DE102023101615A1 - stator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Stator (1) für eine elektrische Maschine (2), wobei der Stator (1) aus einer Vielzahl von paketierten Statorblechen (11) zylinderringartig ausgebildet ist und eine Mehrzahl von Statorzähnen (5) aufweist, welche in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Statorzähnen (5) jeweils eine sich in radialer Richtung erstreckende sowie in axialer Richtung durch den Stator (1) verlaufende Statornut (6) mit zwei Nutseitenwänden (7) und einem Nutgrund (8) definieren, in welche eine bestrombare Wicklung (9) umfassend eine Mehrzahl von Leitern (10) eingelegt ist, wobei wenigstens eines der Statorbleche (11) einen aus einer ersten Nutseitenwand (7a) einer ersten Statornut (6a) herausragenden und mit einem in der ersten Statornut (6a) befindlichen Leiter (10a) in Kontakt stehenden ersten Positionierungsabschnitt (12a) aufweist und wenigstens einen aus einer zweiten Nutseitenwand (7b) einer zweiten Statornut (6b) herausragenden und mit einem in der zweiten Statornut (6b) befindlichen Leiter (10b) in Kontakt stehenden zweiten Positionierungsabschnitt (12b) aufweist, wobei wenigstens zwei der Statorbleche (11a, 11b) so zueinander verdreht sind, dass der erste Positionierungsabschnitt (12a) und der zweite Positionierungsabschnitt (12b) aus unterschiedlicher umfänglicher Richtung jeweils in die zumindest abschnittsweise axial von einem Kühlfluid (13) durchströmbare erste Statornut (6a) und die zumindest abschnittsweise axial von dem Kühlfluid (13) durchströmbare zweite Statornut (6b) hineinragen.The invention relates to a stator (1) for an electrical machine (2), wherein the stator (1) is formed from a plurality of packaged stator laminations (11) in the form of a cylindrical ring and has a plurality of stator teeth (5), which in the circumferential direction between adjacent stator teeth (5) each define a stator slot (6) extending in the radial direction and running in the axial direction through the stator (1), with two slot side walls (7) and a slot base (8), into which a current-carrying winding (9) comprising a plurality of conductors (10) is inserted, wherein at least one of the stator laminations (11) has a first positioning section (12a) protruding from a first slot side wall (7a) of a first stator slot (6a) and in contact with a conductor (10a) located in the first stator slot (6a), and at least one protruding from a second slot side wall (7b) of a second stator slot (6b) and with a a second positioning section (12b) which is in contact with the conductor (10b) located in the second stator slot (6b), wherein at least two of the stator sheets (11a, 11b) are rotated relative to one another such that the first positioning section (12a) and the second positioning section (12b) each protrude from different circumferential directions into the first stator slot (6a) through which a cooling fluid (13) can flow axially at least in sections, and into the second stator slot (6b) through which the cooling fluid (13) can flow axially at least in sections.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, wobei der Stator aus einer Vielzahl von paketierten Statorblechen zylinderringartig ausgebildet ist und eine Mehrzahl von Statorzähnen aufweist, welche in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Statorzähnen jeweils eine sich in radialer Richtung erstreckende sowie in axialer Richtung durch den Stator verlaufende Statornut mit zwei Nutseitenwänden und einem Nutgrund definieren, in welche eine bestrombare Wicklung umfassend eine Mehrzahl von Leitern eingelegt ist.The present invention relates to a stator for an electrical machine, in particular within a drive train of a motor vehicle, wherein the stator is formed from a plurality of packaged stator sheets in the form of a cylindrical ring and has a plurality of stator teeth, which in the circumferential direction between adjacent stator teeth each define a stator groove extending in the radial direction and running in the axial direction through the stator, with two groove side walls and a groove base, into which a current-carrying winding comprising a plurality of conductors is inserted.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.Electric motors are increasingly being used to power motor vehicles in order to create alternatives to combustion engines that require fossil fuels. Considerable efforts have already been made to improve the suitability of electric drives for everyday use and to offer users the same driving comfort they are used to.
Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegelraddifferenzial oder Stirnraddifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2-Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.A detailed description of an electric drive can be found in an article in the magazine ATZ 113th year, 05/2011, pages 360-365 by Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski and Jens Liebold with the title: Highly integrated and flexible electric drive unit for electric vehicles. This article describes a drive unit for an axle of a vehicle, which includes an electric motor that is arranged concentrically to a bevel gear differential, with a switchable 2-speed planetary gear set arranged in the power train between the electric motor and the bevel gear differential, which is also positioned coaxially to the electric motor or the bevel gear differential or spur gear differential. The drive unit is very compact and, thanks to the switchable 2-speed planetary gear set, allows a good compromise between climbing ability, acceleration and energy consumption. Such drive units are also referred to as e-axles or electrically operated drive trains.
Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.In addition to purely electrically operated drive trains, hybrid drive trains are also known. Such drive trains in a hybrid vehicle usually comprise a combination of an internal combustion engine and an electric motor and enable - for example in urban areas - purely electric operation while at the same time providing sufficient range and availability, especially for cross-country journeys. In addition, in certain operating situations it is possible to drive the vehicle simultaneously using the internal combustion engine and the electric motor.
