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Die Erfindung betrifft einen Klauenpol-Stator für eine Transversalflussmaschine. Transversalflussmaschinen sind elektrische Antriebe, die als Generator und als Motor einsetzbar sind. Transversalflussmaschinen umfassen regelmäßig einen Stator und einen Rotor. Der Rotor wird hier als der Träger von Permanentmagneten bezeichnet, während der Stator eine Spulenanordnung aufweist. Der Rotor oder der Stator kann mit einer Welle verbunden sein, die durch die Transversalflussmaschine angetrieben wird (Betrieb als Motor) oder eine Drehbewegung auf die Transversalflussmaschine überträgt (Generatorbetrieb).
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Eine elektrische Axialflussmaschine ist z. B. aus der
DE 10 2009 021 703 B4 bekannt. Dort wird unter anderem vorgeschlagen, die Magnetfluss-Joche aus mehreren Ringzylindersegmenten zu bilden. Die Ringzylindersegmente kontaktieren einander über in Umfangsrichtung weisende Seitenflächen.
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Es ist besonders vorteilhaft, Klauenpol-Statoren pulvermetallurgisch herzustellen. Dafür wird ein Pulver mit einer vorbestimmten Zusammensetzung einer Presse zugeführt und verpresst. Eine nachfolgende Wärmebehandlung dient der Entfernung organischer Bestandteile. Insbesondere weisen die Pulverpartikel elektrisch isolierende Beschichtungen auf. Durch die pulvermetallurgische Herstellung können hochgenaue Bauteile erzeugt werden.
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Besonders vorteilhaft hergestellte Segmente für einen Klauenpol-Stator sind aus der
WO 2018/166858 A1 bekannt. Dabei können die Segmente mit jeweils hoher Präzision hergestellt werden, so dass eine genaue Passung der einzelnen Segmente miteinander gewährleistet werden kann. Die nahezu spaltfreie Anordnung der Segmente zueinander ermöglicht den Betrieb einer Transversalflussmaschine mit hoher Effektivität, da der magnetische Fluss ohne Luftspalt zwischen den Segmenten übertragbar ist. Der Zusammenbau von mindestens 10, eher mehr als 20 oder mehr Segmenten zu einem ringförmigen Stator erfordert ebenfalls eine hohe Präzision der einzelnen Segmente.
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Es hat sich nun herausgestellt, dass sich der Zusammenbau derartiger Segmente zu einem ringförmigen Klauenpol-Stator schwierig gestaltet. Insbesondere sind die einzelnen Segmenten aufgrund der geforderten präzisen Passung schwierig miteinander zu fügen, andererseits ist der fertig gebildete Klauenpol-Stator nur schwierig z. B. auf einem Stator-Träger anzuordnen, da der aus Segmenten gebildete Stator im Wesentlichen starr ist.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Klauenpol-Stator vorgeschlagen werden, der zur pulvermetallurgischen Herstellung geeignet ist und einfacher zusammenzubauen bzw. zu montieren ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Klauenpol-Stator gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Hierzu trägt ein Klauenpol-Stator für eine Transversalflussmaschine bei, wobei der Klauenpol-Stator durch eine Vielzahl von Segmenten gebildet ist, die entlang einer Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind (bzw. den ringförmigen Klauenpol-Stator bilden). Jedes Segment erstreckt sich ausgehend von einer Innenumfangsfläche entlang einer radialen Richtung hin zu einer Außenumfangsfläche und ist in der Umfangsrichtung durch eine erste Seitenfläche und eine zweite Seitenfläche und in einer axialen Richtung durch eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche begrenzt. Jedes Segment ist über die Seitenflächen mit mindestens einem weiteren Segment (zur Bildung des ringförmigen Klauenpol-Stators) verbunden, wobei zueinander benachbart angeordnete Segmente einander über eine erste Kontaktfläche der ersten Seitenfläche oder über eine zweite Kontaktfläche der zweiten Seitenfläche des jeweiligen Segments kontaktieren und über die Kontaktflächen eine in der Umfangsrichtung und in der radialen Richtung formschlüssige Verbindung ausbilden. Ein in (bzw. gegenüber) der Umfangsrichtung vorliegendes erstes Spiel der Verbindung ist größer ist als ein in (bzw. gegenüber) der radialen Richtung vorliegendes zweites Spiel der Verbindung.
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Ein „Spiel“ definiert hier insbesondere ein Maß einer (möglichen) Verschiebung zweier Bauteile relativ zueinander in der bestimmten Richtung (erstes Spiel: in Umfangsrichtung; zweites Spiel: in radialer Richtung).
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Insbesondere kontaktiert ein erstes Segment ein benachbart angeordnetes zweites Segment über dessen erste Kontaktfläche oder dessen zweite Kontaktfläche. Sind beide Segmente identisch zueinander, so kann das erste Segment über dessen erste Kontaktfläche das zweite Segment über dessen zweite Kontaktfläche (unmittelbar bzw. direkt) kontaktieren. Gleiches kann entsprechend für die andere zweite Seitenfläche des ersten Segments und die dort angeordnete zweite Kontaktfläche gelten.
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Eine Segmentierung des Klauenpol-Stators führt jedoch zu dem Problem des Zusammenfügens der Segmente zu dem ringförmigen Klauenpol-Stator. Dabei sollte einerseits ein gutes Handling der Segmente ermöglicht werden und andererseits eine möglichst genaue Positionierung der Segmente zueinander erreicht werden können. Beides wurde bisher über die Ausbildung von in der Umfangsrichtung formschlüssigen Verbindungen zwischen benachbart angeordneten Segmenten erreichbar bzw. gewährleistet. Es hat sich herausgestellt, dass eine hohe Präzision der Segmente ggf. zu einer problematischeren Montage führen kann.
