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Die Erfindung betrifft einen Stator für einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Stators.
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Bei derartigen Statoren besteht der Grundgedanke darin, den Stator aus mehreren einzelnen und kurzen Grundstatoren modular zu einem Grundstator-Verbund mit gewünschter Baulänge zusammen zu setzen. Die einzelnen Grundstatoren werden nach einer der Isolation dienenden getrennten Umspritzung mit einem Kunststoff, mittels an den Grundstatoren integrierter Verbindungsmittel axial in Serie stirnseitig zusammen montiert. Auf diese Weise lassen sich wesentlich dünnwandigere Schichten der Umspritzung erzeugen, so dass sich bei einem auf diese Weise zusammengesetzten Stator im Vergleich zu einem einzigen Stator gleicher Baulänge geringere Schichtstärken bzw. Isolierwandstärken erzielen lassen.
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Nachteilig ist hierbei, dass im Fall eines Stators für einen Innenläufer-Elektromotor die Zähne des Stators in ein Gehäuse eingeschrumpft werden müssen, um die benötigte hohe mechanische Festigkeit zu erreichen, was zusätzliche Materialkosten und weitere Arbeitsschritte verlangt.
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Bei Statoren für Außenläufer-Elektromotoren muss die mechanische Festigkeit durch spezielle konstruktive Gestaltung in Verbindung mit dem Statorjoch hergestellt werden. Eine Buchse des Stators für einen Außenläufer-Elektromotor muss speziell ausgebildet sein, um die Kräfte des Motors aufnehmen, was zuweilen mittels einer Presspassung von Buchse und Stator realisiert wird. Die Presspassung wirkt jedoch aufweitend auf modulare Statorzähne, wodurch kleinste Spalten entstehen die sowohl den auftretenden magnetischen Fluss beeinträchtigen, als auch das Schwingungs- und Geräuschverhalten verschlechtern.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher die vorstehend genannten Nachteile zu überwinden und einen Stator mit hoher Formstabilität bereitzustellen, der bei hohem Nutfüllgrad ein verringertes Schwingungs- und Geräuschverhalten aufweist.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 10 erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 10 gelöst.
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Im Sinne der Erfindung ist unter einem Stator ein Statorkonzept für einen Elektromotor der Bauart Innenläufer oder einen Elektromotor der Bauart Außenläufer zu verstehen.
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Im Sinne der Erfindung können Komponenten des Stators mittels Stanzpaketierverfahren und/oder additiven Verfahren hergestellt sein. Insbesondere können hierfür Dynamobleche mittels Backlack-Verfahren verbacken und/oder mittels Glulock-Verfahren verklebt sein.
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Im Sinne der Erfindung wird unter modular kombinierbar ein Baukastenprinzip verstanden, bei dem die entsprechenden Komponenten zu einem Stator kombiniert werden.
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Weiterhin kann im Sinne der Erfindung eine elektrische Wicklung aus Draht gewickelt, oder einem Vollmaterial gegossen oder geformt sein.
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Weiterhin kann im Sinne der Erfindung unter einem Kühlmittel beispielsweise U-förmig angepasste Heatpipes, respektive Wärmeleitrohre, oder beispielsweise eine Wasserkühlung verstanden werden.
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Der erfindungsgemäße Stator für einen Elektromotor umfasst die folgenden Komponenten: wenigstens einen ersten Grundstator, wobei der Grundstator aus wenigstens zwei ringförmig in Serie angeordneten Grundstator-Modulen gebildet ist, wobei das erste Grundstator-Modul mit dem wenigstens zweiten Grundstator-Modul ein Statorjoch bilden, wobei ein jedes Grundstator-Modul einen sich radial von dem Statorjoch erstreckenden Statorzahn ausbildet; wenigstens einen Zahnschuh, wobei der Zahnschuh mittels einer Nut-Feder-Verbindung, insbesondere mittels einer Schwalbenschwanzverbindung kraft- und formschlüssigen mit dem Statorzahn verbunden ist; wenigstens eine elektrische Wicklung; wenigstens eine, den Grundstator gegen die Wicklung (9) elektrisch trennende, Isolierung, sowie wenigstens ein Spreizmittel dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten Grundstator, Zahnschuh, elektrische Wicklung und Spreizmittel untereinander modular kombinierbar sind.
