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Die Erfindung betrifft eine Statoranordnung für eine elektrische Maschine, wie einen bürstenlosen Gleichstrommotor, und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Statoranordnung umfasst einen Statorkörper mit einem Statorrückschluss und mehreren Stapeln von Poleinheiten, wobei der Statorrückschluss und die Stapel von Poleinheiten separat hergestellt und zur Bildung des Statorkörpers miteinander verbunden werden
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Ein Anwendungsgebiet der Erfindung sind bürstenlose Gleichstrommotoren und andere Permanentmagnetmotoren, die als Innenläufermotor konfiguriert sind, bei denen also die Stapel von Poleinheiten von dem Statorrückschluss radial nach innen abstehen. Die Erfindung kann jedoch auch auf andere elektrische Maschinen angewendet werden.
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Elektrische Maschinen mit einer Innenläuferkonfiguration umfassen eine Rotoranordnung, die auf einer Welle montiert ist und einen oder mehrere Permanentmagnete umfasst, sowie eine Statoranordnung mit beispielsweise einem genuteten Statorkörper aus einem laminierten Blechstapel, auf den Phasenwicklungen aufgebracht sind. Die Rotoranordnung ist koaxial in die Statoranordnung eingefügt.
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21 zeigt schematisch den Grundaufbau einer elektrischen Maschine, mit einem Gehäuse 122, in dem die Rotoranordnung 124, die Statoranordnung 126 sowie Lager 128, 130 zum drehbaren Lager der Rotoranordnung untergebracht sind. Die Statoranordnung umfasst einen genuteten, laminierten Metallblechstapel 132, der einen Statorrückschluss sowie von dem Statorrückschluss in radialer Richtung nach innen ragende Statorpolzähne aufweist. Auf die Statorpolzähne sind Wicklungen 134 aufgebracht, um Statorpole zu bilden. Die Statorpolzähne tragen an ihren inneren Enden Polschuhe, welche die Statornuten abschließen und somit den Wicklungsraum eingrenzen. Die Rotoranordnung umfasst die Welle 136, einen Rückschluss 138 und einen Permanentmagneten 140 bzw. einzelne Permanentmagnete. Die Lager 128, 130 für die Rotoranordnung können in einen Flansch oder das Motorgehäuse integriert sein.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, einen Statorkörper aus mehreren genuteten Metallblechen aufzubauen, die in einer Form ausgestanzt werden, welche dem Querschnitt des Statorkörpers entspricht, und zu einem laminierten Blechstapel zusammengefügt werden. Solche laminierten Blechstapel bieten eine gute, gleichmäßige Magnetfeldverteilung durch den gesamten Statorkörper und eine Reduktion von Wirbelströmen.
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Je nach Anwendungsgebiet und Baugröße des Motors werden die Statorpolzähne beispielsweise mit Hilfe von Nadelwicklern oder Flyer-Wicklern bewickelt, welche den Wicklungsdraht zwischen zwei benachbarten Polschuhen hindurch in die Statornuten einbringen. Dabei besteht bei Innenläufern die Schwierigkeit, den Wicklungsdraht von innen durch den schmalen Spalt zwischen zwei Polschuhen zu führen, so dass er vom Boden der Statornut weg in möglichst gleichmäßigen Lagen übereinander zu liegen kommt, um einen hohen Füllfaktor zu erzielen. Bei der Verwendung von Nadelwicklern besteht das zusätzliche Problem, dass die Nadel Platz benötigt, um sich in den Statornuten zu bewegen, so dass der effektive Wicklungsraum begrenzt ist. Hieraus ergeben sich geringere Füllfaktoren als dies theoretisch bei Füllung der gesamten Statornut mit Wicklungsdraht möglich wäre. Da aber der Füllfaktor eine entscheidende Größe für die Leistung bürstenloser Gleichstrommotoren und anderer elektrischer Maschinen ist, erfordert ein geringer Füllfaktor eine Erhöhung der Masse der Permanentmagneten, um ausreichend hohe Leistung zu erreichen. Dadurch erhöhen sich Gewicht und Preis der elektrischen Maschine.
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Zur Erzielung höherer Füllfaktoren ist es im Stand der Technik bekannt, mehrteilige Statoren zu verwenden. Beispielsweise ist es bekannt, einen Statorkörper aus einer Anzahl Statorsegmenten aufzubauen, wobei ein Statorsegment üblicherweise einen Stapel von Statorpolzähnen einschließlich Polschuhen umfasst, und die einzelnen Statorsegmente über einen getrennten Rückschlussring zu verbinden. Beispiele für solche Statoren sind unter anderem beschrieben in der
US 6 359 355 B1 ,
WO 02/47 238 A1 ,
US 5 786 651 A ,
DE 198 42 948 A1 ,
US 5 570 503 ,
US 6 225 725 B1 ,
US 6 781 278 B2 ,
EP 0 915 553 B1 ,
US 6 049 153 A ,
US 5 796 195 A ,
EP 1 014 536 A2 und
WO 02/47 240 A1 . Der Vorteil eines solchen Statorkörpers, der aus mehreren einzelnen Statorsegmenten aufgebaut ist, ist, dass jedes Segment, welches einen Statorpol bildet, eine vorgefertigte Spule aufnehmen kann bzw. separat bewickelt werden kann. Erst nach dem Aufbringen der Spulen auf die jeweiligen Pole der Statorsegmente werden die Statorsegmente zu einem zylindrischen Stator zusammengefügt. Ein Nachteil der Herstellung einer Statoranordnung mit getrennten Statorsegmenten besteht darin, dass die Herstellung aufwendig ist und ein konstanter definierter Luftspalt nur schwer gewährleistet werden kann. Abhängig von der Art der Konstruktion müssen gegebenenfalls zusätzliche Maßnahme getroffen werden, um einen in sich mechanisch stabilen Statorkörper zu schaffen.
