und optional in Umfangsrichtung U geschrägt sein können.
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Die Statoreinheiten 3 sind einander gegenüberliegend angeordnet, wobei der Scheibenrotor 2 frei drehbeweglich so zwischen den Statoreinheiten 3 angeordnet ist, dass die durch die Permanentmagnete 4 jeder der Magnetringanordnungen ausgebildeten Rotorpole zwischen Statorzähnen 31 der Statoreinheiten 3 verlaufen. Bei einer dreiphasigen Maschine können die Statorzähne 31 in drei ringförmigen Statorzahnanordnungen 36 angeordnet sein, die konzentrisch zueinander vorgesehen sind, so dass jede der Statorzahnanordnungen 36 in axialer Richtung A einer der Magnetringanordnungen gegenüberliegt.
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Die Statorzähne 31 sind an einem Statorkörper 35 aus magnetisch leitfähigem Material angebracht bzw. einstückig mit diesem ausgebildet, wobei der Statorkörper 35 einen magnetischen Rückschlussbereich bildet. Die Statorzähne 31 sind jeweils in axialer Richtung von dem Statorkörper 35 hervorstehend, d. h. als Vorsprünge, ausgebildet. Jede der Statoreinheiten 3 weist für jede der Statorzahnanordnungen 36 jeweils eine sich in Umfangsrichtung U erstreckende innere Statorzahnreihe 33 und eine radial äußere Statorzahnreihe 32 auf. Zwischen den inneren Statorzahnreihen 33 und den äußeren Statorzahnreihen 32 von Statorzähnen 31 jeder der Statoreinheiten 3 und jeder der Statorzahnanordnungen 36 ist eine Statorwicklung 34 vorgesehen, die konzentrisch um die Drehachse des Scheibenrotors 2 angeordnet ist. Einander bezüglich der axialen Richtung A gegenüberliegende Statorwicklungen 34 sind jeweils einer Phase zugeordnet und werden bei ihrer Ansteuerung mit jeweils entgegengesetzten Vorzeichen bestromt.
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Wie in 1a dargestellt, sind die Statorzähne 31 der äußeren Statorzahnreihe 32 und die Statorzähne 31 der inneren Statorzahnreihe 33 jeder der Statoreinheiten 3 und jeder der Statorzahnanordnungen 36 in Umfangsrichtung U mit Abstand zueinander angeordnet. Weiterhin sind die Statorzähne 31 der äußeren Statorzahnreihen 32 und die Statorzähne 31 der inneren Statorzahnreihen 33 jeder der Statorzahnanordnungen 36 in Umfangsrichtung U zueinander versetzt angeordnet. Dadurch ergibt sich bezüglich jeder Statoreinheit 3 bei einer Bestromung der jeweiligen Statorwicklung 34 eine erste magnetische Polarisierung der Statorzähne 31 der äußeren Statorzahnreihe 32 und eine zweite entgegengesetzte magnetische Polarisierung der inneren Statorzahnreihe 33. Man erkennt, dass für die einander gegenüberliegenden Statoreinheiten 3 jedem der Statorzähne 31 eine entsprechende Vertiefung bzw. ein Zwischenraum 39 zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 31 der jeweils in axialer Richtung A gegenüberliegenden Statoreinheit 3 gegenüberliegt.
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Die Statorzähne 31 der äußeren bzw. inneren Statorzahnreihe 32, 33 einer ersten der Statorzahnanordnungen 36 können zu den Statorzähnen 31 der äußeren bzw. inneren Statorzahnreihe 32, 33 einer zweiten der Statorzahnanordnungen 36 versetzt sein, so dass ein Anlaufen des Scheibenrotors 2 der Transversalflussmaschine 1 in jeder Lage des Scheibenrotors 2 möglich ist. Dies ist insbesondere bei Verwendung einer vergrößerten Magnetringanordnung aufgrund der Mehrphasigkeit notwendig, wenn die Permanentmagnete 4 sich in radialer Richtung R über die erste und zweite Statorzahnordnung 36 erstrecken. Entspricht die Anzahl der Magnetringanordnungen der Anzahl der Phasen können alternativ oder zusätzlich die Permanentmagnete 4 der Magnetringanordnungen zueinander versetzt sein, so dass die Statorzähne 31 der äußeren bzw. inneren Statorzahnreihen 32, 33 der mehreren Statorzahnanordnungen 36 entlang der radialen Richtung R Versatze in Umfangsrichtung U aufweisen.
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Die Feldlinien im Luftspalt, die sich aus der Überlagerung der von Permanentmagneten 4 im Scheibenrotor 2 und von den Statorwicklungen 34 in den Statoreinheiten 3 erzeugten Magnetfelder ergeben und die das Motormoment bewirken, verlaufen im Wesentlichen in axialer Richtung bzw. leicht (in Umfangsrichtung U) geneigt zur axialen Richtung A, also quer zur Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete 4.
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Die Bestromungen der einander gegenüberliegenden Statorwicklungen 34 sind periodisch und stets zueinander entgegengesetzt vorgesehen. Da in Umfangsrichtung U stets ein Statorzahn 31 der inneren Statorzahnreihe 33 und ein Statorzahn 31 der äußeren Statorzahnreihe 32 wechselweise angeordnet sind, kommt es in der Umfangsrichtung U zu einer abwechselnden Aneinanderreihung von magnetischen Nord- und Südpolen. Durch die durch die Permanentmagnete 4 des Scheibenrotors 2 ausgebildeten Magnetpole wirkt nun in Umfangsrichtung U zu dem am nächsten gelegenen magnetischen Pol der Statorzähne 31, der eine jeweils entgegengesetzte Polarisierung aufweist, eine Kraft. Somit kann ein von der Rotorposition sowie vom Vorzeichen und Betrag des Stroms durch die Statorwicklungen 34 abhängiges Drehmoment erzeugt werden.
