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Die vorliegende Erfindung betrifft einen segmentierten, ringförmigen Stator für eine elektrische Maschine mit einer konzentrierten Wicklung, umfassend eine Mehrzahl an kreisringsegmentartigen, im Wesentlichen gleichteiligen Statorsegmenten, die jeweils einen Statorzahn mit einer ersten in Umfangsrichtung in den Statorzahn hereinragenden Aussparung und einer zweiten in Umfangsrichtung in den Statorzahn hineinragenden Aussparung aufweist, wobei in der ersten Aussparung und der zweiten Aussparung eine aus einem Wicklungsdraht gewickelte mehrlagige Spule angeordnet ist, und die erste Aussparung und die zweite Aussparung jeweils eine mit dem Radius des ringförmigen Stators zunehmende Aussparungstiefe aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines segmentierten, ringförmigen Stators für eine elektrische Maschine.
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Elektrische Maschinen, die überwiegend bei niedrigeren Drehzahlen (<5000rpm) betrieben werden und für die ein Bauraum mit großem Durchmesser aber relativ kurzer axialer Länge zur Verfügung steht, werden bevorzugt als Einzelpolmaschinen mit konzentrierter Wicklung aufgebaut. Für besonders kurze Wickelköpfe wird die Wicklung zweischichtig ausgeführt, d.h. Spulen um benachbarte Statorzähne teilen sich die Nut zwischen diesen Zähnen, wobei in der umfänglichen Nutmitte ein Spalt entsteht, der diese benachbarten Spulen trennt.
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In Radialflussmaschinen werden die Nuten bevorzugt trapezförmig ausgeführt, wobei die umfängliche Breite der Nut mit dem Radius des Stators ansteigt. Aufgrund der Trapezform weisen die Spulen radial außen vorteilhaft eine höhere Anzahl von Wickellagen auf als radial innen. Trotz dieser mindestens einen Stufe in der Spulenbreite entsteht in der umfänglichen Nutmitte ein radial verlaufender Spalt, der bei baugleichen Spulen nur radial innen und im Radiusbereich der Lagenstufen eine kleine Breite aufweist. Vor den Lagestufen und radial außen erreicht die Spaltbreite eine Breite, die nahezu dem doppelten Durchmesser des verwendeten Wickeldrahtes entspricht. Je dicker der verwendete Draht ist umso größer wird die für die Stromleitung nicht nutzbare Spaltfläche in der Nutmitte, d.h. umso kleiner wird der Kupfernutfüllfaktor.
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Das auch wegen hoher Biegekräfte herausfordernde Wickeln von Spulen mit dickem Kupferlackdraht wird daher oft vermieden indem mit parallelen Drähten gewickelt wird. Mit parallelen Drähten reduziert sich der Leiterquerschnitt auf einen Bruchteil und die Spaltfläche zwischen den Spulen kann vermindert werden. Allerdings ist das Wickeln mit parallelen Drähten aufwendiger und der Anteil der Lackschicht auf den Leiterdrähten am Drahtquerschnitt steigt, was wiederum den Nutfüllfaktor senkt.
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Aus
DE 11 2012 006 571 T5 ist ein Stator mit einer 2-schichtigen Zahnspulenwicklung und einer zwischen den Schichten in den Nuten angeordneten Isolierpapierlage bekannt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung die genannten Nachteile zu vermindern oder vollständig zu vermeiden und einen Stator bereitzustellen, der geeignet ist, die Effizienz von Einzelpolmaschinen zu steigern, die Leistungsdichte zu erhöhen und die Herstellkosten möglichst gering zu halten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen segmentierten, ringförmigen Stator für eine elektrische Maschine mit einer konzentrierten Wicklung, umfassend eine Mehrzahl an kreisringsegmentartigen, im Wesentlichen gleichteiligen Statorsegmenten, die jeweils einen Statorzahn mit einer ersten in Umfangsrichtung in den Statorzahn hereinragenden Aussparung und einer zweiten in Umfangsrichtung in den Statorzahn hineinragenden Aussparung aufweist, wobei in der ersten Aussparung und der zweiten Aussparung eine aus einem Wicklungsdraht gewickelte mehrlagige Spule angeordnet ist, und die erste Aussparung und die zweite Aussparung jeweils eine mit dem Radius des ringförmigen Stators zunehmende Aussparungstiefe aufweist, wobei eine äußerste Wickellage der Spule in der ersten Aussparung und eine äußerste Wickellage der Spule in der zweiten Aussparung eines in Umfangsrichtung benachbarten Statorzahns so elektrisch isoliert in Umfangsrichtung ineinandergreifen, dass sie sich in radialer Richtung vorzugsweise berührungslos überschneiden.
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Erfindungsgemäß wird somit eine Zweischichtwicklung eines segmentierten, ringförmigen Stators mit Zahnspulen für eine Einzelpolmaschine so ausgeführt, dass die Wicklungen in benachbarten Nuthälften unterschiedliche Spulenquerschnitte aufweisen. Hierbei weisen mindestens zwei aufeinander folgende Windungen der äußersten Wickellage einen radialen Abstand zueinander auf, der in etwa einem Drahtdurchmesser entspricht. Dieser Abstand kann beispielsweise in der Art erzeugt werden, indem nach jedem Nutdurchgang dieser Windungen - also in beiden Spulenköpfen - ein Spurwechsel um eine Drahtbreite in radiale Richtung erfolgt. Diese wendelförmigen Windungen der letzten Wickellagen weisen somit jeweils zwei Spurwechsel, einem am Anfang/Ende der Windung und einen in der Mitte der Windung auf.