Bei der Entwicklung der für E-Achsen oder Hybridmodule vorgesehenen elektrischen Maschinen besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, deren Leistungsdichten zu steigern, so dass der hierzu notwendigen Kühlung der elektrischen Maschinen wachsende Bedeutung zukommt. Aufgrund der notwenigen Kühlleistungen haben sich in den meisten Konzepten Hydraulikflüssigkeiten, wie Kühlöle, zum Abtransport von Wärme aus den thermisch beaufschlagten Bereichen einer elektrischen Maschine durchgesetzt.When developing the electrical machines intended for e-axles or hybrid modules, there is a continuing need to increase their power density, so that the cooling of the electrical machines required for this is becoming increasingly important. Due to the necessary cooling performance, hydraulic fluids such as cooling oils have become the standard in most concepts for removing heat from the thermally stressed areas of an electrical machine.
Die Mantelkühlung sowie die Wickelkopfkühlung sind beispielsweise aus dem Stand der Technik für die Realisierung einer Kühlung von elektrischen Maschinen mittels Hydraulikflüssigkeiten bekannt. Während die Mantelkühlung die entstehende Wärme an der äußeren Oberfläche des Statorblechpakets in einen Kühlkreislauf überträgt, erfolgt bei der Wickelkopfkühlung der Wärmeübergang direkt an den Leitern außerhalb des Statorblechpakets im Bereich der Wickelköpfe in das Fluid.Jacket cooling and winding head cooling are known from the state of the art for cooling electrical machines using hydraulic fluids. While jacket cooling transfers the heat generated on the outer surface of the stator core into a cooling circuit, with winding head cooling the heat is transferred directly to the fluid at the conductors outside the stator core in the area of the winding heads.
Weitere Verbesserungen bieten getrennt ausgeführte Kühlkanäle, welche sowohl in das Blechpaket des Stators (siehe z. B.
Es sind auch Konzepte bekannt, bei denen die Wicklungen direkt mit Hydraulikflüssigkeit umströmt werden, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Eine verbesserte Kühlung mit direktem Kontakt von Hydraulikflüssigkeit und Leiter in der Nut ist bereits grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise
Mit einer direkten Kühlung der Wicklung in den Statornuten besteht die Möglichkeit, die Wärme gezielt am Ort ihrer Entstehung abzuführen. Hierdurch kann das allgemeine Temperaturniveau in elektrischen Maschinen (sowohl Traktionsmaschinen als auch Generatormaschinen) abgesenkt sowie für eine homogenere Temperaturverteilung gesorgt werden. Dies ermöglicht beispielsweise auch den Einsatz kostengünstigerer und leichterer Materialien.By directly cooling the winding in the stator slots, it is possible to dissipate heat precisely where it is generated. This can reduce the general temperature level in electrical machines (both traction machines and generator machines) and ensure a more homogeneous temperature distribution. This also enables the use of cheaper and lighter materials, for example.
Bei der aktiven Nutkühlung wird der Raum zwischen den Statornuten und den in ihnen angeordneten elektrischen Leitern verwendet, um diesen von einem Kühlfluid durchströmen zu lassen. Wenn die Leiter nicht zentriert werden, kann es vorkommen, dass sie sich aufgrund von Fertigungstoleranzen lokal bzw. partiell an eine Statornut anlegen. Dadurch kann einerseits der Kühlfluidfluss zwischen der entsprechenden Statornut und elektrischem Leiter lokal behindert werden und andererseits durch den direkten oder mittelbaren Kontakt von Stator und Leiter zu thermischen Hotspots kommen, welche die Dauerleistung der elektrischen Maschine begrenzen.In active slot cooling, the space between the stator slots and the electrical conductors arranged in them is used to allow a cooling fluid to flow through it. If the If conductors are not centered, it can happen that they come into contact with a stator slot locally or partially due to manufacturing tolerances. This can locally impede the flow of cooling fluid between the corresponding stator slot and electrical conductor, and direct or indirect contact between the stator and conductor can lead to thermal hotspots that limit the continuous performance of the electrical machine.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Stator mit einer verbesserten und insbesondere kostengünstig herstellbaren Nutkühlung bereitzustellen.The object of the invention is therefore to provide a stator with an improved and, in particular, cost-effectively producible slot cooling.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, wobei der Stator aus einer Vielzahl von paketierten Statorblechen zylinderringartig ausgebildet ist und eine Mehrzahl von Statorzähnen aufweist, welche in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Statorzähnen jeweils eine sich in radialer Richtung erstreckende sowie in axialer Richtung durch den Stator verlaufende Statornut mit zwei Nutseitenwänden und einem Nutgrund definieren, in welche eine bestrombare Wicklung umfassend eine Mehrzahl von Leitern eingelegt ist, wobei wenigstens eines der Statorbleche einen aus einer ersten Nutseitenwand einer ersten Statornut herausragenden und mit einem in der ersten Statornut befindlichen Leiter in Kontakt stehenden ersten Positionierungsabschnitt aufweist und wenigstens einen aus einer zweiten Nutseitenwand einer zweiten Statornut herausragenden und mit einem in der zweiten Statornut befindlichen Leiter in Kontakt stehenden zweiten Positionierungsabschnitt aufweist, wobei wenigstens zwei der Statorbleche so zueinander verdreht sind, dass der erste Positionierungsabschnitt und der zweite Positionierungsabschnitt aus unterschiedlicher umfänglicher Richtung jeweils in die zumindest abschnittsweise axial von einem Kühlfluid durchströmbare erste Statornut und die zumindest abschnittsweise axial von dem Kühlfluid durchströmbare zweite Statornut hineinragen.This object is achieved by a stator for an electric machine, in particular within a drive train of a motor vehicle, wherein the stator is formed from a plurality of packaged stator laminations in the form of a cylindrical ring and has a plurality of stator teeth, which in the circumferential direction between adjacent stator teeth each define a stator groove extending in the radial direction and running in the axial direction through the stator, with two groove side walls and a groove base, into which a current-carrying winding comprising a plurality of conductors is inserted, wherein at least one of the stator laminations has a first positioning section protruding from a first groove side wall of a first stator groove and in contact with a conductor located in the first stator groove, and at least one second positioning section protruding from a second groove side wall of a second stator groove and in contact with a conductor located in the second stator groove, wherein at least two of the stator laminations are rotated relative to one another in such a way that the first positioning section and the second positioning section each extend from different circumferential directions into the at least the first stator slot through which a cooling fluid can flow axially in sections and the second stator slot through which the cooling fluid can flow axially in at least sections.
