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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft rotatorische elektrische Maschinen mit in axialer Richtung ausgerichteten Statorzähnen einer Statoreinheit, insbesondere elektrische Maschinen mit einem Scheibenläufer. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Anordnen einer Statorwicklung an einer Statoreinheit einer elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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Für Scheibenläufer vorgesehene Statoreinheiten von elektrischen Maschinen, insbesondere Axialflussmaschinen, weisen Wicklungen auf, die zwischen Statorzähnen eines ringförmig angeordneten Statorkörpers verlaufen. Die Wicklungen werden üblicherweise durch Einziehen des Wicklungsdrahts mithilfe eines Einzugsverfahrens, durch Bewickeln der Statorzähne oder durch Stecken von Wicklungsabschnitten mithilfe eines Steckverfahrens ausgebildet.
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Mithilfe eines Steckverfahrens hergestellte Wicklungen werden in der Regel durch offene Formspulen gebildet, die zur Bildung einer Wicklung vor dem Einsetzen in den Statorkörper verschränkt und an ihren Enden in geeigneter Weise elektrisch miteinander verbunden werden müssen. Die offenen Formspulen, aus denen die Wicklungen mit der Stecktechnik hergestellt werden, weisen üblicherweise eine U-Form auf und werden nach dem Verschränken mit einem geeigneten Werkzeug an ihren Spulenenden durch ein geeignetes Fügeverfahren dauerhaft miteinander verbunden.
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Bei einer Einzelzahnwicklung können die Statorzähne direkt mit dem Wicklungsdraht bewickelt werden oder es werden bewickelte Spulenträger auf die Statorzähne aufgesetzt.
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Aus der Druckschrift
US 2013/0307366 A1 ist ein Stator für eine Axialflussmaschine bekannt, dessen Statoreinheit mit einer mäanderförmigen Wicklung versehen ist. Die flache mäanderförmige Wicklung weist Schlaufen auf, die sich in einer Ebene im Wesentlichen quer zur axialen Richtung erstrecken.
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Die Druckschrift
WO 2008/071147 offenbart eine Axialflussmaschine mit einer Statoreinheit. Die Statorzähne ragen in axialer Richtung von der Statoreinheit in Richtung eines Scheibenläufers. Die Statorzähne sind mit vorgewickelten Spulenelementen versehen, die jeweils über einen Ringleiter seriell miteinander verbunden sind.
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Aus der Druckschrift
WO 2010/034082 sind vorgewickelte Spulenelemente auf Spulenträgern bekannt, die auf die in axialer Richtung abstehenden Statorzähne einer Statoreinheit für eine Axialflussmaschine aufgesetzt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vereinfachte Möglichkeit zum Aufbringen einer Statorwicklung auf eine Statoreinheit einer Axialflussmaschine bereitzustellen. Insbesondere sollen die Anzahl der Kontaktierungen von offenen Spulenenden reduziert sein und die Wickelköpfe möglichst platzsparend ausgebildet werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch ein Wicklungselement zur Herstellung einer Statoreinheit einer Axialflussmaschine nach Anspruch 1 sowie durch eine Statoreinheit für eine Axialflussmaschine und ein Verfahren zum Ausbilden einer Statoreinheit für eine Axialflussmaschine gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Wicklungselement zur Herstellung einer Statoreinheit für eine elektrische Maschine, insbesondere eine Axialflussmaschine, vorgesehen, wobei das Wicklungselement aus einem Leiterstrang ausgebildet ist und umfasst:
- – mehrere Schlaufenabschnitte zum Aufsetzen auf Statorzähne eines Statorkörpers; und
- – einen oder mehrere Verbindungsabschnitte, die zwischen den Schlaufenabschnitten vorgesehen sind, um die Schlaufenabschnitte gleichmäßig voneinander zu beabstanden, wobei mindestens einer der Verbindungsabschnitte mit einer Stufung in Anordnungsrichtung der mehreren Schlaufenabschnitte und quer zur Erstreckung der Schlaufenabschnitte versehen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Statoreinheit für eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- – ein ringförmiges Statorjoch;
- – Statorzähne, die von dem Statorjoch in axialer Richtung abstehen und gleichmäßig voneinander beabstandet sind, so dass zwischen jeweils zwei Statorzähnen eine Nut ausgebildet ist; und
- – die obigen Wicklungselemente, die gestaffelt so an den Statorzähnen angeordnet sind, dass die Schlaufenabschnitte jeweils einen Statorzahn umgeben und die Stufungen in axialer Richtung übereinander liegen.