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Es wird daher hier vorgeschlagen, in der formschlüssigen Verbindung ein Spiel insbesondere nur in einer der Richtungen (hier: ein Spiel gegenüber der Umfangsrichtung) vorzusehen.
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Formschlüssige Verbindungen entstehen durch das Ineinandergreifen von mindestens zwei Verbindungspartnern (hier: die Segmente). Dadurch können sich die Verbindungspartner auch ohne oder bei unterbrochener Kraftübertragung nicht lösen. Anders ausgedrückt ist bei einer formschlüssigen Verbindung der eine Verbindungspartner dem anderen im Weg (hier: gegenüber einer relativen Bewegung zueinander in der Umfangsrichtung und in der radialen Richtung). Hier wird die formschlüssige Verbindung durch relatives Verschieben zweier Segmente entlang der axialen Richtung hergestellt bzw. wieder gelöst.
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Mit den formschlüssigen Verbindungen können die einzelnen Segmente zu dem ringförmigen Klauenpol-Stator zusammengesetzt werden. Insbesondere können die Segmente auf einem Trägerkörper angeordnet sein, der die Segmente zumindest über deren Innenumfangsfläche oder deren Außenumfangsfläche zueinander ausrichtet bzw. ausgerichtet hält. Bevorzugt werden die Segmente dann miteinander verbunden, z. B. über ein zweites Material (z. B. ein Kunststoff), das z. B. im flüssigen Zustand dem Klauenpol-Stator zugeführt wird und sich dann verfestigt.
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Der Aufbau eines Klauenpol-Stators wird nachfolgend erläutert. Es werden zwei Klauenpol-Statoren entlang der axialen Richtung nebeneinander angeordnet, wobei sie über die Stirnflächen einander kontaktieren. Jeder Klauenpol-Stator weist eine Vielzahl von Polen auf, die sich ausgehend von einer Grundfläche entlang der axialen Richtung erstrecken. Erste Pole des ersten Klauenpol-Stators und zweite Pole des zweiten Klauenpol-Stators sind entlang der Umfangsrichtung wechselweise und jeweils benachbart zueinander und in der axialen Richtung einander überlappend, aber beabstandet zueinander, angeordnet. Die Pole können an der Innenumfangsfläche oder an der Außenumfangsfläche angeordnet sein. Die Klauenpol-Statoren kontaktieren dann einander über die Stirnflächen an der Außenumfangsfläche oder an der Innenumfangsfläche. In dem Zwischenraum der Klauenpol-Statoren, in der axialen Richtung zwischen den Stirnflächen und in der radialen Richtung zwischen den sich kontaktierenden Stirnflächen und den Polen kann eine Spule in der Umfangsrichtung umlaufend zwischen den Klauenpol-Statoren angeordnet werden. Eine Anordnung weiterer Paare von Klauenpol-Statoren mit Spulen an dem ersten Paar ist ebenfalls möglich. Dadurch können z. B. mehrphasige Transversalflussmaschinen gebildet werden. Eine Transversalflussmaschine kann insbesondere elektrische Leistungen von 0.01 kW [kiloWatt] bis über 5.000 kW bereitstellen.
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An den Stirnflächen der Klauenpol-Statoren können Positionierungshilfen vorgesehen sein, die mit korrespondierenden Positionierungshilfen an den gegenüberliegenden Stirnflächen zusammenwirken (z. B. Erhebungen und Vertiefungen).
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Insbesondere erstreckt sich zumindest eine der Kontaktflächen zwischen einem ersten Radius und einem zweiten Radius entlang der radialen Richtung mäanderförmig. „Mäanderförmig“ bedeutet insbesondere mit einer Krümmung, insbesondere bezogen auf die radiale Richtung abwechselnd orientierten Krümmungsradien. „Mäanderförmig“ kann der Verlauf sein, wenn sich die Kontaktfläche beidseits einer zum Verlauf der Kontaktfläche mittigen bzw. zentralen und parallel zur radialen Richtung gedachten Linie erstreckt.
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Insbesondere sind die Pole in der radialen Richtung außerhalb oder innerhalb der Kontaktfläche angeordnet.
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An jeder Seitenfläche des Segments ist eine Kontaktfläche vorgesehen. Die Kontaktfläche umfasst zumindest eine Teilfläche der Seitenfläche. Insbesondere erstreckt sich die Kontaktfläche über jeweils die gesamte Erstreckung der Seitenfläche entlang der axialen Richtung. Bevorzugt erstreckt sich die Kontaktfläche nur über einen Teil der Erstreckung der Seitenfläche entlang der radialen Richtung.
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Entlang der radialen Richtung erstreckt sich die Kontaktfläche mäanderförmig, wobei durch die mäandernde Form der Kontaktfläche die formschlüssige Verbindung mit einem benachbart angeordneten Segment gebildet wird.
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Ein solcher mäanderförmiger (und dabei scharfkantiger) Verlauf der Kontaktfläche wird zum Beispiel durch eine Schwalbenschwanz-Ausführung der Kontaktflächen verwirklicht.
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Bevorzugt weist zumindest eine der Kontaktflächen entlang des mäanderförmigen Verlaufs einen kleinsten Krümmungsradius von mindestens 1,0 mm [Millimeter], bevorzugt von mindestens 2,0 mm auf. Ein solcher Mindestradius reduziert das Risiko von Rissbildungen in dem Segment, die gerade bei scharfkantigen Ausführungen einer formschlüssigen Verbindung (z. B. ein Schwalbenschwanz) auftreten können.
