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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Synchronmaschine, insbesondere für einen Synchronmotor, umfassend ein Blechpaket und mindestens zwei elektrische Spulen mit verteilten Spulenwicklungen. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Synchronmaschine, insbesondere einen Synchronmotor mit einem solchen Stator, sowie ein Blech zur Verwendung in einem solchen Stator.
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Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie. Ein Elektromotor weist einen drehbar gelagerten Rotor und einen feststehenden Stator auf. Eine Art des Elektromotors sind Drehstrom-Synchronmotoren, die als Antriebsmaschinen, beispielsweise für Fahrzeuge oder Schiffe, genutzt werden. Elektrische Synchronmaschinen kommen insbesondere auch als Lichtmaschinen zur Anwendung. Eine permanentmagneterregte Synchronmaschine (PSM) oder auch „permanent magnet synchron motor“ (PMSM) umfasst einen Läufer bzw. Rotor, mit Permanentmagnet oder erregter Läuferwicklung, und einen Ständer bzw. Stator. Ein Stator besitzt ein Blechpaket, welches mehrere Bleche umfasst, von denen jedes einzelne Zähne mit dazwischen befindlichen Nuten aufweist. Um die Zähne werden die elektrischen Spulen gewickelt, so dass die Spulenschenkel in den Nuten liegen und die Spulenköpfe bzw. Wicklungsköpfe, axial an dem Blechpaket anliegen. Bei einer konzentrierten Wicklung liegt eine elektrische Spulenwicklung um einen Zahn, auch als Zahnpol bezeichnet. Im Gegensatz dazu, sind bei einer verteilten Wicklung die elektrischen Spulenwicklungen über mehrere Zähne bzw. Zahnpole hinweg in die Nuten eingebracht. Ein großes Spulenkopfvolumen, insbesondere durch eine ausgedehnte Spulenkopfhöhe erhöht die ohmschen Verluste was zu einem geringeren Wirkungsgrad des Elektromotors führt. Die Spulenkopfhöhe ist von Wicklungsart, Nut- und Polpaarzahl abhängig. Werden die elektrischen Spulen in zwei Ebenen in den Nuten montiert, kommt es bisher regelmäßig zur Kollision der Wickelköpfe, weshalb eine höhere Spulenkopfhöhe gewählt werden muss
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In der
DE 103 02 892 A1 wird ein Blechabschnitt mit an seinem Außenumfang angeordneten nach außen offenen Nuten variabler Nuttiefe beschrieben. Die Nuten dienen der Aufnahme von Wicklungen. Die Gesamtzahl der Nuten ist in mindestens zwei Nutengruppen unterteilt, wobei sich alle Nuten einer Nutgruppe in ihrer Nuttiefe voneinander unterscheiden.
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DE 10 2004 013 098 A1 zeigt einen Stator für einen Elektromotor mit einem Statorkern, der eine Anzahl Statorzähne und zwischen den Statorzähnen liegende Statornuten aufweist. Die Statornuten dienen der Aufnahme der Statorwicklungen und sind mit unterschiedlicher Tiefe ausgebildet, um die Anteile der Statorwicklungen einer Phase bzw. mehrerer Phasen des Elektromotors aufzunehmen.
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Sowohl die
DE 103 02 892 A1 als auch die
DE 10 2004 013 098 A1 befassen sich mit der Verbesserung des Füllfaktors und der leichteren Einbringung der Statorwicklungen in die Statornuten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, einen Stator für eine Synchronmaschine zur Verfügung zu stellen, der den Arbeitspunkt der Synchronmaschine erhöht, eine Verringerung der ohmschen Verluste bewirkt und die thermischen Eigenschaften des Stators verbessert, insbesondere die Abfuhr der Verlustwärme aus der Wicklung erleichtert. Dabei sollen herkömmliche Bewickelungsmethoden bzw. Bestückungsmethoden für diesen verbesserten Stator anwendbar bleiben. Weitere Aufgaben bestehen in der Bereitstellung eines Blechs für einen solchen Stator sowie einer Synchronmaschine unter Nutzung des genannten Stators.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch einen Stator für eine elektrische Synchronmaschine gemäß dem beigefügten Anspruch 1, durch ein Blech gemäß Anspruch 9 sowie durch eine elektrische Synchronmaschine gemäß Anspruch 10.
