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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen modular aufgebauten Stator für einen Elektromotor oder Generator.
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Bei aktuellen Elektromotoren, insbesondere bei Synchronmotoren, umfasst ein Stator des Elektromotors mehrere Spulen, deren Windungen typischerweise aus runden oder flachen Drähten gewickelt sind. Einzelne Windungssegmente sind in eine U-Form gebogen, werden in einen Spalt des Stators eingeführt und verlötet, um eine elektrische Verbindung zu diesen herzustellen. Daraus ergibt sich, dass bei einer Herstellung eines solchen Stators ein aufwendiges Wicklungsverfahren für die Drähte, welche die Spulen bilden, erforderlich ist. Ferner sind viele Schritte erforderlich, um den Stator zu fertigen. Dabei weist ein solcher Stator eine Bauform auf, welche einen relativ großen Freiraum in axialer Richtung benötigt, um Raum für eine Drahtrückführung und den Lötbereich zusätzlich zu der aktiven Länge des Stators zu schaffen.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einem kompakten und einfach zu fertigenden Stator für Elektromotoren.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße modular aufgebaute Stator für einen Elektromotor oder einen Generator umfasst ein erstes oberes ringförmiges Element, welches auf einer ersten Seite des Stators angeordnet ist und einen Innenbereich umläuft, der dazu eingerichtet ist, einen Rotor des Elektromotors darin anzuordnen, ein erstes unteres ringförmiges Element, welches auf einer zweiten Seite des Stators angeordnet ist, die der ersten Seite des Stators gegenüberliegt, und eine erste Vielzahl von elektrisch leitfähigen Stäben, welche das erste obere ringförmige Element mit dem ersten unteren ringförmigen Element verbinden.
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Die ringförmigen Elemente weisen dabei im Wesentlichen die Form einer Kreisschreibe auf. Der modular aufgebaute Stator ist dabei insbesondere für einen Synchronmotor geeignet. Dabei werden Spulenwindungen des Elektromotors aus einer Kombination der elektrisch leitfähigen Stäbe und des ersten oberen ringförmigen Elementes sowie des ersten unteren ringförmigen Elementes gebildet. Die elektrisch leitfähigen Stäbe sind somit Leiterelemente einer Spule des Stators. Es wird somit kein Aufwickeln eines Drahtes mehr benötigt, um eine Spule des Stators zu formen. Dies führt zu einem besonders kompakten Aufbau des Stators, da ein besonders kompakter Wickelkopf geschaffen wird. Dadurch werden die Leitungsverluste in der Spule und die Masse des Stators, und somit eines zugehörigen Motors, verringert. Zugleich kann eine axiale Bauhöhe verringert werden. Ein Produktionsprozess eines solchen Stators erweist sich als besonders effizient, da lediglich ein Zusammensetzen einzelner Elemente notwendig ist. So kann insbesondere auf kostenintensive Wickelmaschinen verzichtet werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Es ist vorteilhaft, wenn eines der ringförmigen Elemente entlang seinem ringförmigen Umfang eine Vielzahl von Abschnitten aufweist, wobei in jedem der Abschnitte ein innerer elektrisch leitfähiger Stab und ein äußerer elektrisch leitfähiger Stab mit dem ringförmigen Element verbunden ist. Dabei ist der innere elektrisch leitfähige Stab und der äußere elektrisch leitfähige Stab eines Abschnittes insbesondere so angeordnet, dass diese von einem Zentrum des ringförmigen Elementes aus gesehen hintereinander, insbesondere auf einer Radiuslinie eines oberen oder unteren ringförmigen Elements, angeordnet sind. Auf diese Weise können besonders viele elektrisch leitfähige Stäbe entlang dem Umfang des ringförmigen Elements und somit entlang dem Umfang des Stators angeordnet werden. Es können somit besonders viele Spulenwicklungen mittels der elektrisch leitfähigen Stäbe geschaffen werden. Es ergeben sich ein hoher Wirkungsgrad eines zugehörigen Elektromotors, in den der Stator eingesetzt wird, sowie eine kompakte Bauform.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das erste obere ringförmige Element und/oder das erste untere ringförmige Element eine Vielzahl einzelner elektrisch leitfähiger Segmente umfasst. Das bedeutet mit anderen Worten, dass zumindest eines der ringförmigen Elemente aus einer Vielzahl von einzelnen Elementen zusammengesetzt ist. Insbesondere sind dabei benachbarte Segmente durch eine isolierende Schicht voneinander getrennt. Das ringförmige Element wird somit ähnlich einem Baukastenprinzip zusammengesetzt. Insbesondere sind die einzelnen elektrisch leitfähigen Segmente, welche zumindest einen Teilabschnitt eines der ringförmigen Elemente bilden, baugleich zueinander. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung der einzelnen elektrisch leitfähigen Segmente.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn jedes der elektrisch leitfähigen Segmente zumindest eine Aufnahme für ein Ende von einem der elektrisch leitfähigen Stäbe aufweist und/oder eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist. Eine Aufnahme ist dabei insbesondere eine Ausnehmung in einem der Segmente, in welches einer der elektrisch leitfähigen Stäbe passgenau eingeführt werden kann. Die elektrisch isolierende Beschichtung ist insbesondere eine Keramikbeschichtung. Dabei weisen die elektrisch leitfähigen Segmente insbesondere nur dort eine elektrisch isolierende Beschichtung auf, wo diese nicht mit einem der elektrisch leitfähigen Stäbe in Kontakt stehen. Durch die isolierende Beschichtung wird es ermöglicht, dass durch ein einziges ringförmiges Element mehrere unabhängige Strompfade geschaffen werden, wodurch insbesondere eine serielle Verschaltung der Vielzahl von elektrisch leitfähigen Stäbe ermöglicht wird, die mit dem jeweiligen ringförmigen Element verbunden sind.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Vielzahl einzelner elektrisch leitfähiger Segmente ein erstes Segment umfasst, welches einen inneren elektrisch leitfähigen Stab mit einem äußeren elektrisch leitfähigen Stab verbindet, der in einem benachbarten Abschnitt des dem ersten Segment zugehörigen ringförmigen Elementes angeordnet ist. Dabei sind in jedem der Abschnitte des ringförmigen Segmentes zumindest zwei der elektrisch leitfähigen Stäbe mit dem ringförmigen Element verbunden. Durch das erste Segment werden somit benachbarte Abschnitte des ringförmigen Elementes miteinander verbunden. Als Abschnitt ist dabei lediglich eine Unterteilung des ringförmigen Elements zu verstehen. Ein Abschnitt ist kein eigenständiges Bauelement oder eine eigenständige Komponente.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Vielzahl einzelner elektrisch leitender Segmente ein zweites Segment umfasst, welches einen inneren elektrisch leitfähigen Stab mit einem weiteren inneren elektrisch leitfähigen Stab verbindet, der in einem benachbarten Abschnitt des dem zweiten Segment zugehörigen ringförmigen Elements angeordnet ist, und/oder einen äußeren elektrisch leitfähigen Stab mit einem weiteren äußeren elektrisch leitfähigen Stab verbindet, der in einem benachbarten Abschnitt des dem zweiten Segment zugehörigen ringförmigen Elements angeordnet ist. Das zweite Segment ist somit ein Segment, welches benachbarte Abschnitte des ringförmigen Elements miteinander verbindet. Ein solches Element ermöglicht es, zwei unterschiedliche Strompfade, die durch die elektrisch leitfähigen Stäbe, das obere ringförmige Element und das untere ringförmige Element gebildet werden miteinander zu verbinden.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Stator ein drittes elektrisch leitfähiges Segment umfasst, welches dazu eingerichtet ist, mehrere elektrisch leitfähige Stäbe miteinander zu verbinden, die jeweils einem anderen oberen ringförmigen Element oder unteren ringförmigen Element zugehörig sind. Dazu umfasst der modular aufgebaute Stator bevorzugt ein zweites oberes ringförmiges Element und ein zweites unteres ringförmiges Element, die über eine zweite Vielzahl von elektrisch leitfähigen Stäben miteinander verbunden sind. Das erste obere ringförmige Element ist insbesondere baugleich zu dem zweiten oberen ringförmigen Element. Das zweite untere ringförmige Element ist insbesondere baugleich zu dem ersten unteren ringförmigen Element. Die zweite Vielzahl von elektrisch leitfähigen Stäben ist insbesondere entsprechend der ersten Vielzahl von elektrisch leitfähigen Stäben zwischen den zugehörigen ringförmigen Elementen angeordnet. Ein elektrisch leitfähiger Stab ist insbesondere dann einem ringförmigen Element zugehörig, wenn dieser über eine Aufnahme mit diesem ringförmigen Element verbunden ist. Durch das dritte elektrisch leitfähige Segment können einzelne Spulen, welche durch unterschiedliche obere ringförmige Elemente, untere ringförmige Elemente und elektrisch leitfähige Stäbe gebildet werden, miteinander gekoppelt werden.