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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine zur Erzeugung von elektrischer Energie oder zur Erzeugung von mechanischer Leistung, mit einem Stator und mit einem innerhalb oder außerhalb des Stators drehbar gelagerten Rotor, wobei der Stator eine Wicklung mit einem elektrischen Leiter aufweist.
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Stand der Technik
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Elektromotoren weisen einen Stator auf, innerhalb oder außerhalb welchem ein Rotor drehbar angeordnet ist. Der Stator weist Wicklungen von zumindest einem stromdurchflossenen Leiter auf, die mit einer Spannungsquelle verbunden sind. Es wird so im und um den Stator ein Magnetfeld erzeugt, in welchem der Rotor rotieren kann. Der Stator weist regelmäßig geometrische Ausgestaltungen auf, die das Befestigen der Wicklung am Stator erlauben. Beispielsweise sind am Stator angeordnete und hervorstehende Zähne bekannt, die mit dem elektrischen Leiter umwickelt werden.
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Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Statoren für Elektromotoren und Generatoren bekannt. Um eine möglichst hohe mechanische Leistung oder elektrische Leistung zu erzeugen sind unterschiedliche Techniken zum Erzeugen der Wicklung am Stator bekannt. Abhängig von der Bauform des Stators sind hinsichtlich der möglichen Techniken zur Erzeugung der Wicklung jedoch enge Grenzen gesetzt. Eine im Stand der Technik bekannte Form der Wicklung am Stator ist die sogenannte Doublelayer-Wicklung, die jeweils nur um jeden zweiten Zahn des Stators in Umfangsrichtung angeordnet wird.
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Nachteilig an den Vorrichtungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass die bisher bekannten Bauformen der Statoren aufgrund ihrer konstruktiven Gestaltung keine optimale Wicklung zur Erzeugung einer möglichst hohen mechanischen oder elektrischen Leistung erlauben.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Stator zu schaffen, wobei der Stator eine vereinfachte Erzeugung einer verbesserten Wicklung erlaubt und gleichzeitig verbesserte Eigenschaften zum Betrieb eines Elektromotors beziehungsweise eines Generators aufweist. Weiterhin soll die Herstellbarkeit des Stators verbessert werden.
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Die Aufgabe hinsichtlich der elektrischen Maschine wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine zur Erzeugung von elektrischer Energie oder zur Erzeugung von mechanischer Leistung, mit einem Stator und mit einem innerhalb oder außerhalb des Stators drehbar gelagerten Rotor, wobei der Stator eine Wicklung mit einem elektrischen Leiter aufweist, wobei der Stator zweiteilig aus einem ersten Statorelement und einem zweiten Statorelement ausgebildet ist, wobei jedes der Statorelemente einen ringförmigen Grundkörper aufweist, von welchem in radialer Richtung jeweils eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung zueinander beabstandeten Ankerelementen abragt, wobei die Ankerelemente in axialer Richtung über den jeweiligen ringförmigen Grundkörper hinausragen.
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Ein solcher Stator ist besonders vorteilhaft, da die Wicklungen mit dem elektrischen Leiter auf besonders einfache Weise erzeugt werden können, ohne dabei einen besonders weiten Abstand zwischen den zueinander direkt benachbarten Ankerelementen einhalten zu müssen. Durch den zweigeteilten Stator können die Wicklungen an den Ankerelementen an einem Statorelement oder an beiden Statorelementen erzeugt werden bevor die beiden Statorelemente zusammengefügt werden. Durch die sich zwischen den Ankerelementen jeweils eines Statorelementes bildenden Zwischenräume, in welche die jeweiligen Ankerelemente des jeweils anderen Statorelementes einsteckbar sind, ist ein ausreichend großer Arbeitsraum gegeben, um die Wicklung der elektrischen Leiter um die Ankerelemente vornehmen zu können.
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Durch das Ineinanderstecken der Statorelemente ineinander und das damit verbundene Einführen der Ankerelemente des ersten Statorelementes in die Zwischenräume zwischen den Ankerelementen des zweiten Statorelementes kann dennoch ein kompaktes Design erreicht werden, welches sich insbesondere durch sehr geringe Abstände zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Ankerelementen auszeichnet. Bei zu großen Abständen der Ankerelemente zueinander kann ein mit einem solchen Stator ausgerüsteter Elektromotor ein zu großes Rastmoment entwickeln, wodurch der Rundlauf verschlechtert wird und die Effizienz des Elektromotors verringert wird.