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Durch diese Wendelwindungen in den äußersten Wickellagen entstehen auf der Spulenoberfläche einer insbesondere orthozyklisch gewickelten Zahnspule auf diese Weise axial verlaufende Rillen, die nicht oder nur zum Teil mit Drähten der gleichen Spule gefüllt werden. Die offenbleibenden Rillen in den Spulen einer Radialflussmaschine sind in benachbarten Nuthälften einer Nut auf unterschiedlichen Radien angeordnet. Damit bilden die Rillen eine Art Zahnung der Spulenoberfläche, die bei der Montage der vorbewickelten Statorsegmente ineinandergreift. Durch das Ineinandergreifen der Spulenzahnung in der umfänglichen Nutmitte sind Drähte benachbarter Spulen in der Nutmitte berührungsfrei radial übereinander angeordnet. Anders ausgedrückt, weist somit mindestens eine Spule in den beiden von ihr genutzten Aussparungen unterschiedliche Spulenquerschnitte auf, wobei der Querschnitt der Spule in mindestens einer Aussparung aus ihrer Nuthälfte umfänglich über die Nutmitte in die Nuthälfte der benachbarten Spule hineinragt. Dank des Ineinandergreifens benachbarter verzahnter Spulen wird der Bereich der umfänglichen Nutmitte wesentlich besser zur Stromleitung genutzt. Der Nutfüllfaktor steigt und mit ihm die Effizienz der Einzelpolmaschine, die den erfindungsgemäßen Stator verwendet.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass in der Spule mindestens zwei aufeinander folgende Windungen in wenigstens einer der äußersten Wickellagen, einen radialen Abstand zueinander aufweisen, der einem Durchmesser des Wicklungsdrahts entspricht. Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Windungen wenigstens einer der äußeren Wickellagen, nach jedem Nutdurchgang einen Spurwechsel um einen Durchmesser des Wicklungsdrahts in radiale Richtung aufweisen, so dass diese Windungen somit mit zwei Spurwechseln, einem am Anfang oder Ende der Windung und einem in der Mitte der Windung ausgeführt sind. Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl an Windungen des Wicklungsdrahts eine Spiralform aufweisen.
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Die Erfindung kommt bevorzugt bei Spulen mit großem Drahtquerschnitt, mit einem Leiterdurchmesser größer 1 mm, besonders bevorzugt größer 1,5mm und niedriger Windungszahl zum Einsatz. Bei niedrigen Windungszahlen beträgt die Lagenanzahl bevorzugt zwischen 2 und 6. Ganz besonders bevorzugt ist es, vierlagige Spulen einzusetzen.
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Die zu dem Statorring zusammengesetzten Statorsegmente weisen jeweils einen Statorzahn auf, der eine aus einem Wicklungsdraht gewickelte Spule trägt, wobei der Wicklungsdraht zwei offene Drahtenden aufweist. Diese Wicklungsdrähte der Spulen werden bei segmentierten Statoren miteinander verschaltet. Ein Statorsegment kann wenigstens einen radial nach Innen abstehenden und mit dem Statorsegment einstückig ausgebildeten Statorzahn aufweisen, welcher von einer Statorwicklung umschlungen ist.
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Ein segmentiert aufgebauter Stator zeichnet sich dadurch aus, dass er aus einzelnen Statorsegmenten aufgebaut ist. Ein Statorsegment kann dabei insbesondere aus einzelnen Statorzähnen aufgebaut sein, wobei jeder einzelne Statorzahn aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet sein kann. Die Einzelbleche können in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben.
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Als Statorzähne werden Bestandteile des Stators bezeichnet, die als umfänglich beabstandete, zahnartig radial nach innen oder radial nach außen gerichtete Teile des Stators ausgebildet sind und zwischen deren freien Enden und einem Rotorkörper ein Luftspalt für das Magnetfeld gebildet ist.
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Ein Wicklungsdraht ist ein elektrisch leitfähiger Leiter, dessen Längenerstreckung wesentlich größer ist als sein Durchmesser. Ein Wicklungsdraht kann grundsätzlich jede beliebige Querschnittsform aufweisen. Bevorzugt sind rechteckige oder kreisrunde Querschnittsformen, da sich mit diesen hohe Packungs- und folglich Leistungsdichten erzielen lassen. Ganz besonders bevorzugt ist ein Wicklungsdraht aus Kupfer gebildet. Bevorzugt weist ein Wicklungsdraht eine Isolierung, beispielsweise in Form einer elektrisch isolierenden Lackierung auf.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Statorzähne in der Art asymmetrisch ausgestaltet sind, dass die umfänglichen Jochbreiten auf beiden Seiten der Zahnmitte unterschiedlich groß sind. Bevorzugt wird der Statorring aus baugleichen Statorsegmenten zusammengesetzt, wobei die Stoßstellen im Jochbereich des Statorrings allerdings umfänglich nicht in der Nutmitte, sondern mit einem Versatz zur Nutmitte angeordnet sind. Dieser Versatz entspricht bevorzugt bei gerader Lagenzahl der Wicklung in etwa einem Drahtdurchmesser und bevorzugt bei ungerader Lagenzahl einem Bruchteil des Drahtdurchmessers. Bei gerader Lagenanzahl positioniert der Versatz die Stoßstelle bevorzugt in etwa mittig zwischen den am Joch angrenzenden Halbwindungen der Spulenhälften mit der am Nutboden höchsten Lagenzahl. Durch die Asymmetrie der Spulenhälften ist diese Grenzlagenzahl in den beiden Spulenhälften einer Spule um die Anzahl zwei unterschiedlich. Endet die Spule außen mit einer Wendelwindung am Nutboden, so weist nur eine Spulenhälfte eine am Nutboden anliegende Halbwindung auf, die andere Halbwindung der letzten Wendelwindung hat bereits einen radialen Abstand zum Nutboden, der um einen Drahtdurchmesser größer ist. Die Grenzwindung in der vorletzten Lage hat einen Abstand zum Nutboden der dem Drahtradius entspricht und erst die Grenzwindung der vorletzten Lage liegt wieder am Nutboden an.