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Die Erfindung betrifft eine Statoranordnung eines Elektromotors, die ein Wickelpaket und eine Verbindereinheit enthält. Das Wickelpaket enthält zwölf Spulen in Form von Statorspulen. Die Statoranordnung ist ein Teil des Stators des Elektromotors.
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Aus der
EP 2 483 991 B1 ist ein Elektromotor in Form eines bürstenlosen Synchronmotors mit zehn rotorseitigen und zwölf statorseitigen Polen in Form von gewickelten Spulen bekannt. Das Wickeln der Spulen ist ein aufwändiger Vorgang. Außerdem benötigen die Spulen eine korrekte Verschaltung, um einen funktionsfähigen Motor zu erhalten.
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Aus der
EP 1 526 628 ist es bekannt, dass auch eine derartige Verschaltung sehr aufwändig ist. Vorgeschlagen wird dort, dies über eine elektrische Verschaltungseinheit mit Schaltringen („busbar unit“) zu bewerkstelligen. Auch die Verschaltungseinheit ist ein komplexes Bauteil.
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Die Spulen bilden zumindest einen Teil eines Wickelpaketes. Das Wickelpaket zusammen mit der Verschaltungseinheit bildet die Statoranordnung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verbesserungen in Bezug auf eine Statoranordnung vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Wickelpaket nach Anspruch 1 für eine Statoranordnung eines Elektromotors. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Das Wickelpaket enthält drei Wicklungen, jede der Wicklungen enthält eine Spulengruppe (kurz „Gruppe“) aus je vier Spulen zu zwei Paaren. Die Wicklung wird durch einen Leiter, insbesondere einen Wickeldraht realisiert, der nicht zwangsweise einstückig bzw. unterbrechungsfrei ausgeführt sein muss. Die Wicklung kann also auch elektrisch verbundene, an sich separate, Teilstücke aufweisen. Die Spulengruppe ist über Zuleitungsabschnitte mit den Anschlussbereichen verbunden. Die Spulen sind innerhalb der Spulengruppe untereinander durch Übergangsleitungen innerhalb der Paare und Verbindungsleitungen zwischen den Paaren verbunden.
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Das Wickelpaket enthält drei Anschlussbereiche. Jeder der Anschlussbereiche dient zum Anschluss des Wickelpakets bzw. der Zuleitungsabschnitte an eine von drei Phasen einer Drehspannung bzw. eines Drehstromes (im Folgenden der Einfachheit halber stets „Drehspannung“). Diese Phasen der Drehspannung werden im Folgenden mit „U,V,W“ bezeichnet. Die Anschlussbereiche sind jeweils einpolige Anschlusspunkte im elektrischen Sinne, jedoch räumlich ausgedehnte Bereiche, in denen die jeweiligen Enden und/oder Beginne der Wicklungen (Zuleitungsabschnitte) einer Spulengruppe elektrisch zu kontaktieren sind. Die Anschlussbereiche sind dabei gedachte Raumbereiche. Die konkrete elektrische Verbindung erfolgt durch elektrische Leiter, insbesondere Phasensammler, die die Wicklungen elektrisch zu drei Anschlusspolen führen bzw. elektrisch kontaktieren. Jeder der drei Anschlusspole wird dann im Betrieb mit einer Phase verbunden bzw. aus dieser mit Leistung versorgt.
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Das Wickelpaket weist eine Längsachse auf, der hier eine beliebige, aber festgelegte Richtung nämlich von „unten“ nach „oben“ zugewiesen ist. Für die Wahl von Richtungen, Wickelsinnen, Nummerierungen usw. (siehe unten) gilt vorliegend folgendes: Es wird hier eine jeweilige konkrete Richtung / Bezeichnung / Benennung gewählt, um die Zusammenhänge konsistent zu erläutern. Eine jeweils andere Benennung (z.B. „unten“ als „oben“ bezeichnet) bzw. Wahl aller Bezeichnungen wäre zwar möglich, jedoch nur, solange die vorliegende Konsistenz der Zusammenhänge nicht verändert wird. Insofern erscheint die konkrete Benennung von Bezeichnungen, Richtungen usw. wiederum unbedeutend.
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Insofern weist das Wickelpaket eine untere und eine obere Stirnseite auf. Das Wickelpaket enthält eine Spulenanordnung, welche konzentrisch zur bzw. in Umfangsrichtung um die Längsachse angeordnet ist. Die Spulenanordnung enthält zwölf Spulen, die in Umfangsrichtung gleichmäßig um die Längsachse verteilt sind. Auch der Umfangsrichtung ist hierbei eine beliebige, aber fest gewählte Richtung zugeordnet, welche hier entgegen der sogenannten „Rechte-Hand-Regel“ verläuft. Wird der gestreckte Daumen einer menschlichen rechten Hand in Richtung der Längsachse ausgerichtet, weisen die vier gekrümmten Finger der Hand in eine Umfangsrichtung um die Längsachse, die hier gewählte Richtung zeigt in die Gegenrichtung. „Gleichmäßig verteilt“ bedeutet, dass die Spulen jeweils um 30° in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind.
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Die Spulen sind Statorspulen, wobei jede der Spulen radial bezüglich der Längsachse der Statoranordnung ausgerichtet ist. Dies bedeutet, dass jede Spule bzw. deren Wicklung (als Teil der gesamten Wicklung der Gruppe) eine Fläche umgrenzt, deren Flächennormale in Radialrichtung bezüglich der Längsachse verläuft. Alle Spulen sind derart konzentrisch in Umfangsrichtung bezüglich der Längsachse ausgerichtet und weisen den gleichen Radialabstand zur Längsachse auf, sind also auf einem konzentrischen Kreis um die Längsachse verteilt. Im Wickelpaket bilden (Lücken etc. sind hier ausgenommen) bzw. folgen die Spulen also zusammen einem geraden Kreiszylinder, wobei die einzelnen Wicklungen auf der Zylinderfläche liegen bzw. dieser folgen.