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Insbesondere weist die zumindest eine Kontaktfläche entlang des mäanderförmigen Verlaufs einen ausschließlich gekrümmten Verlauf auf. Insbesondere sind also in der radialen Richtung keine geradlinigen Bereiche der Kontaktfläche vorgesehen. D. h. das jeder Punkt der Kontaktfläche entlang der radialen Richtung durch einen (sich entlang der radialen Richtung verändernden) Krümmungsradius gebildet ist.
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Bevorzugt erstreckt sich die zumindest eine Kontaktfläche entlang des mäanderförmigen Verlaufs über eine Länge, die um einen Faktor von mindestens 1,5, insbesondere um einen Faktor von mindestens zwei (2,0), größer ist als ein Abstand zwischen dem ersten Radius und dem zweiten Radius entlang der radialen Richtung. Infolge des mäanderförmigen Verlaufs wird also die Kontaktfläche verlängert (gegenüber einem geradlinigen Verlauf zwischen dem ersten Radius und dem zweiten Radius entlang der radialen Richtung).
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Eine Vergrößerung der Kontaktfläche erhöht zudem die Festigkeit des gefügten Klauenpol-Stators. Weiter wird durch den mäanderförmigen Verlauf und die Vergrößerung der Kontaktfläche das Spiel und die relative Beweglichkeit der Segmente zueinander reduziert.
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Insbesondere beträgt das zweite Spiel höchstens 50 %, bevorzugt höchstens 20 %, besonders bevorzugt höchstens 10 %, des ersten Spiels.
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Das erste Spiel zwischen den benachbarten Segmenten ermöglicht eine Verschiebung der Segmente relativ zueinander entlang der Umfangsrichtung, insbesondere um 0,2 bis 1,0 Millimeter, bevorzugt 0,2 bis 0,5 Millimeter. Das zweite Spiel zwischen den benachbarten Segmenten ermöglicht eine Verschiebung der Segmente relativ zueinander entlang der radialen Richtung, insbesondere um höchstens 0,5 Millimeter, bevorzugt um höchstens 0,25 Millimeter.
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Insbesondere liegt das zweite Spiel, unabhängig von der Lage der Segmente zueinander in Bezug auf das erste Spiel, immer konstant vor.
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Insbesondere ist der Klauenpol-Stator in der Umfangsrichtung umlaufend ausgebildet und weist einen größten ersten Durchmesser als einen größten Nenndurchmesser (also der größte Durchmesser des Klauenpol-Stators, wobei das konstruktiv vorgesehene Nennmaß für diesen Durchmesser hier betrachtet wird) auf, wobei infolge des ersten Spiels der Klauenpol-Stator so verformbar ist, dass ein größter zweiter Durchmesser des verformten Klauenpol-Stators um mindestens 2 %, bevorzugt mindestens 5 %, von dem ersten Durchmesser abweicht.
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Der größte Nenndurchmesser ist insbesondere der größte, als Nennmaß vorgesehene, erste Durchmesser des Klauenpol-Stators. Der größte zweite Durchmesser wird erreicht, wenn die Segmente auseinandergezogen (um das erste Spiel) oder zusammengeschoben (um das erste Spiel) werden. Der dann vorliegende größte zweite Durchmesser weicht dann insbesondere um den angegebenen Wert von dem größten ersten Durchmesser ab, kann also kleiner oder größer als der größte erste Durchmesser sein.
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Durch das Auseinanderziehen oder Zusammenschieben der Segmente und das Einstellen eines zweiten Durchmessers kann z. B. während einer Montage des Klauenpol-Stators bzw. einer Stator-Anordnung, der ringförmige Klauenpol-Stator auf einem Stator-Träger einfacher angeordnet werden, z. B. entlang einer axialen Richtung aufgeschoben werden. Der Nenndurchmesser des Klauenpol-Stators wird dann nach dem Aufschieben bzw. Anordnen z. B. durch den Stator-Träger vorgegeben, an dem der Klauenpol-Stator durch Verändern des ersten Spiels dann ggf. spielfrei bzw. spaltfrei angeordnet wird.
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Insbesondere ist die Nenn-Form des Klauenpol-Stators kreisringförmig, weist also z. B. einen konstanten Innendurchmesser und Außendurchmesser auf. Infolge des ersten Spiels kann diese Nenn-Form bei einem Auseinanderschieben der Segmente insbesondere vergrößert werden, so dass sich entweder ein umlaufend konstanter, größerer (zweiter) Durchmesser ergibt, oder sich die Kreisringform z. B. zu einem Oval mit einem lokal noch größeren zweiten Durchmesser umformen lässt. Umgekehrt kann gleiches bei einem Zusammenschieben der Segmente erreicht werden (mit dann entsprechend verkleinerten zweiten Durchmessern).
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Bei der vorgeschlagenen Anordnung des ersten Spiels (wirksam in der Umfangsrichtung) und dem kleineren zweiten Spiel (wirksam in der radialen Richtung) kann insbesondere berücksichtigt werden, dass sich in den Bereichen, die von dem magnetischen Fluss durchströmt werden, nur geringe Spalte zwischen benachbarten Segmenten ergeben. Dabei ist der im Betrieb des Klauenpol-Stators auftretende Verlauf des magnetischen Flusses zu berücksichtigen.
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Insbesondere verläuft eine Kontaktfläche im Bereich des zweiten Spiels im Wesentlichen entlang der Umfangsrichtung (und insbesondere im Wesentlichen parallel zur axialen Richtung) und quer zur radialen Richtung.
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Insbesondere verläuft eine Kontaktfläche im Bereich des ersten Spiels im Wesentlichen entlang der radialen Richtung (und insbesondere im Wesentlichen parallel zur axialen Richtung) und quer zur Umfangsrichtung.
