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Die Erfindung betrifft einen modular aufgebauten Stator einer elektrischen Maschine.
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Üblicherweise umfasst ein aus dem Stand der Technik bekannter Stator mehrere Statornuten, in denen so genannte Erregerwicklungen angeordnet sind.
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Ein Stromfluss durch die Erregerwicklungen erzeugt ein magnetisches Feld des Stators, welches z. B. mit einem magnetischen Feld eines Rotors einer elektrischen Maschine zusammenwirkt, um eine Drehbewegung zu erzeugen.
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Um die Erregerwicklungen bzw. Spulenelemente in den Statornuten bzw. an den Statorzähnen zu fixieren bzw. ein Herausrutschen der Erregerwicklungen aus den Statornuten zu verhindern, werden so genannte Nutkeile in die Nuten eingebracht. Die Nutkeile verschließen dabei eine Öffnung der Statornut.
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In diesem Zusammenhang ist bei elektrischen Maschinen ein Schlüsselfaktor (neben dem Preis) die in einem definierten Bauraum erreichbare Leistungsdichte.
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Hierbei ist vor allem die erreichbare aktive Blechlänge und der darin erreichbare Kupfernutfüllgrad, sowie die Anbindung des Kupfers an das Blechpaket relevant.
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Denn nur bei hohen Leistungsdichten können zum Beispiel elektrische Maschinen verkleinert werden und somit Gewicht zum Beispiel bei einem Automobil eingespart werden.
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Selbstverständlich spielt auch die Ausgestaltung eines Stators eine Rolle, um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen.
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Um dies zu erreichen, ist ein einfacher Aufbau wünschenswert, mit welchem eine präzise Fertigung eines Stators erzielbar ist.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen modular aufgebauten Stator einer elektrischen Maschine anzugeben, welcher kostengünstig und materialsparend herstellbar ist sowie eine Erhöhung der Leistungsdichte durch Optimierung bestehender Topologien einer elektrischen Maschine gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß umfasst bei der vorliegenden Erfindung ein modular aufgebauter Stator einer elektrischen Maschine:
- - einen ersten Statorzahn und einen zweiten Statorzahn, die miteinander verbunden und benachbart angeordnet sind,
- - wobei jeder Statorzahn ein Fußelement zur Bildung eines außenliegenden Statorrings und zwei Zahnflanken aufweist.
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Bevorzugterweise sind die zwei Zahnflanken gegeneinander geneigt. Vorzugsweise ist der Statorzahn im Querschnitt trapezförmig ausgebildet.
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Auch ist es bevorzugt, dass das Fußelement auf Seiten der ersten Zahnflanke ein Eingriffselement, insbesondere eine Nut, für ein Aufnahmeelement aufweist.
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Günstigerweise weist das Fußelement auf Seiten der zweiten Zahnflanke ein Aufnahmeelement, insbesondere eine Feder, für das Eingriffselement auf.
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Vorzugsweise ist das Eingriffselement ausgebildet, in das Aufnahmeelement einzugreifen.
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Des Weiteren ist es günstig, wenn jeder Statorzahn ein Kopfelement aufweist, das einen Verbindungsbereich für eine formschlüssige Verbindung mit einem Nutkeilelement aufweist.
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Vorteilhafterweise weist der modular aufgebaute Stator ein vorgewickeltes und vorgeformtes Spulenelement, das an die Form eines Statorzahns angepasst ist, auf.
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Hierbei ist es günstig, wenn das Spulenelement als sogenannte konzentrierte Wicklung ausgebildet ist.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn das Spulenelement auf einen Statorzahn aufgeschoben ist.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der modular aufgebaute Stator ein Nutkeilelement umfasst, das zwischen zwei benachbarten Statorzähnen eingesetzt ist und sich im Eingriff mit je einem Verbindungsbereich eines Kopfelements der Statorzähne befindet. Mithilfe eines Nutkeilelements kann ein Spulenelement in den Statornuten bzw. an einem Statorzahn fixiert werden bzw. gegen Herausrutschen aus den Statornuten gesichert werden, wobei das Nutkeilelement eine Öffnung der Statornut verschließt.
