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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, wobei der Stator eine verteilte Statorwicklung mit einer Anzahl N Phasenwicklungen, eine Anzahl P Polpaare und einen Statorkern, in dem Nuten ausgebildet sind, wobei die Statorwicklung in den Nuten angeordnet ist, aufweist; wobei der Statorkern in 2·P·N gleichmäßig in Umfangsrichtung aufeinander folgende Wicklungszonen untergliedert ist; wobei der Statorkern eine Vielzahl von Ausnehmungen, die sich in axialer Richtung von einer ersten Stirnseite des Statorkerns zu einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Statorkerns erstrecken, aufweist; wobei die Ausnehmungen mindestens einer Anordnung von in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Ausnehmungen ausbilden und jeweils wenigstens zwei Ausnehmungen der Anordnung zu einer der Wicklungszonen gehören; wobei jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen, die zur selben Wicklungszone gehören, einen ersten Winkelabstand in Umfangsrichtung zueinander aufweist; wobei jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen, die zu verschiedenen Wicklungszonen gehören, einen zweiten Winkelabstand in Umfangsrichtung zueinander aufweist.
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Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine zum Antreiben eines Fahrzeugs.
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Das Dokument
US 2015/0381000 A1 offenbart einen Stator für eine rotierende elektrische Maschine, umfassend einen ringförmigen Statorkern mit einer Vielzahl von Paaren von Nuten für eine erste Phase, einer Vielzahl von Paaren von Nuten für eine zweite Phase und einer Vielzahl von Nuten für eine dritte Phase, die aufeinanderfolgend und wiederholend in Umfangsrichtung vorgesehen sind; und eine Statorwicklung, umfassend eine Wicklung für eine erste Phase, eine Wicklung eine zweite Phase und eine Wicklung für eine dritte Phase, die am Statorkern angeordnet sind, um in den entsprechenden Nuten aufgenommen zu werden. In den Nuten aufgenommene Abschnitte der Statorwicklung sind radial in vier Schichten gestapelt.
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Die Artikel von I. Petrov, P. Ponomarev, und J. Pyrhonen: „Torque ripple reduction in 12-slot 10-pole fractional slot permanent magnet synchronous motors with non-overlapping windings by implementation of unequal stator teeth widths,“ International Conference on Electrical Machines (ICEM), pp. 1455-1460, 2014; von I. Petrov, P. Ponomarev, Y. Alexandrova, and J. Pyrhonen: „Unequal Teeth Widths for Torque Ripple Reduction in Permanent Magnet Synchronous Machines With Fractional-Slot Non-Overlapping Windings,“ IEEE Trans. Magn, vol. 51, no. 2, pp. 1-9, 2015; und von P. Ponomarev, I. Petrov, and J. Pyrhonen: „Torque ripple reduction in double-layer 18/16 TC-PMSMs by adjusting teeth widths to minimize local saturation,“ International Conference on Electrical Machines (ICEM), pp. 1461-1467, 2014 offenbaren jeweils einen Stator mit konzentrierten Zahnspulenwicklungen und ungleichen Statorzahnweiten.
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Bei Statoren mit einer verteilten Statorwicklungen, die in gleichmäßig in Umfangsrichtung angeordneten Nuten aufgenommen sind, entstehen parasitäre Kräfte während des Betriebs einer den Stator aufweisenden elektrischen Maschine. Dadurch kann eine hohe Drehmomentwelligkeit auftreten, die unerwünschte Vibrationen und Betriebsgeräusche verursacht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zum ruhigeren Betrieb einer elektrischen Maschine mit einem eine verteilte Statorwicklung aufweisenden Stator anzugeben.
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Diese Aufgabe wird bei einem Stator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei mindestens einer Anordnung der erste Winkelabstand und der zweite Winkelabstand unterschiedlich sind, sodass die Anordnung als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist.