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Durch die Möglichkeit zur freien Gestaltung der Komponenten des Stators kann eine flexible Anpassung der Statorgeometrie geschaffen werden, die sich beispielsweise im Hinblick auf den magnetischen Fluss, die Geräuschentwicklung oder das Schwingungsverhalten des Stators nutzen lässt. Die Statorzähne können separat und/oder frei zugänglich mit einer Wicklung bewickelt werden und der Füllgrad der sich binnen zweier Zahnschuhe erstreckender Statornut optimiert werden. Die Bewicklung kann somit zügig mittels automatisierter Verfahren, wie beispielsweise der Methoden der Flyerwicklung durchgeführt werden. Eine Schrägung der Wicklung, um ein Aufbringen auf die Statorzähne zu ermöglichen, kann somit entfallen oder wenigstens minimiert werden.
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Weiterhin kann der Parameter der Nutöffnung, im Sinne des radialen Abstandes der Kanten der Zahnschuhe zueinander, frei gewählt werden. Dies ermöglicht eine Verbesserung des Geräusch- und Schwingungsverhalten des Stators, auf Grund der Nähe der Nutöffnung zum Luftspalt zwischen Stator und Rotor eines Elektromotors. Eine derartige Modularität der Komponenten kann zusätzlich zu einer in der Produktion notwendigen schnellen Anpassung des Stators genutzt werden, da einzelne Komponenten flexibel gefertigt werden können und in der Produktion schnell und einfach Konturanpassungen umgesetzt werden können.
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Das Rastmoment und die Polfühligkeit des Elektromotors kann auf eine geringe Größe reduziert und bei Bedarf zusätzliche Anpassungen zur Beseitigung von unerwünschten Radialkräften vorgenommen werden.
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Zusätzlich können die einzelnen Komponenten unabhängig voneinander und mittels unterschiedlicher Verfahren hergestellt werden, was die Flexibilität bei der Fertigung, beispielsweise bei dem Einsatz von additiven Fertigungsmethoden, erhöhen kann.
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Weiterhin wird eine Möglichkeit zum vereinfachten Anbringen von Kühlvorrichtungen in die Statornut geschaffen, da diese während des Herstellungsprozesses und bis zum Anbringen der Zahnschuhe frei zugänglich ist
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Weiterhin ist vorgesehen, dass der Stator wenigstens eine Kühlvorrichtung umfasst.
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Hierdurch kann ein optimaler Wärmeabtrag im Betrieb des Stators gewährleistet werden.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass der erste Grundstator mit wenigstens einem zweiten Grundstator einen Grundstator-Verbund bildet.
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Hierdurch können beliebige Baulängen des Stators flexibel und mittels Kombination mehrerer vorgefertigter Grundstatoren erreicht werden. Eine Herstellung von Baulängen die mittels üblicher Methoden der Stanzpaketierung nicht bewerkstelligt werden können, können somit realisiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Grundstatoren mittels Paketierfügestellen axial untereinander ausgerichtet und verbunden sind.
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Hierdurch kann ein einfaches Ausrichten der Grundstatoren zueinander, und eine schnelle Montage ermöglicht werden. Beispielsweise können entsprechende Fügedome zur Verschaltung des Stators mittels eines Verschaltungsrings genutzt werden, was automatisiert, etwa mittels Schneidklemmtechniken in Verbindung mit Stanzbiegetechniken, durchgeführt werden kann. Dies kann sich positiv auf die Qualität der Verschaltung, sowie auf die Produktionsdauer des Stators auswirken.
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Weiter vorteilhaft ist eine Ausgestaltung bei der der Zahnschuh mehrteilig, bevorzugt in axialer Richtung, insbesondere aus einem ersten Zahnschuhsegment und wenigstens einem zweiten Zahnschuhsegment ausgebildet ist.