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Im Stand der Technik sind ferner zweiteilige Statoranordnungen, bestehend aus einem Rückschlussring und einem inneren Ring mit zusammenhängenden Polschuhen und Polzähnen, bekannt, wie sie beispielsweise in der
DE 102 42 404 A1 ,
DE 196 52 795 A1 ,
DE 39 07 516 A1 ,
US 6 304 019 B1 ,
US 6 844 653 B2 ,
US 6 935 011 B2 und
WO 2009/006951 A1 beschrieben sind. Bei den Anordnungen besteht das Problem, dass ein magnetischer Kurzschluss zwischen den benachbarten und verbundenen Polschuhen auftreten kann. Die magnetischen Eigenschaften des Statorkörpers sind somit ungenügend.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Statoranordnung für eine elektrische Maschine anzugeben, die einfach aufgebaut und bewickelt werden kann und mit der gleichwohl ein hoher Füllfaktor erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Statoranordnung der Patentansprüche 1, 5 und 10 sowie durch die Verfahren gemäß den Patentansprüchen 16, 17 und 19 gelöst.
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Die Erfindung sieht eine Statoranordnung für eine elektrische Maschine, wie einen bürstenlosen Gleichstrommotor, vor, die einen Statorkörper mit einem Statorrückschluss und einem Ring der Statorpole mit mehreren Statorpolen aufweist. Der Statorrückschluss und der Ring der Statorpole werden separat hergestellt und zur Bildung des Statorkörpers miteinander verbunden. Die Statorpole sind erfindungsgemäß aus mehreren Blechlagen aufgebaut, welche in axialer Richtung der Statoranordnung zu einem Blechstapel zusammengefügt sind, wobei die Polzähne an ihren von dem Statorrückschluss abgewandten Enden Polschuhe aufweisen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung sind in jeder Blechlage mindestens zwei, jedoch nicht alle Polschuhe benachbarter Poleinheiten über einen oder mehrere Verbindungsabschnitte seitlich miteinander verbunden. Vorzugsweise sind in jeder Blechlage die gleiche Anzahl von benachbarten Polschuhen seitlich miteinander verbunden, wobei in einer Ausführung in jeder Blechlage genau zwei benachbarte Polschuhe über einen Verbindungsabschnitt seitlich miteinander verbunden sind.
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In dieser Ausführung der Erfindung ist es möglich, einen zusammenhängenden Ring der Statorpole zu bilden, in dem magnetische Kurzschlüsse zwischen benachbarten Polschuhen weitgehend vermieden werden. Dieser zusammenhängende Ring der Statorpole kann auf der Grundlage ein und desselben Blechschnitts dadurch realisiert werden, dass in jeder Blechlage nur zwei oder jedenfalls nur eine geringe Anzahl von benachbarten Poleinheiten, z. B. zwei, drei oder vier Poleinheitenpaare, im Bereich ihrer Polschuhe durch Verbindungsabschnitte seitlich miteinander verbunden werden. Wenn dann bei der Herstellung des Rings der Statorpole die einzelnen Blechlagen relativ zueinander gedreht werden, werden auch die Verbindungsabschnitte relativ zueinander gedreht, so dass, nachdem die Poleinheiten in axialer Richtung der Statoranordnung zu einem Blechstapel zusammengefügt sind, die Statorpole insgesamt durch die Verbindungsabschnitte, die in den verschiedenen Blechlagen in verschiedenen Winkelpositionen zu liegen kommen, zusammengehalten werden. Das Materialvolumen der Verbindungsabschnitte, welche den Ring der Statorpole an den Polschuhen zusammenhalten, ist minimal und geht daher schnell in die Sättigung. Dadurch kann die Ausbildung von magnetischen Leckflüssen zwischen den einzelnen Statorpolen weitgehend vermieden werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Polschuhe der Poleinheiten über Verbindungsabschnitte seitlich miteinander verbunden, in denen Durchbrüche zwischen zwei Polschuhen ausgebildet sind, um die Bildung von magnetischen Leckflüssen im Betrieb zu reduzieren. In dieser Ausführung können sämtliche Polschuhe über Verbindungsabschnitte seitlich miteinander verbunden sein, und Durchbrüche können in sämtlichen Verbindungsabschnitten ausgebildet sein. Es ist auch möglich, nur ausgewählte Polschuhe miteinander zu verbinden, beispielsweise wie in der ersten Ausgestaltung der Erfindung, und/oder die Durchbrüche nur in ausgewählten Verbindungsabschnitten vorzusehen.
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In einer Ausgestaltung umfassen die Durchbrüche in jedem Verbindungsabschnitt ein Rundloch und zwei längliche Schlitze zu beiden Seiten des Rundloches. Die länglichen Schlitze bilden im Betrieb der elektrischen Maschine die seitliche Begrenzung des Polschuhs und damit des magnetischen Feldlinienverlaufs von dem Stator zum Rotor. Diese Ausführung ist mechanisch stabiler als die erste, oben beschriebene Ausführung der Erfindung, weil alle Polschuhe der Poleinheiten über Verbindungsabschnitte seitlich miteinander verbunden sein können. Durch eine geschickte Anordnung und Ausbildung der Durchbrüche können magnetische Leckflüsse zwischen den Statorpolen gleichwohl weitgehend verhindert werden.