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Eine Idee des obigen, insbesondere einstückig ausgebildeten Wicklungselements ist es, einen Leiterstrang vorzusehen, der mehrere Schlaufenabschnitte aufweist, die beim Aufsetzen des Wicklungselements auf Statorzähne eines Statorkörpers einander nicht unmittelbar benachbarte Statorzähnen in mehreren Wicklungsebenen umgeben. Die Schlaufenabschnitte sind weiterhin über einen oder mehrere Verbindungsabschnitte verbunden, die jeweils eine Stufung aufweisen. Dies ermöglicht es, das jeweilige Wicklungselement versetzt zu einem oder mehreren weiteren gleichartigen Wicklungselementen auf Statorzähne des Statorkörpers aufzusetzen, so dass die Schlaufenabschnitte jedes der Wicklungselemente in mehreren Wicklungsebenen liegen. Die mehreren Wicklungsebenen werden durch die Abschnitte der Wicklungselemente gebildet, die zwischen dem Ende des Wicklungselementes und einer Stufung bzw. zwischen zwei Stufungen des Wicklungselements ausgebildet sind. Die Längen der Verbindungsabschnitte können gleich sein, so dass diese jeweils auf einen entsprechenden axial dazu versetzten Abschnitt eines weiteren Wicklungselements aufgesetzt werden können. Auf diese Weise lässt sich eine Statoreinheit mit mehreren Wicklungselementen ausbilden, indem diese kaskadiert angeordnet werden. Die Endabschnitte der Wicklungselemente können dann in geeigneter Weise miteinander verbunden werden.
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Auf diese Weise kann eine Statoreinheit für eine Axialflussmaschine bereitgestellt werden, bei der die Leiterstränge der Wicklung sich im Bereich des Wicklungsverlaufs im Wesentlichen nicht kreuzen, da die Wicklungselemente durch Staffelung an den Statorzähnen der Statoreinheit angeordnet sind. Durch das Vermeiden von Kreuzungen der Leiterstränge in der Statoreinheit kann die Wickelkopfhöhe deutlich verringert werden. Weiterhin kann durch das Vorsehen von mehreren Schlaufenabschnitten pro Wicklungselement die Anzahl der Verbindungsstellen zwischen den Kontaktierungsabschnitten von Wicklungselementen verringert werden, und es kann erreicht werden, dass pro Nut des Statorkörpers jeweils nur eine Verbindungsstelle zwischen den Kontaktierungsabschnitten zweier Wicklungselemente vorgesehen ist.
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Weiterhin ermöglicht die Ausgestaltung der Schlaufenabschnitte der Wicklungselemente eine Anpassung an nahezu jeden beliebigen Querschnitt der Statorzähne, so dass mit den Wicklungselementen eine Statoreinheit in flexibler Weise mit einer Wicklung versehen werden kann.
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Weiterhin kann jeder der Verbindungsabschnitte zwischen den Schlaufenabschnitten mit einer Stufung versehen sein.
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Gemäß einer Ausführungsform können die eine oder die mehreren Stufungen eine Stufungshöhe aufweisen, die mindestens der Breite des Leiterstrangs in Richtung der Stufung entspricht und insbesondere etwa der Breite des Leiterstrangs in Richtung der Stufung entspricht.
