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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine aufweisend - mehrere Statorzähne, die in Umfangsrichtung Statornuten ausbilden, ein Statorjoch, welches einen axialen und in Umfangsrichtung ausgebildeten Abschnitt aufweist, in welchem das Statorjoch in radialer Richtung in ein erstes Statorjochsegment und ein zweites Statorjochsegment teilbar oder geteilt ist, eine Wicklung, welche in mehrere der Statornuten eingebracht ist, sowie eine Elektrische Maschine umfassend einen Stator.
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Elektrische Maschinen unterliegen bei ihrem Betrieb Verlusten durch Ummagnetisierungen und Wirbelströme, die als Eisenverluste zusammengefasst werden und den Maschinenwirkungsgrad herabsetzen. In mobilen Anwendungen bedeutet ein niedriger Wirkungsgrad der elektrischen Maschine eine geringere Reichweite des Fahrzeugs bzw. erhöhten Bedarf an Batteriekapazität. Es ist daher vor allem in mobilen Anwendungen mit rein elektrischem Antrieb ein ständiges Ziel, die beschriebenen Eisenverluste zu minimieren.
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Eine wirksame Methode zur Reduktion der Eisenverluste von elektrischen Maschinen besteht in der gezielten Schwächung des magnetischen Feldes zwischen Stator und Rotor für Betriebspunkte mit hohen Drehzahlen, da die Verluste durch hochfrequente Ummagnetisierungen und Wirbelströme bei schwächerem Magnetfeld geringer sind. Für eine gezielte Feldschwächung existieren neben elektrischen auch mechanische Ansätze. Es ist bekannt und beschrieben, wie innerhalb des Rotors mit beweglichen, verdreh- oder verlagerbaren Permanentmagneten bzw. Flussleitstücken in einer Stellung der volle magnetische Fluss geführt wird und in einer anderen, feldschwächenden Stellung der magnetische Fluss verringert ist, weil die resultierende Wirkung der Permanentmagnete abnimmt bzw. die Flussleitstücke den magnetischen Widerstand erhöhen und magnetische Kurzschlüsse erzeugen.
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Weiter kann eine Verringerung von Eisenverlusten im Teillastbereich und insbesondere bei höheren Drehzahlen durch eine Feldschwächung mit Hilfe der Einprägung einer zusätzlichen Stromkomponente erreicht werden, dies führt allerdings gleichzeitig zu höheren Kupferverlusten aufgrund des zusätzlichen Stromanteils.
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Die Schwächung des magnetischen Flusses in der Maschine ohne oder nur mit einer geringen zusätzlichen Stromkomponente kann über erhöhte magnetische Widerstände im Eisenkreis erfolgen. Dies kann durch ein zusätzliches Einbringen eines Luftspalts erreicht werden, womit durch die Variation desselben eine Feldveränderung erzeugt werden kann. Beispiele hierfür finden sich in der
DE 10 2021 002 939 A1 und
WO 2022/179 659 A1 . Ein Stator gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 findet sich in der
US 2009 / 0 224 625 A1 .
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die
JP 2013- 150 539 A bekannt, in welcher die Statorzähne einer als Radialflussmaschine ausgeführten elektrischen Maschine in zwei Teile aufgeteilt werden. Während ein Teil mit einer Wicklung fest steht, kann der andere Teil mit dem Joch um die Rotationsachse gedreht werden.
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Mit der
DE10 2017 209 174 A1 wird eine elektrische Maschine aus zwei Rotoren und zwei Statoren offenbart, bei welcher der Rotor zum Stator im Fehlerfall verschoben wird und somit eine Luftspaltvergrößerung erreicht wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektrische Maschine mit einer kompakten und möglichst einfachen Luftspaltverstellung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt weist ein Stator für eine elektrische Maschine mehrere Statorzähne auf, die in Umfangsrichtung Statornuten ausbilden. Weiter weist der Stator ein Statorjoch auf, welches einen axialen und in Umfangsrichtung ausgebildeten Abschnitt aufweist, in welchem das Statorjoch in radialer Richtung in ein erstes Statorjochsegment und ein zweites Statorjochsegment teilbar oder geteilt ist. Weiter weist der Stator eine Wicklung auf, welche in mehrere der Statornuten eingebracht ist.