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Zur zusätzlichen Stabilisierung des Blechstapels können in die Durchbrüche Fixierungsmittel eingebracht werden, wie Stäbe oder ein Gussmaterial aus einem nicht-ferromagnetischen Werkstoff.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Statoranordnung vorgesehen, bei der der Statorrückschluss und die Statorpole separat hergestellt und zur Bildung des Statorkörpers miteinander verbunden sind. Die Stapel von Poleinheiten weisen an ihren von dem Statorrückschluss abgewandten Enden Polschuhe auf, die über Verbindungsabschnitte seitlich miteinander verbunden sind, wobei die Verbindungsabschnitte durch Kunststoffstege gebildet sind, welche an den Polschuhen angebracht sind, und wobei die Verbindungsabschnitte benachbarter Polschuhe ineinander greifen, beispielsweise nach Art einer Nut- und Federverbindung. Die Kunststoffstege können an die Polschuhe angeformt sein. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass ein zusammenhängender Ring der Statorpole hergestellt werden kann, ohne dass die einzelnen Poleinheiten durch irgendein ferromagnetisch wirksames Material verbunden sind.
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In allen beschriebenen Ausgestaltungen kann auf die Statorpole jeweils eine Nutisolation aufgebracht sein, welche eine Wicklung aufnimmt und Mittel zur Festlegung der untersten Wicklungslage aufweist. Diese Mittel können beispielsweise durch eine strukturierte Oberfläche der Nutisolation gebildet werden. Die unterste Wicklungslage kann beispielsweise so fest gelegt werden, dass die einzelnen Wicklungsdrähte mit einem geringen Abstand zueinander zu liegen kommen und die Zwischenräume der Drähte der untersten Wicklungslage wiederum ein Mittel zur Festlegung der darüber zu liegen kommenden Wicklungslage bilden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Wicklungsdrähte in definierter Lage in den Statornuten zu liegen kommen und dadurch ein maximaler Füllfaktor erreicht wird.
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In allen oben beschriebenen Ausführungen kann ferner auf die Statorpole jeweils eine Nutisolation aufgebracht sein, welche eine Wicklung aufnimmt, wobei die Nutisolation einen Schlitz und eine Klaue zur Führung und Zugentlastung und einen Pin zur elektrischen Kontaktierung des Wicklungsendes aufweist. Durch diese Maßnahmen können die Enden der Wicklungsdrähte kontrolliert zu einem Anschlussrahmen geführt und mit diesem elektrisch verbunden werden.
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Soweit die dritte Ausgestaltung der Erfindung betroffen ist, ist es auch möglich, die Kunststoffstege an die Nutisolation anzuformen. Des Weiteren ist es erfindungsgemäß möglich, in der zweiten und dritten Ausführungsform eine zusätzliche Stabilisierung des Rings der Statorpole durch Kunststoffstege zwischen den Polschuhen vorzusehen.
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Erfindungsgemäß kann auch ein Anschlussrahmen (Lead Frame) für Statorwicklungen an einem Stirnende der Statoranordnung vorgesehen sein, und die Statorwicklungen können mit dem Anschlussrahmen über ein mit einem Lötmittel gefülltes Röhrchen elektrisch gekoppelt werden. Die Statorwicklung kann einen runden oder polygonalen, insbesondere rechteckigen Querschnitt haben.
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Die Erfindung sieht auch Verfahren zum Herstellen der Statoranordnungen vor, wobei das Verfahren in der ersten Ausgestaltung die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Bereitstellen des Statorrückschlusses; Anfertigen einer Anzahl von gleichen Blechschnitten zur Bildung der Poleinheiten, wobei zwei. Polschuhe benachbarter Poleinheiten über einen Verbindungsabschnitt seitlich miteinander verbunden sind; Stapeln der Blechschnitte, wobei die Blechschnitte zuvor jeweils um mindestens eine Polteilung gegeneinander verdreht werden; Zusammenfügen des Blechstapels, wobei die Poleinheiten durch die Verbindungsabschnitte in den verschiedenen Blechlagen zusammengehalten werden; und Verbinden des Blechstapels mit dem Statorrückschluss.
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In der zweiten Ausgestaltung umfasst das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte: Bereitstellen des Statorrückschlusses; Anfertigen einer Anzahl von Blechschnitten, die jeweils für eine Lage der Poleinheiten gleich sind, wobei die Polschuhe benachbarter Poleinheiten über einen Verbindungsabschnitt seitlich miteinander verbunden sind; gleichzeitiges oder nachfolgendes Ausstanzen von Durchbrüche zur Verringerung des Leckflusses in den Verbindungsabschnitten; Stapeln der Blechschnitte und Zusammenfügen des Blechstapels; und Verbinden des Blechstapels mit dem Statorrückschluss. Es ist möglich, nach dem Zusammenfügen des Blechstapels wenigstens einen der Durchbrüche mit einem nicht-ferromagnetischen Material auszugießen, um den Blechstapel zu stabilisieren.
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In der dritten Ausgestaltung umfasst das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte: Bereitstellen des Statorrückschlusses; Bereitstellen einzelner Poleinheiten; Zusammenfügen der Poleinheiten in axialer Richtung der Statoranordnung zu einem Blechstapel; Anformen von Verbindungsabschnitten aus einem nicht-ferromagnetischen Material, insbesondere Kunststoff, an die Polschuhe, um einen Statorpol mit Verbindungsabschnitten zu erhalten; Verbinden benachbarter Statorpole an ihren Polschuhen mithilfe der Verbindungsabschnitte, beispielsweise nach Art einer Nut- und Federverbindung, so dass diese einen Ring der Statorpole bilden; und Verbinden des Rings der Statorpole mit dem Statorrückschluss.
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Erfindungsgemäß werden vorzugsweise vor der Verbindung des Rings der Statorpole mit dem Statorrückschluss Wicklungen auf die Stapel der Polzähne aufgebracht, um einen guten Füllfaktor zu erhalten.
