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VERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil und die Priorität der vorläufigen
US-Patentanmeldung Nr. 62/599,929 , eingereicht am 18. Dezember 2017 unter dem Titel STATOR STRUCTURE WITH TWO LAYERS OF PREWOUND COILS. Der Inhalt der vorstehenden Patentanmeldung ist hiermit durch Bezugnahme ausdrücklich in die ausführliche Beschreibung dieser Anmeldung aufgenommen.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Statorstrukturen für elektrische Maschinen. Insbesondere befasst sich die vorliegende Offenbarung mit einer Statorstruktur, die mit zwei oder mehr Schichten vorgewickelter Spulen versehen ist.
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HINTERGRUND
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Statorstrukturen unter Verwendung vorgewickelter Spulen, hergestellt aus Rechteckdraht, sind nach dem Stand der Technik bekannt. Es wurde festgestellt, dass, wenn der Durchmesser des Stators relativ klein ist, das Einsetzen vorgewickelter Spulen schwieriger ist und bei Wahrung der Intaktheit der Schicht von Isolationslack, der auf dem die vorgewickelten Spulen ausbildenden Rechteckdraht vorgesehen ist, unmöglich werden kann. Ferner kann insbesondere im Fall kleinerer Statoren die Nutzung einer einzelnen vorgewickelten Spule mit einem einzelnen Draht in einem großen Spulenüberhang an den Enden des Stators resultieren, was nicht kosteneffizient ist und das Statorgewicht unnötigerweise erhöhen kann.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem beispielhaften Aspekt ist eine elektrische Mehrphasenmaschine, umfassend eine Rotor- und Statorstruktur, wobei die Statorstruktur einen allgemein zylindrischen Körper aufweist, aufweisend Zähne, die spulenaufnehmende Schlitze definieren; eine interne und externe Schicht verschachtelter, elektrisch leitfähiger Spulen, die in die Schlitze eingeführt sind, wobei die inneren und die äußeren Schichten durch eine Isolationsschicht getrennt sind. Jede Phase beinhaltet Spulen, die auf der inneren Schicht verschachtelter Spulen bereitgestellt sind, und Spulen, die auf der äußeren Schicht verschachtelter Spulen bereitgestellt sind.
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Gemäß einem weiteren Beispiel ist ein Verfahren zum Einsetzen vorgewickelter Spulen in Spulenaufnahmeschlitze definiert durch sich radial erstreckende Zähne auf der Oberfläche eines Stators einer Mehrphasenmaschine, wobei das Verfahren umfasst: Einsetzen verschachtelter, elektrisch leitfähiger Spulen in die Schlitze, um eine innere Schicht verschachtelter Spulen auszubilden; Einsetzen verschachtelter, elektrisch leitfähiger Spulen in die Schlitze, um eine äußere Schicht verschachtelter Spulen auszubilden; und Ausbilden einer Vielzahl von Wicklungsphase, wobei jede Wicklungsphase Spulen beinhaltet, die an jeder der inneren und äußeren Schichten verschachtelter Spulen vorgesehen sind.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Vorderansicht einer elektrischen Maschine, versehen mit einer Statorstruktur gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine schematische Schnittansicht der Statorstruktur von 1;
- 3 ist eine schematische Schnittansicht, die die Unterschiede zwischen den vorgewickelten Spulen, die in der inneren und äußeren Schicht der Statorstruktur genutzt werden, veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die Verwendung des Wortes „ein/e“ in Verbindung mit dem Begriff „umfassend“ in den Ansprüchen und/oder der Beschreibung kann „ein/e“ bedeuten, ist aber auch konsistent mit der Bedeutung von „ein/e oder mehrere“, „mindestens ein/e“ und „ein/e oder mehr als ein/e“. Analog kann die Wortfolge „ein/e weitere/r/s“ mindestens ein zweite/r/s oder mehr bedeuten.
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Bei Verwendung in dieser Beschreibung und einem Anspruch / Ansprüchen sind die Wörter „umfassend“ (und jede Form von umfassend wie „umfassen“ oder „umfasst“), „aufweisen“ (und jede Form von aufweisen wie „weisen auf“ und „weist auf“), „beinhaltend“ (und jede Form von beinhaltend wie „beinhalten“ und „beinhaltet“) und „enthaltend“ (und jede Form von enthaltend wie „enthalten“ und „enthält“) inklusiv oder offen und schließen zusätzliche, nicht genannte Elemente oder Verfahrensschritte nicht aus.
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In der vorliegenden Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen wird verschiedene Terminologie direktionaler, geometrischer und/oder räumlicher Natur wie „längs“, „horizontal“, „vorn“, „hinten“, „aufwärts“, „abwärts“ usw. verwendet. Es versteht sich, dass solche Terminologie zur Erleichterung der Beschreibung und nur in einem relativen Sinn verwendet wird und in keiner Weise als den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung einschränkend zu verstehen ist.