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Alle Spulen weisen - bis auf zwei unterschiedliche Wicklungssinne - gleiche Wicklungsgeometrien auf. Mögliche Wicklungssinne sind „im Uhrzeigersinn“ („CW“, clockwise) oder „entgegen dem Uhrzeigersinn“ („CCW“, counter clockwise). Die Zählrichtung wird hier wie folgt festgelegt: Sie bezieht sich ein aufgetrenntes und von der Längsachse auf eine Papierebene abgewickeltes bzw. abgerolltes bzw. abgelegtes Wickelpaket: Dabei liegt die Richtung „oben“ auch auf der Papierebene oben, „links“ liegt links usw. Die Auftrennung erfolgt an einer beliebigen, aber fest gewählten Stelle zwischen zwei Spulen. Die radiale Innenseite des Wickelpaketes ist daher einem Betrachter zugewandt. Die Umfangsrichtung des Wickelpaketes zeigt dann von links nach rechts in der Papierebene, die „unteren“ und „oberen“ Stirnseiten behalten also auch auf der Papierebene ihre Bedeutung. Angesprochen sind hier ausschließlich die technischen Wicklungssinne, d.h. die Art und Weise, wie physikalisch eine Wicklung erzeugt, insbesondere auf einen hier nicht näher erläuterten Kern bzw. Spulenkern jeder Spule aufgebracht, wird. Erst durch die Wahl der Bestromungsrichtung im Betrieb ergäbe sich dann der hier nicht betrachtete elektrische Wicklungssinn. Zu Zwecken der Erläuterung des Wickelpakets werden die Spulen im abgewickelten Zustand auf der Papierebene von links nach rechts mit den Zahlen „1“ bis „12“ durchnummeriert.
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Die Spulen sind also bis auf unterschiedliche Wicklungssinne gleich gewickelt, weisen gleiche Dimensionen und gleiche Windungszahl auf. Allenfalls existieren Unterschiede in der Zuführung und Abführung des Spulendrahtes von und zu der Wicklung, d.h. gleiche Wicklungsgeometrien können - in Umschlingungsrichtung einer Wicklung um den Kern betrachtet - an unterschiedlichen Umschlingungs-Umfangs-Positionen beginnen und enden, z.B. im Wickelpaket „unten“ oder „oben“, „links“ oder „rechts“. Beginn und Ende der Wicklung, also Eintritts- und Austrittspunkt für einen Wickeldraht an der Spule kann also an ggf. unterschiedlichen Umschlingungspositionen des Kerns bzw. der Spule liegen.
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Die Spulen sind in drei Spulengruppen bzw. Gruppen, die hier mit „A,B,C“ benannt sind, zu je vier Spulen unterteilt. Insbesondere enthält eine Gruppe A die Spulen mit den Nummern „1, 2, 7, 8“, B enthält „2, 3, 9, 10“ und C enthält „5, 6, 11, 12“. Alle Spulen einer jeweiligen Gruppe sind als elektrische Reihenschaltung zwischen jeweils zwei der Anschlussbereiche geschaltet. Deren Wicklung verbindet also zwei verschiedene Anschlussbereiche und somit im Betrieb zwei unterschiedliche Phasen. So sind insbesondere die Spulen der Gruppe A zwischen die Phasen U und W bzw. deren Anschlussbereiche geschaltet, Gruppe B zwischen W und V und Gruppe C zwischen U und V. Somit ergibt sich elektrisch eine Dreiecksschaltung der drei Gruppen zu je vier Spulen zwischen den drei Anschlusspunkten und damit den drei Phasen der Drehspannung.
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In der gerichteten Umfangsrichtung bezüglich der Längsachse betrachtet (also in Richtung aufsteigender Spulennummern) sind die drei Gruppen verschränkt angeordnet. Unter dieser „Verschränkung“ ist folgendes zu verstehen:
- Jede Gruppe enthält jeweils genau zwei Paare jeweils benachbarter Spulen. Zwischen diesen zwei Paaren ist jeweils ein Paar jeder der beiden anderen Gruppen angeordnet, also vier Spulen der beiden anderen Gruppen. Alle Gruppen sind in Umfangsrichtung gesehen hinsichtlich der Abfolge ihrer Wicklungssinne identisch aufgebaut, insbesondere in der Reihenfolge CW-CCW-CCW-CW. Jedes Paar von Spulen weist beide Wicklungssinne CW und CCW auf; und die Reihenfolge der Wicklungssinne - wieder in der gerichteten Umfangsrichtung betrachtet - unterscheiden sich zwischen den beiden Paaren der Gruppe. Somit gilt innerhalb einer Gruppe: wenn die Reihenfolge im ersten Paar „CW - CCW“ lautet, dann lautet sie im zweiten Paar der selben Gruppe „CCW - CW“ und umgekehrt.
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Im Folgenden wird wiederum hinsichtlich des technischen Wicklungssinns der technische Wicklungsbeginn und das technische Wicklungsende einer jeweiligen Spule betrachtet. Wicklungsbeginn ist in diesem Sinne diejenige Stelle, an welcher die Wicklung, z.B. der Wickeldraht beim Wickelvorgang zuerst beginnt, die Spule zu formen, insbesondere zuerst auf einen Kern bzw. Wicklungs- oder Spulenträger der Spule aufgelegt wird. Wicklungsende ist derjenige Punkt, an welchem die technische Wicklung der Spule beendet wird, d.h. der Wickeldraht wieder von der Spule weggeführt wird.
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Der von einem der Anschlussbereiche kommende technische Wicklungsbeginn befindet sich im (in Umfangsrichtung) ersten Paar einer Gruppe und dort an der zweiten Spule. Dort liegt er an derjenigen Seite der zweiten Spule des Paares, die der ersten Spule dieses Paares zugewandt ist, also „links“ an der zweiten Spule. Dabei liegt er stirnseitig, d.h. einer bestimmten Stirnseite des Wickelpakets zugewandt, an der Spule; in der hier gewählten Nomenklatur fest „oben“ an der Spule, d.h. an der oberen Stirnseite des Wickelpakets. Die Stirnseite ist für alle Gruppen die gleiche, fest gewählte Stirnseite, hier also stets die „obere“.
