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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Elektromotoren und insbesondere auf Statoren für solche Elektromotoren.
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Die
EP 2 549 113 A2 offenbart einen magnetischen Rotor und eine Rotationspumpe mit einem magnetischen Rotor. Der Rotor ist zum Fördern eines Fluids in einem Pumpengehäuse innerhalb eines Stators der Rotationspumpe magnetisch berührungslos antreibbar und lagerbar. Außerdem ist der Rotor mittels einer äußeren Verkapselung, die einen fluorierten Kohlenwasserstoff aufweist, gekapselt. Innerhalb der Verkapselung umfasst der Rotor einen von einem Metallmantel ummantelten Permanentmagneten. Die Rotationspumpe umfasst ein Pumpengehäuse mit einem Einlass zum Zuführen eines Fluids und einem Auslass zum Abführen des Fluids. Das Fluid ist zum Beispiel eine chemisch aggressive Säure mit einem Anteil eines Gases, z. B. Schwefelsäure mit Ozon. Zur Förderung des Fluids ist im Pumpengehäuse ein magnetischer Rotor berührungslos magnetisch gelagert. Der Rotor ist ferner mit einem magnetischen Antrieb versehen, der elektrische Spulen aufweist. Der Stator ist mit geblechtem Eisen ausgebildet, das mit dem Permanentmagneten des Rotors in magnetischer Wirkverbindung steht. Der Antrieb ist als lagerloser Motor ausgebildet, bei dem der Stator gleichzeitig als Lagerstator und Antriebsstator ausgestaltet ist. Der Rotor ist als Scheibenläufer ausgebildet, wobei die axiale Höhe des Rotors kleiner oder gleich einem halben Durchmesser des Rotors ist.
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Die Dissertation ETH Nr. 12870, „Der lagerlose Scheibenmotor“, N. Barletta, 1998, offenbart magnetgelagerte Scheibenmotoren. Magnetlager arbeiten vollständig berührungs-, verschleiß-, wartungs- und schmiermittelfrei. Zur aktiven Stabilisierung eines Freiheitsgrades werden zwei regelbare Elektromagnete inklusive elektronischer Ansteuerung benötigt. Der lagerlose Scheibenmotor wird innerhalb einer lagerlosen Blutpumpe als lagerloser Scheibenmotor mit aktivem Axiallager, als Miniatur-Scheibenmotor, oder als lagerloser Bioreaktor eingesetzt. Durch eine Kombination von passiven Reluktanzmagnetlagern und lagerlosem Motor ist es möglich, einen Scheibenrotor mit nur zwei aktiv stabilisierten radialen Freiheitsgraden vollständig zu lagern. Anforderungen nach einem großen Luftspalt, welcher in hermetischen Systemen nötig ist, werden durch die Wahl eines lagerlosen permanentmagnetisch erregten Synchronmotors erfüllt. Ein lagerloser Scheibenmotor, der zum Antrieb einer Axialpumpe zur Herzunterstützung geeignet ist, ist für Drehzahlen von 30.000 Umdrehungen pro Minute ausgelegt, was zu einer kleineren Baugröße führt.
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Kommerzielle elektrische Scheibenmotoren sind auch unter der Bezeichnung „Pan Cake-Motor“ („Pfannkuchenmotor“) bekannt. Das in den beiden vorhergehenden Referenzen dargestellte Motorkonzept zeichnet sich dadurch aus, dass sich der Stator um den Rotor herum erstreckt. Solche Motoren werden auch als Innenläufer bezeichnet.
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Bei dem Innenläuferkonzept existiert die Problematik, dass der Stator immer größer als der Rotor sein muss, dass also die Größe und die Ausbildung des Rotors immer durch das Statorgehäuse begrenzt ist bzw. dass der Rotor die Ausbildung des Stators dominiert. Damit ist das Einsatzgebiet eines solchen Scheibenmotors, der als Innenläufer ausgebildet ist, begrenzt.
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Darüber hinaus ist bei Scheibenmotoren grundsätzlich die Problematik vorhanden, dass der Rotor, unabhängig davon, ob er als Innenläufer oder Außenläufer konzipiert ist, Druckdifferenzen bzw. Drücken in bestimmten Richtungen ausgesetzt ist. Diese Drücke führen dazu, dass ein Lager in der Richtung des Drucks, der auf den Rotor wirkt, belastet wird, und damit ein Verschleiß erhöht wird, bzw. dass dann, wenn eine Auslenkung des Rotors erlaubt wird, der Rotor in dieser Richtung ausgelenkt wird und damit Spielräume für diese Auslenkung bereitgestellt werden müssen. Insbesondere dann, wenn die Pumpe eingesetzt wird, um ein Medium von einem Druckgebiet mit einem ersten Druck auf ein Druckgebiet mit einem zweiten Druck zu pumpen, bzw. um überhaupt eine solche Druckdifferenz zu erzeugen, müssen aufwändige konstruktive Maßnahmen getroffen werden, um entweder eine geforderte Verschleißfestigkeit zu erreichen, oder um einen Spielraum für eine auftretende Auslenkung bereitzustellen.
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Je kleiner die Motoren werden und je dichter die Motoren gepackt werden sollen, d. h. je näher beieinander die einzelnen Polfüße und Spulen um die Polfüße angeordnet werden sollen, umso problematischer wird die Frage, wie die einzelnen Motoren bzw. die Wicklungen im Stator hergestellt werden können. Einerseits möchte man sehr viele Spulen auf sehr kleinem Raum haben. Außerdem müssen sämtliche Statorkonzepte, auch wenn sie noch so dicht gepackt sind, irgendwann einmal im Herstellungsprozess mit Spulen versehen werden, also gewickelt werden.
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Die
JP 2001 -
119 874 A offenbart einen Stator einer rotierenden elektrischen Maschine. Ein Statorkern wird in einen ringförmigen Jochabschnitt und einen strahlenradförmigen Magnetpol-Teil aufgeteilt. Insbesondere ist ein Verbindungsteil, das das Strahlenrad mit dem Jochteil verbindet, mit Kurzschlussspulenwicklungen versehen.
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Die
CN 202 888 986 U offenbart einen Statorkern, der aus einer Mehrzahl von Statorkerneinheiten besteht, die auf einer Statornabe durch Befestigungselemente befestigt sind. Die Kerneinheit bildet einen Magnetpol. Ferner sind Kühlungsabschnitte vorgesehen.
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Die
US 2006 / 0 071 114 A1 offenbart ein Statorkernwicklungsgerät, das durchgehend Wicklungen auf jedem einzelnen eines entsprechend aufgeteilten Kernelements eines einzigen Statorkerns erzeugen kann. Insbesondere hat jeder einzelne Statorkern schmale Zwischenräume zwischen großen Klauen benachbarter Kernelemente.
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Die
DE 100 22 146 A1 offenbart einen Ständer mit Kühlrohren für eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine umfasst einen rotierenden Innenläufer. Der außenliegende Ständer umfasst ein Elektroblechpaket und eines oder mehrere mittels Vergießen angeordnete Kühlrohre, wobei das eine oder die mehreren Kühlrohre in einen oder mehrere durch Vergießen wärmeleitenden Materials gebildete Gusskörper eingebettet sind.
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Nachteilig an Elektromotoren und insbesondere Elektromotoren, die in warmen Umgebungen betrieben werden oder aber eine hohe Leistung schaffen sollen, ist die allgegenwärtige Wärmeentwicklung. Hohe Temperaturen im Elektromotor beeinträchtigen zum einen die typischerweise am Rotor angeordneten Permanentmagneten. Wird also der Stator eines Motors zu warm, so überträgt sich die Wärme über den Motorspalt auf den Rotor und die dort vorhandenen Permanentmagnete mit allen damit verbundenen Problemen. Andererseits ist auch die Erwärmung des Stators selbst kritisch. Der Stator ist typischerweise mit Spulen versehen. Eine Erwärmung der Spulen kann zu einem hohen thermischen Stress führen. Dieser hohe thermische Stress in den Spulen kann auf längere Sicht zu einer Ermüdung der Spulendrahtisolation führen. Außerdem können Probleme bezüglich einer Delaminierung des Bleckkörpers, also des Statorkörpers, der aus einem Blechkörper besteht, auftreten. Außerdem können aufgrund erhöhter Temperaturen oder hohem thermischen Dauerstress Verformungen bzw. Verwerfungen im Stator dazu führen, dass der Motor nicht mehr so rund läuft, wie er laufen sollte bzw. könnte.
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Die
EP 1 385 252 B1 offenbart eine Maschine mit einem Stator, der einen laminierten Kern mit einem Blechstapel mit einer zentralen gestanzten Öffnung und hinterschnittenen Verankerungseinheiten um die Öffnung herum umfasst. In die Öffnung ist ein Nabe eingegossen, so dass die Verankerungseinheiten teilweise in die Nabe eingebettet sind. Die Verankerungseinheiten sind ein Bestandteil der Stanzteile und werden als Haken geformt, die in die Öffnung hineinragen.
