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Die Erfindung betrifft eine leistungserzeugende Komponente einer elektrischen Maschine, wie einen Rotor oder einen Stator eines Elektromotors. Die leistungserzeugende Komponente umfasst ein kranzförmiges Blechpaket mit einer Vielzahl von radial angeordneten Nuten und eine Wellenwicklung mit mindestens einem ersten, einem zweiten und einem dritten kontinuierlichen, jeweils in einer Vielzahl an Umläufen durch benachbarte Nuten geführten Leiter, die in Parallel- oder Reihenschaltung verbunden sind und einen Leiterverbund bilden. Der Leiterverbund weist einen Nutsprung auf, bei dem der erste Leiter, der zweite Leiter und der dritte Leiter jeweils eine gleiche Anzahl an Nuten überspannen und bei dem ein Lagenwechsel vorhanden ist. Ferner weist der Leiterverbund mindestens einen Nutsprungwechsel auf, bei dem der erste Leiter, der zweite Leiter und der dritte Leiter eine voneinander abweichende Anzahl an Nuten überspannen, so dass der erste Leiter, der zweite Leiter und der dritte Leiter nach dem Nutsprungwechsel in ihrer Anordnung zueinander vertauscht sind.
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Elektromotoren für Fahrzeuge bestehen aus einen Stator und einem Rotor als leistungserzeugende Komponenten. Beide dieser Bauteile werden aus voneinander isolierten, aufeinander geschichteten Blechen zusammengesetzt, die ein Blechpaket bilden und jeweils als Kranz ausgebildet sind, der umlaufende Nuten aufweist. Die Nuten werden von Leitern, in der Regel Kupferdrähten oder Leiterbündeln, umwickelt, so dass Wicklungen einer Spule gebildet werden.
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Eine Möglichkeit, diese Blechpakete zu wickeln, ist die Wellenwicklung. Dazu werden üblicherweise Wickelmatten vorbereitet, die in die Nuten eingesetzt und anschließend kontaktiert werden. Alternativ kann ein Blechpaket auch direkt umwickelt werden. Wichtig ist dabei, sämtliche Elemente des Elektromotors zum Beispiel durch Folien oder Papier voneinander zu isolieren. Abschließend werden die Nuten mit Deckschiebern verschlossen und zur besseren Haltbarkeit und Isolation mit einem Gießmedium vergossen.
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Bei der Wellenwicklung wird ein Leiter durch eine Nut geführt, überspannt eine festgelegte Anzahl an Nuten und wird durch eine weitere Nut geführt. Der mehrere Nuten überspannende Bereich des Leiters wird als Wickelkopf bezeichnet. Die leistungserzeugende Komponente der elektrischen Maschine bzw. des Elektromotors wird derart mit mehreren Leitern vollständig in mehreren Lagen umwickelt. Die Lage des Leiters ist dabei die radiale Position des Leiters innerhalb der jeweiligen Nut. Dabei ist es für eine Maximierung des Wirkungsgrads, hohe Laufruhe und eine hohe Robustheit notwendig, den Verlauf der einzelnen Leiter zueinander gezielt anzupassen. Dabei wird es unter anderem auch notwendig, dass einzelne Leiter ihre Lage in einem Nutsprung wechseln.
