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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen mit Scheibenläufern, insbesondere Axialflussmaschinen bzw. Transversalflussmaschinen, die als Läufer einen Scheibenrotor aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zur Kühlung derartiger elektrischer Maschinen.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen mit Scheibenrotoren, wie beispielsweise Transversalflussmaschinen, 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 einer Rotorscheibe des Scheibenrotors sind in konstantem Abstand von einer Drehachse Permanentmagnete eingebettet, die in Umfangsrichtung magnetisiert sind. 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 von Betrag und Vorzeichen des Statorstroms abhängiges Drehmoment erzeugt werden.
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Beim Betrieb der elektrischen Maschine führt die Wechselwirkung des Statormagnetfelds mit dem Rotormagnetfeld zu einer Erwärmung der Rotorscheibe und der Statoreinheiten. Um Schädigungen an der elektrischen Maschine zu vermeiden ist es daher sinnvoll, Maßnahmen zur Kühlung vorzusehen.
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Die Druckschrift
WO 2009/115247 A1 sieht dazu vor, Statorwicklungen als Hohlleiter auszubilden, um diese mittels eines durchströmenden Kühlmittels zu kühlen. Eine Kühlung ist aufwändig, und es ist daher wünschenswert, einfachere, insbesondere passive Kühlmaßnahmen zu implementieren.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine mit einem Scheibenläufer in effizienter Weise zu kühlen, so dass Wärme von der Statoranordnung und/oder von der Rotorscheibe abgeführt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die elektrische Maschine mit einem Scheibenläufer gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einem Aspekt ist eine elektrische Maschine mit einem Scheibenläufer vorgesehen, umfassend:
- – eine als Scheibenläufer ausgebildete Rotorscheibe;
- – mindestens eine Statoreinheit mit in axialer Richtung abstehenden Statorzähnen, wobei an deren abstehenden Enden die Rotorscheibe drehbeweglich über einen Spalt beabstandet angeordnet ist;
- – ein Gehäuse, an dem die mindestens eine Statoreinheit angeordnet ist und das die mindestens eine Statoreinheit und die Rotorscheibe umgibt, wobei in dem Gehäuse ein radial äußerer Volumenbereich und ein radial innerer Volumenbereich zur Aufnahme eines Mediums, insbesondere Luft, getrennt durch die mindestens eine Statoreinheit ausgebildet sind; und
- – einen oder mehrere separat von dem Spalt ausgebildete Rückflusskanäle, die ausgebildet sind, um ein Zurückströmen des Mediums von dem radial äußeren Volumenbereich zu dem radial inneren Volumenbereich zuzulassen.
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Eine Idee der obigen elektrischen Maschine besteht darin, die durch eine Rotation der Rotorscheibe in radialer Richtung durch den Spalt bewirkte Bewegung des Mediums zu nutzen, um eine umlaufende bzw. zirkulierende Strömung des Mediums, insbesondere eine Luftströmung, zu erzeugen, die zumindest teilweise durch den Spalt (Luftspalt) verläuft. Insbesondere wirkt bei herkömmlichen Aufbauweisen von elektrischen Maschinen die sich drehende Rotorscheibe als Radialflussverdichter und bewirkt einen Medienstau in einem in dem radial äußeren Volumenbereich, aus dem das Medium in der Regel nicht nach außen entweichen kann. Daher ist bei der obigen elektrischen Maschine ein separater Mediumflusspfad vorgesehen, der den bezüglich der Rotorscheibe radial außen liegenden Volumenbereich mit dem bezüglich der Rotorscheibe radial innen liegenden Volumenbereich verbindet. Dies ermöglicht eine Rückströmung von dem außen liegenden Volumenbereich zu dem innen liegenden Volumenbereich. Somit kann bei der Drehung der Rotorscheibe das Medium ungehindert durch den Spalt zwischen den Statoreinheiten und der Rotorscheibe radial nach außen strömen und dadurch sowohl die Statoreinheiten als auch die Rotorscheibe kühlen. Dadurch kann der oben beschriebene Medienstau vermieden und eine Zirkulation des Mediums erreicht werden.