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Die
EP 1 013 294 A1 offenbart eine Pumpe mit einem Rotor und einem Lager- und Antriebsstator, der ein Magnetlager für den Rotor und ein Pumpenrad bereitstellt und diesen antreibt, und mit dessen Unterstützung ein zu förderndes Medium vom Pumpeneinlass zu seinem Auslass transportiert wird. Der vom Lager- und Antriebsstator getragene und angetriebene Rotor und das Pumpenrad sind strukturell miteinander integriert, um einen einzelnen Pumpenrotor zu bilden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Konzept zum Kühlen eines Stators zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Stator für einen Elektromotor nach Patentanspruch 1,13 oder 15, ein Verfahren zum Herstellen eines Stators für einen Elektromotor nach Patentanspruch 22, 23 oder 24, einen Elektromotor nach Patentanspruch 17 oder eine Wärmepumpe nach Patentanspruch 20 oder 21 gelöst.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Stator für einen Elektromotor, der einen Statorkörper mit umliegend angeordneten Polfüßen aufweist, auf denen Spulen gewickelt werden können, am besten dadurch gekühlt werden kann, wenn in einem zentralen Bereich des Statorkörpers, an dem die umliegenden Polfüße angebracht sind, eine Bohrung ausgebildet wird, durch die ein Kühlrohr geführt wird, so dass das Kühlrohr in der Bohrung angeordnet ist und von einer Oberseite bzw. Unterseite des Statorkörpers vorsteht. Im zentralen Bereich des Statorkörpers mit umliegend angeordneten Polfüßen, wie er typischerweise für einen Außenläufer eingesetzt wird, verlaufen aufgrund der Feldlinienverteilung kaum oder keine magnetischen Feldlinien. Das Anbringen einer Bohrung im zentralen Bereich des Statorkörpers führt daher nicht zu einer problematischen Störung des Feldlinienverlaufs im Statorkörper. Darüber hinaus ist aufgrund des Feldlinienverlaufs auch die Wirbelstromdichte im zentralen Bereich nicht so hoch, dass die Bohrung zu einer erhöhten Wirbelstromverteilung und damit zu einem erhöhten Wärmeaufkommen im Statorkörper führen würde. Die Wirbelstromproblematik wird ferner dahin gehend weiter reduziert, dass der Statorkörper nicht als massiver Körper, sondern als Blechpaket mit einer hohen magnetischen Permeabilität ausgebildet wird.
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Dadurch, dass die Bohrung im zentralen Bereich angeordnet ist und ein von einer Oberseite bzw. Unterseite des Stators vorstehendes Kühlrohr in der Bohrung angeordnet wird, wird eine erhöhte Wärmeabfuhr vom Statorkörper erreicht. Das Kühlrohr kühlt entweder bereits aus sich selbst heraus. Es wird jedoch bevorzugt, das Kühlrohr von einem Kühlmedium durchfließen zu lassen, wie beispielsweise Wasser. Darüber hinaus wird es bevorzugt, zusätzlich zum Kühlrohr an dem Statorkörper Wärmeleitungselemente anzubringen, die typischerweise als Scheiben ausgebildet sind, die sich über den Statorkörper in dem Bereich erstrecken, an dem die Spulen nicht angeordnet sind, also in dem zentralen Bereich, an dem sich dann die Polfüße anschließen, um die die Spulen wickelbar sind. Vorzugsweise umfassen bzw. bedecken die Wärmeleitungselemente einen signifikanten Teil des Statorkörpers. Falls der Statorkörper kreisrund ausgebildet ist, sind die Wärmeleitungselemente vorzugsweise ebenfalls kreisrund ausgebildet und die Durchmesser der Wärmeleitungselemente sind zwischen 30% und 70% der Durchmesser des Statorkörpers einschließlich der Polfüße.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Kühlrohr abgedichtet zur Unterseite des Statorkörpers hin. Diese Abdichtung findet vorzugsweise durch das untere Wärmeleitungselement statt, das mit dem Kühlrohr flüssigkeitsdicht verbunden ist, beispielsweise durch Schweißen, Löten oder Kleben. Von der Oberseite, von der das Kühlrohr vorsteht, wird in das Kühlrohr bei einer Implementierung mit einer Rohr-in-Rohr-Konstruktion kühles Kühlwasser zugeführt und warmes Kühlwasser abgeführt. Alternativ kann das Kühlrohr jedoch auch als Heat-Pipe ausgebildet sein, die ein kühles Ende hat, das von dem Statorkörper entfernt ist, während das warme Ende der Heat-Pipe durch das Ende des Kühlrohrs im Statorkörper gebildet wird. Bezüglich der Materialien wird es bevorzugt, als Statorkörper ein Blechpaket mit hoher magnetischer Permeabilität, wie beispielsweise einer relativen Permeabilitätszahl von größer als 5000 zu nehmen. Ein solches Material hat einen schlechten Wärmeleitungskoeffizienten, typischerweise kleiner als 30. Dieser Nachteil wird jedoch durch das Kühlrohr und insbesondere durch die Wärmeleitungselemente ausgeglichen, welche vorzugsweise aus Aluminium gebildet sind, das einerseits leicht und andererseits preisgünstig ist und zusätzlich eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Bei anderen Alternativen kann das Kühlrohr bzw. das erste oder zweite Wärmeleitungselement aus anderen Materialien als Aluminium gebildet werden, wie beispielsweise Kupfer, Gold oder Silber. Ferner wird es bevorzugt, dass als Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit für das Kühlrohr aber auch besonders für die Wärmeleitungselemente ein nicht-magnetisches Material genommen wird, also ein Material mit einer magnetischen Permeabilität in der Nähe von 1, was ebenfalls wieder für Kupfer, Aluminium, Gold oder Silber zutrifft.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Kühlrohr darüber hinaus verwendet, um nicht nur den Statorkörper zu kühlen, sondern auch eine dem elektrischen Motor zugeordnete Elektronikbaugruppe, die vorzugsweise ebenfalls auf dem Kühlrohr aufgesetzt ist. Die Positionierung der Elektronikbaugruppe kann besonders günstig dadurch erreicht werden, dass das Kühlrohr mit einem abgestuften Querschnitt versehen wird, dahin gehend, dass der Durchmesser des Kühlrohrs in dem Statorkörper größer als der Durchmesser des Kühlrohrs an der Stelle ist, wo die Elektronikbaugruppe aufgesetzt wird, so dass die Elektronikbaugruppe auf dem Kühlrohr in dem richtigen Abstand zum Statorkörper angeordnet ist, und zwar vorzugsweise am besten durch einen Presssitz.
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Damit kann durch das Kühlrohr nicht nur der Statorkörper, sondern auch die Elektronikbaugruppe gekühlt werden, wobei hier, um eine ausreichende Kühlleistung zu schaffen, es bevorzugt wird, eine Rohr-in-Rohr-Konstruktion zu verwenden, wobei das Innenrohr mit kalter Kühlflüssigkeit gespeist wird und die durch die Verlustleistung des Statorkörpers bzw. der Elektronikbaugruppe aufgewärmte Flüssigkeit aus dem Zwischenraum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr entnommen wird und nach einer Kühlung durch ein Kühlaggregat wieder dem Zulauf für kalte Flüssigkeit zugeführt wird.
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Bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der elektrische Motor ein Scheibenmotor mit einer aktiven radialen Magnetlagerung des Rotors bezüglich des Stators und mit einer magnetisch passiven Lagerung des Rotors in axialer Richtung bezüglich der Drehachse des Rotors. Beim Scheibenmotor ist der Durchmesser des Stators/Rotors vorzugsweise größer als das Doppelte der Höhe des Stators bzw. Rotors.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Stator nicht einstückig gebildet, sondern aus zwei oder mehreren Statorelementen. Dann können die einzelnen Polfüße gut umwickelt werden, d. h. gut mit Spulen versehen werden, weil sie einen größeren Abstand voneinander haben im Vergleich zu einer Situation, bei der der Stator insgesamt einstückig ausgebildet ist. Andererseits wird jedoch jedes Statorelement so ausgebildet, dass es wenigstens zwei und vorzugsweise drei, vier oder fünf Polfüße insgesamt aufweist, die damit zueinander bereits durch die Herstellung selbst ausgerichtet sind, weil sie einstückig mit einem Verbindungsbereich auszubilden sind, der ebenfalls ein Teil eines Statorelements ist. Damit sind also bereits die Polfüße, die zu einem Statorelement gehören, zueinander optimal ausgerichtet. Wird jedoch ein Statorelement nicht einstückig mit den Polfüßen ausgebildet, sondern nach der Herstellung mit Polfüßen versehen, so können jedoch bereits die Polfüße eines Statorelements für sich optimal ausgerichtet werden. Die Statorelemente können im auseinandergebauten Zustand, also wenn sie nicht zusammengesteckt sind, dennoch günstig und effizient mit einer Spulenwicklung jeweils um einen Polfuß herum versehen werden, da die Abstände zwischen den einzelnen Polfüßen viel größer sind als in einem Vergleichsfall, bei dem ein Stator einstückig ausgebildet ist und sämtliche Polfüße nebeneinander angeordnet sind, bevor eine Wicklung durchgeführt werden würde.