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Günstigerweise führt die Verwendung von Nutkeilelementen mit Ferrit in z. B. Axialfluss-Statoren zur Reduktion des Nutrastmoments. Auch ist es günstig, wenn Nutkeilelemente zur Verkeilung bzw. Stabilisierung der Wicklung bzw. des Wicklungskörpers innerhalb einer Nut verwendet werden. Somit kann nämlich ein Spulenelement an einem Statorzahn gesichert werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der modular aufgebaute Stator einer elektrischen Maschine folgende Kombination von Merkmalen umfasst:
- - einen ersten Statorzahn und einen zweiten Statorzahn, die miteinander verbunden und benachbart angeordnet sind,
- - wobei jeder Statorzahn ein Fußelement zur Bildung eines außen-liegenden Statorrings und zwei Zahnflanken aufweist, die gegeneinander geneigt sind,
- - wobei das Fußelement auf Seiten der ersten Zahnflanke ein Eingriffselement, insbesondere eine Nut, für ein Aufnahmeelement aufweist,
- - wobei das Fußelement auf Seiten der zweiten Zahnflanke ein Aufnahmeelement, insbesondere eine Feder, für das Eingriffselement aufweist,
- - wobei das Eingriffselement ausgebildet ist, in das Aufnahmeelement einzugreifen,
- - wobei jeder Statorzahn ein Kopfelement aufweist, das einen Verbindungsbereich für eine formschlüssige Verbindung mit einem Nutkeilelement aufweist,
- - ein vorgewickeltes und vorgeformtes Spulenelement, das an die Form eines Statorzahns angepasst ist,
- - wobei das Spulenelement auf einen Statorzahn aufgeschoben ist, und
- - ein Nutkeilelement, eingesetzt zwischen zwei benachbarten Statorzähnen und im Eingriff mit je einem Verbindungsbereich eines Kopfelements der Statorzähne.
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Die vorgenannte Kombination von Merkmalen hat den besonderen technischen Vorteil, dass damit ein modular aufgebauter Stator einer elektrischen Maschine angegeben werden kann, welcher kostengünstig und materialsparend herstellbar ist sowie eine besonders große Erhöhung der Leistungsdichte ermöglicht.
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Vorteilhafterweise weist das Spulenelement einen Rechteckdraht und/oder einen Stab und/oder einen Runddraht auf.
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Alternativ oder ergänzend ist es von Vorteil, wenn das Spulenelement einen Formdraht aufweist, der an die Nutgeometrie zwischen zwei benachbarten Statorzähnen angepasst ist.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der modular aufgebaute Stator als Vollkern mit verteilter Wicklung mit rechteckigen Drähten (bspw. Hairpin, I-Pin, Wellenwicklung, etc.) ausgebildet ist. Hierbei verlaufen vorzugsweise die Flanken der Nuten des Stators parallel zueinander. Bei Verwendung eines Rechteckdrahtes liegt dieser vorzugsweise somit auf der gesamten Nuttiefe sehr dicht am Blechpaket des Stators, sodass günstigerweise eine gute thermische Anbindung vom Kupfer an den Statorkern gegeben ist.
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Vorzugsweise ist das Spulenelement mit oder ohne Spulenkörper ausgebildet.
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Auch ist es möglich, dass das Spulenelement mit oder ohne Isolationspapier ausgebildet ist.
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Bevorzugterweise ist der modular aufgebaute Stator als single layer ausgebildet, wobei bei dieser Ausbildungsform nur jeder zweite Statorzahn ein Spulenelement trägt.
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Auch ist es möglich, dass der modular aufgebaute Stator als double layer ausgebildet ist, wobei bei dieser Ausbildungsform jeder Statorzahn ein Spulenelement trägt.
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Vorteilhafterweise erstreckt sich beim single layer ein Spulenelement von einem Statorzahn und einem anderen.
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Hingegen ist es von Vorteil, wenn sich beim double layer ein Spulenelement an einem anderen anstößt. Somit sind in den jeweiligen Ausgestaltungen also bevorzugterweise die Durchmesser der Spulenelemente unterschiedlich ausgebildet.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn der Draht des vorgeformten Spulenelements in sich verklemmt ist und/oder mit einem adhäsiven Stoff versehen ist, um die vorgegebene Form vor dem Anbringen auf einen Statorzahn zu arretieren.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Spulenelement zu dessen Fixierung in den Nuten des fertig montierten Stators mit dem Nutkeilelement nahe des Luftspalts verklemmt ist und/oder vergossen ist und/oder imprägniert ist und/oder durch das bereits in der Montage verwendete Klemmsystem und/oder den adhäsiven Stoff an Position gehalten wird.
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Vorteilhafterweise weist das Nutkeilelement zum Eingreifen in die Verbindungsbereiche eines Kopfelements der Statorzähne einen Eingriffsbereich, insbesondere zwei Eingriffsbereiche, auf.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass der Eingriffsbereich derart geometrisch ausgebildet ist, dass dieser form- und/oder reibschlüssig in den Verbindungsbereich eines Kopfelements der Statorzähne eingreift. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist es von Vorteil, wenn der Eingriffsbereich und der Verbindungsbereich eine Art Schwalbenschwanzverbindung bilden.
