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Die Erfindung betrifft einen Stator für einen Axialflussmotor, der auch als Axialflussmaschine bezeichnet werden kann, bspw. in I-Anordnung und hoher Leistungsdichte zum Einsatz in einem Fahrantrieb, mit einem vorzugsweise gestanzten und/oder be-/gewickelten Statorblechpaket, das auf einem Flansch befestigt ist.
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Aus dem Stand der Technik sind elektrische Axialflussmaschinen bekannt, bspw. aus der
WO 01/11755 A1 . Dort ist eine elektrische Axialflussmaschine offenbart, umfassend einen an einer Maschinenwelle angeordneten eisenlosen scheibenförmigen Rotor und zwei neben dem Rotor angeordneten Statoren. Der Rotor weist Permanentmagnete auf, die in einem faser- oder gewebearmierten Kunststoff eingebettet sind. Die Permanentmagnete sind jeweils formschlüssig mit dem umgebenden Kunststoff verbunden. Der Kunststoff bildet zusammen mit dem Permanentmagneten und der Maschinenwelle eine formstabile Einheit.
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Bekannt ist auch ein elektromagnetischer Motor oder Generator mit zwei Rotoren, vier Statoren und einem integrierten Kühlsystem, bspw. aus der
EP 3 738 199 A1 .
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Ferner ist auch eine elektrische Maschine aus der
WO 2010/092403 A2 bekannt, in der eine Kühlung mit Kühlmittelfluss in Umfangsrichtung offenbart zu sein scheint.
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Ein elektrischer Antriebsstrang ist im Grundsatz auch aus dem Stand der Technik bekannt. Ein solcher elektrischer Antriebsstrang besteht aus Komponenten zur Energiespeicherung, Energiewandlung und Energieleitung. Zu den Komponenten der Energiewandlung gehören elektrische Maschinen, bspw. Axialflussmaschinen. Axialflussmaschinen sind, wie bereits erläutert, aus dem Stand der Technik auch in diversen Bauweisen mit einem oder mehreren Statoren und einem oder mehreren Rotoren im Prinzip bekannt. Axialflussmaschinen können als Axialflussmotoren betrieben werden.
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Bei bekannten Axial- / Radialflussmaschinen werden Statoren auf verschiedene Arten mit der umgebenden tragenden Struktur verbunden. Dies können unter anderem sein, in ein Gehäuse radial Einschrumpfen / Einpressen, axial mittels den Schrauben an einem Gehäuse und/oder Lagerflanschen Festschrauben oder andere Lösungen. Es können auch Geometrien am Blechschnitt des Stators vorgesehen sein, die ausschließlich zur Befestigung dessen vorgesehen sind und den elektromagnetisch relevanten Bereich nicht beeinflussen.
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Bei Axialflussmaschinen in I-Ausführungen kommt zur Momentenübertragung, bedingt durch das Motordrehmoment, eine überlagerte, in axialer Richtung wirkende Kraftkomponente hinzu, die ebenso auf die umgebende tragende Struktur abzuleiten ist.
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Bei Axialflussmaschinen, hier im Besonderen bei I-Anordnung mit ein oder zwei Statoren und einem koaxial angeordneten oder dazwischenliegenden Rotor, ist die Geometrie des Stators in der Regel auf die elektromagnetische Funktion reduziert. Es sind hier keine zusätzlichen Geometrieelemente am Stator vorgesehen, um diesen zu befestigen. Statoren werden auf der Jochseite jedoch flächig verklebt oder anstelle dessen verschraubt, nämlich sowohl von der Jochseite als auch von der Polseite. Verschraubungen dieser Art führen zu zusätzlichen Verlusten oder einer reduzierten Maschinenleistung. Ein Einschrumpfen des Blechpaketes ist aufgrund dessen geringer Eigenstabilität kaum möglich, insbesondere bei höheren Leistungen / Drehmomenten.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen oder wenigstens zu mildern.