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Spulen des Stators ausschließlich aus einer Vielzahl erster Segmente, einer Vielzahl zweiter Segmente, zumindest einem dritten elektrisch leitenden Segment und einer Vielzahl elektrisch leitfähiger Stäbe zusammengesetzt ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn zumindest einer der elektrisch leitfähigen Stäbe eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist. Die elektrisch isolierende Beschichtung ist insbesondere eine Keramikbeschichtung. Dabei weisen die elektrisch leitfähigen Stäbe insbesondere nur dort eine elektrisch isolierende Beschichtung auf, wo diese nicht mit einem der ringförmigen Elemente, insbesondere einem der elektrisch leitfähigen Segmente, in Kontakt stehen. Durch die isolierende Beschichtung wird eine kompakte Anordnung der elektrisch leitfähigen Stäbe ermöglicht, ohne dass es zu Spannungsübersprüngen zwischen den einzelnen Stäben kommt. Die Aufnahmen ermöglichen eine besonders einfache Herstellung des Stators, da einzelne Komponenten auf einfache Weise zusammengesetzt werden können. Auf diese Weise können die elektrisch leitfähigen Stäbe besonders dicht zueinander angeordnet werden.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Stator ferner ein zweites oberes ringförmiges Element, ein zweites unteres ringförmiges Element sowie eine zweite Vielzahl von elektrisch leitfähigen Stäben umfasst. Das zweite obere ringförmige Element ist auf der ersten Seite des Stators angeordnet und umläuft den Innenbereich, der dazu eingerichtet ist, den Rotor des Elektromotors darin anzuordnen. Das zweite untere ringförmige Element ist auf der zweiten Seite des Stators angeordnet, die der ersten Seite des Stators gegenüberliegt. Dabei ist das erste obere ringförmige Element auf dem zweiten oberen ringförmigen Element angeordnet und das erste untere ringförmige Element auf dem zweiten unteren ringförmigen Element angeordnet. Die zweite Vielzahl von elektrisch leitfähigen Stäben verbindet das zweite obere ringförmige Element mit dem zweiten unteren ringförmigen Element. Auf diese Weise wird eine zusätzliche Spulenwindung für den Stator geschaffen, die für eine zweite Phase des Stators benötigt wird. Das zweite obere ringförmige Element kann alle Merkmale aufweisen, die auch für das erste obere ringförmige Element vorteilhaft sind. Selbiges gilt für das zweite untere ringförmige Element sowie für die zweite Vielzahl von elektrisch leitfähigen Stäben.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Stator für einen Betrieb mit einer vorgegebenen Anzahl von Phasen ausgelegt ist und der Stator eine entsprechende Anzahl von oberen ringförmigen Elementen und eine entsprechende Anzahl von unteren ringförmigen Elementen aufweist. So weist ein dreiphasiger Stator bspw. drei obere ringförmige Elemente und drei untere ringförmige Elemente auf, die jeweils durch eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Stäben miteinander verbunden sind.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnungen im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines modular aufgebauter Stators für einen Elektromotor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften ersten Segments,
- 3 eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften zweiten Segments,
- 4 eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften elektrisch leitfähigen Stabs,
- 5 eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften dritten Segments, und
- 6 ein Schaltbild, welches die elektrischen Verbindungen der einzelnen Elemente des Stators gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung illustriert.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen modular aufgebauten Stator 10 für einen Elektromotor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Stator 10 ist für einen Einsatz in einem Elektromotor oder einem Generator geeignet. Der Stator 10 weist im Wesentlichen einen ringförmigen Aufbau auf. Dabei umläuft der Stator einen Innenbereich 13, welcher dazu eingerichtet ist, einen Rotor des Elektromotors oder Generators in diesem anzuordnen. In dieser ersten Ausführungsform wird ein Stator für einen Synchronmotor beschrieben.
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Der Stator weist ein erstes oberes ringförmiges Element 20, ein zweites oberes ringförmiges Element 30 und ein drittes oberes ringförmiges Element 40 auf. Der Stator 10 weist ferner ein erstes unteres ringförmiges Element 21, ein zweites unteres ringförmiges Element 31 und ein drittes unteres ringförmiges Element 41 auf. Die oberen ringförmigen Elemente 20, 30, 40 sind auf einer ersten Seite 11 des Stators 10 angeordnet. Die unteren ringförmigen Elemente 21, 31, 41 sind auf einer zweiten Seite 12 des Stators 10 angeordnet. Die erste Seite 11 und die zweite Seite 12 sind gegenüberliegende Seiten des Stators 10. Dabei können die erste Seite 11 und die zweite Seite 12 des Stators 10 auch als Seiten einer Achse des Stators und somit einer Drehachse des Elektromotors, in welchem der Stator 10 eingesetzt wird, betrachtet werden. Diese Achse wird von den jedem der oberen ringförmigen Elemente 20, 30, 40 sowie jedem der unteren ringförmigen Elemente 21, 31, 41 umlaufen.