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Auf diese Weise wird eine passive Kühlung realisiert, die die Drehung der Rotorscheibe im Betrieb der elektrischen Maschine ausnutzt, um einen zirkulierenden Medienstrom zum Abführen der im Betrieb der elektrischen Maschine entstehenden Wärme zu nutzen.
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Weiterhin kann mindestens einer der Rückflusskanäle durch ein Statorjoch der mindestens einen Statoreinheit ausgebildet sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann mindestens einer der Rückflusskanäle zwischen einer Innenwand des Gehäuses und einem Statorjoch der mindestens einen Statoreinheit ausgebildet sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann ein Statorjoch der mindestens einen Statoreinheit über eine Kontaktfläche an einem, insbesondere einstückig mit dem Gehäuse ausgebildeten, Haltering angeordnet sein, wobei mindestens einer der Rückflusskanäle durch den Haltering oder im Bereich der Kontaktfläche durch den Haltering und durch das Statorjoch verläuft.
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Gemäß einer Ausführungsform können mindestens einer der Rückflusskanäle, mehrere der Rückflusskanäle oder alle Rückflusskanäle in im Wesentlichen radialer Richtung zwischen dem äußeren Volumenbereich und dem inneren Volumenbereich verlaufen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann mindestens einer der Rückflusskanäle in einem Zwischenraum eines doppelwandigen Gehäuses oder zwischen einer Ummantelung und einer Außenwand des Gehäuses verlaufen.
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Es kann vorgesehen sein, dass mindestens einer der Rückflusskanäle durch eine Rohrverbindung außerhalb des Gehäuses realisiert ist.
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Weiterhin kann in dem mindestens einen Rückflusskanal eine Kühleinrichtung zur aktiven Kühlung des durchströmenden Mediums vorgesehen sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Statoreinheit aus mehreren Statorsegmenten aufgebaut sein, wobei mindestens einer der Rückflusskanäle durch einen oder in einem Segmentzwischenraum zwischen zwei in Umfangsrichtung zueinander benachbarten Statorsegmenten ausgebildet ist.
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Weiterhin können die mehreren Statorsegmente an einer Stirnseite eines ringförmigen Trägerelements gehalten sein, das zwischen Statorsegmenten und dem Gehäuse angeordnet ist
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Insbesondere können die mehreren Statorsegmente jeweils mehrere Statorzähne tragen, wobei jeder Phase eine identische Anzahl an Statorzähnen zugeordnet ist.
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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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1 eine Querschnittsansicht durch eine elektrische Maschine mit einem Scheibenläufer und einem Rückstrompfad durch die Statoreinheiten;
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2 eine perspektivische Darstellung durch einen Ausschnitt aus einer elektrischen Maschine mit einem Rückflusskanal in dem Statorjoch;
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3 eine perspektivische Darstellung durch einen Ausschnitt aus einer elektrischen Maschine mit einem Rückflusskanal durch eine Kontaktfläche zwischen dem Statorjoch und einem Haltering;
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4 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine elektrische Maschine mit einem Rückstrompfad zwischen einer Innenwand des Gehäuses und den Statoreinheiten;
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5 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine elektrische Maschine mit einem Scheibenläufer mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Luftpfad;
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6 eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Luftpfad, in dem eine Kühleinrichtung angeordnet ist;
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7 eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine mit einer aus Statorsegmenten aufgebauten Statoreinheit; und
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8a und 8b perspektivische Darstellungen durch Ausschnitte aus elektrischen Maschinen mit verschiedenen Segmentzwischenräumen zwischen den Statorsegmenten.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Bei elektrischen Maschinen mit einem Scheibenläufer wird durch die Rotation des als Rotorscheibe ausgebildeten Scheibenläufers Luft durch den oder die Luftspalte zwischen jeweils einer von zwei einander gegenüberliegenden Statoreinheiten und der Rotorscheibe radial nach außen bewegt. Üblicherweise sind die Statoreinheiten von einem umschließenden Gehäuse umgeben, wobei sich radial außerhalb und innerhalb der Statoreinheiten lediglich durch den Luftspalt miteinander verbundene Luftvolumen ausbilden können. Grundsätzlich besteht bei derartigen elektrischen Maschinen eine Problematik darin, dass es bei der Rotation der Rotorscheibe in dem radial äußeren Luftvolumen zu einem Luftstau kommt, durch den eine kontinuierliche Förderung von Luft durch den Luftspalt unterbunden wird. Dadurch kann eine Kühlwirkung eines durch den Luftspalt fließenden Luftstroms nicht genutzt werden.