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Diese Aufgabe wird mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Genauer gesagt wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Stator erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Statorblechpaket eine Rückseite / Polseite besitzt, die form- und kraftschlüssig an einer Vorderseite des Flanschs befestigt ist und/oder ein (sich in Radialrichtung erstreckender) Kühlkanal zwischen dem Statorblechpaket und dem Flansch im Bereich der Befestigung ausgebildet ist.
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Selbst bei hohen Leistungen bzw. Drehmomenten ist es nun möglich, die auftretenden Kräfte sicher und dauerhaft in das Gehäuse / den Flansch abzuleiten / abzutragen. Hierbei wird kein zusätzlicher Bauraum beansprucht und zusätzliche Bauteile / Komponenten werden gering gehalten.
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Mit anderen Worten besteht die Lösung der Aufgabe darin, eine Kombination aus Form- und Kraftschluss zwischen dem Statorblechpaket und dem auf dessen Jochseite befindlichen Gehäuse / Flansch zu realisieren. Hierzu werden auf der Jochseite des Statorblechpaketes Nuten in radialer Ausprägung eingebracht. Diese haben idealerweise die gleiche Anzahl und tangentiale (Winkel-)Position wie Polmitten (Anzahl an Wicklungsnuten) auf der gegenüberliegenden Polseite. An dieser Polseite ist eine relativ geringe elektromagnetische Aktivität und beeinflusst daher die Leistung des Antriebes unwesentlich. Darüber hinaus können diese Nuten während des Fertigungsverfahrens des Stators (stanzen und gleichzeitig wickeln) mit gefertigt werden. Es ist kein weiterer Prozess notwendig.
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An der korrespondierenden Fläche des Gehäuses / Flansches sind entsprechend Erhöhungen / Rippen angebracht, welche dieses Bauteil versteifen und in die oben beschriebenen Nuten auf der Jochseite des Statorblechpaketes eingreifen. Über diesen Formschluss kann das Moment / Drehmoment des Antriebes abgetragen werden. Auch wird dadurch die tangentiale und zentrische Position des Statorblechpaketes definiert. Die Befestigung und Übertragung der axialen Kräfte werden über eine flächige Verklebung des Statorjoches mit dem Gehäuse erreicht. Durch diese Aufteilung der auftretenden Kräfte kann die Belastung der Klebeverbindung wesentlich reduziert werden.
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Die flächige Klebeverbindung entkoppelt akustisch das Statorblechpaket und das Gehäuse, was zu einer Verringerung des Motorgeräusches führt.
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Eine besondere Ausführung der Nut im Statorblechpaket kann durch das Vorhalten einer gestuften Ausführung erreicht werden. Durch die gestufte Ausführung der Nut im Statorblechpaket bildet sich hierbei ein Kanal aus, der auf der Jochseite vom Blechpaketinnendurchmesser zum Blechpaketaußendurchmesser verläuft. Dieser dient in der aktuellen Ausführung als Rücklaufkanal für das verwendete Kühlmedium, wie Öl, und kühlt hierbei gleichzeitig den Stator.
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Die Stufen der Nut sind derart gewählt, dass diese zum einen die axiale Position des Statorblechpaketes der Polseite (Luftspalt zum Rotor) festlegen, als auch den Klebespalt kontrolliert einstellen.
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Bei der Montage des Blechpaketes muss dieses lediglich auf Anschlag in das Gehäuse / an den Flansch montiert und gehalten werden, bis die Klebeverbindung aktiviert ist. Letztlich betrifft die Erfindung auch ein solches Verfahren, nämlich ein Montageverfahren, genauso wie ein Kühlverfahren.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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So ist es von Vorteil, wenn der Flansch als Gehäuse oder Gehäusebauteil ausgebildet ist. Das Einbetten in einen Fahrantrieb wird dadurch erleichtert.