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Das erste obere ringförmige Element 20 liegt auf dem zweiten oberen ringförmigen Element 30 auf. Das zweite obere ringförmige Element 30 liegt auf dem dritten oberen ringförmigen Element 40 auf. Dabei umlaufen die oberen ringförmigen Elemente 20, 30, 40 gemeinsam die Achse des Stators 10. In dieser ersten Ausführungsform weisen die oberen ringförmigen Elemente 20, 30, 40 einen gemeinsamen Flächenschwerpunkt auf und schließen an einem äußeren Umfang bündig miteinander ab.
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Das erste untere ringförmige Element 21 liegt auf dem zweiten unteren ringförmigen Element 31 auf. Das zweite untere ringförmige Element 31 liegt auf dem dritten unteren ringförmigen Element 41 auf. Die unteren ringförmigen Elemente 21, 31, 41 umlaufen gemeinsam die Achse des Stators 10. Dabei weisen die unteren ringförmigen Elemente 21, 31, 41 insbesondere einen gemeinsamen Flächenschwerpunkt auf und schließen insbesondere an einem äußeren Umfang bündig miteinander ab.
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Das erste obere ringförmige Element 20 ist durch eine erste Vielzahl 22 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 mit dem ersten unteren ringförmigen Element 21 verbunden. Das bedeutet, dass das erste obere ringförmige Element 20 durch die erste Vielzahl 22 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 mit dem ersten unteren ringförmigen Element 21 mechanisch und elektrisch leitfähig verbunden ist.
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Das zweite obere ringförmige Element 30 ist durch eine zweite Vielzahl 32 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 mit dem zweiten unteren ringförmigen Element 31 verbunden. Das bedeutet, dass das zweite obere ringförmige Element 30 durch die zweite Vielzahl 32 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 mit dem zweiten unteren ringförmigen Element 31 mechanisch und elektrisch leitfähig verbunden ist.
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Das dritte obere ringförmige Element 40 ist durch eine dritte Vielzahl 42 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 mit dem dritten unteren ringförmigen Element 41 verbunden. Das bedeutet, dass das dritte obere ringförmige Element 40 durch die dritte Vielzahl 42 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 mit dem dritten unteren ringförmigen Element 41 mechanisch und elektrisch leitfähig verbunden ist.
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Jeder der elektrisch leitfähigen Stäben 50 ist in dieser ersten Ausführungsform ein gestanzter Kupferstab.
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Der Stator 10 lässt sich entlang seinem Umfang in eine Vielzahl von Abschnitten 14 gleicher Größe unterteilen. In entsprechender Weise werden bei einer solchen Aufteilung auch die oberen und unteren ringförmigen Elemente 20, 30, 40, 21, 31, 41 in diese Abschnitte unterteilt.
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In jedem der Abschnitte 14 besteht eine Verbindung zwischen dem ersten oberen ringförmigen Element 20 und dem ersten unteren ringförmigen Element 21 mittels zweier elektrisch leitfähiger Stäbe 23, 24 aus der ersten Vielzahl 22 elektrisch leitfähiger Stäbe 50. Dabei ist einer der elektrisch leitfähigen Stäbe 50 näher an der Achse des Stators 10 angeordnet. Dieser wird als innerer elektrisch leitfähiger Stab 23 bezeichnet. Entsprechend ist der zweite dieser elektrisch leitfähigen Stäbe 50 näher an einem äußeren Umfang des Stators 10 angeordnet. Dieser wird als äußerer elektrisch leitfähiger Stab 24 bezeichnet.
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In jedem der Abschnitte 14 besteht eine Verbindung zwischen dem zweiten oberen ringförmigen Element 30 und dem zweiten unteren ringförmigen Element 31 mittels zweier elektrisch leitfähiger Stäbe 33, 34 aus der zweiten Vielzahl 32 elektrisch leitfähiger Stäbe 50. Dabei ist einer der elektrisch leitfähigen Stäbe 50 näher an der Achse des Stators 10 angeordnet. Dieser wird als innerer elektrisch leitfähiger Stab 33 bezeichnet. Entsprechend ist der zweite dieser elektrisch leitfähigen Stäbe 50 näher an einem äußeren Umfang des Stators 10 angeordnet. Dieser wird als äußerer elektrisch leitfähiger Stab 34 bezeichnet.