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass jeweils an einer ersten der beiden umfänglichen Stoßstellen der asymmetrisch ausgeführten Statorzähne die radiale Jochdicke der umfänglichen Jochbreite kleiner ist als an der anderen umfänglichen Stoßstelle. Aufgrund der Asymmetrie der umfänglichen Jochbreiten und der Begrenzung des zulässigen radialen Hinterschnitts im Nutboden zur Wickelbarbeit des radial äußersten Windung auf ca. 10 bis 20% des Drahtdurchmessers, kann sich bei einer maximal ausgeführten radialen Jochdicke an der Stoßstelle zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Statorsegmenten eine Stufe im Nutboden ausbilden, die vorteilhaft für die Behebung der Schwachstelle im Basisisoliersystems eines segmentierten Statorkerns genutzt werden kann. Hierzu weist der umfänglich schmälere Jochbereich des Statorzahns an der Stoßstelle eine größere radiale Jochdicke auf als der breitere Jochbereich auf der umfänglich gegenüberliegenden Seite des Jochkerns. Der radiale Dickenunterschied an der Stoßstelle erzeugt eine radiale Stufe im Nutboden, die beim Isolieren des Statorzahns bevorzugt derart genutzt wird, dass die Isolierung des schmäleren Jochbereichs an der Stufe eine umfängliche Erhöhung aus Isoliermaterial ausbildet. Die Isolierung des breiteren Jochbereichs ist bevorzugt am Nutboden radial hinter dieser Erhöhung angeordnet und die beiden Isolationen auf unterschiedlichen Seiten der Stoßstelle bilden einen verlängerten Spalt, der zwischen Kernmaterial und Nutraum überwiegend umfänglich verläuft. Während bei einer üblichen Stoßstelle (ohne diese spezielle Überlappung) der Spalt zwischen den Isolierschichten das Kernmetall nur mit der Isolierschichtdicke vom Nutraum trennt, weist der durch die Erhöhung gebildete überwiegend tangential verlaufende Spalt eine wesentlich größere Länge als Kriechweg auf. Zusammen mit dem Imprägnierharz, dass durch die Kernwärme und die vorzugsweise reduzierte Isolationsschichtdicke im Spaltbereich auf dem breiteren Jochbereich auch im Spalt geliert und aushärtet, kann an dieser kritischen Stelle des Isoliersystems eine sicher Isolationswirkung gewährleistet werden, ohne räumliche Nachteile für den Stromfluss in der Nut oder den Magnetfluss im Joch.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass zwischen der äußeren Lage der Spule in der ersten Aussparung und die äußerste Lage der Spule in der zweiten Aussparung eines in Umfangsrichtung benachbarten Statorzahns eine Isolation angeordnet ist. In Hochvoltmaschinen kann eine umfängliche Seite der gezahnten Spule im Nutbereich mit einer dünnen Isolierfolie, beispielsweise ein Isolationspapier, abgedeckt werden, um auch in jenem Bereich des Nutmittenspalts, der besonders enge Spaltmaße aufweist, eine sichere Phasentrennung zu gewährleisten. In Niedervoltmaschinen und bei ausreichender Absicherung der Spaltmaße, beispielsweise durch das Kalibierverfahren, reicht die sichere Füllung des verzahnten Nutmittenspalts durch ein isolierendes Imprägnierharz - bevorzugt in einem Tauchimprägnierprozess - zur Gewährleistung einer sichern Phasentrennung.
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Zwischen in Umfangsrichtung benachbarten und über die äußersten Wickellagen miteinander verzahnten Spulen kann bevorzugt im mäanderförmigen Trennspalt zwischen den Spulen in der Nutmitte eine zusätzliche Isolierschicht angeordnet sein. Diese Isolierschicht kann beispielsweise durch ein Isolationspapier ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend wäre es jedoch auch möglich. dass der mäanderförmige Trennspalt in der Nutmitte zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten, miteinander verzahnten Spulen durch ein elektrisch isolierendes Imprägnierharz gefüllt ist.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die miteinander verzahnten Spulen aus Backlackdraht gebildet sind.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines segmentierten, ringförmigen Stators für eine elektrische Maschine mit einer konzentrierten Wicklung, umfassend eine Mehrzahl an kreisringsegmentartigen, im Wesentlichen gleichteiligen Statorsegmenten, die jeweils einen Statorzahn mit einer ersten in Umfangsrichtung in den Statorzahn hereinragenden Aussparung und einer zweiten in Umfangsrichtung in den Statorzahn hineinragenden Aussparung aufweist, wobei die erste Aussparung und die zweite Aussparung jeweils eine mit dem Radius des ringförmigen Stators zunehmende umfängliche Aussparungstiefe aufweist, umfassend die folgenden Schritte:
- • Orthozyklisches Wickeln einer mehrlagigen Spule durch einen in der ersten Aussparung und der zweiten Aussparung eingelegten Wicklungsdraht,
