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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenleitersegments für einen derartigen Stator.
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In der
US 2014/0 111 057 A1 ist ein Wellenleitersegment offenbart, das aus einem Draht gebogen ist. Dabei läuft das Wellenleitersegment in dem Stator mehrfach um, wobei ein Wellenleitersegment in mehreren Lagen des Stators angeordnet ist. Für die komplette Statorwicklung sind entsprechend mehrere Wellenleitersegmente aneinander angeordnet. Dabei ist es aufwändig und kompliziert die Wellenleitersegmente derart aneinander anzuordnen.
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In der
US 1,849,215 ist ein Wellenleitersegment für einen Stator einer elektrischen Maschine dargestellt. Ein derartiges Wellenleitersegment ist aus einem dünnen Blech hergestellt. Dabei ist sind die Wellenleitersegmente an dem Stator in einer radialen Lage des Stators angeordnet, wobei zur besseren Ausfüllung der Statornuten günstigerweise mehrere dieser Wellenleitersegmente in Umfangsrichtung benachbart aneinandergelegt werden.
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Die
JP 2010 284 001 zeigt ebenfalls einen Stator mit Wellenleitersegmenten. Dabei sind identische Wellenleitersegmente segmentartig aneinander angeordnet und an deren Enden miteinander kontaktiert. Die Leiterabschnitte der Wellenleitersegmente sind dabei in zwei Lagen angeordnet. Auch hier sind die Wellenleitersegmente aus einem dünnen Blech hergestellt, sodass entsprechende Statornuten nicht optimal ausfüllt werden.
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Es ist daher Aufgabe ein Wellenleitersegment für eine Wellenwicklung bereitzustellen, das in mehrfacher Ausführung auf einfache Weise zu einem Wellenleiterpaket zusammengefügt werden kann und wobei die Wellenleitersegmente Statornuten eines Statorjochs möglichst vollständig ausfüllen.
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Die vorliegende Aufgabe wird durch einen Stator entsprechend des Patentanspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausführungen des Stators dargestellt.
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Der Stator umfasst hierbei ein Statorjoch und entsprechend mehrere Wellenleitersegmente, wobei die Gesamtheit der Wellenleitersegmente ein Wellenleiterpaket bildet. Dabei sind Statornuten gleichmäßig an dem Umfang des Statorjochs, vorzugsweise radial innen, verteilt. An dem Stator, insbesondere an den Statornuten, sind die Wellenleitersegmente in mehreren Lagen angeordnet. Die Lagen sind hierbei gedanklich in den jeweiligen Statornuten ausgebildet bzw. die Statornuten sind in Lagen unterteilt, wobei die Lagen einer Statornut vorzugsweise radial zueinander angeordnet.
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Ein Wellenleitersegment weist hierbei zumindest einen Lagesprungabschnitt sowie mehrere Leiterabschnitte auf, wobei die Leiterabschnitte eines Wellenleitersegments in verschiedenen Lagen angeordnet sind. Der Leiterabschnitt ist dabei unter anderem in einem Statordurchgangabschnitt, der innerhalb der Statornut angeordnet ist und eine Lage der Statornut ausfüllt, sowie in einen Nutversatzabschnitt aufgeteilt. Der Nutversatzabschnitt ermöglicht hierbei die Anordnung benachbarter Leiterabschnitte, insbesondere benachbarter Statordurchgangabschnitte eines Wellenleitersegments, in verschiedenen Statornuten des Stators. Der Leiterabschnitt ist dabei innerhalb einer Lage ausgebildet, wobei der Lagesprungabschnitt innerhalb mehrerer Lagen ausgebildet sein kann. Günstigerweise ist der Lagesprungabschnitt über zwei Lagen ausgebildet. Ein erster und ein letzter Leiterabschnitt des Wellenleitersegments weisen einen Kontaktabschnitt zur Verschaltung des Wellenleitersegments mit einer Leistungselektronik oder mit anderen Wellenleitersegmenten auf. Die Leiterabschnitte des Wellenleitersegments durchgreifen das Statorjoch hierbei vorzugsweise in axialer Richtung, wobei die Lagen der Statornuten günstigerweise radial zueinander angeordnet sind. Mit Vorteil befindet sich jeder Statordurchgangabschnitt eines Wellenleitersegments in einer eigenen Lage des Stators bzw. der Statornuten.
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Dabei weist das Wellenleitersegment mehrere Lagesprungabschnitte auf, wobei Lagesprünge aufeinanderfolgender bzw. benachbarter Leiterabschnitte immer in derselben Richtung ausgeführt sind, insbesondere in radialer Richtung.
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Durch eine derartige Ausführung der Wellenleitersegmente ist es möglich diese auf einfache Art und Weise aneinander anzuordnen, beispielsweise durch einfaches aneinanderlegen an dem Stator, um dadurch ein Wellenleiterpaket herzustellen. Die gedankliche Unterteilung der Statornuten in mehrere Lagen, insbesondere die Richtung benachbarter Lagen, entspricht mit Vorteil der Einbringungsrichtung der Statornuten in das Statorjoch. Bei radial in das Statorjoch eingebrachten Statornuten sind die Lagen beispielsweise ebenso in radialer Richtung zueinander angeordnet. Selbiges kann auch auf axial eingebrachten Statornuten übertragen werden.
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Dabei läuft ein Wellenleitersegment an dem Statorjoch vorzugsweise maximal ein einziges Mal an dem Statorjoch um. Mit Vorteil läuft ein Wellenleitersegment an dem Statorjoch in etwa zur Hälfte an dem Statorjoch um. Zudem weist ein Wellenleitersegment günstigerweise zumindest 3 oder 4 Statordurchgangabschnitte bzw. Leiterabschnitte auf.