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Für das zu einem der Anschlusspunkte führende technische Wicklungsende gilt: Dieses liegt im zweiten Paar der jeweiligen Gruppe ebenfalls an der zweiten Spule dieses Paares, ebenfalls „oben“ und ebenfalls an der derjenigen „linken“ Seite der zweiten Spule des Paares, also der Seite, die der ersten Spule dieses Paares zugewandt ist.
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Insbesondere für den Fall, dass die Spulengruppe aus einem einzigen Leiter unterbrechungsfrei gewickelt ist, gilt folgendes: Es handelt sich dabei also um den physikalischen Start der Wicklung bzw. des Wicklungsvorgangs im technischen Wickelsinn der zuerst gewickelten Spule der jeweiligen Gruppe, der vom ersten Anschlussbereich der Gruppe kommt; und um das physikalische Ende der Wicklung der zuletzt gewickelten Spule der jeweiligen Gruppe, das zum zweiten Anschlussbereich führt. Der jeweilige Beginn und das Ende eines entsprechenden Wickelvorgangs sind hier nur beispielhaft so gewählt bzw. festgelegt.
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Auch hier gilt: die festgelegte Wickelrichtung wird hier zur Erläuterung beibehalten, auch wenn diese in einer alternativen Variante für eine Spulengruppe bzw. Wicklung auch umgekehrt werden könnte, d.h. vom hier bezeichneten „Ende“ zum „Beginn“ verlaufen würde. Als Folge kehrt sich dann der jeweilige Wicklungssinn der Spulen um, aus „CCW“ wird also jeweils „CW“ und umgekehrt.
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Die Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen: das Wickeln eines Elektromotors bzw. dessen Stators mit zwölf Spulen (auch „Kerne“, „Zähne“, „slots“), insbesondere in Verbindung mit einem 10-poligen Läufer, ist ein komplexer Prozess, welcher eine geschickte Kombination von Design, Prozess und Herstellung erfordert, um Kosten zu reduzieren. Die Planung einer Wicklung (Wickelpaket), und ebenso deren Verschaltung, d.h. die Planung einer zugehörigen Verschaltungseinheit („Busbars“) wird vor allem für die angesprochene 12/10-Kombination noch komplexer als für andere Konfigurationen, wegen des asymmetrischen Charakters dieser Konfiguration. Die Komplexität der Verschaltungseinheit bzw. der Busbars führt zu teureren Komponenten, komplexerer Herstellung und der Notwendigkeit zusätzlicher Qualitätskontrollen. Praxisübliche Standardlösungen für 12/10-polige Motoren nutzen ein asymmetrisches Wickelschema, das mindestens zwei verschiedene Wicklungstypen für verschiedene Phasengruppen (zu je vier Spulen) erfordert. Zum Beispiel werden - unter Verwendung der oben festgelegten Nomenklatur - zwei Phasengruppen gleich gewickelt (Spulen 1, 2, 7, 8 und Spulen 5, 6, 11, 12 in CCW, CW, CW, CCW), die dritte Phasengruppe jedoch in einer entgegengesetzten Wickelrichtung (Spulen 3, 4, 9, 10 in CW, CCW, CCW, CW). Dies erfordert die Herstellung von zwei verschiedenen Spulengruppen und daher werden mehr Ressourcen für die selbe Produktion benötigt.
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Eine derartige Lösung weist mehrere Nachteile auf, wie zum Beispiel die Notwendigkeit, eine Spindelwickelmaschine zu verwenden; die nachträgliche Zusammenstellung der jeweiligen Spulengruppen, um den Stator herzustellen, ist außerdem sehr schwierig in einen Automationsprozess zu überführen. Oftmals werden derartige Wicklungen daher teils von Hand hergestellt. Eine andere Lösung ist, die jeweiligen Spulengruppen in zwei Untergruppen zu unterteilen und mit unterschiedlichen Drähten zu wickeln und die Untergruppen nachher zur Spulengruppe zu verbinden. Diese Lösung vereinfacht zwar den Wickelprozess und die Handhabung, erhöht jedoch dramatisch die Komplexität der Verschaltungseinheit bzw. der Busbars, da sich die Anzahl der zu kontaktieren Drahtenden verdoppelt. Weiterhin sind die zu verbindenden Drähte bzw. Enden der Teilwicklungen am Stator in Umfangsrichtung um ca. 180° versetzt, was die Länge der notwendigen Busbars, z.B. Kontaktschienen / -platten, vergrößert und die Anzahl von Lagen in einer Verschaltungseinheit erhöht, da sie aus Platzgründen oft nicht in der gleichen Lage untergebracht werden können. Auch ein sprechender Löt- bzw. Schweißaufwand verdoppelt sich.
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Die hier vorgeschlagene Lösung vereinfacht die Spulenverbindungen, was zu einer vereinfachten Verschaltungseinheit bzw. zu vereinfachten Busbars führt, wenn auf letztere nicht optional sogar gänzlich verzichtet werden kann. Außerdem ergibt sich weniger Komplexität im Wickelprozess. Gemäß der vorgeschlagenen Lösung können alle Spulengruppen bzw. Wicklungen identisch gewickelt werden; die Fertigungszeit pro Wicklung wird reduziert, da alle Spulen bzw. Zähne in einem Zug und mit dem selben Wickelschema gewickelt werden können. Dies gilt vor allem für die unten genannte Ausführungsform, dass alle Spulen einer Gruppe unterbrechungsfrei mit einem einzigen Leiter gewickelt werden. Insbesondere kann die Wicklung im faktisch auf eine Fläche abgelegten Zustand des Wickelpakets bzw. der Kerne, wie sinngemäß oben beschrieben, durchgeführt werden. Die Spulen „1-12“ werden dann eben in einer Reihe angeordnet und erst nach dem Wickeln zu einer zylinderförmigen Anordnung - gewissermaßen um die Längsachse herum - aufgerollt, um das zylindrische Wickelpaket zu erhalten.