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Der erfindungsgemäße Stator für eine elektrische Synchronmaschine umfasst ein Blechpaket mit verteilten Spulenwicklungen. Die elektrische Synchronmaschine umfasst den Stator und einen Rotor, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und eine gemeinsame Achse aufweisen. Jede elektrische Spulenwicklung weist zwei Spulenschenkel und Spulenköpfe bzw. Wickelköpfe auf. Die elektrische Spulenwicklung besteht bevorzugt aus gewickeltem Draht. Das Blechpaket ist durch mehrere übereinander gestapelte Bleche gebildet. Die Bleche sind bevorzugt scheibenförmig. Weiterhin weisen die Bleche eine Anzahl Nuten mit dazwischen befindlichen Zähnen auf. Die Nuten dienen der Aufnahme der Spulenschenkel. Spulenschenkel sind die Teile der elektrischen Spulenwicklung, die zwischen den Zähnen, also in den Nuten verlaufen. Die Nuten sind in zwei Gruppen unterteilt, eine erste Nutgruppe und eine zweite Nutgruppe. Die Nuten der ersten Nutgruppe weisen eine geringere Tiefe als die Nuten der zweiten Nutgruppe auf. Alle Nuten der ersten Nutgruppe sind gleich tief ausgebildet und weisen einen annähernd selben Querschnitt auf. Alle Nuten der zweiten Nutgruppe sind ebenfalls gleich tief ausgebildet und weisen einen annähernd identischen Querschnitt auf. In jeder Nut ist höchstens ein Spulenschenkel angeordnet. Die rotornahen Spulenschenkel erstrecken sich in den Nuten der ersten, also flacheren Nutgruppe. Die rotorfernen Spulenschenkel erstrecken sich in den Nuten der zweiten, also tieferen Nutgruppe.
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Durch die zwei erfindungsgemäßen unterschiedlichen Tiefen der Nutgruppen, kommen die eingebrachten Spulenschenkel immer am Blechpaket zum Anliegen. Insbesondere kommen die Spulenschenkel an einem Nutgrund der jeweiligen Nut zum Anliegen. Eine Kollision der Wickelköpfe wird vermieden. Entstehende thermische Energie bzw. Verlustwärme kann über das Blechpaket gut abgeleitet werden. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau wird der thermische Arbeitspunkt der elektrischen Synchronmaschine angehoben, indem die Spulentemperatur abgesenkt wird. Durch den erfindungsgemäßen Stator kann der Dauerstrom der erfindungsgemäßen elektrischen Synchronmaschine gegenüber bekannten Synchronmaschinen angehoben werden.
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Bevorzugt sind mindestens drei elektrische Spulenwicklungen auf dem Stator angeordnet, wobei die Spulenschenkel axial zur gemeinsamen Rotationsachse der elektrischen Synchronmaschine ausgerichtet sind. Die elektrischen Spulenwicklungen können bevorzugt je zwei rotorferne Spulenschenkel oder alternativ bevorzugt je zwei rotornahe Spulenschenkel oder weiterhin alternativ bevorzugt je einen rotorfernen und einen rotornahen Spulenschenkel aufweisen. Somit können die Spulenschenkel einer elektrischen Spulenwicklung in einer oder in zwei radialen Ebenen des Stators liegen. Die elektrischen Spulenwicklungen sind demnach bevorzugt umlaufend auf dem Stator in einer Reihe oder alternativ bevorzugt in zwei benachbarten Reihen oder alternativ bevorzugt über beide Reihen bzw. Ebenen hinweg angeordnet. Hierbei wird auch von einer einschichtigen oder zweischichtigen Belegung gesprochen.
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Der Stator ist bevorzugt für ein Dreiphasensystem ausgelegt.
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Der Stator umfasst mindestens drei, bevorzugt sechs elektrische Spulenwicklungen, besonders bevorzugt zwölf elektrische Spulenwicklungen. Die elektrischen Spulenwicklungen werden beispielsweise mit U-V-W bezeichnet.
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Der Stator ist bevorzugt für einen Innenläufermotor ausgebildet, d. h. der Rotor liegt konzentrisch im Stator. Der Stator weist bei dieser Ausführungsform Nuten auf, die zu einem Statorinnenumfang geöffnet sind. Hierbei sind die Nutöffnungen radial nach innen und der jeweilige Nutgrund radial nach außen gerichtet.