Durch die Verwendung von Statorblechen, die so zueinander verdreht sind, dass die Positionierungsabschnitte in unterschiedlicher umfänglicher Richtung in die von einem Kühlfluid durchströmbaren Nuten hineinragen, wird eine erhöhte Strömung des Kühlflüssigkeit durch den Stator erreicht, was die Wärmeableitung verbessert und dadurch die Lebensdauer und Effizienz der elektrischen Maschine erhöht. Ferner können über ihre axiale Erstreckung die elektrischen Leiter sicher in einer Nut positioniert werden, was die Gefahr eines Anlegens eines Leiters an eine Nutwand deutlich reduziert und das Ausbilden von thermischen Hot-Spots vermeidet.By using stator sheets that are rotated relative to one another in such a way that the positioning sections extend in different circumferential directions into the slots through which a cooling fluid can flow, an increased flow of the cooling fluid through the stator is achieved, which improves heat dissipation and thus increases the service life and efficiency of the electrical machine. Furthermore, the electrical conductors can be securely positioned in a slot via their axial extension, which significantly reduces the risk of a conductor coming into contact with a slot wall and prevents the formation of thermal hot spots.
Ein erfindungsgemäßer Aspekt ist es also, dass durch die in Umfangsrichtung verschiedenen Nutgeometrien eines Statorblechs, die sich durch die Positionierungsabschnitte ergeben, die elektrischen Leiter in einer Statornut zentriert werden können und das Kühlfluid frei durch die Statornut fließen kann. Um einen möglichst gleichmäßigen Kühlfluidfluss sicherzustellen, kann vorteilhaft sein, wenn man einen möglichst konstanten Strömungsquerschnitt durch eine Statornut sicherstellen kann, so dass sich Kühlfluid stets gleichmäßig zwischen dem Statorblech und den entsprechenden in der Statornut aufgenommenen elektrischen Leitern befindet, was zu einer möglichst homogenen Temperaturverteilung beitragen kann.One aspect of the invention is that the different slot geometries of a stator sheet in the circumferential direction, which result from the positioning sections, allow the electrical conductors to be centered in a stator slot and the cooling fluid to flow freely through the stator slot. In order to ensure the most uniform cooling fluid flow possible, it can be advantageous to ensure the most constant flow cross-section possible through a stator slot, so that the cooling fluid is always evenly located between the stator sheet and the corresponding electrical conductors accommodated in the stator slot, which can contribute to the most homogeneous temperature distribution possible.
Dies kann über das regelmäßige Muster der Positionierungsabschnitte im Bereich der Nutgeometrie im Statorblechdesign erreicht werden. Durch Verdrehung der Statorbleche im Stator, wird dieses Muster ebenfalls verdreht, so dass über die axiale Erstreckung einer Statornut durch entsprechend zueinander verdrehten Statorbleche, der Strömungsquerschnitt sowie die Zentrierung eines oder mehrerer elektrischer Leiter eingestellt werden kann.This can be achieved by the regular pattern of the positioning sections in the area of the slot geometry in the stator lamination design. By twisting the stator laminations in the stator, this pattern is also twisted, so that the flow cross-section and the centering of one or more electrical conductors can be adjusted via the axial extension of a stator slot by twisting the stator laminations accordingly to one another.
Eine entsprechende relative Verdrehung der Statorbleche zueinander kann beispielsweise beim Stanzpaketieren in der Herstellung des Stators beim Stapeln der einzelnen Statorbleche automatisiert erfolgen.A corresponding relative rotation of the stator laminations to one another can be carried out automatically, for example, during punching and stacking in the manufacture of the stator when the individual stator laminations are stacked.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.First, the individual elements of the claimed subject matter of the invention are explained in the order in which they appear in the set of claims, and particularly preferred embodiments of the subject matter of the invention are described below.