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Hierauf, also nach der Wicklung einer Spule um jeden Polfuß werden die Statorelemente mit den bereits mit Spulen umwickelten Polfüßen zusammengefügt, und zwar so, dass ein Polfuß der ersten Gruppe zu einem Polfuß der zweiten Gruppe benachbart ist, und dass in einem Polfußzwischenraum zwischen den benachbarten Polfüßen ein Teil einer Spule, die um den Polfuß der ersten Gruppe gewickelt ist, und ein Teil einer weiteren Spule, die um den Polfuß der zweiten Gruppe gewickelt ist, angeordnet sind.
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Durch diese verschachtelte oder „Interleaving“-Anordnung wird sichergestellt, dass die Polfüße tatsächlich vor dem Zusammenfügen einen vergleichsweise großen Abstand haben, weil dann durch das Zusammenfügen, zwischen zwei Polfüßen eines Verbindungselements ein anderer Polfuß des anderen Verbindungselements eingefügt wird. Dieser Zwischenraum ist selbst bei relativ kleinen Statoren so groß, dass ohne Weiteres nicht nur eine freie Wicklung herum, also um die Polfüße herum gemacht werden kann, sondern dass sogar eine sogenannte orthozyklische Wicklung um jeden Polfuß herum gemacht werden kann. Diese orthozyklische Wicklung stellt sicher, dass ein optimaler Füllfaktor größer als 90 % erreicht werden kann.
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Damit wird durch die erfindungsgemäße Integration der Spulenwicklung in den Statorherstellungsprozess zum einen eine Möglichkeit geschaffen, optimale Wicklungen um die einzelnen Polfüße herum mit begrenztem Aufwand zu erzeugen, während andererseits sichergestellt wird, dass der Zusammenbauaufwand im Vergleich zu der Verwendung von jeweils für sich alleine umwickelten einzelnen Polfüßen stark reduziert ist. Die Bereitstellung von zwei oder vorzugsweise drei, vier oder sogar noch mehr Polfüßen pro Statorelement reduziert ferner den Ausrichtungsaufwand ganz erheblich, weil im Vergleich zum Einzelzusammenbau, wie es im Stand der Technik bekannt ist, lediglich zwei Statorelemente, von denen jedes mehrere Polfüße, die bereits mit Spulen umwickelt sind, aufweist, zueinander ausgerichtet werden müssen, während im Stand der Technik jeder einzelne Polfuß zu allen anderen Polfüßen ausgerichtet werden muss.
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Außerdem ist die gemeinsame Handhabung von mehreren Polfüßen bei der Wicklung und dem Zusammenbau besser handhabbar, wenn die Dimensionen des Stators bzw. des Elektromotors in Dimensionen im Dezimeterbereich liegen.
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Durch die Verwendung von Statorelementen mit Verbindungsbereichen einerseits und mehreren Polfüßen andererseits wird ferner vorzugsweise eine gewissermaßen automatische Ausrichtung der beiden Statorelemente erreicht, dahin gehend, dass die beiden Elemente formschlüssig ausgebildet werden, dass sie also bereits durch den Zusammenbau ausgerichtet werden und miteinander gewissermaßen „verklemmt“ sind, also dann, wenn sie zusammengebaut sind, nicht mehr „wackeln“. Damit wird ferner sichergestellt, dass die Statorelemente, die ja aus ferromagnetischen Blechstapeln bestehen, miteinander in guter Verbindung sind, derart, dass der magnetische Fluss durch den Spulenträger, der durch die beiden Statorelemente, wenn der Stator genau zwei Statorelemente aufweist, oder durch mehrere Statorelemente, wenn der Stator mehr als zwei Statorelemente aufweist, gebildet wird, günstig ist.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
- 1a eine Seitenansicht eines ersten Statorelements mit einem Verbindungsbereich und wenigstens zwei Polfüßen;
- 1b eine Querschnittsansicht durch ein Statorelement mit durchgeschnittenen Polfüßen und einer Draufsicht auf den Verbindungsbereich;
- 2 eine Draufsicht auf ein Statorelement mit vier Polfüßen mit jeweils aufgewickelten Spulen vor dem Zusammenbau;
- 3 eine Ansicht von zwei Statorelementen mit jeweils vier Polfüßen in auseinandergebautem Zustand;
- 4 eine perspektivische Darstellung der zwei Statorelemente von 3 in teilweise zusammengebautem Zustand, ohne dass Spulen aufgewickelt sind;
- 5a eine Draufsicht auf einen Stator mit zwei zusammengebauten Statorelementen, wobei jedoch keine Spulen aufgewickelt sind;
- 5b eine schematische Darstellung einer orthozyklischen Wicklung auf einem Polfuß;
- 6 ein Flussdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Stators;
- 7 eine schematische Darstellung eines Magnetlagers am Beispiel eines Innenläufers mit außenliegendem Stator und Permanentmagneten am innenliegenden Rotor;
- 8 einen schematischen Querschnitt durch eine Wärmepumpe mit einem Elektromotor, der den erfindungsgemäßen Stator aufweist;
- 9a einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel mit Kühlrohr;
- 9b ein zweites Ausführungsbeispiel mit Kühlrohr und unterem Wärmeleitungselement;
- 9c ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Kühlrohr und oberem Wärmeleitungselement;
- 9d ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Kühlrohr und oberem und unterem Wärmeleitungselement;
- 10 eine Schnittdarstellung durch ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Rohr-in-Rohr-Konstruktion und Elektronikbaugruppe;
- 11 eine Tabelle für Kennzahlen bestimmter Materialien;
- 12a eine Seitenansicht eines Statorkörpers von der Unterseite;
- 12b eine Seitenansicht des Statorkörpers von der Oberseite mit vorstehendem Kühlrohr; und
- 12c eine Seitenansicht mit oberem und unterem Wärmeleitungselement und vorstehendem Kühlrohr.
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9a bis 9d zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele für einen Stator für einen Elektromotor. Der Stator umfasst einen Statorkörper 90 mit umliegend angeordneten Polfüßen, wobei die Polfüße ausgebildet sind, um gewickelte Spulen zu halten.
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Ferner hat der Statorkörper einen zentralen Bereich, an dem die umlaufenden Polfüße angebracht sind, und in dem eine Bohrung 91 ausgebildet ist, wobei der zentrale Bereich eine Oberseite 91a und eine Unterseite 91b aufweist. Ferner ist ein Kühlrohr 92 angebracht, wobei das Kühlrohr 92 insbesondere in der Bohrung 91 angeordnet ist und von der Oberseite 91a oder der Unterseite 91b vorsteht. In 9a und den anderen Figuren steht das Kühlrohr 92 von der Oberseite 91a vor. Alternativ kann das Kühlrohr jedoch auch an der Unterseite vorstehen, je nachdem wie der Statorkörper eingebaut ist. Vorzugsweise ist die Unterseite des Rohrs geschlossen, also durch einen Rohrdeckel, der in 9a nicht eingezeichnet ist. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist an der Oberseite 91a oder der Unterseite 91b des zentralen Bereichs ein Wärmeleitungselement angeordnet, das den Statorkörper einerseits und das Kühlrohr andererseits berührt. In 9b ist ein unteres Wärmeleitungselement 93 gezeichnet, während in 9c ein oberes Wärmeleitungselement 94 dargestellt ist. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen, wie es insbesondere in 9d dargestellt ist, umfasst der Stator sowohl das untere Wärmeleitungselement 93 als auch das obere Wärmeleitungselement 94, welche beide mit dem Kühlrohr 92 verbunden sind, also das Kühlrohr 92 für eine gute Wärmeleitung berühren. Wie es insbesondere in 9d dargestellt ist, ist der Statorkörper 90 vorzugsweise als Blechpaket ausgebildet.
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9d zeigt ferner bei 92a Schweißnähte bzw. Lötverbindungen zwischen dem Kühlrohr 92 und dem unteren Wärmeleitungselement 93. Darüber hinaus ist in 9d bei 92b schematisch angezeichnet, dass die Dicke des oberen Wärmeleitungselements 94 zum Kühlrohr 92 hin vorzugsweise zunimmt. Das Wärmeleitungselement 94 hat zur Mitte hin immer mehr Wärme zu transportieren. Um die größere Menge an Wärme zu transportieren, die zur Mitte hin anfällt, wird es daher bevorzugt, das obere Wärmeleitungselement 94 zur Mitte hin dicker im Hinblick auf seine Materialdicke zu gestalten.
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Vorzugsweise ist das obere Wärmeleitungselement 94 als Ring ausgebildet, wobei die innere Bohrung im oberen Wärmeleitungselement so dimensioniert ist, dass sie zusammen mit dem äußeren Durchmesser des Kühlrohrs 92 eine Presspassung bildet. Damit ist das obere Wärmeleitungselement 94 fest mit dem Kühlrohr 92 verbunden, so dass zum einen eine strukturelle Stabilität vorhanden ist und zum anderen ein guter Materialkontakt stattfindet, damit die Wärme gut vom Wärmeleitungselement 94 auf das Kühlrohr 92 übergehen kann. Ferner sind das obere Wärmeleitungselement 94 und das untere Wärmeleitungselement 93 je nach Implementierung fest auf dem Statorkörper 90 aufgebracht, so dass vom Statorkörper ein guter Wärmekontakt zum Wärmeleitungselement stattfindet.