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Die Verbindung des Rings der Statorpole mit dem Statorrückschluss kann z. B. durch Verbinden der einzelnen Statorpole mit dem Statorrückschluss nach Art von Nut- und Federverbindungen oder Schwalbenschwanzverbindungen erfolgen. Dazu können entsprechende Ausnehmungen an der Innenseite des Statorrückschlusses ausgebildet werden, in welche die Enden der Poleinheiten eingreifen.
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Die Erfindung schafft eine Statoranordnung, die auf der Grundlage eines einheitlichen Blechschnitts hergestellt werden kann. Die einzelnen Statorpole werden nach dem Zusammenfügen des Blechstapels in einem einzigen Ring der Statorpole von Verbindungsabschnitten zusammen gehalten, wobei die Verbindungsabschnitte in verschiedenen Lagen des Blechstapels über dessen Umfang verteilt sind und/oder gelocht sind und/oder durch Kunststoffstege gebildet oder verstärkt sind. Der zusammenhängende Ring der Statorpole kann dann unkompliziert mit dem Statorrückschluss verbunden werden, wobei durch die einteilige Struktur des Rings der Statorpole eine präzise Einhaltung eines definierten Luftspaltes zum Rotor gewährleistet wird. Die Verbindungsabschnitte sind dabei so ausgebildet, dass im Betrieb ein magnetischer Leckfluss zwischen benachbarten Statorpolen ausgeschlossen oder minimiert wird.
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Figurenbeschreibung
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Die Erfindung ist im Folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt eine Draufsicht auf einen Blechschnitt für eine Statoranordnung gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung;
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2 zeigt eine Abwicklung eines Rings der Statorpole, der auf der Grundlage des Blechschnitts der 1 hergestellt ist;
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3 zeigt einen Querschnitt durch einen Ring der Statorpole, der auf der Grundlage des Blechschnitts der 1 hergestellt ist, wobei auf die einzelnen Stapel der Poleinheiten Wicklungen aufgebracht sind;
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4 zeigt einen Querschnitt durch eine Statoranordnung gemäß der ersten Ausführung der Erfindung;
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5 und 6 zeigen Abwandlungen des Rings der Statorpole bzw. der Statoranordnung der 3 und 4, wobei die Verbindung zwischen den Stapeln der Poleinheiten und dem Statorrückschluss nach Art einer Schwalbenschwanzverbindung gestaltet ist;
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7 zeigt eine Draufsicht auf einen Blechschnitt für eine Statoranordnung gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung;
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8 zeigt eine vergrößerte Detaildarstellung des Blechschnitts der 7;
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9 zeigt einen Querschnitt durch einen Ring der Statorpole, der auf der Grundlage des Blechschnitts der 7 hergestellt ist, wobei auf die einzelnen Stapel der Poleinheiten Wicklungen aufgebracht sind;
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10 zeigt einen Querschnitt durch eine Statoranordnung gemäß dieser weiteren Ausführungsform;
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11 zeigt einen Querschnitt durch einen Stapel von Poleinheiten einer Statoranordnung gemäß einer dritten Ausführung, wobei auf den Stapel von Poleinheiten eine Wicklung aufgebracht ist;
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12 zeigt einen Querschnitt durch einen Ring der Statorpole, der aus den in der 11 dargestellten Stapeln von Poleinheiten aufgebaut ist, wobei auf jeden Stapel von Poleinheiten eine Wicklung aufgebracht ist;
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13 zeigt einen Querschnitt durch eine Statoranordnung mit einem Ring der Statorpole gemäß 12 und einem Statorrückschluss;
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14 zeigt einen Querschnitt durch eine Abwandlung des Stapels von Poleinheiten der 11;
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15 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer Statoranordnung, welche die Stapel von Poleinheiten der 14 aufweist;
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16 zeigt eine schematische Darstellung einer Nutisolation zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Statoranordnung;
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17 zeigt eine Teilschnittdarstellung durch eine elektrische Maschine, in der die erfindungsgemäße Statoranordnung eingesetzt ist;
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18 zeigt eine Draufsicht auf eine Leiterplatte mit Anschlussbahnen zur Verbindung mit den Wicklungen der erfindungsgemäßen Statoranordnung;
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19 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Nutisolation, die in der erfindungsgemäßen Statoranordnung zum Einsatz kommen kann;
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20 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine alternative Nutisolation, die in der erfindungsgemäßen Statoranordnung zum Einsatz kommen kann; und
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21 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine elektrische Maschine gemäß dem Stand der Technik, in welcher die erfindungsgemäße Statoranordnung zum Einsatz kommen kann.
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1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Blechschnitt zur Herstellung einer Statoranordnung gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung. Der Blechschnitt 10 dient zur Bildung eines Rings aus Poleinheiten 12, die jeweils einen Polzahn 14 und einen Polschuh 16 aufweisen. Die Poleinheiten 12 sind in dem Blechschnitt genau so angeordnet wie in der herzustellenden Statoranordnung. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind neun Poleinheiten vorgesehen, um einen neunpoligen Stator zu bilden. Genau zwei benachbarte Poleinheiten 12' und 12'' sind über einen Verbindungsabschnitt 18 seitlich miteinander verbunden. In anderen Ausgestaltungen könnten auch mehr als nur die zwei Poleinheiten 12', 12'' verbunden sein, um den Zusammenhalt und die Stabilität des Rings der Statorpole zu verbessern. Die Anzahl der verbundenen Poleinheitenpaare sollte jedoch klein im Verhältnis zur Gesamtanzahl der Poleinheiten sein. In der bevorzugten Ausführung der Erfindung sind nicht mehr als drei Verbindungsabschnitte 18 pro Blechlage vorgesehen.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind alle Blechlagen zur Ausbildung des Rings Statorpole gleich, so dass nur ein Stanzwerkzeug benötigt wird.