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Das erste Statorjochsegment ist mit den Statorzähnen verbunden, wobei das zweite Statorjochsegment relativ zu dem ersten Statorjochsegment bewegbar ausgebildet ist. Weiter umfasst der Stator eine Verstelleinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, mindestens eines der zweiten Statorjochsegmente relativ zu dem ersten Statorjochsegment zu verschieben. Die Verstelleinrichtung weist ein Nehmerbalg auf, welcher mit einem druckführenden System verbunden oder verbindbar ist.
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Weiter ist der Nehmerbalg in radialer Richtung an einer Seite des mindestens einen zweiten Statorjochsegments angeordnet, welche dem ersten Statorjochsegment zugewandt ist.
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Der vorteilhafte Wirkung ist darin zu sehen, dass eine Luftspaltverstellung ermöglicht wird durch die Aufteilung des Stators in radialer Richtung in einen ortsfesten Teil und einen zu dem ortsfesten Teil bewegbaren Teil, die Statorjochsegmente. Dazu verbleiben die Wicklungen, deren elektrische Anschlüsse sowie ggf. Leitungen zur Führung eines Kühlmediums und mindestens ein Teil der Statorzähne im ortsfesten Teil, dem ersten Statorjochsegment. Der bewegbare Teil, das zweite Statorjochsegment, umfasst besonders bevorzugt auch Anteile der Statorzähne. Wobei immer gewährleistet ist, dass das erste Statorjochsegment eine mechanische Verbindung zwischen den Zähnen in Umfangsrichtung ausbildet. Durch die bewegbare Anordnung der Statorjochsegmente zueinander können dann eine oder mehrere zusätzliche Luftspalte zur Ausbildung von Luftstrecken zur Erhöhung des magnetischen Widerstands im Eisenkreis und somit zur Feldschwächung erzeugt werden. Insbesondere ergeben sich somit zwei Zustände: der felgestärkte Zustand, bei dem das zweite Statorjochsegment zu dem ersten Statorjochsegment im Abschnitt des Statorjochs in Überdeckung ist. Weiter ergibt sich der feldgeschwächte Zustand, bei dem das zweite Statorjochsegment zum ersten Statorjochsegment unter Ausbildung eines Luftspalt aus der Überdeckung verstellt ist.
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Vorteilhafterweise wirkt die Verstelleinrichtung einer magnetischen Anziehungskraft zwischen erstem und zweitem Statorjochsegment entgegen und erlaubt somit eine Verstellung aus dem feldgestärkten Zustand in den feldgeschwächten Zustand. Aufgrund der magnetischen Anziehungskraft und somit der systemimmanenten Rückstellung kann besonders vorteilhaft mit dem Nehmerbalg ein einfacher, kostengünstiger Aktuator verwendet werden, da lediglich Kraft entgegen der magnetischen Anziehungskraft aufgebracht werden muss. Besonders bevorzugt ist die Verstelleinrichtung über eine Steuereinheit ansteuerbar. Abhängig vom aktuellen Betriebspunkt (Drehmoment und Drehzahl) kann somit der Luftspalt optimal bezüglich der gesamten Verlustleistung der elektrischen Maschine eingestellt werden. Zumindest kann zwischen dem feldgestärkten oder feldgeschwächten Zustand umgeschaltet werden. Besonders bevorzugt ist eine Einstellung in Abhängigkeit des Zustands der Maschine z. B. im Fehlerfall.
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Die vorteilhafte Wirkung der Ausgestaltung ist darin zu sehen, dass so der Nehmerbalg entgegen der zwischen erstem und zweitem Statorjochsegment wirkenden magnetischen Anziehungskraft angeordnet ist. Besonders vorteilhaft stützt sich der Nehmerbalg dabei an einem Gehäuse ab. Somit ist gewährleistet, dass im feldgestärkten Zustand der Luftspalt auf das fertigungsbedingte Minimum reduziert wird, somit das erste Statorjochsegment und das zweite Statorjochsegment sich berühren.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das zweite Statorjochsegment in axialer oder in radialer Richtung bewegbar.
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Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass die Komplexität der Luftspaltverstellung und somit der Feldschwächung im Stator und somit dem stehenden Teil der elektrischen Maschine erfolgt und nicht im Rotor und somit dem drehenden System der elektrischen Maschine. Besonders bevorzugt weist das Statorjoch mindestens einen Abschnitt in Umfangsrichtung auf, der kleiner 180° ist, besonders bevorzugt kleiner als 60°. Insbesondere eignen sich Winkel, welche aufgrund einer Teilung des Umfangs durch die Anzahl der Pole oder einem Vielfachen der Anzahl der Pole entsprechen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Abschnitt in Umfangsrichtung umfänglich ausgebildet. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich der Abschnitt in axialer Richtung über die gesamte Länge des Stators. Besonders bevorzugt sind zu der reinen axialen oder radialen Richtung sowie einer Kombination beider Richtungen auch andere Bewegungsbahnen des zweiten Statorjochsegments insbesondere in Umfangsrichtung möglich, wie z. B. Verkippung bzw. Drehung oder auch einer Überlagerung solcher Bewegungen.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das erste Statorjochsegment ringförmig ausgebildet und das zweite Statorjochsegment ist ringförmig ausgebildet.