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Insbesondere bei der sandwichartigen Anordnung mit oberem und unterem Wärmeleitungselement 93, 94, wie sie in 9d gezeigt ist, findet eine besonders gute Wärmeableitung vom Statorkörper zum Kühlrohr 92 statt.
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Das Kühlrohr 92 ist entweder als offenes Rohr, wie es in 9a gezeigt ist, ausgebildet, derart, dass bereits durch eine Konvektionskühlung aufgrund eines Luftstroms durch das offene Rohr 92 hindurch eine Kühlung des Stators erreicht wird. Vorzugsweise ist jedoch das Kühlrohr 92 an der Unterseite 91b geschlossen. Diese Schließung findet entweder dahin gehend statt, dass lediglich das Rohr abgeschlossen ist, dass also der Durchmesser des „Deckels“ gleich dem Durchmesser des Rohrs ist. Vorzugsweise ist jedoch das Rohr durch das untere Wärmeleitungselement 93 abgeschlossen, dessen Durchmesser wesentlich größer als der Durchmesser des Rohrs ist, um den zentralen Bereich des Statorkörpers, an dem die Polfüße noch nicht ausgebildet sind, abzudecken, um die dort entstandene Wärme abzuleiten.
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Je nach Implementierung ist das Kühlrohr als Heat-Pipe ausgebildet, also als Element, das geschlossen ist und ein „kaltes“ und „warmes“ Ende hat. Das „warme Ende“ ist das Ende des Kühlrohrs 92, das in der Bohrung 91 positioniert ist, während das „kalte“ Ende, das extern gekühlt wird, an dem anderen Endes des Kühlrohrs 92 angeordnet ist, das in 9d beispielsweise nicht dargestellt ist.
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Alternativ kann, um eine höhere Kühlleistung zu erreichen, eine Rohr-in-Rohr-Konstruktion eingesetzt werden, wie es in 10 gezeigt ist. In dem Kühlrohr 92 ist ein weiteres Zulaufrohr 96 angeordnet, das von einem Reservoir 97 für kalte Flüssigkeit gespeist wird. Die kalte Flüssigkeit fließt in dem inneren Rohr 96 in Richtung des Statorkörpers 90, also bei dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel nach unten. Das untere Ende des inneren Rohrs 96 ist offen, so dass die Flüssigkeit, wie es durch Pfeile 97 dargestellt ist, in der Bohrung aus dem inneren Rohr 96 eintritt, und in dem Zwischenraum zwischen dem inneren Rohr und dem Kühlrohr 92 wieder nach oben fließt, wie es durch einen Pfeil 98 dargestellt ist. Aus dem Zwischenraum wird dann die durch den Statorkörper erwärmte Flüssigkeit in einen Bereich 99 für warme Flüssigkeit geleitet. Die warme Flüssigkeit 99 kann dann durch ein Kühlaggregat 100 gekühlt werden, so dass der Kühlkreislauf geschlossen ist. Zur Kühlung muss jedoch kein eigener Kühlkreislauf vorgesehen werden. Wird der Statorkörper nämlich z. B. als Stator für einen Elektromotor in einer Wärmepumpe eingesetzt, wie es noch Bezug nehmend auf 8 erläutert wird, so kann irgendeine der in der Wärmepumpe vorhandenen Flüssigkeiten, wie beispielsweise die Verdampferflüssigkeit oder vorzugsweise die Verflüssigerflüssigkeit als Kühlflüssigkeit eingesetzt werden.
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Vorzugsweise ist an dem Kühlrohr 92 ferner eine Elektronikbaugruppe 101 angeordnet, die Elektronikbauelemente 102a, 102b, 102c, 102d, 102e, 102f umfassen kann. Diese Elektronikbauelemente können Schaltungen, Kondensatoren, Spulen, Widerstände etc. sein. Die Schaltungen der Elektronikbaugruppe 101 sind typischerweise auf einer Platine 103 angeordnet. Auf der Platine oder in der Platine können ferner Wärmeleitungsstrukturen 104 vorgesehen sein. Vorzugsweise erstrecken sich die Wärmeleitungsstrukturen besonders zu kühlenden Bauelementen, wie beispielsweise integrierten Schaltungen in Form der Elemente 102b, 102c beispielsweise. Damit kann eine besondere Wärmeleitung von einem zu kühlenden Element über eine Wärmeleitungsstruktur 104 zum Kühlrohr 92 erreicht werden.
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Vorzugsweise wird die Elektronikbaugruppe 101 an dem Kühlrohr 92 aufgesetzt, und zwar mittels einer gewissermaßen selbsttätigen Positionierung. Dazu wird das Kühlrohr 92 derart gefertigt, dass es einen Bereich mit abgestuftem Querschnitt hat. Dieser Bereich ist bei 106 gezeigt. Der Durchmesser des Kühlrohrs 92 in dem Bereich, in dem das Kühlrohr mit dem Statorkörper 90 verbunden ist, ist größer als der Durchmesser des Bereichs des Kühlrohrs, der sich durch eine Bohrung in der Elektronikbaugruppe 101 erstreckt. Damit kann die Elektronikbaugruppe gewissermaßen auf das Kühlrohr 92 geschoben werden und ist dann stabil und fest an dem Bereich 106 mit abgestuftem Querschnitt positioniert. Die Elektronikbaugruppe 101 ist über Verbindungskabel 107 mit dem Statorkörper und insbesondere den Spulen, die auf dem Statorkörper gewickelt sind, verbunden. Je nach Implementierung können auch mehr als eine Elektronikbaugruppe auf dem Kühlrohr aufgebracht bzw. aufgesetzt werden, ggf. durch eine Bereich mit abgestuftem Querschnitt für jede separate Baugruppe, wobei der Durchmesser des Rohrquerschnitts nach oben hin aufgrund der Abstufungen kleiner wird.
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11 zeigt eine Tabelle mit Kenngrößen für spezielle Materialien. Als Statorkörper 90 wird vorzugsweise ein Blechpaket oder ein Eisenmaterial verwendet, wie es in den Spalten 108a, 108b dargestellt ist. Dagegen wird bevorzugt, als Material für das Kühlrohr und/oder das erste oder zweite Wärmeleitungselement Aluminium zu verwenden, wie es bei 108c dargestellt ist. Aluminium zeichnet sich durch eine sehr niedrige magnetische Permeabilität bei etwa 1 aus, hat jedoch eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit. Dagegen hat das Blechpaket eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit, jedoch eine sehr hohe magnetische Permeabilität typischerweise größer 5000. Eisen hat wiederum eine kleine Wärmeleitfähigkeit, jedoch eine hohe magnetische Permeabilität.
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Generell wird es bevorzugt, dass die magnetische Permeabilität des Statorkörpers 90 hoch ist, während die Wärmeleitfähigkeit des Kühlrohrs, des ersten Wärmeleitungselements und/oder des zweiten Wärmeleitungselements hoch ist, wobei ferner bevorzugt wird, dass die magnetische Permeabilität des Kühlrohrs und der Wärmeleitungselemente klein ist. Als alternative Materialien für die Wärmeleitungselemente 93, 94 oder den Kühlkörper können Kupfer, Gold, Silber oder andere Materialien mit ähnlichen Größen eingesetzt werden.
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Bezüglich der Dicke der Wärmeleitungselemente wird es bevorzugt, dass die Dicke der Wärmeleitungselemente größer als 1/10 der Polfußdicke ist, also der Dicke des Statorkörpers 90 am Polfußbereich, also am Rand. Bei bevorzugten Implementierungen beträgt die Dicke der Wärmeleitungselemente etwa zwischen 2 und 4 mm. Ferner wird es bevorzugt, als Blechpaket für den Statorkörper 90, wie es in 9d gezeigt ist, einen Blechstapel mit 100 oder mehr Blechen zu verwenden.
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Darüber hinaus hat die Verwendung eines Rohrs in der Bohrung anstatt einer Bohrung an sich und insbesondere die Verwendung eines durch einen Deckel abgeschlossenen Rohrs den Vorteil, dass die Abdichtung für das Kühlmittel gut umsetzbar ist, und insbesondere wesentlich besser umsetzbar ist als eine direkte Abdichtung, also dass das Kühlmittel direkt in Kontakt mit dem Statorkörper kommt. Darüber hinaus wird durch die Verwendung des Rohrs, das in einer zentralen Bohrung, die entlang der Achse des Statorkörpers ausgerichtet ist, sichergestellt, dass nach wie vor trotz der Kühlvorrichtung eine symmetrische Temperaturverteilung und insbesondere eine symmetrische Magnetfeldverteilung beibehalten wird.
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Bezüglich der Dicke des Statorkörpers wird es bevorzugt, denselben zwischen 8 mm und 20 mm zu dimensionieren.
