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Bei
Elektromaschinen mit hoher Leistungsabgabe, insbesondere für Hybridgetriebe
von Kraftwagen, ist aufgrund der hohen Temperaturentwicklung eine
aktive Ölkühlung des
Statorpaketes der Elektromaschine erforderlich. Eine derartige Kühlung kann
erzielt werden, indem der das Statorpaket außenumfänglich umgebende Statorträger an seinem Außenumfang
mit Kühlrippen
versehen wird, um so eine Wärmeaustauschfläche zwischen
dem Statorträger
und dem ihn umgebenden Öl
zu erhalten. Bislang werden Statorträger aus Stahl verwendet, die entweder
als Gussteil oder Blechumformteil erzeugt werden. Das Statorpaket
wird in der Folge in diese Statorträger eingepresst. Da im Betrieb
der Elektromaschine ein dem Rotordrehmoment entgegengesetztes Drehmoment
auf den Stator wirkt, muss dieser gehalten werden. Dazu ist ein
Kraftschluss zwischen Statorpaket und Statorträger nötig. Dieser wird in der Regel
erzeugt, indem Statorpaket und Statorträger über eine Presspassung verbunden
werden. In anderen Worten ist der Außendurchmesser des Statorpaketes
bei gleicher Bauteiltemperatur größer als der Innendurchmesser
des Statorträgers.
Zum Fügen
der beiden Bauteile wird der Statorträger erwärmt, so dass sich dieser ausdehnt
und das Statorpaket gekühlt,
so dass dieses kontrahiert. Durch die thermische Ausdehnung bzw.
Kontraktion werden also Innendurchmesser des Statorträgers und
Außendurchmesser
des Statorpaketes aneinander angepasst, so dass das Statorpaket
in den Statorträger eingefügt werden
kann. Beim Angleichen der Temperaturen der beiden Bauteile dehnt
sich das Statorpaket wieder aus und der Statorträger kontrahiert sich, so dass
ein hoher Pressdruck zwischen Außenfläche des Statorpaketes und der
Innenfläche
des Statorträgers
entsteht. Die Kühlrippen
der Außenfläche des Statorträgers werden
in der Regel anschließend
spanend eingebracht. Dies ist nachteiligerweise aufwendig und kostenintensiv.
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Um
den Wirkungsgrad der Kühlung
des Stators weiter zu verbessern und die Befestigung des Statorträgers im
Getriebegehäuse,
welches in der Regel aus Aluminium gefertigt ist, zu optimieren,
ist es ideal, den Statorträger
selbst aus Aluminium zu fertigen. Aufgrund der hohen Duktilität von Aluminium
lässt sich
beim Einpressen des Statorpaketes in den Statorträger jedoch
nicht die nötige Überdeckung
erzielen, die für
eine hinreichend hohe Presspassung von Statorpaket und Statorträger nötig wäre. Deswegen
können
bei derartigen Elektromaschinen in der Regel keine Aluminium-Statorträger eingesetzt
werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung zum kraftschlüssigen Verbinden eines Statorelements
und eines Statorträgers
so weiterzuentwickeln, dass die Verwendung von Statorträgern aus Aluminium
möglich
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
8 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
9 gelöst.