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Die Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da sie fertigungstechnisch einfach zu realisieren ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das zweite Statorjochsegment in Umfangsrichtung in mehrere zweite Statorjochsegmente teilbar oder geteilt.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, dass durch die Aufteilung in mehrere zweite Statorjochsegmente in Umfangsrichtung, eine Verstellung selbiger in radialer Richtung vereinfacht ist. Somit kann eine Verstellung radial nach außen auseinander in den feldgeschwächten Zustand und von dort radial nach innen in den feldgestärkten Zustand der zweiten Statorjochsegmente oder zumindest eines der zweiten Statorjochsegmente zu dem ersten Statorjochsegment erfolgen. Weiter besonders vorteilhaft ist dabei, dass durch die Aufteilung in mehrere zweite Statorjochsegmente in Umfangsrichtung, eine Verstellung selbiger in axialer Richtung vereinfacht ist. Somit kann eine Verstellung mindestens eines der zweiten Statorjochsegmente nach axial außen, also aus einer Überdeckung mit dem ersten Statorjochsegment in den feldgeschwächten Zustand und von dort axial in Überdeckung mit dem ersten Statorjochsegment in den feldgestärkten Zustand erfolgen. Besonders bevorzugt können alle zweiten Statorjochsegmente verstellt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das erste Statorjochsegment integral mit den Statorzähnen verbunden.
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Die vorteilhafte Wirkung der Ausgestaltung ist darin zu sehen, dass somit die Herstellung des ersten Statorjochsegments vereinfacht ist. Insbesondere bei der Herstellung des ersten Statorjochsegments aus Einzelblechen. Weiter ist vorteilhaft, dass durch die integrale Ausgestaltung die Momentenübertragung besser gewährleistet ist, da keine Kerben bspw. durch Fügepunkte im Material entstehen.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist der Nehmerbalg ein Absperrventil auf, welches über ein Steuerelement ansteuerbar ist.
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Die Ausgestaltung mit einem Absperrventil weist den Vorteil auf, dass somit die Verstelleinrichtung nicht kontinuierlich Energie über das druckführende System bereitstellen muss, um das zweite Statorjochsegment in einem definierten Zustand, besonders bevorzugt im feldgeschwächten Zustand zu halten. Somit ist die elektrische Maschine energieeffizienter gestaltet. Insbesondere weist das Absperrventil einen kontinuierlichen Verstellbereich auf, wodurch sich ein kontrolliertes und gezieltes Verstellverhalten hin zu dem feldgestärkten Zustand ergibt und somit das Ansteuern mehrerer Zwischenzustände ermöglicht ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die Verstelleinrichtung eine Druckfeder. Das mindestens eine zweite Statorjochsegment ist in axialer Richtung zwischen der Druckfeder und dem Nehmerbalg angeordnet.
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Besonders bevorzugt wirkt die Druckfeder entgegen der Kraftrichtung des Nehmerbalgs und gewährleistet so die Rückstellung des zweiten Statorjochsegments aus dem feldgeschwächten Zustand in den feldgestärkten Zustand. Alternativ kann auch eine Rückstellung des zweiten Statorjochsegments aus dem feldgestärkten Zustand in den feldgeschwächten Zustand erfolgen. Diese Rückstellung ist insbesondere dann notwendig, wenn aufgrund von Reibung zwischen erstem und zweitem Statorjochsegment eine Rückstellung alleine aufgrund der Wirkrichtung der magnetischen Anziehungskraft nicht möglich ist, beispielsweise dann, wenn die Wirkrichtung der magnetischen Anziehungskraft senkrecht zur Kraftrichtung des Nehmerbalgs wirkt. Alternativ kann die Verstelleinrichtung eine Zugfeder umfassen und Zugfeder und dem Nehmerbalg sind an einer axialen Seite des mindestens einen zweiten Statorjochsegments angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst eine elektrische Maschine einen Stator gemäß dem ersten Aspekt sowie mindestens einer der beschriebenen Ausgestaltungen.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Begriffe wie „radial“, „axial“ oder ähnlich beziehen sich auf die Rotationsachse der elektrischen Maschine, es sei denn, es wird explizit eine davon abweichende Referenzierung verwendet. Weiter sind aufgrund der besseren Lesbarkeit der Figuren gegebenenfalls nur einzelne oder wenige identische Elemente eines Bezugszeichens versehen.