- • Wickeln einer Mehrzahl an Windungen des Wicklungsdrahts in der äußersten Wickellage der Spule in der ersten Aussparung und des Wicklungsdrahts der äußersten Wickellage der Spule in der zweiten Aussparung, in der Art, dass diese eine Spiralform aufweisen.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der Wicklungsdraht der äußersten Wickellage der Spule in der ersten Aussparung und/oder der Wicklungsdraht der äußersten Wickellage der Spule in der zweiten Aussparung nach dem Wickeln und vor der Montage des Stators in einem Presswerkzeug kalibriert wird. Bevorzugt wird somit also ein Wicklungsdraht der Wendelwindungen in der äußersten Wickellage nach dem Wickeln und vor der Montage des Statorrings in einem Presswerkzeug kalibriert, wobei das Presswerkzeug die Position des Wicklungsdrahts im Nutbereich justiert, und den Drahtquerschnitt bevorzugt auch bedarfsrecht leicht deformiert. Mit der Deformation des Querschnitts des bevorzugten Runddrahtes im Bereich der Wicklungsverzahnung wird ein Mindestabstand von Drähten benachbarter Spulen zueinander erzeugt und/oder abgesichert. Hierbei erfolgt im Wesentlichen eine Abplattung des runden Drahtquerschnitts in Bereichen, die den verzahnten Spalt zur Nachbarspule bilden. Das Kalibrierwerkzeug arbeitet dabei bevorzugt in zwei Raumrichtungen. Nach dem umfänglichen Zusammenfahren der Pressbacken zuerst durch Spreizen der Erhöhungen in radiale Richtung und anschließend durch ein weiteres Zustellen in tangentiale Richtung bis die Sollposition, mit Vorhalt eines üblichen Rückfederwegs, erreicht ist. Die radiale und tangentiale Pressung im Kalibierwerkzeug kann auch zeitgleich oder abwechselnd erfolgen, wobei entweder komplexere Pressbacken mit zwei steuerbaren Freiheitsgraden oder zeitlich versetzt unterschiedliche Pressbacken mit jeweils nur einer Bewegungsrichtung der Pressflächen verwendet werden. Das Rückfedern der Leiterdrähte nach dem Kalibrieren kann optional durch das Verwenden von Backlackdraht und dessen Aktivierung durch einen Stromimpuls im Kalibrierwerkzeug vermieden werden. Aufgrund der Versteifung des Leitermaterials bei der Deformation des Querschnitts, ist dieser Aufwand jedoch meist nicht erforderlich, um eine für die Montage des Statorring ausreichende Formgüte der Spulen zu erreichen.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass im Presswerkzeug pro Spulenseite drei Pressbacken eingesetzt werden, wobei
- • zuerst auf beiden Spulenseiten Nutboden-Pressbacken als Gegenhalter die radial äußeren Windungen der Spule positionieren und im weiteren Kalibierprozess stabil halten,
- • anschließend auf beiden Spulenseiten Nutschlitz-Pressbacken mit einer radial wirkenden Kraftkomponente den Wicklungsdraht der äußersten Wickellage der Spule in der ersten Aussparung und den Wicklungsdraht der äußersten Wickellage der Spule in der zweiten Aussparung radial zusammenschiebt und
- • abschließend auf beiden Spulenseiten Spulenkontur-Pressbacken mit einer vorwiegend umfänglich wirkenden Kraft den Wicklungsdraht der äußersten Wickellage der Spule in der ersten Aussparung und den Wicklungsdraht der äußersten Wickellage der Spule in der zweiten Aussparung in eine vordefinierte Sollkontur presst.
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Um Beschädigungen an den äußersten Wickellagen und der Isolationserhöhung am schmäleren Jochende zu vermeiden ist lediglich eine sorgfältige und präzise Handhabung der isolierten Statorzähne beim Wickeln, Kalibrieren und Montieren erforderlich, wobei die Haltewerkzeuge und die Nutboden-Pressbacken die Isolationserhöhung vor Belastungen schützen. Dafür kann auf eine zusätzliche Isolierung der Stoßstelle am Nutboden durch zusätzliches Isoliermaterial (z.B. Isolierschichtstoff) und die damit verbundenen Kosten verzichtet werden.
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Durch das beschriebene Herstellverfahren werden insbesondere äußerste Wickellagen mit axial verlaufenden Rillen ausgebildet, die nicht mit Wicklungsdraht der gleichen Spule gefüllt sind und in die Wicklungsdrähte der in einer Nut benachbarten Spule hineinragen. Die offen bleibenden Rillen in der Außenkontur der Spulen in den beiden in unterschiedlichen Nuten angeordneten Spulenhälften sind dabei auf unterschiedlichen Radien angeordnet, so dass benachbarte Spulen verzahnungsartig ineinandergreifen, ohne sich dabei elektrisch zu kontaktieren.
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Durch die Pressbacken und das Fertigungsverfahren können die Wickeldrähte der äußersten Wickellage plastisch deformiert sein, wobei bevorzugt in Bereichen, die einen engen Spalt zur Nachbarspule bilden, der zuvor runde Drahtquerschnitt abgeplattet ist. Besonders bevorzugt ist es hierbei, dass Wicklungsdrähte der äußersten Wickellagen benachbarter Spulen durch eine plastische Deformation ein Trennspalt bilden, der im Bereich der Deformation einen bevorzugt nahezu konstanten Mindestabstand der Wicklungsdrähte benachbarter Spulen aufweist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. In den Figuren werden zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft dargestellt:
- Es zeigen:
- 1 eine elektrische Maschine mit einem Stator in einer schematischen Querschnittsansicht,
- 2 eine erste Ausführungsform eines Statorsegments mit dem Wickelschema einer orthozyklisch gewickelten Spule mit 28,5 Windungen auf einem symmetrischen Statorzahn mit einer Papierisolation in einer schematischen Querschnittsansicht,
- 3 den unbewickelten Statorzahn aus 2 in einer Querschnittsansicht,
- 4 den Statorzahn aus 2 mit benachbarten bewickelten Statorzähnen angeordnet im Statorring in einer schematischen Querschittsansicht,
- 5 eine zweite Ausführungsform eines Statorsegments mit einem bewickelten, asymmetrischen Statorzahn, dessen verzahnte Spule 32 Windungen aufweist, in einer schematischen Querschnittsansicht,
- 6 die Kalibrierung der äußersten Wicklungslagen des bewickelten Statorzahns aus 5 mit mehreren Pressbacken in einer schematischen Querschnittsdarstellung, und
- 7 einen Sektorausschnitt aus dem Querschnitt des Statorrings mit bewickelten Statorzähnen aus 5 in einer schematischen Querschnittsdarstellung.