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Weiterhin kann der Leiterstrang an dessen Enden mit einem ersten Endabschnitt bzw. einem zweiten Endabschnitt versehen sein, die jeweils in einer Richtung von dem Wicklungselement abstehen, die entgegengesetzt zur Erstreckung der mehreren Schlaufenabschnitte und/oder quer zur Wicklungsebene des jeweiligen Wicklungselements verläuft.
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Insbesondere kann der erste Endabschnitt einen Zuführungsabschnitt aufweisen, der sich entgegengesetzt zur Richtung der Stufung erstreckt.
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Es kann vorgesehen sein, dass sich der erste und/oder zweite Endabschnitt unmittelbar an einen Schlaufenabschnitt anschließen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann sich das Wicklungselement kreissegmentförmig erstrecken.
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Weiterhin können bei der obigen Statoreinheit die Verbindungsabschnitte an einem radial äußeren Umfang der Anordnung der Statorzähne entlang angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform können zwei übereinanderliegende Wicklungselemente zueinander um einen oder mehrere Statorzähne versetzt angeordnet sein, wobei insbesondere die Schlaufenabschnitte und die Wicklungsabschnitte vollständig mit Abschnitten von Leitersträngen von Wicklungselementen gefüllte Wicklungsebenen ausbilden.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Leiterstränge der Wicklungselemente jeweils an deren Enden mit einem ersten Endabschnitt bzw. einem zweiten Endabschnitt versehen sein, die jeweils radial nach außen hervorstehen und elektrisch an einem jeweiligen Kontaktabschnitt kontaktierbar sind.
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Weiterhin kann der erste Endabschnitt eines der Wicklungselemente mit einem Zuführungsabschnitt versehen sein, um den entsprechenden Kontaktabschnitt einem Kontaktabschnitt des zweiten Endabschnitts eines weiteren der Wicklungselemente zuzuführen, wobei der erste Endabschnitt und der zweite Endabschnitt der beiden Wicklungselemente miteinander, insbesondere durch ein stoffschlüssiges Verfahren, verbunden sind.
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An den Verbindungsabschnitten kann eine Kühleinrichtung anliegen, die von den ersten und zweiten Endabschnitten umgeben wird, so dass eine Wärmeentwicklung in der Statoreinheit über die Verbindungsabschnitte und die Endabschnitte ableitbar ist.
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Insbesondere kann die Kühleinrichtung konzentrisch zu der Statoreinheit ausgebildet sein und einen umlaufenden Kühlmittelkanal aufweisen, um ein Kühlmittel zu führen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Ausbilden einer Statoreinheit mit den obigen Wicklungselementen vorgesehen, wobei die Wicklungselemente auf einen Statorkörper aufgesetzt werden, der ein ringförmiges Statorjoch und Statorzähne umfasst, die von dem Statorjoch in axialer Richtung abstehen und gleichmäßig voneinander beabstandet sind, so dass zwischen jeweils zwei Statorzähnen eine Nut ausgebildet ist, wobei die Wicklungselemente gestaffelt so an den Statorzähnen angeordnet werden, dass die Schlaufenabschnitte jeweils einen Statorzahn umgeben und die Stufungen von mehreren der Wicklungselemente in axialer Richtung übereinander liegen.
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Weiterhin können zwei übereinanderliegende Wicklungselemente zueinander um einen oder mehrere Statorzähne versetzt angeordnet werden, so dass insbesondere die Schlaufenabschnitte und die Wicklungsabschnitte vollständig mit Abschnitten von Leitersträngen von Wicklungselementen gefüllte Wicklungsebenen ausbilden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1a und 1b eine perspektivische Darstellung und eine Draufsichtdarstellung eines Wicklungselements für das Vorsehen von Windungen für vier Statorzähne;
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2a und 2b eine Draufsicht auf eine Statoreinheit mit eingelegten Wicklungselementen sowie eine entsprechende Querschnittsdarstellung;
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3 eine Seitenansicht einer Statoreinheit, bei der die Statorwicklung durch Wicklungselemente der 1a und 1b vorgesehen ist; und
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4a und 4b eine Draufsicht auf eine Statoreinheit und eine Schnittansicht durch die Statoreinheit, die mit einer Statorwicklung aus Wicklungselementen versehen ist, wobei die Statorwicklung durch eine Kühleinrichtung gekühlt wird.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Die 1a und 1b zeigen eine perspektivische Darstellung eines Wicklungselements 1 bzw. eine Draufsicht auf ein beispielhaftes Wicklungselement 1 zum Ausbilden einer Wicklung für eine Statoreinheit einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Axialflussmaschine. Das Wicklungselement 1 besteht im Wesentlichen aus einem Leiterstrang mit einem oder mehreren parallelen Leitern. In der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform umfasst das Wicklungselement 1 einen Leiterstrang mit einem einzelnen Leiter.