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Es ist zweckmäßig, wenn auf der Rückseite Nuten / Vertiefungen / Rücksprünge vorhanden sind, die in Formschluss mit (teilweise / vollständig) gegengleichen Erhöhungen / Erhabenheiten / Rippen stehen. Die Rückseite / Polseite des Statorblechpaketes ist also geschickt vorbereitet, um in einen möglichst rechtwinkligen Formschluss mit der Vorderseite des Flansches / Gehäuses zu gelangen. Eine gute Kraftübertragung ist die Folge.
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Es hat sich auch bewährt, wenn die Nuten / Vertiefungen / Rücksprünge sich in ihrer Längserstreckung in radialer Richtung erstrecken und/oder die Erhöhungen / Erhabenheiten / Rippen sich in ihrer Längserstreckung in radialer Richtung erstrecken. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die gleiche Teilung sowohl bei den Nuten, als auch bei den Erhöhungen eingehalten wird. Das bedeutet, dass dieselbe Winkelunterteilung genutzt ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch dadurch gekennzeichnet, dass eine (vorzugsweise jede) Nut / Vertiefung / ein (jeder) Rücksprung ihrerseits / seinerseits einen Kanal / eine Rinne besitzt, der von der Erhöhung / Erhabenheit / Rippe bedeckt, aber unausgefüllt ist, um eine Kühl- und Hydraulikfluidleitung zu ermöglichen. Das Abführen von Energie, entweder vom Zentrum oder zum Zentrum, nämlich Wärmeenergie, wird dadurch erleichtert.
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Darüber hinaus hat es sich bewährt, wenn einige oder alle Nuten gestuft ausgebildet sind, vorzugsweise beidseitig symmetrisch entlang der Längsachse der jeweiligen Nut. Dadurch kann einerseits geschickt der Formschluss vorgehalten sein und andererseits die Kühlmöglichkeit gewährleistet sein.
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Darüber hinaus hat es sich bewährt, wenn die Nut eine zu einer Nutinnenseite zugewandte Wandung besitzt, die als Anschlag für einen durch die Erhöhung gestellten Gegenanschlag wirkt.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Rückseite des Statorblechpaketes und der Vorderseite des Flansches vorhandener Klebespalt mit Klebstoff (vollständig / teilweise / flächig) aufgefüllt / ausgefüllt ist.
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Wenn die dem Statorpaket zugewandte Vorderseite der Erhöhung (vollständig oder teilweise oder gar nicht) von einem Klebestofffilm bedeckt ist, so wird die Adhäsion des Statorpaketes an dem Flansch erhöht.
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Die Erfindung betrifft auch einen Axialflussmotor in I-Anordnung mit einem Rotor, der koaxial zu einem Stator angeordnet ist, der entsprechend des erfindungsgemäßen Stators ausgebildet ist. Ebenso können zwei Statoren vorgesehen sein, zwischen denen sich der Rotor befindet und die entsprechend des erfindungsgemäßen Stators ausgebildet sind.
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Ferner betrifft die Erfindung insbesondere eine indirekte Kühlung von Leitern durch Kühlung der Stator-Rückseite.
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Betroffen ist ebenso eine direkte Kühlung der Leiter, wobei das Kühlmittel in Umfangsrichtung um die Maschine geleitet wird und einzelne Wicklungsnuten oder gruppierte Wicklungsnuten alternierend das Kühlmittel von radial außen nach radial innen und bei den benachbarten Wicklungsnuten das Kühlmittel von radial innen nach radial außen fließt.
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Es ist wird insbesondere die Aufgabe einer Integration einer direkten Leiterkühlung für eine Axialflussmaschine in I-Anordnung mit verteilter Wicklung / Wellenwicklung gelöst.
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Vorteilhafterweise werden Ziele für die Axialflussmaschine, wie das Ertragen einer hohen Leistungsdichte und das Stellen eines hohen Wirkungsgrades, erreicht. Eine hohe Leistungsdichte stellt nämlich besondere Anforderungen an das Kühlkonzept. Dem wird nun Rechnung getragen.