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In jedem der Abschnitte 14 besteht eine Verbindung zwischen dem dritten oberen ringförmigen Element 40 und dem dritten unteren ringförmigen Element 41 mittels zweier elektrisch leitfähiger Stäbe 43, 44 aus der dritten Vielzahl 42 elektrisch leitfähiger Stäbe 50. Dabei ist einer der elektrisch leitfähigen Stäbe 50 näher an der Achse des Stators 10 angeordnet. Dieser wird als innerer elektrisch leitfähiger Stab 43 bezeichnet. Entsprechend ist der zweite dieser elektrisch leitfähigen Stäbe 50 näher an einem äußeren Umfang des Stators 10 angeordnet. Dieser wird als äußerer elektrisch leitfähiger Stab 44 bezeichnet.
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Die inneren elektrisch leitfähigen Stäbe 23, 33, 43 liegen auf einer gemeinsamen Kreisbahn, welche die Achse des Stators 10 umläuft. Die äußeren elektrisch leitfähigen Stäbe 24, 34, 44 liegen auf einer gemeinsamen Kreisbahn, welche die Achse des Stators 10 umläuft. Dabei ist ein Radius der äußeren Kreisbahn größer als ein Radius der inneren Kreisbahn.
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Das zweite obere ringförmige Element 30 und das dritte obere ringförmige Element 40 sind im Wesentlichen baugleich zu dem ersten oberen ringförmigen Element 20. Das zweite untere ringförmige Element 31 und das dritte untere ringförmige Element 41 sind im Wesentlichen baugleich zu dem ersten unteren ringförmigen Element 21. Die Anordnung der zweiten Vielzahl 32 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 zwischen dem zweiten oberen ringförmigen Element 30 und dem zweiten unteren ringförmigen Element 31 entspricht im Wesentlichen einer Anordnung der ersten Vielzahl 22 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 zwischen dem ersten oberen ringförmigen Element 20 und dem ersten unteren ringförmigen Element 21. Die Anordnung der dritten Vielzahl 42 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 zwischen dem dritten oberen ringförmigen Element 40 und dem dritten unteren ringförmigen Element 41 entspricht im Wesentlichen einer Anordnung der ersten Vielzahl 22 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 zwischen dem ersten oberen ringförmigen Element 20 und dem ersten unteren ringförmigen Element 21.
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Der Einfachheit halber wird daher im Folgenden lediglich ein Aufbau des ersten oberen ringförmigen Elements 20, des ersten unteren ringförmigen Elements 21 sowie die Anordnung der ersten Vielzahl 22 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 beschrieben. Das zweite obere ringförmige Elements 30, das zweite untere ringförmige Elements 31 und die zweite Vielzahl 32 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 ist entsprechend miteinander verbunden. Das dritte obere ringförmige Elements 40, das dritte untere ringförmige Elements 41 und die dritte Vielzahl 42 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 ist ebenfalls entsprechend miteinander verbunden.
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Das erste obere ringförmige Element 20 und das erste untere ringförmige Element 21 umfasst jeweils eine Vielzahl einzelner elektrisch leitender Segmente 51, 52. Zwischen den elektrisch leitfähigen Segmenten 51, 52 besteht keine direkte elektrisch leitfähige Verbindung. Es besteht jedoch eine elektrisch leitfähige Verbindung über elektrisch leitfähige Stäbe 50 der ersten Vielzahl 22 von elektrisch leitfähigen Stäben 50.
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Das erste obere ringförmige Element 20 ist aus mehreren ersten Segmenten 51 und einem zweiten Segment 52 zusammengesetzt. Die ersten Segmente 51 und das zweite Segment 52 sind derart geformt, dass diese passgenau ineinander greifen und zusammen das erste obere ringförmige Element 20 bilden. Dabei weist jedes der ersten Segmente 51 und auch das zweite Segment 52 jeweils zwei Aufnahmen 54, 55, 57, 58 auf, wobei in jeder der Aufnahmen 54, 55, 57, 58 jeweils ein Ende eines der elektrisch leitfähigen Stäbe 50 aus der ersten Vielzahl 22 der elektrisch leitfähigen Stäbe 50 eingeführt ist, und dort mit dem jeweiligen elektrisch leitfähigen Segment 51, 52 verschweißt ist.
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Ein erstes Segment 51 ist in 2 dargestellt. Das erste Segment 51 weist eine erste Aufnahme 54 und eine zweite Aufnahme 55 auf. Ferner weist das erste Segment 51 eine Seitenfläche 56 auf. Wird das erste Segment 51 mit einer entsprechenden Anzahl weiterer elektrisch leitfähiger Segmente 51, 52 zusammengesetzt, so ergibt sich aus den Seitenflächen 56 aller elektrisch leitfähiger Segmente 51, 52 der äußere Umfang des ersten oberen ringförmigen Elements 20. Werden zwei der ersten Segmente 51 nebeneinander angeordnet, so kommt die erste Aufnahme 54 eines dieser ersten Segmente 51 neben der zweiten Aufnahme 55 des angrenzenden ersten Segmentes 51 zu liegen. Dabei sind die erste Aufnahme 54 und die zweite Aufnahme 55 der beiden unterschiedlichen ersten Segmente 51 auf einer Radiuslinie des ersten oberen ringförmigen Elementes 20 gelegen und weisen somit einen unterschiedlichen Abstand zu der Achse des Stators auf.