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Der bzw. die Leiter des Leiterstrangs sind aus einem elektrisch gut leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, gebildet und mit einem Isolationslack oder einer sonstigen Isolationsschicht überzogen.
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In den 2a und 2b sind eine Draufsicht in axialer Richtung auf einen Ausschnitt einer Statoreinheit 2 für die elektrische Maschine sowie eine Querschnittsansicht auf einen Ausschnitt der Statoreinheit 2 gezeigt, die ein ringförmiges Statorjoch 21 und davon in axialer Richtung abstehende Statorzähne 22 aufweist. Zwischen den Statorzähnen 22 sind Nuten 23 zur Aufnahme der Leiterstränge der Wicklung ausgebildet.
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Das in den 1a und 1b gezeigte Wicklungselement 1 weist grundsätzlich eine kreissegmentförmige Erstreckung in einer Umfangsrichtung U auf, deren Radius einem Radius einer ringförmigen Anordnung von Statorzähnen 22 eines Statorkörpers entspricht. Das Wicklungselement 1 weist eine Anzahl von gleichmäßig beabstandeten Schlaufenabschnitten 11 auf, die über Verbindungsabschnitte 12 miteinander verbunden sind. An den Enden des Wicklungselements 1 in Umfangsrichtung U sind Endabschnitte 13 vorgesehen, die eine geeignete Kontaktierung des Wicklungselements 1 ermöglichen sollen.
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Bei der Statoreinheit 2 der 2 ist dargestellt, wie die Schlaufenabschnitte 11 um die Statorzähne 22 herum geführt sind. Dabei verläuft jeder der Schlaufenabschnitte 11 ausgehend von einem Außenumfang UA der Statoreinheit 2 durch eine der Nuten 23 zwischen benachbarten Statorzähnen 22 radial innen zu einem Innenumfang UI der Statoreinheit 2 und durch eine dazu benachbarte der Nuten 23 zwischen Statorzähnen 22 radial nach außen.
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Die Abmessung der Schlaufenabschnitte 11 ist daher so gewählt, dass diese einen Statorzahn 22 umgeben und dass der sich daran anschließende Verbindungsabschnitt 12 an den radial äußeren Rändern der nicht von Schlaufenabschnitten 11 umschlossenen Statorzähne 22 anliegt. Auf diese Weise kann ein sehr kompakter Aufbau der Statoreinheit 2 gewährleistet werden.
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Die Schlaufenabschnitte 11 weisen einen Abstand zueinander auf, der im vorliegenden Fall drei Statorzähnen 22 entspricht. Dies ist zur Ausbildung einer dreiphasigen elektrischen Maschine zweckmäßig, da jedes der Wicklungselemente 1 nur einer Phase zugeordnet sein kann. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen den Statorzähnen 22, die durch die Schlaufenabschnitte 11 eines Wicklungselements 1 umgeben sind, einer anderen Anzahl von Statorzähnen 22 entspricht. Insbesondere können für dreiphasige elektrische Maschinen auch Vielfache der Anzahl der Phasen bzw. bei elektrischen Maschinen mit anderer Anzahl von Phasen das Ein- oder Vielfache der Anzahl der Phasen als Abstände zwischen den Statorzähnen 22, die durch die Schlaufenabschnitte 11 des Wicklungselements 1 umgeben sind, vorgesehen sein.