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Es werden ein äußerer Verteilkanal, der die äußeren Wickelköpfe umschließt, und ein innerer Verteilkanal, der die inneren Wickelköpfe umschließt, gebildet.
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Parallel zu den Leitern in den Wickelnuten sind Hohlräume, welche eine Verbindung für das Kühlmittel vom äußeren Verteilkanal zum inneren Verteilkanal ausbilden. Diese Hohlräume können z.B. ausgeformt werden, indem die Wickelnuten einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, in denen mehrere runde Leiter geführt sind.
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Beim inneren Verteilkanal weist die Abdichtung zur Rückseite des Stators (vom Luftspalt zum Rotor abgewandte Seite) Öffnungen/Durchbrüche auf, welche einen Kühlmittelfluss zur Rückseite des Stators ermöglichen. Der Stator weist auf der Rückseite Nuten auf, welche eine Verbindung für das Kühlmittel nach radial außen bilden.
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Die Flussrichtung des Kühlmittels ist durch die obige Wortwahl nicht festgelegt.
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Nachstehend erfolgt die Beschreibung einer möglichen Realisierung.
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Typisch für die I-Anordnung ist nämlich ein mittlerer scheibenartiger Rotor, welcher einen rechten und einen linken Stator (mit einem rechten und einem linken Statorkern) jeweils seitlich vom Rotor aufweist. Jeder Stator hat eine Wicklung mit einem äußeren und einem inneren Wickelkopf. Teile der Leiter der Wicklungen verlaufen in den Wickelnuten zwischen dem äußeren- und dem inneren Wickelkopf und erzeugen bei Bestromung eine elektromagnetische Kraft auf den Rotor.
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Der äußere Wickelkopf befindet sich in einem Volumen für den äußeren Wickelkopf, welcher nach radial innen durch den Statorkern, nach radial außen durch das Motorgehäuse, zum Rotor durch eine Trennwand zum Rotor und zur Stator-Rückseite durch eine äußere Trennwand Rückseitig berandet ist.
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Der innere Wickelkopf befindet sich in einem Volumen für den inneren Wickelkopf, welcher nach radial innen durch eine Abdichtung zur Welle, nach radial außen durch den Statorkern, zum Rotor durch eine Trennwand zum Rotor und zur Stator-Rückseite durch eine Lagerstützwand (wobei diese Wand nicht unbedingt das Lager abstützen muss, sondern nur hier in diesem Beispiel so ausgeführt ist) berandet ist.
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Die Lagerstützwand weist Durchbrüche auf, welche das Volumen für den inneren Wickelkopf mit der Rückseite des Stators verbindet.
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Die Statorrückwand weist Nuten für die Kühlmittelrückführung auf, welche die Durchbrüche/Öffnungen in der Lagerstützwand mit einem radial außen liegenden Sammelkanal Rückführung verbinden.
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Bei Bedarf sind weitere Dichtelemente für die Volumen für die Wickelköpfe vorgesehen, welche z.B. auch im Volumen für den Wickelköpfe angeordnet sein können, oder nur an den Trennstellen der einzelnen Bauelemente oder auch außerhalb des Volumens für die Wickelköpfe angeordnet sein können.
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Das Volumen für den äußeren Wickelkopf, die Freiräume in den Wickelnuten parallel zu den Leitern in den Nuten, das Volumen für den inneren Wickelkopf, die Öffnungen für das Kühlmittel in der Lagerstützwand, die Nuten für die Kühlmittelrückführung auf der Stator-Rückseite und der Sammelkanal Kühlmittelrückführung bilden ein verbundenes Volumen, durch dem das Kühlmittel fließen kann bzw. bei Bedarf gepumpt wird. Die Flussrichtung kann bei der Auslegung des Motors frei ausgewählt werden. Hierfür sind der Sammelkanal Kühlmittelrückführung und das Volumen für den äußeren Wickelkopf mittels Ab- und Zuleitungen mit der Kühlmittelversorgung verbunden. Die Kühlmittel-Ableitung ist in den nachfolgenden Figuren nicht dargestellt.