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Die 1 zeigt einen segmentierten ringförmigen Stator 1 für eine elektrische Maschine 2 mit einer konzentrierten Wicklung 4, umfassend eine Mehrzahl an kreisringsegmentartigen, im Wesentlichen gleichteiligen Statorsegmenten 5, die jeweils einen Statorzahn 6 aufweisen, um den jeweils eine gewickelte, mehrlagige Spule 10 angeordnet ist. Im Inneren des Stators 1 ist der Rotor 28 der elektrischen Maschine drehbar gelagert. Die gezeigte elektrische Maschine ist als Innenläufer konfiguriert. Grundsätzlich wäre es natürlich auch denkbar, den Stator 1 für einen als Außenläufer konfigurierten Rotor 28 auszubilden. In der gezeigten Ausführungsform ist die elektrische Maschine 2 als Einzelpolmaschine ausgestaltet.
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Der hohe Nutfüllfaktor des Stators 1 der nachfolgend noch näher erläuterten Ausführungsbeispiele senkt nicht nur den Wicklungswiderstand und damit die Verluste, er verbessert auch die Wärmeleitfähigkeit tangential und radial in den Aussparungen 7,8 und damit die Wärmeableitung z.B. radial nach außen zu einem Kühlmantel. Zusätzlich wird das akustische Verhalten verbessert, indem der ringförmige Stator 1 eine höhere Steifigkeit aufweist und Resonanzen zu höheren Frequenzen verschiebt.
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2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Statorsegments 5, das einen Statorzahn 6 mit einer ersten in Umfangsrichtung in den Statorzahn 6 hereinragenden Aussparung 7 und einer zweiten in Umfangsrichtung in den Statorzahn 6 hineinragenden Aussparung 8 aufweist. In der ersten Aussparung 7 und der zweiten Aussparung 8 ist eine aus einem Wicklungsdraht 9 gewickelte mehrlagige Spule 10 angeordnet. In dem gezeigten Ausführungsbeispielen erstrecken sich die beiden Aussparungen 7,8 jedoch in axialer Richtung durch den Statorzahn 6.
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Die erste Aussparung 7 und die zweite Aussparung 8 besitzen jeweils eine mit dem Radius 11 des ringförmigen Stators 1 zunehmende Aussparungstiefe 12, was sich besonders gut anhand der 3 nachvollziehen lässt. Hierdurch bilden in Umfangsrichtung benachbarte Aussparungen 7,8 einen trapezartigen gemeinsamen Nutbereich aus, was sich auch gut aus der Zusammenschau mit der 1 erkennen lässt.
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Die äußerste Wickellage 13 der Spule 10 in der ersten Aussparung 7 und die äußerste Wickellage 14 der Spule 10 in der zweiten Aussparung 8 eines in Umfangsrichtung benachbarten Statorzahns 6 greifen elektrisch isoliert in Umfangsrichtung so ineinander, dass sie sich in radialer Richtung vorzugsweise berührungslos überschneiden, was nachfolgend noch näher erläutert wird.
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In kleineren Stückzahlen werden die Statoren 1 von Einzelpolmaschinen häufig mit einer Nutisolation 22 bestehend aus zugeschnittenen und gefalteten Isolationsschichtstoffen hergestellt. 2 zeigt eine derartige Ausführungsform, wobei der Blechschnitt des Statorzahns 6 spiegelsymmetrisch ausgebildet ist. Die Spule 10 wird vorzugsweise in einem üblichen Linearwickler hergestellt, wobei sich das in einem Spindelkopf eingespannte Statorsegment 5 dreht. Die Spannvorrichtung im Spindelkopf fixiert auch das Isolierpapier 22 beim Wickeln, wobei dieses an der Nutwand wenigstens einer der Aussparungen 7,8 bevorzugt mit einem Klebepunkt befestigt wird. Das orthozyklische Bewickeln startet radial außen am Übergang vom Zahnhals 29 zum Jochbereich 30 des Statorzahns 6. Die Windungen des Wicklungsdrahts 9 sind in der Darstellung der 2 zum besseren Verständnis des Wicklungsschemas nummeriert. Die erste radial nach innen gefüllte Wickellage weist acht Windungen auf, die mit 1-8 bezeichnet sind. Diese innerste Wickellage wechselt am Polschuh 31 des Statorsegments 5 in die zweite Wickellage, die aus neun Windungen besteht, welche mit 9-17 bezeichnet sind und die vom Polschuh 31 radial nach außen verlaufen.
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Die dritte Lage wird wieder von radial außen aus dem Jochbereich 30 radial nach innen gefüllt, wobei beginnend mit der Windung 22 die ersten beiden gewendelten Windungen realisiert werden. Gewendelte Windungen weisen auf beiden Stirnseiten des Statorzahns 6 (in der Querschnittsansicht nicht sichtbar) in den Spulenköpfen einen Spurwechsel auf, d.h. der Abstand zur Polfläche des Statorzahns 6 ändert sich in beiden Spulenköpfen jeweils um einen Wert, der dem Drahtdurchmesser entspricht.