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Auch ist es möglich, dass das Nutkeilelement magnetisch nicht leitfähig und/oder magnetisch leitfähig ausgebildet ist.
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Bevorzugterweise ist das Nutkeilelement als Mehrkomponentenelement ausgebildet, welches teils magnetisch leitfähig und teils nicht magnetisch leitfähig ausgebildet ist.
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Vorzugsweise umfasst das Nutkeilelement eine magnetisch leitfähige Komponente und eine nicht magnetisch leitfähige Komponente.
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Auch ist es günstig, wenn die magnetisch leitfähige Komponente im Querschnitt einen parabelförmigen Verlauf innerhalb des Nutkeilelements aufweist.
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Günstigerweise weist die magnetisch leitfähige Komponente im Querschnitt einen Verlauf innerhalb des Nutkeilelements auf, der an einen Schiffsanker angelehnt ist.
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Die Form bzw. der Verlauf der magnetisch leitfähigen Komponente im Querschnitt innerhalb eines Nutkeilelements ist an eine Optimierung des magnetischen Flusses hinsichtlich der jeweiligen Ausgestaltung und Anwendung des jeweiligen Stators ausgelegt.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Eingriffselement ausgebildet ist, formschlüssig und/oder reibschlüssig in das Aufnahmeelement einzugreifen.
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Vorteilhafterweise weist der modular aufgebaute Stator eine Vielzahl von Statorzähnen auf.
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Nachfolgend wird der oben dargestellte Erfindungsgedanke ergänzend mit anderen Worten ausgedrückt.
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Vorteilhafterweise wird ein Stator bzw. ist ein E-Maschinenstator mit konzentrierten Wicklungen aufgebaut.
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Günstigerweise läuft ein Statorzahn des Stators trapezförmig zu, wobei vorzugsweise keine Zahnköpfe bzw. Kopfelemente ausgeformt sind.
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Die Spulen der Zähne bzw. die Spulenelemente werden günstigerweise auf die Zähne aufgesteckt. Je nach Ausführung werden vorzugsweise die Spulenelemente durch magnetisch nicht bzw. teilweise oder komplett magnetisch leitfähige Nutkeilelemente in einer Nut des Stators fixiert und/oder durch einen Verguss und/oder eine Imprägnierung behandelt.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen modular aufgebauten Stator nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen modular aufgebauten Stator nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils von 1;
- 4 eine vergrößerte Darstellung eines Teils von 2; und
- 5 diverse Ausgestaltungsmöglichkeiten von Nutkeilelementen.
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In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Gegenstände verwendet.
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1 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen modular aufgebauten Stator nach einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Genauer dargestellt zeigt 1 einen modular aufgebauten Stator 1 einer elektrischen Maschine.
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Dieser hat eine Vielzahl von Statorzähnen 2, 3, wobei im nachfolgenden beispielhaft ein erster Statorzahn 2 und ein zweiter Statorzahn 3, die miteinander verbunden und benachbart angeordnet sind, behandelt wird.
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Jeder der vorgenannten Statorzähne 2, 3 hat ein Fußelement 4, 5 zur Bildung eines außenliegenden Statorrings 6 und zwei Zahnflanken 7, 8, die gegeneinander geneigt sind.
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Hierbei umfasst das Fußelement 4, 5 auf Seiten der ersten Zahnflanke 7 ein Eingriffselement 9, insbesondere eine Nut, für ein Aufnahmeelement 10 und auf Seiten der zweiten Zahnflanke 8 ein Aufnahmeelement 10, insbesondere eine Feder, für das Eingriffselement 9.
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Nochmals mit anderen Worten beschrieben, das Eingriffselement 9 ist ausgebildet, formschlüssig und/oder reibschlüssig in das Aufnahmeelement 10 einzugreifen.
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Des Weiteren hat jeder Statorzahn 2, 3 ein Kopfelement 11, das zwei Verbindungsbereiche 12, 13 für eine formschlüssige Verbindung mit je einem Nutkeilelement 15 aufweist.
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Wie ferner aus 1 hervorgeht, hat der Stator 1 ein vorgewickeltes und vorgeformtes Spulenelement 14, das an die Form eines Statorzahns 2, 3 angepasst ist und als eine konzentrierte Wicklung aufgebaut ist.
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Dieses Spulenelement 14 ist bzw. wird auf einen Statorzahn 2, 3 aufgeschoben.