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Der Stator für eine elektrische Maschine weist eine verteilte Statorwicklung auf. Die Statorwicklung weist eine Anzahl N Phasenwicklungen auf. Der Stator weist eine Anzahl P Polpaare auf. Der Stator weist einen Statorkern auf. In dem Statorkern sind Nuten ausgebildet. Die Statorwicklung ist in den Nuten angeordnet ist. Der Statorkern ist in 2·P·N Wicklungszonen untergliedert. Die Wicklungszonen folgen gleichmäßig in Umfangsrichtung aufeinander. Der Statorkern weist eine Vielzahl von Ausnehmungen auf. Die Ausnehmungen erstrecken sich in axialer Richtung von einer ersten Stirnseite des Statorkerns zweiten Stirnseite des Statorkerns. Die zweite Stirnseite liegt der ersten Stirnseite gegenüber. Die Ausnehmungen bilden mindestens einer Anordnung von in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Ausnehmungen aus. Jeweils wenigstens zwei Ausnehmungen der Anordnung gehören zu einer der Wicklungszonen. Jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen, die zur selben Wicklungszone gehören, weisen einen ersten Winkelabstand in Umfangsrichtung zueinander auf. Jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen, die zu verschiedenen Wicklungszonen gehören, weisen einen zweiten Winkelabstand in Umfangsrichtung zueinander auf. Bei mindestens einer Anordnung sind der erste Winkelabstand und der zweite Winkelabstand unterschiedlich, sodass die Anordnung als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist.
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Der erfindungsgemäße Stator zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die sich in axialer Richtung erstreckenden Ausnehmungen zumindest bei einer Anordnung nicht gleichmäßig in Umfangsrichtung angeordnet sind, sondern in Bezug auf eine jeweilige Wicklungszone so verschoben sind, dass der zweite Winkelabstand des Paars von in Umfangsrichtung benachbarten, zu verschiedenen Wicklungszonen gehörenden Ausnehmungen unterschiedlich ist. Dadurch kann das Auftreten parasitärer Kräfte beim Betrieb der elektrischen Maschine erheblich reduziert werden, da Rastmomente, die eine erhöhte Drehmomentwelligkeit auslösen, verringert werden. Dies ermöglicht vorteilhafterweise einen ruhigeren, insbesondere vibrations- und geräuschärmeren, Betrieb der elektrischen Maschine ohne nennenswerte Einbußen ihrer Performanz.
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Bevorzugt ist der Statorkern als Blechpaket ausgebildet. Die Ausnehmungen erstrecken sich typischerweise parallel zu einer Längsachse des Statorkerns in Axialrichtung. Es wird bevorzugt, dass N = 3 oder N ein ganzzahliges Vielfaches von 3 ist. Es wird ferner bevorzugt, dass P gleich 2, 4, 6 oder 8 ist. Bevorzugt gehören bei der mindestens einen Anordnung je m ≥ 2, insbesondere m = 2, 3 oder 4, Ausnehmungen zu einer der Wicklungszonen. Bevorzugt haben die Ausnehmungen einer jeweiligen Anordnung von der ersten Stirnseite aus betrachtet dieselbe Form.
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Der erste Winkelabstand ist bevorzugt als Differenz zwischen den Winkelpositionen der Ausnehmungen des Paars benachbarter Ausnehmungen, die zur selben Wicklungszonen gehören, definiert. Der zweite Winkelabstand ist bevorzugt als Differenz zwischen den Winkelpositionen der Ausnehmungen des Paars benachbarter Ausnehmungen, die zu unterschiedlichen Wicklungszonen gehören, definiert. Die Winkelposition einer jeweiligen Ausnehmung kann definiert sein als Winkelposition einer radialen Tangente an einem Rand der Ausnehmung, betrachtet von der ersten Stirnseite.
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Bevorzugt sind der ungleichmäßigen Anordnung die ersten Winkelabstände eines jeweiligen Paars benachbarter Ausnehmungen identisch. Bevorzugt sind bei mehreren ungleichmäßigen Anordnungen die zweiten Winkelabstände identisch. Der zweite Winkelabstand kann kleiner oder größer als der erste Winkelabstand sein. Insbesondere ist der zweite Winkelabstand um wenigstens um 360°/(2·P·N·m·20), bevorzugt wenigstens um 360°/(2·P·N·m·10) kleiner oder größer als der erste Winkelabstand.
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Es ist bevorzugt, dass die Ausnehmungen einer als ungleichmäßigen Anordnung ausgebildeten ersten Anordnung die Nuten ausbilden. Dadurch können die Nuten die erfindungsgemäß vorgesehene verschobene Gestalt annehmen, um den ruhigeren Betrieb zu ermöglichen.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmungen einer ersten Anordnung die Nuten ausbilden und regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns angeordnet sind.
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Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Stator einen Aufnahmeraum für einen Rotor der elektrischen Maschine auf. Darüber hinaus kann der Statorkern eine dem Aufnahmeraum zugewandte Mantelfläche aufweisen. Bevorzugt ist die Mantelfläche eine radial innere Mantelfläche des Statorkerns, welche insbesondere bei der elektrischen Maschine einen Luftspalt zwischen Stator und Rotor begrenzt.
