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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der
US-Provisional patent application Nr. 62/474.444 , eingereicht am 21. März 2017, deren gesamter Inhalt hierin durch Verweis aufgenommen wird.
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GEBIET
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Dieses Dokument bezieht sich auf das Gebiet der Elektromaschinen, insbesondere der Elektromaschinen mit verteilten Statorwicklungen für den Einsatz in Fahrzeugen.
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HINTERGRUND
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Dynamoelektrische Maschinen in Automobil- und anderen Fahrzeuganwendungen umfassen Lichtmaschinen, Lichtmaschinenstarter, Fahrmotoren, Hybridantriebsmotoren und andere Anwendungen. Der Stator einer elektrischen Maschine beinhaltet typischerweise einen zylindrischen Kern, der als Stapel von einzelnen Blechen ausgebildet ist und eine Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Nuten aufweist, die sich axial durch den Statorkern erstrecken. Eine Rotoranordnung beinhaltet eine Mittelwelle und ist koaxial zum Statorkern angeordnet. Der Statorkern weist darauf gewickelte Drähte in Form von Wicklungen auf, die sich axial durch eine der Kernnuten erstrecken. Endwindungen werden in den Wicklungen an den beiden axialen Enden des Statorkerns gebildet, wobei eine bestimmte Wicklung eine Endschleife aufweist, die sich in Umfangsrichtung zu einer anderen Nut erstreckt. Auf diese allgemeine Weise erstreckt sich eine Statorwicklung axial von Ende zu Ende in ausgewählten aus der Vielzahl der Statorkernnuten und erstreckt sich in Umfangsrichtung zwischen den Nuten gemäß einem gewählten Verdrahtungsmuster.
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Der Stator kann mit einer beliebigen Anzahl von getrennten Phasenwicklungen, wie beispielsweise dreiphasigen, fünfphasigen, sechsphasigen usw., gebildet werden und bestimmt so das allgemeine Verdrahtungsmuster, das beim Wickeln des Statorkerns zu realisieren ist. Statorwicklungen können in verschiedenen Formen und Konfigurationen bereitgestellt werden, einschließlich konzentrierter Statorwicklungen und verteilter Statorwicklungen. Die konzenterierten Statorwicklungen sorgen für klar definierte Pole am Stator, wobei jede Nut des Stators einen einzigen Pol definiert. Konzentrierte Wicklungen werden typischerweise aus einem länglichen Leiter gebildet, der mehrfach um einen Zahn des Stators gewickelt ist, wobei die N- und S-Pole durch die Wicklungsrichtung in jeder Nut definiert sind. Konzentrierte Wicklungen sind vorteilhaft, da sie für eine niedrige Wicklungskopfhöhe sorgen und somit der elektrischen Maschine eine geringere Größe ermöglichen. Darüber hinaus können konzentrierte Wicklungen einfach an ein bestimmtes Drehmoment-Geschwindigkeitskurvenprofil angepasst werden, indem die Wicklungen an eine gewünschte Anzahl von Wicklungen und Drahtdurchmesser angepasst werden. Leider neigen konzentrierte Wicklungen dazu, eine geringere Nutfüllung und einen relativ hohen Schallpegel zu haben.
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Im Gegensatz zu konzentrierten Wicklungen werden verteilte Wicklungen gebildet, indem Leiter in mehreren Nuten platziert werden, um einen einzigen Pol zu bilden. Infolgedessen sorgen verteilte Wicklungen für Wicklungen, die stärker verteilt und über den Stator „verteilt“ sind, wobei verschiedene Wicklungsphasen in verschiedenen Nuten überlappen. Verteilte Wicklungen haben typischerweise eine höhere Wicklungskopfhöhe als konzentrierte Wicklungen, da sich die Leiter an den Wicklungsköpfen über viele Nuten erstrecken müssen. Ungeachtet einer typischerweise größeren Wicklungskopfhöhe haben verteilte Wicklungen jedoch mehrere Vorteile gegenüber konzentrierten Wicklungen, darunter wünschenswerte Leistungsmerkmale und weniger akustische Geräusche.
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Verteilte konzentrierte Wicklungen können von einem Hersteller verwendet werden, abhängig von der jeweiligen Anwendung für die elektrische Maschine. Wenn beispielsweise Platzbedingungen wichtig sind, kann der Hersteller dazu neigen, konzentrierte Wicklungen zu verwenden. Wenn jedoch akustische Geräusche eine wichtige Rolle spielt, kann der Hersteller dazu neigen, verteilte Wicklungen zu verwenden.
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Vor diesem Hintergrund wäre es vorteilhaft, eine elektrische Maschine mit einer reduzierten Wicklungskopfhöhe bereitzustellen und so Platz in der jeweiligen Anwendungsumgebung zu sparen. Es wäre auch vorteilhaft, wenn eine solche elektrische Maschine verteilte Wicklungen für eine verbesserte Leistung und reduzierte akustische Geräusche beinhalten könnte.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Offenbarung ist eine Statoranordnung vorgesehen, die einen Statorkern mit verteilten Wicklungen umfasst, die vom Statorkern gehalten werden. Der Statorkern definiert einen Außendurchmesser und einen Innendurchmesser mit längserstreckten Nuten, die zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser gebildet werden. Der Statorkern definiert weiterhin eine Kernhöhe, die sich in Längsrichtung von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende des Statorkerns erstreckt. Die verteilten Wicklungen beinhalten einen in den Nuten des Statorkerns angeordneten Nutenabschnitt, einen ersten Wicklungskopfabschnitt, der an das erste Ende des Statorkerns angrenzt, und einen zweiten Wicklungskopfabschnitt, der an ein zweites Ende des Statorkerns angrenzt. Der erste Wicklungskopfabschnitt definiert eine erste Wicklungskopfhöhe, die sich vom ersten Ende des Statorkerns bis zu einem Scheitelpunkt des ersten Wicklungskopfabschnitts erstreckt. Ein Verhältnis der ersten Wicklungskopfhöhe zum Außendurchmesser des Statorkerns ist kleiner oder gleich 0,07.