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Das größere erste Spiel ermöglicht insbesondere, dass bei der Herstellung der Segmente eine geringere Anforderung an die Toleranz der Segmente gestellt werden kann. Insbesondere kann so eine Toleranz in Bezug auf die Umfangsrichtung gegenüber der Toleranz in Bezug auf die radiale Richtung vergrößert werden. Daraus ergeben sich insbesondere Vorteile bei der Fertigung der Segmente, z. B. hinsichtlich der Kosten für die Herstellung der Werkzeuge, der Qualitätsüberwachung, des Anteils an Ausschuss, etc.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung umfasst jedes Segment eine Mehrzahl von Polen.
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Gemäß einer zweiten Ausgestaltung hat jedes Segment genau einen (einzelnen) Pol. Bei derartigen Segmenten ist eine besonders kompakte Matrize eines Presswerkzeugs, das zur Herstellung des Segments verwendet wird, einsetzbar. Weiterhin können gerade dann zusätzliche Maßnahmen zur weiteren Homogenisierung der Dichte in dem Pressteil (Grünling) in einfacher und kostengünstiger Weise getroffen werden.
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Die Segmentierung erlaubt die kostengünstige und hochpräzise Herstellung eines Klauenpol-Stators, da zum einen die sehr kleinen Segmente hochgenau hergestellt und zum anderen die Segmente zueinander über eine Zentriereinrichtung (z. B. den Stator-Träger, also einen Trägerkörper) präzise zueinander ausgerichtet und angeordnet werden können. Diese so erzeugte hochgenaue Form des Klauenpol-Stators kann anschließend durch eine fixierende Maßnahme (z. B. das Einbetten in einen Kunststoff) festgelegt werden.
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Insbesondere wird vorgeschlagen, dass jedes der Segmente pulvermetallurgisch durch Verpressen und Wärmebehandeln hergestellt ist.
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Bevorzugt ist der Klauenpol-Stator ausschließlich durch identisch ausgeführte Segmente gebildet. Die Segmente weisen dann erste Kontaktflächen auf, die mit den zweiten Kontaktflächen eines benachbart angeordneten identischen Segments die formschlüssige Verbindung ausbilden.
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Insbesondere bildet der Klauenpol-Stator mit der Außenumfangsfläche oder der Innenumfangsfläche der Segmente eine zylinderförmige Kontur, wobei eine Umfangsfläche von Außenumfangsfläche und Innenumfangsfläche durch die Pole der Segmente gebildet ist.
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Es wird weiter eine Stator-Anordnung vorgeschlagen, zumindest umfassend den beschriebenen Klauenpol-Stator sowie einen Stator-Träger, wobei der Klauenpol-Stator auf dem Stator-Träger angeordnet ist, der eine Nenn-Form des Klauenpol-Stators zumindest hinsichtlich eines Innendurchmessers oder eines Außendurchmessers des Klauenpol-Stators vorgibt.
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Die Nenn-Form ist die konstruktiv vorgesehene Form des Klauenpol-Stators, also mit einer null-Abweichung vom jeweils vorgesehenen Nennmaß.
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Insbesondere ist ein Spalt zwischen zumindest zwei Segmenten durch zumindest elektromagnetisch leitendes erstes Material zumindest teilweise gefüllt. Insbesondere können so z. B. durch das erste Spiel (ggf. durch andere Maße) gebildete Abstände bzw. Spalte zwischen zwei zueinander benachbarten Segmenten geschlossen werden, so dass nur geringe elektrische Verluste im Betrieb der Stator-Anordnung auftreten.
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Insbesondere sind die Segmente von einem zweiten Material zumindest teilweise umfasst, so dass eine Nenn-Form des Klauenpol-Stators durch das zweite Material fixiert ist. Insbesondere ist das zweite Material während der Applikation niedrigviskos oder flüssig, so dass auch kleine Freiräume im Klauenpol-Stator dadurch gefüllt werden können. Insbesondere ist das zweite Material nicht elektrisch oder elektromagnetisch leitfähig.
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Es wird weiter ein Segment für den beschriebenen Klauenpol-Stator vorgeschlagen, wobei sich das Segment ausgehend von einer Innenumfangsfläche entlang einer radialen Richtung hin zu einer Außenumfangsfläche erstreckt und in der Umfangsrichtung durch eine erste Seitenfläche und eine zweite Seitenfläche und in einer axialen Richtung durch eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche begrenzt ist. Das Segment ist über die Seitenflächen mit mindestens einem weiteren Segment zur Bildung des (ringförmigen) Klauenpol-Stators verbindbar, wobei zueinander benachbart anordenbare Segmente einander über eine erste Kontaktfläche der ersten Seitenfläche oder über eine zweite Kontaktfläche der zweiten Seitenfläche kontaktieren. Die Kontaktflächen sind so geformt, dass über die Kontaktflächen jeweils eine in der Umfangsrichtung formschlüssige Verbindung mit einer komplementär geformten Kontaktfläche eines benachbart anordenbaren Segments ausbildbar ist.
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Insbesondere erstreckt sich zumindest eine (bevorzugt beide) der Kontaktflächen parallel zur axialen Richtung.
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Insbesondere erstreckt sich ein Pol des Segments ausgehend von einer Grundfläche entlang der axialen Richtung und verjüngt sich dabei.
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Insbesondere ist das Segment pulvermetallurgisch durch Verpressen und Wärmebehandeln hergestellt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Transversalflussmaschine vorgeschlagen, zumindest umfassend einen Stator und einen Rotor, wobei der Stator zumindest zwei der vorstehend beschriebenen Klauenpol-Statoren umfasst, wobei erste Pole des ersten Klauenpol-Stators und zweite Pole des zweiten Klauenpol-Stators entlang der Umfangsrichtung wechselweise und jeweils benachbart zueinander und in der axialen Richtung einander überlappend angeordnet sind. Dabei werden die Klauenpol-Statoren so zueinander angeordnet, dass die Pole ausgehend von der Grundfläche sich entlang der axialen Richtung hin zum anderen Klauenpol-Stator erstrecken.