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Die
DE 10 2014 223 202 A1 offenbart eine Wellenwicklung für einen Stator, wobei die Wellenwicklung zu je einer Phase der Maschine wenigstens zwei untereinander in Parallel- und/oder Reihenschaltung verbundene Leiter aufweist, die mit vorgegebenem Wickelschritt in einer zu jeder Phase und zu je einem magnetischen Pol entlang des Umfangs der Maschine vorgegebenen Reihenfolge in einer Anzahl wenigstens zweier aufeinanderfolgender Statornuten jedes magnetischen Pols und jeder Phase der Maschine anordbar sind. Die vorgegebene Reihenfolge der verbundenen Leiter ist an wenigstens einer Position entlang des Umfangs der Maschine durch wenigstens einen Nutsprungwechsel, welcher in der
DE 10 2014 223 202 A1 aber als Nutsprung definiert ist, vertauscht. Die Wickelköpfe der Leiter sind hier bogenförmig ausgeführt und einmal um die eigene Achse verdreht. Das Problem dabei ist, dass die Leiter, welche einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, an dieser Stelle durch diese Drehung auftragen. So kommt es besonders bei Nutsprungwechseln dazu, dass die Leiter nicht mehr sauber geführt werden, und der Elektromotor an Wirkungsgrad und Laufruhe verliert. Dies ist besonders bei elektrischen Maschinen mit einer Lochzahl von q = 3 problematisch, bei der jede Phase drei Leiter aufweist, die direkt in benachbarten Nuten verlaufen, da hier die Leiter besonders dicht geführt werden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine leistungserzeugende Komponente für einen Elektromotor mit einer Lochzahl von q = 3 bereitzustellen, die einen vergleichsweise besseren Wirkungsgrad und höhere Laufruhe aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für die eingangs beschriebene leistungserzeugende Komponente einer elektrischen Maschine dadurch gelöst, dass innerhalb jedes Umlaufs des Leiterverbunds mindestens ein Nutsprungwechsel vorhanden ist. Diese im Vergleich zum Stand der Technik höhere Anzahl an Nutsprungwechseln erlaubt es, eine höhere Laufruhe und einen besseren Wirkungsgrad zu ermöglichen, da auf diese Weise eine hohe elektromagnetische Symmetrie erreicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen der erste Leiter, der zweite Leiter und der dritte Leiter jeweils einen bogenförmigen Wickelkopf, der einen Scheitelpunkt mit einem S-förmigen Schlag aufweist. Um eine möglichst hohe Packungsdichte innerhalb der individuellen Nuten zu erreichen, werden zumeist Leiter mit einem rechteckigen Querschnitt verwendet. Auf diese Weise wird das bisher aus dem Stand der Technik bekannte Verdrehen des Leiters vermieden, welches zu einem größeren Platzbedarf führt und eine dichtere Anordnung im Bereich der Nutsprünge erschwert.
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Für eine möglichst dichte Anordnung der Leiter ist es von Vorteil, wenn die Wickelköpfe von wenigstens zwei des ersten, des zweiten und des dritten Leiters zueinander parallel übereinander oder nebeneinander angeordnet sind. Der übrig bleibende Leiter wird dann oberhalb oder unterhalb der beiden anderen geführt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wickelköpfe des ersten, des zweiten und des dritten Leiters zueinander parallel übereinander angeordnet sind. Dadurch lassen sich elektrische Maschinen mit besonders günstigen Eigenschaften herstellen. Dies wird vor allem dadurch erreicht, dass der S-förmige Schlag im Gegensatz zur Schwertwicklung weniger aufträgt und so eine dichtere Anordnung der Leiter ermöglicht.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung sind die Nutsprungwechsel an dem Blechpaket radial nebeneinanderliegend angeordnet. Damit wird ermöglicht, auch im Bereich der Nutsprungwechsel die Leiter möglichst dicht beieinander anzuordnen und eine mit einer solchen leistungserzeugenden Komponente ausgestatteten elektrische Maschine bezüglich ihrer Leistungs- und Laufeigenschaften zu optimieren.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist die Wellenwicklung eine Sehnung auf, bei der der erste Leiter, der zweite Leiter und der dritte Leiter gemeinsam im Vergleich zu einer vorherigen Lage um mindestens eine Nut versetzt angeordnet sind. Dies wird durch einen entsprechend ausgeführten Nutsprünge und Nutsprungwechsel erreicht, bei dem der Leiterverbund im Vergleich zu einer vorherigen Lage im Mittel um mindestens eine Nut versetzt ist.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn die Wellenwicklung mehrere Phasen aufweist, die jeweils aus einem oder mehreren Leiterverbünden zusammengesetzt sind. Dies verbessert den Wirkungsgrad des Elektromotors, indem die Phasen nacheinander geschaltet werden können. In den einzelnen Phasen vorhandene Nutsprungwechsel sind dabei idealerweise nebeneinander angeordnet, da dies für die Laufruhe und den Wirkungsgrad des Elektromotors von Vorteil ist.
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Die Aufgabe wird auch durch eine zuvor beschriebene Wellenwicklung zum Einsetzen in eine leistungserzeugende Komponente einer elektrischen Maschine gelöst. In Form einer Wickelmatte kann diese in den Rotor oder den Stator direkt eingesetzt werden.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Stator mit einem Leiter,
- 2 eine schematische Darstellung eines Wickelschemas und
- 3. eine schematische Darstellung eines weiteren Wickelschemas.