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Die elektrischen Spulenwicklungen sind untereinander bevorzugt in einer Sternschaltung elektrisch verschaltet. Alternativ sind die elektrischen Spulenwicklungen in einer Dreieckschaltung elektrisch verschaltet.
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Alternativ bevorzugt ist der Stator als Außenläufermotor ausgebildet. Der Stator liegt konzentrisch im Rotor. Der Stator weist bei dieser Ausführungsform Nuten auf, die zu einem Statoraußenumfang geöffnet sind. Die jeweilige Nutöffnung ist radial nach außen und der jeweilige Nutgrund radial nach innen gerichtet.
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Regelmäßig ist zwischen dem Stator und dem Rotor ein Luftspalt ausgebildet.
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In einer Ausführungsform umfasst das Blechpaket Spulenwicklungen mit zwei rotorfernen Spulenschenkeln und Spulenwicklungen mit zwei rotornahen Spulenschenkeln, wobei die rotornahen Spulenwicklungen nacheinander im Wickelschritt 1:4 angeordnet sind und die rotorfernen Spulenwicklungen abwechselnd nacheinander im Wickelschritt 1:4 und 1:5 auf dem Blechpaket angeordnet sind.
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Weiterhin sind bei dieser Ausführungsform die Nutgruppen abwechselnd umlaufend auf dem Stator angeordnet, wobei abwechselnd dreimal je zwei Nuten einer ersten Nutgruppe und dreimal je eine Nut einer zweiten Nutgruppe umlaufend angeordnet sind.
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In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Blechpaket Spulenwicklungen mit je einem rotorfernen Spulenschenkel und einem rotornahen Spulenschenkel, wobei die Spulenwicklungen nacheinander im Wickelschritt 1:4 auf dem Blechpaket angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform ist jede zweite Nut, die Nut welche den jeweiligen rotornahen Spulenschenkel aufweist, verkürzt ausgebildet.
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Der Stator weist in einer Ausführungsform mindestens eine Leernut auf. Besonders bevorzugt umfasst der Stator hierbei drei Leernuten. Die Leernut gehört bevorzugt der zweiten Nutgruppe an. In einer weiteren Ausführungsform weist der Stator keine Leernut auf.
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Zwischen den elektrischen Spulenwicklungen ist bevorzugt eine Isolierung eingebracht. Die Isolierung kann beispielsweise durch ein Isolationspapier oder durch Umspritzen mit Isolationsmaterial, insbesondere Kunstharz realisiert werden.
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Die beiden Spulenschenkel einer elektrischen Spulenwicklung sind bevorzugt nicht in unmittelbar benachbarten Nuten angeordnet, was einer verteilten Wicklung entspricht. Die elektrischen Spulenwicklungen sind bevorzugt so angeordnet, dass sie sich nicht überschneiden.
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Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Stators sind, dass keine Spezialwickelverfahren zur Spulenanordnung auf dem Stator benötigt werden, sondern bekannte Verfahren zur Anwendung kommen. Somit können günstige Bestückungskosten sowie eine niedrige Bestückungszeit beibehalten werden.
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Bevorzugt weist das Blechpaket des Stators zahlreiche übereinandergestapelte Bleche auf. Bevorzugt bestehen die Bleche aus weichmagnetischem Material. Zwischen den einzelnen Blechen sind isolierende Schichten eingebracht.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform weist der Stator mindestens drei elektrische Spulenwicklungen auf, wobei die elektrischen Spulenwicklungen als verteilte Wicklungen in zwei radial beabstandeten Reihen umlaufend auf dem Stator angeordnet sind. Die elektrischen Spulenwicklungen mit ihren Spulenschenkeln liegen jeweils rotorfern oder rotornah.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Stator mindestens drei elektrische Spulenwicklungen auf, wobei die elektrischen Spulenwicklungen als verteilte Wicklungen mit überlappender Spulenanordnung angeordnet sind. D. h. jede elektrische Spulenwicklung weist einen rotornahen und einen rotorfernen Spulenschenkel auf.
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Das erfindungsgemäße Blech für einen Stator (auch Blechschnitt genannt), insbesondere für den zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Stator, umfasst 27 Nuten mit 27 dazwischen befindlichen Zähnen. Die Nuten sind in eine erste Nutgruppe mit geringerer Tiefe und in eine zweite Nutgruppe mit größerer Tiefe unterteilt, wobei im Uhrzeigersinn gezählt die Nuten 2, 3, 6, 8, 11, 12, 15, 17, 20, 21, 24 und 26 der ersten Nutgruppe zugeordnet sind und die verbleibenden Nuten der zweiten Nutgruppe zugeordnet sind.