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Die vorstehende Aufgabe wird unter anderem durch einen Stator gemäß dem Patentanspruch 2 gelöst. Abhängige Ansprüche zeigen dabei vorteilhafte Ausführungen des Stators.
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Dabei greift ein Endbereich einer Trennfläche, welcher zwei benachbarte Lagen voneinander trennt, in den Lagesprungabschnitt ein.
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Eine solche Trennfläche kann beispielsweise während der Herstellung eines solchen Wellenleitersegments erzeugt werden. Hierdurch wird eine Herstellung des Wellenleitersegments aus einem Blech mit hoher Materialstärke ermöglicht. Ein mögliches Herstellungsverfahren wird nachfolgend noch ausführlicher erläutert. Außerdem können dadurch mehrere Wellenleitersegmente durch die lageförmige Ausführung platzsparend an dem Stator angeordnet werden.
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Die Trennfläche greift von Seiten des Statordurchgangabschnitts oder von Seiten des Statorjochs in den Lagesprungabschnitt ein, wobei der Lagesprungabschnitt im Wesentlichen keine Biegung aufweist und im Wesentlichen Flach ausgebildet ist. Der Lagesprungabschnitt verbleibt hierbei, ausgehend von einem Grundkörper, aus dem das Wellenleitersegment hergestellt wird, in seiner ursprünglichen Form. Hierdurch kann an dem Wellenleitersegment der Nutversatzabschnitt mit einem entsprechenden Herstellungsverfahren, insbesondere dem im Folgenden noch ausführlich erläuterten, auch bei hohen Materialstärken ausgebildet werden. Der Lagesprungabschnitt wird somit bei der Herstellung, insbesondere durch die ausbleibende Verformung, nicht beschädigt wird, beispielsweise durch einreißen.
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Die Trennfläche kann hierbei durch eine Oberfläche eines der jeweils relevanten Leiterabschnitte und/oder durch eine gedachte Fläche, die zwei Leiterabschnitte voneinander in verschiedene Lagen aufteilt, gebildet sein.
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Die Ausführungen zu der erfindungsgemäßen ersten und zweiten Lösung der Aufgabe sind entsprechend aufeinander übertragbar, insbesondere die Ausführungen zu dem Stator, dem Statorjoch, den Statornuten, den Lagen sowie den Wellenleitersegmenten und dessen Abschnitten.
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Vorzugsweise können die beiden aufgabenlösenden Merkmale der beiden erfindungsgemäßen Statoren auch untereinander kombiniert werden. Dadurch ergänzen sich die Vorteile entsprechend.
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Dabei wird weiter vorgeschlagen, dass Lagesprünge benachbarter Lagesprungabschnitte identisch sind.
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Der Lagesprung beschreibt die Verteilung benachbarter Leiterabschnitte des Wellenleitersegments in den Lagen der Statornuten des Statorjochs. Der Lagesprung kann unter anderem durch einen Lagesprungwert des zugehörigen Lagesprungabschnitts definiert sein. Der Lagesprungwert gibt dabei an, um welche Anzahl an Lagen zwei benachbarte Leiterabschnitte eines Wellenleitersegments zueinander versetzt sind. Benachbarte Leiterabschnitte, insbesondere Statordurchgangabschnitte, durchgreifen die beiden zugehörigen Statornuten bei einem Lagesprungwert von 1 in direkt benachbarten Lagen. Bei einem Lagesprungwert von 2 wird entsprechend eine Lage, bei einem Lagesprungwert von 3 werden entsprechend zwei Lagen übersprungen. Der Lagesprungwert kann günstigerweise gerade oder ungerade Werte annehmen. Durch die identische Ausführung der Lagesprünge an einem Wellenleitersegment sind zwei benachbarte Leiterabschnitte immer um dieselbe Anzahl an Lagen zueinander versetzt. Dadurch ist eine einfache Anordnung der Wellenleitersegmente aneinander und an dem Statorjoch möglich. Zudem ist das Wellenleitersegment vorzugsweise stufenförmig ausgeführt.
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Mit Vorteil sind benachbarte Leiterabschnitte durch den Lagesprungabschnitt in der Statornut um jeweils eine Lage zueinander versetzt.
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Ein Lagesprungwert beträgt hierbei die Größe 1. Die Leiterabschnitte können allerdings auch um mehrere Lagen zueinander versetzt ausgebildet sein und insbesondere einen Lagesprungwert von 2 oder 3 aufweisen.
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Ein Querschnitt des Wellenleitersegments, insbesondere des Leiterabschnitts, ist günstigerweise rechteckig ausgebildet.
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Dieses Profil entspricht im Wesentlichen dem vorzugsweise ebenso rechteckigen Profil der Statornuten. Dadurch können die Statornuten durch die Wellenleitersegmente effektiv ausgefüllt, vorzugsweise vollständig ausgefüllt werden. Dabei wird jede Statornut lagenweise durch die Statordurchgangabschnitte mehrerer Wellenleitersegmente ausgefüllt. Ein Füllfaktor der Statornuten, der eine räumliche Ausfüllung der Statornut durch die Wellenleiter beschreibt, ist dabei sehr hoch. Eine Breite des Wellenleitersegments entspricht dabei im Wesentlichen der Breite der Statornuten. Bei radial in das Statorjoch eingebrachten Statornuten wird die Breite der Statornut beispielsweise entlang der Umfangsrichtung ermittelt.
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In einer Ausführungsvariante entspricht eine Höhe des Querschnitts zumindest 40% der Breite des Querschnitts des Wellenleitersegments oder eine Breite des Querschnitts des Wellenleitersegments ist größer als 1,5 mm.