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Ferner beziehen sich in dieser Beschreibung die Begriffe „axiale Richtung“, „axial“, „axiale/r/s“ und ähnliche auf die Richtung der Drehachse des Rotors, die Richtung der mittleren Achse des zylindrischen Stators und die ihnen entsprechenden Richtungen, die Begriffe „radiale Richtung“, „radial“, „radiale/r/s“ und ähnliche beziehen sich auf Richtungen senkrecht zu diesen axialen Richtungen, und die Begriffe „umlaufende Richtung“, „umlaufend“, „umlaufend/e/r/s“ und ähnliche beziehen sich auf jede Richtung entlang des Umfangs eines Kreises, gezeichnet um einen bestimmten Punkt der Drehachse auf einer Ebene senkrecht zur Drehachse.
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Der Ausdruck „verbunden“ sollte hierin und in den anhängenden Ansprüchen breit ausgelegt werden, sodass er jede kooperative oder passive Assoziation zwischen mechanischen Teilen oder Komponenten umfasst. Beispielsweise können solche Teile durch direktes Koppeln zusammengebaut oder unter Verwendung weiterer Teile indirekt gekoppelt sein. Die Kopplung kann auch entfernt sein, beispielsweise unter Verwendung eines Magnetfeldes oder anders.
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Weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Statorstruktur mit zwei Schichten vorgewickelter Spulen werden beim Lesen der folgenden nicht einschränkenden Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen dieser Erfindung deutlich, die rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen gegeben werden.
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Allgemein umfasst eine Statorstruktur mit zwei Schichten vorgewickelter, elektrisch leitfähiger Spulen gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform innere und äußere Schichten verschachtelter vorgewickelter Spulen aus Rechteckdraht, beschichtet mit Emaille-Isolationslack. Die zwei Schichten gestatten die Nutzung leicht unterschiedlicher Größen, die folglich einen unterschiedlichen elektrischen Widerstand aufweisen, von vorgewickelten Spulen mit weniger Windungen, was ihr Einsetzen in Statorschlitze besser ermöglicht. In einigen Ausführungsformen können mehr als zwei Schichten verschachtelter vorgewickelter Spulen verwendet werden.
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Nunmehr Bezug nehmend auf 1 der beigefügten Zeichnungen wird eine elektrische Maschine 10 beschrieben, aufweisend einen inneren Rotor 12 und einen äußeren Stator 14. Die elektrische Maschine 10 wird hierin in einer schematischen Form gezeigt.
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Der innere Rotor 12 umfasst eine Längswelle 16. Die für den inneren Rotor 12 verwendete Technologie ist für die hierin beschriebene Statorstruktur nicht relevant und wird folglich nicht ausführlicher beschrieben.
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Wie von 1 zu sehen ist, beinhaltet der äußere Stator 14 einen Stapel von Blechen 18, definierend einen allgemein zylindrischen Statorkörper mit inneren Zähnen 20, die innere Spulenaufnahmeschlitze 22 definieren.
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Die in dem äußeren Stator von 1 verwendeten vorgewickelten Spulen sind vorgewickelte Spulen aus verschachteltem Rechteckdraht. Diese Spulen sind in zwei Schichten von Spulen geteilt, innere Spulen 24 und äußere Spulen 26. Die inneren und äußeren Spulen sind durch eine elektrisch isolierende Papierschicht 28 getrennt.
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Die in 1 veranschaulichte Maschine ist eine Dreiphasenmaschine, wobei die Spulen jeder Phase alle sechs Schlitze zwei aufeinanderfolgende Schlitze belegen.
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Da der den Rotor 12 und die inneren Spulen 24 trennende Abstand kleiner als der den Rotor 12 und die äußeren Spulen 26 trennende Abstand ist, unterscheidet sich die in den inneren Spulen 24 präsente Spannung von der in den äußeren Spulen 26 präsenten Spannung. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Offenbarung kann, um eine ordnungsgemäß anteilig verteilte Spannung zu gewährleisten, die Hälfte der Spulen für jede Phase an der inneren Schicht von Spulen präsent sein, und die andere Hälfte der Spulen kann sich an der äußeren Schicht von Spulen befinden.
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Nunmehr Bezug nehmend auf 2 der beigefügten Zeichnungen wird die Positionierung der Spulen von Phase A für die Hälfte des Stators 14 beschrieben. Aus Gründen der Prägnanz und Klarheit ist in 2 nur Phase A veranschaulicht und wird nachfolgend beschrieben. Es ist anzumerken, dass zur Vereinfachung der Zeichnung in 2 die Köpfe der Spulen als Kreisbögen veranschaulicht sind. Ähnlich sind die Leiter, die die Spulen verbinden, schematisch dargestellt.