Der erfindungsgemäße Stator ist bevorzugt zur Verwendung in einer Radialflussmaschine ausgebildet. Ein Stator für eine Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech im Wesentlichen parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. Die Statornuten besitzen bevorzugt eine im Wesentlichen U-förmige Querschnittskontur. Höchst bevorzugt weisen eine Mehrzahl der Statornuten gerade, sich in radialer Richtung erstreckende Nutwände auf. Insbesondere ist eine einem Positionierungsabschnitt in einer Statornut gegenüberliegende Nutwand gerade ausgebildet.The stator according to the invention is preferably designed for use in a radial flow machine. A stator for a radial flow machine is usually cylindrical and generally consists of electrical sheets that are electrically insulated from one another and are layered and packaged to form sheet metal packages. Distributed over the circumference, grooves are let into the electrical sheet that run essentially parallel to the rotor shaft and accommodate the stator winding or parts of the stator winding. The stator grooves preferably have an essentially U-shaped cross-sectional contour. Most preferably, a majority of the stator grooves have straight groove walls that extend in the radial direction. In particular, a groove wall opposite a positioning section in a stator groove is straight.
In die Statornuten des erfindungsgemäßen Stators ist eine oder mehrere Statorwicklung(en) eingelassen. Eine Statorwicklung umfasst einen elektrisch leitfähigen Leiter, dessen Längenerstreckung wesentlich größer ist als sein Durchmesser. Der elektrische Leiter kann grundsätzlich jede beliebige Querschnittsform aufweisen. Bevorzugt sind rechteckige Querschnittsformen, da sich mit diesen hohe Packungs- und folglich Leistungsdichten erzielen lassen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Statorwicklung aus Kupfer gebildet. Bevorzugt weist eine Statorwicklung eine Isolierung auf. Zur Isolierung der Statorwicklung kann beispielsweise Glimmerpapier, welches aus mechanischen Gründen durch einen Glasgewebeträger verstärkt sein kann, in Bandform um eine oder mehrere Statorwicklungen gewickelt sein, welche mittels eines aushärtenden Harzes imprägniert sind. Grundsätzlich ist es auch möglich, eine aushärtbare Lackschicht ohne ein Glimmerpapier zu verwenden, um eine Statorwicklung zu isolieren.One or more stator windings are embedded in the stator slots of the stator according to the invention. A stator winding comprises an electrical electrically conductive conductor whose length is significantly greater than its diameter. The electrical conductor can basically have any cross-sectional shape. Rectangular cross-sectional shapes are preferred because they allow high packing and therefore power densities to be achieved. A stator winding is particularly preferably made of copper. A stator winding preferably has insulation. To insulate the stator winding, for example, mica paper, which can be reinforced by a glass fabric carrier for mechanical reasons, can be wound in strip form around one or more stator windings that are impregnated with a hardening resin. In principle, it is also possible to use a hardening lacquer layer without mica paper to insulate a stator winding.
Die Statorwicklung kann beispielsweise als Wellenwicklung oder Hairpinwicklung ausgebildet sein.The stator winding can be designed, for example, as a wave winding or hairpin winding.
Der erfindungsgemäße Stator besitzt ferner einen Statorkörper. Der Statorkörper kann einteilig oder mehrteilig, insbesondere segmentiert ausgebildet sein. Ein einteiliger Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass der gesamte Statorkörper umfänglich gesehen einteilig ausgebildet ist. Der Statorkörper ist dabei in der Regel aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet, wobei jedes der Elektrobleche zu einem Kreisring geschlossen ausgebildet ist. Ein segmentiert aufgebauter Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass er aus einzelnen Statorsegmentteilen aufgebaut ist. Der Statorkörper kann dabei aus einzelnen Statorzähnen oder Statorzahngruppen aufgebaut sein, wobei jeder einzelne Statorzahn oder jede einzelne Statorzahngruppe aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet sein kann, wobei jedes der Elektrobleche als Statorsegmentblechteil ausgebildet ist.The stator according to the invention also has a stator body. The stator body can be made in one piece or in multiple pieces, in particular segmented. A one-piece stator body is characterized in that the entire stator body is made in one piece over its circumference. The stator body is generally formed from a large number of stacked laminated electrical sheets, each of the electrical sheets being closed to form a circular ring. A segmented stator body is characterized in that it is made up of individual stator segment parts. The stator body can be made up of individual stator teeth or stator tooth groups, each individual stator tooth or each individual stator tooth group being formed from a large number of stacked laminated electrical sheets, each of the electrical sheets being designed as a stator segment sheet part.
Der Statorkörper ist bevorzugt aus einem oder mehreren Statorblechpaketen gebildet. Als Statorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Statorblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Statorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben.The stator body is preferably formed from one or more stator lamination packages. A stator lamination package is understood to be a plurality of laminated individual sheets or stator laminations, usually made from electrical steel, which are layered and packaged on top of one another to form a stack, the so-called stator lamination package. The individual sheets can then remain held together in the lamination package by gluing, welding or screwing.
In dem Statorkörper sind bevorzugt die Statorzähne des Stators ausgebildet. Als Statorzähne werden Bestanteile des Statorkörpers bezeichnet, die als umfänglich beabstandete, zahnartig radial nach innen gerichtete Teile des Statorkörpers ausgebildet sind und zwischen deren freien Enden und einem Rotorkörper ein Luftspalt für das Magnetfeld gebildet ist. Als Luftspalt wird der zwischen dem Rotor und dem Stator existierende Spalt bezeichnet. Bei einer Radialflussmaschine ist das ein im Wesentlichen kreisringförmiger Spalt mit einer radialen Breite, die dem Abstand zwischen Rotorkörper und Statorkörper entspricht.The stator teeth of the stator are preferably formed in the stator body. Stator teeth are components of the stator body that are designed as circumferentially spaced, tooth-like, radially inward-directed parts of the stator body and between whose free ends and a rotor body an air gap for the magnetic field is formed. The air gap is the gap that exists between the rotor and the stator. In a radial flow machine this is an essentially circular ring-shaped gap with a radial width that corresponds to the distance between the rotor body and the stator body.