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Analog zu Baulängen der vorkonfektionierten Grundstatoren können somit entsprechende Zahnschuhsegmente vorkonfektioniert bei der Herstellung des Stators zum Einsatz kommen, was einen schnellen und flexiblen Zusammenbau des Stators ermöglichen kann.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass eine Feder der Nut-Feder-Verbindung, insbesondere der Schwalbenschwanzverbindung zweigeteilt ausgebildet ist.
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Hierdurch kann eine Elastizität in der Verbindung zwischen Zahnschuh und Statorzahn ermöglicht werden, welche sich vorteilhaft bei der Vermeidung von unerwünschten Schwingungen, sowie der damit einher gehende Geräuschentwicklung auswirkt. Außerdem können dadurch Toleranzen des beispielsweise additiv gefertigten Zahnschuhs und/oder des Statorzahns über axial große Baulängen des Stators ausgeglichen werden und eine einfache Montage des Stators ermöglicht werden.
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Weiter bevorzugt ist, dass die Nut-Feder-Verbindung, insbesondere die Schwalbenschwanzverbindung mittels des Spreizmittels, insbesondere eines Bolzens, bevorzugt eines Flachkeils, einen Kraftschluss zwischen Statorzahn und Zahnschuh ausbildet.
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Hierdurch kann eine Verspannung der Verbindung zwischen Statorzahn und Zahnschuh ermöglicht werden, was sich vorteilhaft einerseits auf die Stabilität und Formsteifigkeit, sowie andererseits auf das Schwingungsverhalten und des damit einhergehende Geräuschverhaltens des Stators auswirken kann. Beispielsweise kann mittels einfacher Anpassung des Spreizmittels die Eigenschaften der Verbindung zwischen Zahnschuh und Statorzahn konfiguriert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Isolierung als Wickelkörper zur Aufnahme der Wicklung ausgebildet ist, wobei insbesondere der Wickelkörper formstabil gegenüber Drahtspannungen der Wicklung ausgebildet ist.
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Der Wickelkörper kann somit für eine separate Bewicklung und zum anschließenden Fügen der Wicklung auf den Grundstator oder den Grundstator-Verbund genutzt werden. Die Wicklung kann separat, beispielsweise mittels einer automatisierten und kostengünstigen Flyerwicklung, und für verschiedene Baulängen des Stators vorkonfektioniert angefertigt werden. Zusätzliche Montagekosten, wie beispielsweise die sonst notwendige zusätzlicher Isolation des Stators gegen die Wicklung können verhindert werden. Zusätzliche und isolierende Endscheiben, oder das Umspritzen des gesamten Stators können dadurch eingespart werden.
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Weiterhin kann der Wickelkörper das Auftreten von Beschädigungen im Zuge des Aufbringens der Wicklung auf den Zahnschuh, etwa auf Grund vorhandener Blechkanten, verhindern. Mittels der Fertigung des Wickelkörpers aus beispielsweise Kunststoffen, kann dieser einfach und flexibel in der Produktion auf unterschiedliche Anforderungen angepasst werden. Zusätzliche Wicklungen, beispielsweise auf Grund großer Baulängen können dadurch eingespart werden.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass der Wickelkörper einen Verschaltungsbereich zur Aufnahme von einem Wickeldraht-Anfang und/oder einem Wickeldraht-Ende aufweist.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass ein Anfang und/oder ein Ende des Wickeldrahtes sicher am Ort der Verschaltung, beispielsweise mittels Schneidklemmtaschen oder Schneidklemmtechniken, abgelegt werden können. Derartige Schneidklemmtaschen können nach der Komplettierung des Stators sodann beispielsweise mittels weiterer Schaltscheiben oder Verschaltungsringen steckbar verschaltet werden. Ein für die Wicklung eingesetzter Wickelautomat kann dadurch Wickeldraht-Anfang und Wickeldraht-Ende im Verschaltungsbereich ablegen und abtrennen, wodurch diese nicht frei liegen und ein Lösen der Wicklung verhindert werden kann. Dies kann Zeit und Kosten bei der Herstellung einsparen.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass das Statorjoch, zwischen einem jeden Statorzahn, jeweilig eine in axialer Richtung des Stators weisende Jochnut zur Aufnahme der Kühlvorrichtung aufweist.