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Gemäß einer anderen exemplarischen Ausführungsform der Offenbarung ist eine elektrische Maschine vorgesehen, die einen Rotor und eine Statoranordnung umfasst. Die Statorbaugruppe beinhaltet einen Außendurchmesser und einen Innendurchmesser. Der Rotor ist zumindest teilweise innerhalb des Innendurchmessers der Statorbaugruppe positioniert. Die Statoranordnung beinhaltet einen Statorkern, der den Außendurchmesser und den Innendurchmesser definiert, und verteilte Wicklungen mit einem In-Nut-Abschnitt und zwei Wicklungskopfabschnitten, die an gegenüberliegenden Enden der Statoranordnung vorgesehen sind. Ein Verhältnis der Höhe eines der beiden Wicklungskopfabschnitte zum Außendurchmesser der Statorbaugruppe ist kleiner oder gleich 0,07. Eine erste Kupplung ist zumindest teilweise im Rotor angeordnet. Eine zweite Kupplung ist neben dem Rotor angeordnet. Statorbaugruppe, Rotor, erste Kupplung und zweite Kupplung sind alle in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
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Gemäß noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der Offenbarung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das einen Motor mit einer Abtriebswelle, ein Getriebe, eine Motortrennkupplung und eine elektrische Maschine umfasst. Das Getriebe ist mit dem Motor gekoppelt, wobei zwischen dem Getriebe und dem Motor ein Raum definiert ist, der zumindest teilweise durch einen axialen Abstand zwischen Motor und Getriebe definiert ist. Eine Motorentriegelungskupplung ist im Raum zwischen dem Getriebe und dem Motor angeordnet, die Motorentriegelungskupplung ist mit der Abtriebswelle des Motors verbunden. Mindestens ein Fahrzeugantriebselement ist mit dem Getriebe gekoppelt. Die elektrische Maschine ist im Raum zwischen dem Getriebe und dem Motor positioniert, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und eine Statoranordnung beinhaltet, die Statoranordnung einen Stator-Kern und verteilte Wicklungen beinhaltet und die Motorentriegelungskupplung zumindest teilweise im Rotor positioniert ist.
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Die oben beschriebenen Merkmale und Vorteile, sowie andere, werden für Fachleute durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die dazugehörigen Zeichnungen deutlicher sichtbar. Während es wünschenswert wäre, eine kompakte elektrische Maschine bereitzustellen, die eines oder mehrere dieser oder anderer vorteilhafter Merkmale bietet, erstrecken sich die hierin offenbarten Lehren auf diejenigen Ausführungsformen, die in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen, unabhängig davon, ob sie einen oder mehrere der oben genannten Vorteile erfüllen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine perspektivische Schnittansicht einer elektrischen Maschine mit einer Statorbaugruppe mit kompakter Konfiguration.
- 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Statorkern der Statorbaugruppe von 2.
- 3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Statorbaugruppe von 1, isoliert von der elektrischen Maschine.
- 4 zeigt eine Seitenansicht von vier Leitern einer verteilten Wicklung der Statorbaugruppe von 3.
- 5 zeigt eine Seitenansicht der Statorbaugruppe von 3.
- 6 zeigt eine Draufsicht auf die Statorbaugruppe von 3.
- 7 zeigt ein Fahrzeug mit der darin positionierten elektrischen Maschine von 1.
- 8A zeigt eine Seitenansicht von zwei Wicklungsköpfen der Statorbaugruppe von 3.
- 8B zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts eines der Wicklungsköpfe von 8a.
- 8C zeigt eine Darstellung der Wicklungskopfhöhe (HT ) im Vergleich zur Draht-/Leiterdicke (W).
- 8D zeigt eine Querschnittsansicht der Leiter in Nuten des Kerns für einen Pol der Statorbaugruppe von 3; und
- 8E zeigt eine Darstellung des Wirkungsgrades vs. Drehzahl für eine erste elektrische Maschine mit 24 Polen und eine zweite elektrische Maschine mit 28 Polen.
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BESCHREIBUNG
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In Bezug auf 1 ist eine elektrische Maschine 10 dargestellt. Die elektrische Maschine 10 beinhaltet ein Gehäuse 12, das einen Rotor 20 und eine Statoranordnung 50 umschließt. Eine Motorausrückkupplung 30 ist innerhalb des Rotors 20 angeordnet. Die Statoranordnung 50 beinhaltet einen Kern 52 mit verteilten Wicklungen 60, die auf dem Kern 52 angeordnet sind. Die verteilten Wicklungen 60 weisen eine geringe Wicklungskopfhöhe im Verhältnis zum Außendurchmesser des Statorkerns auf und ermöglichen so einen flachen Stator, der so konfiguriert ist, dass er in einen kompakten Raum, wie beispielsweise einen kompakten Fahrzeugraum, passt.
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Der Rotor 20 der elektrischen Maschine 10 beinhaltet ein Rotorgehäuse 22 mit einer Außenfläche, die einen Außendurchmesser für den Rotor 20 definiert, und einer Innenfläche, die einen Innendurchmesser für den Rotor 20 definiert. Der Rotor 20 beinhaltet ferner eine Vielzahl von Permanentmagneten 24, die in das Rotorgehäuse 22 eingebettet sind. In alternativen Ausführungsformen kann die elektrische Maschine jedoch keine Permanentmagnetmaschine sein, sondern eine andere Art von Maschine, wie z.B. eine Induktionsmaschine, eine synchrone Reluktanzmaschine, etc.