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Zur Herstellung des Rings der Statorpole werden die einzelnen Blechlagen oder Blechschnitte 10 übereinander gestapelt, wobei jede Blechlage um eine vorgegebene Anzahl von Polteilungen, beispielsweise um eine Polteilung, relativ zu der vorhergehenden gedreht wird. Die einzelnen Blechlagen des Blechschnitts 10 kommen dann so übereinander zu liegen, dass bei N Poleinheiten in einem Blechstapel von N Blechlagen die Polschuhe in einer Richtung senkrecht zu 1 über jeweils einen Verbindungsabschnitt in einer Lage miteinander verbunden sind und so ein zusammenhängender Ring der Statorpole gebildet ist. Dies gilt unter der Annahme, dass jeder Blechschnitt genau einen Verbindungsabschnitt aufweist und dass die einzelnen Blechschnitte um jeweils eine Polteilung gegeneinander verdreht werden. Abhängig von der Anzahl der Verbindungsabschnitte pro Blechschnitt und des Drehwinkels kann ein zusammenhängender Ring der Statorpole auch mit weniger Blechlagen gebildet werden. Durch das Verwenden von mehr Blechlagen kann in einer Richtung senkrecht zu 1 das Verbinden nebeneinanderliegender benachbarter Statorpole durch mehr als einen Verbindungsabschnitt erreicht werden. Das Drehen der einzelnen Blechlagen des Rings der Statorpole hat den zusätzlichen Effekt, dass dadurch die Ausbildung von Wirbelströmen in dem Statorkörper während des Betriebs der elektrischen Maschine unterdrückt oder jedenfalls reduziert werden kann, wobei dies ein an sich bekanntes Phänomen ist. Die Verbindung der Poleinheiten in einzelnen Blechlagen in axialer Richtung der Statoranordnung zu einem Blechstapel kann in bekannter Weise zum Beispiel durch Stanzpaketieren oder Verkleben erfolgen. Beim Stanzpaketieren dienen die Ausformungen 32 als Verbindungen zur nächsten Lage.
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2 zeigt eine Abwicklung 20 eines Rings der Statorpole zur Bildung eines Stators mit neun Statorpolen, wobei der Ring der Statorpole auf der Grundlage des Blechschnitts der 1 hergestellt ist. Die einzelnen Blechlagen sind jeweils um eine Polteilung gegeneinander verdreht. In 2 ist zu erkennen, dass die Verbindungsabschnitte 18 sich von Blechlage zu Blechlage um jeweils eine Polteilung in axialer Richtung (in der Figur vertikal) verschieben, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel siebenundzwanzig (27) Blechlagen zu einem Ring der Statorpole zusammengefügt werden, so dass jeweils benachbarte Statorpole, mittels der Poleinheitenpaare 12', 12'', durch drei Verbindungsabschnitte 18 verbunden sind. Dadurch wird ein zusammenhängender Ring der Statorpole gebildet, wobei das Volumen des Materials, welches die einzelnen Polschuhe verbindet, minimal ist, so dass im Betrieb auch die Ausbildung von magnetischen Leckflüssen zwischen den Statorpolen minimiert werden kann.
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3 zeigt einen Querschnitt durch einen Ring der Statorpole 22, der auf der Grundlage des Blechschnitts der 1 hergestellt ist und dessen Abwicklung der 2 entspricht. Wie in 3 dargestellt, können auf den zusammenhängenden Ring der Statorpole 22 von außen Wicklungen 24 aufgebracht werden, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel bewickelte Spulenträger 26 einfach an den Polzähnen 14 auf jeden Statorpol, der aus einem Stapel von Poleinheiten 12, 12', 12'' gebildet ist, aufgeschoben werden. Die Spulenträger 26 dienen gleichzeitig als Nutisolation.
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Anschließend muss nur noch der bewickelte Ring der Statorpole 22 in einen Statorrückschluss 28 eingefügt werden, wie in 4 gezeigt, und die erfindungsgemäße Statoranordnung ist fertiggestellt. Hierzu können am Innenumfang des Statorrückschlusses 18 Ausnehmungen ausgebildet werden, in welche die Polzähne 14 der Poleinheiten 12 eingreifen. Der Ring der Statorpole 22 kann beispielsweise in axialer Richtung in die Ausnehmungen des Statorrückschlusses 28 eingeschoben werden.
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Da der Ring der Statorpole 22 bereits durch die Verbindungsabschnitte 18 zusammengehalten ist, kann er unkompliziert in den Statorrückschluss 28 eingefügt werden, um die fertige Statoranordnung zu bilden, wobei ein definierter Luftspalt zum Rotor (s. 21) eingehalten wird. Das Einbringen der Statorwicklungen auf die Polzähne ist unkompliziert durch direktes Bewickeln der Polzähne 14 von außen oder durch Aufschieben bereits bewickelter Statorspulen möglich. Der Füllgrad der Statornuten kann so leicht optimiert und präzise kontrolliert werden.
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Da die einzelnen Statorpole nur in wenigen Blechlagen durch die Verbindungsabschnitte 18 magnetisch gekoppelt sind, ist das Volumen des die Polschuhe verbindenden Materials minimiert, so dass im Betrieb kein oder nahezu kein magnetischer Leckfluss zwischen den einzelnen Statorpolen auftritt.