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Für den Fall durchgängig mit einem Leiter gewickelter Gruppen ergeben sich insgesamt lediglich sechs Anschlussdrähte (je zwei Enden der drei Leiter), welche in der Verschaltungseinheit zu kontaktieren sind. Dabei ist es durch die hier vorgeschlagene Lösung möglich, drei mal jeweils zwei benachbarte Anschlussdrähte miteinander zu verbinden, um diese auf jeweils eine gemeinsame Phase zu führen. Besonders hierdurch vereinfacht sich das Busbar-Design mit dem gegebenen Wickelpaket. In Verbindung mit der Verschränkung der Spulenpaare ergibt sich außerdem eine nahezu Gleichverteilung von Wicklungsbeginnen und Wicklungsenden der Wicklungen über den Umfang des Wickelpaketes. Dies vereinfacht die Kontaktierung der jeweiligen Drahtenden, da z.B. mehr Platz für Kontaktierklammern („hooks“) zwischen den Leiterenden zur Verfügung steht, als bei eng beieinanderliegenden Drahtenden. Durch die jeweils mittig innerhalb eines Spulenpaares platzierten Wicklungsenden und Wicklungsbeginne vereinfacht sich außerdem die Qualitätssicherung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen alle jeweils vom Wicklungsbeginn oder Wicklungsende zum Anschlussbereich führenden Zuleitungsabschnitte der Spulengruppen bzw. der entsprechenden Wicklungen gerade parallel zur Längsachse. Mit „Wicklungsbeginn / -ende“ sind wie oben erläutert die Eintritts- / Austrittspunkte der Wicklung, z.B. des Leiters, in die / aus der jeweiligen Spule angesprochen, nicht das jeweilige physikalische Wicklungs- bzw. Leiterende. Wegen der an sich bereits drehsymmetrischen Anordnung von Wicklungsbeginnen und -enden (wie oben beschrieben: in Umfangsrichtung „mittig“ in den jeweiligen Spulenpaaren) sind damit auch die parallel zur Längsachse nach „oben“ weggeführten Zuleitungsabschnitte drehsymmetrisch und gleichmäßig um die Längsachse herum je 60° versetzt zueinander über den Umfang verteilt. Somit ist es möglich, eine hinsichtlich der Kontaktierung der Drahtenden ebenfalls drehsymmetrisch ausgeführte, aufzusetzende Verschaltungseinheit in drei verschiedenen Drehpositionen aufzusetzen. Die Drehpositionen sind dabei jeweils 120° um die Längsachse versetzt. Die Verschaltungseinheit (Busbar) kann insbesondere sogar in sechs verschiedenen Drehpositionen jeweils um 60 ° verdreht aufgesetzt werden und die Schaltung funktioniert. D.h., jede Position führt zu einer funktionierenden Verschaltung der Spulengruppen zu einer Dreieckschaltung. In allen drei oder sechs Drehpositionen wird die elektrisch funktionale Beschaltung des Wickelpakets nicht verändert. Die Zuleitungsabschnitte müssen dabei nicht verändert und nicht oder allenfalls minimal verformt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform liegen bei mindestens einer Gruppe alle von Wicklungsbeginn und Wicklungsende zu den Anschlussbereichen führenden Zuleitungsabschnitte der Wicklungen an einer ersten Stirnseite (mit der hier gewählten Nomenklatur „oben“), und eine Verbindungsleitung zwischen den Paaren liegt an der gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Wickelpakets (damit „unten“). Dies vereinfacht sowohl das Aufsetzen einer Verschaltungseinheit als auch die Verlegung bzw. Platzierung der Verbindungsleitung in Form der Übergänge zwischen den Paaren, insbesondere wenn die jeweilige Gruppe mit einem einzigen durchgängigen Leiter, z.B. Wicklungsdraht, gewickelt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein, insbesondere beide, Paare mindestens einer der, insbesondere aller, Spulengruppen mit einem einzigen Leiter unterbrechungsfrei gewickelt. Bereits dies vereinfacht das Wickeln des betreffenden Paares, da nur ein einziger ununterbrochener Wickelvorgang notwendig ist.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform verläuft innerhalb mindestens einem, vorzugsweise allen, der unterbrechungsfrei gewickelten Paare der Übergang, also die Übergangsleitung zwischen den Spulen eines Paares an deren in Umfangsrichtung einander zugewandten Seiten und ist dabei S-förmig ausgeführt. Wicklungsbeginn an der einen Spule und Wicklungsende an der anderen Spule liegen also auf einander zugewandten Seiten der jeweiligen Spulen, jedoch an verschiedenen Stirnseiten. Aufgrund der Abrundung der Wicklung am Kern beim Abheben / Aufsetzen an dieser Stelle ergibt sich die S-Form. Der S-förmige Übergang ist für den zu wickelnden Leiter mechanisch besonders schonend.
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In einer bevorzugten Variante der oben genannten Ausführungsform ist in mindestens einem der, insbesondere allen, unterbrechungsfrei gewickelten ersten Paare beim Wickelvorgang zuerst die zweite und dann die erste Spule gewickelt und/oder in mindestens einem der, insbesondere allen, unterbrechungsfrei gewickelten zweiten Paare ist zuerst die erste und dann die zweite Spule gewickelt. Auch hier ist wieder der technische Wicklungssinn angesprochen, also die Richtung von „Beginn“ zu „Ende“ des Wickelvorgangs. Mit der oben erläuterten Nummerierung sind so zum Beispiel folgende Spulenreihenfolgen angesprochen: 2-1 / 7-8 / 4-3 / 9-10 / 6-5 / 11 -12. Das oben vorgeschlagene Wickelschema lässt sich so besonders vorteilhaft erzeugen bzw. umsetzen.
