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HINTERGRUND
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Elektrische Maschinen werden in Automobilsystemen, Präzisionswerkzeugen oder industriellen Antrieben eingesetzt und können spezielle Anforderungen an einen geräusch- und vibrationsarmen Betrieb haben. Einige Quellen für Geräusche, Vibrationen oder Rauigkeit in der elektrischen Maschine können neben anderen aerodynamischen oder mechanischen Quellen auch Nutrastmoment, Drehmomentwelligkeit und elektromagnetische Radialkräfte sein. Eine elektrische Maschine mit hoher Drehmomentdichte hat im Allgemeinen ein höheres Potential für Geräusche und Vibrationen, die als inakzeptabel angesehen werden können. Es wurden verschiedene Methoden eingesetzt, um die Geräusche und Vibrationen der elektrischen Maschine abzumildern. Da jedoch die Nachfrage nach einer höheren Drehmomentdichte steigt, müssen neue Strategien oder Konfigurationen zur Minderung von Geräuschen und Vibrationen der elektrischen Maschine entwickelt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Offengelegt wird eine Permanentmagnetmaschine, die ein Maschinengehäuse und einen Stator beinhaltet. Das Maschinengehäuse weist eine Innenfläche auf, die sich zwischen einem ersten Gehäuseende und einem zweiten Gehäuseende entlang einer zentralen Längsachse erstreckt. Der Stator ist innerhalb des Maschinengehäuses angeordnet. Der Stator weist einen Statorkern mit einer Außenfläche auf, die sich zwischen einer ersten und einer zweiten Stirnseite entlang der zentralen Längsachse erstreckt. Die Innen- und/oder die Außenfläche definieren einen diskontinuierlichen Bereich, der so angeordnet ist, dass Kontaktpunkte zwischen der Innen- und der Außenfläche minimiert werden.
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Ebenfalls offengelegt wird ein Stator, der mit einer Permanentmagnetmaschine bereitgestellt ist und der einen Statorkern enthält. Der Statorkern ist um eine zentrale Längsachse herum angeordnet. Der Statorkern weist eine Außenfläche, die einen diskontinuierlichen Bereich definiert, eine Innenfläche, die entgegengesetzt zu der Außenfläche angeordnet ist, wobei sich die Außenfläche und die Innenfläche jeweils zwischen einer ersten und einer zweiten Stirnseite entlang der zentralen Längsachse erstrecken, und eine Vielzahl von Statorzähnen auf, die sich radial von der Innenfläche in Richtung der zentralen Längsachse erstrecken.
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Diese und andere Vorteile und Eigenschaften werden sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser offenbaren.
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Figurenliste
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Der Gegenstand, der als Erfindung gilt, wird speziell offengelegt und in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung separat beansprucht. Die vorstehenden und weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
- 1A eine perspektivische Teilansicht eines Stators ist, der einen diskontinuierlichen Bereich definiert, der innerhalb eines elektrischen Maschinengehäuses angeordnet ist;
- 1B eine perspektivische Teilansicht eines Stators ist, der sich innerhalb eines elektrischen Maschinengehäuses befindet und einen diskontinuierlichen Bereich definiert;
- 2A und 2B Ansichten eines Stators mit einem diskontinuierlichen Bereich sind;
- 3A und 3B Ansichten eines Stators mit einem diskontinuierlichen Bereich sind; und
- 4-8 verschiedene Ansichten eines Stators mit einem diskontinuierlichen Bereich sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nun unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wird, ohne diese einzuschränken, ist zu verstehen, dass die offengelegten Ausführungsformen lediglich eine Veranschaulichung der vorliegenden Offenbarung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können hervorgehoben oder minimiert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind bestimmte strukturelle und funktionelle Details, die hier offengelegt werden, nicht als Einschränkung gedacht, sondern lediglich als repräsentative Grundlage zur Unterrichtung des Fachmanns darüber, wie die vorliegende Offenlegung unterschiedlich verwendet werden kann.
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Unter Bezugnahme auf 1A und 1B ist eine elektrische Maschine, wie z.B. eine Permanentmagnetmaschine 10, dargestellt. Die Permanentmagnetmaschine 10 beinhaltet ein Maschinengehäuse 12 und einen Stator 14, der so eingerichtet ist, dass er innerhalb des Maschinengehäuses 12 angeordnet werden kann.