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Im Falle der Verwendung eines Stators mit zu großen Abständen zwischen den Ankerelementen in einem Generator ist die Effizienz hinsichtlich der Energieerzeugung ebenfalls nicht optimal. Der Stator kann entsprechend der Formulierung in den Ansprüchen sowohl für einen Elektromotor verwendet werden als auch für einen Generator. Elektromotoren und Generatoren werden daher unter dem Oberbegriff elektrische Maschine zusammengefasst. Elektromotoren und Generatoren ähneln sich in ihrem Aufbau in sehr hohem Maße, weswegen der Stator für beiden Ausführungen eingesetzt werden kann.
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Die axiale Richtung beschreibt die Richtung entlang der Mittelachse des ringförmigen Grundkörpers der Statorelemente.
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Die radiale Richtung beschreibt eine Richtung, die als Normale auf der Mittelachse eines ringförmigen Grundkörpers steht. Diese Richtungsangaben dienen der Orientierung und der Festlegung der Ausrichtung der einzelnen Elemente.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erste Statorelement und das zweite Statorelement baugleich sind.
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Ein aus zwei baugleichen Statorelementen erzeugter Stator ist besonders vorteilhaft, da die benötigte Teileanzahl verringert werden kann, wodurch eine Kosteneinsparung erreicht werden kann. Die Statorelemente können auf einer einzigen Fertigungsmaschine unabhängig von ihrer endgültigen Positionierung im fertigen Stator erzeugt werden und müssen auch nicht spezifisch vorsortiert oder angeliefert werden. Erst während des Zusammenbaus wird festgelegt wie das Gleichteil verwendet wird.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das erste Statorelement und das zweite Statorelement in Richtung der in axialer Richtung hinausragenden Ankerelemente ineinander eingesteckt sind, wobei die ringförmigen Grundkörper der Statorelemente konzentrisch miteinander ausgerichtet sind.
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Durch das Ineinanderstecken der Statorelemente in axialer Richtung bei konzentrischer Ausrichtung der jeweiligen ringförmigen Grundkörper kann erreichet werden, dass die jeweiligen Ankerelemente ineinandergreifen, so dass jeweils ein Ankerelemente des ersten Statorelementes in einen Zwischenraum zwischen zwei Ankerelementen des zweiten Statorelementes greifen. Die ringförmigen Grundkörper können dabei in axialer Richtung vollständig in Anlage sein. Weiterhin können die ringförmigen Grundkörper, je nach ihrer Ausgestaltung, auch nur an Teilbereichen in axialer Richtung in Anlage miteinander sein.
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Durch die beiden ringförmigen Grundkörper wird der Hauptkörper des Stators gebildet von welchem die jeweiligen Ankerelemente in radialer Richtung abstehen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Statorelement und das zweite Statorelement in Umfangsrichtung derart gegeneinander verdreht ausgerichtet sind, dass die Ankerelemente des ersten Statorelementes in die zwischen den Ankerelementen des zweiten Statorelementes ausgebildeten Zwischenräume eingreifen.
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Dies ist besonders vorteilhat, um zu erreichen, dass die Ankerelemente insgesamt mit einem möglichst engem Abstand zueinander angeordnet sind und so das Rastmoment des Elektromotors möglichst gering gehalten wird. Das Rastmoment ist ein Maß für die Willigkeit des Rotors des Elektromotors in einer bestimmten Position innerhalb des Stators zu verharren und somit den Rundlauf zu unterbrechen. Je höher das Rastmoment ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Rotor ungewollt stehen bleibt. In einem Generator wird der Rotor selbst mechanisch angetrieben, weswegen es zu einem verharren des Rotors in aller Regel nicht kommen kann, jedoch wird aufgrund eines großen Abstandes die Effizienz der Energiewandlung vermindert.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Ankerelemente in Umfangsrichtung betrachtet einen schmalen Bereich aufweisen und einen breiten Bereich aufweisen, wobei der schmale Bereich dem ringförmigen Grundkörper zugewandt ist und der breite Bereich vom ringförmigen Grundkörper abgewandt ist.