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Hierdurch kann eine einfache Montage der Kühlvorrichtung ermöglicht werden und etwaige Störungen des magnetischen Flusses auf Grund der montierten Kühlvorrichtung verringert werden.
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Weiter vorteilhaft ist eine Ausgestaltung bei der die Kühlvorrichtung die Statorzähne (6) mäandernd und einer, in radialer Blickrichtung auf den Stator, Auf- und Ab-Bewegung folgend, umschließt.
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Hierdurch kann eine einfache und schnelle Kontaktierung der Kühlvorrichtung im Anschluss an die Montage des Stators ermöglicht werden und ein enger Kontakt zwischen Kühlvorrichtung und Stator zur Effektiven Kühlung erreicht werden.
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Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Stators gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche umfassend die Schritte:
- a. Bereitstellen wenigstens eines ersten Grundstators;
- b. Bereitstellen wenigstens eines zweiten Grundstators;
- c. axiales Ausrichten der Grundstatoren zueinander und mechanisches Verbinden der Grundstatoren zu einem Grundstator-Verbund;
- d. Fügen einer Kühlvorrichtung in einer Jochnut des Grundstator-Verbunds;
- e. Bereitstellen einer gegossenen, geformten und/oder gewickelten elektrischen Wicklung auf einem Wickelkörper;
- f. Fügen des Wickelkörpers auf den Grundstator-Verbund;
- g. Bereitstellen wenigstens eines ersten Zahnschuhsegments;
- h. Bereitstellen wenigstens eines zweiten Zahnschuhsegments;
- i. Verbinden der Zahnschuhsegmente mit dem Grundstator-Verbund mittels einer Nut-Feder-Verbindung, insbesondere mittels einer Schwalbenschwanzverbindung;
- j. Fügen eines Spreizmittels in axialer Richtung des Stators innerhalb der Nut-Feder-Verbindung, insbesondere innerhalb der Schwalbenschwanzverbindung;
- k. Kontaktieren der elektrischen Wicklung und/oder der Kühlvorrichtung.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Zeichnungen anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Hierbei zeigt:
- 1 eine perspektivische Explosionsansicht eines Stators für einen Innenläufer-Elektromotor;
- 2 eine perspektivische Explosionsansicht eines bewickelten Grundstator-Moduls für einen Innenläufer-Elektromotor;
- 3 eine perspektivische Explosionsansicht eines Stators für einen Außenläufer-Elektromotors;
- 4 eine perspektivische Explosionsansicht zweier Grundstatoren in einem Vormontagezustand mit Verschaltungsring für einen Außenläufer-Elektromotors, vorzugsweise bei direkter Bewicklung des Grundstators,
- 5 eine perspektivische Ansicht eines Grundstators in einem Vormontagezustand mit einer Kühlvorrichtung, sowie
- 6 eine Detailansicht eines Wickelkörpers 18 mit Wicklung 9 und Verschaltungsbereich 25 zur Aufnahme eines Wickeldraht-Anfangs 26 und eines Wickeldraht-Endes 27.
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Die Erfindung wird im Folgenden an Beispielen für sowohl einen in den 1 und 2 dargestellten Stator 1 eines Innenläufer-Elektromotors, als auch einen in den 3 bis 5 dargestellten Stator 1 eines Außenläufer-Elektromotors näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen. Ferner ist in der 1 und der 3 jeweils eine perspektivische Explosionsansicht eines Stators 1 in einem Vormontagezustand gezeigt. Der in 4 dargestellte Verschaltungsring kann ebenfalls in entsprechend gleicher Weise für einen Innenläufer-Elektromotor umgesetzt werden, was aus Gründen der Klarheit nicht explizit dargestellt wird.