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In
einem ersten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum kraftschlüssigen Verbinden eines
Statorelements und eines Statorträgers einer Elektromaschine
wird zunächst
der Statorträger
um einen Außenumfang
des Statorelements angeordnet. Das Statorelement ist dabei in Form
eines zylindrischen Stapels dünner
Metallplatten, insbesondere Elektrobleche ausgeführt, welche durch eine Beschichtung
bzw. ein zwischen jeweils zwei Platten eingebrachtes Isolatorelement
gegeneinander isoliert sind. Eine derartige Plattenanordnung vermeidet die
Entstehung von Wirbelströmen
im Betrieb der Elektromaschine. Das Statorelement umfasst dabei einen
ebenfalls zylindrischen inneren Hohlraum zur Aufnahme des Rotors
der Elektromaschine. Der Statorträger ist ebenfalls als zylindrisches
Hohlprofil ausgeführt,
wobei der Innendurchmesser des Statorträgers im Wesentlichen dem Außendurchmesser des
Statorelements entspricht. Im zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird schließlich
die kraftschlüssige
Verbindung zwischen Statorträger und
Statorelement durch Umformen, insbesondere Drückwalzen, insbesondere des
Statorträgers
erzeugt. Es ist also nicht mehr nötig, die beiden Bauteile auf
unterschiedliche Temperaturen zu bringen und anschließend in
axialer Richtung zu verpressen, vielmehr werden Statorträger und
Statorelement bei gleicher Bauteiltemperatur durch radiale Presskräfte beim
Umwalzen miteinander verbunden. Die beim Drückwalzen einwirkenden Kräfte sind
dabei vorteilhafterweise sehr gleichmäßig, so dass im Gegensatz zum
axialen Einpressen oder Einschrumpfen des Statorelements in den
Statorträger
im fertig geformten Stator kaum radial Zugeigenspannungen vorliegen.
Der Stator kann daher mit geringeren Wanddicken des Statorträgers gefertigt
werden, was das Bauteilgewicht vorteilhaft verringert. Durch das gleichmäßige Anpressen
des Statorträgers
an das Statorelement beim Drückwalzen
wird zudem die Entstehung eines Spaltes zwischen Statorpaket und Statorträger vermieden.
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Dadurch
wird in vorteilhafter Weise der Wärmeübergang zwischen Statorpaket
und Statorträger, und
damit auch die Wärmeabfuhr über die
Außenwandung
des Statorträgers
verbessert. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil auf,
dass für
den Statorträger
die Verwendung von Aluminium als Werkstoff ermöglicht wird. Dies verringert
weiter das Bauteilgewicht des fertigen Stators und verbessert die
Wärmeleitfähigkeit
vom Statorelement zur Außenwandung
des Statorträgers.
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Es
ist dabei besonders vorteilhaft, beim Umformen, insbesondere beim
Drückwalzen
eine Profilierung im Außenumfang
des Statorträgers
einzubringen. Dadurch wird die Außenfläche des Statorträgers, über welche
eine aktive Ölkühlung erfolgen kann,
vergrößert, so
dass sich die Wärmeabfuhr
aus dem Stator weiter verbessert. Durch das profilierende Drückwalzen
wird gleichzeitig ein zweiter Bearbeitungsschritt, in welchem derartige
Profilierungen durch spanende Verfahren eingebracht würden, eingespart.
Das Verfahren ist somit kostengünstig
und prozesstechnisch einfacher durchführbar.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird zunächst
das Statorelement vor dem Anordnen des Statorträgers auf einen Dorn einer Haltevorrichtung aufgesteckt
und in Axialrichtung eingespannt. Durch dieses Einspannen wird eine
spätere
axiale Ausdehnung des Statorpaketes beim Drückwalzen vermieden, so dass
eine prozesssichere und maßgenaue Herstellung
des Stators möglich
wird. Es ist weiterhin vorteilhaft, auch den Statorträger nach
dem Anordnen um den Außenumfang
des Statorelements in Axialrichtung relativ zu dem Statorelement
festzulegen. Auch hier wird ein Fließen des Statorelements in Axialrichtung
während
des Drückwalzens
verhindert und wiederum die Maßgenauigkeit
der Fertigung verbessert.
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Beim
Einspannen des Statorelements und/oder des Statorträgers kann
weiterhin in zumindest einer Stirnseite des Statorelements und/oder des
Statorträgers
eine Kontur, insbesondere eine Phase eingeformt werden. Der Prozess
wird dadurch weiter vereinfacht, da nachträgliche Umformschritte zum Erzeugen
derartiger Konturen entfallen und keine zusätzlichen Werkzeuge benötigt werden.