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Die Ankerelemente weisen bevorzugt einen y-förmigen Querschnitt auf, wobei der Fußbereich des y-förmigen Querschnitts auf dem ringförmigen Grundkörper fußt und sich die Ankerelemente in radialer Richtung weg vom ringförmigen Grundkörper verbreitern. Dies ist besonders vorteilhaft, um die Wicklung mit dem elektrischen Leiter um die Ankerelemente zu erzeugen, ohne dass die Wicklung in radialer Richtung vom Ankerelement rutschen kann. Die Ankerelemente können in axialer Richtung nur in einer Richtung oder in beiden Richtungen über den ringförmigen Grundkörper hinausstehen. Auch in axialer Richtung kann eine sich ausgehend vom ringförmigen Grundkörper verbreiternde Form vorgesehen sein.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Ankerelemente des ersten Statorelementes und die Ankerelemente des zweiten Statorelementes in Umfangsrichtung des Stators abwechselnd angeordnet sind. Insbesondere ist eine abwechselnde Anordnung im Verhältnis 1 zu 1 besonders zu bevorzugen, welches sich durch die Verwendung von Gleichteilen bei den Statorelementen ergibt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Statorelemente aus einem metallischen Material gebildet sind. Die Verwendung eines metallischen Materials für die Statorelemente ist besonders vorteilhaft, um eine möglichst positive Entstehung und Ausbreitung der jeweils erzeugten elektromagnetischen Felder zu unterstützen. In alternativen Ausführungen kann auch ein metallisch beschichtetes Nichtmetall verwendet werden.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn die Ankerelemente zumindest eines Statorelementes mit einem elektrischen Leiter umwickelt sind. Je nach Ausgestaltung des jeweiligen Stators können jeweils die Ankerelemente nur eines Statorelementes umwickelt sein oder die Ankerelemente beider Statorelemente. Die Ankerelemente der beiden Statorelemente können mit einem gemeinsamen elektrischen Leiter umwickelt sein oder mit zwei oder mehreren unterschiedlichen elektrischen Leitern. Die unterschiedlichen elektrischen Leiter können darüber hinaus auch unterschiedliche elektrische Polungen aufweisen.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die mit dem elektrischen Leiter umwickelten Ankerelemente mit einer isolierenden Beschichtung versehen sind, wobei durch die isolierende Beschichtung eine elektrische Isolation zwischen den elektrischen Leitern und dem Statorelement erzeugt ist.
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Eine elektrische Isolation zwischen dem Statorelement und dem elektrischen Leiter ist besonders vorteilhaft, wenn der elektrische Leiter selbst keine Isolation aufweist. Für den Fall, dass der elektrische Leiter eine Isolation aufweist, kann eine zusätzliche Absicherung gegen elektrische Kurzschlüsse durch die isolierende Beschichtung erreicht werden.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn an den Statorelementen Rastvorrichtungen angeordnet sind, wobei die Statorelemente über die Rastvorrichtungen miteinander verrastbar sind.
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Durch Rastvorrichtungen können die Statorelemente vorteilhaft aneinander befestigt werden. Dadurch wird die Stabilität des Stators insgesamt erhöht. Die Rastvorrichtungen können beispielsweise durch Rastnasen, Rasthaken oder anderweitige Rastelemente gebildet sein, die in Taschen, Aussparungen oder Ausnehmungen eingreifen und so eine sichere Positionierung der Statorelemente gegeneinander sicherstellen. Die Rastvorrichtungen können wieder lösbar ausgeführt werden oder derart, dass sie nur durch eine Zerstörung lösbar sind.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn die beiden ringförmigen Grundkörper mit in axialer Richtung ausgebildeten Grenzflächen aneinander anliegen.
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Durch die Anlage der ringförmigen Grundkörper aneinander wird insgesamt eine höhere Stabilität erreicht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die sich in axialer Richtung zugewandten Flächen der ringförmigen Grundkörper vollständig oder auch nur teilweise miteinander in Anlage geraten. Zur Verbesserung der Anlage können auch Flächenvergrößerungselemente vorgesehen werden, welche beispielsweise in radialer Richtung von dem ringförmigen Grundkörper abragen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht zweier konzentrisch miteinander ausgerichteter Statorelemente, wobei die beiden Statorelemente beabstandet zueinander dargestellt sind,
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2 eine perspektivische Ansicht der beiden Statorelemente eines Stators, wobei eines der Statorelemente eine isolierende Beschichtung an den Ankerelementen aufweist und um die beschichteten Ankerelemente ein elektrischer Leiter gewickelt ist, und
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3 eine perspektivische Ansicht des Stators, wobei die beiden einzelnen Statorelemente in axialer Richtung ineinander eingesteckt sind.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt zwei Statorelemente 1, 2, die gegenüber voneinander angeordnet sind. Die Statorelemente 1, 2 in 1 sind baugleich ausgebildet. Daher erfolgt die Beschreibung der beiden Statorelemente 1, 2 anhand des Statorelementes 1. Für das zweite Statorelement 2 gelten die Ausführungen analog. Die beiden Statorelemente 1, 2 sind gegenläufig um 180° verdreht zueinander ausgerichtet.