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In einer bevorzugten Variante der oben genannten Ausführungsform ist mindestens eine der, insbesondere alle, Spulengruppen jeweils mit einem einzigen Leiter unterbrechungsfrei gewickelt. Der Leiter bildet insbesondere die gesamte Wicklung einschließlich der Zuleitungsabschnitte. So wird das Wickeln der betreffenden gesamten Spulengruppe vereinfacht, da nur ein einziger ununterbrochener Wickelvorgang notwendig ist.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist in mindestens einer der, insbesondere allen, unterbrechungsfrei gewickelten Spulengruppen im obigen Sinne zuerst das erste und dann das zweite Paar gewickelt. Bei dem wiederum angesprochenen technischen Wicklungssinn ergibt sich dann in Verbindung mit der bevorzugten Ausführungsform oben die besonders vorteilhafte Reihenfolge 2-1 -7-8 / 4-3-9-10 / 6-5-11-12 für die drei Gruppen von Spulen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wickelpaket ein solches, das für den Einsatz in einem 12/10-poligen Elektromotor eingerichtet bzw. bestimmt ist. Wie oben erläutert, sind bei dieser Motorkonfiguration besonders große Schwierigkeiten aus der Praxis bekannt; die vorgeschlagene Lösung wirkt sich hier besonders vorteilhaft aus und führt zu besonders großen Vereinfachungen und Vorteilen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Statoranordnung nach Anspruch 10. Diese enthält das oben vorgeschlagene Wickelpaket und eine stirnseitig, also an einer Stirnseite des Wickelpakets, an diesem angeordnete bzw. bestimmungsgemäß anzuordnende Verschaltungseinheit. Die Verschaltungseinheit enthält drei elektrisch leitende Phasensammler („Busbars“), insbesondere elektrische Sammelschienen bzw. Stromschienen, die in der Funktion vergleichbar mit den oben genannten Schaltringen sind. Jeder der drei Phasensammler weist einen von drei Anschlusspolen, z.B. einen Steckkontakt, eine Schraubklemme etc., für eine der drei Phasen auf. Jede der drei Wicklungen ist - beim Zusammenbau bzw. der elektrischen Verschaltung der Statoranordnung - elektrisch zwischen jeweils zwei der Phasensammler zu schalten. Das heißt: im kontaktierten bzw. Montagezustand führt von jedem der Phasensammler eine Wicklung zu einem anderen der Phasensammler hin. So werden die Gruppen bzw. deren Wicklungen elektrisch mit den Anschlusspolen verbunden und die oben genannte elektrische Dreiecksschaltung hergestellt. Insbesondere sind dabei die Zuleitungsabschnitte der Wicklung mit je einem der Phasensammler elektrisch verbunden.
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Die Statoranordnung und zumindest ein Teil deren möglicher Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wickelpaket bzw. den Anmerkungen zur Verschaltungseinheit erläutert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Wicklungsbeginne und/oder Wicklungsenden der Wicklungen zu je einem der Phasensammler geführt. Gemeint sind dabei also insbesondere die Enden der Zuleitungsabschnitte. Ob es sich bei der Verschaltung der beiden elektrischen Leiter um zwei -beginne, zwei -enden oder einen -beginn und ein -ende handelt, entscheidet sich nach dem jeweiligen zu kontaktierenden Anschlusspol bzw. den betreffend an diesem Anschlusspol verschalteten zwei Spulengruppen. So ergibt sich die Möglichkeit, die Phasensammler vergleichsweise klein auszuführen, da diese nur benachbarte Enden von Wicklungen zusammenschalten müssen. So ergibt sich insbesondere auch die oben genannte Möglichkeit, die Verschaltungseinheit um jeweils 120° / 60° drehsymmetrisch auszuführen, sodass diese in drei / sechs verschiedenen Drehpositionen auf das Wickelpaket aufsetzbar ist.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist der Wicklungsbeginn der ersten Gruppe mit dem Wicklungsende der dritten Gruppe am ersten Phasensammler elektrisch zusammengeführt, also dort jeweils elektrisch kontaktiert, so dass diese letztendlich mit dem dortigen Anschlusspol verbunden sind. Die Wicklungsbeginne von zweiter und dritter Gruppe sind entsprechend elektrisch am zweiten Phasensammler bzw. Anschlusspol zusammengeführt, und die Wicklungsenden von erster und zweiter Gruppe am dritten Phasensammler. So ergibt sich eine besonders vorteilhafte und einfache Verschaltung der drei Spulengruppen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verschaltungseinheit hinsichtlich der Aufsetzbarkeit auf eine der Stirnseiten des Wickelpakets um jeweils 120°, insbesondere 60°, drehsymmetrisch ausgeführt. Dies betrifft nicht zwangsweise die Drehsymmetrie der gesamten Verschaltungseinheit, sondern lediglich deren mechanische und elektrische Schnittstelle bezüglich des Wickelkopfes, also die reine Aufsetzbarkeit auf diesen, verbunden mit der sich jeweils ergebenden elektrischen Verschaltung der Wicklungen. Die Verschaltungseinheit selbst darf dabei ruhig nicht drehsymmetrisch ausgeführt sein, zum Beispiel durch eine asymmetrische Anordnung der Anschlusspole. So ergeben sich insbesondere Vorteile bei der Montage der Verschaltungseinheit auf dem Wickelpaket, da hier zumindest drei bzw. sechs gleichwertige Montagepositionen möglich sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Phasensammler, gegebenenfalls mit Ausnahme der Anschlusspole, identisch ausgeführt. Ein Grunddesign für einen entsprechenden Phasensammler (also ggf. ausgenommen die Anschlusspole) muss somit nur einmal gefunden werden und kann für alle drei Phasensammler in der Verschaltungseinheit verwendet werden.
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Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
- 1 einen Stator eines Elektromotors mit noch unmontierter Verschaltungseinheit in perspektiver Schrägansicht,
- 2 die drei Phasensammler der Verschaltungseinheit aus 1,
- 3 ein Wickelschema für das Wickelpaket aus 1,
- 4 die elektrische Beschaltung des Stators mit einer Drehspannung,
- 5 einen Querschnitt durch den Stator aus 1 in Draufsicht.