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Anstelle
der Verwendung eines profilierenden Drückwalzverfahrens ist es auch
möglich,
einen Statorträger
mit vorprofiliertem Außenumfang
einzusetzen. Damit sind Außenprofilierungen
des Statorträgers
möglich,
die für
profilierende Drückwalzverfahren
aus geometrischen Gründen
nicht darstellbar wären.
Es ist darüber
hinaus möglich,
auch eine Vorprofilierung auf der Innenseite des Statorträgers, bzw.
auf der Außenseite
des Statorelements vorzunehmen. Beim Drückwalzen wird das jeweilige
Gegenstück
der Profilierung durch den Walzdruck an die Profilierung angepasst,
so dass sich neben dem Kraftschluss zwischen Statorträger und
Statorelement ein zusätzlicher
Formschluss ergibt. So wird eine Übertragung noch höherer Drehmomente
zwischen Statorelement und Statorträger ermöglicht, was den Einsatz nach
einem derartigen Verfahren gefertigter Statoren in besonders leistungsfähigen Elektromaschinen
ermöglicht.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zum kraftschlüssigen
Verbinden eines Statorelements und eines Statorträgers einer
Elektromaschine ist als erster Schritt vorgesehen, dass der Statorträger durch
einen Walzenumformprozess, insbesondere Profilwalzen, hergestellt
wird. In einem zweiten Schritt wird der Statorträger um einen Außenumfang
des Statorelements angeordnet, woraufhin in einem dritten Schritt
die kraftschlüssige
Verbindung zwischen dem Statorträger
und dem Statorelement durch einen elektromagnetischen Umformprozess
hergestellt wird, wobei insbesondere der Statorträger umgeformt
wird. Dieses erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
eine besonders feste Verbindung zwischen dem Statorträger und
dem Statorelement, wodurch durch die Elektromaschine ein besonders
hohes Drehmoment erzeugbar und übertrag
ist.
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Als
Walzumformprozess ist vorteilhafter Weise ein Profilwalzen vorgesehen,
bei welchem in einer Mehrzahl an Prozessstufen der Statorträger ausgehend
von einer Form eines Rohbauteils, welche einer fertigen Endform
des Statorträger
stark ähnelt,
hergestellt wird. Dadurch ist ein kostengünstiger Herstellprozess des
Statorträgers
geschaffen, welcher Gesamtkosten der Elektromaschine gering hält. Durch
ein derartiges Near-Net-Shape-Umformverfahren
des Statorträgers
ist es ermöglicht,
sowohl einen Innendurchmesser des Statorträgers als auch ringförmige Rippen
einer Außengeometrie
desselbigen einbaufertig umgeformt auf kostengünstige Weise auszubilden, wodurch
anschließende
Umformprozesse und damit erhöhte
Prozesskosten vermieden sind. Zudem ist es mittels dieses Verfahrens
möglich, einen
Strömungsquerschnitt
zwischen den Rippen, die die Funktion von Kühlrippen übernehmen, ausreichend groß auszubilden,
womit auch dadurch zusätzliche
nachgelagerte Bearbeitungsprozesse obsolet sind.
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Dadurch,
dass als Rohbauteil ein Bauteil gewählt wird, welches der Endform
des Statorträgers insbesondere
in seinen Dimensionen und seiner Grundform stark ähnelt, ist
ein nötiger
Umformgrad sehr gering gehalten, wodurch eine Zeit und somit auch
Kosten dieses Umformprozesses gering gehalten werden.
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Ist
also der Statorträger
auf diese Art und Weise mittels dieses Verfahrens separat hergestellt, wird
er um den Außenumfang
des Statorelements angeordnet, woraufhin die kraftschlüssige Verbindung
zwischen dem Statorträger
und dem Statorelement durch den elektromagnetischen Umformprozess
hergestellt wird, wodurch eine besonders feste Verbindung zwischen
dem Statorträger
und dem Statorelement hergestellt wird zur Erreichung des in diesem
Zusammenhang bereits beschriebenen Vorteils.