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Eine Ausdehnungsrichtung der Breite des Querschnitts des Wellenleitersegments entspricht, wenn dieses an dem Statorjoch und in dessen Statornuten angeordnet ist, der Ausdehnungsrichtung der Breite der Statornut. Eine Ausdehnungsrichtung der Höhe des Querschnitts des Wellenleitersegments entspricht dementsprechend der Einbringungsrichtung der Statornut in das Statorjoch bzw. der Tiefe der Statornut.
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Mit anderen Worten entsprechen die Breite des Querschnitts des Wellenleitersegments im Wesentlichen der Umfangsrichtung des Statorjochs, sowie die Höhe des Querschnitts des Wellenleitersegments im Wesentlichen der Radialrichtung des Statorjochs.
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Eine hohe Materialstärke in Richtung der Breite des Wellenleitersegments von zumindest 1,5 mm, zumindest 2 mm oder zumindest 2,5 mm, ermöglicht einen hohen Füllgrad der Statornut durch das Wellenleitersegment. Hierdurch können die Statornuten im Wesentlichen formschlüssig ausgefüllt werden.
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Dabei wird weiter vorgeschlagen, dass der Nutversatzabschnitt des Wellenleitersegments Biegeabschnitte aufweist, die quer zu einer Flächennormale der Trennfläche bzw. um eine Flächennormale der Trennfläche gebogen sind.
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Dabei sind die Biegeabschnitte des Wellenleitersegments vorzugsweise ausschließlich an dem Nutversatzabschnitt ausgebildet. Hierdurch kann das Wellenleitersegment im Querschnitt mit einer hohen Materialstärke ausgebildet sein.
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Günstigerweise ist das Wellenleitersegment isolierend beschichtet oder lackiert.
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Zudem ist es Aufgabe einen derartigen Stator einfach herzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des Patentanspruchs 10 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens beschrieben.
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Dabei wird ein Wellenleitersegment ausgehend von einem blechförmigen Grundkörper hergestellt. Der blechförmige Grundkörper weist dabei unter anderem eine Hauptfläche mit einer Flächennormalen und Seitenflächen auf. Die Hauptfläche ist dabei durch die größte Fläche an dem Grundkörper ausgebildet. Der Blechförmige Grundkörper weist dabei an einer Vorderseite und an einer Rückseite im Wesentlichen dieselbe Fläche auf. Zur besseren Erläuterung ist hier jedoch nur die Vorderseite des blechförmigen Grundkörpers gemeint. Die Seitenflächen sind vorzugsweise rechtwinklig oder parallel zueinander angeordnet.
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In den Grundkörper werden Trennflächen eingebracht, wobei diese Trennfläche ausgehend von einer ersten Seitenfläche bis einer zweiten Seitenfläche, die der ersten gegenüberliegt, reicht. Dabei weist die Trennfläche von der zweiten Seitenfläche einen Abstand auf. Die Trennflächen definieren einen mäanderförmigen Körper. Die Definition der ersten und zweiten Seitenfläche ist dabei abhängig von der jeweiligen Trennfläche, wobei die erste und zweite Seitenfläche benachbarter Trennflächen vertauscht sind. Die Trennflächen können beispielsweise durch Laserbearbeitung oder durch Schneiden eingebracht werden.
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An dem mäanderförmigen Körper entsprechen bestimmte Abschnitte den charakteristischen Abschnitten des späteren Wellenleitersegments. Dabei greifen mehrere Werkzeuge an den Abschnitten des mäanderförmigen Körpers an und fixieren diese Abschnitte an dem Werkzeug. Die Werkzeuge werden anschließend mitsamt den fixierten Abschnitten des mäanderförmigen Körpers relativ gegeneinander ausgelegt oder bewegt, um das Wellenleitersegment zu formen. Die fixierten Abschnitte werden hierbei vorzugsweise nicht verformt.
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Dabei greifen ein erstes Werkzeug an einem ersten Abschnitt und ein zweites Werkzeug an einem zweiten Abschnitt des mäanderförmigen Körpers an und fixieren diesen. Das erste und das zweite Werkzeug führen eine Relativbewegung in entgegengesetzter Richtung aus, hierbei beispielsweise entlang der Flächennormale der Hauptfläche des ursprünglichen Grundkörpers. Der mäanderförmige Grundkörper kann hierbei beispielsweise in einem oder in mehreren Arbeitsschritten entsprechend einer Ziehharmonikabewegung aufgezogen bzw. hergestellt werden.
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Hierdurch kann ein Wellenleitersegment, insbesondere das zuvor erläuterte Wellenleitersegment, auf einfache Art und Weise hergestellt werden. Ein durch ein Werkzeug fixierter Abschnitt des mäanderförmigen Körpers kann an dem fertigen Wellenleitersegment beispielsweise einen Statordurchgangabschnitt oder einen Lagesprungabschnitt ausbilden. Ein Nutversatzabschnitt ist dabei vorzugsweise zwischen zwei funktional benachbarten Werkzeugen angeordnet. Funktional benachbart sind beispielsweise zwei Werkzeuge, die entlang des mäanderförmigen Verlaufs des mäanderförmigen Körpers an zwei benachbarte zu fixierenden Abschnitten angeordnet sind. Die Trennflächen sind mit Vorteil senkrecht zu deren jeweiligen ersten und zweiten Seitenflächen ausgebildet. Die Hauptfläche des Grundkörpers kann unter anderem rechteckig oder quadratisch ausgeführt sein.
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Günstigerweise wird die Relativbewegung funktional benachbarter Werkzeuge entlang einer Flächennormale der Hauptfläche des ursprünglichen Grundkörpers ausgeführt.