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1 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch eine rotatorische elektrische Maschine 1, die als Axialfluss- oder Transversalflussmaschine ausgebildet ist. In 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts aus der elektrischen Maschine 1 der 1 dargestellt.
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Die elektrische Maschine 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das zwei einander bezüglich einer axialen Richtung gegenüberliegende ringförmige Statoreinheiten 3 aufweist, zwischen denen ein scheibenförmiger Läufer, ein so genannter Scheibenläufer bzw. Scheibenrotor, in Form einer Rotorscheibe 4 angeordnet ist. Die Rotorscheibe 4 ist mit Permanentmagneten 41 versehen
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Die Statoreinheiten 3 weisen jeweils ein im Wesentlichen ringförmiges Statorjoch 31 auf, von dem in axialer Richtung Statorzähne 32 abstehen. Die Statorzähne 32 sind entlang des ringförmigen Statorjochs 31 im Wesentlichen gleich beabstandet. Es sind eine oder mehrere geradlinig oder wellenförmig verlaufende Statorwicklungen (nicht gezeigt) an den Statorzähnen 32 angeordnet, um ein wechselndes Magnetfeld in Richtung der Rotorscheibe 4 zu generieren. Die Statorwicklungen sind in den Statorzähnen 32 durch ein elektrisch nicht leitendes Material, wie z. B. Kunstharz, vergossen. Die Statorzähne 32 der beiden Statoreinheiten 3 sind einander in axialer Richtung zugewandt, so dass sich die Rotorscheibe 4 an den abstehenden Enden der Statorzähne 32 lediglich durch einen Luftspalt 7 beabstandet vorbeibewegt.
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Das Gehäuse 2 ist im Wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildet und weist entlang seiner Mittenachse M eine Durchgangsbohrung auf, durch die eine Rotorwelle 5 verläuft. Die Rotorwelle 5 ist an dem Gehäuse 2 durch stirnseitig angeordnete Lager 6 drehbeweglich gehalten. Das Gehäuse 2 ist an sich abgeschlossen und mit einem flüssigen oder vorzugsweise gasförmigen Medium wie z.B. Luft gefüllt. Im folgenden werden die Ausführungsformen ohne Einschränkung der Allgemeinheit mit Luft als Medium im Inneren des Gehäuses beschrieben.
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Die Rotorscheibe 4 ist an der Rotorwelle 5 angeordnet und steht von dieser im Wesentlichen in senkrechter Richtung ab. Die Rotorscheibe 4 ist so angeordnet, dass sie drehbeweglich zwischen den beiden einander zugewandten Enden der Statoreinheiten 3 angeordnet ist und von diesen jeweils durch den Luftspalt 7 beabstandet ist.
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In der Regel sind die Statorwicklungen, die zwischen Statorzähnen 32 verlaufen, vergossen, so dass sich zwischen Gehäuse 2 und Statoranordnung 3 im radial äußeren Bereich eine Luftkammer als äußerer Volumenbereich 8 ausbildet, die mit einem radial inneren Volumenbereich 9 lediglich über den Luftspalt 7 verbunden ist. Bei einer Drehung der Rotorscheibe 4 wird aufgrund von Zentrifugalkräften Luft aus dem radial inneren Volumenbereich 9 in Richtung des radial äußeren Volumenbereichs 8 transportiert. Bei herkömmlichen derartigen elektrischen Maschinen 1 stellt der Luftspalt 7 die einzige Verbindung zwischen dem radial äußeren und dem radial inneren Volumenbereich 8, 9 dar, so dass sich die Luft im radial äußeren Volumenbereich 8 staut. Dadurch wird eine Konvektion bzw. ein weiteres Hindurchströmen dern Luft durch den Luftspalt 7 unterbunden.