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Das Statorelement 1 weist einen ringförmigen Grundkörper 3 auf, von welchem mehrere Ankerelemente 4 in radialer Richtung abragen. Die Ankerelemente 4 sind in Umfangsrichtung entlang der nach außen gerichteten Fläche des ringförmigen Grundkörpers 3 zueinander beabstandet angeordnet. Die Ankerelemente 4 ragen in axialer Richtung einseitig über die axiale Erstreckung des ringförmigen Grundkörpers 3 hinaus. In alternativen Ausgestaltungen können die Ankerelemente auch beidseitig in axialer Richtung über den ringförmigen Grundkörper hinausragen.
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Die Ankerelemente 4 weisen einen y-förmigen Querschnitt auf, wobei der Fußbereiche der y-förmigen Form auf dem ringförmigen Grundkörper fußt. Zuerst weisen die Ankerelemente 4 einen in Umfangsrichtung gleichmäßig breiten Abschnitt 5 auf, der sich mit zunehmender radialer Entfernung zum ringförmigen Grundkörper 3 in Umfangsrichtung verbreitert. Dieser sich mit zunehmender radialer Entfernung verbreiternde Bereich ist der zweite Abschnitt 6 der Ankerelemente 4.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ragen die Ankerelemente 4 in axialer Richtung um eine Längenerstreckung über den ringförmigen Grundkörper 3 hinaus, der der Länge des ringförmigen Grundkörpers 3 in axialer Richtung entspricht. Das Statorelement 1 weist somit eine axiale Erstreckung auf, die doppelt so lang ist, wie die axiale Erstreckung des ringförmigen Grundkörpers 3. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Ankerelemente 4 von zwei ineinandergesteckten Statorelementen 1, 2 jeweils bündig mit den ringförmigen Grundkörpern 3 abschließen.
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Alternativ können die Ankerelemente auch derart ausgebildet sein, dass sie in axialer Richtung einseitig oder beidseitig über den aus zwei Statorelementen erzeugten Stator hinausstehen.
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Die in Umfangsrichtung gemessene Breite der Ankerelemente 4 an der in radialer Richtung nach außen gerichteten Fläche ist etwas kleiner als der zwischen zwei zueinander direkt benachbart angeordneten Ankerelementen 4 ausgebildete Zwischenraum 7. Die Zwischenräume 7 sind daher breit genug um die Ankerelemente 4 des jeweils anderen Statorelementes 1, 2 aufzunehmen.
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Der ringförmigen Grundkörper 3 ist dünnwandig ausgebildet und weist in seinem Inneren einen ausreichenden Aufnahmeraum für einen Rotor auf. Das Statorelement 1 kann mit den Ankerelementen 4 einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Bevorzugt sind der ringförmigen Grundkörper und die Ankerelemente 4 aus einem metallischen Material gebildet.
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1 ist eine Explosionsdarstellung und zeigt die Statorelemente 1, 2 zueinander in axialer Richtung beabstandet. In einem fertig montierten Stator sind die Statorelemente 1, 2 ineinandergesteckt, so dass die ringförmigen Grundkörper 3 in axialer Richtung aneinander anliegen.
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Die 2 zeigt ebenfalls die beiden Statorelemente 1, 2 der 1. Im Unterschied zur 1 ist das Statorelement 1 in 2 zumindest teilweise mit einer isolierenden Schicht 9 überzogen. Außerdem sind die Ankerelemente 4 des ringförmigen Grundkörpers 3 mit einem elektrischen Leiter 8 umwickelt.
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Die isolierende Schicht 9 überdeckt im Ausführungsbeispiel der 2 die radial nach außen gerichtete Fläche des ringförmigen Grundkörpers 3 mit einer Schicht 12 und zumindest die in axialer Richtung vom zweiten Statorelement 2 weggerichtete Stirnfläche des ringförmigen Grundkörpers 3 mit einer Schicht 11. Auch die dem zweiten Statorelement 2 zugewandte Stirnfläche des ringförmigen Grundkörpers 3 kann mit einer isolierenden Schicht überdeckt sein. Das Ausführungsbeispiel der 2 weist an den sich einander zugerichteten Stirnflächen der ringförmigen Grundkörper 3 jedoch keine isolierende Schicht auf, wodurch im montierten Zustand eine direkte Anlage der beiden ringförmigen Grundkörper 3 aneinander erreicht wird.
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Die isolierende Schicht 9 ist im Ausführungsbeispiel der 2 außerdem derart gestaltet, dass die radial nach außen gerichtete Stirnfläche der Ankerelemente 4 vergrößert wird. Dabei ist die Schicht 9 insbesondere derart ausgestaltet, dass die äußere Mantelfläche des Statorelementes 1, welche durch die radial nach außen gerichteten Flächen der Ankerelemente 4 gebildet wird, nicht durchbrochen wird. Die Schicht 9 trägt neben einer Isolation zwischen dem elektrischen Leiter 8 und dem Statorelement 1 auch zu einer Fixierung des elektrischen Leiters 8 an den Ankerelementen 4 bei, da die Erstreckung der Ankerelemente 4 in Umfangsrichtung und in axialer Richtung vergrößert wird, wodurch ein ungewolltes Lösen des elektrischen Leiters 8 erschwert wird.