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Es wird vorgeschlagen, dass zumindest eines der Werkzeuge einen Endbereich der Trennfläche übergreift und fixiert. Dieser Endbereich wird insbesondere so übergriffen und fixiert, damit dieser Endbereich der Trennfläche nicht verformt wird, insbesondere bei der Relativbewegung funktional benachbarter Werkzeuge nicht verformt wird. Die Trennfläche wird dabei günstigerweise ausgehend von der zweiten Seitenfläche aus übergriffen und fixiert. Der Endbereich der Trennfläche greift dabei vorzugsweise in einen Nutversatzabschnitt ein.
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Dadurch ist es möglich bei großer Materialstärke die Nutversatzabschnitte herzustellen bzw. zu biegen, ohne dass der Lagesprungabschnitt an dem Endbereich der Trennfläche beschädigt wird.
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Weiter ist es von Vorteil, wenn verschiedene Abschnitte, insbesondere alle zu fixierende Abschnitte, des mäanderförmigen Körpers durch das erste, das zweite und weitere Werkzeuge gleichzeitig fixiert sind und durch Relativbewegung funktional benachbarter Werkzeuge in einem Arbeitsschritt zu dem Wellenleitersegment geformt werden.
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Dadurch kann ein Mehrfaches einspannen oder umgreifen der Werkzeuge vermieden werden. Ein Arbeitsschritt bedeutet hierbei, dass die Werkzeuge nur einmal an einem mäanderförmigen Körper angreifen und deren Abschnitte fixieren, um das Wellenleitersegment zu formen. Die einzelnen Relativbewegungen zwischen zwei funktional benachbarten Werkzeugen zur Formung des Wellenleitersegments können dabei gleichzeitig oder zeitlich nacheinander ausgeführt werden.
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In einer Ausführungsvariante werden verschiedene Abschnitte des mäanderförmigen Körpers durch das erste, das zweite und gegebenenfalls weitere Werkzeuge mehrfach und zeitlich aufeinanderfolgend fixiert werden, um das Wellenleitersegment durch eine jeweilige Relativbewegung zwischen funktional benachbarten Werkzeugen in mehreren Arbeitsschritten zu formen.
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Diese Ausführungsvariante ist deutlich kostengünstiger und einfacher zu handhaben.
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Für das Verfahren wird vorgeschlagen, dass der Grundkörpers eine Materialstärke von zumindest 1,5 mm aufweist.
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Die Materialstärke kann beispielsweise auch größer als 2 mm, 2,5 mm, 3 mm oder 3,5 mm ausgebildet sein. Eine vorteilhafte Materialstärke entspricht in etwa 3,5 mm. Die Materialstärke entspricht dabei vorzugsweise der Breite der Statornuten, um diese in mehreren Lagen möglichst vollständig auszufüllen.
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Günstigerweise ist der mäanderförmige Körper während der Relativbewegung der Werkzeuge gegenüber einer Raumtemperatur erwärmt.
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Hierdurch wird der Biegevorgang erleichtert. Die Erwärmung des mäanderförmigen Körpers kann beispielsweise durch Bestromung erfolgen. Dabei handelt es sich bei der Raumtemperatur um etwa 20°C, wobei der mäanderförmige Körper während der Herstellung des Wellenleitersegments auf über 70°C, 80°C oder 100°C erwärmt sein kann.
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Das aus dem Grundkörper erzeugte Wellenleitersegment ist günstigerweise entsprechend zumindest einer der vorigen Ausführungen oder entsprechend zumindest einem der Ansprüche 1–10 ausgebildet.
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Im Folgenden werden der erfindungsgemäße Stator sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Wellenleitersegments an entsprechenden Ausführungsbeispielen und anhand mehrerer Figuren erläutert.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten oder vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ferner werden zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Darstellung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt. Um Wiederholungen zu vermeiden wird auf eine mehrfache Beschreibung identischer Gegenstände, Funktionseinheiten oder vergleichbarer Komponenten in verschiedenen Ausführungsbeispielen verzichtet und es werden diesbezüglich lediglich Unterschiede der Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Dabei zeigt:
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1 einen Stator für eine elektrische Maschine mit einem Statorjoch und Wellenleitersegmenten;
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2 ein Wellenleitersegment des Stators aus 1;
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3 eine Draufsicht des Wellenleitersegments aus 2;
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4 eine Seitenansicht des Wellenleitersegments aus 2;
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5 eine vergrößerte Teildarstellung eines Lagesprungabschnitts des Wellenleitersegments aus 2;
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6 eine Darstellung des Wellenleitersegments mit Werkzeug;
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7 ein Statorjoch mit einem Wellenleitersegment;
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8 eine vergrößerte Darstellung von 7;
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9 einen Satz aneinander angeordneter Wellenleitersegmente für das Statorjoch;
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10 eine vergrößerte Darstellung des Wellenleitersegments aus 9;
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11 einen Grundkörper zur Herstellung eines Wellenleitersegments;
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12 einen mäanderförmigen Körper zur Herstellung eines Wellenleitersegments.
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In der 1 ist ein Stator 10 für eine elektrische Maschine dargestellt. Dabei weist der Stator 10 ein ringförmiges Statorjoch 12, mit radial innen angeordneten Statornuten 14, auf. Das Statorjoch 12 ist hierbei im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse A ausgebildet. Des Weiteren sind Wellenleitersegmente 16 an dem Startorjoch 12 angeordnet, die unter anderem die Statornuten 14 durchgreifen. Ein einzelnes Wellenleitersegment 16 ist hierbei in der 2 nochmals genauer dargestellt. Die an dem Statorjoch 12 angeordneten Wellenleitersegmente 16 sind dabei in einer vorbestimmten Weite radial übereinander und am Umfang versetzt zueinander angeordnet. Ein Wellenleitersegment 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel in sechs radialen Lagen 18a bis f angeordnet, wobei jeder Durchgang durch eine Statornut 14 in einer anderen Lage 18 erfolgt. An dem Statorjoch sind 72 Wellenleitersegmente 16 ausgebildet, welche die 72 Statornuten 14 des Statorjochs 12 vollständig ausfüllen.