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Es zeigt
- 1 eine elektrische Maschine 1 gemäß dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht.
- 2 eine elektrische Maschine 1 mit einem in radialer Richtung teilbaren Statorjoch 23 im feldgestärkten Zustand.
- 3 einen Schnitt der elektrischen Maschine aus 2 senkrecht zur Rotationsachse.
- 4 die elektrische Maschine 1 nach 2 im feldgeschwächten Zustand.
- 5 einen Schnitt der elektrischen Maschine aus 4 senkrecht zur Rotationsachse .
- 6 eine elektrische Maschine 1 mit einem in radialer Richtung teilbaren Statorjoch 23 im feldgestärkten Zustand in einer alternativen Ausführungsform.
- 7 einen Schnitt der elektrischen Maschine aus 6 senkrecht zur Rotationsachse.
- 8 die elektrische Maschine 1 nach 6 im feldgeschwächten Zustand.
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1 zeigt eine elektrische Maschine 1 gemäß dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht. Die Elektrische Maschine umfasst einen Stator 2. Der Stator weist mehrere Statorzähne 21 sowie ein Statorjoch 23 auf. Die Statorzähne 21 sind dabei mit dem Statorjoch 23 verbunden. Die Statorzähne bilden in Umfangsrichtung Statornuten 22 aus, welche sich achsparallel zu einer Rotationsachse der Elektrischen Maschine 1 erstrecken. Mehrere Wicklungen 3 sind in den Statornuten 22 angeordnet. Die Elektrische Maschine umfasst weiter einen Rotor 4, welcher mehrere Magnete 41 sowie eine Rotorwelle 42 aufweist.
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2 zeigt eine elektrische Maschine 1 mit einem in radialer Richtung teilbaren Statorjoch 23 im feldgestärkten Zustand. Es handelt sich hierbei um eine Schnittdarstellung, bei welcher der Schnitt zwischen benachbarten Wicklungen 3 durch die Statornut 22 sowie durch die im Rotor 4 angeordneten Magnete 41 und die Rotorwelle 42 gelegt ist. Das Statorjoch 23 ist in radialer Richtung in eine erstes Statorjochsegment 231 sowie mehrere zweite Statorjochsegmente 232 geteilt, wie in 3 dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform sind die zweiten Statorjochsegmente 232 mittels einer Verstelleinrichtung 5 in radialer Richtung bewegbar. Die Verstelleinrichtung 5 umfasst hierzu einen ringförmigen Nehmerbalg 51, welcher in radialer Richtung nach außen an einer Seite der zweiten Statorjochsegmente 232 angeordnet ist, welche dem ersten Statorjochsegment 231 zugewandt ist. Die zweiten Statorjochsegmente 232 erstrecken sich hierbei in axialer Richtung beidseitig über das erste Statorjochsegment 231 hinaus. In radialer Richtung nach innen stützt sich der Nehmerbalg 51 an einem Gehäuse 52 ab, welches fest mit dem ersten Statorjochsegment 231 verbunden ist. Der Nehmerbalg 52 ist über einen Anschluss 511 mit einem nicht dargestellten druckführenden System verbunden.
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Aufgrund der Einbausituation des Nehmerbalgs 51 ergibt sich durch die Abstützung am Gehäuse 52 eine beabsichtigte bzw. eindeutige Wirkungsrichtung in Richtung der zweiten Statorjochsegmente 232.
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4 zeigt die elektrische Maschine 1 nach 2 im feldgeschwächten Zustand. Der Nehmerbalg 51 ist im gezeigten feldgeschwächten Zustand druckbeaufschlagt und hat die zweiten Statorjochsegmente 232 in radialer Richtung nach außen bewegt. Zwischen erstem Statorjochsegment 231 und den zweiten Statorjochsegmenten 232 bildet sich durch Verschiebung der zweiten Statorjochsegmente ein zusätzlicher Luftspalt 24 aus. Wie in 5 ersichtlich, sind die zweiten Statorjochsegmente 232 in radialer Richtung nach außen verschoben. Aufgrund der magnetischen Anziehungskraft werden durch Regulierung des Drucks im Nehmerbalg 51 die zweiten Statorjochsegmente 232 wieder in ihre Ausgangslage bewegt und somit der feldgestärkte Zustand gemäß 2 erreicht.