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Unter Bezugnahme auf 3, die eine vergrößerte Darstellung eines Teils von 1 zeigt, ist zu erkennen, dass der Stator 1 ein Nutkeilelement 15 bzw. diverse Nutkeilelemente 15 aufweist, die zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 2, 3 eingesetzt sind und im Eingriff mit je einem Verbindungsbereich 12, 13 eines Kopfelements 11 der Statorzähne 2, 3 stehen.
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Gemäß den 1 und 3, ist der modular aufgebaute Stator 1 als single layer ausgebildet, wobei bei dieser Ausbildungsform nur jeder zweite Statorzahn 2 ein Spulenelement 14 trägt.
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Demgegenüber ist gemäß den 2 und 4 der modular aufgebaute Stator 1 als double layer ausgebildet, wobei bei dieser Ausbildungsform jeder Statorzahn 2, 3 ein Spulenelement 14 trägt.
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Bei Vergleich der 1 und 3 mit den 2 und 4 ist zu erkennen, dass in ersten Fall sich das Spulenelement 14 von einem Statorzahn und einem anderen erstreckt. Im zweiten Fall (2 und 4) hingegen stößt ein Spulenelement an einem anderen an. Somit sind in den jeweiligen Ausgestaltungen also die Durchmesser der Spulenelemente 14 unterschiedlich ausgebildet.
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So zeigt also 2 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen modular aufgebauten Stator 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei 4 eine vergrößerte Darstellung eines Teils von 2 darstellt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die betreffend den 1 und 2 getroffenen Aussagen hinsichtlich des ersten Ausführungsbeispiels in analoger Weise auch auf das zweite Ausführungsbeispiel zutreffen.
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Dementsprechend ist auch die nachfolgende Beschreibung auf beide Ausführungsbeispiele zutreffend.
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So zeigen die 1 bis 4, dass das Spulenelement 14 einen Rechteckdraht aufweist. Es ist auch möglich, dass das Spulenelement 14 einen Stab und/oder einen Runddraht aufweist.
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Ferner ist es möglich, dass das Spulenelement 14 einen Formdraht hat, der an die Nutgeometrie zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 2, 3 angepasst ist.
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Im vorliegenden Fall ist dieses Spulenelement 14 ohne Spulenkörper und ohne Isolationspapier ausgebildet.
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Auch ist der Draht des vorgeformten Spulenelements 14 in sich verklemmt und mit einem adhäsiven Stoff versehen, um die vorgegebene Form vor dem Anbringen auf einen Statorzahn 2, 3 zu arretieren.
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5 zeigt diverse Ausgestaltungsmöglichkeiten von Nutkeilelementen 15.
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Wie insbesondere den 3 und 4 zu entnehmen, ist das Spulenelement 14 zu dessen Fixierung in den Nuten 16 des fertig montierten Stators 1 nahe des Luftspalts verklemmt.
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In 5 ist hingegen zu erkennen, dass das Nutkeilelement 15 zum Eingreifen in die Verbindungsbereiche 12, 13 der Kopfelemente 11 der Statorzähne 2, 3 zwei Eingriffsbereiche 19, 20 hat.
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Jeder Eingriffsbereich 19, 20 ist derart geometrisch ausgebildet, dass dieser form- und reibschlüssig in den Verbindungsbereich 12, 13 eines Kopfelements 11 der Statorzähne 2, 3 eingreift.
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Ferner zeigt 5, dass das Nutkeilelement 15 magnetisch nicht leitfähig und/oder magnetisch leitfähig ausgebildet sein kann.
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So ist das erste beispielhaft dargestellte Nutkeilelement 15 in 5 ausschließlich magnetisch leitfähig ausgebildet.
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Die weiteren beispielhaft dargestellte Nutkeilelemente 15 in 5 weisen jedoch eine andere Ausgestaltung auf.
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So ist diesen Ausbildungen zu entnehmen, dass das Nutkeilelement 15 als Mehrkomponentenelement ausgebildet ist, welches teils magnetisch leitfähig und teils nicht magnetisch leitfähig ausgebildet ist.
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Anders ausgedrückt hat das Nutkeilelement 15 eine magnetisch leitfähige Komponente 17 und eine nicht magnetisch leitfähige Komponente 18.
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So hat gemäß 5 die magnetisch leitfähige Komponente 17 im Querschnitt einen parabelförmigen Verlauf innerhalb des Nutkeilelements 14, wobei die magnetisch leitfähige Komponente 17 in einer weiteren Ausbildung im Querschnitt einen Verlauf innerhalb des Nutkeilelements 14 hat, der an einen Schiffsanker angelehnt ist.