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Die axiale Richtung ist parallel zu einer Drehachse der Transversalflussmaschine ausgerichtet.
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Insbesondere erstreckt sich der Rotor ringförmig und weist entlang der Umfangsrichtung eine Vielzahl von Permanentmagneten auf, wobei zwischen Rotor und Stator ein in der Umfangsrichtung umlaufender Luftspalt vorgesehen ist.
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Die Ausführungen zu dem Klauenpol-Stator gelten gleichermaßen für das Segment, die Stator-Anordnung und/oder die Transversalflussmaschine sowie umgekehrt.
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Die Transversalflussmaschine ist insbesondere für elektrisch betriebene Fahrräder (Pedelecs) einsetzbar.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“,...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen oder Größen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände oder Größen zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:
- 1: ein Segment in einer ersten perspektivischen Ansicht;
- 2: das Segment nach 1 in einer zweiten perspektivischen Ansicht;
- 3: das Segment nach 1 und 2 in einer Seitenansicht
- 4: einen Klauenpol-Stator in einer perspektivischen Ansicht;
- 5: den Klauenpol-Stator nach 4 in einer Ansicht entlang der axialen Richtung von unten;
- 6: das Segment nach 1 bis 3 in einer Ansicht entlang der axialen Richtung von oben;
- 7: eine formschlüssige Verbindung zweier Segmente des Klauenpol-Stators nach 4 und 5, in einer Ansicht entlang der axialen Richtung von unten;
- 8: eine formschlüssige Verbindung zweier Segmente eines anderen Klauenpol-Stators, in einer Ansicht entlang der axialen Richtung von unten;
- 9: eine Darstellung eines magnetischen Flusses durch einen Ausschnitt eines Klauenpol-Stators nach 8, in einer Ansicht des Klauenpol-Stators entlang der axialen Richtung von unten;
- 10: ein Detail der 9;
- 11: ein Detail der 10;
- 12: eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsvariante einer Stator-Anordnung in einer Seitenansicht;
- 13: eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante einer Stator-Anordnung in einer Seitenansicht;
- 14: die Stator-Anordnung nach 12 in einer perspektivischen Ansicht im Schnitt;
- 15: die Stator-Anordnung nach 12 und 14 in einer perspektivischen Ansicht; und
- 16: die Stator-Anordnung nach 12, 14 und 15, hier mit zweitem Material, in einer perspektivischen Ansicht.
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1 zeigt ein Segment 3 in einer ersten perspektivischen Ansicht. 2 zeigt das Segment 3 nach 1 in einer zweiten perspektivischen Ansicht. 3 zeigt ein Segment 3 nach 1 und 2 in einer Seitenansicht. Die 1 bis 3 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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Das Segment 3 erstreckt sich ausgehend von einer Innenumfangsfläche 5 entlang einer radialen Richtung 6 hin zu einer Außenumfangsfläche 7 und ist in der Umfangsrichtung 4 durch eine erste Seitenfläche 8 und eine zweite Seitenfläche 9 und in einer axialen Richtung 10 durch eine erste Stirnfläche 11 und eine zweite Stirnfläche 12 begrenzt. Das Segment 3 ist über die Seitenflächen 11 mit weiteren Segmenten 3 zur Bildung des ringförmigen Klauenpol-Stators 1 verbindbar, wobei zueinander benachbart anordenbare Segmente 3 einander über eine erste Kontaktfläche 13 der ersten Seitenfläche 8 oder über eine zweite Kontaktfläche 14 der zweiten Seitenfläche 9 kontaktieren. Die Kontaktflächen 13, 14 sind so geformt, dass über die Kontaktflächen 13, 14 jeweils eine in der Umfangsrichtung 4 formschlüssige Verbindung 15 mit einer komplementär geformten Kontaktfläche 14, 13 eines benachbart anordenbaren Segments 3 ausbildbar ist. Beide Kontaktflächen 13, 14 erstrecken sich parallel zur axialen Richtung 10.
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Ein Pol 19 des Segments 3 erstreckt sich ausgehend von einer Grundfläche 22 entlang der axialen Richtung 10 und verjüngt sich dabei.
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An den Stirnflächen 11, 12 der Segmente 3 sind Positionierungshilfen 34 vorgesehen, die mit korrespondierenden Positionierungshilfen 34 an den gegenüberliegenden Stirnflächen 11, 12 von benachbart angeordneten Segmenten eines anderen Klauenpol-Stators 1 zusammenwirken (hier: Erhebungen und Vertiefungen).
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Die Kontaktflächen 13, 14 erstrecken sich zwischen einem ersten Radius 16 und einem zweiten Radius 17 entlang der radialen Richtung 10 mäanderförmig.
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Die Pole 19 sind in der radialen Richtung 6 außerhalb der Kontaktflächen 13, 14 angeordnet.
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An jeder Seitenfläche 8, 9 des Segments 3 ist eine Kontaktfläche 13, 14 vorgesehen. Die Kontaktfläche 13, 14 umfasst eine Teilfläche der Seitenfläche 8, 9. Die Kontaktflächen 13, 14 erstrecken sich über jeweils die gesamte Erstreckung der Seitenfläche 8, 9 entlang der axialen Richtung 10. Die Kontaktflächen 13, 14 erstrecken sich nur über einen Teil der Erstreckung der Seitenfläche 8, 9 entlang der radialen Richtung 6.