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In vorteilhafter Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmungen einer zweiten Anordnung die Mantelfläche durchsetzen. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Ausnehmung der zweiten Anordnung der Anzahl der Ausnehmungen der ersten Anordnung. Insbesondere entspricht die Anzahl der zu einer jeweiligen der Wicklungszonen gehörenden Ausnehmungen der ersten Anordnung der Anzahl der zu einer jeweiligen der Wicklungszonen gehörenden Ausnehmungen der zweiten Anordnung.
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Die Ausnehmungen der zweiten Anordnung können Nutöffnungen des Statorkerns ausbilden, welche die Nuten mit dem Aufnahmeraum verbinden. Dadurch können offene Nuten des Stators ausgebildet werden. Alternativ können die Ausnehmungen der zweiten Anordnung Pseudonutöffnungen des Statorkerns, die Sacklöcher in Radialrichtung ausbilden, ausbilden. Dabei können die Ausnehmung der zweiten Anordnung durch den Statorkern vollständig von den Nuten getrennt sein. So können geschlossene Nuten mit zugehörigen Pseudonuten ausgebildet werden, was einen besonders günstigen magnetischen Flussverlauf im Statorkern ermöglicht.
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Bevorzugt sind die Ausnehmungen der zweiten Anordnung an Winkelpositionen in Umfangsrichtung angeordnet, an denen sie von den Nuten überlappt werden. Dabei können die Ausnehmungen der zweiten Anordnung, wenn sie die Nutöffnungen ausbilden, eine durchgängige radiale Verbindung vom Aufnahmeraum in eine jeweilige Nut ausbilden. Wenn die Ausnehmungen der zweiten Anordnung die Pseudonutöffnen ausbilden, kann jede Ausnehmung der zweiten Anordnung auf einer radialen Linie liegen, welche sich durch eine der Nuten erstreckt.
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Typischerweise weisen die Ausnehmungen der zweiten Anordnung eine geringere Erstreckung in Umfangsrichtung auf als die Nuten.
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Es kann vorgesehen sein, dass die zweite Anordnung als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist. Dadurch kann der ruhigere Betrieb auch unabhängig von einer verschobenen Gestaltung der Nuten realisiert werden. Alternativ können die Ausnehmungen der zweiten Anordnung regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns angeordnet sein.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmungen einer dritten Anordnung die Mantelfläche durchsetzen. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Ausnehmung der dritten Anordnung der Anzahl der Ausnehmungen der ersten Anordnung und/oder der Anzahl der Ausnehmungen der zweiten Anordnung. Insbesondere entspricht die Anzahl der zu einer jeweiligen der Wicklungszonen gehörenden Ausnehmungen der ersten Anordnung und/oder die Anzahl der zu einer jeweiligen der Wicklungszonen gehörenden Ausnehmungen der zweiten Anordnung der Anzahl der zu einer jeweiligen der Wicklungszonen gehörenden Ausnehmungen der dritten Anordnung.
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Mit Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmungen der dritten Anordnung an Winkelpositionen in Umfangsrichtung angeordnet sind, die zwischen jenen eines jeweiligen Paars benachbarter Nuten liegen. Insbesondere erstreckt sich keine radiale Linie, welche sich durch eine jeweilige der Ausnehmungen der dritten Anordnungen erstreckt, durch eine der Nuten.
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Die Ausnehmungen der dritten Anordnung können Pseudonutöffnungen, die Sacklöcher in Radialrichtung ausbilden, ausbilden.
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Bevorzugt ist die dritte Anordnung als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet. Alternativ können die Ausnehmungen der dritten Anordnung regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns angeordnet sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Stator kann ferner vorgesehen sein, dass der Statorkern für eine jeweilige Anordnung in erste bis 2·P·N-te Sektoren untergliedert ist, wobei ein jeweiliger Sektor in erste bis m-te Teilsektoren untergliedert ist, wobei m der Anzahl von Ausnehmungen der jeweiligen Anordnung entspricht, die zu einer der Wicklungszonen gehören, wobei für alle 1 ≤ j ≤ 2·P·N und alle 1 ≤ k ≤ m gilt, dass die k-te Ausnehmung, die zum j-ten Sektor gehört, derart vollständig im k-ten Teilsektor des j-ten Sektors angeordnet ist, dass die von der ersten Stirnseite aus betrachtet im Uhrzeigersinn äußere Grenze des k-ten Teilsektors eine Tangente des Rands der k-ten Ausnehmung ist. Dabei können erste bis (m-te) Zentriwinkel der ersten bis (m-1)-ten Teilsektoren dem ersten Winkelabstand entsprechen und ein m-ter Zentriwinkel des m-ten Teilsektors dem zweiten Winkelabstand entsprechen. Bevorzugt umfasst jeder Sektor genau eine Wicklungszone. Typischerweise sind die Sektoren, Teilsektoren und Ausnehmungen in ihrer Reihenfolge entlang der Umfangsrichtung benannt.