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Die Motorausrückkupplung 30 ist zumindest teilweise innerhalb des Innendurchmessers des Rotors 20 positioniert. Die Motorausrückkupplung 30 ist konfiguriert, um die elektrische Maschine 10 und einen Motor zu verbinden oder zu trennen (z.B. siehe den Verbrennungsmotor 82, wie in 7 dargestellt). In der Ausführungsform von 1 ist die Motorausrückkupplung vollständig im Innendurchmesser des Rotors 20 positioniert. Die Motorausrückkupplung 30 kann in einer beliebigen Anzahl von Formen, wie beispielsweise verschiedenen Arten von Reibungskupplungen oder einer beliebigen anderen Kupplung, vorgesehen werden. In mindestens einer Ausführungsform beinhaltet die Motorausrückkupplung 30 mehrere Scheiben 32, einschließlich eines ersten Satzes von Scheiben, die am Rotor 20 befestigt sind, und eines zweiten Satzes von Scheiben, die an einer Nabe 34 befestigt sind. Wenn die Kupplung bei ausgekuppelten Scheiben 32 geöffnet ist, kann sich die Nabe 34 relativ zum Rotor 20 frei drehen; wenn die Kupplung bei eingekuppelten Scheiben 32 geschlossen wird, wird die Nabe 34 beim Rotor 20 in Rotation versetzt.
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In mindestens einer Ausführungsform, wie in 1 dargestellt, ist auch eine Startkupplung 40 im Gehäuse 12 der elektrischen Maschine 10 benachbart zum Rotor 20 verpackt. Die Startkupplung 40 ist konfiguriert, um die elektrische Maschine 10 und ein Getriebe zu verbinden oder zu trennen (z.B. siehe Getriebe 84, wie in 7 dargestellt). In der Ausführungsform von 1 ist die Startkupplung 40 eine Kupplung einer Doppelkupplungsanordnung. Bei der Doppelkupplungsanordnung sind zwei Kupplungen vorgesehen, wobei jede Kupplung selektiv in das Getriebe ein- oder ausgekuppelt werden kann, um die Untersetzung im Getriebe zu ändern (d.h. zu schalten). Jede Kupplung kann selektiv geöffnet oder geschlossen werden (d.h. ausgekuppelt oder eingerastet). Beide Kupplungen können bei laufendem Motor geöffnet werden, damit die elektrische Maschine elektrische Energie erzeugen kann, ohne dass das Fahrzeug angetrieben wird. Ähnlich wie die Ausrückkupplung 20 kann die Startkupplung 40 auch in verschiedenen Formen geliefert werden. In der Ausführungsform von 1 ist jede der Doppelkupplungen als Reibungskupplung vorgesehen.
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An der Außenseite des Gehäuses 12 der elektrischen Maschine ist ein Kupplungssteuerungsmodul 36 vorgesehen. Das Kupplungssteuerungsmodul 36 beinhaltet eine Elektronik, die steuert, ob die Motorausrückkupplung 30 und die Startkupplung 40 zu einem bestimmten Zeitpunkt geöffnet oder geschlossen sind. Das Kupplungssteuerungsmodul 36 kann auch eine Elektronik bereitstellen, die zum Steuern des Getriebes konfiguriert ist, wie im Folgenden näher erläutert.
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Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1 ist der Rotor 20 der elektrischen Maschine 10 konfiguriert, um sich innerhalb einer Statoranordnung 50 zu drehen. Die Statoranordnung 50 beinhaltet einen Kern 52 mit verteilten Wicklungen 60, die auf dem Kern 52 angeordnet sind. Der Kern 52 ist im Allgemeinen zylindrisch geformt und besteht aus einer Vielzahl von Blechen. Die Bleche sind im Allgemeinen ringförmig und bestehen aus einem ferromagnetischen Material. Die Bleche werden übereinander gestapelt und bilden den kompletten Kern 52. Wie in 2 dargestellt, beinhaltet der Stator eine Innenfläche 54 und eine Außenfläche 56. Zwischen der Innenfläche 54 und der Außenfläche 56 sind eine Vielzahl von Nuten 58 gebildet, wobei Öffnungen zu den Nuten 58 auf der Innenfläche 54 vorgesehen sind. Die Nuten 58 sind durch die Zähne 59 getrennt und erstrecken sich in Längsrichtung durch den Statorkern 52 von einem Ende bis zu einem gegenüberliegenden Ende. Die Nuten sind zur Aufnahme der Statorwicklungen 60 konfiguriert. In der Ausführungsform von 2 beinhaltet der Kern 52 einhundertvierundvierzig (144) Nuten, die konfiguriert sind, um sechzehn Pole für die elektrische Maschine bereitzustellen (wie durch die Ziffern 1-16 in 2 vermerkt), wenn die Statorwicklungen 60 darauf gewickelt sind, wobei sich jeder Pol über neun Nuten des Statorkerns erstreckt.
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Die Statorwicklungen 60 der elektrischen Maschine 10 sind aus Leitern gebildet, die in die Nuten des Statorkerns 52 eingeführt sind. 3 zeigt die Statorbaugruppe 50 mit den Statorwicklungen 60 auf dem Statorkern. Die Statorwicklungen 60 beinhalten einen ersten Wicklungskopfabschnitt 62, einen zweiten Wicklungskopfabschnitt 64 und einen nutenförmigen Abschnitt 66. Der erste Wicklungskopfabschnitt 62 erstreckt sich von einem Ende 53 des Statorkerns 52, und der zweite Wicklungskopfabschnitt 64 erstreckt sich von dem gegenüberliegenden Ende 55 des Statorkerns 52. Die Nutenabschnitte 66 der Statorwicklungen 60 erstrecken sich durch die Nuten 58 im Statorkern von einem Ende 53 bis zum gegenüberliegenden Ende 55.
