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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und einen Stator für eine elektrische Maschine nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
EP 2 256 901 A2 beschrieben, ein vergossener Elektromotor bekannt, bei welchem das Joch und die Einzelzähne des Stators mit Kunststoff vergossen sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Stator für eine elektrische Maschine und ein verbessertes Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Stator für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, beispielsweise einen Elektromotor und/oder einen elektrischen Generator, wird erfindungsgemäß eine Mehrzahl von Einzelzahnsegmenten zu einem Statorring zusammengesetzt, miteinander verspannt und mit einer Vergussmasse zumindest bereichsweise derart umgossen, dass ein Statorträger ausgebildet wird.
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Der Statorträger umschließt die Einzelzahnsegmente an einem äußeren Umfang, so dass diese miteinander verspannt und in Statorringform gehalten werden. Das Verfahren ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung des Statorträgers aufgrund erlaubter höherer Toleranzen der Einzelzahnsegmente, da diese nicht, wie im Stand der Technik üblich, in einen bereits fertiggestellten Statorträger aus Metall eingepresst werden müssen. D. h. es können auch Einzelzahnsegmente mit einer geringeren Produktionsqualität verwendet werden. Da diese nicht in den Statorträger eingepresst werden müssen, sondern zunächst zu einem Statorring zusammengesetzt werden und dann vergossen werden, treten bei dem fertiggestellten Stator wesentlich geringere Fügetoleranzen der Einzelzahnsegmente auf.
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Zudem wird durch die Verwendung der Vergussmasse, beispielsweise Kunststoff, eine Kosteneinsparung und Gewichtsreduktion gegenüber Statorträgern aus Metall erreicht. Des Weiteren ermöglicht die Verwendung der Vergussmasse eine geringe Vergusstemperatur, wodurch die Einzelzahnsegmente nicht geschädigt werden, und zudem wird durch die Vergussmasse eine Isolation der Einzelzahnsegmente erreicht.
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Ein weiterer Vorteil der Vergussmasse, insbesondere eines Kunststoffes, ist eine geräuschdämpfende Wirkung, wobei Schwingungen vom Stator in einem Statorträger aus Vergussmasse gedämpft werden und vom Statorträger weniger an ein Gehäuse nach außen weitergeleitet werden.
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Eine Auswahl eines Materials zum Vergießen des Stators kann insbesondere auch nach akustischen Eigenschaften des Materials erfolgen, so dass zusätzlich zur Eigenschaft der Betriebsfestigkeit und Drehmomentübertragung des Statorträgers auch eine Eigenschaft der Komfortbildung im Betrieb hinzukommt.
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Beim Vergießen der Einzelzahnsegmente zu einem Stator, bei dem der Statorträger aus der Vergussmasse gebildet wird, können insbesondere auch die Einzelzahnsegmente mit den Einzelzahnwicklungen mitvergossen werden. Hierzu kann eine Gussform nicht nur die Einzelzahnsegmente einschließen, sondern auch teilweise die Einzelzahnwicklungen überdecken, welche dann durch die Vergussmasse mit vergossen werden.
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Die Vergussmasse hat hierzu eine elektrisch isolierende Eigenschaft, so dass die Einzelzahnwicklungen nicht in einem separaten Arbeitsschritt zuvor isoliert und/oder vergossen werden müssen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kann auch eine Kontaktierungsvorrichtung, insbesondere ein Schaltring, beim Vergießen der Einzelzahnsegmente durch die Vergussmasse mit vergossen werden.
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Eine Kontaktierungsvorrichtung ermöglicht eine Kontaktierung aller Einzelzahnwicklungen eines Stators, wobei diese insbesondere meist als Schaltringe in Form von Kupferbahnen ausgeführt ist.
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Beispielsweise verfügt eine Kontaktierungsvorrichtung bei einer dreiphasigen elektrischen Maschine über drei Schaltringe, je ein Schaltring pro Phase, welche am Stator angeordnet sind. Die Einzelzahnwicklungen werden mit den Schaltringen kontaktiert und sind so über die umlaufenden Schaltringe in Form von ringförmigen Kupferbahnen, alle zugleich mit einem Hochvolt-Anschluss verbindbar.
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Bei einer alternativen Verschaltungsart, kann die Kontaktierungsvorrichtung insbesondere noch einen weiteren Schaltring als Sternpunkt aufweisen.
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Beim Vergießen des Stators zusammen mit der Kontaktierungsvorrichtung können insbesondere die einzelnen Kupferbahnen der Schaltringe zum Eingießen so in eine Gussform des Stators eingelegt werden, dass die Vergussmasse beim Vergießen die Kupferbahnen mit dem Stator verbindet und zugleich auch die Schaltringe gegeneinander isoliert. Hierzu ist eine Ausrichtung der Kupferbahnen in der Gussform notwendig, da sich die Kupferbahnen nicht berühren dürfen um einen elektrischen Kontakt zu vermeiden und zwischen den Schaltringen genügend Raum zum Füllen mit Vergussmasse vorhanden sein muss.
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Es ist aber auch möglich eine teilweise vorgefertigte Kontaktierungsvorrichtung mit dem Stator zu vergießen, bei der die einzelnen Kupferbahnen zuvor schon in einem eigenen Gehäuse eingelegt sind, welches die Kupferbahnen der Schaltringe zusammenhält und gegeneinander isoliert.