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An
dieser Stelle sei angemerkt, dass bei dieser Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
der Statorträger
durchaus im Wesentlichen aus Stahl gebildet sein kann, vorteilhafter
Weise ist er jedoch im Wesentlichen aus Aluminium gebildet. Die Ausbildung
des Statorträgers
aus Aluminium birgt dabei den Vorteil, dass Aluminium zum einen
eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist, was einer Kühlung der
Elektromaschine zuträglich
ist zur Erzielung einer höheren
Leistung. Zum anderen weist Aluminium andere elektromagnetische
Eigenschaften auf als Stahl, wobei das Statorpaket in der Regel
ebenfalls im Wesentlichen aus Stahl gebildet ist. Dies hat zur Folge,
dass bei dem elektromagnetischen Umformprozess gezielt ein Bauteil,
also entweder den Statorträger
oder das Statorelement in gewünschter
Weise umformbar ist, ohne beide Bauteil auf Grund gleicher elektromagnetischer
Eigenschaften zu beeinflussen. Des Weiteren weist der Statorträger aus
Aluminium ein geringeres spezifisches Gewicht auf, wodurch auch
ein Gesamtgewicht der Elektromaschine gering gehalten werden kann.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum kraftschlüssigen Verbinden
eines Statorelements und eines Statorträgers einer Elektromaschine.
Die Vorrichtung umfasst dabei eine Halteeinrichtung mittels welcher
der Statorträger
um einen Außenumfang
des Statorelements anordnenbar ist. Die Vorrichtung umfasst weiterhin
eine Umformeinrichtung, mittels welcher die kraftschlüssige Verbindung zwischen
dem Statorträger
und dem Statorelement durch Umformen, insbesondere durch Drückwalzen, insbesondere
des Statorträgers
herstellbar ist. Eine derartige Vorrichtung bietet die bereits eingangs
bezüglich
des Verfahrens genannten Vorteile. Insbesondere wird ein eigenspannungsarmes
Fügen von Statorelement
und Statorträger
ermöglicht,
wobei eine Spaltbildung zwischen beiden Bauteilen vermieden wird,
so dass der Wärmeübergang
zwischen den Bauteilen verbessert wird. Die Vorrichtung ist dabei konstruktiv
einfach gehalten, so dass der gesamte Verbindungsprozess zwischen
Statorelement und Statorträger
in einem einzigen Werkzeug erfolgen kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Halteeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Dorn,
auf welchen das Statorelement vor dem Anordnen des Statorträgers aufsteckbar
ist, sowie eine Spanneinrichtung, mittels welcher das Statorelement
in Axialrichtung einspannbar ist. Bevorzugterweise ist eine weitere Spanneinrichtung vorgesehen,
mittels welcher der Statorträger
nach dem Anordnen um den Außenumfang
des Statorelements in Axialrichtung relativ zu dem Statorelement festlegbar
ist. Durch beide Halteeinrichtungen wird eine passgenaue Anordnung
der beiden zu verbindenden Bauteile gewährleistet. Die Spanneinrichtungen
verhindern weiterhin eine axiale Ausdehnung der Bauteile während des
Drückwalzens,
so dass die Maßgenauigkeit
immer gewährleistet
bleibt. Es ist dabei besonders vorteilhaft, die Halteeinrichtung drehbar
gelagert anzuordnen, so dass beim Drückwalzen durch die Umformeinrichtung
die Kombination aus Statorelement und Statorträger gegenläufig zu den Walzrollen rotieren
kann, wobei die Druckkräfte
sich gleichmäßig um den
Außenumfang
der Kombination aus Statorträger
und Statorelement verteilen.