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1 zeigt einen Stator 2 eines nicht weiter dargestellten Elektromotors, der sich noch in einem demontierten Zustand befindet. Vorliegend ist der Elektromotor ein so genannter 12/10-poliger Elektromotor, d.h. dessen Stator weist über seinen Umfang verteilt zwölf Pole bzw. Zähne bzw. Spulen 28 auf Kernen 12 auf, dessen nicht dargestellter Rotor zehn über den Umfang verteilte Pole in Form von zehn Dauermagneten.
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Der Stator 2 enthält eine Statoranordnung 4. Die Statoranordnung 4 umfasst ein Wickelpaket 6 sowie eine Verschaltungseinheit 8. Im dargestellten demontierten Zustand ist die Verschaltungseinheit 8 noch nicht auf den restlichen Stator 2 aufgesetzt bzw. mit diesem verbunden und elektrisch kontaktiert. Das Wickelpaket 6 ist dabei auf eine hier nicht näher erläuterte Kernanordnung 10 aufgebracht. Diese umfasst zwölf Kerne 12, hier in Form von Einzelkernen. Dabei trägt jeder Kern 12 auf seinem Spulenträger 14 eine Spule 28 bzw. den betreffenden Teil der Wicklung 30 (siehe auch 5).
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Das Wickelpaket 6 weist drei gedachte, daher hier nur gestrichelt angedeutete Anschlussbereiche 16u,v,w auf. In jedem dieser Anschlussbereiche 16u,v,w ist das Wickelpaket 6 an jeweils eine Phase U,V,W einer Drehspannung anzuschließen. Dies geschieht wie weiter unten erläutert über Zwischenschaltung eines Phasensammlers 44u,v,w.
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Das Wickelpaket 6 weist eine Längsachse 18 auf, der hier eine Richtung nämlich von „unten“ un nach „oben“ ob zugewiesen ist. Das Wickelpaket 6 weist daher eine untere Stirnseite 20u und eine obere Stirnseite 20o auf. Der Längsachse 18 ist außerdem eine gerichtete Umfangsrichtung 22 zugeordnet. Diese Zuordnung erfolgt im Uhrzeigersinn bei einem Blick von „oben“ ob auf das Wickelpaket 6.
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Das Wickelpaket 6 enthält eine Spulenanordnung 26, enthaltend wiederum zwölf in Umfangsrichtung 22 um die Längsachse 18 gleichmäßig verteilte Spulen 28, welche in Umfangsrichtung 22 der Übersichtlichkeit halber durch eingekreist Zahlen „1“ bis „12“ durchnummeriert sind. „Gleichmäßig verteilt“ bedeutet, dass jede der Spulen 28 einen Umfangswinkel von 30° um die Längsachse 18 einnimmt. Alle Spulen 28 weisen eine, bis auf einen ggf. unterschiedlichen Wicklungssinn (CW: clockwise / im Uhrzeigersinn oder CCW: counterclockwise / gegen den Uhrzeigersinn) gleiche Wicklungsgeometrie auf.
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3 zeigt das Wickelschema des Wickelpakets 6. Das Wickelpaket 6 ist zu dieser Darstellung zwischen den Spulen 28 mit den Nrn. „12“ und „1“ aufgetrennt und mit seiner radialen Außenseite auf die Papierebene abgelegt. Die radiale Innenseite ist also dem Betrachter zugewandt. Die Umfangsrichtung 22 bildet daher eine Gerade, die hier von links nach rechts verläuft. Die Orientierung der Längsachse 18 mit den Bezeichnungen unten un und oben ob ist symbolisch eingetragen.
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Die zwölf Spulen 28 sind in drei Gruppen A,B,C zu je vier Spulen 28 aufgeteilt. Alle vier Spulen 28 jeder der Gruppen A,B,C sind als elektrische Reihenschaltung in der jeweiligen Wicklung 30 ausgeführt. Die Reihenschaltung bzw. Wicklung 30 ist dabei jeweils zwischen zwei der Anschlussbereiche 16u,v,w geschaltet. In der Figur sind die Gruppen anhand der Bezeichnung ihres jeweiligen Leiters 34 bzw. der betreffenden Verbindungsleitung 48 (siehe unten) gekennzeichnet.
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In Umfangsrichtung 22 sind die Gruppen A,B,C wie folgt verschränkt angeordnet:
- Jede Gruppe A,B,C weist jeweils ein in dieser Richtung gesehen erstes Paar 32a und ein zweites Paar 32b jeweils benachbarter Spulen 28 auf. Für die Gruppe A ist das erste Paar 32a durch die Spulen „1“ und „2“ und das zweite Paar 32b durch die Spulen „7“ und „8“ gebildet. Für Gruppe B sind es entsprechend die Spulen „3“, „4“ und „9“, „10“, für Gruppe C die Spulen „5‟, „6“ und „11“, „12“. Zwischen den Paaren 32a und 32b jeder der Gruppen A,B,C ist je ein Paar 32a oder 32b der beiden anderen Gruppen A,B,C angeordnet. So ist beispielsweise zwischen den Paaren 32a und 32b der Gruppe B das erste Paar 32a der Gruppe C und das zweite Paar 32b der Gruppe A angeordnet.
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Alle Gruppen A,B,C sind außerdem hinsichtlich der Abfolge ihrer Wicklungssinne CW, CCW in Umfangsrichtung 22 identisch aufgebaut, hier CW-CCW-CCW-CW. Außerdem weist jedes Paar 32a,b jeweils beide Wicklungssinne CW und CCW auf und die Reihenfolge der Wicklungssinne CW, CCW in Umfangsrichtung 22 ist zwischen den Paaren 32a,b jeweils umgekehrt, hier also im ersten Paar 32a CW-CCW und im zweiten Paar 32b CCW-CW.