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Die erfindungsgemäße Synchronmaschine umfasst einen Rotor sowie den zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Stator.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine stark vereinfachte Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators mit einer ersten Wicklungsart;
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2 eine stark vereinfachte Querschnittsansicht einer zweiten Wicklungsart an einem Stator gemäß dem Stand der Technik;
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3 eine Detailansicht einer Nut mit großer Tiefe und einem Spulenschenkel;
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4 eine Detailansicht einer Nut mit geringer Tiefe und Spulenschenkel.
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1 zeigt einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators 01. Der Stator 01 ist für eine elektrische Synchronmaschine vorgesehen und umfasst ein Blechpaket 02 sowie mehrere elektrische Spulenwicklungen 03. Das Blechpaket 02 ist aus mehreren scheibenförmigen Belchen zusammengesetzt und weist eine senkrecht auf dem Mittelpunkt der Scheiben stehende Scheibenachse auf. Jedes einzelne Blech und damit auch das Blechpaket 02 weist Nuten 04 und dazwischen befindliche Zähne 06 auf.
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In 1 umfasst jedes Blech siebenundzwanzig Nuten 04 und ebenso viele Zähne 06, die gemeinsam radial zur Scheibenachse hin ausgerichtet sind. Somit liegt ein Stator 01 für einen Innenläufermotor vor, wobei ein Rotor (nicht gezeigt) der Synchronmaschine (nicht gezeigt) konzentrisch im Stator 01 liegt und sich um eine gemeinsame Achse dreht. Die gemeinsame Achse liegt gleich der Scheibenachse. Der Stator 01 umfasst zweimal sechs elektrische Spulenwicklungen 03, die als Dreiphasensystem in zwei Reihen bzw. Ebenen radial angeordnet und miteinander elektrisch verschaltet sind. Somit werden eine rotornahe Spulenwicklungsreihe 07 bzw. innere Reihe und eine rotorferne Spulenwicklungsreihe 08 bzw. äußere Reihe gebildet. In den einzelnen Reihen sind die elektrischen Spulenwicklungen 03 am Umfang umlaufend benachbart angeordnet. Die elektrischen Spulenwicklungen 03 sind als verteilte Spulenwicklungen angeordnet, d. h. die elektrischen Spulenwicklungen 03 sind über mehrere Zähne 06 hinweg angelegt. Die Nuten 04 der rotornahen Reihe 07 sind in zwei verschiedene Nutgruppen unterteilt, wobei die beiden Nutgruppen unterschiedliche Nuttiefen aufweisen. Eine erste Nutgruppe weist im Gegensatz zu einer zweiten Nutgruppe verkürzte Nuten 04 auf, d. h. die Nuten 04 der ersten Nutgruppe sind weniger tief als die Nuten 04 der zweiten Nutgruppe. Der ersten Nutgruppe sind bei der Ausführung gemäß 1 die folgenden Nuten zugeordnet: zwei, drei, sechs, acht, elf, zwölf, fünfzehn, siebzehn, zwanzig, einundzwanzig, vierundzwanzig und sechsundzwanzig, gezählt im Uhrzeigersinn, beginnend bei 0°. Die restlichen Nuten 04 sind der zweiten Nutgruppe zugeordnet, diese sind die Nuten eins, vier, fünf, sieben, neun, zehn, dreizehn, sechzehn, achtzehn, neunzehn, zweiundzwanzig, dreiundzwanzig, fünfundzwanzig und siebenundzwanzig.
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In abgewandelten Ausführungsformen kann die Anzahl der Nuten des erfindungsgemäßen Stators symmetrisch erhöht werden. Dazu werden ganzzahlige Vielfache der zuvor beschriebenen Nut-Leernut-Spulenkombination gebildet (d. h., die nächste Statorgröße hat dann 54 Zähne usw.).