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Die Form bzw. der Verlauf der magnetisch leitfähigen Komponente 17 im Querschnitt innerhalb eines Nutkeilelements 15 optimiert den magnetischen Fluss hinsichtlich der jeweiligen Ausgestaltung und Anwendung des jeweiligen Stators 1.
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Nachfolgend werden die 1 bis 5 nochmals mit anderen Worten beschrieben.
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So zeigen die genannten Figuren, dass der Stator 1 bzw. der E-Maschinenstator mit konzentrierten Wicklungen entsprechend aufgebaut ist.
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Dabei wird ein Statorzahn 2, 3 so konstruiert, dass im montierten Zustand dessen Zahnflanken 7, 8 zweier nebeneinander liegender Einzelzähne 2, 3 bzw. Statorzähne parallel bzw. nur leicht schräg zueinander verlaufen. Der Zahn läuft somit trapezförmig zu.
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Die Spulen bzw. Spulenelemente 14 der Statorzähne 2, 3 werden aus Rechteckdrähten bzw. Stäben (je nach Anwendung mit oder ohne Spulenkörper und/oder mit/ohne Isolationspapier) vorgeformt und auf die Zähne 2, 3 aufgesteckt.
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Es ist auch möglich, die Spulenelemente 14 der Statorzähne 2, 3 aus Runddrähten (je nach Anwendung mit oder ohne Spulenkörper und/oder mit/ohne Isolationspapier) vorzuformen und auf die Zähne aufzustecken.
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Ferner ist es auch denkbar, die Spulenelemente 14 der Statorzähne 2, 3 aus an die Nutgeometrie angepassten Formdraht (je nach Anwendung mit oder ohne Spulenkörper und/oder mit/ohne Isolationspapier) vorzuformen und auf die Zähne.2, 3 auf zu stecken.
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Anschließend werden mehrere Zähne 2, 3 zu einem Stator 1 zusammengefügt, wie in den 1 bis 4 gezeigt.
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Hierbei kann der Stator 1 je nach Auslegung als single layer (nur jeder zweite Zahn trägt eine Spule - siehe 1 und 3) oder als double layer (jeder Zahn trägt eine Spule - siehe 2 und 4) aufgebaut sein.
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Ziel ist es, durch diesen Aufbau einen sehr hohen Kupfer-Nutfüllfaktor zu erreichen und somit zusätzlich auch eine gute thermische Anbindung des Kupfers an das Blechpaket (nicht dargestellt) des Stators 1 zu erreichen.
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Da zur Erreichung dieses Ziels möglichst kleine Toleranzen zielführend sind, muss im Montageprozess die exakte Positionierung der Spulenelemente 14 auf den Statorzähnen 2, 3 sichergestellt werden.
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Hierfür werden die Spulenelemente 14 über ein Klemmsystem und/oder durch einen adhäsiven Stoff in Ihrer Position arretiert.
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Zur Fixierung der Spurenelemente 14 in den Nuten 16 des fertig montierten Stators 1 werden die Spulenelemente 14 mit einem Nutkeilelement 15 nahe des Luftspalts verklemmt und/oder vergossen und/oder imprägniert und/oder durch das bereits in der Montage verwendete Klemmsystem und/oder einen adhäsiven Stoff gehalten.
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Die als Variante aufgeführten Nutkeilelemente 15 können magnetisch nicht bzw. magnetisch leitfähig ausgeführt werden bzw. aus Mehrkomponentenelement, die teils magnetisch leitfähig teils nicht magnetisch leitfähig sind, so aufgebaut werden, dass sie für die jeweils anliegenden Zähne 2, 3 einen für die Anwendung idealen Zahnkopf ausbilden (vergleiche 5).
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Dieser kann dabei für alle Zähne bzw. Statorzähne 2, 3 identisch und symmetrisch oder auch mit zwei oder mehr Varianten zu unterschiedlichen Ausführungen der einzelnen Zähne ausgeführt werden (bspw. abwechselnd mit Zahnkopf und ohne Zahnkopf oder mit variierenden Zahnkopfgeometrie).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- modular aufgebauter Stator
- 2
- erster Statorzahn
- 3
- zweiter Statorzahn
- 4
- Fußelement
- 5
- Fußelement
- 6
- Statorring
- 7
- erste Zahnflanke
- 8
- zweite Zahnflanke
- 9
- Eingriffselement
- 10
- Aufnahmeelement
- 11
- Kopfelement
- 12
- Verbindungsbereich
- 13
- Verbindungsbereich
- 14
- Spulenelement
- 15
- Nutkeilelement
- 16
- Nut
- 17
- magnetisch leitfähige Komponente
- 18
- nicht magnetisch leitfähige Komponente
- 19
- Eingriffsbereich
- 20
- Eingriffsbereich