Der Stator ist insbesondere für die Verwendung in einer elektrischen Maschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist die elektrische Maschine eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.The stator is particularly intended for use in an electric machine within a drive train of a motor vehicle. The electric machine is particularly intended for use within a drive train of a hybrid or fully electric motor vehicle. In particular, the electric machine is dimensioned such that vehicle speeds greater than 50 km/h, preferably greater than 80 km/h and in particular greater than 100 km/h can be achieved. The electric machine particularly preferably has an output greater than 30 kW, preferably greater than 50 kW and in particular greater than 70 kW. It is further preferred that the electric machine provides speeds greater than 5,000 rpm, particularly preferably greater than 10,000 rpm, most preferably greater than 12,500 rpm.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Mehrzahl, bevorzugt alle der elektrischen Leiter eine im Querschnitt im Wesentlichen rechteckige Kontur aufweisen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass auf in der Regel standardmäßig verfügbare elektrische Leiter zur Ausbildung der Statorwicklung zurückgegriffen werden kann, was hinsichtlich der Fertigungskosten des Stators besonders günstig ist. Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Mehrzahl, bevorzugt alle der elektrischen Leiter im Querschnitt im Wesentlichen eine identische Kontur aufweisen. Es kann hierdurch erreicht werden, dass die Bauteil- und Fertigungs-Komplexität des Stators geringgehalten werden kann, was ebenfalls zu günstigen Fertigungsprozessen beiträgt.According to an advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the majority, preferably all, of the electrical conductors have a substantially rectangular contour in cross-section. The advantage of this embodiment is that electrical conductors that are generally available as standard can be used to form the stator winding, which is particularly favorable in terms of the manufacturing costs of the stator. According to a further preferred development of the invention, it can also be provided that the majority, preferably all, of the electrical conductors have a substantially identical contour in cross-section. This makes it possible to keep the component and manufacturing complexity of the stator low, which also contributes to favorable manufacturing processes.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims. The features listed individually in the dependent claims can be combined with one another in a technologically meaningful manner and can define further embodiments of the invention. In addition, the features specified in the claims are specified and explained in more detail in the description, with further preferred embodiments of the invention being presented.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl der Statorbleche, bevorzugt alle Statorbleche, im Wesentlichen identisch ausgebildet ist/sind. Durch die Verwendung von identischen Statorblechen kann die Herstellung der elektrischen Maschine vereinfacht werden, da keine unterschiedlichen Blechformen oder -größen verwendet werden müssen. Dies kann zu einer höheren Produktionsrate, geringeren Kosten und einer höheren Qualität der elektrischen Maschine führen. Es kann auch die Wartung und Reparatur erleichtern, da es einfacher ist, Ersatzteile zu beschaffen und einzubauen.According to an advantageous embodiment of the invention, it can be provided that a majority of the stator laminations, preferably all stator laminations, is/are essentially identical in design. Using identical stator laminations can simplify the manufacture of the electrical machine as there is no need to use different lamination shapes or sizes. This can lead to a higher production rate, lower costs and higher quality of the electrical machine. It can also make maintenance and repair easier as it is easier to obtain and install spare parts.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die zwei zueinander verdrehten Statorbleche axial voneinander beabstandet in dem Stator angeordnet sind. Durch den Abstand der beiden Statorbleche voneinander wird die Möglichkeit geschaffen, dass das Kühlfluid an mehreren Stellen durch den Stator strömen kann, was die Wärmeableitung verbessert. Dies kann die Effizienz und die Lebensdauer der elektrischen Maschine erhöhen.According to a further preferred development of the invention, it can also be provided that the two stator laminations twisted relative to one another are arranged axially spaced apart from one another in the stator. The spacing of the two stator laminations from one another creates the possibility for the cooling fluid to flow through the stator at several points, which improves heat dissipation. This can increase the efficiency and service life of the electrical machine.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass ein Statorblech eine Anzahl N an Statornuten aufweist, wobei in Umfangsrichtung jede X-te Statornut einen ersten aus einer ersten Umfangsrichtung in sie hineinragenden ersten Positionierungsabschnitt und jede Y-te Statornut einen aus einer zweiten Umfangsrichtung in sie hineinragenden zweiten Positionierungsabschnittaufweist, wobei X und Y die Umfangsposition einer Statornut repräsentieren. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass ein quasi symmetrisches Muster an Positionierungsabschnitten über die Statornuten verteilt bereitgestellt werden kann. Dies kann zu einer vereinfachten Herstellung sowie verbesserten Kühlleistung beitragen. Auch ist es möglich, den magnetischen Fluss durch den Stator auf besonders vorteilhafte Weise zu steuern.Furthermore, according to a likewise advantageous embodiment of the invention, it can be provided that a stator sheet has a number N of stator slots, wherein in the circumferential direction every Xth stator slot has a first positioning section protruding into it from a first circumferential direction and every Yth stator slot has a second positioning section protruding into it from a second circumferential direction, wherein X and Y represent the circumferential position of a stator slot. The advantageous effect of this embodiment is based on the fact that a quasi-symmetrical pattern of positioning sections can be provided distributed over the stator slots. This can contribute to simplified production and improved cooling performance. It is also possible to control the magnetic flux through the stator in a particularly advantageous manner.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Betrag von X gleich dem Betrag von Y ist, so dass die Anzahl der aus einer ersten Umfangsrichtung in eine X-te Statornut hineinragenden ersten Positionierungsabschnitte der Anzahl der aus einer zweiten Umfangsrichtung in eine Y-te Statornut hineinragenden zweiten Positionierungsabschnitte entspricht. Hierdurch kann das Erreichen einer gleichmäßigen Wärmeableitung erwartet werden. Dies bedeutet, dass die Wärme besonders gleichmäßig auf alle Teile bzw. Regionen des Stators verteilt wird, was die Lebensdauer sowie die Effizienz der elektrischen Maschine erhöhen kann, da die Wärmeableitung gleichmäßig ist und keine Hotspots vorhanden sind. Es kann auch die magnetische Induktion und die Leistung der elektrischen Maschine positiv beeinflusst werden, da die gleichmäßige Anordnung der Positionierungsabschnitte in den Statornuten die Induktion und den Fluss des magnetischen Feldes nicht oder nur in einem sehr geringen Maße negativ beeinträchtigen.According to another particularly preferred embodiment of the invention, it can be provided that the amount of X is equal to the amount of Y, so that the number of first positioning sections protruding from a first circumferential direction into an X-th stator slot corresponds to the number of second positioning sections protruding from a second circumferential direction into a Y-th stator slot. This can be expected to achieve uniform heat dissipation. This means that the heat is distributed particularly evenly across all parts or regions of the stator, which can increase the service life and efficiency of the electrical machine because the heat dissipation is uniform and there are no hotspots. The magnetic induction and the performance of the electrical machine can also be positively influenced because the uniform arrangement of the positioning sections in the stator slots does not negatively affect the induction and the flow of the magnetic field or only negatively affects it to a very small extent.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass in einem Statorblech die Anzahl N an Statornuten geteilt durch den Betrag von X oder den Betrag von Y einen ganzzahligen Wert ergibt, was ebenfalls zu einer besonders gleichmäßigen Wärmeabfuhr beitragen kann.Furthermore, the invention can also be further developed such that in a stator sheet the number N of stator slots divided by the amount of X or the amount of Y results in an integer value, which can also contribute to a particularly uniform heat dissipation.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass in einem Statorblech in Umfangsrichtung zwischen einer X-ten Statornut und einer Y-ten Statornut wenigstens eine Statornut angeordnet ist, die keine Positionierabschnitte aufweist. Hierdurch kann eine Erhöhung der Flexibilität bei der Gestaltung des Stators erreicht werden. Durch die Anordnung von mindestens einer Statornut ohne Positionierabschnitte, kann die elektrische Maschine so gestaltet werden, dass sie den Anforderungen der Anwendung und den Betriebsbedingungen besser entspricht, insbesondere hinsichtlich der Ausbildung der Strömungsverhältnisse und Strömungsquerschnitte in den Statornuten. Hierdurch kann die Kühlleistung weiter optimiert werden. Es kann auch die Herstellungskosten reduzieren, da keine Positionierabschnitte erforderlich sind und weniger Material verwendet wird.In a likewise preferred embodiment of the invention, it can also be provided that at least one stator slot that does not have any positioning sections is arranged in a stator sheet in the circumferential direction between an X-th stator slot and a Y-th stator slot. This can increase the flexibility in the design of the stator. By arranging at least one stator slot without positioning sections, the electrical machine can be designed in such a way that it better meets the requirements of the application and the operating conditions, in particular with regard to the formation of the flow conditions and flow cross sections in the stator slots. This can further optimize the cooling performance. It can also reduce manufacturing costs because no positioning sections are required and less material is used.