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Entlang der radialen Richtung 6 erstrecken sich die Kontaktflächen 13, 14 mäanderförmig, wobei durch die mäandernde Form der Kontaktflächen 13, 14 die formschlüssige Verbindung 15 mit einem benachbart angeordneten Segment 3 gebildet wird. Die Kontaktflächen 13, 14 weisen entlang des mäanderförmigen Verlaufs einen kleinsten Krümmungsradius 18 auf.
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Hier weisen Kontaktflächen 13, 14 entlang des mäanderförmigen Verlaufs einen ausschließlich gekrümmten Verlauf auf. Hier sind also in der radialen Richtung 6 keine geradlinigen Bereiche der Kontaktflächen 13, 14 vorgesehen. D. h. das jeder Punkt der Kontaktflächen 13, 14 entlang der radialen Richtung 6 durch einen (sich entlang der radialen Richtung 6 verändernden) Krümmungsradius 18 gebildet ist.
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Die Kontaktflächen 13, 14 erstrecken sich entlang des mäanderförmigen Verlaufs über eine Länge 20, die um einen Faktor größer ist als ein Abstand 21 zwischen dem ersten Radius 16 und dem zweiten Radius 17 entlang der radialen Richtung 6. Infolge des mäanderförmigen Verlaufs werden also die Kontaktflächen 13, 14 in der radialen Richtung 6 verlängert (gegenüber einem geradlinigen Verlauf zwischen dem ersten Radius 16 und dem zweiten Radius 17 entlang der radialen Richtung 6) und somit vergrößert.
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4 zeigt einen Klauenpol-Stator 1 in einer perspektivischen Ansicht. 5 zeigt den Klauenpol-Stator 1 nach 4 in einer Ansicht entlang der axialen Richtung 10 von unten. Die 4 und 5 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 1 bis 3 wird Bezug genommen.
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Der Klauenpol-Stator 1 ist durch eine Vielzahl der in den 1 bis 3 dargestellten Segmente 3 gebildet, die entlang einer Umfangsrichtung 4 nebeneinander angeordnet den ringförmigen Klauenpol-Stator 1 bilden. Jedes Segment 3 erstreckt sich ausgehend von einer Innenumfangsfläche 5 entlang einer radialen Richtung 6 hin zu einer Außenumfangsfläche 7 und ist in der Umfangsrichtung 4 durch eine erste Seitenfläche 8 und eine zweite Seitenfläche 9 und in einer axialen Richtung 10 durch eine erste Stirnfläche 11 und eine zweite Stirnfläche 12 begrenzt. Jedes Segment 3 ist über die Seitenflächen 8, 9 mit weiteren Segmenten 3 zur Bildung des ringförmigen Klauenpol-Stators 1 verbunden. Zueinander benachbart angeordnete Segmente 3 kontaktieren einander über eine erste Kontaktfläche 13 der ersten Seitenfläche 8 oder über eine zweite Kontaktfläche 14 der zweiten Seitenfläche 9 des jeweiligen Segments 3 (siehe auch 1 bis 3) und bilden über die Kontaktflächen 13, 14 eine in der Umfangsrichtung 4 formschlüssige Verbindung 15 aus.
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Die Pole 19 sind in der radialen Richtung 6 außerhalb der Kontaktflächen 13, 14 angeordnet.
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Hier sind alle Segmente 3 identisch zueinander ausgeführt, so dass das erste Segment 3 über dessen erste Kontaktfläche 13 das zweite Segment 3 über dessen zweite Kontaktfläche 14 kontaktiert. Gleiches gilt dann entsprechend für die andere zweite Seitenfläche 9 des ersten Segments 3 und die dort angeordnete zweite Kontaktfläche 14.
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Der Klauenpol-Stator 1 ist in der Umfangsrichtung 4 umlaufend ausgebildet und weist einen größten ersten Durchmesser 29 als einen größten Nenndurchmesser auf, wobei infolge des ersten Spiels 24 (siehe 7) der Klauenpol-Stator 1 so verformbar ist, dass ein größter zweiter Durchmesser 30 (in 5 angedeutet) des verformten Klauenpol-Stators 1 um ein Mindestmaß von dem ersten Durchmesser 29 abweicht.
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6 zeigt das Segment 3 nach 1 bis 3 ein einer Ansicht entlang der axialen Richtung 10 von oben. Auf die Ausführungen zu 1 bis 5 wird Bezug genommen.
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Das größere erste Spiel 24 ermöglicht, dass bei der Herstellung der Segmente 3 eine geringere Anforderung an die Toleranz der Segmente 3 gestellt werden kann. Damit kann eine erste Toleranz 41 in Bezug auf die Umfangsrichtung 4 gegenüber der zweiten Toleranz 42 in Bezug auf die radiale Richtung 6 vergrößert werden.
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7 zeigt eine formschlüssige Verbindung 15 zweier Segmente 3 des Klauenpol-Stators 1 nach 4 und 5, in einer Ansicht entlang der axialen Richtung 10 von unten. 8 zeigt eine formschlüssige Verbindung 15 zweiter Segmente 3 eines anderen Klauenpol-Stators 1, in einer Ansicht entlang der axialen Richtung 10 von unten. Die 7 und 8 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die 1 bis 6 wird Bezug genommen.
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Erkennbar sind die Pole 19 des anderen Klauenpol-Stators 1 an einer Innenumfangsfläche 5 jedes Segments 3 angeordnet.
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Das erste Spiel 24 zwischen den benachbarten Segmenten 3 ermöglicht eine Verschiebung der Segmente 3 relativ zueinander entlang der Umfangsrichtung 4. Das zweite Spiel 25 zwischen den benachbarten Segmenten 3 ermöglicht eine geringere Verschiebung der Segmente 3 relativ zueinander entlang der radialen Richtung 6.