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Es ist daher vorgesehen, in dem Statorjoch 31 einen oder mehrere Rückflusskanäle 10 vorzusehen, die den radial äußeren Volumenbereich 8 mit dem radial inneren Volumenbereich 9 verbinden. Dadurch ist es möglich, dass die aufgrund der Rotation der Rotorscheibe 4 in den radial äußeren Volumenbereich 8 geförderte Luft durch die Rückflusskanäle 10 abströmen kann und somit eine permanente Bewegung bzw. Zirkulation der Luft im Inneren des Gehäuses 2 bewirkt. Der dadurch bewirkte Luftstrom führt zu einer Übertragung und Abführung der Wärme von den aktiven, sich im Betrieb erwärmenden Komponenten, wie der Statorzähne 32 und der Permanentmagneten 41 in der Rotorscheibe 4. Weiterhin kann die durch den Rückflusskanal 10 strömende Luft auch im Statorjoch 31 eine entsprechende Kühlung bewirken.
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Reicht das Statorjoch 31 in axialer Richtung nicht bis zu dem Gehäuse 2, so kann das Statorjoch 31 von einem von dem Gehäuse 2 in axialer Richtung nach innen abstehenden Haltering 21 gehalten werden, wie es in 3 dargestellt ist. Der Haltering 21 kann insbesondere einstückig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet sein oder als separates Bauteil vorgesehen werden.
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Das Statorjoch 31 ist so ausgebildet, dass es an dem Haltering 18 anliegt. Die Rückflusskanäle 10 können dann in dem Statorjoch 31 und/oder in dem Haltering 18 und/oder an der Kontaktfläche zwischen dem Statorjoch 31 und dem Haltering 18 verlaufen.
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Wie in der Ausführungsform der Querschnittsansicht der 4 dargestellt, können sich die Rückflusskanäle 10 auch zwischen dem Statorjoch 31 und einer Innenwand des Gehäuses 2 erstrecken. Das Statorjoch 31 kann in diesem Fall durch einzelne in radialer Richtung verlaufende Stege (nicht gezeigt) zwischen den einzelnen Rückflusskanälen 10 gehalten sein.
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In der Ausführungsform der 5 sind der eine oder die mehreren Rückflusskanäle 10 außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet und erstrecken sich entlang einer Außenwand des Gehäuses 2. Die Rückflusskanäle 10 können in einfacher Weise durch ein doppelwandiges Gehäuse 2 ausgebildet sein, das einen Zwischenraum 12 aufweist. Durch eine oder mehrere erste Öffnungen 14 zwischen dem radial äußeren Volumenbereich 8 und dem Zwischenraum 12 und durch eine oder mehrere zweite Öffnungen 15 zwischen dem radial inneren Volumenbereich 9 und dem Zwischenraum 12 können ein oder mehrere Rückflusskanäle 10 ausgebildet werden.
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Alternativ kann das Gehäuse 2 auch von einer Ummantelung 13 umgeben sein, wobei in dem Gehäuse 2 jeweils im Bereich des radial äußeren Volumenbereichs 8 eine erste Öffnung 14 und im Bereich des radial inneren Volumenbereichs 9 eine zweite Öffnung 15 vorgesehen ist, so dass die in den radial äußeren Volumenbereich 8 geförderte Luft zwischen der Ummantelung 13 und einer Außenseite des Gehäuses 2 in Richtung der zweiten Öffnung 15 in den radial inneren Volumenbereich 9 strömen und dadurch zirkulieren kann.