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Ein zweites Segment 52 ist in 2 dargestellt. Das zweite Segment 52 weist eine erste Aufnahme 57 und eine zweite Aufnahme 58 auf. Ferner weist das zweite Segment 52, wie auch das erste Segment 51, eine Seitenfläche 56 auf. Wird das zweite Segment 51 mit einer entsprechenden Anzahl weiterer elektrisch leitfähiger Segmente 51, 52 zusammengesetzt, so ergibt sich aus den Seitenflächen 56 aller elektrisch leitfähiger Segmente 51, 52 der äußere Umfang des ersten oberen ringförmigen Elements 20. Wird das zweite Segment 52 zwischen zwei der ersten Segmente 51 angeordnet, so kommt die erste Aufnahme 54 eines dieser ersten Segmente 51 neben der zweiten Aufnahme 58 des angrenzenden zweiten Segmentes 51 zu liegen. Dabei weisen die erste Aufnahme 54 und die zweite Aufnahme 55 einen gleichen Abstand zu der Achse des Stators 10 auf. Ferner kommt die zweite Aufnahme 55 eines anderen ersten Segmentes 51 neben der ersten Aufnahme 57 des angrenzenden zweiten Segmentes 51 zu liegen. Dabei sind die erste Aufnahme 54 des ersten Segmentes 51 und die zweite Aufnahme 58 des zweiten Segmentes 52 auf einer Radiuslinie des ersten oberen ringförmigen Elementes 20 gelegen und weisen somit einen unterschiedlichen Abstand zu der Achse des Stators auf.
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3 zeigt einen beispielhaften elektrisch leitfähigen Stab 50. Der elektrisch leitfähige Stab 50 weist an seinem oberen Ende eine erste Verjüngung 57 und weist an seinem unteren Ende eine zweite Verjüngung 58 auf. Die obere Verjüngung 57 ist dabei in der Art geformt, dass diese in eine der Aufnahmen 54, 55 der elektrisch leitfähigen Segmente 51, 52, 53 passgenau eingefügt werden kann. Selbiges gilt für die zweite Verjüngung 52.
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Abseits der ersten Verjüngung 57 und der zweiten Verjüngung 58 ist der elektrisch leitfähige Stab 50 mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung beschichtet. Diese ist in dieser ersten Ausführungsform eine keramische Beschichtung. In jede der Aufnahmen 54, 55, 57, 58 der Segmente 51, 52 des ersten oberen ringförmigen Elementes 20 ist jeweils ein elektrisch leitfähiger Stab 50 eingesetzt. Diese Stäbe 50 ergeben zusammen die erste Vielzahl 22 von elektrisch leitfähigen Stäben 50.
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Das erste Segment 51 und das zweite Segment 52 sind ebenfalls mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung beschichtet. Dabei weisen diese keine elektrisch isolierende Beschichtung in den Aufnahmen 54, 55, 57, 58 auf. Es besteht somit eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem jeweiligen Segment 51, 52 und den über die Aufnahmen 54, 55, 57, 58 damit verbundenen elektrisch leitfähigen Stäben 50.
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Das erste untere ringförmige Element 21 ist aus einer Vielzahl der ersten Segmente 51 zusammengesetzt. Diese sind im Wesentlichen so angeordnet, wie auch die ersten Segmente 51 des ersten oberen ringförmigen Elementes 20 zueinander angeordnet sind. Dabei umfasst das erste untere ringförmige Element 21 jedoch kein zweites Segment 52.
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Die erste Aufnahme 54 des ersten Segments 51 weist einen geringeren Abstand zu der Seitenfläche 56 auf, als die zweite Aufnahme 55. Somit ergibt sich, wenn zwei der elektrisch leitfähigen Stäbe 50 über die erste und zweite Aufnahme 54, 55 mit diesem ersten Segment 51 verbunden sind, dass einer der elektrisch leitfähigen Stäbe 50 näher an einem Zentrum des ersten oberen ringförmigen Elements 21, 22 und somit an einer Achse des Stators 10 angeordnet ist, als der andere der elektrisch leitfähigen Stäbe 50. Die erste Vielzahl 22 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 lässt sich somit in innere elektrisch leitfähige Stäbe 23 und äußere elektrisch leitfähige Stäbe 24 unterteilen. Dabei wird jeweils ein innerer elektrisch leitfähiger Stab 23 mit einem äußeren elektrisch leitfähigen Stab 24 über eines der ersten Segmente 51 verbunden. Dabei wird jeweils ein innerer elektrisch leitfähiger Stab 23 mit einem äußeren elektrisch leitfähigen Stab 24 eines benachbarten Abschnitts 14 des ersten oberen ringförmigen Elements 20 verbunden. Dies gilt in gleicher Weise für das erste untere ringförmige Element 21. Durch das zweite Segment 52 wird ein äußerer elektrisch leitfähiger Stab 24 mit einem weiteren äußeren elektrisch leitfähigen Stab 24 verbunden, der in einem benachbarten Abschnitt 14 angeordnet ist.