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Die Leiterstränge der Wicklungselemente 1 werden nach den an ihren Enden in Umfangsrichtung U vorgesehenen Schlaufenabschnitten 11 radial nach außen geführt, wo die Endabschnitte 13 des Leiterstrangs jeweils einen Kontaktabschnitt ausbilden. Dieser dient dazu, eine elektrische Verbindung zu dem Wicklungselement 1 herzustellen und dieses insbesondere mit Kontaktabschnitten weiterer Wicklungselemente 1 elektrisch zu verbinden.
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Die Verbindungsabschnitte 12 sind jeweils mit einer Stufung 14 versehen, die in einer Richtung quer zur Erstreckung der Verbindungsabschnitte 12 und quer zur Erstreckung der Schlaufenabschnitte 11 verläuft. Mit anderen Worten sind im Verlauf der gesamten Erstreckung des Wicklungselements 1 (in Umfangsrichtung U) Stufungen 14 in axialer Richtung oder quer zur Wicklungsebene vorgesehen. Entlang einer Umfangsrichtung U des Wicklungselements 1 verlaufen die Stufungen 14 in jeweils die gleichen Richtungen, d. h. bezüglich einer Richtung der Erstreckung des Wicklungselements 1 jeweils in eine axiale Richtung. Insbesondere in der perspektivischen Darstellung der 1a ist dies deutlich erkennbar.
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Die Stufungen 14 weisen vorzugsweise eine Höhe auf, die der gesamten axialen Breite des Leiterstrangs, aus dem das Wicklungselement 1 geformt ist, (einschließlich einer etwaigen Isolationsschicht) entspricht.
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Bei obiger Ausgestaltung des Wicklungselements 1 kann dieses zum einen auf eine ringförmige Statoreinheit 2 mit im Wesentlichen in axialer Richtung gleichmäßig beabstandet in Umfangsrichtung U angeordneten Statorzähnen 22 aufgesetzt werden, und zum anderen können mehrere Wicklungselemente 1 gestaffelt versetzt zueinander auf den Statorzähnen 22 angeordnet werden, so dass die Stufungen 14 in axialer Richtung übereinander liegen, wie es beispielsweise in 3, die eine Seitenansicht der Statoranordnung darstellt, gezeigt ist.
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Die so gestaffelt angeordneten Wicklungselemente 1 bilden dadurch mehrere in axialer Richtung übereinander liegende Wicklungsebenen aus, die an der Statoreinheit 2 angeordnet sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass jeder Schlaufenabschnitt 11 des Wicklungselements 1 in einer Wicklungsebene liegt, wobei mindestens zwei Schlaufenabschnitte 11 eines einzelnen Wicklungselements 1 in zwei verschiedenen Wicklungsebenen liegen. In der dargestellten Ausführungsform liegt jeder Schlaufenabschnitt 11 in einer anderen Wicklungsebene.
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Durch die gestaffelte Anordnung liegen auch die Verbindungsabschnitte 12 in Wicklungsebenen übereinander, so dass ein Überkreuzen der Leiterstränge der Wicklungselemente 1 am Außenumfang UA der Statorzähne 22 vermieden werden kann.
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Bei der gestaffelten Anordnung von Wicklungselementen 1 befindet sich ein erster Endabschnitt 13a der Endabschnitte 13 bezüglich der axialen Richtung auf einer untersten Wicklungsebene (Wicklungsebene, die sich unmittelbar an den durch das Statorjoch 21 gebildeten Nutboden anschließt). Aufgrund der Stufungen 14 verlässt ein zweiter Endabschnitt 13b der Endabschnitte 13 des Wicklungselements 1 die jeweilige Nut 23 in einer davon verschiedenen Wicklungsebene.