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Das Maschinengehäuse 12 ist um eine zentrale Längsachse 20 herum angeordnet. Das Maschinengehäuse 12 enthält eine Innenfläche 22, die sich zwischen einem ersten Gehäuseende 24 und einem zweiten Gehäuseende 26 entlang der zentralen Längsachse 20 erstreckt. Das erste Gehäuseende 24 kann ein offenes Ende sein, und das zweite Gehäuseende 26 kann ein geschlossenes Ende sein. Das zweite Gehäuseende 26 kann eine Öffnung 28 definieren, die in der Regel entlang der zentralen Längsachse 20 ausgerichtet ist, und durch die sich eine Welle o.ä. erstrecken kann.
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Der Stator 14 ist in dem Maschinengehäuse 12 angeordnet und ist an der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 befestigt. Der Stator 14 enthält einen Statorkern 30, der um die zentrale Längsachse 20 herum angeordnet ist.
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Gemäß 1A, 1B, 2A und 3A enthält der Statorkern 30 eine Außenfläche 32, eine Innenfläche 34, die entgegengesetzt zu der Außenfläche 32 angeordnet ist, und eine Vielzahl von Statorzähnen 36. Die Außenfläche 32 und die Innenfläche 34 erstrecken sich jeweils zwischen einer ersten Stirnseite 40 und einer zweiten Stirnseite 42 entlang der zentralen Längsachse 20. Die Außenfläche 32 ist der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 zugewandt. Die Außenfläche 32 des Statorkerns 30 kann allgemein als Rückeisen des Stators 14 bezeichnet werden. Die Vielzahl von Statorzähnen 36 erstreckt sich radial von der Innenfläche 34 in Richtung der zentralen Längsachse. Zwischen einem ersten Statorzahn 46 und einem zweiten Statorzahn 48, der neben dem ersten Statorzahn 46 der Vielzahl von Statorzähnen 36 angeordnet ist, ist eine Nut 44 definiert. Bei einer solchen Anordnung ist die Nut 44 in Umfangsrichtung zwischen dem ersten Statorzahn 46 und dem zweiten Statorzahn 48 angeordnet.
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Der Stator 14 kann verschiedene Bruchlochtopologien [engl. fractional slot topologies] verwenden, z.B. verschiedene Verhältnisse zwischen einer Anzahl von Nuten und einer Anzahl von Polen, die dem Stator 14 zugeordnet sind. Die Bruchlochtopologien wirken sich auf einen Wicklungsfaktor um einen Statorzahn der Vielzahl von Statorzähnen 36 aus und beeinflussen somit die Drehmomentdichte.
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Je höher der Wicklungsfaktor dazwischen ist, desto höher ist die Drehmomentdichte. Die höhere Drehmomentdichte kann zu Vibationsmodi mit niedriger Ordnung führen. Der Modus mit niedriger Ordnung ergibt sich aus der Wechselwirkung des Radialfeldes n-ter Ordnung aufgrund der Magnetpole und des Radialfeldes n+2-ter Ordnung aufgrund der Ankerreaktion. Der Modus mit niedriger Ordnung führt zu einer Statorverformung, die zu Vibrationen der elektrischen Maschine führt, die als Geräusch wahrgenommen werden.
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Mit der vorliegenden Offenlegung wird versucht, diese als Geräusche wahrgenommenen Maschinenvibrationen durch eine Änderung oder Verringerung der Anzahl der Kontaktpunkte 54 zwischen dem Stator 14 und der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12, wie in 3B dargestellt, zu beheben, indem mindestens ein diskontinuierlicher Bereich 60, wie in 1-8 dargestellt, und/oder Öffnungen 62 im Stator 14 und/oder im Maschinengehäuse 12, wie in 1A, 1B, 2A und 2B dargestellt, vorgesehen werden.
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Der diskontinuierliche Bereich 60 kann durch die Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12, wie in 1B dargestellt, und/oder die Außenfläche 32 des Statorkerns 30 des Stators 14, wie in 1A und 2A-8 dargestellt, definiert sein. Die Kontaktpunkte 54 zwischen der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 und der Außenfläche 32 des Statorkerns 30 innerhalb des diskontinuierlichen Bereichs 60 dienen zum Zusammenfügen oder Verbinden des Stators 14 mit dem Maschinengehäuse 12 sowie zur Reduzierung der als Geräusch wahrgenommenen Maschinenvibrationen.