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Man kann sich den Fluss im Volumen für den äußeren Wickelkopf von der Zuleitung im Volumen zu einer der Wickelnuten gut vorstellen (wie später in 11 visualisiert), genauso, wie den Fluss in der Wickelnut (parallel zu den Leitern in der Wickelnut) zum Volumen für den inneren Wickelkopf. So kann der Fluss vom inneren Wickelkopf durch die Öffnungen in der Lagerstützwand zur Rückseite des Stators und der Fluss nach radial außen durch die Nuten auf der Stator-Rückseite verlaufen. Die Wickelnuten, das Volumen für den inneren Wickelkopf (Wickelkopf ausgeblendet) mit den Öffnungen in der Lagerstützwand kann man sich auch vorstellen, insbesondere wenn man die später noch beschriebenen 9 bis 13 näher betrachtet.
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Wie aus 11 ersichtlich, sind die Nuten für die Kühlmittelrückführung in Umfangsrichtung gegenüber den Wickelnuten versetzt, so dass die Materialwegnahme für die Nuten für die Kühlmittelrückführung nicht oder nur im geringen Maße die Funktion der magnetischen Flussleitung im Statorjoch beeinträchtigt.
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Diese Art der Kühlung kann z.B. auch bei einer Axialflussmaschine in halber I-Anordnung (mit nur einem Stator auf nur einer Seite des Rotors) verwendet werden.
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Die Axialflussmaschine könnte auch mit einer Einzelzahnwicklung anstatt einer Wellenwicklung ausgeführt werden (beide haben äußere und innere Wickelköpfe sowie Leiter, welche in den Wickelnuten verlaufen).
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Die Erfindung wird nachfolgend auch mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 einen Stator in Explosionsdarstellung, umfassend ein Statorblechpaket und ein Gehäuse / Flansch,
- 2 die über einen Form- und Kraftschluss miteinander gekoppelte Statorkonfiguration aus 1,
- 3 eine Frontansicht des Stators aus 2,
- 4 eine teilweise dargestellte Längsschnittdarstellung entlang der Linie IV in der 3,
- 5 eine abgeknickte Längsschnittdarstellung entlang der Linie V in der 3,
- 6 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Axialflussmotors mit zwei baugleichen Statoren nach Art des Stators der 1 bis 3,
- 7 der Zustand des Axialflussmotors aus 6 während der Montage,
- 8 der Zustand des Axialflussmotors der 6 und 7 nach der Montage,
- 9 und 10 eine schematische Darstellung eines Axialflussmotors mit Wellenwicklung, und
- 11 bis 13 eine Visualisierung des Kühlmittelflusses durch den Axialflussmotor der 9 bis 10.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators 1 dargestellt. Der Stator 1 weist ein Statorblechpaket 2 und einen Flansch 3 auf. Das Statorblechpaket 2 weist eine Rückseite / Jochseite 4 auf.
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Der Flansch besitzt eine Vorderseite 5, die der Rückseite 4 des Statorblechpaketes 2 zugewandt ist. Auf der anderen Seite der Rückseite 4 des Statorblechpaketes besitzt das Statorblechpaket eine Polseite 6. Diese Polseite 6 könnte auch als Vorderseite des Statorblechpaketes bezeichnet werden.
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Der Polseite 6 ist ein Rotor 7 zugewandt, wie er bspw. in den 6 bis 8 dargestellt ist. Dabei kommt auch ein Distanzring 8 zum Einsatz. Zwei Statoren 1 beidseitig des Rotors 7 mit seinem Distanzring 8 formen maßgeblich den Axialflussmotor / die Axialflussmaschine, welche mit dem Bezugszeichen 9 versehen ist.