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Die 5 und 6 zeigen einen Querschnitt durch eine alternative Ausgestaltung für die Verbindung des Rings der Statorpole 22 mit dem Statorrückschluss 28. Die Ausgestaltung der 5 und 6 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausgestaltung darin, dass die Stapel der Poleinheiten 12 in dem Statorrückschluss 28 zusätzlich durch eine Verkeilung nach Art einer Schwalbenschwanzverbindung 30 gesichert sind. Alternativ oder zusätzlich können die Poleinheiten 12 und der Statorrückschluss 28 auch verklebt und/oder im Presssitz zusammengefügt werden. Hohlräume in den Polzähnen 14' zur Befestigung an dem Statorrückschluss 28 können vorgesehen sein.
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Eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Statoranordnung ist in den 7 bis 10 dargestellt. 7 zeigt eine Draufsicht auf einen Blechschnitt zur Ausbildung des Rings der Statorpole 22 der Statoranordnung. Wie in der vorhergehenden Ausführung umfasst der Ring der Statorpole 22 eine Reihe von Poleinheiten 12, die jeweils einen Polzahn 14 und einen Polschuh 16 haben. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist ein Ring der Statorpole 22 mit neun Poleinheiten zur Ausbildung eines neunpoligen Stators dargestellt, wobei die Erfindung selbstverständlich hierauf nicht beschränkt ist.
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Anders als in der ersten Ausführung können bei dieser Ausgestaltung alle Poleinheiten 12 an ihren Polschuhen 16 seitlich über Verbindungsabschnitte 34 verbunden sein. Abweichend von der Darstellung der 7 ist es aber auch möglich, nur einen Teil der Poleinheiten 12 über die Verbindungsabschnitte 34 zu koppeln. Die Erfindung sieht auch vor, die zuerst beschriebene Ausgestaltung und die im Folgenden beschriebene zweite Ausgestaltung zu kombinieren.
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Bei den in 7 bis 10 gezeigten Ausführungen weisen die Verbindungsabschnitte 34 zwischen den Polschuhen 16 der Poleinheiten 12 einen Durchbruch oder mehrere Durchbrüche 36 auf. Diese sind in der vergrößerten Darstellung der 8 gut zu erkennen.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist jeder Verbindungsabschnitt 34 ein zentrales kreisrundes Loch sowie zwei längliche Schlitze auf, die den Zweck haben, im Betrieb die Ausbildung von magnetischen Leckflüssen zwischen zwei benachbarten Polschuhen weitgehend zu unterdrücken oder jedenfalls zu reduzieren. Die länglichen Schlitze bilden im Betrieb der elektrischen Maschine die seitliche Begrenzung des Polschuhs und damit des magnetischen Feldlinienverlaufs von dem Stator zum Rotor.
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9 zeigt einen Querschnitt durch einen Ring der Statorpole 22, der auf der Grundlage des Blechschnitts der 7 hergestellt ist, nachdem Wicklungen aufgebracht wurden. Diese können, wie in der ersten Ausführung, direkt auf die Stapel der Poleinheiten 12 gewickelt oder über Spulenträger auf die Polzähne aufgebracht werden. Der bewickelte Ring der Statorpole 22 ist in 10 mit einem Statorrückschluss 28 verbunden. Hinsichtlich der Bewicklung des Rings der Statorpole 22 und der Verbindung mit dem Statorrückschluss 28 wird auf die obige Beschreibung der 1 bis 6 Bezug genommen. Sämtliche dort beschriebene Ausgestaltungen können auch in der zweiten Ausführung der Erfindung zum Einsatz kommen.
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Es ist zu erwarten, dass die oben beschriebene zweite Ausgestaltung der Erfindung insgesamt einen stabileren Ring der Statorpole 22 schafft, weil sämtliche Poleinheiten in allen Blechlagen über die Verbindungsabschnitte 34 miteinander verbunden sind. Die Verbindungsabschnitte sind durch die Durchbrüche 36 so modifiziert, dass ein magnetischer Leckfluss zwischen benachbarten Polschuhen minimiert wird. Das verbleibende Material der Verbindungsabschnitte 34 wird im Betrieb schnell in die magnetische Sättigung gehen, so dass dann kein weiterer magnetischer Leckfluss mehr auftritt.
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Um die Stabilität der in 10 gezeigten Statoranordnung weiter zu erhöhen, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, eine einzige oder alle Durchbrüche 36 mit einem Kunststoffmaterial oder einem anderen nicht-ferromagnetischen Material, wie Aluminium, auszugießen oder einen oder mehrere nicht-magnetische Stäbe durch die Durchbrüche 36 zu führen. Die Steifigkeit der so erzeugten Statoranordnung wird mindestens so hoch sein wie die einer entsprechenden Anordnung ohne Durchbrüche.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in den 11 bis 15 dargestellt. In dieser Ausgestaltung werden zunächst einzelne Poleinheiten 12 hergestellt, wobei hierzu beispielsweise ein ähnlicher Blechschnitt wie der in 1 gezeigte, jedoch ohne den Verbindungsabschnitt 18, verwendet werden kann. Die Poleinheiten werden vorzugsweise als Blechstapel zusammengefügt oder in einem Presswerkzeug stanzpaketiert, wobei die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Anschließend werden an die Polschuhe 16' der Stapel von Poleinheiten 12 seitlich Verbindungsabschnitte aus Kunststoff angebracht. Die Verbindungsabschnitte 38 können an die Stapel von Poleinheiten 12 angeformt, angeklebt oder aufgesteckt werden. Sie können einteilig mit einem Spulenträger 26 ausgebildet sein. Es ist auch möglich, den Spulenträger 26 zusammen mit den Verbindungsabschnitten 38 auszubilden und mit einer Wicklung 24 zu versehen, bevor Spulenträger 26 und Verbindungsabschnitt 38 auf den Stapel von Poleinheiten 12 aufgebracht werden.