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Ein Wellenleitersegment 16 weist, wie in 2 zu erkennen ist, mehrere Lagesprungabschnitte 20 sowie mehrere Leiterabschnitte 22 auf. Jeder Leiterabschnitt 22 ist weiterhin zumindest in einen Statordurchgangabschnitt 22a sowie einen Nutversatzabschnitt 22b aufgeteilt. Zudem ist an dem ersten und an dem letzten Leiterabschnitt 22 des Wellenleitersegments 16 jeweils ein Kontaktabschnitt 24 ausgebildet. Die Kontaktabschnitte 24 dienen hierbei der Verbindung mit weiteren Wellenleitersegmenten 16 bzw. der Kontaktierung bzw. der Verschaltung des Stators 10 mit einer Leistungselektronik, die hier nicht dargestellt ist.
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Dabei ist ein Statordurchgangabschnitt 22a jeweils innerhalb einer Lage 18 in einer Statornut 14 angeordnet, die er in axialer Richtung entlang der Rotationsachse A durchgreift. Das Wellenleitersegment 16 bzw. dessen Statordurchgangabschnitt 22a weist hierbei im Wesentlichen denselben Querschnitt wie eine Lage 18 der Statornut 14 auf. Die Aufteilung einer Statornut in mehrere Lagen ist unter anderem in der 7 und 8 deutlich dargestellt. Dabei entspricht die Breite B des Wellenleitersegments 16, insbesondere des Statordurchgangabschnitts 22a, im Wesentlichen der Breite BS einer Statornut 14 in Umfangsrichtung. Die Höhe HS bzw. die Tiefe der Statornuten 14 ist dementsprechend in radialer Richtung an dem Statorjoch 12 ausgebildet. Die Höhe HS der Statornut wird hierbei gedanklich in sechs Lagen 18a bis f aufgeteilt, wobei die Höhe H des Wellenleitersegments 16, insbesondere des Statordurchgangabschnitts 22a, der Höhe HSL einer Lage 18 in radialer Richtung entspricht.
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Dabei ist der Statordurchgangabschnitt 22a im Querschnitt vorzugsweise minimal verringert, sodass dieser auf einfache Art und Weise in die Statornuten 14 des Statorjochs 12 einlegbar oder einsetzbar ist. Hierdurch ist eine Aneinanderreihung mehrerer Statordurchgangabschnitte 22a mehrerer benachbarter Wellenleitersegmente 16, hierbei entlang der radialen Ausdehnungsrichtung der Statornuten 14, möglich. Dadurch wird eine vollständige Ausfüllung der Statornuten 14 erreicht. Der Füllgrad der Statornuten 14 mit einem Leiter, hier dem Wellenleitersegment 16, entspricht dabei nahezu 100%. Der Statordurchgangabschnitt 22a ist hierbei in Querschnitt im Wesentlichen rechteckig ausgeführt. Benachbart zu dem Statordurchgangabschnitt 22a ist an dem Leiterabschnitt 22 jeweils beidseitig ein Nutversatzabschnitt 22b ausgeführt. Der Nutversatzabschnitt 22b weist hierbei Biegeabschnitte 26 auf, um den Statornutversatz zweier benachbarter Statordurchgangabschnitte 22a eines Wellenleitersegments 16 zu ermöglichen. Dabei überbrücken zwei Nutversatzabschnitte 22b den Abstand zwischen den beiden Statornuten 14, in die benachbarte Statordurchgangabschnitte 22a eingreifen. Die Biegeabschnitte 26 sind hierbei um eine Flächennormale 25 der Trennflächen 28 herum gebogen bzw. quer zu der Flächennormale 25 gebogen.
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Man erkennt, dass benachbarte Leiterabschnitte 22 eines Wellenleitersegments 16 in verschiedenen Lagen 18 angeordnet sind. Dabei sind zwei benachbarte Leiterabschnitte 22 an dem Wellenleitersegment 16 über einen entsprechenden Lagersprungabschnitt 20 miteinander verbunden. Ebenso sind zwei benachbarte Nutversatzabschnitte 22b über einen Lagesprungabschnitt 20 oder über einen Statordurchgangabschnitt 22a miteinander verbunden. Der Lagesprungabschnitt 20 ist hierbei über zwei Lagen 18 ausgebildet. Man erkennt in 1, dass zwei benachbarte Lagesprungabschnitte 20 jeweils auf der zueinander gegenüberliegenden Seite des Statorjochs 12 angeordnet sind. Die Lagesprungabschnitte 20 bilden hierbei den jeweiligen Lagesprung zwischen zwei benachbarten Leiterabschnitten 22 aus. Ein Lagesprungwert beträgt hierbei die Größe 1. An dem gezeigten Wellenleitersegment 16 sind entsprechend 6 Statordurchgangabschnitte 22a ausgeführt, die mit den 6 Lagen der Statornuten 14 korrespondieren.
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Die 3 zeigt das Wellenleitersegment 16 in einer Draufsicht. Hierbei können die einzelnen Lagen 18a bis 18f an dem Wellenleitersegment 16 erkannt werden. In der 4 ist eine entsprechende Seitenansicht gezeigt. Auch hier kann man die entsprechenden Lagen 18a bis 18f erkennen. Zudem ist hieraus ersichtlich, dass die Kontaktabschnitte 24 in deren axialen Länge unterschiedlich lang ausgeführt sind. Dabei ist vorzugsweise der an dem Statorjoch 12 radial innen angeordnete Kontaktabschnitt 24 länger ausgeführt als der radial außen angeordnete Kontaktabschnitte 24. Hierdurch wird die Kontaktierung der einzelnen Wellenleitersegmente 16 durch mit einer Leistungselektronik vereinfacht.