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die aus einer ersten Umfangsrichtung in eine X-te Statornut hineinragenden ersten Positionierungsabschnitte sowie die aus einer zweiten Umfangsrichtung in eine Y-te Statornut hineinragenden zweiten Positionierungsabschnitte so ausgebildet sind, dass sie bei zwei zueinander verdrehten Statorblechen nur die Leiter einer ersten Phase innerhalb einer Statornut kontaktieren. Durch den Kontakt nur mit Leitern einer bestimmten Phase innerhalb einer Statornut, kann der Stromfluss in der elektrischen Maschine gesteuert werden und dadurch die Effizienz erhöht werden. Es kann auch die Wartung und Reparatur erleichtern, da es einfacher ist, Fehler in einer bestimmten Phase zu identifizieren und zu beheben.It can also be advantageous to further develop the invention in such a way that the first positioning sections protruding from a first circumferential direction into an X-th stator slot and the second positioning sections protruding from a second circumferential direction into a Y-th stator slot are designed such that, when two stator laminations are rotated relative to one another, they only contact the conductors of a first phase within a stator slot. By only contacting conductors of a specific phase within a stator slot, the current flow in the electrical machine can be controlled and efficiency can thus be increased. It can also make maintenance and repair easier, as it is easier to identify and correct faults in a specific phase.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass ein Statorblech aus einer ersten Umfangsrichtung in eine A-te Statornut hineinragende dritte Positionierungsabschnitte sowie aus einer zweiten Umfangsrichtung in eine B-te Statornut hineinragende vierte Positionierungsabschnitte aufweist, die so ausgebildet sind, dass sie bei zwei zueinander verdrehten Statorblechen nur die Leiter einer zweiten Phase innerhalb einer Statornut kontaktieren und/oder ein Statorblech aus einer ersten Umfangsrichtung in eine C-te Statornut hineinragende fünfte Positionierungsabschnitte e sowie aus einer zweiten Umfangsrichtung in eine D-te Statornut hineinragende sechste Positionierungsabschnitte aufweist, die so ausgebildet sind, dass sie bei zwei zueinander verdrehten Statorblechen nur die Leiter einer dritten Phase innerhalb einer Statornut kontaktieren.According to a further preferred embodiment of the subject matter of the invention, it can be provided that a stator sheet has third positioning sections protruding from a first circumferential direction into an A-th stator slot and fourth positioning sections protruding from a second circumferential direction into a B-th stator slot, which are designed such that, when two stator sheets are rotated relative to one another, they only contact the conductors of a second phase within a stator slot and/or a stator sheet has fifth positioning sections protruding from a first circumferential direction into a C-th stator slot. Positioning sections e and sixth positioning sections projecting from a second circumferential direction into a D-th stator slot, which are designed such that when two stator laminations are rotated relative to one another, they only contact the conductors of a third phase within a stator slot.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die Statornuten eine trapezförmige Querschnittskontur aufweisen, wobei die Längsseite der trapezförmigen Querschnittskontur den Nutgrund der jeweiligen Statornut definiert. Durch die im Querschnitt trapezförmigen Nuten kann ein möglichst großer Kühlfluidfluss ermöglicht und der Druckverlust innerhalb einer direkt gekühlten Statornut verringert werden. Die trapezförmige Kontur einer Statornut stellt einen guten Kompromiss zwischen der Kühlung bzw. dem Druckverlust und der Elektromagnetik im Bereich einer Statornut dar. Finally, the invention can also be advantageously designed such that the stator slots have a trapezoidal cross-sectional contour, with the long side of the trapezoidal cross-sectional contour defining the slot base of the respective stator slot. The slots with a trapezoidal cross-section enable the greatest possible cooling fluid flow and reduce the pressure loss within a directly cooled stator slot. The trapezoidal contour of a stator slot represents a good compromise between the cooling or pressure loss and the electromagnetics in the area of a stator slot.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to figures without limiting the general inventive concept.
Es zeigt:
-
1 einen Ausschnitt eines Stators in einer Querschnittsdarstellung, -
2 eine Detailansicht eines Statorausschnitts in einer Querschnittsdarstellung, -
3 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Achsantriebsstrang in einer schematischen Darstellung, -
4 eine elektrische Maschine in einer Axialschnittdarstellung.
-
1 a section of a stator in a cross-sectional view, -
2 a detailed view of a stator section in a cross-sectional view, -
3 a motor vehicle with an electric axle drive train in a schematic representation, -
4 an electrical machine in an axial section view.
Die
Der Stator 1 ist aus einer Vielzahl von paketierten Statorblechen 11 zylinderringartig ausgebildet und weist eine Mehrzahl von Statorzähnen 5 auf, welche in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Statorzähnen 5 jeweils eine sich in radialer Richtung erstreckende sowie in axialer Richtung durch den Stator 1 verlaufende Statornut 6 mit zwei Nutseitenwänden 7 und einem Nutgrund 8 definieren, in welche eine bestrombare Wicklung 9 umfassend eine Mehrzahl von Leitern 10 eingelegt ist. Die Statornuten 6 verfügen über eine trapezförmige Querschnittskontur, wobei die Längsseite der trapezförmigen Querschnittskontur den Nutgrund 8 der jeweiligen Statornut 6 definiert.The