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Jede nachfolgend beschriebene Spule kann aus zwei Wicklungen von Rechteckdraht hergestellt sein und überspannt im Allgemeinen fünf (5) Schlitze zwischen Längsarmen.
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Wie vorstehend erwähnt, belegt Phase A alle sechs Schlitze zwei aufeinanderfolgende Schlitze. Folglich werden zwei Wicklungen hergestellt.
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Die erste äußere Wicklung beginnt mit einer ersten Spule 40 mit einer ersten Zuleitung, die den mit „ext A1“ bezeichneten ersten Eintrittspunkt definiert. Die erste Spule 40 verläuft von Schlitz 46 bis Schlitz 4. Die zweite Zuleitung 42 der ersten Spule 40 spannt sich von Schlitz 4 bis Schlitz 10, wo sie sich mit der ersten Zuleitung einer zweiten Spule 44 verbindet.
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Die zweite Spule 44 erstreckt sich von Schlitz 10 bis Schlitz 16. Die zweite Zuleitung 46 der zweiten Spule 44 spannt sich von Schlitz 16 bis Schlitz 23, wo sie sich mit der ersten Zuleitung einer dritten Spule 48 verbindet.
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Die dritte Spule 48 beginnt mit der Rückführung der ersten Wicklung von Phase A, da der Punkt der halben Strecke des Stators 14 erreicht wurde. Dementsprechend verläuft die dritte Spule vom Schlitz 23 zurück zum Schlitz 17. Die zweite Zuleitung 50 der dritten Spule 48 spannt sich von Schlitz 17 bis Schlitz 11, wo sie sich mit der ersten Zuleitung einer vierten Spule 52 verbindet.
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Die vierte Spule 52 erstreckt sich von Schlitz 11 bis Schlitz 5. Die zweite Zuleitung 53 der vierten Spule 52 definiert das Ende der ersten äußeren Wicklung und ist in 2 mit „ext X1“ bezeichnet.
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Die zweite äußere Wicklung beginnt mit einer fünften Spule 54 mit einer ersten Zuleitung, die den mit „ext A2“ bezeichneten ersten Eintrittspunkt definiert. Die fünfte Spule 54 verläuft von Schlitz 47 bis Schlitz 5. Die zweite Zuleitung 56 der fünften Spule 54 spannt sich von Schlitz 5 bis Schlitz 11, wo sie sich mit der ersten Zuleitung einer sechsten Spule 58 verbindet.
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Die sechste Spule 58 erstreckt sich von Schlitz 11 bis Schlitz 17. Die zweite Zuleitung 60 der sechsten Spule 58 spannt sich von Schlitz 17 bis Schlitz 22, wo sie sich mit der ersten Zuleitung einer siebenten Spule 62 verbindet.
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Die siebente Spule 62 beginnt mit der Rückführung der zweiten Wicklung von Phase A, da der Punkt der halben Strecke des Stators 14 erreicht wurde. Dementsprechend verläuft die siebente Spule vom Schlitz 22 zurück zum Schlitz 16. Die zweite Zuleitung 64 der siebenten Spule 62 spannt sich von Schlitz 16 bis Schlitz 10, wo sie sich mit der ersten Zuleitung einer achten Spule 66 verbindet.
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Die achte Spule 66 erstreckt sich von Schlitz 10 bis Schlitz 4. Die zweite Zuleitung 67 der achten Spule 66 definiert das Ende der zweiten äußeren Wicklung und ist in 2 mit „ext X2“ bezeichnet. Dementsprechend ist mit den acht vorgewickelten Spulen der äußere Abschnitt der Wicklung fertiggestellt.
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Der Fachmann wird bemerken, dass Zuleitung 46 sieben (7) Schlitze zwischen Schlitz 16 und Schlitz 23 überspannt, während Zuleitung 60 fünf (5) Schlitze zwischen Schlitz 17 und 22 überspannt. Dem Fachmann ist der Grund dafür bekannt. Ohne in Details zu gehen, unterscheiden sich diese Zuleitungen voneinander hinsichtlich des Ausgleichs von Spannungsdifferenzen durch Verwendung unterschiedlicher Schlitze für den Rücklaufabschnitt der Wicklungen.
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Das mit „ext X1“ bezeichnete Ende der ersten äußeren Wicklung wird der Beginn der ersten inneren Wicklung, wenn die Zuleitung 53 zu Schlitz 47 gebracht wird (siehe gestrichelte Linien). Ähnlich wird das mit „ext X2“ bezeichnete Ende der zweiten äußeren Wicklung der Beginn der zweiten inneren Wicklung, wenn die Zuleitung 67 zu Schlitz 46 gebracht wird (siehe gestrichelte Linien). In einigen Ausführungsformen werden die Verbindungen zwischen den Zuleitungen äußerer Wicklungen und innerer Wicklungen durch Punktschweißen ausgebildet.