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Der diskontinuierliche Bereich 60 kann sich um die Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 erstrecken, wie in 1B dargestellt. Der diskontinuierliche Bereich 60 kann durch vertiefte Bereiche 64 der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 und/oder der Außenfläche 32 des Stators 14 definiert sein. Die vertieften Bereiche 64 können sich von der Innenfläche 22 zu einer Außenfläche des Maschinengehäuses 12 entlang einer quer zur zentrale Längsachse 20 angeordneten Achse erstrecken. Der diskontinuierliche Bereich 60 kann sich um die Außenfläche 32 des Stators 14 erstrecken, wie in 1A und 2A-8 dargestellt. Der diskontinuierliche Bereich 60 kann durch vertiefte Bereiche 64 der Außenfläche 32 des Stators 14 definiert sein, die sich entlang der quer zur zentralen Längsachse 20 angeordneten Achse zur Innenfläche 34 des Stators 14 hin erstrecken.
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Die vertieften Bereiche 64 können zur Reduzierung der Kontaktpunkte 54 zwischen der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 und der Außenfläche 32 des Stators 14 verwendet werden. Die Implementierung der vertieften Bereiche 64 (der diskontinuierliche Bereich 60) auf der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 und die Beibehaltung einer gleichmäßigen oder im Wesentlichen gleichmäßigen Außenfläche 32 des Stators 14 kann das Potential für magnetische Verluste der Permanentmagnetmaschine 10 aufgrund von Diskontinuitäten auf der Außenfläche 32 des Stators 14 minimieren.
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Die Öffnung 62 erstreckt sich von der ersten Seite 40 zur zweiten Seite 42 entlang der zentralen Längsachse 20. Die Öffnung 62 ist radial zwischen der Außenfläche 32 und der Innenfläche 34 des Statorkerns 30 angeordnet. Die Öffnung 62 kann von einer Stirnseite des Maschinengehäuses 12, die am ersten Gehäuseende 24 angeordnet ist, zum zweiten Gehäuseende 26 entlang der zentralen Längsachse 20 verlaufen.
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Der diskontinuierliche Bereich 60 und/oder die Öffnungen 62 sind so angeordnet, dass das Dämpfen von Radialkräften, die über einen Statorzahn der Vielzahl von Statorzähnen 36 und die Außenfläche 32 auf das Maschinengehäuse 12 übertragen werden können, ermöglicht werden kann, um die wahrgenommenen Geräusche zu reduzieren.
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In Bezug auf 1A, 1B, 2A, 2B und 8 ist der diskontinuierliche Bereich 60 zumindest teilweise durch einen ersten erhöhten Bereich 70 und/oder einen zweiten erhöhten Bereich 72 definiert. Der erste erhöhte Bereich 70 und der zweite erhöhte Bereich 72 können gegenüber der Außenfläche 32 des Statorkerns 30 radial erhöht sein. Der erste erhöhte Bereich 70 und der zweite erhöhte Bereich 72 können zumindest teilweise die Kontaktpunkte 54 definieren, die so angeordnet sind, dass sie an der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 anliegen, um die Verbindung zwischen dem Stator 14 und dem Maschinengehäuse 12 zu ermöglichen.
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Der erste erhöhte Bereich 70 und/oder der erhöhte Bereich 72 sind radial und/oder in Umfangsrichtung mit einem Statorzahn der Vielzahl von Statorzähnen 36 ausgerichtet, wie in 2B dargestellt. Der erste erhöhte Bereich 70 und/oder der zweite erhöhte Bereich 72 sind in Umfangsrichtung zwischen dem ersten Statorzahn 46 und dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 so angeordnet, dass der erste erhöhte Bereich 70 und/oder der zweite erhöhte Bereich 72 in Umfangsrichtung mit der Nut 44 ausgerichtet sind. Der erste erhöhte Bereich 70 und/oder der zweite erhöhte Bereich 72 erstrecken sich in Umfangsrichtung über den ersten Statorzahn 46, die Nut 44 und den zweiten Statorzahn 48 hinweg, wie in 8 dargestellt.