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Um eine Kontaktierung des ersten Endabschnitts 13a eines Wicklungselements 1 mit einem zweiten Endabschnitt 13b eines weiteren Wicklungselements 1 in besonders einfacher Weise zu ermöglichen, kann daher vorgesehen sein, dass die zweiten Endabschnitte 13b in axialer Richtung senkrecht oder schräg hierzu in Richtung der ersten Wicklungsebene durch einen entsprechenden Zuführungsabschnitt 15 abgebogen sind, um eine Kontaktierung mit einem entsprechenden ersten Endabschnitt 13a eines weiteren Wicklungselements 1 der gleichen oder einer benachbarten Nut 23 zu ermöglichen.
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Die ersten und zweiten Endabschnitte 13a, 13b können an ihren Enden jeweils Kontaktierungsabschnitte aufweisen, die sich in radialer Richtung erstrecken und dadurch eine elektrische Kontaktierung vereinfachen. Insbesondere können dadurch die ersten und zweiten Endabschnitte 13a, 13b im Wesentlichen parallel aneinander anliegen. Eine elektrische Verbindung zwischen einem ersten Endabschnitt 13a des Wicklungselements 1 und einem zweiten Endabschnitt 13b eines weiteren Wicklungselements 1 kann in einfacher Weise durch Löten oder ein sonstiges stoffschlüssiges Verfahren hergestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die in den 4a und 4b als Draufsichtdarstellung und als Querschnittsdarstellung gezeigt ist, sind die Wicklungselemente 1 so ausgebildet, dass deren Endabschnitte 13a, 13b in radialer Richtung nach außen verlängert sind. An den Verbindungsabschnitten 12, die an dem Außenumfang UA der Statorzähne 22 anliegen, kann dann eine Kühleinrichtung 4 mit einem umlaufenden Kühlmittelkanal 41 vorgesehen sein, wie es in der Querschnittsdarstellung der 4b gezeigt ist. Die Kühleinrichtung 4 kann aus einem wärmeleitenden Werkstoff, wie z. B. einem metallischen Material, ausgebildet sein. Der Querschnitt der Kühleinrichtung 4 ist vorzugsweise rechteckig, so dass sich dieser an den Außenrand des durch die Verbindungsabschnitte 12 der Wicklungselemente 1 gebildeten Außenumfangs anlegen kann. Die Kühleinrichtung 4 kann weiterhin die Statoreinheit 2 konzentrisch umlaufen.
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Die Kühleinrichtung 4 kann aus segmentförmigen Kühlelementen 42 ausgebildet sein, die an ihren Enden für den Kühlmittelkanal 41 Zu- bzw. Ableitungen 43 für ein Kühlmittel aufweisen. Die Anzahl der segmentförmigen Kühlelemente 42 der Kühleinrichtung 4 kann beliebig gewählt sein, wobei die segmentförmigen Kühlelemente 42 durch Verbindungsstücke miteinander verbunden werden können, so dass ein Kühlmitteldurchfluss durch den dadurch entstehenden umlaufenden Kühlmittelkanal 41 ermöglicht wird.
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Wie in 4a dargestellt, können die segmentförmigen Kühlelemente 42 mit ihren benachbarten Zu- und Ableitungen 43 miteinander verbunden werden und an einer Position können die Zu- bzw. Ableitungen 43 zum Zuführen bzw. Abführen von Kühlmittel vorgesehen werden. Durch das Anschließen der Kühleinrichtung 4 unmittelbar an den Wickelkopf kann eine enge Verbindung zwischen der Wicklung der Statoreinheit 2 und der Kühleinrichtung 4 gewährleistet werden.
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Ist der zweite Endabschnitt 13b der Wicklungselemente 1 mit einem abgebogenen Zuführungsabschnitt 15 versehen, so kann dieser entlang eines Außenumfangs der Kühleinrichtung 4 verlaufen, so dass er zwischen dem Außenumfang der Verbindungsabschnitte 12, den Endabschnitten 13a, 13b und dem Zuführungsabschnitt 15 umschlossen und gehalten wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0307366 A1 [0005]
- WO 2008/071147 [0006]
- WO 2010/034082 [0007]