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Beide Klauenpol-Statoren 1 sind in der Umfangsrichtung 4 umlaufend ausgebildet und weisen einen größten ersten Durchmesser 29 als einen größten Nenndurchmesser auf, wobei infolge des ersten Spiels 24 der Klauenpol-Stator 1 so verformbar ist, dass ein größter zweiter Durchmesser 30 des verformten Klauenpol-Stators 1 von dem ersten Durchmesser 29 abweicht. In 8 ist dargestellt, dass der zweite Durchmesser 30 bei auseinandergezogenen Segmenten 3 größer ist als der erste Durchmesser 29.
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Durch das Auseinanderziehen oder Zusammenschieben der Segmente 3 und das Einstellen eines zweiten Durchmessers 30 kann z. B. während einer Montage des Klauenpol-Stators 1 bzw. einer Stator-Anordnung 31 der ringförmige Klauenpol-Stator 1 auf einem Stator-Träger 32 einfacher angeordnet werden, z. B. entlang einer axialen Richtung 10 aufgeschoben werden. Der Nenndurchmesser des Klauenpol-Stators 1 wird dann nach dem Aufschieben bzw. Anordnen z. B. durch den Stator-Träger 32 vorgegeben, an dem der Klauenpol-Stator 1 durch Verändern des ersten Spiels 24 dann ggf. spielfrei bzw. spaltfrei angeordnet wird.
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Eine Kontaktfläche 13, 14 im Bereich des zweiten Spiels 25 verläuft im Wesentlichen entlang der Umfangsrichtung 4 und hier parallel zur axialen Richtung 10 sowie quer zur radialen Richtung 6.
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Eine Kontaktfläche 13, 14 im Bereich des ersten Spiels 24 verläuft im Wesentlichen entlang der radialen Richtung 6 und hier parallel zur axialen Richtung 10 sowie quer zur Umfangsrichtung 4.
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Ein z. B. infolge des ersten Spiels 24 auftretender Spalt 33 zwischen den Kontaktflächen 13, 14 zweier benachbarter Segmente 3 kann durch zumindest elektromagnetisch leitendes erstes Material 35 gefüllt sein bzw. werden.
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9 zeigt eine Darstellung eines magnetischen Flusses 43 durch einen Ausschnitt eines Klauenpol-Stators 1 nach 8, in einer Ansicht des Klauenpol-Stators 1 entlang der axialen Richtung 10 von unten (also von der Grundfläche 22 bzw. von der zweiten Stirnfläche 12). 10 zeigt ein Detail der 9. 11 zeigt ein Detail der 10. Die 9 bis 11 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 1 bis 8 wird Bezug genommen.
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In den 9 bis 11 ist die Strömungsrichtung 44 des magnetischen Flusses 43 durch den Klauenpol-Stator 1 im Betrieb der Transversalflussmaschine 2 dargestellt. Erkennbar verläuft die Strömungsrichtung 44 im Bereich der Kontaktflächen 13, 14 und der formschlüssigen Verbindung 15 der Segmente 3 hauptsächlich entlang der radialen Richtung 6.
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Bei der vorgeschlagenen Anordnung des ersten Spiels 24 (wirksam in der Umfangsrichtung 4) und dem kleineren zweiten Spiel 25 (wirksam in der radialen Richtung 6) kann berücksichtigt werden, dass sich in den Bereichen, die von dem magnetischen Fluss 43 durchströmt werden, nur geringe Spalte 33 zwischen benachbarten Segmenten 3 ergeben. Dabei ist der im Betrieb des Klauenpol-Stators 1 auftretende Verlauf (die Strömungsrichtung 44) des magnetischen Flusses 43 zu berücksichtigen.
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In 11 ist verdeutlicht, dass Kontaktflächen 13, 14 im Bereich des zweiten Spiels 25 im Wesentlichen entlang der Umfangsrichtung 4 und hier parallel zur axialen Richtung 10 sowie quer zur radialen Richtung 6 verlaufen. Das nur geringe zweite Spiel 25 stellt sicher, dass in diesen Bereichen keine oder nur sehr kleine Spalte 33 auftreten, so dass der magnetische Fluss 43 möglichst verlustfrei von einem Segment 3 hin zum anderen Segment 3 geleitet werden kann.
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12 zeigt eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsvariante einer Stator-Anordnung 31 in einer Seitenansicht. 13 zeigt eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante einer Stator-Anordnung 31 in einer Seitenansicht. Die 12 und 13 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 1 bis 8 wird Bezug genommen.
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Die Stator-Anordnung 31 umfasst mehrere (hier sechs) Klauenpol-Statoren 1, wobei zwischen jeweils zwei Klauenpol-Statoren 1, die über ihre erste Stirnflächen 11 einander kontaktieren und deren Pole 19 entlang der Umfangsrichtung 4 nebeneinander und dabei in der axialen Richtung 10 einander überlappend angeordnet sind, eine in der Umfangsrichtung 4 verlaufende Spule 40 angeordnet ist. Die Stator-Anordnung 31 umfasst weiter einen Stator-Träger 32, auf dem die Klauenpol-Statoren 1 angeordnet sind. Der Stator-Träger 32 gibt eine Nenn-Form der Klauenpol-Statoren 1 hinsichtlich eines Innendurchmessers (erstreckt sich zwischen der Innenumfangsfläche 5 der Klauenpol-Statoren 1) vor. Die Klauenpol-Statoren 1 werden auf den Stator-Träger 32 nach 12 entlang der axialen Richtung 10 aufgeschoben. Der Stator-Träger 32 weist dazu eine rein zylindrische äußere Form auf, an den sich die Innenumfangsfläche 5 der Klauenpol-Statoren 1 anlegen.