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Zurückkommend auf 1 sei auf regelmäßig über den Umfang verteilte und von radial innen nach radial außen führende in Radialrichtung sich längs erstreckende Nuten / Vertiefungen / Rücksprünge 10 herausgestellt. Jede Nut 10 besitzt ihrerseits einen in Richtung des Flansches 3 offenen Kanal 11, der zu einer stufigen Ausgestaltung der Nut 10 führt. Dies ist besonders gut in 4 dargestellt.
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Dort ist auch gut zu erkennen, dass eine Erhöhung / Erhabenheit / Rippe 12 des Flansches 3, der der Einteilung der Nuten 10 winkelmäßig und längenmäßig folgt, den Kanal 11 bedeckt, aber nicht ausfüllt, sondern nur verschließt, wohl aber (vorzugsweise) formschlüssig in die Nut 10 eingreift und dazu bemessen ist, dass ein Anschlag 13 des Statorblechpaketes, ausgeformt durch eine Wandung der Nut 10 bündig und somit formschlüssig in Anlage an einen Gegenanschlag 14, gebildet durch die Erhöhung 12, anliegt. Der Kanal 11 dient als Ölkanal.
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Ein Statorzahn ist mit dem Bezugszeichen 15 angedeutet. Er erstreckt sich in Richtung der Polseite 6. Der Flansch 3 ist auf der Jochseite vorhanden. Die Anschläge 13 und Gegenanschläge 14 wirken als axiale Anschläge bzw. übertragen Drehmoment bei Drehung des Statorblechpaketes 2 relativ zum Flansch 3.
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Die Radialrichtung ist mit dem Pfeil 16 angedeutet. Die Axialrichtung ist mit dem Pfeil 17 referenziert, siehe diesbezüglich bspw. 2. Die Umfangsrichtung ist dort mit dem Bezugszeichen / dem Pfeil 18 referenziert.
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Während in der 9 insbesondere Luftspalte mit dem Bezugszeichen 19 herausgestellt sind, sieht man in der 10 besonders gut einen Sammelkanal 20 zur Kühlmittelrückführung, einen linken Statorkern 21 und einen rechten Statorkern 22 sowie eine linke Wicklung 23 und eine rechte Wicklung 24 sowie einen zum Gehäuse ausgeformten Flansch 3 neben dem Rotor 7, aufweisend zumindest zwei Kühlmittelzuleitungen 25.
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Ein Kühlmittelfluss in der Wickelnut parallel zu den Drähten, z. B. in den Freiräumen zwischen einem Runddraht und einer rechteckigen Nut ist mit dem Pfeil 26, siehe insbesondere 11, visualisiert. Ein Kühlmittelfluss an einer Stator-Rückwand ist mit dem Bezugszeichen 27, insbesondere in den 11 und 12 referenziert. Wickelnuten sind in der 13 mit dem Bezugszeichen 28 referenziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Statorblechpaket
- 3
- Flansch
- 4
- Rückseite
- 5
- Vorderseite
- 6
- Polseite
- 7
- Rotor
- 8
- Distanzring
- 9
- Axialflussmotor / Axialflussmaschine
- 10
- Nut / Vertiefung / Rücksprung
- 11
- Kanal
- 12
- Erhöhung / Erhabenheit / Rippe
- 13
- Anschlag
- 14
- Gegenanschlag
- 15
- Statorzahn
- 16
- Radialrichtung
- 17
- Axialrichtung
- 18
- Umfangsrichtung
- 19
- Luftspalt
- 20
- Sammelkanal
- 21
- linke Statorkern
- 22
- rechter Statorkern
- 23
- linke Wicklung
- 24
- rechte Wicklung
- 25
- Kühlmittelzuleitung
- 26
- Kühlmittelfluss
- 27
- Kühlmittelfluss
- 28
- Wickelnut
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 0111755 A1 [0002]
- EP 3738199 A1 [0003]
- WO 2010/092403 A2 [0004]