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Der Stator 1 umfasst einen Grundstator 2, wobei der Grundstator 2 aus zwölf ringförmig in Serie angeordneten und ineinander greifenden Grundstator-Modulen 3, 4 gebildet ist. Mittels einer beispielsweise als Formschluss ausgebildeten Verbindung zwischen den Grundstator-Modulen 3, 4 kann eine hohe Stabilität des Grundstators 2 ermöglicht werden. Die Grundstator-Module 3, 4 bilden ein gemeinsames Statorjoch 5 des Grundstators 2, wobei ein jedes Grundstator-Modul 3, 4 einen sich radial von dem Statorjoch 5 erstreckenden Statorzahn ausbildet.
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Im Fall des in der 1 gezeigten Stators 1 für einen Innenläufer-Elektromotor erstrecken sich die Statorzähne 6 radial nach innen und im Fall des in der 2 gezeigten Stators 1 für einen Außenläufer-Elektromotors radial nach außen.
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Dargestellt ist beispielhaft, dass die Grundstator-Module 3, 4 jeweils aus einer Vielzahl von Dynamoblechen 22 gefertigt sind. Vorgesehen ist, dass die einzelnen Komponenten des Stators 1 auch mittels additiver Fertigungsmethoden bereitgestellt werden können, wie etwa an einem in 1 gezeigten Zahnschuhs 7 dargestellt. Eine hohe Flexibilität und eine kostengünstige, auf die jeweiligen Anforderungen der Produktion angepasste Herstellung, kann somit ermöglicht werden. Spezielle Anforderungen bei der geometrischen Ausgestaltung der Zahnschuhe 7 können dadurch schnell berücksichtigt und umgesetzt werden.
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Die Zahnschuhe 7 sind mittels einer Schwalbenschwanzverbingung 8 kraft- und/oder formschlüssig mit den Statorzähnen 6 verbunden, was sich vorteilhaft in Bezug auf die Verteilung der im Betrieb des Stators 1 auftretenden Kräfte auswirken kann. In 3 ist dargestellt, dass die Zahnschuhe 7 in axialer Richtung aus jeweils einem ersten Zahnschuhsegment 16 und jeweils einem zweiten Zahnschuhsegment 17 mehrteilig ausgebildet sind und die jeweilige Schwalbenschwanzverbindungen 8 jeweils mittels als Bolzen 24 ausgebildeter Spreizmittels 11, 12 kraft- und formschlüssig verspannt wird. In 3 ist weiterhin gezeigt, dass die Zahnschuhe 7, respektive die Zahnschuhsegmente 16, 17, aus Dynamoblechen 22 hergestellt sind. Die Feder (nicht bezeichnet) der Schwalbenschwanzverbindung 8 ist, wie beispielsweise in 2 dargestellt, zweigeteilt ausgebildet, wodurch ein Ausgleich der Fertigungstoleranzen der entsprechenden Komponenten beim Fügen der Komponenten ermöglicht werden kann. Darüber hinaus wird eine in Abhängigkeit des gewählten Spreizmittels justierbare Elastizität der Verbindung erzeugt, die sich positiv auf die Schwingungseigenschaften des Stators 1 auswirken und eine Verringerung der Geräuschentwicklung ermöglichen kann.
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Weiterhin ist dargestellt, dass die Verschaltung der Wicklungen beispielsweise mittels eines Verschaltungsrings 23, wie er exemplarisch in 4 dargestellt ist, oder mittels an den Wickelkörpern 18 angebrachten Verschaltungsbereichen 25, wie er in 3 dargestellt ist, ermöglicht wird. Vorteilhaft bei einer Verschaltung mittels Verschaltungsbereiche 25 ist das einfache Kontaktieren der Wicklungen, sowie dass ein Wickeldraht-Anfang 26 und/oder ein Wickeldraht-Ende 27 direkt und sicher am Ort der Verschaltung, beispielsweise mittels Schneidklemmtaschen oder Schneidklemmtechniken, abgelegt werden kann, wie in 6 dargestellt ist. Hierdurch können Wickeldraht-Anfang 26 und Wickeldraht-Ende im Anschluss an die Komplettierung des Stators mittels weiterer Schaltscheiben oder weiterer Verschaltungsringe steckbar verschaltet werden.