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Jede der Spulen 28 weist einen technischen Wicklungsbeginn 36b und ein technisches Wicklungsende 36e auf. Der Wicklungsbeginn 36b ist diejenige Ortsposition an der jeweiligen Spule 28, an der der Leiter 34 beim Wickelvorgang zuerst auf der Spule 28 bzw. dem betreffenden Kern 12 bzw. Spulenträger 14 aufgelegt wird. Das Wicklungsende 36e ist die Ortsposition, an der der Leiter 34 von der Spule 28 weggeführt wird. Insbesondere im vorliegenden Fall, wo jede der Gruppen A,B,C jeweils mit einem einzigen durchgängigen Leiter 34 unterbrechungsfrei gewickelt ist, bildet der Wicklungsbeginn 36b an der ersten Spule (z.B. der Spule „2“ für Gruppe A") auch den Wicklungsbeginn 36b der gesamten jeweiligen Gruppe A,B,C; das Wicklungsende 36e der letzten gewickelten Spule (z.B. „8“ für Gruppe A), deren gesamtes Wicklungsende 36e. Vom jeweiligen Wicklungsbeginn 36b und - ende 36e der jeweiligen Gruppe A,B,C führt ein jeweiliger Zuleitungsabschnitt 38 zum jeweiligen Anschlussbereich 16u,v,w.
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Der von einem der Anschlussbereiche 16u,v,w kommende technische Wicklungsbeginn 36b im ersten Paar 36a der jeweiligen Gruppe A,B,C befindet sich in Umfangsrichtung 22 gesehen oben „ob“, also an der oberen Stirnseite 20o des Wickelpakets 6. Er befindet sich an derjenigen Seite 40a der technisch zuerst gewickelten, aber in Umfangsrichtung gesehen zweiten Spule 28 „2“, „4“, „6“ im ersten Paar 32a, die der anderen Spule 28 in diesem Paar 32a „1“, „3“, „5“ zugewandt ist. Für die Gruppe A ist dies die Seite 40a der Spule 28 „2“, die der Spule 28 „1“ zugewandt ist.
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Das zu einem der Anschlussbereiche 16u,v,w, führende technische Wicklungsende 36e der jeweiligen Gruppe A,B,C dagegen befindet sich im zweiten Paar 32b („8“, „10“, „12“) der jeweiligen Gruppe A,B,C in Umfangsrichtung 22 gesehen ebenfalls „oben“ an derjenigen Seite 40b der jeweiligen zweiten Spule 28 des zweiten Paares 32b, die der ersten Spule 28 („7“, „9“, „11") dieses Paares 32b zugewandt ist. Für die Gruppe A ist dies die Seite 40b der Spule 28 „8“, die der Spule 28 „7“ zugewandt ist.
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Zur Verdeutlichung der technischen Wickelsinne der jeweiligen Gruppen A,B,C bzw. Wicklungen 30 sind deren Enden jeweils mit „Ain,Bin,Cin“ als technischem Wicklungsbeginn und „Aout,Bout,Cout“ als technischem Wicklungsende bezeichnet.
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Anhand 3 ist zu erkennen, dass sich so drei vollständig identisch gewickelte Gruppen A,B,C von Spulen 28 ergeben. In 1 ist außerdem zu erkennen, dass die jeweiligen Wicklungsbeginne 36b und Wicklungsenden 36e der jeweiligen Gruppen A,B,C in Umfangsrichtung 22 gleich verteilt sind, d.h. jeweils um 60° zueinander versetzt angeordnet sind. Dies wiederum ermöglicht, vor allem in Verbindung mit den sich parallel zur Längsachse 18 erstreckenden Zuleitungsabschnitten 38, eine drehsymmetrische Verteilung der jeweiligen Kontaktstellen 42 der Verschaltungseinheit 8 für den Anschluss der Wicklungen 30 bzw. Zuleitungsabschnitte 38 in den jeweiligen Anschlussbereichen 16u,v,w. Die Kontaktstellen 42 sind hier als Klammern für den Wicklungsdraht in Form des Leiters 34 ausgeführt.
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2 zeigt den internen elektrischen Aufbau der Verschaltungseinheit 8, indem deren in 1 dargestelltes, nicht näher bezeichnetes Gehäuse bzw. Vergussmasse weggelassen ist. Zu sehen sind daher nur drei Phasensammler 44u,v,w, die jeweils zwei der Kontaktstellen 42 aufweisen, um die Gruppen A,B,C wie oben beschrieben an den Anschlussbereichen 16u,v,w zu kontaktieren. Die Phasensammler 44u,v,w sind hier als Stromschienen („Busbar“) ausgeführt. Der oben beschriebene drehsymmetrische Aufbau des Wickelpakets 6 erlaubt die identische Ausführung der Phasensammler 44u,v,w an sich, wobei lediglich je ein Anschlusspol 46u,v,w für je eine der Phasen U,V,W an den Phasensammlern 44u,v,w unterschiedlich angeordnet ist. Deren Grundform ist jedoch identisch. Außerdem ist erkennbar, dass bei entsprechend drehsymmetrischer Ausführung des Gehäuses der Verschaltungseinheit 8 diese in drei, jeweils um 120° bzw. 60° versetzten, Drehpositionen um die Längsachse 18 auf das Wickelpaket 6 aufsetzbar ist, ohne die elektrische Verschaltung des Wickelpakets 6 zu verändern. Die Verschaltungseinheit 8 ist also hinsichtlich der Aufsetzbarkeit auf die Stirnseite 20o des Wickelpakets 6 um jeweils 120° drehsymmetrisch ausgeführt.
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1 ist zu entnehmen, dass auch dies insbesondere dafür gilt, wenn die vom jeweiligen Wicklungsbeginn 36b bzw. -ende 36e zu den Anschlussbereichen 16u,v,w führenden Zuleitungsabschnitte 38 gerade und parallel zur Längsachse 18 verlaufen.