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Die Statorwicklungen
60 sind verteilte Statorwicklungen, die mit einer von verschiedenen Leiteranordnungen gebildet werden können. So werden beispielsweise in mindestens einer Ausführungsform die verteilten Stator-Wicklungen als kaskadierte Wicklungen ausgebildet. Kaskadierte Wicklungen werden typischerweise aus länglichen Leitersegmenten für jede Phase hergestellt, wobei die länglichen Leitersegmente gebogen und dann radial in die Nuten des Statorkerns eingesetzt werden. Ein Beispiel für kaskadierte Wicklungen ist in der
US-Patentanmeldungsveröffentlichung 2015/0054374 , eingereicht am 23. August 2013, dargestellt, deren Inhalt hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird. Wenn eine Wicklung kaskadiert wird, werden mindestens drei aufeinanderfolgende Leiterabschnitte jedes Leitersegments in einer gleichen Schicht positioniert, wobei jede Schicht durch eine Leiterordnung in radialer Richtung des Statorkerns definiert ist. Ein Beispiel für Leiterabschnitte in einer kaskadierten Wicklungsanordnung ist durch die Wicklungskopfabschnitte von
4 dargestellt.
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Wie in 4 dargestellt, erstrecken sich vier Leiter, die Wicklungskopfabschnitte 62 einer Wicklungsanordnung bereitstellen, von einem Ende 53 eines Statorkerns 52. Die vier Leiter beinhalten einen innersten Leiter 70, einen ersten Zwischenleiter 72, einen zweiten Zwischenleiter 74 und einen äußersten Leiter 76. Jeder in 4 dargestellte Leiter beinhaltet einen ersten Nutabschnitt, einen Wicklungskopfabschnitt und einen zweiten Nutabschnitt, die alle in derselben Schicht angeordnet sind. So beinhaltet beispielsweise der äußerste Leiter 76 einen ersten In-Nut-Abschnitt 76a in einer vierten Schicht einer Nut, einen Wicklungskopfabschnitt 76b in einer vierten Schicht des Wicklungskopfs und einen zweiten In-Nut-Abschnitt 76c in einer vierten Schicht einer anderen Nut. Der erste nutenförmige Abschnitt 76a ist in einer ersten Nut des Statorkerns 52 positioniert. Der Wicklungskopfabschnitt 76b ist außerhalb des Statorkerns 52 angeordnet und beinhaltet einen Scheitel 78. Der zweite In-Nut-Abschnitt 76c ist in einer zweiten Nut des Statorkerns 52 positioniert, die sich von der ersten Nut unterscheidet. Die anderen Leiter von 4 sind ähnlich angeordnet, wobei der zweite Zwischenleiter 74 in einer dritten Schicht, der erste Zwischenleiter 72 in einer zweiten Schicht und der innerste Leiter 70 in einer ersten Schicht angeordnet sind. Daher sind für einen gegebenen Leiter (z.B. 76) mindestens ein erster Nutabschnitt (z.B. 76a), der zusammenhängende Wicklungskopfabschnitt (z.B. 76b) und der nächste zusammenhängende Nutabschnitt (z.B. 76c) alle in der gleichen Schicht angeordnet. Bei der Herstellung dieser kaskadierten Wicklungsanordnung kann jeder der Leiter in einer sequentiellen Reihenfolge in die Nuten des Statorkerns 52 eingesetzt werden. Die Leiter in einer kaskadierten Wicklungsanordnung sind daher nicht verschachtelt. Die Leiter können auch aus einem durchgehenden Draht gebildet sein, der sich über eine oder mehrere vollständige Überlappungen um den Umfang des Statorkerns 52 erstreckt.
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In mindestens einer alternativen Ausführungsform werden die Wicklungen aus einer Vielzahl von relativ kurzen Leitersegmenten gebildet, die als U-förmige Leiter ausgebildet sind, wobei jeder U-förmige Leiter zwei Schenkel aufweist, die durch einen Wicklungskopfabschnitt verbunden sind. Die Schenkel der U-förmigen Leiter werden in Längsrichtung in die Nuten eingeführt, wobei die Wicklungsköpfe an einem Ende des Statorkerns verbleiben, und die Schenkel werden dann am gegenüberliegenden Ende des Statorkerns verbunden. Wicklungen, die mit U-förmigen Leitersegmenten gebildet sind, können verschachtelt (und nicht kaskadiert) werden mit jedem Schenkel eines U-förmigen Leiters, der in einer anderen Schicht der Nut (z.B. kann ein erster Schenkel des U-förmigen Leiters der erste Leiter in der Nut sein, und der zweite Schenkel des U-förmigen Leiters kann der zweite Leiter in einer anderen Nut sein). Ein Beispiel für solche Leiter ist im
US-Patent Nr. 7,622,843 dargestellt, das am 11. Juni 2007 eingereicht und am 24. November 2009 erteilt wurde und dessen Inhalt hierin durch Verweis in seiner Gesamtheit aufgenommen wurde.
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Wie vorstehend erwähnt, sind die Statorwicklungen 60 verteilte Wicklungen in den hierin beschriebenen Ausführungsformen. Es wird jedoch erkannt, dass die Wicklungen in einer beliebigen Anzahl von verschiedenen Konfigurationen bereitgestellt werden können, wie es von denjenigen mit Fachkenntnissen erkannt wird, die gleichzeitig eine elektrische Maschine mit den gewünschten Leistungsmerkmalen vorsehen. So können beispielsweise die Statorwicklungen in einem Wicklungsmuster bereitgestellt werden, das ein Split-Phasentyp, ein ungeteilter Phasentyp oder eine Lap-Wound ist. Wenn die Statorwicklungen konfiguriert sind, um eine mehrphasige Wicklungsanordnung bereitzustellen, kann die Statorwicklung drei Phasen, fünf Phasen, sechs Phasen oder eine andere Anzahl von gewünschten Phasen vorsehen. Die Statorwicklungen sind auf dem Kern angeordnet, um eine vorbestimmte Anzahl von Polen zu ergänzen, die durch den Rotor definiert sind, wie z.B. sechzehn Pole (wie verdeutlicht wird durch die Zahlen 1-16, die in 2 um den Stator herum angeordnet sind), zwanzig Pole oder vierundzwanzig Pole.