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Obgleich in 10 lediglich eine einzige Elektronikbaugruppe dargestellt ist, die an dem Kühlrohr 92 angeordnet ist, können auch weitere Elektronikbaugruppen angeordnet werden, die allesamt ebenfalls an anderen Stellen mit abgestuftem Querschnitt aufgesetzt werden können, um eine genaue und reproduzierbare Positionierung der Elektronikbaugruppen an dem Kühlelement 92 zu erreichen.
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12a bis 12c zeigen Ansichten von der Unterseite (12a), von der Oberseite ( 12b) und von der Seite (12c) eines Statorkörpers mit dem Kühlrohr 92 und dem unteren Wärmeleitungselement 93 und dem oberen Wärmeleitungselement 94 bezüglich der Polfüße 12a bis 12d bzw. 22a bis 22d. Ferner ist der Statorkörper bei dem in 12a bis 12c dargestellten Ausführungsbeispiel als zweiteiliger Statorkörper ausgebildet. Nachfolgend wird anhand der 1a bis 6 auf besondere Aspekte des zweiteiligen Stators eingegangen. Insbesondere sei auf die entsprechenden Bohrungen im unteren Teil, wie es bei 91b in 2 dargestellt ist, bzw. im oberen Teil, wie es in 3 rechts dargestellt ist, hingewiesen. Ferner ist die Bohrung 91 im teilweise zusammengebauten Zustand gemäß 4 und im komplett zusammengebauten Zustand in 5a gezeigt. Darüber hinaus sind die einzelnen Polfüße in den 12a bis 12c genauso gekennzeichnet wie in 3, 4 und 5a.
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Obgleich es bevorzugt wird, den Stator zweiteilig auszubilden, sei darauf hingewiesen, dass der Stator genauso gut einteilig ausgebildet werden kann. Darüber hinaus muss der Stator nicht unbedingt acht Polfüße haben, sondern kann eine andere Anzahl von Polfüßen aufweisen, je nachdem, wie es für den entsprechenden Elektromotor eingesetzt wird.
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Außerdem wird es bevorzugt, den Statorkörper in einem Scheibenmotor einzusetzen, der in Radialrichtung aktiv gelagert ist und in Axialrichtung passiv gelagert ist, wie es in 7 dargestellt ist. Ferner wird es bevorzugt, den Statorkörper, wie es in 8 dargestellt ist, in einer Wärmepumpe einzusetzen, und zwar als Kompressormotor, der als Scheibenläufermotor ausgebildet ist, und zwar mit einem Außenläufer bzw. Rotor 105, wie es nachfolgend gezeigt wird.
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1 zeigt eine Ansicht eines Statorelements, aus dem, zusammen mit einem anderen unterschiedlichen oder gleichen Statorelement, ein Stator für einen Elektromotor besteht. Insbesondere umfasst das Statorelement 10, das in 1a gezeigt ist, einen ersten Polfuß 12a und einen zweiten Polfuß 12b. Ferner sind beide Polfüße 12a, 12b über einen Verbindungsbereich 14 miteinander verbunden. Ein Stator für einen Elektromotor umfasst ferner ein zweites Statorelement, das ähnlich wie das Statorelement in 1a bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Ferner ist um jeden Polfuß einer ersten Gruppe von zwei Polfüßen 12a jeweils eine Spule 16a, 16b gewickelt, wie es bei dem in 1b gezeigten schematischen Querschnitt dargestellt ist. 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Statorelement, wie beispielsweise das erste Statorelement 10 mit aufgewickelten Spulen. Insbesondere umfasst das erste Statorelement, das in 2 gezeigt ist, den ersten Verbindungsbereich 14, an dem eine erste Gruppe von wenigstens zwei Polfüßen, hier vier Polfüßen 12a, 12b, 12c, 12d, angebracht ist. Ferner ist um jeden Polfuß der gezeigten ersten Gruppe von Polfüßen 12a bis 12d jeweils eine Spule 16a, 16b, 16c, 16d gewickelt. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist um den Polfuß 12a eine Spule 16a gewickelt. Ferner ist um den Polfuß 12b eine Spule 16b gewickelt. Darüber hinaus ist um den Polfuß 12c eine Spule 16c gewickelt, und ist um den Polfuß 12d eine Spule 16d gewickelt. Alle vier Polfüße sind mit dem Verbindungsbereich 14 verbunden.
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Erfindungsgemäß sind das erste und das zweite Statorelement so zusammengefügt, dass ein Polfuß der ersten Gruppe zu einem Polfuß der zweiten Gruppe benachbart ist, und dass in einem Polfußzwischenraum zwischen den benachbarten Polfüßen ein Teil einer Spule, die um den Polfuß der ersten Gruppe gewickelt ist, und ein Teil einer weiteren Spule, die um den Polfuß der zweiten Gruppe gewickelt ist, angeordnet sind.
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Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die 3, 4 und 5 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei dem genau zwei Statorelemente vorhanden sind, wobei jedes Statorelement jeweils vier Polfüße aufweist, und wobei die beiden Statorelemente zueinander identisch ausgebildet sind. Insbesondere zeigt 3 links im Bild das erste Statorelement 10 und rechts im Bild das zweite Statorelement 20. Insbesondere umfasst das zweite Statorelement 20 einen zweiten Verbindungsbereich 24, an dem eine zweite Gruppe von wenigstens zwei Polfüßen, wobei hier beispielsweise vier Polfüße gezeigt sind, angebracht ist. Die vier Polfüße sind die Polfüße 22a, 22b, 22c, 22d. Das zweite Statorelement 20 in 3 ist bei diesem Ausführungsbeispiel identisch zum ersten Statorelement 10 links in 3 ausgebildet, ist jedoch umgekehrt dargestellt, nämlich in der Position, wie es zusammengefügt wird. Eine Situation, bei der das zweite Statorelement 20 mit dem ersten Statorelement 10 bereits teilweise ineinandergeschoben ist, ist in 4 gezeigt. Insbesondere ist dargestellt, wie ein Polfuß, beispielsweise der Polfuß 12a der ersten Gruppe von Polfüßen, zu einem Polfuß, wie beispielsweise dem Polfuß 22a oder dem Polfuß 22b der zweiten Gruppe von Polfüßen von dem zweiten Statorelement benachbart ist. Ferner ist in 4 gezeigt, wie sich durch das Zusammenfügen der beiden Statorelemente jeweils ein Polfußzwischenraum zwischen zwei benachbarten Polfüßen der unterschiedlichen Gruppen ergibt. Ein solcher Polfußzwischenraum ist z. B. bei 31 oder 32 in 4 gezeigt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass bei der in 4 gezeigten Darstellung zur Verdeutlichung der Statorelemente eine Situation gezeigt ist, bei der die Spulen nicht um die jeweiligen Polfüße aufgewickelt sind. Tatsächlich werden um jeden Polfuß der beiden Statorelemente 10, 20 bereits bevor sie teilweise und dann komplett zusammengefügt werden, die einzelnen Spulen aufgewickelt, wie es in 2 anhand des ersten Statorelements 10 gezeigt ist.
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5a zeigt einen Spulenträger mit zwei Statorelementen im zusammengebauten Zustand. Insbesondere sind bei dem in 5a gezeigten Ausführungsbeispiel die beiden Statorelemente 10, 20 komplett ineinander geschoben, so dass sich eine plane Oberfläche ergibt. Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei dem in 3, 4 und 5a gezeigten jeweiligen Statorelement lediglich um ein noch nicht aus Blechstapeln bestehendes Muster handelt. Insbesondere ist bei einem Stator für einen Elektromotor jedes der beiden Statorelemente aus jeweils aufeinander gestapelten dünnen Blechen aus ferromagnetischem Material gebildet, wie es bekannt und bei typischen Elektromotoren der Fall ist.
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6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen des Stators für einen Elektromotor, In einem Schritt 60 werden die zwei oder mehr Statorelemente separat für sich bereitgestellt, wie beispielsweise durch Schneiden von Blechstapeln.
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In einem Schritt 62 werden Isolationsumhüllungen um die einzelnen Polfüße angebracht, wie es in 5a ebenfalls nicht gezeigt ist. Hierauf wird, wie es in einem Schritt 64 dargestellt ist, eine Spule um jeden Polfuß und insbesondere um jede Isolationsumhüllung gewickelt. In einem Schritt 66 werden die beiden Statorelemente mit jeweiligen aufgewickelten Spulen dann zusammengefügt, wie es in 5a dargestellt ist, wenn 5a noch um die Isolationsumhüllung und die Spulen ergänzt wird. In einem Schritt 68 wird der Stator dann mit einem Verkapselungsmaterial umspritzt, um die Elemente und die Spulen in Form zu halten.