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1 und 3 ist zu entnehmen, dass bei allen Gruppen A,B,C die von Wicklungsbeginn 36b bzw. -ende 36e zu den Anschlussbereichen 16u,v,w führenden Zuleitungsabschnitte 38 an einer ersten, hier oberen Stirnseite 20o des Wickelpakets 6 liegen. Die jeweilige Verbindungsleitung 48 zwischen den Paaren 32a,b liegt an der, der ersten gegenüberliegenden zweiten, hier unteren Stirnseite20u des Wickelpakets 6.
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Im vorliegenden Beispiel sind nicht nur die jeweiligen Paare 32a,b der Spulengruppen A,B,C, sondern diese in ihrer Gesamtheit und einschließlich der Zuleitungsabschnitte 38 die gesamte Wicklung 30 mit einem einzigen Leiter 34 unterbrechungsfrei gewickelt. Dabei verläuft innerhalb aller hier unterbrechungsfrei gewickelten Paare 32a,b die jeweilige Übergangsleitung 50 der Wicklung 30 bzw. des Leiters 34 zwischen den Spulen 28 an den einander zugewandten Seiten 52 dieser Spulen 28 und ist dabei S-förmig ausgeführt. Dies ergibt sich durch die Umkehrung der Wicklungssinne. In 3 sei dies beispielhaft für die Spulen 28 „11“ und „12“ illustriert: die Übergangsleitung 50 zwischen dem Wicklungsende 36e der Spule 28 „11“ und dem Wicklungsbeginn 36b der Spule 28 „12“ weist eine S-Form auf.
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In den jeweiligen ersten Paaren 32a sind in Umfangsrichtung 22 gesehen zuerst die zweiten, und dann die ersten Spulen 28 gewickelt (z.B. Reihenfolge „2“ - „1“ in Gruppe A). In den jeweiligen zweiten Paaren 32b dagegen sind jeweils in Umfangsrichtung 22 betrachtet, zuerst die ersten und dann die zweiten Spulen 28 gewickelt (z.B. Reihenfolge „7“ - „8“ in Gruppe A). Außerdem ist in allen Spulengruppen A,B,C zunächst das erste Paar 32a und dann das zweite Paar 32b gewickelt.
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Bezogen auf die Anordnung der Spulengruppen A,B,C in Umfangsrichtung 22 ist der Wicklungsbeginn 36b der ersten Gruppe A mit dem Wicklungsende 36e der dritten Gruppe C zum ersten Phasensammler 44u zusammengeführt und mit diesem elektrisch kontaktiert. Die Wicklungsbeginne 36b der zweiten Gruppe B und der dritten Gruppe C sind zum zweiten Phasensammler 44v zusammengeführt; die Wicklungsenden 36e der ersten Gruppe A und der zweiten Gruppe B sind zum dritten Phasensammler 44w zusammengeführt. Entsprechendes ist insbesondere den Bezeichnungen Ain,Bin,Cin und Aout,Bout,Cout zu entnehmen.
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4 zeigt in einem elektrischen Prinzipschaltbild die Verschaltung der Spulengruppen A,B,C bzw. von deren Wicklungsbeginnen Ain,Bin,Cin und Wicklungsenden Aout,Bout,Cout mit den Phasen U,V,W. Symbolisch sind nochmals die Anschlussbereiche 16u,v,w eingezeichnet, in denen die Verschaltung der Gruppen A,B,C mit den Phasen U,V,W stattfindet.
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5 zeigt einen Schnitt entlang der Querebene V-V in Blickrichtung der dargestellten Pfeile durch 1, also in Draufsicht von „oben“. Die Spulen 28 „1“ bis „12“ sind hinsichtlich ihrer jeweiligen Windungen zu erkennen. Die Windungen sind auf je einen Kern 12 aufgebracht. Die jeweiligen Zuleitungsabschnitte 38 von den Wicklungsbeginnen Ain,Bin,Cin der Spulengruppen A,B,C und zu den Wicklungsenden Aout,Bout,Cout sind symbolisch angedeutet. Für die Gruppe A sind weiterhin die Übergangsleitungen 50 innerhalb der Paare32a,b sowie die Verbindungsleitung 48 zwischen den Paaren symbolisch angedeutet.
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5 zeigt auch, wie jede der Spulen 28 bzw. deren Windungen eine durch eine gestrichelte Linie angedeutete Fläche 60 umgrenzt. Die Flächennormale der Fläche 60 weist für alle Spulen 28 in Radialrichtung bezüglich der Längsachse 18. Alle Spulen 28 sind in diesem Sinne konzentrisch in Umfangsrichtung bezüglich der Längsachse 18 ausgerichtet und weisen den gleichen Radialabstand zur Längsachse 18 auf, sind also auf einem konzentrischen Kreis bzw. Zylinder um die Längsachse 18 verteilt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Stator
- 4
- Statoranordnung
- 6
- Wickelpaket
- 8
- Verschaltungseinheit
- 10
- Kernanordnung
- 12
- Kern
- 14
- Spulenträger
- 16u,v,w
- Anschlussbereich
- 18
- Längsachse
- 20u,o
- Stirnseite (unten, oben)
- 22
- Umfangsrichtung
- 26
- Spulenanordnung
- 28
- Spule
- 30
- Wicklung
- 32a,b
- Paar (erstes, zweites)
- 34
- Leiter
- 36b
- Wicklungsbeginn (technisch)
- 36e
- Wicklungsende (technisch)
- 38
- Zuleitungsabschnitte
- 40a,b
- Seite
- 42
- Kontaktstelle
- 44u,v,w
- Phasensammler
- 46u,v,w
- Anschlusspole
- 48
- Verbindungsleitung
- 50
- Übergangsleitung
- 52
- Seite (einander zugewandt)
- 60
- Fläche
- U,V,W
- Phase einer Drehspannung
- un
- unten
- ob
- oben
- A,B,C
- Gruppe
- CW,CCW
- Wicklungssinn (im / entgegen Uhrzeigersinn)
- Ain,Bin,Cin
- Wicklungsbeginn der Gruppe (technisch)
- Aou,Bou,Cout
- Wicklungsende der Gruppe (technisch)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2483991 B1 [0002]
- EP 1526628 [0003]