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In den hierin offenbarten Ausführungsformen ist zu beachten, dass der standardmäßige Wicklungskopf der Statorwicklungen 60 größer als sieben ist. So ist beispielsweise in der Ausführungsform von 4 der Wicklungskopf neun. Es ist jedoch zu beachten, dass in verschiedenen Ausführungsformen je nach gewünschter Wicklungsanordnung unterschiedliche Wicklungsköpfe verwendet werden können. Die Spule kann auch eine Full-Pitch-Spule oder eine Fractional-Pitch-Spule sein, abhängig von der Anzahl der Nuten, Pole und Phasen der elektrischen Maschine. Auf jeden Fall ist das Verhältnis der Wicklungskopfhöhe zum Außendurchmesser des Statorkerns typischerweise deutlich größer als 0,07, wenn die Standarddrehung der Statorwicklungen relativ hoch ist (d.h. größer als sieben). Wie im Folgenden näher beschrieben, ist jedoch in den verschiedenen hier offenbarten Ausführungsformen das Verhältnis der Wicklungskopfhöhe zum Außendurchmesser des Statorkerns kleiner oder gleich 0,07, was zu einer kompakteren Statoranordnung mit einer relativ niedrigen Wicklungskopfhöhe führt.
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Darüber hinaus sind die Leiter der Wicklungen 60 konfiguriert, um eine Spulenwicklung mit einem hohen Nutfüllfaktor (z.B. >63%) und Draht zu verwenden, wobei mindestens zwei Seiten im Wesentlichen parallel zueinander sind (z.B. rechteckiger Draht). Die Leiter der Wicklungen 60 können eine Beschichtung oder eine andere auf dem Leiter vorgesehene Isolierung beinhalten, wie beispielsweise eine emaillierte Beschichtung, einen Folienwickelisolator oder eine Kombination aus emaillierter und Folienwickelisolierung.
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In mindestens einer Ausführungsform sind die Statorwicklungen konfiguriert für den Einsatz in einer elektrischen Maschine mit einem Nennspannungspegel zwischen 24V und 120V, z.B. 24V, 48V, etc.. In einem anderen Gehäuse können die Statorwicklungen für eine elektrische Maschine mit einer anderen Nennspannung, wie beispielsweise zwischen 120V und 360V oder 360V und 700V, konfiguriert werden.
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Unter Bezugnahme auf die 5 und 6 ist nun eine Statorbaugruppe 50 mit verteilten Windungen 60 auf dem Statorkern 52 dargestellt. Der Statorkern 52 ist definiert durch eine Kernhöhe Hc, einen Innendurchmesser ID und einen Außendurchmesser OD. Die Kernhöhe Hc ist definiert durch den Abstand zwischen dem ersten Ende 53 und dem zweiten Ende 55 des Statorkerns 52. Der Innendurchmesser ID wird durch den Durchmesser eines Kreises definiert, der entlang der Innenfläche 54 des Statorkerns 52 definiert ist. Der Außendurchmesser OD ist definiert durch den Durchmesser eines Kreises, der entlang der Außenfläche 56 des Statorkerns 52 definiert ist (ohne Berücksichtigung verschiedener Anomalien bei Vorsprüngen und Vertiefungen, die entlang der Außenfläche 56 des Statorkerns auftreten können).
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Die verteilten Wicklungen 60 sind definiert durch einen In-Nut-Abschnitt 66 (nicht in 5 dargestellt) mit einer Höhe, die gleich Hc ist, einen Wicklungskopfabschnitt 64 mit einer Höhe h2 und einen Führungsabschnitt 68 mit einer Höhe hL . Die Höhe h2 ist der Abstand von einem Ende 55 des Statorkerns 52 zum Scheitelpunkt der Leiter des unteren Wicklungskopfabschnitts 64 der Wicklungen 60. Die Höhe h1 des Leitungsabschnitts 68 ist der Abstand von einem anderen Ende 53 des Statorkerns 52 zu den Enden der Leitungen, die sich vom oberen Wicklungskopfabschnitt 62 erstrecken. Der obere Wicklungskopfabschnitt ist auch durch eine Höhe h1 definiert, d.h. der Abstand vom Ende 53 des Statorkerns 52 zum Scheitelpunkt der Leiter des ersten Wicklungskopfabschnitts 62. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Höhe h1 gleich oder verschieden von der Höhe h2 sein. Es wird anerkannt, dass aufgrund kleiner Abweichungen in den Höhen der Leiter am Scheitelpunkt die Höhen h1 und h2 durch einen Mittelwert, Median oder Modus der Abstände vom Ende 53 oder 55 zum Statorkern zum Scheitelpunkt jedes Leiters am Wicklungskopfabschnitt 62 oder 64 definiert sein können.