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Man kann zudem erkennen, dass an einem Wellenleitersegment 16 die Lagesprünge benachbarter Lagesprungabschnitte 20 identisch sind. Der Lagesprung der Lagesprungabschnitte 20 weist hierbei den Lagesprungwert 1 auf, d. h. es erfolgt ein Sprung um 1 Lage. Das querschnittsförmige Profil des Wellenleitersegments bzw. des jeweiligen Leiterabschnitts entspricht in diesem Ausführungsbeispiel den Abmessungen mit einer Breite B von 3,5 mm und einer Höhe H von 2,5 mm. Die Breite B des Leiterabschnitts entspricht dabei vorzugsweise mindestens 1,5 mm. Hierbei sind an jedem Nutversatzabschnitt 22b jeweils zwei Biegeabschnitte 26 ausgebildet. Dabei schließen die Biegeabschnitte 26 des Nutversatzabschnitts 22b direkt an den jeweiligen Lagesprungabschnitt 22 und den jeweiligen Statordurchgangabschnitt 22a an.
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Man erkennt in der 5, dass eine Trennfläche 28 in den Lagesprungabschnitt 20 eingreift. Als Trennfläche 28 kann entweder eine der Flächen 33a oder 33b herangezogen oder eine gedachte Fläche 33, die zwischen diesen beiden aneinander angrenzen bzw. gegenüberliegenden Flächen 33a und 33b liegt. In der 5 ist die Fläche 33a dargestellt, die Fläche 33b ist jedoch verdeckt. Eine derartige Trennfläche 28 kann allgemein durch ein Trennverfahren z. B. durch Laserschneiden, schneiden, usw. erzeugt werden, wobei die Trennfläche 28 unter anderem zur Abtrennung mehrerer Lagen 18a bis 18f herangezogen werden kann.
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Die Trennfläche 28 ist hierbei als ein Schnitt oder ein Einschnitt in den Lagesprungabschnitt 20 dargestellt. Dabei ist an dem Lagesprungabschnitt 20 ein zweilagiger Abschnitt 20a, der sich über zwei Lagen 18 erstreckt, sowie zwei einlagige Abschnitte 20b, die sich jeweils über eine Lage 18 erstrecken, ausgeführt. Der einlagige Abschnitt 20b entspricht in seinen Ausdehnungen dabei im Wesentlichen dem Querschnitt eines Leiterabschnitts 22. Der zweilagige Abschnitt 20a entspricht in seinen Ausdehnungen somit im Wesentlichen dem doppelten Querschnitt des Leiterabschnitts 22. Der zweilagige Abschnitt 20a und die einlagigen Abschnitte 20b sind in 5 schematisch durch eine eingefügte Linie 27 deutlich voneinander abgetrennt. Dabei bildet eine Oberfläche des zweilagigen Abschnitts 20a und der einlagigen Abschnitte 20b mit Vorteil eine gemeinsame ebene Fläche aus. Durch weitere Linien 29, die in 5 die Biegekante 29 darstellen, ist der Lagesprungabschnitt 20 von den Nutversatzabschnitten 22b abgetrennt. Die Ausbildung der beiden einlagigen Abschnitte 20b des Lagesprungabschnitts 20 ermöglichen Vorteile bei der Herstellung des Wellenleitersegments 16, insbesondere eine beschädigungsfreie Herstellung der Wellenleitersemente 16 im Bereich der Lagesprungabschnitte 20.
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Wie in der 6 zu erkennen ist, greifen bei der Herstellung des Wellenleitersegments 16 Werkzeuge an verschiedenen Abschnitten an. In der 6 sind die Werkzeuge 31, 31a–k zur besseren Verständlichkeit an einem bereits fertig geformten Wellenleitersegment 16 dargestellt. Dabei greifen ein erstes Werkzeug 31a und ein zweites Werkzeug 31b an einem Lagesprungabschnitt 20 sowie an einem Statordurchgangabschnitt 22a an und fixieren diese. Die Fixierung der Abschnitte ist durch die dünn gezeichneten Pfeile, die auf die Werkzeuge zeigen, verdeutlicht. Die fixierten Abschnitte verformen sich daher bei der Erzeugung der Nutversatzabschnitte 22b nicht. Eines der Werkzeuge greift bzw. fixiert den Lagesprungabschnitt 20 derart, dass die Trennfläche 28, die in der 6 nicht erkennbar ist, zumindest ein Stück weit übergriffen wird. Dadurch kann eine Beschädigung, insbesondere ein Ausreißen, des Lagesprungabschnitts 20 an einem Endbereich der Trennfläche 28 vermieden werden. Dies wird in Verbindung mit den Ausführungen zu den 11 und 12 nochmals ausführlicher dargestellt. Es ist somit möglich, auch ein Blech mit hoher Materialstärke ohne Beschädigungen zu verformen. Somit kann ein großvolumiger Querschnitt für den Leiterabschnitt 22 erreicht werden.