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Die Draufsicht auf eine der Statoreinheiten 3 der 2 zeigt eine Segmentierung jeder der drei Statorzahnanordnungen 36. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jede der Statorzahnanordnungen 36 in sechs Segmente 37 mit einem jeweiligen Segmentwinkel von 60° unterteilt. Allgemein kann die Anzahl der Segmente 37 einem Vielfachen der Anzahl der Phasen der Transversalflussmaschine 1 entsprechen. Die Segmente 37 der Statorzahnanordnungen 36 sind möglichst gleichartig, d. h. mit gleichen Segmentwinkeln, ausgebildet. Die Segmente 37 der konzentrischen Statorzahnanordnungen 36 sind bezüglich ihres Winkelbereichs zueinander ausgerichtet, wobei die mechanische Winkelverschiebung zwischen zwei benachbarten Segmenten 37 beträgt:
360°/PP × 4 bei zweiphasigen Transversalflussmaschinen und
360°/(P × PP) bei Transversalflussmaschinen mit mehr als zwei Phasen,
wobei PP der Anzahl der Polpaare und P der Anzahl der Phasen entsprechen.
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Weiterhin können die Segmente 37 der Statorzahnanordnungen 36 gegenüber den in radialer Richtung benachbarten Segmenten 37 weiterer Statorzahnanordnungen 36 magnetisch isoliert sein, z. B. durch einen Luftspalt 39 oder ein magnetisch nicht leitendes Medium bzw. Material.
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Die Statorwicklungen 34 können mit einer beliebigen Anzahl von Windungen ausgebildet sein. Vorzugsweise sind jedoch Windungszahlen zwischen 1 und 10, insbesondere zwischen 1 und 4, vorgesehen. Die obige Anordnung der Statorwicklungen 34 durch Wechsel des Verlaufs der Statorwicklungen 34 in den Segmenten 37 der Statorzahnanordnungen 36 ermöglicht eine signifikante Erhöhung der Leistungsdichte aufgrund der Vermeidung einer Leiterführung der Statorwicklungen 34 außerhalb eines magnetischen Kreises. Weiterhin können Statoreinheiten 3 durch gleiche Teile von segmentförmigen Elementen aufgebaut werden, die jeweils das betreffende Segment 37 jeder der Statoranordnungen 36 tragen.
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Im Wesentlichen bilden die einzelnen Segmente 37 entlang der Umfangsrichtung U die Statorzahnanordnungen 36, ermöglichen jedoch, dass die den Phasen zugeordneten Statorwicklungen 34 zwischen zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Segmenten 37 einen Wechsel der jeweiligen Statorzahnanordnung 36 vornehmen können, so dass in Umfangsrichtung U benachbarten Segmenten 37 der Statorzahnanordnung 36 stets verschiedene Abschnitte der den Phasen zugeordneten Statorwicklungen 34 angeordnet sind.
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Die elektrischen Anschlüsse der einzelnen Statorwicklungen 34 können an einer Anschlussstelle 38 gebündelt aus einem Bereich zwischen zwei Segmenten 37 der Statorzahnanordnungen 36 oder an über den Umfang verteilt angeordneten Anschlussstellen 38 der betreffenden Statoreinheit 3 herausgeführt werden. So zeigt beispielsweise 3 eine Statoreinheit 3 für eine dreiphasige Transversalflussmaschine 1 mit drei Segmenten 37 zu jeweils 120° Segmentwinkel. Die Anschlüsse der drei Statorwicklungen 34 sind verteilt an über den Umfangsbereich verteilten Anschlussstellen 38 aus den Zwischenbereichen zwischen den Segmenten 37 der Statorzahnanordnungen 36 herausgeführt und jeweils einer Phase zugeordnet.
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In 4 ist für eine identische Statoreinheit 3 dargestellt, dass die Anschlüsse der Statorwicklungen 34 gebündelt an einer gemeinsamen Anschlussstelle 38 aus der Statoreinheit 3 herausgeführt werden.
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Die 5 und 6 zeigen entsprechende Anordnungen für eine zweiphasige Transversalflussmaschine 1 mit einer Zweifachsegmentierung der Statoreinheiten 3, d. h. die Statoreinheiten 3 weisen jeweils zwei Segmente 37 zu jeweils 180° Segmentwinkel auf. In 5 sind die Anschlüsse der den beiden Phasen zugeordneten Statorwicklungen 34 an verschiedenen Anschlussstellen 38 aus der jeweiligen Statoreinheit 3 herausgeführt. In 6 sind die Anschlüsse der den beiden Phasen zugeordneten Statorwicklungen 34 an einer gemeinsamen Anschlussstelle 38 aus der jeweiligen Statoreinheit 3 herausgeführt.
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Beim Aufbau der Transversalflussmaschine 1 mit zwei gegenüberliegenden Statoreinheiten 3 ist es vorteilhaft, dass die einer Phase zugeordneten Statorwicklungen 34 mit gleichem radialen Abstand von der Drehachse angeordnet sind, um die resultierenden Lagerkräfte auf den Scheibenrotor 2 möglichst gering zu halten. Dies ist grundsätzlich möglich, wenn die Anzahl der Segmente 37 einem geraden Vielfachen der Phasenzahl entspricht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/115247 A1 [0002, 0006]
- WO 2009/115247 [0011]