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Unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 5 und 6 beträgt in mindestens einer Ausführungsform der Außendurchmesser des Kerns 270 mm, die Kernhöhe Hc 60 mm, die Höhen h1 und h2 17,6 mm und die Höhe hL . des Führungsabschnitts 39 mm. Das Verhältnis der Wicklungskopfhöhe h1 oder h2 der Wicklungen zum Außendurchmesser OD des Kerns beträgt 17,6/270 = 0,065 (was kleiner ist als das angegebene Verhältnis von 0,07). Es wird jedoch anerkannt, dass zahlreiche andere Ausführungsformen der Statorbaugruppe mit unterschiedlichen Abmessungen für den Statorkern und die Wicklungen möglich sind. Zum Beispiel ist der OD in mindestens einer Ausführungsform der Statorkern kleiner oder gleich 180 mm (d.h. OD ≤ 180) und die kleinste Wicklungskopfhöhe kleiner oder gleich 12,5 mm (z.B. h1 ≤ 12,5), wobei das Verhältnis von h1 / OD von etwa 0,07 oder weniger beträgt (z.B. 12,4/179 = 0,069). Als weiteres Beispiel ist der OD der Statorkern in mindestens einer Ausführungsform kleiner oder gleich 220 mm (d.h. OD ≤ 220), und die kleinste Wicklungskopfhöhe ist kleiner oder gleich 15,0 mm (z.B. h1 ≤ 15,0), wobei das Verhältnis von h1 / OD von etwa 0,07 oder weniger beträgt (z.B. 14,9/219 = 0,068). Als noch ein weiteres Beispiel, in mindestens einer Ausführungsform, ist der OD der Statorkern kleiner oder gleich 270 mm (d.h. der OD ≤ 270), und die kleinste Wicklungskopfhöhe ist kleiner oder gleich 16,0 mm (z.B. h1 ≤16,0), wobei das Verhältnis von h1 / OD von etwa 0,06 oder weniger (z.B. 15,9/269 = 0,059) beträgt. Als noch ein weiteres Beispiel, in mindestens einer Ausführungsform, ist der OD der Statorkern größer als 270 mm (d.h. OD < 270), und die kleinste Wicklungskopfhöhe ist kleiner oder gleich 13,5 mm (z.B. h1 ≤ 13,5), wobei das Verhältnis von h1 / OD von etwa 0,05 oder weniger (z.B. 13,4/271 = 0,049) beträgt.
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Die Statoranordnung 50 beinhaltet einen Statorkern 52 mit verteilten Wicklungen. 60 ist mit spezifischen Abmessungen ausgeführt, die vorteilhaft für eine kompakte elektrische Maschine mit gewünschten Leistungsmerkmalen sorgen. Insbesondere ist in den hierin offenbarten Ausführungsformen ist eine elektrische Maschine mit verteilten Wicklungen so ausgelegt und bemessen, dass das Verhältnis der kürzeren Wicklungskopfhöhe h1 oder der Wicklungen zum Außendurchmesser OD des Kerns kleiner oder gleich 0,07, 0,06 oder sogar 0,05 ist. Statorbaugruppen 50 mit verteilten Wicklungen dieser Abmessungen bieten wünschenswerte Leistungsmerkmale, einschließlich reduzierter akustischer Geräusche und einer relativ hohen Polzahl mit geringen Wechselstromverlusten. Die Anordnung ist besonders nützlich für die Realisierung insbesondere von hybriden Elektrofahrzeuganwendungen.
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Mit Bezug nun auf die 8A-8E, die Gleichung für die Wicklungskopfhöhe HT (d.h. die Höhe des Wicklungskopfs in axialer Richtung) kann mathematisch (mittels Trigonometrie) definiert werden:
- 1) Theta = arcsin ((C+W)/a)
- 2)HT=L+H1+H2+H3+H2+W
d.h. HT = L + [Cos(theta)*R1] +[1-Cos(theta)*R2] +[Tan(theta)*((a*P/2)- X1-X2)] + W
Wobei:
- 3) X1 = R1-Sin(theta)*R1 (wie in den 8A und 8B dargestellt, R1 ist der Innenradius, der die obere Kurve/Apsis der Endkurve definiert, und X1 ist der Umfangsabstand, der durch den Innenradius, der die obere Kurve/Apsis definiert, gespannt wird).
- 4) X2 = Sin(theta)*R2 (wie in den 8A und 8B dargestellt, ist R2 der Innenradius, der die untere Kurve der dem Statorkern am nächsten liegenden Endkurve definiert, und X2 ist der Umfangsabstand, der von dem Innenradius überspannt wird, der die untere Kurve definiert).
- 5) a = PI*D/# von Nuten (wie in den 8 A und 8B dargestellt, D ist die Tiefe jedes Wicklungskopfleiters in radialer Richtung)
- 6) Anzahl der Nuten = Anzahl der Pole * Anzahl der Phasen * Anzahl der Nuten pro Pol pro Phase
- 7) W = die Breite der einzelnen Wicklungskopfleiter (wie in den 8 A und 8B dargestellt)
- 8) C = der Abstand zwischen den Wicklungskopfleitern in dem Wicklungskopf (wie in 8A dargestellt)
- [0053] 9) L = der Abstand des geraden Schenkels (d.h. der Abstand von der Oberfläche des Statorkerns (z.B. das erste Ende 53) bis zur unteren Kurve der Endwendung).
- 10) H1 = die axiale Höhe des Innenradius, der die untere Kurve des Wicklungskopfs näher am Statorkern definiert.
- 11) H2 = die axiale Höhe des Innenradius, der die obere Kurve/Apsis des Wicklungskopfs definiert.
- 12) H3 = die axiale Höhe des Wicklungskopfsegments zwischen H1 und H2
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Für eine gegebene Konstruktion ergibt das Anschließen verschiedener Werte von W das Diagramm in 8C. 8C zeigt, dass die Drahtdicke W einen großen Einfluss auf die Wicklungskopfhöhe hat. Die Reduzierung der Drahtdicke W erhöht jedoch den Statorphasenwiderstand (Ohm), da der Widerstand proportional zur Länge/Fläche ist, wobei die Fläche für einen rechtwinkligen Draht der Drahtdicke W mal der Drahtetiefe D entspricht. Eine Erhöhung des Widerstands ist für ein gegebenes Motordesign unannehmbar, da sie zu schlechter Leistung und Motorüberhitzung führt. Es wurde festgestellt, dass eine Erhöhung der Polzahl eine Reduzierung der Drahtdicke W ohne eine unzulässige Erhöhung des Statorphasenwiderstands ermöglicht. Ein Motor mit einer Erhöhung der Polzahl ermöglicht die Reduzierung der Breite W aus den folgenden Gründen 1) - 3), wie in den folgenden Abschnitten dargelegt:
- 1) Ein Motor mit erhöhter Polzahl führt dazu, dass ein Stator eine reduzierte Anzahl von Statordrahtumdrehungen aufweist, da die Leerlaufspannung (manchmal auch als Back-EMF oder „BEMF“ bezeichnet) eines Motors bei einer bestimmten Drehzahl proportional zur Anzahl der Pole ist, die die Anzahl der elektrischen Umdrehungen des Stators übersteigt.