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In der 7 ist das Statorjoch 12 mit einem einzigen in dessen Statornuten 14 angeordneten Wellenleitersegment 16 dargestellt. Das Wellenleitersegment 16 umläuft das Statorjoch in etwa zur Hälfte. Man kann hierbei erkennen, dass ein erster Statordurchgangabschnitt 22a des Wellenleitersegments 16 in einer ersten Lage 18a, die die radial äußerste Lage 18 ausbildet, angeordnet ist. Ein zu diesem benachbarter Durchgangabschnitt 22a ist dementsprechend in einer zweiten Lage 18b sowie ein diesen nachfolgend benachbarter Durchgangsabschnitt 22a in einer Lage 18c angeordnet. Dabei weist jede Statornut 14 sechs Lagen 18 auf. Das Statorjoch 12 weist hierbei insgesamt 72 Statornuten 14 auf. Zwischen zwei benachbarten Statordurchgangabschnitten 22a werden durch die beiden zwischengeschalteten Nutversatzabschnitte 5 Statornuten 14 übersprungen.
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In der 9 sind entsprechend der an dem Statorjoch 12 angeordneten 72 Statornuten 14 insgesamt 72 Wellenleitersegmente dargestellt. Die Wellenleitersegmente sind in dieser Darstellung in einer Ebene aneinander angeordnet. Dieses Wellenleiterpaket 30 aus 72 Wellenleitersegmenten 16 wird dabei in den 72 Statornuten 14 des Statorjochs 12 angeordnet. Dabei wird das in 9 dargestellte Wellenleiterpaket 30 zu einem Ring geformt bzw. ringförmig geschlossen. Der erste Statordurchgangabschnitt 22a des ersten Wellenleitersegments 16 liegt somit nun benachbart zu dem ersten Statordurchgangabschnitt 22a des 72ten Wellenleitersegments 16. Die Wellenleitersegmente 16/1 bis 16/72 bilden hierbei das Wellenleiterpaket 30. Das Wellenleiterpaket 30 kann als Gesamtheit in das Statorjoch 12 eingesetzt werden. In einer anderen Variante können die Wellenleitersegmente 16 des Wellenleiterpakets 30 auch einzeln und nacheinander in das Statorjoch 12 eingelegt werden, sodass das Wellenleiterpaket 30 erst innerhalb des Statorjochs 12 vervollständigt wird. Es kann auch von Vorteil sein, wenn das Statorjoch 12 mehrteilig ausgebildet ist, d. h. in Umfangsrichtung segmentiert, damit eine einfache Montage ermöglicht wird. In der 10 ist eine vergrößerte Darstellung eines Teilausschnitts der 9 gezeigt. Hierbei kann nochmals deutlich der Aufbau der verschiedenen Lagen erkannt werden. Zudem erkennt man, dass die Kontaktabschnitte 24, die jeweils an einem Wellenleitersegment 16 ausgebildet sind, eine verschiedene axiale Länge aufweisen.
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Ein mögliches Herstellungsverfahren für einen Wellenleitersegment 16 entsprechend der 2 soll anhand der 11 und 12 erläutert werden, wobei auch die 6 herangezogen werden kann. In der 11 ist ein Grundkörper 32 für die Herstellung eines Wellenleitersegments 16 dargestellt. Der Grundkörper 32 ist hierbei blechförmig ausgebildet und weist hierbei eine Hauptfläche 34 sowie mehrere, in diesem Ausführungsbeispiel vier, Seitenflächen 36a–d, auf. Dabei bildet die Hauptfläche 34 die größte Fläche des blechförmigen Grundkörpers 32 aus, wobei eine Flächennormale 38 senkrecht zu der Hauptfläche steht. Eine weitere Fläche, die der Hauptfläche entspricht und ebenfalls als Hauptfläche angesehen werden kann, ist rückseitig des blechförmigen Grundkörpers 32 angeordnet. Der blechförmige Grundkörper 32 weist in Richtung der Flächennormale 38 eine Dicke oder eine Materialstärke von mehr als 1,5 Millimeter auf. Diese Dicke oder Materialstärke des Grundkörpers entspricht der späteren Breite B des Querschnitts des Wellenleitersegments 16 bzw. dessen verschiedenen Abschnitten. Benachbarte Seitenflächen 36 sind rechtwinklig, zueinander gegenüberliegende Seitenflächen 36 sind entsprechend parallel zueinander ausgeführt.
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In den Grundkörper 32 werden Trennflächen 28 eingearbeitet. Die fünf Trennflächen 28a–e sind durchgehend von einer ersten Seitenfläche 36 bis zu einer zweiten Seitenfläche 36 ausgebildet sind, wobei diese von der zweiten Seitenfläche 36 einen entsprechenden Abstand aufweisen. Bei zwei benachbarten Trennflächen 28 sind die erste Seitenfläche 36 und die zweite Seitenfläche 36 definitionsmäßig entsprechend vertauscht. Bei der ersten Trennfläche 28 entspricht die Seitenfläche 36a der ersten Seitenfläche 36 und die Seitenfläche 36c der zweiten Seitenfläche 36. Bei der zweiten Trennfläche entspricht die Seitenfläche 36c der ersten Seitenfläche 36 und die Seitenfläche 36a der zweiten Seitenfläche 36.
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Durch die eingebrachten Trennflächen 28 bildet der Grundkörper 32 in 12 nun einen mäanderförmigen Körper 40 aus. Der mäanderförmige Körper 40 kann unter anderem aus einem Blechstreifen, beispielsweise über ein Laserschnittverfahren, hergestellt werden.