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Wie eingangs beschrieben, sind das erste bis dritte obere ringförmige Element 20, 30, 40 aufeinander gelegen. Selbiges gilt für das erste bis dritte untere ringförmige Element 21, 31, 41. Dabei sind die oberen ringförmigen Elemente 20, 30, 40 jedoch derart gegeneinander verdreht, dass in jedem Abschnitt 14 ein innerer elektrisch leitfähiger Stab 23 und ein äußerer elektrisch leitfähiger Stab 24 von jeder der Vielzahl 22, 32, 42 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 angeordnet ist.
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Auf dem ersten oberen ringförmigen Element 20 ist ferner ein drittes elektrisch leitendes Segment 53 angeordnet. Das dritte Segment 53 ist dazu eingerichtet, mehrere elektrisch leitfähige Stäbe 50 miteinander zu verbinden, die jeweils einem anderen oberen ringförmigen Element 20, 30, 40 oder einem jeweils anderen unteren ringförmigen Element zugehörig sind. Das dritte Segment 53 stellt somit eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der ersten, der zweiten und der dritten Vielzahl 22, 32, 42 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 her.
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Das dritte elektrisch leitende Segment 53 ist beispielhaft in 5 dargestellt. Das dritte Segment 53 ist ebenfalls mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung beschichtet. Diese ist in dieser ersten Ausführungsform eine keramische Beschichtung. Da der in dieser ersten Ausführungsform beschriebene Stator 10 eine erste, eine zweite und eine dritte Vielzahl 22, 32, 42 elektrisch leitfähiger Stäbe 50 aufweist, weist das dritte elektrisch leitfähige Segment 53 drei Aufnahmen 59 auf, welche dazu geeignet sind, die Enden dreier innerer elektrisch leitfähige Stäbe 23, 33, 43, wobei jeweils einer dieser innerer elektrisch leitfähige Stäbe 23, 33, 43 der ersten Vielzahl 22 der elektrisch leitfähiger Stäbe 50 zugehörig ist, einer dieser innerer elektrisch leitfähige Stäbe 23, 33, 43 der zweiten Vielzahl 32 der elektrisch leitfähiger Stäbe 50 zugehörig ist und einer dieser innerer elektrisch leitfähige Stäbe 23, 33, 43 der dritten Vielzahl 42 der elektrisch leitfähiger Stäbe 50 zugehörig ist.
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Die entsprechenden elektrisch leitfähigen Stäbe weisen dazu eine entsprechende Länge auf, sodass diese sich von dem jeweiligen unteren ringförmigen Element 21, 31, 41 bis zu dem dritten Segment 53 erstrecken.
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Aus der zuvor beschriebenen Anordnung aller elektrisch leitfähigen Segmente 51, 52, 53 und der elektrisch leitfähigen Stäben 50 ergibt sich eine elektrische Verbindung unter den einzelnen Segmenten und den elektrisch leitfähigen Stäben 50, welche in ihrer Gesamtheit in 6 dargestellt ist.
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Da der Stator 10 die Form eines Ringes aufweist, der an seinen Enden geschlossen ist, ist das entsprechende in 6 dargestellte Schaltbild in eine Ebene projiziert. Die Verbindungsstelle 70, an welcher sich der Ring schließt, ist somit zweifach dargestellt.