Die Statorbleche 11 besitzen einen aus einer ersten Nutseitenwand 7a einer ersten Statornut 6a herausragenden und mit einem in der ersten Statornut 6a befindlichen Leiter 10a in Kontakt stehenden ersten Positionierungsabschnitt 12a und einen aus einer zweiten Nutseitenwand 7b einer zweiten Statornut 6b herausragenden und mit einem in der zweiten Statornut 6b befindlichen Leiter 10b in Kontakt stehenden zweiten Positionierungsabschnitt 12b, wobei wenigstens zwei der Statorbleche 11a, 11b so zueinander verdreht sind, dass der erste Positionierungsabschnitt 12a und der zweite Positionierungsabschnitt 12b aus unterschiedlicher umfänglicher Richtung jeweils in die zumindest abschnittsweise axial von einem Kühlfluid 13 durchströmbare erste Statornut 6a und die zumindest abschnittsweise axial von dem Kühlfluid 13 durchströmbare zweite Statornut 6b hineinragen. Dies wird auch gut aus der Zusammenschau von
Das gezeigte Ausführungsbeispiel des Stators 1 besitzt 72 Statornuten 6. Wenn nun beispielsweise jedes der Statorbleche 11 in Umfangsrichtung immer um eine Statornut 6 versetzt bzw. verdreht wird, dann würde in axialer Richtung jedes 18nte Statorblech 11 ein erster Positionierungsabschnitt 12a (von rechts) und um neun Statornuten 6 in Umfangsrichtung versetzt, jedes 18nte Statorblech 11 ein zweiter Positionierungsabschnitt 12b (von links) an den entsprechenden elektrischen Leitern 10 einer Statornut 6 anliegen. So kann die Zentrierung der elektrischen Leiter 10 in den Statornuten 6 durch lediglich einen Blechschnitt bewirkt werden, der entsprechend verdreht in dem Stator 1 angeordnet werden kann. Hierbei sind dann alle Statorbleche 11 im Wesentlichen identisch ausgebildet.The embodiment of the
Durch das Verdrehen der Statorbleche 11 im Stator 1 liegt also jeder elektrischer Leiter 10 jedes x-ten Statorblechs 11 an der einen und jedes y-te Statorblech 11c an der anderen Seite einer Nutseitenwand 17 bzw. eines Positionierungsabschnitts 12 an. In den restlichen Statorblechen 11 entsteht dann in den Statornuten 6 ein Zwischenraum für das Kühlfluid 13. In dem gezeigten Beispiel der
Wie in der
In dem Statorblech 11 ergibt somit die Anzahl N an Statornuten 6 geteilt durch den Betrag von X oder den Betrag von Y einen ganzzahligen Wert.In the
Was der Figur auch entnommen werden kann ist, dass in einem Statorblech 11 in Umfangsrichtung zwischen einer X-ten Statornut 6x und einer Y-ten Statornut 6y zwei Statornuten 6 angeordnet sind, die keine Positionierabschnitte 12a, 12b aufweisen.What can also be seen from the figure is that in a
Die aus einer ersten Umfangsrichtung in eine X-te Statornut 6x hineinragenden ersten Positionierungsabschnitte 12a sowie die aus einer zweiten Umfangsrichtung in eine Y-te Statornut 6y hineinragenden zweiten Positionierungsabschnitte 12b sind so ausgebildet, dass sie bei zwei zueinander verdrehten Statorblechen 11 nur die Leiter 10 einer ersten Phase innerhalb einer Statornut 6 kontaktieren.The
Ersichtlich ist aus der
Man erkennt, dass die ersten Positionierungsabschnitte 12a und die zweiten Positionierungsabschnitte 12b an etwa der gleichen radialen Position an einer Statornut 6 ausgebildet sind. Gleiches gilt in analoger Weise auch für die dritten Positionierungsabschnitte 12c und den vierten Positionierungsabschnitten 12d sowie für die fünften Positionierungsabschnitte 12d und die sechsten Positionierungsabschnitte 12e. Man erkennt, dass die paarweise zugeordneten Positionierungsabschnitte 12 an voneinander unterschiedlichen radialen Positionen ausgebildet sind.It can be seen that the
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.The invention is not limited to the embodiments shown in the figures. The above description is therefore not to be regarded as restrictive, but as explanatory. The following patent claims are to be understood in such a way that a named feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of further features. If the patent claims and the above description define 'first' and 'second' features, this designation serves to distinguish between two similar features without establishing a ranking.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Statorstator
- 22
- elektrische Maschineelectric machine
- 33
- AntriebsstrangDrivetrain
- 44
- KraftfahrzeugMotor vehicle
- 55
- StatorzähneStator teeth
- 66
- StatornutStator slot
- 77
- NutseitenwändeGroove side walls
- 88th
- NutgrundGroove base
- 99
- WicklungWinding
- 1010
- LeiterDirector
- 1111
- StatorblecheStator laminations
- 1212
- PositionierungsabschnittPositioning section
- 1313
- KühlfluidCooling fluid
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 3157138 A1 [0007]EP 3157138 A1 [0007]
- DE 102015013018 A1 [0008]DE 102015013018 A1 [0008]
Claims (10)
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|---|---|---|---|
| DE102023101615.6A DE102023101615A1 (en) | 2023-01-24 | 2023-01-24 | stator |
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| DE102021107454A1 (en) | 2021-03-25 | 2022-09-29 | Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft | Stator device for an electrical machine and method of manufacture |
-
2023
- 2023-01-24 DE DE102023101615.6A patent/DE102023101615A1/en active Pending
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| SCHIEFER, Markus (Autor); Karlsruher Institut für Technologie (Hrsg.): Indirekte Wicklungskühlung von hochausgenutzten permanenterregten Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklung. Karlsruhe : 2017. Deckblatt u. Inhaltsverzeichnis. URL: http://www.gbv.de/dms/tib-ub-hannover/1005015937.pdf [abgerufen am 2021-03-19]. - Dissertation |
| SCHNEIDER, Erik [u.a.]: Hochintegrativ und flexibel - Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. In: Automobiltechnische Zeitschrift (ATZ), Bd. 113, 2011, H. 5, S. 360-365. - ISSN 0001-2785 (P); 2192-8800 (E). DOI: 10.1365/s35148-011-0086-0. URL: https://link.springer.com/content/pdf/10.1365/s35148-011-0086-0.pdf [abgerufen am 2022-07-04]. |
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