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Bei einer ungleichmäßigen Anordnung kann der m-te Zentriwinkel unterschiedlich gegenüber den ersten bis (m-1)-ten Zentriwinkeln sein. Wenn die Ausnehmungen einer Anordnung regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns angeordnet sind, können die ersten bis m-ten Zentriwinkel identisch sein.
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Es wird bei dem erfindungsgemäßen Stator ferner bevorzugt, wenn Nuten jeweils einen Aufnahmeraum für eine vorgegebene Anzahl von Formleitern, aus denen die Statorwicklung gebildet ist, ausbilden. Durch die Formleiter kann eine sogenannte Haarnadelwicklung (engl. hairpin winding) ausgebildet werden. Die Formleiter sind bevorzugt aus gebogenen, elektrisch leitfähigen Stäben, insbesondere aus Kupfer, gebildet. Typischerweise wird eine vorgegebene Anzahl zwischen vier und zwölf Formleitern innerhalb einer jeweiligen Nut aufgenommen. Diese Anzahl von Formleitern kann eine Querschnittsfläche der Ausnehmung zu wenigstens 60 %, bevorzugt wenigstens 80 %, besonders bevorzugt wenigstens 90 %, ausfüllen. Die Formleiter haben typischerweise einen, gegebenenfalls abgerundeten, rechteckigen Querschnitt. Die Statorwicklung kann aber alternativ auch aus gewickelten Drähten, insbesondere mit einem runden Querschnitt, ausgebildet sein.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine elektrische Maschine zum Antreiben eines Fahrzeugs, umfassend einen erfindungsgemäßen Stator und einen drehbar innerhalb des Stators gelagerten Rotor. Die elektrische Maschine ist bevorzugt eine Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine. Der Rotor kann ein permanenterregter Rotor sein. Insbesondere ist elektrische Maschine dazu eingerichtet, einen Teil eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs auszubilden. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) oder um ein Hybridfahrzeug handeln.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 einen Prinzipskizze eines herkömmlichen Stators;
- 2 und 3 jeweils einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stators;
- 4 bis 7 jeweils einen Querschnitt weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stators;
- 8 und 9 jeweils einen Querschnitt eines Ausschnitts weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stators;
- 10 ein Diagramm eines Drehmoments über eine Winkelposition eines Rotors beim Betrieb eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stators in Vergleich zu einem herkömmlichen Stator; und
- 11 eine Prinzipskizze eines Fahrzeugs mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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1 ist ein Querschnitt eines herkömmlichen Stators 101.
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Der Stator 101 umfasst eine N-phasige (N = 3) verteilte Statorwicklung 102, die ein Polpaar (P = 1) des Stators ausbildet, und einen Statorkern 103, in welchem eine Vielzahl von Ausnehmungen 104a-h, die sich in axialer Richtung von einer ersten Stirnseite, aus deren Richtung auf den Querschnitt gemäß 1 geblickt wird, zu einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Statorkerns 103 erstrecken, ausgebildet sind. Die Ausnehmungen 104a-h bilden eine erste Anordnung 105a von Ausnehmungen 104a-d und eine zweite Anordnung 105b von Ausnehmungen 104e-h aus. Die Ausnehmungen 104a-d der ersten Anordnung 105a bilden Nuten, welche die Statorwicklung 102 aufnehmen, aus. Die Ausnehmungen 104e-h der zweiten Anordnung 105b bilden Nutöffnungen aus, welche die Ausnehmungen 104a-d der ersten Anordnung 105a mit einem Aufnahmeraum 106 für einen Rotor verbinden, indem sie eine innere Mantelfläche 107 des Statorkerns 103 durchsetzen.
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Der Statorkern ist in sechs (2·P·N) gleichmäßig in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Wicklungszonen 108a-f untergliedert. Von den Ausnehmungen 104a-d, 104e-h einer jeweiligen Anordnung 105a, 105b gehören jeweils m = 4 Ausnehmungen zu einer der Wicklungszonen 108a-f.