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Anschließend werden die einzelnen Stapel von Poleinheiten 12 über ihre Verbindungsabschnitte 38 zu einem Ring der Statorpole 22 verbunden. Hierzu können die Verbindungsabschnitte 38 verklebt und/oder formschlüssig verbunden werden, z. B. indem sie miteinander verrastet werden. Alternativ ist es auch möglich, die Poleinheiten 12 relativ zueinander in einem Werkzeug zu positionieren und die Polschuhe 16' beispielsweise mit einer Kunststoffmasse zu vergießen, so dass einteilige Verbindungsabschnitte 38 zwischen den Polschuhen gebildet werden.
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Durch die Verbindungsabschnitte 38 wird die Steifigkeit und Positionsgenauigkeit des Rings der Statorpole 22 verbessert. Zusätzlich können sie zu einer Geräuschreduzierung im Betrieb der elektrischen Maschine beitragen.
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Der so gebildete Ring der Statorpole 22 wird mit dem Statorrückschluss 28 verbunden, wie oben in Bezug auf die erste und die zweite Ausführung beschrieben. Alle oben beschriebenen Verbindungsvarianten können auch bei dieser dritten Ausführungsform einzeln oder in Kombination genutzt werden.
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Die 14 und 15 zeigen einen Spezialfall der dritten Ausführung, bei der die Verbindungsabschnitte 38 mit einem Vorsprung 40 auf einer Seite des Polschuhs 16' und einer Ausnehmung 42 auf der gegenüberliegenden Seite des Polschuhs ausgebildet sind. Vorsprung 40 und Ausnehmung 42 können nach Art einer Nut- und Federverbindung zusammenwirken, um den Ring der Statorpole 22 zusätzlich zu stabilisieren, wie in 15 angedeutet ist.
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Auch in der ersten und der zweiten Ausgestaltung der Erfindung, die mit Bezug auf die 1 bis 10 beschrieben wurden, können zusätzlich zu den Verbindungsabschnitten 18 bzw. den Verbindungsabschnitten 34 Kunststoffstege zwischen benachbarte Polschuhen 16 vorgesehen sein, um den Ring der Statorpole 22 zusätzlich zu stabilisieren. Diese können, müssen jedoch nicht, an einen Spulenträger 26 angeformt sein.
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Ein Beispiel eines Spulenträgers 26 (ohne Verbindungsabschnitt) ist in 16 dargestellt. Der Spulenträger 26 dient dazu, die Wicklung 24 (in 16 nicht gezeigt) aufzunehmen und eine Nutisolation für den Stator zu bilden. In der Ausführung der 16 weist der Spulenträger 26 auf jeder Seite einen Schlitz 44 und eine Klaue 46 sowie einen Stift 48 auf. Schlitz 44 und Klaue 46 dienen dazu, die Wicklungsenden kontrolliert aus dem Spulenträger 46 herauszuführen, um sie an dem Stift 48 anzuschließen. Durch Umwickeln der Klaue 46 mit dem Drahtende kann der mechanische Zug am Ende der Wicklung und zwischen. Draht und Stift 48 vermieden werden. Über den Stift 48 können die Wicklungen mit einer Schaltungsplatte, einem Anschlussrahmen (Lead Frame) oder dergleichen verbunden werden.
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17 zeigt einen Schnitt durch einen Teil einer elektrischen Maschine, in der die erfindungsgemäße Statoranordnung eingesetzt wird. Auf einen Stapel von Poleinheiten 12 ist ein Spulenträger 26 mit einer Wicklung 24 aufgebracht. Die Wicklung ist aus dem Spulenträger 26 über den Schlitz 44 und die Klaue 46 herausgeführt, um die Klaue 46 gewickelt und an dem Stift 48 aufgebracht. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden der Anschluss der Wicklung 24 und der Stift 48 in ein Kupferrohr 50 eingeführt und darin durch ein Lötmittel 52 elektrisch kontaktiert und fixiert. Über das Kupferrohr 50 kann die Statorwicklung mit einem Anschlussrahmen (Lead Frame) 54 zur Realisierung des Wickelschemas (s. 18) sowie mit einer Platine 56, die z. B. Leistungstransistoren und weitere Elektronikbauteile 58 zur Ansteuerung der Maschine trägt, verbunden werden. Die Platine 56 kann eine gedruckte Schaltungsplatte mit der notwendigen Ansteuerelektronik 58 sein, sofern die Elektronik, beispielsweise bei Kleinmotoren, in das Gehäuse des Motors integriert werden soll. Zur Realisierung des Wickelschemas können neben dem Anschlussrahmen 54 auch Drähte 60 oder andere an sich bekannte Mittel dienen. Der Anschlussrahmen 54 und die Platine 56 für die Ansteuerelektronik können auch zu einem Bauteil zusammengefasst werden. Die Ansteuerelektronik kann Gleichrichter, Sensoren und dergleichen umfassen.
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In dem Ausführungsbeispiel der 18 ist ein Anschlussrahmen 54 für einen dreiphasigen Gleichstrommotor mit sechs Nuten und einer Sternschaltung (Y) dargestellt. Es ist auch möglich, diese Schaltung in einer mehrschichtigen Platine mit der Platine für die Steuerelektronik zu integrieren. Selbstverständlich kann anstelle der Sternschaltung auch eine Dreiecksschaltung sowie eine Reihen- oder Parallelschaltung der Wicklungen vorgesehen sein. Die Verschaltung und Ansteuerung der Wicklungen kann auch außerhalb der Maschine erfolgen.