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Zu Zwecken der Klarheit sind die erste und zweite innere Wicklung in 2 nicht dargestellt. Die Spulen, die die erste innere Wicklung ausbilden, folgen den Spulen, die die zweite äußere Wicklung ausbilden, während die Spulen, die die zweite innere Wicklung ausbilden, den Spulen folgen, die die erste äußere Wicklung ausbilden.
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Dementsprechend ist von der ersten Wicklung, die die Kombination der ersten äußeren und der ersten inneren Wicklungen ist, die Hälfte der Spulen außen positioniert und die Hälfte der Spulen ist innen positioniert. Dies gilt auch für die zweite Wicklung, die die Kombination der zweiten äußeren und zweiten inneren Wicklung ist.
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Diese zweite Wicklung ist in den anhängenden Zeichnungen nicht dargestellt. Ein Fachmann wird verstehen, dass die zweite Wicklung ein Spiegelbild der ersten Wicklung ist.
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Da sie sich näher am Rotor 12 befindet, wird die innere Wicklung 24 eine kleinere umlaufende Länge und eine kompaktere Endspannweite als jene der äußeren Wicklung 26 aufweisen. Mit einer Hälfte der Wicklung auf der inneren Wicklung kann die gesamte Wicklungslänge gekürzt werden. 3 der beigefügten Zeichnungen illustriert die Größendifferenz zwischen einer äußeren Spule 70 und einer inneren Spule 72. Wie vorstehend erwähnt, gestattet dieser Größenunterschied ein leichteres Einsetzen der Spulen in die Schlitze, während die Schicht des Isolationslacks, der auf dem die vorgewickelten Spulen ausbildenden Draht vorgesehen ist, intakt gehalten wird. Darüber hinaus können die verkürzte Wicklungslänge und die reduzierte Endspannweite auch vorteilhafterweise zu einem reduzierten Gewicht der gesamten Vorrichtung, kürzeren überhängenden Abschnitten und reduzierten Materialkosten führen.
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Es ist anzumerken, dass die Spulen 70 und 72 in 3 schematisch dargestellt sind. Die Köpfe der Spulen sind tatsächlich anders geformt als in dieser Figur dargestellt, um den verschiedenen Spulen der verschiedenen Phasen zu gestatten, einander nicht zu behindern. Ungeachtet der Form der Spulenköpfe ist die Position der Spulenarme in den Schlitzen so wie in 3 veranschaulicht.
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Ein Fachmann wird verstehen, dass zwar ein Dreiphasenstator, an dem die vorgewickelten Spulen an jedem sechsten Spulenschlitz verschachtelt sind, in den beigefügten Figuren dargestellt und vorstehend beschrieben wurden, dies jedoch nur der Veranschaulichung dient. Die Anzahl der Phasen und die Anzahl der Spulenschlitze, die von jeder vorgewickelten Spule überspannt werden, können variieren.
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Ein Fachmann wird verstehen, dass hierin zwar vorgewickelte Spulen mit zwei Windungen von Rechteckdraht veranschaulicht sind, die Anzahl der Drahtwindungen aber unterschiedlich sein könnte.
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Ein Fachmann kann auch verstehen, dass die vorliegende Offenbarung auch auf mehr als zwei Schichten von Wicklungen ausgedehnt werden kann, einschließlich Statoren mit inneren, äußeren und einer oder mehr Zwischenschichten verschachtelter vorgewickelter Spulen.
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Während der Statorkörper vorstehend beschrieben wurde als aus einem Stapel von Blechen hergestellt, könnten auch andere Technologien, beispielsweise gesintertes Pulvermaterial, verwendet werden.
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Während hierin und in den anhängenden Zeichnungen eine elektrische Maschine mit einem inneren Rotor und einem äußeren Stator beschrieben ist, [versteht] ein Fachmann, dass die mit zwei Schichten verschachtelter vorgewickelter Spulen versehene Statorstruktur für eine elektrische Maschine, bei welcher der Stator innen und der Rotor außen ist, ebenfalls nutzbringend sein könnte.
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Es versteht sich, dass die Statorstruktur mit zwei Schichten vorgewickelter Spulen in ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten und vorstehend beschriebenen Konstruktion und Teile begrenzt ist. Die Statorstruktur mit zwei Schichten vorgewickelter Spulen ist für andere Ausführungsformen geeignet und kann auf verschiedenen Wegen praktiziert werden. Es versteht sich auch, dass die hierin verwendete Phraseologie oder Terminologie dem Zweck der Beschreibung und nicht der Begrenzung dient. Folglich wurde zwar vorstehend die Statorstruktur mit zwei Schichten vorgewickelter Spulen anhand veranschaulichender Ausführungsformen davon beschrieben, doch kann sie modifiziert werden, ohne vom Schutzumfang und ihrem Charakter abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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