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Bei der ersten Anordnung 105a weist jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 104a-d, die zur selben Wicklungszone 108a-f gehören, einen ersten Winkelabstand 111a-c in Umfangsrichtung zueinander auf. Außerdem weist jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 104a, 104d, die zu verschiedenen Wicklungszonen 108a-f gehören, einen zweiten Winkelabstand 111d in Umfangsrichtung zueinander auf. Die ersten und zweiten Winkelabstände sind identisch, sodass die Ausnehmungen 104a-d regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns 103 angeordnet sind.
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Somit lässt sich der Statorkern 103 für die erste Anordnung 105a in erste bis sechste (2·P·N·te) Sektoren 109a-f, die in 1 durch durgezogene radiale Pfeile dargestellt sind, untergliedern. Ein jeweiliger Sektor 109a-f ist wiederum in erste bis vierte (m-te) Teilsektoren 110a-d untergliedert, die in 1 für den ersten Sektor 109a durch gestrichelte radiale Linien dargestellt sind. Für alle 1 ≤ j ≤ 6 = 2·P·N und alle 1 ≤ k≤ m = 4 gilt, dass die die k-te Ausnehmung 104a-d, die zum j-ten Sektor 109a-f gehört, derart vollständig im k-ten Teilsektor 110a-d des j-ten Sektors 109a-f angeordnet ist, dass die von der ersten Stirnseite aus betrachtet im Uhrzeigersinn äußere Grenze des k-ten Teilsektors 110a-d eine Tangente des Rands der k-ten Ausnehmung 104a-d ist. Dabei entsprechen Zentriwinkel eines jeweiligen Teilsektors 110a-d den ersten und zweiten Winkelabständen 111a-d und sind identisch, sodass alle Ausnehmungen 104a-d an äquidistanten Positionen in Umfangsrichtung angeordnet sind.
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Analog dazu sind auch die Ausnehmungen 104e-h der zweiten Anordnung 105b regelmäßig in Umfangsrichtung des Statorkerns 103 angeordnet.
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2 und 3 sind jeweils ein Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines Stators 1.
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Der Stator 1 umfasst eine N-phasige (N = 3) verteilte Statorwicklung 2, die ein Polpaar (P = 1) des Stators 1 ausbildet, und einen Statorkern 3, in welchem eine Vielzahl von Ausnehmungen 4a-h, die sich in axialer Richtung von einer ersten Stirnseite, aus deren Richtung auf den Querschnitt gemäß 2 geblickt wird, zu einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Statorkerns 3 erstrecken, ausgebildet sind. Die Ausnehmungen 4a-h bilden eine erste Anordnung 5a von Ausnehmungen 4a-d und eine zweite Anordnung 5b von Ausnehmungen 4e-h aus. Die Ausnehmungen 4a-d der ersten Anordnung 5a bilden dabei Nuten A, welche die Statorwicklung 2 aufnehmen, aus. Die Ausnehmungen 4e-h der zweiten Anordnung 5b bilden Nutöffnungen B aus, welche die Ausnehmungen 4a-d der ersten Anordnung 5a mit einem Aufnahmeraum 6 für einen Rotor 52 (vgl. 11) verbinden, indem sie eine innere Mantelfläche 7 des Statorkerns 3 durchsetzen.
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Der Statorkern ist in sechs (2·P·N) gleichmäßig in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Wicklungszonen 8a-f untergliedert. Von den Ausnehmungen 4a-d, 4d-h einer jeweiligen Anordnung 5a, 5b gehören jeweils m = 4 Ausnehmungen zu einer der Wicklungszonen 8a-f.
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Bei der ersten Anordnung 5a weist jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 4a-d, die zur selben Wicklungszone 8a-f gehören, einen ersten Winkelabstand 11a-c in Umfangsrichtung zueinander auf. Außerdem weist jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 4a, 4d, die zu verschiedenen Wicklungszonen 8a-f gehören, einen zweiten Winkelabstand 11d in Umfangsrichtung zueinander auf. Der erste Winkelabstand 11a-c und der zweite Winkelabstand 11d sind unterschiedlich, sodass die erste Anordnung 5a als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der zweite Winkelabstand 11d kleiner als der erste Winkelabstand 11a-c. Die ersten Winkelabstände 11a-c der Paare von in Umfangsrichtung benachbarten, zur selben Wicklungszone 8a-f gehörenden Ausnehmungen 4a-d sind identisch. Ein jeweiliger erster Winkelabstand 11a-c ist größer als 360°/(2·P·N·m), wohingegen der zweite Winkelabstand 11d kleiner als 360°/(2·P·N·m) ist.