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In 6 ist die erste Vielzahl 22 von elektrisch leitfähigen Stäben 50, die zweite Vielzahl 32 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 und die dritte Vielzahl 42 von elektrisch leitfähigen Stäben 50 dargestellt. Dabei sind die inneren elektrisch leitfähigen Stäbe 23, 33, 43 mit einer durchgezogenen Linie und die äußeren elektrisch leitfähigen Stäbe 24, 34, 44 mit einer gestrichelten Linie dargestellt. In einem ersten Bereich 71, in 6 oben gelegen, werden die durch das erste bis dritte untere ringförmige Element 21, 31, 41 gebildeten Verbindungen dargestellt. In einem zweiten Bereich 72, in 6 unten gelegen, werden die durch das erste bis dritte oberen ringförmige Element 20, 30, 40 dargestellten Verbindungen dargestellt. Für die unteren ringförmigen Elemente 21, 31, 41 ist es ersichtlich, dass jeweils ein innerer elektrisch leitfähiger Stab mit einem äußeren elektrisch leitfähigen Stab eines benachbarten Abschnittes 14 gekoppelt ist. Jede diese Verbindungen wird durch ein Segment 51 gebildet. Für den zweiten Bereich 72 ist dies in entsprechender Weise gültig. Da in den oberen ringförmigen Elementen jedoch jeweils ein zweites Segment 52 angeordnet ist, sind die mit diesem zweiten Segment 52 verbundenen äußeren elektrisch leitfähigen Stäbe 24, 34, 44 jedoch an einer Stelle mit einem weiteren äußeren elektrisch leitfähigen Stab 24, 34, 44 eines benachbarten Abschnittes 14 verbunden.
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Ferner weist der Stator 10 in dem zweiten Bereich 72 der oberen ringförmigen Elemente 20 einen Bereich auf, in dem das dritte Segment 53 auf dem ersten oberen ringförmigen Element 20 angeordnet ist. In diesem Bereich sind zum einen drei der inneren elektrisch leitfähigen Stäbe 23, 33, 43, welche mit unterschiedlichen unteren ringförmigen Elementen 21, 31, 41 verbunden sind, elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Ferner sind an dieser Stelle drei innere elektrisch leitfähige Stäbe 23, 33, 43, mit vergrößerter Länge angeordnet, welche eine Kontaktierung der durch die elektrisch leitfähigen Segmente 51, 52, 53 und die elektrisch leitfähigen Stäbe 50 gebildeten Statorwindungen ermöglicht.
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Die Spulen des Stators 10 werden somit aus den zuvor beschriebenen elektrisch leitfähigen Segmente 51, 52, 53 und elektrisch leitfähigen Stäben 50 gebildet, ohne dass dafür eine Wicklung von Drähten notwendig ist. Ein solcher Stator 10 lässt sich auf einfache Weise aus den einzelnen Elementen zusammensetzen, wodurch der modulare Aufbau, ähnlich bei einem Baukasten, geschaffen wird. Es wird somit ermöglicht, die einzelnen Elemente des Stators 10 vorzufertigen, bspw. durch Laserschneiden von Kupferelementen oder durch Stanzen dieser Elemente, wodurch der Herstellungsprozess vereinfacht wird, schneller ist und somit auch ökonomischer ist.
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In der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform wird ein dreiphasiger Stator 10 beschrieben. Der Stator 10 des Elektromotors ist somit für einen Betrieb mit einer vorgegebenen Anzahl von Phasen, hier drei Phasen, ausgelegt. Der Stator 10 weist daher eine entsprechende Anzahl von oberen ringförmigen Elementen 20, 30, 40 und eine entsprechende Anzahl von unteren ringförmigen Elementen 21, 31, 41 auf.
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Eine elektrische Isolierung zwischen den elektrisch leitfähigen Segmenten 51, 52, 53 wird in dieser ersten Ausführungsform durch eine Beschichtung geschaffen. Weitere Isolierungen, bspw. aufseiten des Rotors und zu dem Rotor des Elektromotors oder Generators können durch zusätzliche Papier- oder Kartonschichten geschaffen werden.
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Jeder der elektrisch leitfähigen Stäbe 50 und jedes der elektrisch leitfähigen Segmente 51, 52, 53 kann bevorzugt durch Widerstandsschweißen mit den damit verbundenen Komponenten verbunden werden. Alternativ, falls die elektrisch leitfähigen Segmente 51, 52, 53 die Aufnahmen 54, 55, 57, 58, 59 aufweisen, kann die Anordnung weiter vereinfacht werden, wobei die elektrisch leitfähigen Stäbe 50 und die zugehörigen elektrisch leitfähigen Segmente 51, 52, 53 mittels Laserschweißen miteinander verbunden werden.
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Es wird somit ermöglicht, dass einzelne Komponenten des modular aufgebauten Stators 10 vorgefertigt werden und mittels eines einfachen Verfahrens zusammengesetzt werden können. Ein solches Verfahren umfasst dann ein Beschichten der einzelnen Elemente mit einem keramikartigen Beschichtungsmaterial, ein Zusammensetzen der einzelnen Elemente und ein Verschweißen der einzelnen Elemente. Dabei ist es bevorzugt ausreichend, wenn die einzelnen Elemente nur dort miteinander verschweißt werden, wo auch eine elektrisch leitfähige Verbindung bestehen soll.
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Nebst obenstehender Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der 1 bis 6 verwiesen.