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Die 24te Windung verzichtet wieder auf einen Spurwechsel in der Windungsmitte und leitet am Ende einen Richtungswechsel radial nach außen ein. Die Windungen 25 und 26 sind wieder gewendelt und liegen noch in der dritten Lage, wobei die Rillen der Windungen 22 und 23 genutzt werden. Der Übergang von Windung 26 auf 27 ist der Übergang in die vierte Lage der Spule 10. Auch die Windungen 27 und 28 werden gewendelt ausgeführt, wodurch zusammen mit der abschließenden Halbwindung 29 eine gezahnte Außenkontur der vierten und äußersten Wickellage 13,14 entsteht.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, entsteht die gezahnte Außenkontur der Spule 10 dadurch, dass in der Spule 10 mindestens zwei aufeinander folgende Windungen wenigstens einer der äußersten Wickellagen 13,14 einen radialen Abstand 15 zueinander aufweisen, der wenigstens einem Durchmesser 16 des Wicklungsdrahts 9 entspricht. Dies wird also in der gezeigten Ausführungsform dadurch erreicht, dass die Windungen wenigstens einer der äußeren Wickellagen 13,14 nach jedem Nutdurchgang einen Spurwechsel um einen Durchmesser 16 des Wicklungsdrahts 9 in radiale Richtung aufweisen, so dass diese Windungen somit mit zwei Spurwechseln, einem am Anfang oder Ende der Windung und einem in der Mitte der Windung ausgeführt sind, so dass hierdurch eine Mehrzahl an Windungen des Wicklungsdrahts 9 eine Spiralform aufweisen, was hier auch als gewendelt bezeichnet wird. Diese greifen dann, wie eingangs bereits beschreiben, im zusammengesetzten Zustand des Stators 1 verzahnungsartig ineinander, wie es beispielsweise auch aus der 4 hervorgeht.
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Mit einer Halbwindung am Ende der Spule 10 wird der Sternpunkt der Wicklung auf die zur Verschaltung gegenüberliegenden Stirnseite des Stators 1 verlagert. Zur Sternpunktbildung und zur Verbindung mit den Anschlussklemmen können hierdurch unterschiedliche Bauräume genutzt werden. Nach dem Wickeln der 28,5 Windungen werden vorzugsweise noch in der Wickelanlage die überstehenden Isolationspapierbereiche 22, die auch gut in der 2 zu erkennen sind, in den Nutraum bewegt und dort von einem Faltstempel in eine vorteilhafte Kontur geformt.
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4 zeigt eine Mehrzahl von den aus den 2-3 bereits bekannten Statorsegmenten 5 in einer den Stator 1 bildenden Anordnung. Dabei ist gut ersichtlich, dass das Isolierpapier 22 der linken Spulenseite in seiner Endposition angeordnet ist, die eine sichere Phasentrennung der benachbarten Spulen 10 gewährleistet. Auf der rechten Spulenseite sind aufgrund der Asymmetrie in der Außenkontur der Spule 10 durch die gewendelten Windungen, die Wickeldrähte 9 ausreichend weit von der Stoßstelle der Statorzähne am Nutboden entfernt, so dass die Größe des Isolationspapiers 22 auf dieser Seite keinen Überstand erfordert. Am radial inneren (nicht bezeichneten) Nutschlitz können später übliche Nutverschlusskeile eingesetzt oder das Isolierpapier mit etwas mehr Überstand als dargestellt eingesetzt werden.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, ist zwischen der äußeren Lage 13 der Spule 10 in der ersten Aussparung 7 und der äußersten Lage 14 der Spule 10 in der zweiten Aussparung 8 eines in Umfangsrichtung benachbarten Statorzahns 6 eine Isolation 22 angeordnet, welche im Ausführungsbeispiel der 2 ein Isolationspapier ist und im Ausführungsbeispiel der 5 ein Isolierharz, was später noch näher erläutert wird.
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Man erkennt anhand der Darstellung der 4 auch besonders gut, dass durch die Verzahnung ihrer äußersten Wickellagen 13,14 ineinander die Spulen 10 den Nutquerschnitt besonders gut ausfüllen. Dabei ragen alle fünf Halbwindungen der äußersten Wickellagen 13,14 der vierten Lage jeweils über die umfängliche Nutmitte hinaus in die Nuthälfte der jeweiligen Nachbarspule 10. Gegenüber einer Spule ohne Verzahnung kann die Windungszahl in diesem gezeigten Beispiel von 26 auf 28,5 Windungen um knapp 10% gesteigert werden. Entsprechend steigt der Nutfüllfaktor an und der Wicklungswiderstand sinkt.
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In 5 ist eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Isolation 22 des Statorzahns 6 zur Spule 10 ist in diesem Beispiel durch eine angespritzte Kunststoffschicht realisiert und der Statorzahn 6 weist dabei asymmetrische Jochbereiche 30 auf. Das Wickelschema ist ähnlich dem, dass in der 2 gezeigt ist, allerdings wird die Position der Windungen in der ersten Wickellage sowie die Randwindungen in der zweiten Wickellage durch eine Welligkeit in den Oberflächen der Aussparungen 7,8 unterstützt. Hierdurch wird die Grenzfläche vom Elektroblech des Statorzahns 6 zum Kunststoff 22 vergrößert und die Kunststoffschicht 22 kann gleichmäßig dünn ausgeführt werden.
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Die Spule besteht in dem in der 5 gezeigten Ausführungsbeispiel aus 32 Windungen in vier Wickellagen, wobei die Spurzahlen der ersten Wickellage Neun, der zweiten Wickellage Zehn, der dritten Wickellage Zehn und der vierten und äußerten Wickellagen 13,14 Drei betragen.
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Ab der mit 25 bezeichneten Windung werden, mit der Ausnahme von Windung 27, gewendelte Wicklungsdrähte 9 eingesetzt, wobei die letzten drei Windungen in der vierten und äußersten Wickellage 13,14 für eine Verzahnung sorgen. Während die vorletzte Halbwindung 32 auf der linken Seite radial einen Abstand von ca. einem Drahtdurchmesser 16 zum Nutboden 32 aufweist, liegt die letzte Halbwindung 32' rechts an der Isolation 22 des Nutbodens 32 an.
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Der Blechschnitt des Statorzahns 6 ist asymmetrisch zur umfänglichen Mittellinie ausgeführt, wobei nur der Jochbereich 30 asymmetrisch ist. Der Jochbereich 30 rechts ist umfänglich länger und der Jochbereich 30 links entsprechend kürzer, was gut in der 5 zu erkennen ist. Um die in der zweiten Lage letzte Windung 19 sicher Wickeln zu können ist der Hinterschnitt im Innenradius des Jochs 30 bzw. Nutbodens 32 auf ca. 20 bis 30% des Drahtdurchmessers beschränkt.