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Wie in 3 im Detail dargestellt weist bei der zweiten Anordnung 5b jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 4e-h, die zur selben Wicklungszone 8a-f gehören, einen ersten Winkelabstand 15a-c in Umfangsrichtung zueinander auf. Außerdem weist jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 4e, 4h, die zu verschiedenen Wicklungszonen 8a-f gehören, einen zweiten Winkelabstand 15d in Umfangsrichtung zueinander auf. Der erste Winkelabstand 15a-c und der zweite Winkelabstand 11d sind unterschiedlich, sodass die zweite Anordnung 5b als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der zweite Winkelabstand 15d kleiner als der erste Winkelabstand 15a-c. Die ersten Winkelabstände 15a-c der Paare von in Umfangsrichtung benachbarten, zur selben Wicklungszone 8a-f gehörenden Ausnehmungen 4e-h sind identisch. Ein jeweiliger erster Winkelabstand 15a-c ist größer als 360°/(2·P·N·m), wohingegen der zweite Winkelabstand 15d kleiner als 360°/(2·P·N·m) ist.
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Außerdem entsprechen beim ersten Ausführungsbeispiel die ersten und zweiten Winkelabstände 11a-d der ersten Anordnung 5a den ersten und zweiten Winkelabständen 15a-d der zweiten Anordnung 5b, sodass die durch die Ausnehmungen 4e-h ausgebildeten Nutöffnungen B an identischen Relativpositionen zu den durch die Ausnehmungen 4a-d ausgebildeten Nuten A liegen. Die Nutöffnungen B liegen hier mittig zu den Nuten A.
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Somit lässt sich der Statorkern 3 für die erste Anordnung 5a in erste bis sechste (2·P·N·te) Sektoren 9a-f, die in 2 durch durgezogene radiale Pfeile dargestellt sind, untergliedern. Ein jeweiliger Sektor 9a-f ist wiederum in erste bis vierte (m-te) Teilsektoren 10a-d untergliedert, die in 2 für den ersten Sektor 9a durch gestrichelte radiale Linien dargestellt sind. Für alle 1 ≤ j ≤ 6 = 2·P·N und alle 1 ≤ k ≤ m = 4 gilt, dass die die k-te Ausnehmung 4a-d, die zum j-ten Sektor 9a-f gehört, derart vollständig im k-ten Teilsektor 10a-d des j-ten Sektors 9a-f angeordnet ist, dass die von der ersten Stirnseite aus betrachtet im Uhrzeigersinn äußere Grenze des k-ten Teilsektors 10a-d eine Tangente des Rands der k-ten Ausnehmung 4a-d ist. Dabei entsprechen erste bis dritte [(m-1)-te] Zentriwinkel der ersten bis dritten [(m-1)-ten)] Teilsektoren 10a-c den ersten Winkelabständen 11a-c und sind identisch. Die ersten bis dritten [(m-1)-ten] Zentriwinkel einerseits und ein vierter (m-ter), dem zweiten Winkelabstand 11d entsprechender Zentriwinkel eines vierten (m-ten) Teilsektors 10d andererseits sind unterschiedlich. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der vierte Zentriwinkel kleiner als ein jeweiliger der ersten bis dritten Zentriwinkel.
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Ferner lässt sich der Statorkern 3 für die zweite Anordnung 5b in erste bis sechste (2·P·N·te) Sektoren 13a-f, die in 3 durch durgezogene radiale Pfeile dargestellt sind, untergliedern. Ein jeweiliger Sektor 13a-f ist wiederum in erste bis vierte (m-te) Teilsektoren 14a-d untergliedert, die in 3 für den ersten Sektor 13a durch gestrichelte radiale Linien dargestellt sind. Für alle 1 ≤ j ≤ 6 = 2·P·N und alle 1 ≤ k ≤ m = 4 gilt, dass die die k-te Ausnehmung 4e-h, die zum j-ten Sektor 13a-f gehört, derart vollständig im k-ten Teilsektor 14a-d des j-ten Sektors 13a-f angeordnet ist, dass die von der ersten Stirnseite aus betrachtet im Uhrzeigersinn äußere Grenze des k-ten Teilsektors 14a-d eine Tangente des Rands der k-ten Ausnehmung 4e-h ist. Dabei entsprechen erste bis dritte [(m-1)-te] Zentriwinkel der ersten bis dritten [(m-1)-ten)] Teilsektoren 14a-c den ersten Winkelabständen 15a-c und sind identisch. Die ersten bis dritten [(m-1)-ten] Zentriwinkel einerseits und ein vierter (m-ter), dem zweiten Winkelabstand 15d entsprechender Zentriwinkel eines vierten (m-ten) Teilsektors 14d andererseits sind unterschiedlich. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der vierte Zentriwinkel kleiner als ein jeweiliger der ersten bis dritten Zentriwinkel.