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Zusätzlich ist durch die isolierende Schicht auch der Vorsprung 10 ausgebildet, welcher auf der in axialer Richtung von dem zweiten Statorelement 2 abgewandten Fläche der isolierenden Schicht 9 fußt. Dieser Vorsprung 10 trägt ebenfalls zu einer verbesserten Fixierung des elektrischen Leiters 8 am jeweiligen Ankerelement 4 bei.
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Auch die in axialer Richtung über den ringförmigen Grundkörper 3 hinausstehenden Bereiche der Ankerelemente 4 sind von eine isolierenden Schicht 13 eingefasst. Insgesamt wird durch die isolierende Schicht 9, 10 und 13 eine spulenförmige Ausgestaltung der Ankerelemente 4 erreicht. Der Zwischenraum 7 ist durch die isolierende Schicht 9 in Umfangsrichtung verkleinert, wobei der zwischen den isolierenden Schichten 9 verbleibende Zwischenraum 14 groß genug ist, um die Ankerelemente 4 des zweiten Statorelementes 2 darin aufzunehmen. Bei der Dimensionierung der Zwischenräume 14 ist zu berücksichtigen, ob das zweite Statorelement 2 ebenfalls eine isolierende Schicht aufweist oder nicht.
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In 2 ist das zweite Statorelement 2 analog zur 1 abgebildet und daher nicht weiter beschrieben.
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3 zeigt einen Stator 20, wobei der Stator 20 aus dem ersten Statorelement 1 und dem zweiten Statorelement 2 zusammengesetzt ist. Der Stator ist durch das Ineinanderstecken der Statorelemente 1 und 2, die bereits in den 1 und 2 gezeigt wurden, gebildet.
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Die beiden ringförmigen Grundkörper 3 liegen aneinander an und die Ankerelemente 4 greifen ineinander ein, so dass jeweils zwischen zwei Ankerelementen 4 des ersten Statorelementes 1 ein Ankerelement 4 des zweiten Statorelementes 2 angeordnet ist.
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Im Ausführungsbeispiel der 3 weist nur das erste Statorelement 1 eine Beschichtung mit einer isolierenden Schicht 9 auf. In die Zwischenräume ragen die Ankerelemente 4 des zweiten Statorelementes 2 hinein, wodurch nur sehr kleine Spalte zwischen der isolierenden Schicht 9 und den Ankerelementen 4 des zweiten Statorelementes 2 entstehen.
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Die radial nach außen gerichteten Flächen der Ankerelemente 4 und der isolierenden Schicht 9 bilden eine ringförmige Mantelfläche 21 am radial nach außen gerichteten Endbereich des Stators 20. Der Stator 20 weist weiterhin an jedem zweiten Ankerelement 4 eine Umwicklung mit einem elektrischen Leiter 8 auf.
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Der Stator 20 hat insbesondere den Vorteil, dass die Wicklungen des elektrischen Leiters 8 an den Ankerelementen 4 des ersten Statorelementes 1 auf einfache Weise mit unterschiedlichen Wicklungstechniken erzeugt werden können, da die zwischen den Ankerelementen 4 ausgebildeten Zwischenräume 7 relativ groß sind. Durch das Einstecken des zweiten Statorelementes 2 kann jedoch nach Erzeugung der Wicklungen trotzdem eine Bauform erreicht werden, die einen besonders geringen Abstand zwischen den einzelnen Ankerelementen 4 ermöglicht, wodurch die Effizienz eines mit dem Stator 20 ausgerüsteten Elektromotors beziehungsweise Generators deutlich erhöht wird.
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Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 3 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens. Die einzelnen Merkmale können auch untereinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Statorelement
- 2
- Statorelement
- 3
- ringförmiger Grundkörper
- 4
- Ankerelemente
- 5
- Abschnitt des Ankerelementes
- 6
- Abschnitt des Ankerelementes
- 7
- Zwischenraum
- 8
- elektrischer Leiter
- 9
- isolierende Schicht
- 10
- Vorsprung
- 11
- isolierende Schicht
- 12
- isolierende Schicht
- 13
- isolierende Schicht
- 14
- Zwischenraum
- 20
- Stator
- 21
- Mantelfläche