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Die elektrischen Spulenwicklungen 03 weisen Spulenköpfe 09 und Spulenschenkel 11 auf. In den Nuten 04 sind die elektrischen Spulenwicklungen 03, insbesondere die Spulenschenkel 11 eingebracht, wobei in jeder Nut 04 genau ein Spulenschenkel 11 oder kein Spulenschenkel liegt. Die Nuten sieben, sechzehn und fünfundzwanzig sind Leernuten 12, die keinen eingebrachten Spulenschenkel 11 aufweisen. Durch die Wahl der unterschiedlichen Nuttiefen der Nutgruppen, kommen die Spulenschenkel zum Anliegen an dem Blechpaket 02. Dadurch kann beim Synchronmaschinenbetrieb erzeugte Verlustwärme besser abgeleitet werden, wodurch der thermische Arbeitspunkt der Synchronmaschine angehoben wird.
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2 zeigt einen Querschnitt eines Stators 01a, der mit einer veränderten Art der Spulenwicklung bestückt ist, wobei der Einfachheit halber ein Blechpaket 02a nach dem Stand der Technik gezeichnet wurde. Das Blechpaket 02a weist dreißig Nuten und dreißig Zähne auf, die abwechselnd im Radius angeordnet und zu der Scheibenachse des Blechpakets 02 ausgerichtet sind. Der Stator 01a gemäß 2 ist für einen Innenläufermotor vorgesehen. Die elektrischen Spulenwicklungen 03 sind als verteilte Spulenwicklung mit überlappender Spulenanordnung ausgerichtet. Jede elektrische Spulenwicklung 03 weist einen rotorfernen und einen rotornahen Spulenschenkel 11 auf. In jeder Nut 04 befinden sich abwechselnd ein rotornaher und ein rotorferner Spulenschenkel 11, wobei in jeder Nut 04 genau ein Spulenschenkel 11 liegt.
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Weiterhin ist in 2 die Verschaltung der einzelnen elektrischen Spulenwicklungen 03 untereinander dargestellt, wobei es sich um eine Sternschaltung handelt. Gemäß der dargestellten Ausführung des Blechpakets nach dem Stand der Technik sind alle dreißig Nuten 04 gleich tief ausgebildet.
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Wenn die in 2 gezeigte Ausführung stattdessen erfindungsgemäß gestaltet werden soll, müsste jede zweite Nut 04, also die Nut welche den jeweiligen rotornahen Spulenschenkel 11 aufweist, verkürzt, d. h. mit einer verringerten Tiefe ausgebildet werden. In 2 sind die Positionen einiger zu verkürzender Nuten durch „Z“ markiert.
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3 zeigt eine geschnittene Detailansicht des erfindungsgemäßen Stators 01. Gezeigt ist eine Nut 04 mit einer großen Tiefe sowie zwei Zähne 06 des Blechpakets 02, welche die Nut 04 umgeben. In der Nut 04 liegt der Spulenschenkel 11 einer elektrischen Spulenwicklung 03. Der Spulenschenkel 11 liegt rotorfern und kommt am Blechpaket 02 zum Anliegen. Der Spulenschenkel 11 kommt vorzugsweise an beiden Nutseitenwänden 13 und insbesondere an einem Nutgrund 14 zum Anliegen. Die in 3 gezeigte Nut 04 ist der zweiten Nutgruppe zugeordnet. Zu erkennen sind auch die einzelnen Spulenwindungen 16 der elektrischen Spulenwicklung 03.
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4 zeigt eine weitere geschnittene Detailansicht des erfindungsgemäßen Stators 01. 4 zeigt einen Spulenschenkel 11 der rotornah liegt. Der Spulenschenkel 11 kommt am Blechpaket 02 zum Anliegen, vorzugsweise liegt er an beiden Nutseitenwänden 13 und insbesondere am Nutgrund 14 an. Die in 4 gezeigte Nut 04 weist eine geringere Tiefe im Vergleich zu der in 3 gezeigten Nut 04 auf. Die in 4 gezeigte Nut 04 ist somit der ersten Nutgruppe zugeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Stator
- 02
- Blechpaket
- 03
- elektrische Spulenwicklung
- 04
- Nut
- 05
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- 06
- Zahn
- 07
- rotornahe Spulenwicklungsreihe
- 08
- rotorferne Spulenwicklungsreihe
- 09
- Spulenkopf
- 10
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- 11
- Spulenschenkel
- 12
- Leernut
- 13
- Nutseitenwand
- 14
- Nutgrund
- 15
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- 16
- Spulenwindung
- Z
- zu verkürzende Nuten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10302892 A1 [0003, 0005]
- DE 102004013098 A1 [0004, 0005]