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Der erste erhöhte Bereich 70 und der zweite erhöhte Bereich 72 können durch die Außenfläche 32 des Statorkerns 30 definiert sein oder aus Blechen oder ähnlichem bestehen, die auf der Außenfläche 32 des Statorkerns 30 angeordnet oder mit dieser verbunden sind. Der erste erhöhte Bereich 70 ist in der Nähe der ersten Stirnseite 40 des Statorkerns 30 angeordnet. Der zweite erhöhte Bereich 72 ist in der Nähe der zweiten Stirnseite 42 des Statorkerns 30 angeordnet. Der zweite erhöhte Bereich 72 ist in Umfangsrichtung von dem ersten erhöhten Bereich 70 so beabstandet, dass zwischen Seiten des ersten erhöhten Bereichs 70 und des zweiten erhöhten Bereichs 72 ein umlaufender Spalt 74 definiert ist. Der zweite erhöhte Bereich 72 ist axial von dem ersten erhöhten Bereich 70 beabstandet.
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Mit Bezug auf 2B und 8 enthält der erste erhöhte Bereich 70 und /oder der zweite erhöhte Bereich 72 eine erste Seite 80, eine zweite Seite 82 und eine Kontaktfläche 84. Die erste Seite 80 erstreckt sich radial von der Außenfläche 32. Die zweite Seite 82 ist gegenüber der ersten Seite 80 angeordnet. Die zweite Seite 82 erstreckt sich radial von der Außenfläche 32. Die Kontaktfläche 84 erstreckt sich in Umfangsrichtung zwischen der ersten Seite 80 und der zweiten Seite 82. Die Kontaktfläche 84 ist so angeordnet, dass sie zumindest teilweise an der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 anliegt oder diese kontaktiert.
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Der erste erhöhte Bereich 70 und/oder der zweite erhöhte Bereich weisen eine axiale Länge 90 und eine Bogenlänge 92 auf, wie in 2A, 2B und 8 dargestellt. Die Bogenlänge 92 kann größer als die axiale Länge 90 sein. In mindestens einer Ausführungsform kann die Bogenlänge 92 kleiner oder im Wesentlichen gleich der axialen Länge 90 sein.
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Mit Bezug auf 3A, 3B und 4-7 kann der diskontinuierliche Bereich 60 ein profilierter Bereich sein, der sich über die Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 und/oder die Außenfläche 32 des Stators 14 erstreckt. Der profilierte Bereich kann ein wellenförmiges Profil o.ä. sein, das zumindest teilweise durch eine erste Störung 100 und/oder eine zweite Störung 102 definiert wird. Die erste Störung 100 und/oder die zweite Störung 102 werden durch die Außenfläche 32 des Statorkerns 30 definiert. Ein Teil der ersten Störung 100 und/oder der zweiten Störung 102 definieren zumindest teilweise die Kontaktpunkte 54, die so angeordnet sind, dass sie in die Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 eingreifen, um die Verbindung zwischen dem Stator 14 und dem Maschinengehäuse 12 zu ermöglichen.
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Die erste Störung 100 und/oder die zweite Störung 102 erstrecken sich radial von der zentralen Längsachse und der Außenfläche 32 weg. Die erste Störung 100 und/oder die zweite Störung 102 erstrecken sich axial zwischen der ersten Stirnseite 40 und der zweiten Stirnseite 42.
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Die erste Störung 100 ist in Umfangsrichtung mit einem Statorzahn der Vielzahl von Statorzähnen 36 ausgerichtet, wie in 3A, 5 und 7 dargestellt. Die zweite Störung 102 ist umlaufend zwischen dem ersten Statorzahn 46 und dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 angeordnet, wie in 3A und 7 dargestellt.
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Die erste Störung 100 und/oder die zweite Störung 102 sind in Umfangsrichtung mit einem Statorzahn der Vielzahl von Statorzähnen 36 ausgerichtet, wie in 5 dargestellt. Die erste Störung 100 und/oder die zweite Störung 102 sind in Umfangsrichtung mit der Nut 44 ausgerichtet, die in Umfangsrichtung zwischen dem ersten Statorzahn 46 und dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 angeordnet ist, wie in 3B und 6 dargestellt.