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Die 7 zeigt ebenfalls gut, dass die Statorzähne 6 in der Art asymmetrisch ausgestaltet sind, dass die umfänglichen Jochbreiten 17 auf beiden Seiten der Zahnmitte 18 unterschiedlich groß sind und dass jeweils an einer ersten der beiden umfänglichen Stoßstellen 20 der asymmetrisch ausgeführten Statorzähne 6 die radiale Jochdicke 19 der umfänglichen Jochbreite 17 kleiner ist als an der anderen umfänglichen Stoßstelle 21. Es entsteht hierdurch eine Stufe im Nutboden 32, die von einer umfänglichen Verlängerung der Kunststoffschicht 22, die umfänglich über die Fläche der Stoßstelle 21 herausragt, genutzt wird, wie es in der linken Spulenhälfte der 5 gezeigt ist. Durch eine Reduktion der Kunststoffschichtdicke im Bereich der Stufe am breiten Jochende 30 (rechts), kann die die Verlängerung der Kunststoffschicht 22 radial innen an der Kunststoffschicht 22 der jeweils benachbarten Aussparung 7,8 überlappend anliegen. Die fragil erscheinende umfängliche, über die Fläche der Stoßstelle 21 herausragende Verlängerung der Kunststoffschicht 22 wird beim Wickeln durch die Jochaufnahme des Wickelwerkzeugs und beim Kalibrieren durch den Nutboden-Pressbacken 23 gestützt bzw. abgedeckt und dadurch vor Beschädigungen geschützt, was gut aus einer Zusammenschau mit der 6 erkennbar wird. Zweck der umfänglichen Verlängerung der Kunststoffschicht 22 ist es, einen langen und mit Harz sicher verschließbaren Spalt zwischen den Kunststoffschichten 22 der aneinanderstoßenden Statorsegmente 5 zu bilden und so Isolationsfehler durch Kriechströme sicher zu vermeiden.
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Vorteilhaft sind die Spulenenden der Windung 32 mit den Sternpunkten verbunden und der mit Windung 1 beginnende Spulenanfang mit den Anschlussklemmen. Hierdurch werden die Potentialunterschiede in der Nutmitte vermindert.
Im Gegensatz zu der Ausführungsform der 2 wird die Spule 10 aus 5 mit Pressbacken 23,24,25 kalibriert, was in 6 exemplarisch dargestellt wird. Hierzu werden vorteilhaft pro Spulenseite drei Pressbacken 23,24,25 eingesetzt. Bevor der größte Pressbacken 25 für die Spulenkontur den größten Teil der in der Aussparung 7,8 angeordneten Spulenaußenfläche in die Sollkontur bringt, werden die Pressbacken 23,24 am Nutboden 32 und im Bereich des Nutschlitzes in Position gebracht. Hierbei dient der Nutboden-Pressbacken 23 als Gegenhalter, der die radial äußeren Windungen der dritten und vierten Wicklungslage positioniert und fixiert und dabei die umfängliche Verlängerung der Kunststoffschicht 22 schützt. Der Nutschlitz-Pressbacken 24 kann dann eine Kraft mit einer starken radialen Komponente in die radial innerste Windung der dritten Wicklungslage einleiten und so die dritte Wicklungslage radial zusammenschieben. Indirekt wird auch die zweite Wicklungslage und die erste Wicklungslage radial durch den Nutschlitz-Pressbacken 24 verdichtet. Dies ist erforderlich, um Hohlräume aufgrund von Toleranzen des Drahtdurchmessers 26 zu schließen und so eine Kraftspreizung zu gewährleisten, wenn anschließend der Spulenkontur-Pressbacken 25 eine vorwiegend umfängliche Kraft in die Spule 10 einleitet.
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Mit der Bewegung des Spulenkontur-Pressbackens 25 auf seine Sollposition, die einen üblichen Rückfederweg vorhält, wird der Kalibiervorgang abgeschlossen. Die Wicklungsdrähte 9 der äußeren dritten und vierten Windungslage werden hierbei nicht nur in ihre Sollposition gebracht, sondern auch teilweise deformiert. Hierbei sind die Abplattungen bei den radial inneren Windungen größer und können bei den radial äußeren Windungen auch entfallen. Dies ist auch gut anhand der 6 zu erkennen. Aufgrund der Verzahnung sind die beiden Spulenkontur-Pressbacken 25 (links und rechts) unterschiedlich ausgeführt. Sie stellen sicher, dass zwischen den benachbarten Spulen 10 in der Nutmitte ein mäanderförmiger Spalt mit einer definierten Spaltbreite entsteht. Diese Spaltbreite beträgt an den engsten Stellen ca. 0,1 bis 0,2mm.
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In 7 wird ein Nutquerschnitt mit kalibrierten verzahnten Spulen 10 aus 5 dargestellt. Bei der Verzahnung kommen die radial äußeren drei Halbwindungen ohne eine Deformation des runden Durchmessers 16 des Wicklungsdrahts 9 aus. Dagegen weisen die drei inneren Halbwindungen der vierten Lage erkennbare Deformationen auf, wobei die Abplattungen derart ausgebildet werden, dass der mäanderförmige Spalt zwischen den benachbarten Spulen eine Mindestbreite nicht unterschreitet. In 7 ist auch die umfängliche Verlängerung des Stoßspalts zwischen den Kunststoffschichten 22 der aneinander liegenden Statorzähne 6 am Nutboden 32 gut zu erkennen. Weiter wurde eine gestrichelte Hilfslinie in der Nutmitte eingezeichnet mit deren Hilfe deutlich wird, wie weit die Halbwindungen der vierten Lage jeweils über die Nutmitte hinweg in die Nuthälfte der Nachbarspule 10 ragen.