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In 4 ist eine perspektivische Ansicht eines ersten Grundstators 2 und eines zweiten Grundstators 2' in einem Vormontagezustand zum Herstellen eines zu bewickelnden Grundstator-Verbunds 14 dargestellt. Stirnseitig und axial zueinander ausgerichtet sind die Grundstatoren 2, 2' mittels Paketierfügestellen 15 und mit einem Verschaltungsring 23 verbunden. Unterschiedliche Baulängen des Stators 1 können so mittels vorgefertigter Grundstatoren 2, 2' einfach realisiert werden. Zusätzlich ist in 4 dargestellt, dass die Statornut 20 in diesem Montagezustand frei zugänglich ist und eine Wicklung 9, beispielsweise mittels einer Flyerwickeltechnik, zügig und kostensparend auf den Statorzahn 6 in die Statornut 20 eingebracht werden kann.
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Weiterhin ist dargestellt, dass die Statorzähne 6 elektrisch gegen eine jeweilige Wicklung 9 mittels eines zur Aufnahme der jeweiligen Wicklung 9 ausgebildeten Wickelkörpers 18 isoliert ist. Eine Formstabilität des Wickelkörpers 18 im Hinblick auf Drahtspannungen ermöglicht ein separates Bewickeln des Wickelkörpers 18. Dadurch kann die wicklung kostengünstig unabhängig von dem Grundstator 2 vorgefertigt werden. Auf Grund der Modularität des Stators 1 kann diese sodann auf einen Statorzahn 6 gefügt werden. Etwaige Behinderungen beim Fügeprozess, beispielsweise auf Grund der Geometrie der Zahnschuhe 7, Statorzähne 6 und dem Statorjoch 5 zueinander können dadurch umgangen und eine optimale Bewicklung des Stators 1 ermöglicht werden.
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In 5 ist in einer perspektivischen Ansicht ein Grundstator 2 in einem Vormontagezustand dargestellt. Das Statorjoch 5 weist zwischen einem jeden Statorzahn 6, jeweilig eine in axialer Richtung des Stators 1 weisende Jochnut 19 auf, welche zur Aufnahme einer Kühlvorrichtung 13 ausgebildet ist. Die Kühlvorrichtung 13 ist in 5 als Schnittdarstellung dargestellt und folgt, in axialer Blickrichtung auf den Stator 1, einer mäandernden Auf- und Ab-Bewegung indem sie die Statorzähne 6 umschließt. Hierdurch kann eine einfache und flexible Kontaktierung der Kühlvorrichtung 13 ermöglicht werden. Die Kühlvorrichtung liegt eng zwischen Statorjoch 5 und den Statorzähnen 6 an und kann zu einer effektiven Kühlung des Stators 1 genutzt werden. Etwaige Störungen des magnetischen Flusses durch die Kühlvorrichtung 13 können dadurch minimiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2, 2'
- Grundstator
- 3
- erstes Grundstator-Modul
- 4
- zweites Grundstator-Modul
- 5
- Statorjoch
- 6
- Statorzahn
- 7
- Zahnschuh
- 8
- Schwalbenschwanzverbindung
- 9
- Wicklung
- 11
- erstes Spreizmittel
- 12
- zweites Spreizmittel
- 13
- Kühlvorrichtung
- 14
- Grundstator-Verbund
- 15
- Paketierfügestelle
- 16
- erstes Zahnschuhsegment
- 17
- zweites Zahnschuhsegment
- 18
- Wickelkörper
- 19
- Jochnut
- 20
- Statornut
- 21
- Statornutöffnung
- 22
- Dynamoblech
- 23
- Verschaltungsring
- 24
- Bolzen
- 25
- Verschaltungsbereich
- 26
- Wickeldraht-Anfang
- 27
- Wickeldraht-Ende