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Die erste Störung 100 und/oder die zweite Störung 102 weisen eine Bogenlänge 106 oder eine Umfangsbreite auf, die kleiner ist als eine Umfangsbreite des ersten Statorzahns 46 und/oder des zweiten Statorzahns 48. Die erste Störung 100 und/oder die zweite Störung 102 weisen eine Umfangsbreite auf, die kleiner ist als eine Umfangsnutbreite der Nut 44, die zwischen dem ersten Statorzahn 46 und dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 definiert ist.
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Die erste Störung 100 und/oder die zweite Störung 102 weisen eine Bogenlänge 106 auf, die im Wesentlichen gleich der Umfangsnutbreite der Nut 44 ist, die zwischen dem ersten Statorzahn 46 und dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 definiert ist, wie in 3B und 6 dargestellt.
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Die erste Störung 100 und/oder die zweite Störung 102 weisen eine Bogenlänge 106 auf, die im Wesentlichen gleich einer Umfangsbreite des ersten Statorzahns 46, des zweiten Statorzahns 48 und der Nut 44 ist, die zwischen dem ersten Statorzahn 46 und dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 definiert ist, wie in 4 dargestellt.
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Die erste Störung 100 und/oder die zweite Störung 102 weisen eine Bogenlänge 106 auf, die im Wesentlichen gleich einer Umfangsbreite von Nuten ist, die auf gegenüberliegenden Umfangsseiten des ersten Statorzahns 46 und/oder des zweiten Statorzahns 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 angeordnet sind.
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Die erste Störung 100 und/oder die zweite Störung 102 weisen eine Bogenlänge 106 auf, die im Wesentlichen gleich einer Umfangsbreite des ersten Statorzahns 46 und/oder des zweiten Statorzahns 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 ist, wie in 5 dargestellt.
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Die erste Störung 100 und/oder die zweite Störung 102 weisen eine Bogenlänge 106 auf, die kleiner ist als eine Umfangsbreite der Nut 44, die zwischen dem ersten Statorzahn 46 und dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 definiert ist, wie in 7 dargestellt. Die erste Störung 100 und/oder die zweite Störung 102 weisen eine Bogenlänge 106 auf, die im Wesentlichen gleich einer Umfangsbreite des ersten Statorzahns 46 und/oder des zweiten Statorzahns 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 ist, wie in 7 dargestellt.
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Der diskontinuierliche Bereich 60, der durch den ersten erhöhten Bereich 70, den zweiten erhöhten Bereich 72 und/oder die erste Störung 100 und die zweite Störung 102 definiert ist, modifiziert die Schnittstelle zwischen der Außenfläche 32 des Stators 14 und der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12, indem die Verbindung intermittierend hergestellt wird. Das Hinzufügen dieser Merkmale am äußeren Umfang des Stators 14 hat keinen Einfluss auf das Drehmoment oder andere elektromagnetische Leistungsmerkmale der Permanentmagnetmaschine 10. Der erste erhöhte Bereich 70, der zweite erhöhte Bereich 72 und/oder die erste Störung 100 und die zweite Störung 102 können in Anzahl, Größe und Lage um die Außenfläche 32 des Stators 14 oder um die Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 variieren. Unabhängig von der Anzahl oder der Lage der Merkmale, die den diskontinuierlichen Bereich 60 definieren, reduziert der diskontinuierliche Bereich 60 die Kraftübertragung durch einen Statorzahn der Vielzahl von Statorzähnen 36 auf das Maschinengehäuse 12 und reduziert somit die abgestrahlten Geräusche und Vibrationen, indem die Verformung des Stators 14 reduziert wird, ohne die Motordrehmomentdichte zu beeinträchtigen. Die Anzahl, Größe oder Lage der diskontinuierlichen Region 60 kann variiert werden, um Resonanzfrequenzen einzustellen.
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Obwohl die Erfindung nur in einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen detailliert beschrieben wurde, sollte leicht verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf diese offenbaren Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung so modifiziert werden, dass sie eine beliebige Anzahl von Variationen, Änderungen, Substitutionen oder gleichwertigen Vorkehrungen enthält, die bisher nicht beschrieben wurden, die aber dem Geist und dem Umfang der Erfindung angemessen sind. Darüber hinaus sind zwar verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden, es ist jedoch zu verstehen, dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen umfassen können. Die Erfindung ist daher nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt anzusehen.