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Die 1 zeigt ein Blechpaket 1 eines Stators als leistungserzeugende Komponente mit einer Vielzahl von Nuten 2, durch die ein Leiter 3 verläuft. Dieser wird durch eine erste Nut 2 geführt, geht in einen Wickelkopf 4 über, der eine erste Anzahl an Nuten 2 überspannt und wird durch eine zweite Nut 2 auf die gegenüberliegende Seite des Blechpakets 1, wo ein weiterer Wickelkopf 4 vorhanden ist, geführt. Auf diese Weise wird der Leiter 3 in einer Vielzahl von Umläufen um den Stator geführt. Der Wickelkopf 4 ist bogenförmig und überspannt in dieser Ausführung genau sechs Nuten 2. An seinem Scheitelpunkt weist einen S-förmigen Schlag 5 auf, so dass benachbarte, hier nicht gezeigte Leiter 3 dicht neben dem Leiter 3 angeordnet werden können. Insbesondere wird der Leiter 3, der einen rechteckigen Querschnitt aufweist, im Bereich des Wickelkopfes 4 nicht einmal um die eigene Achse verdreht. Außerdem ist an dem Wickelkopf 4 ein Lagenwechsel vorhanden, was einer Änderung der radialen Position des Leiters 3 innerhalb der Nuten 2 entspricht. Dieser wird hier durch den S-förmigen Schlag 5 bewirkt.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Wickelschemas für eine Wellenwicklung des Blechpakets 1, welches genau zweiundsiebzig Nuten N1, ..., N72 aufweist. Die erste Zeile gibt dabei die Nummerierung zur exakten Bezeichnung der Nuten N1, ..., N72 an. In der ersten Spalte wird eine Lage L1, ..., L6 innerhalb einer Nut N1, ..., N72 angegeben. Lage L1 ist dabei eine Position an einem Boden der jeweiligen Nut N1, ..., N72 und mit zunehmender Bezugszahl wird der Abstand zum Boden größer. Damit kann der Verlauf eines jeden Leiters 3 durch die Nuten N1, ..., N72 des Blechpaktes 1 exakt nachverfolgt werden, wobei er immer abwechselnd an einer ersten Seite und einer zweiten Seite des Blechpakets 1 einen Wickelkopf 4 aufweist, der eine Anzahl an Nuten N1, ..., N72 überspannt.
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Es sind alle Leiter 3 für eine Phase in das Wickelschema eingetragen und die Wicklung eines ersten Leiters U1, eines zweiten Leiters U2, eines dritten Leiters U3 sowie eines vierten, fünften und sechsten Leiters U4, U5, U6 beschrieben. Der erste Leiter U1, der zweite Leiter U2 und der dritte Leiter U3 bilden dabei einen ersten Leiterverbund, der vierte, fünfte und sechste Leiter U4, U5, U6 bilden einen zweiten Leiterverbund, wobei alle Leiter U1, U2, U3, U4, U5, U6 in Reihe oder parallelgeschaltet sind und so eine gemeinsame Phase bilden. Zum leichteren Verständnis wurden die von den sechs Leitern U1, U2, U3, U4, U5, U6 überspannten Nuten N1, ..., N72 nicht mit einer Eintragung versehenen. In diesen sind ebenfalls Leiter 3 geführt, welche individuell oder in einem oder mehreren Leiterverbünden einer oder mehreren anderen Phasen zuzuordnen sind. Ihre Anordnung kann der des ersten und zweiten Leiterverbunds entsprechen oder auch davon abweichen. Da das Wickeln des Blechpakets 1 gleichmäßig erfolgen sollte, werden hier zwei weitere Phasen mit jeweils sechs Leitern 3 eingefügt. Somit ergibt sich eine Wicklung mit drei Phasen, einer Lochzahl von q = 3, und in diesem Fall eine Polpaarzahl von p = 4.
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Der erste Leiter U1, der zweite Leiter U2 und der dritte Leiter U3 beginnen an der ersten Seite des Blechpakets 1 und werden durch die ersten drei benachbarten Nuten N1, N2 bzw. N3 geführt. Sie treten an einer zweiten Seite des Blechpakets 1 aus und überspannen in einem Nutsprung, bei dem die Wickelköpfe 4 des ersten, des zweiten und des dritten Leiters U1, U2, U3 parallel verlaufen, jeweils acht der Nuten N1, ..., N72, so dass sie durch die benachbarten Nuten N10, N11 bzw. N12 zur ersten Seite des Blechpakets 1 geführt werden. Bei dem Nutsprung wird auch ein Lagenwechsel von Lage L1 zu Lage L2 vollzogen. Auf der ersten Seite erfolgt dann ein weiterer Nutsprung mit einem weiteren Lagenwechsel. Dies wird fortgesetzt, bis auf diese Weise alle zweiundsiebzig Nuten N1, ..., N72 durchschritten oder überspannt worden sind, so dass ein Umlauf erfolgt ist und das Muster bei den ersten drei Nuten N1, N2 und N3 beginnend in den nächsten Lagen, hier L3 und L4, fortgesetzt wird.