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Die Befestigung der beiden Statorelemente aneinander findet je nach Implementierung durch eine Presspassung statt. Die beiden Statorelemente werden also so entsprechend ausgebildet, dass sich die beiden Statorelemente typischerweise an den jeweiligen Polfüßen, also in einem Bereich, der in 1a mit 17 dargestellt ist, berühren. Durch die strukturelle Stabilität der jeweiligen Statorelemente findet beim Zusammendrücken eine Kraft auf die entsprechende Fläche 17 statt, so dass die beiden Statorelemente in Position gehalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Kleber verwendet werden, um die beiden Statorelemente dauerhaft zu fixieren. Dies ist jedoch typischerweise nicht nötig, weil spätestens durch das Umspritzen des Stators mit Verkapselungsmaterial im Schritt 68 die beiden Statorelemente fest aneinander befestigt werden.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des Stators dargestellt. Vorzugsweise haben die Polfüße 12a bis 12d der ersten Gruppe eine größere Dicke D als der Verbindungsbereich. Dasselbe gilt vorzugsweise auch für das zweite Statorelement 20, so dass die beiden Statorelemente gut zusammengefügt werden können und so dass insbesondere an den entsprechenden Polfußflächen 17 beim Zusammenfügen eine entsprechende Kraft wirkt, die zu einer strukturellen Stabilität der beiden Statorelemente beiträgt.
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Wie es bei dem in 5a gezeigten Ausführungsbeispiel der Fall ist, ist vorzugsweise die Anzahl von Polfüße in jeder Gruppe von Polfüßen für jedes Statorelement gleich. Je nach Implementierung muss dies jedoch nicht unbedingt so sein. Es trägt jedoch zur Symmetrie des Stators bei, was insbesondere von Vorteil ist, wenn der Stator für einen Elektromotor eingesetzt wird, der bei sehr hohen Drehzahlen läuft, wie beispielsweise bei Drehzahlen größer 50.000 Umdrehungen pro Minute.
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Vorzugsweise ist ferner eine Dicke d des Verbindungsbereichs 14 des ersten Statorelements gleich einer Dicke des Verbindungsbereichs 24 des zweiten Statorelements. Darüber hinaus ist vorzugsweise auch eine Dicke D der Polfüße der jeweiligen Statorelemente für die beiden Statorelemente identisch.
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Vorzugsweise umfasst der erste Verbindungsbereich 14 oder auch der zweite Verbindungsbereich 24 oder beide Verbindungsbereiche 14, 24 eine polygonale Form mit einer jeweiligen Anzahl von Ecken, wobei an jeder Ecke ein Polfuß angebracht ist. Wenn beispielsweise 5a betrachtet wird, so ist die polygonale Form ein Viereck und insbesondere in 5a ein Quadrat, wobei an jeder Ecke jeweils ein Polfuß angebracht ist. Ein Quadrat hat vier Ecken, und deshalb umfasst das Statorelement vier Polfüße. Für eine Ausführungsform, bei der insgesamt drei Polfüße pro Statorelement eingesetzt werden, wäre die polygonale Form ein Dreieck. Werden fünf Polfüße eingesetzt, so wäre die polygonale Form ein Fünfeck. Auf jeden Fall wird immer sichergestellt, wenn wenigstens zwei Statorelemente zusammengesteckt werden, dass genug Freiraum verbleibt, um jeweils eine Spule auf einen Polfuß zu wickeln, dass jedoch gleichzeitig dann, wenn die beiden Polfüße mit aufgewickelten Spulen aufeinander geschoben werden, ein relativ kleiner Zwischenraum entsteht, wie beispielsweise der Zwischenraum 31 oder 32 in 5a, in dem ein hoher Füllfaktor erreicht wird.
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Vorzugsweise ist die Anzahl der Windungen pro einer Spule, die um einen Polfuß gewickelt ist, größer oder gleich 15 und kleiner oder gleich 50, wobei besonders bevorzugte Windungszahlen zwischen 20 und 30 sind.
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Ferner umfasst jede Spule, die um einen Polfuß der ersten oder zweiten Gruppe gewickelt ist, eine Wicklung mit wenigstens zwei Lagen, wobei eine zweite Lage, die auf einer ersten Lage gewickelt ist, so angebracht ist, dass immer ein Draht der zweiten Lage zwischen zwei Drähten der ersten Lage angeordnet ist, wobei eine Achse eines Drahts der oberen Lage im Wesentlichen mittig zwischen zwei Achsen zweier benachbarter Drähte der unteren Lagen angeordnet ist, und wobei sich benachbarte Drähte in einer Lage berühren. Eine solche Wicklung wird auch in der Technik als orthozyklische Wicklung bezeichnet und resultiert in einem optimalen Füllgrad von über 90 %. Diese orthozyklische Wicklung kann ohne Weiteres aufgebracht werden, weil zwischen den einzelnen Polfüßen genug Platz ist. Dagegen wäre es nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich, bei dem zusammengesetzten Statorelement, wie es in 5a dargestellt ist, nach dem Zusammensetzen um die einzelnen Polfüße Spulen zu wickeln, weil zu wenig Platz verbleibt.
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5b zeigt eine schematische Darstellung eines Polfußes, wie beispielsweise des Polfußes 12c, auf den eine orthozyklische Wicklung aufgewickelt ist, die eine untere Lage 50 und eine obere Lage 51 aufweist. Insbesondere ist immer jeweils ein Draht der oberen Lage zwischen zwei Drähten der unteren Lage angeordnet, wobei jeweils, wie es in 5b ersichtlich ist, eine Achse eines Drahts der oberen Lage, wobei die Achse schematisch bei 52 dargestellt ist, zwischen zwei Achsen der benachbarten Drähte, die in 5b bei 53 schematisch dargestellt sind, und die sich auf die untere Lage beziehen, angeordnet ist. Diese Anordnung ist insbesondere im Wesentlichen mittig, so dass sich die orthozyklische Wicklung ergibt, die zu einem optimalen und maximalen Füllgrad im Zwischenraumbereich 31, 32 und insbesondere für die gesamte Spule führt.
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Wie es in 5a dargestellt ist, umfasst der Stator insgesamt acht Polfüße. Vorzugsweise werden auch andere Anzahlen aufgebaut, wie beispielsweise 12 Polfüße, 16 Polfüße, 20 Polfüße oder vorzugsweise eine Anzahl von Polfüßen, die durch vier teilbar ist, da dann die Zweiteilung in zwei Statorelemente besonders günstig und besonders symmetrisch ausführbar ist, und da dann immer wenigstens vier Polfüße pro Statorelement jeweils an einem Verbindungsbereich angeordnet sind und somit bereits zueinander ausgerichtet sind.
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Vorzugsweise haben der erste Verbindungsbereich 14 und der zweite Verbindungsbereich 24 eine scheibenartige Form, wobei eine erste Oberfläche des ersten Verbindungsbereichs 14, und insbesondere die in 3 dargestellte untere Oberfläche des ersten Verbindungsbereichs 14 des ersten Statorelements eine erste Oberfläche eines Spulenträgers des Stators definiert, der durch die beiden Statorelemente erhalten wird. Ferner liegt die zweite Oberfläche des ersten Verbindungsbereichs 14, also in 3, linkes Bild, die obere Oberfläche, auf der ersten Oberfläche eines zweiten Verbindungsbereichs 24 des zweiten Statorelements auf, wobei diese erste Oberfläche des zweiten Statorelements die in 3 gezeigte untere Oberfläche ist. Darüber hinaus definiert die zweite Oberfläche, also in 3, rechtes Bild, die Oberseite des Verbindungsbereichs 24, eine zweite Oberfläche des Spulenträgers.
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Darüber hinaus umfassen der erste Verbindungsbereich 14, vorzugsweise auch der zweite Verbindungsbereich, jeweils zwischen zwei Stellen, an denen ein Polfuß angebracht ist, also bei 15 in 3, linkes Bild, eine flache Stirnseite, wobei diese flache Stirnseite 15 an einer jeweiligen Seite eines Polfußes des zweiten Statorelements anliegt, an dem der jeweilige Polfuß 22a bis 22d nicht mit dem zweiten Verbindungsbereich 24 verbunden ist. Diese Polfußseite ist beispielsweise in 1a bei 17 dargestellt. Durch das Zusammenschieben liegt somit die flache Stirnseite 15 an der flachen Seite 17 des Polfußes an, um dadurch eine strukturelle Stabilität zu schaffen, und um gleichzeitig eine gewissermaßen automatische Ausrichtung zwischen dem ersten Statorelement und dem zweiten Statorelement zu erreichen.
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Während bei den in 3 bis 5 ein Außenläufer gezeigt ist, zeigt 7 eine Implementierung der vorliegenden Erfindung als Innenläufer. Dort sind der Stator 200 außen und der Rotor 1 innen gebildet, wobei zwischen den beiden Elementen der Motorspalt 40 angeordnet ist.
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Vorzugsweis wird der Rotor bezüglich des Stators durch ein Magnetlager gelagert, wie es beispielhaft in 7 dargestellt ist. In 7 sind die beiden Richtungen axial 250 und radial 260 eingezeichnet. Es existiert wiederum ein Motor mit einem Motorspalt 40 und der Rotor wird bezüglich des Stators aufgrund der Permanentmagnete aufseiten des Rotors und der elektrischen Spulen auf der Seite des Stators axial gehalten und nicht spezieil geregelt. Ferner ist in 7 ein radiale Erfassungseinrichtung 270 sowie eine Radial-Steuerung-Regelungseinrichtung 280 vorgesehen. Die radiale Erfassungseinrichtung 270 umfasst die Position des Rotors bezüglich des Stators bzw. umgekehrt über Erfassungsleitungen 271. Das Ergebnis der radialen Erfassung wird über eine Sensorleitung 272 der Radial-Steuerung/Regelungseinrichtung 280 mitgeteilt. Diese erzeugt entsprechend die Aktorsignale über Aktorsignalleitungen 273 an dem Rotor bzw. dem Stator je nach Implementierung. Es wird jedoch bevorzugt, lediglich den Rotor anzusteuern, um ihn bezüglich des Stators aufgrund des Aktorsignals zu positionieren, derart, dass der Motorspalt 40 um den kompletten Rotor herum eine ähnliche Größe hat und der Rotor den Stator nicht berührt.