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Außerdem entsprechen im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Zentriwinkel 11a-d der ersten Anordnung 5a den Zentriwinkeln 15a-d der zweiten Anordnung 5b.
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Der Stator 1 weist exemplarisch eine Lochzahl von vier (m = 4) auf, wobei die Lochzahl der Anzahl der zu einer jeweiligen Wicklungszone 8a-f gehörenden Ausnehmungen 4a-d, 4e-h einer jeweiligen Anordnung 5a, 5b entspricht.
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Exemplarisch ist die Statorwicklung 2 durch eine Vielzahl von Formleitern 16 (siehe 2) ausgebildet, so dass die Statorwicklung 2 eine Haarnadelwicklung ist. In jeder Ausnehmung 4a-d der ersten Anordnung 5a sind beispielsweise sechs Formleiter 16 angeordnet.
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele eines Stators 1 beschrieben, die bis auf die nachfolgend beschriebenen Abweichungen dem Stator 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechen. Dabei sind gleiche oder gleichwirkende Komponenten mit identischen Bezugszeichen versehen.
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4 ist ein Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Stators 1.
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Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist bei der ersten Anordnung 5a der zweite Winkelabstand 11d größer als der erste Winkelstand 11a-c. Dabei ist der erste Winkelabstand 11a-c kleiner als 360°/(2·P·N·m), wohingegen der zweite Winkelabstand 11d größer als 360°/(2·P·N·m) ist. Ebenso ist bei der zweiten Anordnung 5b der zweite Winkelabstand 15d (nicht gezeigt) größer als der erste Winkelstand 15a-c (nicht gezeigt). Dabei ist der erste Winkelabstand 15a-c kleiner als 360°/(2·P·N·m), wohingegen der zweite Winkelabstand 15d größer als 360°/(2·P·N·m) ist.
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5 ist ein Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines Stators 1, welches dem zweiten Ausführungsbeispiel insoweit entspricht, dass die ersten Winkelabstände 11a-c, 15a-c bzw. die ersten bis dritten Zentriwinkel erheblich größer als die zweiten Winkelwinkelabstände 11d, 15d bzw. die vierten Zentriwinkel sind (erste und zweite Winkelabstände 15a-d nicht gezeigt).
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6 ist ein Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels eines Stators 1.
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Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel sind bei der ersten Anordnung 5a die ersten und zweiten Winkelabstände 11a-d (nicht gezeigt) identisch, so dass die erste Anordnung 5a nicht als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist. Die Ausnehmungen 4a-d der ersten Anordnung 5a, welche die Nuten A ausbilden, sind regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns 3 angeordnet.
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Bei der zweiten Anordnung 5b ist der zweite Winkelabstand 15d - wie beim ersten Ausführungsbeispiel - kleiner als der erste Winkelabstand 15a-c. Dadurch liegen die die Nutöffnungen B ausbildenden Ausnehmungen 4e-h jeweils an unterschiedlichen Relativpositionen zu den die Nuten A ausbildenden Ausnehmungen 4a-d.
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7 ist ein Querschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels eines Stators 1, welches bis auf die folgenden Abweichungen dem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht.
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Beim dritten Ausführungsbeispiel ist eine dritte Anordnung 5c von Ausnehmungen 4i-I vorgesehen, welche als Pseudonutöffnungen C ausgebildet sind. Die Ausnehmungen 4i-I durchsetzen die Mantelfläche 7 und sind an Positionen in Umfangsrichtung angeordnet, die zwischen jenen eines jeweiligen Paars benachbarter Ausnehmungen 4a-d der ersten Anordnung 5a bzw. zwischen jenen eines jeweiligen Paars benachbarter Ausnehmungen 4e-h der zweiten Anordnung 5b liegen. Die dritte Anordnung 5c ist als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet, wobei ein zweiter Winkelabstand 20d größer als der erste Winkelabstand 20a-c ist.