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Die leistungserzeugende Komponente weist bei sechs Lagen L1, ..., L6 somit drei Umläufe auf, im Allgemeinen ist diese Anzahl jedoch frei wählbar und abhängig von der Größe der Komponente, so dass eine Vielzahl an Umläufen vorhanden ist.
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Zwischen der achtundzwanzigsten Nut N28 und der neununddreißigsten Nut N39 erfolgt im ersten Umlauf ein erster Nutsprungwechsel, bei dem der erste Leiter U1, der zweite Leiter U2 und der dritte Leiter U3 eine voneinander abweichende Anzahl an Nuten N1, ..., N72 überspannen. Der Wickelkopf 4 des ersten Leiter U1 verläuft hier von der achtundzwanzigsten Nut N28 zu der neununddreißigsten Nut N39, der des zweiten Leiter U2 überspannt eine im Vergleich zum Nutsprung eine Nut N 1, ..., N72 gleiche Anzahl an Nuten N1, ..., N72, hier also von der neunundzwanzigsten Nut 29 zur achtunddreißigsten Nut N38, und der Wickelkopf 4 des dritten Leiter U3 verläuft von der dreißigsten Nut N30 zur siebenunddreißigsten Nut N37. Die Anordnung des ersten, zweiten und dritten Leiters U1, U2, U3 innerhalb des Leiterverbunds ist dadurch vertauscht. Genau einen Umlauf später erfolgt ein zweiter Nutsprungwechsel, sodass der erste, der zweite und der dritte Leiter U1, U2, U3 abermals ihre Position im Leiterverbund wechseln und sich wieder in der ursprünglichen Anordnung befinden. Die Anordnung der Leiter U1, U2, U3 zueinander im Leiterverbund wird üblicherweise an die konkrete Ausgestaltung und die gewünschten Eigenschaften der elektrischen Maschine angepasst. So können die Leiter U1, U2, U3 zyklisch, paarweise oder anderweitig vertauscht werden. Auch ist es möglich, mit dem zweiten Nutsprungwechsel eine von der Ausgangsposition abweichende Anordnung der Leiter U1, U2, U3 einzuführen und zum Beispiel erst mit einem dritten Nutsprungwechsel die ursprüngliche Anordnung wiederherzustellen. Alternativ kann auch im dritten Nutsprungwechsel eine weitere, abweichende Anordnung gewählt werden.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der 2 ist es zweckmäßig, die Wickelköpfe 4 des ersten, des zweiten und des dritten Leiters U1, U2, U3 insbesondere im Bereich der Nutsprungwechsel zueinander parallel übereinander angeordnet auszuführen. Dies wird durch den S-förmigen Schlag 5 ermöglicht, da im Gegensatz zur Wicklung mit Schwert die Leiter U1, U2, U3 nicht verdreht werden und somit dichter beieinanderliegen bzw. gestapelt werden können. Das Wickelschema wird wie beschrieben bis zum Abschluss der sechsten Lage L6 fortgesetzt.
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Ein alternatives Wickelschema für eine Wellenwicklung ist in 3 dargestellt. Die Nutsprünge des ersten Umlaufs sind hier identisch mit denen der 2. Die Nutsprungwechsel sind jedoch anders ausgeführt: So erfolgt im ersten Umlauf ein erster Nutsprungwechsel zwischen der achtundzwanzigsten Nut N28 und der neununddrei-ßigsten Nut N39, bei dem der erste Leiter U1, der zweite Leiter U2 und der dritte Leiter U3 eine voneinander abweichende Anzahl an Nuten N1, ..., N72 überspannen. Der Wickelkopf 4 des ersten Leiter U1 verläuft hier von der achtundzwanzigsten Nut N28 zu der neununddreißigsten Nut N39, der des zweiten Leiter U2 überspannt eine im Vergleich zum Nutsprung eine Nut N1, ..., N72 um eins reduzierte Anzahl an Nuten N1, ..., N72, hier also von der neunundzwanzigsten Nut 29 zur siebenunddrei-ßigsten Nut N37, und der Wickelkopf 4 des dritten Leiter U3 verläuft von der dreißigsten Nut N30 zur achtunddreißigsten Nut N38. Die Anordnung des ersten, zweiten und dritten Leiters U1, U2, U3 innerhalb des Leiterverbunds ist dadurch vertauscht. Genau einen Umlauf später erfolgt ein zweiter Nutsprungwechsel, sodass der erste, der zweite und der dritte Leiter U1, U2, U3 abermals ihre Position im Leiterverbund wechseln. Nach einem dritten Nutsprungwechsel, der einen Umlauf nach dem zweiten Nutsprungwechsel erfolgt, befinden sich die drei Leiter U1, U2, U3 bei diesem Ausführungsbeispiel wieder in ihrer Ausgangsposition innerhalb des Leiterverbunds. Der erste, der zweite und der dritte Leiter U1, U2, U3 werden hier also zyklisch mit jedem Nutsprungwechsel vertauscht. Die Wickelköpfe 4 werden dabei idealerweise so angeordnet, dass der im Leiterverbund als erster angeordnete Leiter 3 oberhalb der beiden anderen Leiter 3 verläuft, die parallel nebeneinander angeordnet sind. Am Beispiel des ersten Nutsprungs bedeutet das, dass der erste Leiter U1 oberhalb des zweiten Leiters U2 und des dritten Leiters U3 verläuft, während der zweite Leiter U2 und der dritte Leiter U3 parallel nebeneinander angeordnet sind.