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An dem mäanderförmigen Körper 40 greifen mehrere Werkzeuge 31 an, zumindest ein erstes Werkzeug 31a und ein zweites Werkzeug 31b an. Dabei fixiert das erste Werkzeug einen ersten Abschnitt 42a des mäanderförmigen Körpers 40 und das zweite Werkzeug einen zweiten Abschnitt 42b des mäanderförmigen Körpers 40. Weitere Werkzeuge 31c–k fixieren entsprechend weitere Abschnitte 42c–k. Der erste Abschnitt 42a entspricht in diesem Ausführungsbeispiel einem der späteren Statordurchgangabschnitte 22a entsprechen, wobei ein zweiter Abschnitt 42b hierbei einem der späteren Lagesprungabschnitte 20 des späteren Wellenleitersegments 16 entspricht. Zur besseren Darstellung sind in der 6 Werkzeuge 31a–k an einem bereits fertiggestellten Wellenleitersegment 16 dargestellt. Hierdurch kann dennoch die Anordnung und die Relativbewegung zwischen den Werkzeugen 31a–k weiter verdeutlich werden.
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Durch das vollständige übergreifen der Abschnitte 42a–k durch das Werkzeug ist eine unerwünschte Verformung dieser Abschnitte 42a–k, die den späteren Lagesprungabschnitten 20 und den späteren Statordurchgangabschnitten 22a entsprechen, für das spätere Wellenleitersegment 16 ist ausgeschlossen. Die Fixierung der Abschnitte durch die Werkzeuge 31a–k ist in der 6 durch die dünnen Pfeile, die auf die Werkzeuge zeigen, verdeutlicht.
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Die fixierten Abschnitte 42a–k werden nun durch eine Relativbewegung benachbarter Werkzeuge 31 entlang der Flächennormale 38 in zueinander entgegengesetzter Richtung verschoben. Hierdurch wird der Nutversatzabschnitt 22b, welcher an dem späteren Wellenleitersegment zwischen dem Statordurchgangabschnitt 22a und dem Lagesprungabschnitt 20 angeordnet ist, ausgebildet. Die Bewegung der einzelnen Werkzeuge 31a–f bei Herstellung des Wellenleitersegments 16 aus dem mäanderförmigen Körper ist durch die dicken Pfeile in 6 grafisch dargestellt. Die Anzahl der dicken Pfeile, die den jeweiligen Werkzeugen 31a–k zugeordnet sind, verdeutlicht nochmals die Relativbewegungen zwischen den Werkzeugen 31a–k.
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Die Herstellung findet bei dieser Ausführungsvariante in einem Arbeitsschritt statt, wobei ein mehrfaches Umspannen der Werkzeuge 31 nicht notwendig ist. Die Relativbewegung zwischen den benachbarten Werkzeugen 31 kann hierbei gleichzeitig oder auch zeitlich nacheinander ausgeführt werden.
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Wie bereits erläutert, kann die Herstellung des Wellenleitersegments 16 aus dem mäanderförmigen Körper auch durch die Verwendung von lediglich zwei oder mehr als zwei Werkzeugen 31 geschehen. Hierbei kann beispielsweise mehrfaches Umspannen der Werkzeuge notwendig sein. Die Herstellung erfolgt somit in mehreren Arbeitsschritten. Die Relativbewegung benachbarter Werkzeuge 31 in entgegengesetzter Richtung entspricht auch bei dieser Herstellungsvariante den zuvor gemachten Ausführungen.
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Ein Werkzeug 31 fixiert bei der Herstellung eines Wellenleitersegments 16, wie zuvor bereits erwähnt, den zweilagigen Abschnitt 20b sowie die einlagigen Abschnitte 20a. Hierdurch fixiert das Werkzeug den zukünftigen Lagesprungabschnitt 20 und übergreift den Endabschnitt der zugehörigen Trennfläche 28. Der Lagesprungabschnitt 20 und insbesondere ein Endabschnitt der Trennfläche 28 werden während der Erzeugung des Nutversatzabschnitts 22b nicht beschädigt, beispielsweise durch ausreißen. Hierdurch ist es möglich dickes Blech, also auch mit Materialstärken von über 1,5 Millimeter, ohne Beschädigungen zu verformen. Diese erhöhte Blechstärke ermöglicht es die Statornuten 14 des Statorjochs 12 lageweise vollständig auszufüllen. Die rechteckige Form der Statornuten, der Statordurchgangabschnitte sowie die lageweise Anordnung ermöglichen einen sehr hohen Füllgrad der Statornuten durch Leitermaterial. Das Wellenleitersegment 16 kann anschließend noch isolierend beschichtet oder lackiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stator
- 12
- Statorjoch
- 14
- Statornut
- 16
- Wellenleitersegment
- 18
- Lage
- 18a
- erste Lage
- 18b
- zweite Lage
- 18c
- dritte Lage
- 18d
- vierte Lage
- 18e
- fünfte Lage
- 18f
- sechste Lage
- 20
- Lagesprungabschnitt
- 20a
- zweilagiger Abschnitt
- 20b
- einlagiger Abschnitt
- 22
- Leiterabschnitt
- 22a
- Statordurchgangabschnitt
- 22b
- Nutversatzabschnitt
- 24
- Kontaktabschnitt
- 25
- Flächennormale
- 26
- Biegeabschnitt
- 27
- Linie
- 28, a–e
- Trennfläche
- 29
- Biegekante, Linie
- 30
- Wellenleiterpaket
- 31, a–k
- Werkzeug
- 32
- Grundkörper
- 33, a, b
- Fläche
- 34
- Hauptfläche
- 36, a–d
- Seitenflächen
- 38
- Flächennormale
- 40
- Mäanderförmiger Körper
- 42, a–k
- Abschnitt
- 42a
- erster Abschnitt
- 42b
- zweiter Abschnitt
- A
- Rotationsachse
- B
- Breite Wellenleitersegment
- BS
- Breite Statornut
- H
- Höhe Wellenleitersegment
- HS
- Höhe Statornut
- HSL
- Höhe Lage
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0111057 A1 [0002]
- US 1849215 [0003]
- JP 2010284001 [0004]