- 2) Die Reduzierung der Anzahl der Statorumdrehungen führt zu einem geringeren Phasenwiderstand (Ohm), da die Anzahl der Windungen proportional zum quadratischen Widerstand des Drahtes ist. So verdoppelt beispielsweise die Verdoppelung der Windungszahl die Drahtlänge und halbiert die Drahtquerschnittsfläche (bei einer gegebenen Nutgröße) und der Drahtwiderstand ist proportional zur Drahtlänge dividiert durch die Drahtquerschnittsfläche.
- 3) Bei einem geringeren Phasenwiderstand kann die Drahtdicke W vergrößert werden, um den Phasenwiderstand Ohm auf Normalwerte zu bringen, ohne die Motorleistung oder Überhitzung zu beeinträchtigen.
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Die Erhöhung der Polzahl hat negative Auswirkungen. Der negative Effekt sind zwei Verluste - Statorblech-Wirbelstromverluste und Skin-Effekt-Kupferverluste, die proportional zur Polzahl sind. Mit zunehmender Polzahl nehmen diese beiden Verluste zu - was sich stark auf den Motorwirkungsgrad auswirkt. Es wurde festgestellt, dass es eine Obergrenze für nachhaltige Wirbelstrom- und Skin-Effekt-Kupferverluste gibt, um einen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten, den ein Hybridmotor tolerieren kann, bevor der Motor Schwellenwerte für Leistung und Überhitzung erreicht. Zunächst muss der Motor mit mehreren parallelen Drähten ausgelegt werden, so dass die Drahttiefe d gering ist. Eine geringe Drahttiefe d reduziert die Verluste durch Skin-Effekte. Vorzugsweise ist die Anzahl der parallelen Drähte drei oder vier, aber es können mehr verwendet werden. 8D ist eine Teilansicht eines Stators mit 2 Nuten pro Pol pro Phase und 4 parallelen Drähten. Es werden nur die Drähte einer Phase eines Pols dargestellt. Es gibt 8 Drähte in jeder Nut und 16 Drähte in jedem Pol (nur ein Pol ist dargestellt). Die Anzahl der Nuten pro Pol und Phase entspricht der Anzahl der Drähte in einem Pol geteilt durch die Anzahl der Drähte in einer Nut. In diesem Fall ist also die Anzahl der Nuten pro Pol pro Phase 16/8 = 2. Es gibt auch 4 parallele Drähte - Draht A, Draht B, Draht C und Draht D. Per Definition hat jeder Draht 4 Windungen, weil jeder Draht 4 Nutsegmente in dem dargestellten Pol hat. Es wurde bestimmt, dass für einen Motor, der in der Nähe von 7000 U/min rot ist und ein Motor ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 hat (so dass die maximale Motordrehzahl ebenfalls 7000 U/min beträgt), die Obergrenze für tolerierbare Gesamtverluste bei einem Motor mit 24 Polen erreicht wird. 8E zeigt den Wirkungsgrad eines 24- und 28-poligen Motors bei einem bestimmten Drehmoment (d.h. 50 NM im Diagramm von 8E). Der Wirkungsgrad des 28-poligen Motors bei der Höchstdrehzahl 7000 U/min liegt unter der akzeptablen Wirkungsgradlinie, was dazu führt, dass der Motor durch das Motorkühlungssystem nicht akzeptabel gekühlt wird und der Motor überhitzt wird. Daher ist der 1 : 1 Getriebe-Hybrid-Fahrmotor (mit einer maximalen Drehzahl von 7000 U/min) mit der kürzesten Wicklungskopfhöhe und nachhaltigen Verlusten ein Motor mit 20-24 Polen.
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Um den Draht schließlich einfach herzustellen, ist es wünschenswert, eine Drahtgröße zu haben, die etwa 2 mm breit (W) und 1,5 mm tief (D) ist. Um die W von 2mm zu erreichen, muss der Draht in mehrere Nuten pro Pol und Phase aufgeteilt werden. Die Anzahl der Nuten in einem Statorblech für einen Stator mit 2 Nuten pro Pol pro Phase ist das Doppelte der Anzahl der Phasen und der Anzahl der Pole. So hat beispielsweise ein Stator mit 2 Nuten pro Pol pro Phase, 3 Phasen und 24 Polen 144 Nuten (d.h. 2 × 3 × 24 = 144). Beachten Sie, dass die Erhöhung der Anzahl der Nuten pro Pol und Phase die Drahtbreite W reduziert, aber nicht unbedingt die Wicklungskopfhöhe, da die Wickelneigung zunimmt.
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Unter Bezugnahme nun auf 7 ist die elektrische Maschine 10 in mindestens einer Ausführungsform in einem Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) 80 angeordnet. Der HEV 80 beinhaltet einen Motor 82, die elektrische Maschine 10, ein Getriebe 84, ein oder mehrere Differenziale 86 und Fahrzeugantriebsteile in Form von Fahrzeugrädern 88. Die elektrische Maschine 10 ist zwischen dem Motor 82 und dem Getriebe 84 positioniert. Wie vorstehend beschrieben, beinhaltet die elektrische Maschine 10 eine Statoranordnung 50 mit einem darin angeordneten Rotor. Eine Reihe von Kupplungen werden mit dem Gehäuse 12 der elektrischen Maschine 10 mit einer Motorausrückkupplung 30 und einer Startkupplung 40 gehalten. Die Motorausrückkupplung 30 koppelt oder entkoppelt den Motor 82 an oder von der elektrischen Maschine 10, und die Startkupplung 40 koppelt oder entkoppelt das Getriebe 84 an oder von der elektrischen Maschine 10.