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Bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 1 innen und ist der Stator 200 außen angeordnet. Dabei handelt es sich somit um einen Innenläufer im Gegensatz zu beispielsweise 3, 4, oder 5. Die entsprechende Steuerung/Regelung durch die Elemente 270, 280, 271, 272, 273 kann jedoch genauso auch bei einem Außenläufer stattfinden. Prinzipiell ist jedoch die Magnetlagerung am Beispiel des in 7 gezeigten Reluktanzlagers in beiden Fällen dahin gehend ähnlich, dass eine axiale Regelung nicht stattfindet, während eine radiale Regelung durch die radiale Erfassungseinrichtung 270 und die Radial-Steuerung/Regelungseinrichtung 280 stattfindet.
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8 zeigt eine bevorzugte Anwendung des Scheibenläufermotors an dem Beispiel einer Wärmepumpe. Die Wärmepumpe umfasst einen Verdampfer 300, einen Kompressor 400 und einen Verflüssiger 500, wobei der Kompressor 400 den elektrischen Scheibenläufermotor aufweist, der Bezug nehmend auf die 1a bis 5 beschrieben worden ist.
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Zusätzlich zu den Elementen des Scheibenläufermotors, der beispielsweise Bezug nehmend auf eine der vorstehenden Figuren dargestellt worden ist, umfasst der Kompressor ferner einen Leitraum 410, der radial angeordnet ist, um den von dem zu bewegenden Element 105 geförderten Arbeitsdampf, der von dem Verdampfer 300 angesaugt worden ist, weiterzufördern und letztendlich den Druck auf den geforderten Druck in der Kondensationszone 510 im Kondensierer 500 zu erhöhen.
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Zu kühlende Flüssigkeit läuft über einen Verdampferzulauf 302 in den Verdampfer. Gekühlte Arbeitsflüssigkeit läuft über einen Verdampferablauf 304 wieder aus dem Verdampfer ab. Um sicherzustellen, dass das Radialrad 105 nur Dampf und nicht Wassertropfen zusätzlich zum Dampf ansaugt, ist zusätzlich ein Tropfenabscheider 306 vorgesehen.
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Aufgrund des niedrigen Drucks in dem Verdampfer 300 wird ein Teil der über den Verdampferzulauf 302 in den Verdampfer 300 gebrachten Arbeitsflüssigkeit verdampft und durch den Tropfenabscheider 306 hindurch über die zweite Seite 105b des Radialrads 105 angesaugt und nach oben gefördert und dann in den Leitraum 510 abgegeben. Aus dem Leitraum 510 wird komprimierter Arbeitsdampf in die Kondensationszone 510 gebracht. Der Kondensationszone 510 wird ferner über einen Verflüssigerzulauf 512 zu erwärmende Arbeitsflüssigkeit zugeführt, die durch die Kondensation mit dem erwärmten Dampf erwärmt wird und über einen Verflüssigerablauf 514 abgeführt wird. Vorzugsweise ist der Verflüssiger als Verflüssiger in Form einer „Dusche“ ausgebildet, so dass über eine Verteilereinrichtung 516 eine Flüssigkeitsverteilung in der Kondensationszone 510 erreicht wird. Damit wird möglichst effizient der komprimierte Arbeitsdampf kondensiert und die in ihm enthaltene Wärme wird in die Flüssigkeit im Verflüssiger übertragen.
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Bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ferner ein Motorgehäuse 110 eingezeichnet, das gleichzeitig auch das obere Gehäuseteil des Kondensierers bzw. Verflüssigers 500 bildet. Darüber hinaus ist eine Anschlussleitung 80 für die Spulen des Stators 200 mit einer Steuerung 600 verbunden, um die entsprechenden Drehzahlsteuerungen und gleichzeitig auch die aktive Lagerung über ein vorzugsweise verwendetes Magnetlager durchzuführen, wie es anhand von 7 beschrieben worden ist. Die Steuerung stellt damit zusätzlich auch die Funktionen der Radialerfassung 270 und der Radial-Steuerung/Regelung 280 bereit.
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Darüber hinaus ist in 8 eine Implementierung gezeigt, bei der der Scheibenläufermotor einen fest vergossenen Block 602 aus Vergussmaterial aufweist, der über einen Dichtungsring 603 bezüglich des Motorgehäuses 110 abgedichtet ist, so dass eine druckdichte Trennung zwischen dem Äußeren und dem Inneren stattfindet. Sowohl der Spulenhalter als auch die Spulen sind von einem Verkapselungsmaterial umgeben, das in 8 als einstückig mit dem festen Block 602 ausgebildet dargestellt ist. Dies muss jedoch nicht unbedingt der Fall sein. Es wird jedoch bevorzugt, durch das Verkapselungsmaterial, das sich in dem Motorspalt erstreckt, eine Trennung herbeizuführen, dahin gehend, dass die Spulen nicht in dem Gebiet mit niedrigem Druck, das innerhalb des Motorgehäuses vorhanden ist, angeordnet sind.
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Ferner ist bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel der Stator in einer Ausnehmung angeordnet, die durch eine obere Seite 105a definiert ist. Bei anderen Ausführungsformen kann jedoch der Rotor ohne Ausnehmung ausgebildet sein, so dass der Bereich aus Magnet 201, Rückschlusselement 202 und Bandage 203, wie er in 8 gezeigt ist, auf ein oben flach geformtes Radialrad aufgesetzt ist.
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Aus 8 wird ferner ersichtlich, dass das zu bewegende Element, das mit dem Rotor 10 verbunden ist, das Radialrad bzw. Schaufelrad 105 ist, das dazu da ist, um im Zusammenwirken mit dem Leitweg 410 den vom Verdampfer geförderten Arbeitsdampf zu verdichten und damit zu erhitzen, damit Wärme vom Verdampfer in den Verflüssiger gepumpt wird.
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Nachfolgend werden noch besondere Ausführungsbeispiele insbesondere für einen zweiteiligen Stator, aber auch für einen einteiligen Stator zusammengefasst.
- 1. Stator für einen Elektromotor, mit folgenden Merkmalen:
- einem Statorkörper (90) mit umliegend angeordneten Polfüßen (12a-12d, 22a-22d), wobei die Polfüße ausgebildet sind, um gewickelte Spulen (16a-16d) zu halten,
- wobei der Statorkörper einen zentralen Bereich hat, an dem die umliegenden Polfüße angebracht sind und in dem eine Bohrung (91) ausgebildet ist, wobei der zentrale Bereich eine Oberseite (91a) und eine Unterseite (91b) hat; und
- einem Kühlrohr (92), das in der Bohrung (91) angeordnet ist und von der Oberseite (91a) oder der Unterseite (91b) vorsteht,
- wobei der Statorkörper beispielsweise ein erstes Statorelement (10), das einen ersten Verbindungsbereich (14) aufweist, an dem eine erste Gruppe von wenigstens zwei Polfüßen (12a-12d) angebracht ist, und ein zweites Statorelement (20) aufweist, das einen zweiten Verbindungsbereich (24) aufweist, an dem eine zweite Gruppe von wenigstens zwei Polfüßen (22a-22d) angebracht ist, wobei um jeden Polfuß der ersten und der zweiten Gruppe von wenigstens zwei Polfüßen eine Spule (16a-16d) gewickelt ist, und wobei das erste Statorelement (10) und das zweite Statorelement (20) so zusammengefügt sind, dass ein Polfuß (12a) der ersten Gruppe zu einem Polfuß (22a, 22b) der zweiten Gruppe benachbart ist, und dass in einem Polfußzwischenraum (31, 32) zwischen den benachbarten Polfüßen ein Teil einer Spule (16a-16d), die um den Polfuß der ersten Gruppe gewickelt ist,
- und ein Teil einer weiteren Spule, die um den Polfuß der zweiten Gruppe gewickelt ist, angeordnet sind.
- 2. Stator nach Beispiel 1, bei dem die Polfüße (12a-12d) der ersten Gruppe eine größere Dicke (D) als eine Dicke (d) des ersten Verbindungsbereich (14) haben, und bei dem die Polfüße (22a-22d) der zweiten Gruppe eine größere Dicke als der zweite Verbindungsbereich (24) haben.
- 3. Stator nach Beispiel 1 oder 2, bei dem eine Anzahl von Polfüßen der ersten Gruppe von Polfüßen gleich einer Anzahl von Polfüßen der zweiten Gruppe von Polfüßen ist.