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An der Außenseite des doppelwandigen Gehäuses 2 oder der Ummantelung 13 können Kühlrippen 16 zur Vergrößerung der Oberfläche der Außenseite des Gehäuses 2 bzw. der Ummantelung 13 vorgesehen sein. Durch die Kühlrippen 16 wird die Wärmeabfuhr an der Außenseite des doppelwandigen Gehäuses 2 bzw. der Außenseite der Ummantelung 13 strömenden Luft verbessert.
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In der Ausführungsform der 6 sind der radial äußere Volumenbereich 8 und der radial innere Volumenbereich 9 über eine oder mehrere Rohrverbindungen 17 als Rückflusskanäle miteinander verbunden. Die Rohrverbindungen 17 erstrecken sich außerhalb des Gehäuses 2 von der einen oder den mehreren ersten Öffnungen 14 zu der einen oder den mehreren zweiten Öffnungen 15. Die Rohrverbindungen 17 können mit einer Kühleinrichtung 19 gekoppelt sein, die zum Beispiel mithilfe einer aktiven Kühlung die Temperatur der durch die Rohrverbindungen 17 strömenden Luft verringert.
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Bei allen beschriebenen Ausführungsformen können im Inneren des einen oder der mehreren Rückflusskanäle 10 in den Luftstrom hineinragende Strukturen 11 vorgesehen sein. Diese sind beispielhaft in den 4, 5 und 6 dargstellt. Die Strukturen 11 dienen zum einen dazu, die Wärmeabgabeoberfläche im Rückflusskanal 10 zu vergrößern, und zum anderen dazu, Verwirbelungen der durch den Rückflusskanal 10 strömenden Luft zu bewirken, wodurch die Wärmeabfuhr zusätzlich verbessert wird.
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In einer in den 7 und 8a bis 8b gezeigten Variante sind die Rückflusskanäle 10 durch Nuten bzw. Unterbrechungen zwischen einzelnen Statorsegmenten 21 vorgesehen. Da die Abmessungen von Statoreinheiten 3 für eine einteilige Ausbildung häufig zu groß sind, können diese aus Statorsegmenten 21 ausgebildet werden. Die Statorsegmente 21 werden zu einer ringförmigen Statoreinheit 3 zusammengesetzt und in geeigneter Weise gehalten.
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Zur Ausbildung von Rückflusskanälen 10 können die Statorsegmente 21 mit Abmessungen ausgebildet werden, so dass die Statorsegmente 21 bei Zusammensetzen jeweils einen Abstand voneinander (die Segmentzwischenräume 22) aufweisen, der als Rückflusskanal 10 dienen kann. Durch den Abstand ist das Statorjoch 31 nicht durchgehend ausgebildet. Damit kein Magnetpfad über den Abstand zwischen benachbarten Statorsegmenten 21 ausgebildet wird, ist es zweckmäßig, dass jedes Statorsegment 21 eine Anzahl von Statorzähnen 32 trägt. Im Wesentlichen ist dazu vorgesehen, dass jeder Phase eine identische Anzahl an Statorzähnen (32) zugeordnet wird, um die in dem Statorjoch des betreffenden Statorsegments 21 über die Statorwicklungen eingebrachten Magnetfelder gegeneinander zu kompensieren. Damit verhalten sich die Segmentzwischenräume 22 magnetisch im Wesentlichen neutral.
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Die Segmentzwischenräume 22 werden durch in Umfangsrichtung vorgesehene Konturen der Statorsegmente 21 ausgebildet und können einen keilförmigen oder rechtwinkligen Querschnitt aufweisen. Damit die Statorsegmente 21 in ihrer Ringform angeordnet bleiben, können diese an einer Trägerplatte 23 angeordnet sein, z. B. durch Kleben oder dergleichen, wobei die Trägerplatte 23 zwischen dem Gehäuse 2 und den Statorsegmenten 22 angeordnet ist. Das Gehäuse 2 kann weiterhin in dem Bereich, an dem die Trägerplatte 23 anliegt, mit einem Kühlkanal 25 versehen sein, durch den die Trägerplatte 23 bzw. die daran angeordneten Statorsegmente 21 gekühlt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/115247 A1 [0002]
- WO 2009115247 A1 [0005]