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In ihrem zweiten Umlauf werden der erste, der zweite und der dritte Leiter U1, U2, U3 zueinander versetzt, indem die Nutsprünge abwechselnd eine Nut N1, ..., N72 weiter oder eine Nut N1, ..., N72 kürzer ausgebildet sind. Der Leiterverbund ist folglich zwischen der dritten und der vierten Lage L3, L4 jeweils um eine Nut N1, ..., N72 versetzt angeordnet. Auch hier erfolgt ein Nutsprungwechsel, nun zwischen der achtundzwanzigsten Nut N28 und der vierzigsten Nut N40, da hier der Unterscheid in der Weite der Nutsprünge berücksichtigt werden muss. Der dritte Umlauf erfolgt nun wieder mit Nutsprüngen, die acht Nuten N1, ..., N72 überspannen, wobei der erste Leiter U1, der zweite Leiter U2 und der dritte Leiter U3 gemeinsam im Vergleich zu den ersten beiden vorherigen Lagen L1, L2 um eine Nut N1, ..., N72 versetzt angeordnet sind. Durch diesen Versatz, der als Sehnung bezeichnet wird und auch um mehr als eine Nut N1, ..., N72 erfolgen kann, werden die akustischen Eigenschaften einer mit einer derart gewickelten leistungserzeugenden Komponente ausgestatteten elektrischen Maschine verbessert.
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Neben dem ersten Leiterverbund umfasst die leistungserzeugende Komponente in beiden Ausführungsbeispielen den zweiten Leiterverbund bestehend aus dem vierten Leiter U4, dem fünften Leiter U5 und dem sechsten Leiter U6. Diese verlaufen jeweils gegenläufig zum ersten Leiterverbund: Während der Nutsprung des ersten Leiterverbunds auf der ersten Seite des Blechpakets 1 erfolgt, liegt der Nutsprung des zweiten Leiterverbunds auf der gegenüberliegenden zweiten Seite. Die mit beiden Leiterverbünden fertig gewickelte leistungserzeugende Komponente weist in beiden Ausführungsbeispielen somit in jedem Umlauf zwei Nutsprungwechsel auf, die sich an den gleichen oder zumindest benachbarten Nuten N1, ..., N72 befinden. An dem Blechpaket 1 sind somit alle Nutsprungwechsel radial nebeneinanderliegend angeordnet. Dies kann auch die nicht eingetragenen Phasen mit einschließen, deren Wicklung analog der der ersten bis sechsten Leiter U1, ..., U6 erfolgen kann. Es ist ferner problemlos möglich, die nachfolgend vorgestellten Prinzipien auf elektrische Maschinen mit abweichendem Aufbau, Anzahl an Phasen, Lochzahl, Polpaarzahl und damit auch einer abweichenden Anzahl an Nuten N1, ..., N72 anzuwenden.
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Bezugszeichen
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- 1
- Blechpaket
- 2
- Nut
- 3
- Leiter
- 4
- Wickelkopf
- 5
- S-förmiger Schlag
- N1, ..., N72
- Nuten
- L1, ... , L6
- Lage
- U1
- erster Leiter
- U2
- zweiter Leiter
- U3
- dritter Leiter
- U4
- vierter Leiter
- U5
- fünfter Leiter
- U6
- sechster Leiter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014223202 A1 [0005]