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Der Motor 82 in der hierin offenbarten Ausführungsform ist ein Motor, der in Verbindung mit Fahrzeugen verwendet werden kann, wie beispielsweise ein Verbrennungsmotor. Es wird anerkannt, dass der Motor 82 in mindestens einer alternativen Ausführungsform von einer alternativen Energiequelle, wie beispielsweise einer Brennstoffzelle, bereitgestellt wird. Der Motor 82 ist konfiguriert, um eine der verschiedenen Kraftstoffquellen wie Benzin, Diesel, Biokraftstoff usw. zu verwenden. Der Motor beinhaltet eine Abtriebswelle 83, die über die der elektrischen Maschine 10 zugeordneten Kupplungen 30 und 40 mit dem Getriebe 84 gekoppelt ist.
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Das Getriebe 84 kann eine von verschiedenen Arten von Getrieben sein, wie beispielsweise ein automatisches Stufengetriebe, ein stufenloses Getriebe oder ein automatisiertes Schaltgetriebe. Das Getriebe ist konventionell mit den Antriebsrädern 88 verbunden, die ein oder mehrere Differenziale 86 beinhalten können, wie in 7 dargestellt. Das Getriebe kann das Fahrzeug mit zwei Antriebsrädern (z.B. Vorderradantrieb oder Hinterradantrieb) oder vier Antriebsrädern (z.B. Allradantrieb) versehen. Das Getriebe wird unter Verwendung einer Getriebesteuereinheit gesteuert, um nach einem Schaltplan zu arbeiten, der Elemente innerhalb des Getriebes des Getriebes verbindet und trennt, um das Verhältnis zwischen dem Getriebeausgang und dem Getriebeeingang zu steuern. In mindestens einer Ausführungsform wird die Getriebesteuereinheit vom Steuermodul 36 bereitgestellt und ist auch zum Steuern des Betriebs der Motorausrückkupplung 30 und der Startkupplung 40 sowie verschiedener anderer Komponenten innerhalb des Getriebes 84 oder des Gehäuses 12 der elektrischen Maschine konfiguriert.
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Im Fahrzeug 80 existiert ein relativ kleiner Raum zwischen dem Motor 82 und dem Getriebe 84. Der Raum kann im Allgemeinen durch ein axiales Maß und zwei radiale Maße definiert werden. Das Achsmaß ist tendenziell besonders begrenzt, da zwischen Motor und Getriebe ein relativ kleiner Abstand vorgesehen ist. So ist beispielsweise bei vielen HEVs der axiale Abstand (z.B. da, wie in 7 dargestellt) zwischen Motor und Getriebe kleiner oder gleich 500 mm und oft kleiner oder gleich 150 mm. In diesen HEVs ermöglicht die kompakte Konfiguration der elektrischen Maschine 10 mit einem Rotor 20 und einer Statorbaugruppe 50 mit gemeinsam gelagerter Motorausrückkupplung 30 und Startkupplung 40, dass das gesamte Gehäuse 12 der elektrischen Maschine 10 zwischen dem Motor 82 und dem Getriebe 84 passt. Die kompakte Konfiguration der elektrischen Maschine wird zum Teil auf die verteilten Wicklungen der elektrischen Maschine 10 zurückgeführt, wobei das Verhältnis der kürzeren Wicklungskopfhöhe h1 oder h2 der Wicklungen zum Außendurchmesser OD des Kerns kleiner oder gleich 0,07, 0,06 oder sogar 0,05 ist.
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Im Betrieb ermöglicht die elektrische Maschine 10 mit verteilten Wicklungen und einer gemeinsam gelagerten Motorausrückkupplung 30 und Startkupplung 40 verschiedene Betriebsarten. Wenn beispielsweise die Startkupplung 40 geöffnet und die Motorentriegelungskupplung geschlossen ist, kann die elektrische Maschine 10 in einem Startmodus verwendet werden, um den Fahrzeugmotor 82 zu starten. Nach dem Zünden des Motors 82 kann die elektrische Maschine 10 als Generator in einem Erzeugungsmodus verwendet werden. Wenn während des Betriebs des Fahrzeugs eine Drehmomentunterstützung für die Räder 88 erforderlich ist, kann die elektrische Maschine in einen Motorbetrieb mit geschlossener Startkupplung 40 versetzt werden, so dass Strom an das Getriebe 84 und andere Komponenten des Antriebsstrangs. Alternativ kann die elektrische Maschine in einen reinen Leistungsmodus versetzt werden, bei dem die Motorausrückkupplung 30 geöffnet und die Startkupplung geschlossen ist, so dass nur die elektrische Maschine die Räder 88 des Fahrzeugs 80 antreibt.
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Die vorstehende detaillierte Beschreibung einer oder mehrerer exemplarischer Ausführungsformen des Stators der elektrischen Maschine mit kompakter Konfiguration wurde hierin nur als Beispiel und nicht als Einschränkung dargestellt. Es wird anerkannt, dass es Vorteile für bestimmte hierin beschriebene individuelle Merkmale und Funktionen gibt, die ohne Einbeziehung anderer hierin beschriebener Merkmale und Funktionen erreicht werden können. Darüber hinaus wird anerkannt, dass verschiedene Alternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen der oben genannten exemplarischen Ausführungsformen und anderer Merkmale und Funktionen oder Alternativen davon in vielen anderen verschiedenen Ausführungsformen, Systemen oder Anwendungen sinnvoll kombiniert werden können. Gegenwärtig unvorhergesehene oder unerwartete Alternativen, Änderungen, Variationen oder Verbesserungen können von Fachleuten nachträglich vorgenommen werden, die auch von den beigefügten Ansprüchen erfasst werden sollen. Daher sollten sich Geist und Umfang der beigefügten Ansprüche nicht auf die Beschreibung der hierin enthaltenen exemplarischen Ausführungsformen beschränken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 62474444 [0001]
- US 2015/0054374 [0019]
- US 7622843 [0021]