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Im
Folgenden soll anhand der Zeichnungen die Erfindung und ihre Ausführungsformen
näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
kraftschlüssigen
Verbinden eines Statorelements eines Statorträgers, wobei die Walzrollen
nicht dargestellt sind, und
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2 einen
Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei
lediglich die Umformeinrichtung, nicht jedoch die Halteeinrichtung
gezeigt ist, und
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3 eine
perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Herstellen eines Statorträgers einer Elektromaschine
durch Profilwalzen sowie eine schematische Seitenansicht dieser
Vorrichtung sowie eine perspektivische Ansicht verschiedener Prozessstufen
des mittels Profilwalzens hergestellten Statorträgers sowie abschnittsweise
zu den einzelnen Prozessstufen zugehörige Querschnittsansichten
des Statorträgers.
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1 stellt
einen schematischen Längsschnitt
durch eine Halteeinrichtung 10 einer Vorrichtung zum kraftschlüssigen Verbinden
eines Statorelements 12 mit einem Statorträger 14 einer
Elektromaschine dar. Die Einrichtung ist dabei rotationssymmetrisch
bezüglich
der Achse 16. Das Statorelement 12 ist als hohlzylindrischer
Stapel einzelner Metallplatten 18, von denen der Übersichtlichkeit
halber nicht alle bezeichnet sind, ausgeführt. An den Grenzflächen 20 der
Metallplatten 18 sind dabei isolierende Schichten angeordnet,
die die einzelnen Metallplatten 18 des Statorelements 12 gegeneinander isolieren.
Dadurch wird die Bildung von Wirbelströmen im Statorelement 12 beim
Betrieb der Elektromaschine verhindert. Die Isolierung kann dabei
in Form einer Beschichtung auf die Metallplatten aufgebracht werden,
es ist jedoch auch möglich,
die Isolierung durch ein zwischen die Platten eingebrachtes fließfähiges und
aushärtbares
Harz auszuführen.
Um das Statorelement 12 mit dem Statorträger 14 zusammenzufügen wird
zunächst
das Statorelement 12 auf einen Dorn 22 der Halteinrichtung 10 aufgesteckt.
Auf einer Seite wird das Statorelement 12 dabei durch die Grundfläche 24 eines
Basisteils 26 des Dorns 22 abgestützt. Das
Statorelement 12 kann als vorgefertigter und bereits gefügter Stapel
von Metallplatten 18 auf den Dorn 22 aufgesteckt
werden. Es ist jedoch auch möglich,
das Statorelement 12 in Form loser Platten auf den Dorn 22 aufzustecken,
so dass beim Verspannen des Statorelements 12 durch dem
Stempel 28 das Statorelement erstmals gefügt wird.
Nach dem Aufstecken des Statorelements 12 auf den Dorn 22 und
Verspannen durch den Stempel 28 wird der Statorträger 14 auf
das Statorelement 12 aufgesteckt und durch zwei Spannelemente 30 und 32 verspannt und
gegen das Statorelement 12 fixiert. Der Statorträger 14 ist
ebenfalls hohlzylindrisch ausgeführt,
wobei die Innenfläche 34 des
Statorträgers 14 in
Anlage an die Außenfläche 32 des
Statorelements 12 kommt. Die Grundfläche 24 des Basisteils 26 des Dorns 22,
sowie die Grundfläche 36 des
Stempels 28 können
dabei selbst eine Profilierung aufweisen, um die Stirnflächen 38, 40 des
Statorelements 12 in gewünschter Weise mit einer Kontur
zu versehen. Im gezeigten Beispiel weist die Grundfläche 24 des
Basisteils 26 des Dorns 22 eine Fase 42 und
die Grundfläche 36 des
Stempels 28 zwei Fasen 44 und 46 auf. Bei
entsprechend hohen axialen Anpresskräften zwischen Stempel 28 und
Basisteil 26 des Dorns 22 wird das Statorelement 12 an
seinen Stirnflächen 38 und 40 durch
diese Fasen umgeformt, so dass sich innen- bzw. außenumfänglich verlaufende
Randkonturen an den Stirnflächen 38 und 40 ausbilden.