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Die 19 und 20 zeigen schließlich zwei alternative Ausgestaltungen von Spulenträgern 62 und 64 mit alternativen Anordnungen von Wicklungsdrähten 66 und 68. Jeder der Spulenträger 62, 64 und jede Konfiguration der Wicklungsdrähte 66, 68 kann in jeder der zuvor beschriebenen Ausführungen der Statoranordnung eingesetzt werden. Die 19 und 20 zeigen jeweils einen bewickelten. Spulenträger, der auf einen Stapel von Poleinheiten 12 aufgebracht ist.
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In der Ausgestaltung der 19 bildet der Boden 70 des Spulenträgers 62 ein Mittel zum präzisen Positionieren der untersten Lage des Wicklungsdrahtes 66, indem dieser Boden mit einer Reihe von Rillen 72 ausgebildet ist. Die Rillen 72 sind so dimensioniert und angeordnet, dass die Wicklungsdrähte 66 in der untersten Lage, auf dem Boden 70 des Spulenträgers 62, mit einem geringen definierten Abstand zu liegen kommen, so dass diese unterste Lage 74 ihrerseits die Lage der darüber liegenden Wicklungslage 76 positioniert und fixiert, usw. Da die Wicklungsdrähte 66 mit einer gewissen Spannung auf den Spulenträger 62 aufgewickelt werden, erzeugt diese Spannung die erforderliche Reibkraft, um eine Verschiebung der Drähte relativ zueinander zu verhindern. Der Übergang von einer in die nächste Lage erfolgt jeweils an einem Ende einer Wicklungslage. Durch diese Anordnung kann ein maximaler und konstanter Füllfaktor der Statornuten erzielt werden. Dies ist zur Gewährleistung einer konstanten hohen Leistung der elektrischen Maschine günstig.
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Eine alternative Ausgestaltung ist in 20 dargestellt. In dieser Ausführung hat der Wicklungsdraht 68 einen rechteckigen Querschnitt, so dass die unterste Wicklungslage 74' am Boden 70' und die weiteren Wicklungslagen 76' wiederum präzise positioniert werden können. Auch hier wird der Wicklungsdraht mit einer gewissen Spannung auf den Spulenträger 64 aufgebracht, wobei diese Spannung die erforderliche Reibkraft erzeugt, die ein Verschieben der Drähte verhindert. Jeweils am Ende einer Lage geht der Draht in die nächste Lage über. Auch mit dieser Anordnung kann ein maximaler und konstanter Füllfaktor der Statornuten erzielt und so eine konstante hohe Leistung der elektrischen Maschine gewährleistet werden.
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Da die Statoranordnung zweiteilig hergestellt ist, mit einem Ring der Statorpole und einem Statorrückschluss, können die Wicklungen, beispielsweise wie in den 19 und 20 gezeigt, einfach von außen auf die Stapel von Poleinheiten aufgeschoben werden, bevor der Ring der Statorpole mit dem Statorrückschluss verbunden wird. Das Aufbringen der Wicklungen auf die Stapel von Poleinheiten ist jedenfalls deutlich einfacher als bei herkömmlichen Statoranordnungen mit Innenläuferkonfiguration. Trotz einfacherer Wickeltechnik kann ein höherer Füllgrad erreicht werden. Auch der Zusammenbau der Statoranordnung ist aufgrund des zusammenhängenden Rings der Statorpole einfacher, als wenn einzelne Stapel von Poleinheiten vorgesehen würden; zugleich ist die Lagegenauigkeit der Statorpole verbessert, so dass ein präziser, definierter Luftspalt zum Rotor eingehalten werden kann. Gleichwohl ist durch die Erfindung sicher gestellt, dass im Betrieb zwischen benachbarten Polschuhen kein oder kein nennenswerter Leckfluss auftritt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Blechschnitt
- 12, 12', 12''
- Poleinheit
- 14, 14'
- Polzahn
- 16, 16'
- Polschuh
- 18
- Verbindungsabschnitt
- 20
- Abwicklung
- 22
- Ring der Statorpole
- 24
- Wicklung
- 26
- Spulenträger
- 28
- Statorrückschluss
- 30
- Schwalbenschwanzverbindung
- 32
- Ausformung
- 34
- Verbindungsabschnitt
- 36
- Durchbruch
- 38
- Verbindungsabschnitt
- 40
- Vorsprung
- 42
- Ausnehmung
- 44
- Schlitz
- 46
- Klaue
- 48
- Stift
- 50
- Kupferrohr
- 52
- Lötmittel
- 54
- Anschlussrahmen (Lead Frame)
- 56
- Platine
- 58
- Ansteuerelektronik
- 60
- Draht
- 62, 64
- Spulenträger
- 66, 68
- Wicklungsdraht
- 70, 70'
- Boden
- 72
- Rillen
- 74, 74'
- Wicklungslage
- 76, 76'
- Wicklungslage
- 122
- Gehäuse
- 124
- Rotoranordnung
- 126
- Statoranordnung
- 128
- Lager
- 130
- Lager
- 132
- Metallblechstapel
- 134
- Wicklung
- 136
- Welle
- 138
- Rückschluss
- 140
- Permanentmagnet
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6359355 B1 [0007]
- WO 02/47238 A1 [0007]
- US 5786651 A [0007]
- DE 19842948 A1 [0007]
- US 5570503 [0007]
- US 6225725 B1 [0007]
- US 6781278 B2 [0007]
- EP 0915553 B1 [0007]
- US 6049153 A [0007]
- US 5796195 A [0007]
- EP 1014536 A2 [0007]
- WO 02/47240 A1 [0007]
- DE 10242404 A1 [0008]
- DE 19652795 A1 [0008]
- DE 3907516 A1 [0008]
- US 6304019 B1 [0008]
- US 6844653 B2 [0008]
- US 6935011 B2 [0008]
- WO 2009/006951 A1 [0008]