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In 13 ist dargestellt, dass der Stator-Träger 32 an einem ersten Ende 38 und an einem zweiten Ende 39 jeweils einen sich ausgehend von der ansonsten zylindrischen äußeren Form in der radialen Richtung 6 nach außen erstreckende Absätze 37 aufweist. Infolge dieser Absätze 37 ist ein Aufschieben der Klauenpol-Statoren 1 entlang der axialen Richtung 10, wenn diese eine Nenn-Form aufweisen, unmöglich. Infolge des ersten Spiels 24 können die einzelnen Segmente 3 nun auseinandergezogen werden, so dass der Klauenpol-Stator 1 einen vergrößerten zweiten Durchmesser 30 aufweist. In diesem Zustand können die Klauenpol-Statroen 1 entlang der axialen Richtung 10 auf den Stator-Träger 32 auch über den Absatz 37 hinweg aufgeschoben werden.
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14 zeigt die Stator-Anordnung 31 nach 12 in einer perspektivischen Ansicht im Schnitt. 15 zeigt die Stator-Anordnung 31 nach 12 und 14 in einer perspektivischen Ansicht. 16 zeigt die Stator-Anordnung 31 nach 12, 14 und 15, hier mit zweitem Material 36, in einer perspektivischen Ansicht. Die 14 bis 16 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 12 und 13 wird Bezug genommen.
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Die Stator-Anordnung 31 umfasst die sechs Klauenpol-Statoren 1, wobei zwischen jeweils zwei Klauenpol-Statoren 1 eine in der Umfangsrichtung 4 verlaufende Spule 40 angeordnet ist. Die Stator-Anordnung 31 umfasst weiter einen Stator-Träger 32, auf dem die Klauenpol-Statoren 1 angeordnet sind.
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Insbesondere kann in dem Zustand gemäß 12 bis 15 ein erstes Material 35 angeordnet werden, so dass ggf. vorliegende Spalte 33 zwischen den Kontaktflächen 13, 14 der Segmente mit dem ersten Material 35 gefüllt werden können.
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In 16 ist dargestellt, dass die Klauenpol-Statoren 1 bzw. die Segmente 3 von einem zweiten Material 36 zumindest teilweise umfasst sind, so dass eine Nenn-Form der Klauenpol-Statoren 1 durch das zweite Material 36 fixiert ist. Insbesondere ist das zweite Material 36 während der Applikation niedrigviskos oder flüssig, so dass auch kleine Freiräume im Klauenpol-Stator 1, z. B. zwischen Spule 40 und Segmenten 3, dadurch gefüllt werden können.
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In
16 ist eine aus der
WO 2018/166858 A1 bekannte Transversalflussmaschine
2 angedeutet. Die Transversalflussmaschine
2 umfasst unter anderem einen Stator
26 und einen Rotor
27, wobei der Stator
26 hier sechs der Klauenpol-Statoren
1 umfasst. Es werden jeweils zwei Klauenpol-Statoren
1 entlang der axialen Richtung
10 nebeneinander angeordnet, wobei sie über die ersten Stirnflächen
11 einander kontaktieren. wobei jeweils die Pole
19 von zwei Klauenpol-Statoren
1 entlang der Umfangsrichtung
4 wechselweise und jeweils benachbart zueinander und in der axialen Richtung
10 einander überlappend angeordnet sind. Dabei werden die Klauenpol-Statoren
1 so zueinander angeordnet, dass die Pole
19 ausgehend von der Grundfläche
22 sich entlang der axialen Richtung
10 hin zum anderen Klauenpol-Stator
1 erstrecken. Zwischen diesen Klauenpol-Statoren
1 ist jeweils eine Spule
40 angeordnet.
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Die axiale Richtung 10 ist parallel zu einer Drehachse 32 der Transversalflussmaschine 2 ausgerichtet.
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Der Rotor 27 erstreckt sich ringförmig und weist entlang der Umfangsrichtung 4 eine Vielzahl von Permanentmagneten 45 auf, wobei zwischen Rotor 27 und Stator 26 ein in der Umfangsrichtung 4 umlaufender Luftspalt vorgesehen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Klauenpol-Stator
- 2
- Transversalflussmaschine
- 3
- Segment
- 4
- Umfangsrichtung
- 5
- Innenumfangsfläche
- 6
- radiale Richtung
- 7
- Außenumfangsfläche
- 8
- erste Seitenfläche
- 9
- zweite Seitenfläche
- 10
- axiale Richtung
- 11
- erste Stirnfläche
- 12
- zweite Stirnfläche
- 13
- erste Kontaktfläche
- 14
- zweite Kontaktfläche
- 15
- Verbindung
- 16
- erster Radius
- 17
- zweiten Radius
- 18
- Krümmungsradius
- 19
- Pol
- 20
- Länge
- 21
- Abstand
- 22
- Grundfläche
- 23
- Verjüngung
- 24
- erstes Spiel
- 25
- zweites Spiel
- 26
- Stator
- 27
- Rotor
- 28
- Drehachse
- 29
- erster Durchmesser
- 30
- zweiter Durchmesser
- 31
- Stator-Anordnung
- 32
- Stator-Träger
- 33
- Spalt
- 34
- Positionierungshilfe
- 35
- erstes Material
- 36
- zweites Material
- 37
- Absatz
- 38
- erstes Ende
- 39
- zweites Ende
- 40
- Spule
- 41
- erste Toleranz
- 42
- zweite Toleranz
- 43
- magnetischer Fluss
- 44
- Strömungsrichtung
- 45
- Permanentmagnet
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009021703 B4 [0002]
- WO 2018/166858 A1 [0004, 0094]