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Nachdem
Statorelement 12 und Statorträger 40 wie in 1 verspannt
worden sind, wird der Statorträger 14 durch
Drückwalzen
radial an das Statorelement 12 angepresst, wodurch sich
ein Kraftschluss zwischen der Innenfläche 32 des Statorträgers 14 und
der Außenfläche 34 des
Statorelements 12 ergibt. Hierzu werden, wie in 2 gezeigt
zwei Walzen 48, 50 verwendet, welche sich in Richtung der
Pfeile 52 und 54 drehen und dabei in Richtung des
Pfeils 56 radial gegen die Außenfläche 58 des Statorträgers 14 angepresst
werden. Statorelement 12 und Statorträger 14 sind dabei
gemeinsam mit dem Dorn 22 und dem Spannelementen 28, 30, 32 drehbar
um die Achse 16 gelagert, so dass die genannten Teile gegensinnig
zu den Walzen 48 und 50 in Richtung des Pfeiles 60 rotieren.
Die Anpresskräfte werden
also gleichmäßig um die
Außenfläche 58 des Statorträgers 14 verteilt.
Bei diesem Drückwalzvorgang
werden im Bereich der Fasen 42 und 44 Bereiche
der Innenfläche 32 des
Statorträgers
in die durch die Fasen 42 und 44 gebildeten Hohlräume eingepresst,
so dass sich dort Stege 62 ausbilden, welche das Statorelement 12 in
axialer Richtung mit dem Statorträger 14 verspannen
und so die beiden Bauteile gegeneinander festlegen. Die Walzen 48, 50 weisen
bevorzugterweise profilierte Außenflächen 62 auf,
so dass beim Drückwalzen
nicht nur das Statorelement 12 und der Statorträger 14 verpresst
werden, sondern gleichzeitig in die äußere Oberfläche 58 des Statorträgers ein
Profil aus Stegen 64 eingebracht wird, welches die äußere Oberfläche 58 des Statorträgers 14 vergrößert. Durch
diese Oberflächenvergrößerung ist
eine verbesserte Abfuhr von im Betrieb des Stators anfallender Wärme ermöglicht.
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Die 3 zeigt
eine Vorrichtung 100 zum Herstellen eines Statorträgers 108 einer
Elektromaschine mittels Profilwalzen, wobei mittels einer Mehrzahl
von Profilwalzen 102, 104 und 106 ein
Rohbauteil des Statorträgers
in eine gewünschte
Endform des Statorträgers 108 umgeformt
wird.
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Zudem
zeigt die 3 eine schematische Seitenansicht
der Vorrichtung 100, durch welche verdeutlicht ist, dass
sowohl ein Rotieren gemäß einem Richtungspfeil 110 als
auch ein Drücken
gemäß einem
Richtungspfeil 112 der Profilwalze 106 durchgeführt wird,
um das Rohbauteil des Statorträgers 108 in
seine gewünschte
Endform umzuformen.
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Auch
ein derartiges Rohbauteil 114 ist in der 3 dargestellt.
In einer ersten Prozessstufe wird mittels Profilwalzen das Rohbauteil 114 in
eine Zwischenform 116 umgeformt, welche nun eine Mehrzahl
an Kühlrippen
aufweist. Diese Zwischenform 116 wird mittels Profilwalzen
in Form von Ringwalzen hergestellt. Eine nächste Zwischenform 118 stellt eine
Fertigform dar, welche mittels Profilwalzen hergestellt wird und
deutlich ausgeprägte
Kühlerrippen aufweist,
woraufhin eine Endform in Form eines Fertigteils 120 des
Statorträgers 108 mittels
einer weiteren Prozessstufe hergestellt wird.
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In
anschließenden
Verfahrensschritten wird der so hergestellte Statorträger 108 um
einen Außenumfang
eines Statorelements angeordnet, worauf hin eine kraftschlüssige Verbindung
zwischen dem Statorträger 108 und
dem Statorelement durch einen elektromagnetischen Umformprozess
insbesondere des Statorträgers 108 hergestellt
wird.