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Durch das Kalibrieren kann die Phasentrennung ohne den Einsatz einer zusätzlichen kostenaufwendigen Isolationstrennschicht mit Hilfe eines Imprägnierharzes als Isolationsmittel 22 gewährleistet werden. Die in 7 gezeigten Spalte zwischen den Spulen 10 sind durch das Kalibrieren in einem engen Toleranzband realisiert und werden abschließend vorzugsweise in einem Tauchverfahren mit Imprägnierharz gefüllt. Hierbei werden innerhalb des Stators 1 alle Spalte sicher gefüllt, deren Spaltbreite kleiner als ein im Prozess festgelegter Mindestwert sind. Der für die Nutschlitz-Pressbacken 24 zunächst offene Nutschlitz wird vor dem Imprägnieren durch ein Nutschlitzfüllelement verschlossen. Das Nutschlitzfüllelement besteht aus einem stabilen Isolierstoff und mögliche Spalte zwischen ihm und den Polschuhenden 31 des Blechschnitts werden ebenfalls durch das Imprägnierharz sicher verschlossen, wobei die Wärme aus dem induktiv erwärmten Polschuhbereich 31 des Kerns kommt.
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Neben großen ringförmigen elektrischen Maschinen, die beispielsweise in Antrieben von Hybridfahrzeugen eingesetzt werden, kann der erfindungsgemäße Stator auch in kleineren und niederpoligen Antrieben (p= 4...6) wie z.B. Klimakompressoren zur Verbesserung der Effizienz und des Betriebsverhaltens eingesetzt werden.
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Das Verfahren zur Herstellung eines segmentierten ringförmigen Stators 1 für eine elektrische Maschine 2 wird nachfolgend noch einmal zusammengefasst. Zunächst werden also eine Mehrzahl an kreisringsegmentartigen, im Wesentlichen gleichteiligen Statorsegmenten 5 bereitgestellt, die jeweils einen Statorzahn 6 mit einer ersten in Umfangsrichtung in den Statorzahn 6 hereinragenden Aussparung 7 und einer zweiten in Umfangsrichtung in den Statorzahn 6 hineinragenden Aussparung 8 aufweisen, wobei die erste Aussparung 7 und die zweite Aussparung 8 jeweils eine mit dem Radius 11 des ringförmigen Stators 1 zunehmende Aussparungstiefe 12 aufweist.
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Es folgt ein orthozyklisches Wickeln einer mehrlagigen Spule 10 durch einen in der ersten Aussparung 7 und der zweiten Aussparung 8 eingelegten Wicklungsdraht 9. Dabei wird das Wickeln in derart durchgeführt, dass eine Mehrzahl an Windungen des Wicklungsdrahts 9 in der äußersten Wickellage 13 der Spule 10 in der ersten Aussparung 7 und des Wicklungsdrahts 9 der äußersten Wickellage 14 der Spule 10 in der zweiten Aussparung 8 eine Spiralform aufweisen. Dies wird auch als gewendelte Windung bezeichnet.
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Dieses Verfahren ist sowohl für die Ausführungsform der 2 als auch für die Ausführungsform der 5 anwendbar.
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Insbesondere für die Ausführungsform der 5 kann vorgesehen sein, dass der Wicklungsdraht 9 der äußersten Wickellage 13 der Spule 10 in der ersten Aussparung 7 und der Wicklungsdraht 9 der äußersten Wickellage 14 der Spule 10 in der zweiten Aussparung 8 nach dem Wickeln und vor der Montage des Stators 1 in einem Presswerkzeug 21 kalibriert wird, so wie es in der 6 gezeigt ist. Die 6 zeigt auch, dass im Presswerkzeug 21 pro Spulenseite drei Pressbacken 22 eingesetzt werden, wobei zuerst auf beiden Spulenseiten Nutboden-Pressbacken 23 als Gegenhalter die radial äußeren Windungen der Spule 10 positionieren und im weiteren Kalibierprozess stabil halten, anschließend auf beiden Spulenseiten Nutschlitz-Pressbacken 24 mit einer radial wirkenden Kraftkomponente den Wicklungsdraht 9 der äußersten Wickellage 13 der Spule 10 in der ersten Aussparung 7 und den Wicklungsdraht 9 der äußersten Wickellage 14 der Spule 10 in der zweiten Aussparung 8 radial zusammenschiebt und abschließend auf beiden Spulenseiten Spulenkontur-Pressbacken 25 mit einer vorwiegend umfänglich wirkenden Kraft den Wicklungsdraht 9 der äußersten Wickellage 13 der Spule 10 in der ersten Aussparung 7 und den Wicklungsdraht 9 der äußersten Wickellage 14 der Spule 10 in der zweiten Aussparung 8 in eine vordefinierte Sollkontur presst.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- elektrische Maschine
- 4
- Wicklung
- 5
- Statorsegment
- 6
- Statorzahn
- 7
- erste Aussparung
- 8
- zweite Aussparung
- 9
- Wicklungsdraht
- 10
- Spule
- 11
- Radius
- 12
- Aussparungstiefe
- 13
- äußere Wickellage (links)
- 14
- äußere Wickellage (rechts)
- 15
- Abstand
- 16
- Durchmesser
- 17
- Jochbreiten
- 18
- Zahnmitte
- 19
- Jochdicke
- 20
- Stoßstelle
- 21
- Stoßstelle
- 22
- Isolation
- 23
- Nutboden-Pressbacken
- 24
- Nutschlitz-Pressbacken
- 25
- Spulenkontur-Pressbacken
- 26
- Presswerkzeug
- 27
- Nutschlitzfüllelemente
- 28
- Rotor
- 29
- Zahnhals
- 30
- Joch
- 31
- Polschuh
- 32
- Nutboden