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Ferner lässt sich der Statorkern 3 für die dritte Anordnung 5c in erste bis sechste (2·P·N·te) Sektoren 18a-f, die in 7 durch durgezogene radiale Pfeile dargestellt sind, untergliedern. Ein jeweiliger Sektor 18a-f ist wiederum in erste bis vierte (m-te) Teilsektoren 19a-d untergliedert, die in 3 für den ersten Sektor 18a durch gestrichelte radiale Linien dargestellt sind. Für alle 1 ≤ j ≤ 6 = 2·P·N und alle 1 ≤ k ≤ m = 4 gilt, dass die die k-te Ausnehmung 4i-I, die zum j-ten Sektor 18a-f gehört, derart vollständig im k-ten Teilsektor 19a-d des j-ten Sektors 18a-f angeordnet ist, dass die von der ersten Stirnseite aus betrachtet im Uhrzeigersinn äußere Grenze des k-ten Teilsektors 19a-d eine Tangente des Rands der k-ten Ausnehmung 4i-I ist. Dabei entsprechen erste bis dritte [(m-1)-te] Zentriwinkel der ersten bis dritten [(m-1)-ten)] Teilsektoren 19a-c den ersten Winkelabständen 20a-c und sind identisch. Die ersten bis dritten [(m-1)-ten] Zentriwinkel einerseits und ein vierter (m-ter), dem zweiten Winkelabstand 20d entsprechender Zentriwinkel eines vierten (m-ten) Teilsektors 19d andererseits sind unterschiedlich. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der vierte Zentriwinkel größer als ein jeweiliger der ersten bis dritten Zentriwinkel.
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Alternativ kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der zweite Winkelabstand 20d kleiner als der erste Winkelabstand 20a-c sein.
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8 ist ein Querschnitt eines Ausschnitts eines sechsten Ausführungsbeispiels eines Stators 1, auf welches sich die Ausführungen zum fünften Ausführungsbeispiel übertragen lassen.
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Bei dem Stator 1 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel gehören bei jeder Anordnung 5a-c jeweils lediglich m = 2 Ausnehmungen 4a, 4b, 4e, 4f, 4i, 4j zu jeder Wicklungszone 8a, 8b, 8c. Die Anzahl der Polpaare P ist beispielsweise 4, 6 oder 8. Die Lochzahl des Stators 1 beträgt m = 2. Dabei sind die Anordnungen 5a, 5c jeweils ungleichmäßige Anordnungen. Dementsprechend sind der erste und zweite Zentriwinkel eines jeweiligen Sektors 9a, 9b, 9c, 18a, 18b, 18c unterschiedlich. Bei der zweiten Anordnung 5b sind die Ausnehmungen 4e-h regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns 3 angeordnet sind. Dementsprechend sind der erste und zweite Zentriwinkel eines jeweiligen Sektors 13a, 13b, 13c unterschiedlich.
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9 ist ein Querschnitt eines Ausschnitts eines siebten Ausführungsbeispiels eines Stators 1, welches dem sechsten Ausführungsbeispiel insoweit entspricht, als dass die Ausnehmungen 4a, 4b der ersten Anordnung 5a geschlossene Nuten A ausbilden, die durch den Statorkern 3 vom Aufnahmeraum 6 getrennt sind. Ferner bilden die Ausnehmungen 4e, 4f der zweiten Anordnung 5b Pseudonutöffnungen D aus.
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10 ist ein Diagramm eines Drehmoments M über eine Winkelposition φ eines Rotors 52 (vgl. 11) beim Betrieb eines Ausführungsbeispiels des Stators 1, gezeigt durch eine durchgezogene Linie, im Vergleich zu einem herkömmlichen Stator 100, gezeigt durch eine gestrichelte Linie. Ersichtlich ist eine Drehmomentwelligkeit beim Stator 1 mit verschobenen Sektoren wesentlich geringer als beim herkömmlichen Stator 100.
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11 ist eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs 50 mit einem Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 51.
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Die elektrische Maschine 51 weist einen Stator 1 gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele und einen drehbar innerhalb des Stators 1 gelagerten Rotor 52 auf. Die elektrische Maschine 51 ist als, insbesondere permanenterregte, Synchronmaschine oder als Asynchronmaschine ausgebildet und dazu eingerichtet, das Fahrzeug 50 anzutreiben. Die elektrische Maschine 51 ist insoweit Teil eines Antriebsstrangs 53 des Fahrzeugs 50. Das Fahrzeug 50 ist ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) oder ein Hybridfahrzeug.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0381000 A1 [0003]