- 4. Stator nach einem der vorhergehenden Beispiele, bei dem eine Dicke des ersten Verbindungsbereichs (14) gleich einer Dicke des zweiten Verbindungsbereichs (24) ist, oder bei dem eine Dicke der ersten Gruppe von Polfüßen gleich einer Dicke der zweiten Gruppe von Polfüßen ist.
- 5. Stator nach einem der vorhergehenden Beispiele,
bei dem der erste Verbindungsbereich (14) eine polygonale Form mit einer ersten Anzahl von Ecken aufweist, wobei an den Ecken jeweils ein Polfuß (12a-12d) angeordnet ist, und
bei dem der zweite Verbindungsbereich (24) eine polygonale Form mit einer zweiten Anzahl von Ecken aufweist, wobei an den Ecken jeweils ein Polfuß (22a-22d) angeordnet ist.
- 6. Stator nach einem der vorhergehenden Beispiele, bei dem eine Anzahl der Windungen pro einer Spule, die um einen Polfuß (12a-12d, 22a - 22d) gewickelt ist, größer als 15 und kleiner als 50 ist.
- 7. Stator nach einem der vorhergehenden Beispiele, bei dem die Spulen (16a - 16d), die um die Polfüße der ersten oder zweiten Gruppe gewickelt sind, eine Wicklung mit wenigstens zwei Lagen aufweist, wobei eine zweite Lage, die auf einer ersten Lage gewickelt ist, so angeordnet ist, dass immer ein Draht der zweiten Lage (51) zwischen zwei Drähten der ersten Lage (50) angeordnet ist, wobei eine Achse (52) eines Drahts der oberen Lage (51) im Wesentlichen mittig zwischen zwei Achsen (52, 53) zweier benachbarter Drähte der unteren Lage (50) angeordnet ist, und wobei sich benachbarte Drähte in einer Lage berühren.
- 8. Stator nach einem der vorhergehenden Beispiele, der eine gesamte Anzahl von Polfüßen aufweist, die gleich 8, 12, 16, 20 ist oder eine andere durch vier teilbare Zahl ist.
- 9. Stator nach einem der vorhergehenden Beispiele, bei dem genau das erste Statorelement (10) und genau das zweite Statorelement (20) vorhanden sind und die erste und die zweite Gruppe von Polfüßen die gleiche Anzahl von Polfüßen aufweist, wobei das erste Statorelement und das zweite Statorelement so zusammengefügt sind, dass die Polfüße der ersten Gruppe mit den Polfüßen der zweiten Gruppe verschachtelt sind, so dass ein Polfuß der ersten Gruppe immer zu zwei Polfüßen der zweiten Gruppe benachbart ist.
- 10. Stator nach einem der vorhergehenden Beispiele, bei dem das erste Statorelement (10) und das zweite Statorelement (20) im Wesentlichen gleich ausgebildet sind.
- 11. Stator nach einem der vorhergehenden Beispiele, bei dem der erste Verbindungsbereich (14) und der zweite Verbindungsbereich (24) jeweils eine scheibenartige Form haben, wobei eine erste Oberfläche des ersten Verbindungsbereichs (14) eine erste Oberfläche eines Spulenträgers des Stators ist, der durch das erste Statorelement (10) und das zweite Statorelement (20), die zusammengefügt sind, gebildet ist, wobei eine zweite Oberfläche des ersten Verbindungsbereichs (14) auf einer ersten Oberfläche des zweiten Verbindungsbereichs (24) aufliegt, und wobei eine zweite Oberfläche des zweiten Verbindungsbereichs (24) eine zweite Oberfläche des Spulenträgers bildet.
- 12. Stator nach einem der vorhergehenden Beispiele, bei dem der erste Verbindungsbereich jeweils zwischen zwei Stellen, an denen ein Polfuß angeordnet ist, eine flache Stirnseite (15) hat, wobei die flache Stirnseite (15) an einer Seite (17) eines Polfußes des zweiten Verbindungsbereichs anliegt, an dem der Polfuß nicht mit dem zweiten Verbindungsbereich verbunden ist.
- 13. Stator nach einem der vorhergehenden Beispiele, bei dem jedes Statorelement aus einem Blechstapelpaket aus ferromagnetischem Material gebildet ist, wobei die Statorelemente so ausgebildet und zusammengefügt sind, dass die Statorelemente formschlüssig zusammenpassen.
- 14. Stator nach einem der vorhergehenden Beispiele, bei dem die Polfüße der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe so ausgebildet sind, dass sie jeweils eine Stirnseite (17) haben, die über einen Polfußwicklungsbereich, um den die Spule gewickelt ist, vorstehen, so dass ein Abstand (s) zwischen zwei Stirnseiten (17) von zwei benachbarten Polfüßen kleiner ist als ein Abstand (p) der zwei Polfüße in dem jeweiligen Polfußwicklungsbereich.
- 15. Stator nach einem der vorhergehenden Beispiele, bei dem jedes Statorelement (10, 20) scheibenförmig ist und einen Durchmesser zwischen 2,5 und 7 cm hat, und eine Polfußhöhe zwischen 0,5 und 2 cm hat.
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Obgleich bestimmte Elemente als Vorrichtungselemente beschrieben sind, sei darauf hingewiesen, dass diese Beschreibung gleichermaßen als Beschreibung von Schritten eines Verfahrens und umgekehrt anzusehen ist.
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Ferner sei darauf hingewiesen, dass eine Steuerung, die beispielsweise durch das Element 600 in 8 bewirkt wird, als Software oder Hardware implementiert werden kann. Die Implementierung der Steuerung kann auf einem nicht-flüchtigen Speichermedium, einem digitalen oder anderen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe ausgeführt wird. Allgemein umfasst die Erfindung somit auch ein Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Erfindung somit auch als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 10
- erstes Statorelement
- 12a
- Polfuß der ersten Gruppe
- 12b
- Polfuß der ersten Gruppe
- 12c
- Polfuß der ersten Gruppe
- 12d
- Polfuß der ersten Gruppe
- 14
- erster Verbindungsbereich
- 15
- Stirnseite des Verbindungsbereichs
- 16a
- erste Spule
- 16b
- zweite Spule
- 16c
- dritte Spule
- 16d
- vierte Spule
- 17
- Stirnseite des Polfußes
- 20
- zweites Statorelement
- 22a
- Polfuß der zweiten Gruppe
- 22b
- Polfuß der zweiten Gruppe
- 22c
- Polfuß der zweiten Gruppe
- 22d
- Polfuß der zweiten Gruppe
- 24
- zweiter Verbindungsbereich
- 31
- Polfußzwischenraum
- 32
- Polfußzwischenraum
- 40
- Motorspalt
- 50
- untere Lage der Wicklung
- 51
- obere Lage der Wicklung
- 52
- Drahtachse eines Drahtes der oberen unteren Lage
- 53
- Drahtachse eines benachbarten Drahtes der oberen unteren Lage
- 60
- Schritt des Bereitstellens
- 62
- Schritt des Anbringens der Isolation
- 64
- Schritt des Wickelns
- 66
- Schritt des Zusammenfügens
- 68
- Schritt des Umspritzens
- 80
- Anschlussleitungen
- 90
- Statorkörper
- 91
- Bohrung
- 91a
- Oberseite
- 91b
- Unterseite
- 92
- Kühlrohr
- 92a
- Verbindungsnaht
- 92b
- zunehmender Querschnitt
- 93
- unteres Wärmeleitungselement
- 94
- oberes Wärmeleitungselement
- 95
- Reservoir für kalte Flüssigkeit
- 96
- inneres Rohr
- 97
- Flüssigkeitsumkehr
- 98
- Aufwärtsfluss
- 99
- Reservoir für warme Flüssigkeit
- 100
- Kühlungselement
- 101
- Elektronikbaugruppe
- 102a
- bis 102f Elektronikbausteine
- 103
- Elektronikplatine
- 104
- Wärmeleitungsstruktur
- 105
- zu bewegendes Element/Radialrad
- 105a
- obere Seite
- 105b
- untere Seite
- 107
- Verbindungskabel für Spulen auf dem Stator
- 108a
- Spalte für Blechpaket
- 108b
- Spalte für Eisen
- 108c
- Spalte für Aluminium
- 110
- Motorgehäuse
- 180
- Führungsbauelement
- 200
- Stator
- 201
- Permanentmagnet
- 202
- Rückschlusselement
- 203
- Bandage
- 250
- Axialrichtung
- 260
- Radialrichtung
- 270
- Radialerfassungseinrichtung
- 271
- Erfassungsleitung
- 272
- Steuerleitung
- 273
- Aktorleitung
- 280
- Radial-Steuerung/Regelungseinrichtung
- 300
- Verdampfer
- 302
- Verdampferzulauf
- 304
- Verdampferablauf
- 306
- Tropfenabscheider
- 400
- Kompressor
- 410
- Leitweg
- 500
- Kondensierer
- 510
- Kondensationszone
- 512
- Verflüssigerzulauf
- 514
- Verflüssigerablauf
- 516
- Verflüssigerverteiler
- 600
- Steuerung
- 602
- Statorblock
- 603
- Dichtungsring