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6 zeigt eine elektrische Maschine 1 mit einem in radialer Richtung teilbaren Statorjoch 23 im feldgestärkten Zustand. Es handelt sich hierbei um eine Schnittdarstellung, bei welcher der Schnitt zwischen benachbarten Wicklungen 3 durch die Statornut 22 sowie durch die im Rotor 4 angeordneten Magnete 41 und die Rotorwelle 42 gelegt ist. Das Statorjoch 23 ist in zwei Abschnitten jeweils in radialer Richtung in ein erstes Statorjochsegment 231 sowie in ein zweites Statorjochsegment 232 geteilt. In der dargestellten Ausführungsform sind die zweiten Statorjochsegmente 232 mittels einer Verstelleinrichtung 5 in axialer Richtung bewegbar. Die Verstelleinrichtung 5 umfasst hierzu mehrere Druckfedern 53, welche sich in axialer Richtung jeweils an einem der zweiten Statorjochsegmente 232 derart abstützen, dass die Druckfedern 53 axial zwischen den zweiten Statorjochsegmenten 232 angeordnet sind. Weiter umfasst die Verstelleinrichtung 5 zwei ringförmige Nehmerbalge 51, welcher in axialer Richtung jeweils an einer Seite der zweiten Statorjochsegmente 232 angeordnet sind, welche jeweils der Seite, an der die Druckfedern 53 angeordnet sind, axial gegenüberliegen. Bei den Druckfedern 53 handelt es sich um Schraubenfedern, so dass diese entgegen der Kraftrichtung des jeweiligen Nehmerbalgs 51 wirken. In axialer Richtung stützen sich die Nehmerbalge 51 an einem Gehäuse 52 ab, welches fest mit dem ersten Statorjochsegment 231 verbunden ist. Die Nehmerbalge 52 sind jeweils über einen Anschluss 511 mit einem nicht dargestellten druckführenden System verbunden. Im dargestellten feldgestärkten Zustand sind die Nehmerbalge 51 druckbeaufschlagt und wirken somit entgegen der durch die Druckfedern 53 aufgebrachten Kraft. Eine magnetische Anziehungskraft wirkt im Wesentlichen radial nach innen und somit senkrecht zur Verstellrichtung. Wie in 7 dargestellt, ist das zweite Statorjochsegment 232 im Wesentlichen ringförmig ausgeführt. Aufgrund der Kraft der Druckfedern 53 werden durch Regulierung des Drucks in den Nehmerbalgen 51 die zweiten Statorjochsegmente 232 wieder in ihre Ausgangslage bewegt und somit der feldgestärkte Zustand gemäß 2 erreicht. Aufgrund der Einbausituation des Nehmerbalgs 51 ergibt sich durch die Abstützung am Gehäuse 52 eine beabsichtigte bzw. eindeutige Wirkungsrichtung in Richtung der zweiten Statorjochsegmente 232.
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8 zeigt die elektrische Maschine 1 nach 6 im feldgeschwächten Zustand. Der Nehmerbalg 51 ist im gezeigten feldgeschwächten Zustand nicht druckbeaufschlagt. Die Druckfedern 53 haben die zweiten Statorjochsegmente 232 in axialer Richtung nach außen bewegt, somit sind das erste Statorjochsegment 231 und die zweiten Statorjochsegmente 232 in den jeweiligen Abschnitten nicht in Überdeckung. Zwischen erstem Statorjochsegment 231 und den zweiten Statorjochsegmenten 232 bildet sich somit durch Verschiebung der zweiten Statorjochsegmente 232 ein zusätzlicher Luftspalt 24 aus.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Elektrische Maschine
- 2.
- Stator
- 21.
- Statorzahn
- 22.
- Statornut
- 23.
- Statorjoch
- 231.
- erstes Statorjochsegment
- 232.
- zweites Statorjochsegment
- 24.
- Luftspalt
- 3.
- Wicklungen
- 4.
- Rotor
- 41.
- Magnete
- 42.
- Rotorwelle
- 5.
- Verstelleinrichtung
- 51.
- Nehmerbalg
- 511.
- Anschluss
- 52.
- Gehäuse
- 53.
- Druckfeder