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Die teilweise vorgefertigte Kontaktierungsvorrichtung lässt sich auch samt des Gehäuses in eine Gussform des Stators einlegen, wobei hier keine eigenständige Ausrichtung der einzelnen Kupferbahnen mehr notwendig ist, da diese bereits in einem vorherigen Fertigungsschritt, dem Einfügen der Kupferbahnen in das Gehäuse, gegeneinander isoliert sind und so als bauliche Einheit in die Gussform eingelegt werden können.
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Ein Vergießen der Einzelsegmenten, Einzelzahnwicklungen und Kontaktierungsvorrichtung eines Stators, bei der der Statorträger aus der Vergussmasse gebildet wird könnte man als ein Vollverguss des Stators bezeichnen.
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Nach dem Vergießen sind so die wesentlichen Bauteile des Stators fest zusammengefügt und bilden durch den Verguss eine bauliche Einheit, die so in eine elektrische Maschine einsetzbar ist. Die Vergussmasse weist hierzu eine elektrisch isolierende Eigenschaft auf, da sonst die elektrisch leitenden Komponenten miteinander kontaktiert werden würden.
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Hierbei können insbesondere die Einzelzahnwicklungen vor dem Vergießen mit der Kontaktierungsvorrichtung kontaktiert worden sein, so dass die Kontaktsstellen der Einzelzahnwicklungen mit dem Schaltring auch in der Vergussmasse eingebettet sind und nach außen hin isoliert sind. Die Vergussmasse darf beim Vergießen aber den elektrischen Kontakt zwischen Einzelzahnwicklungen und Schaltring nicht unterbrechen.
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Alternativ könnten die Einzelzahnwicklungen auch erst nach dem Vergießen mit der Kontaktierungsvorrichtung kontaktiert werden, wobei beim Verguss darauf zu Achten ist, dass die Kontaktierungsstellen frei zugänglich bleiben und nicht durch die Vergussmasse vergossen sind. Hierzu können insbesondere in der Gussform Haltevorrichtungen zur Aufnahme von Drahtendbereichen der Einzelzahnwicklungen vorhanden sein, welche zugleich auch die Schaltringe und/oder Kupferbahnen in der Gussform halten und so diesen Bereich vor der Vergussmasse schützen. Die Haltevorrichtungen lassen sich nach dem Vergießen wieder leicht aus dem vergossenen Stator entfernen und durch den entstehenden freien Bereich am Schaltring und den Wicklungsdrähten ist eine Kontaktierung der Einzelzahnwicklungen mit dem Schaltring auch nach dem Vergießen des Stators noch möglich.
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Durch frei zugängliche Kontaktierungsstellen der Einzelzahnwicklungen am Stator, welche nicht von Vergussmasse bedeckt sind, können Kontaktierungsprobleme auch im Nachhinein korrigiert und beseitigt werden.
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Die Kontaktierungen können dabei sowohl vor dem Verguss entstanden sein, als auch nach dem Verguss.
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Eine Kontaktierung der Einzelzahnwicklungen mit der Kontaktierungsvorrichtung vor dem Verguss hätte einen Vorteil in einer guten Zugänglichkeit der Kontaktstellen und eine Kontaktierung nach den Verguss hätte einen Vorteil in einer stabilen Verbindung der Einzelsegmente mit Einzelzahnwicklungen zu einem Stator und einer damit verbundenen einfachen stabilen Handhabung des Stators während der Kontaktierung.
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Ein Stator mit einem erfindungsgemäß durch Verguss hergestellten Statorträger kann in einer vorteilhaften Weiterbildung auch eine Kühlvorrichtung aufweisen.
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Insbesondere ist die Kühlvorrichtung vorteilhaft als Kühlkanäle an der Außenseite des durch die Vergussmasse gebildeten Statorträgers ausgeführt. Hierzu weist eine Gussform Ausformungen am stator-umfangsbildenden Bereich auf, welche in der Vergussmasse eine Kanalstruktur erzeugen. Die Kanalstruktur an der umlaufenden Außenseite des Statorträgers kann zur Kühlung des Statorträgers und damit zur Kühlung des Stators genutzt werden.
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Die Kühlkanäle können hierzu den Statorträger in Umfangsrichtung im Wesentlichen umlaufen und parallel oder in Spiralform angeordnet sein.
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Alternative können die Kühlkanäle im Wesentlich auch in axialer Richtung durchgängig oder mäanderförmig verlaufen.
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Es sind aber auch weitere Mischformen der genannten Kühlkanalanordnungen möglich.
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Insbesondere können die Kühlkanäle mit einem Gehäuse der elektrischen Maschine ein Kühlsystem bilden, wobei die Kühlkanäle mit dem Gehäuse abschließen und geschlossene Kühlleitungen bilden können oder nicht alle Kühlkanäle mit dem Gehäuse abschließen und so einzelne Kühlkanäle durch Überflutung miteinander ein Kühlmedium austauschen können.
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In einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführung eines Stators, weist die Kühlvorrichtung insbesondere Kühlleitungen in der Vergussmasse des Statorträgers auf. Die Kühlleitungen sind beim Verguss mit in den Statorträger eingegossen worden und sind derart im Statorträger angeordnet, das zumindest ein Zulauf und ein Ablauf der Kühlleitungen aus dem Statorträger herausführen.
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Ein Leitungssystem der Kühlleitungen kann insbesondere vorgefertigt sein und als vorgefertigtes Bauteil in eine Gussform des Stators eingelegt und mit dem Stator vergossen worden sein.
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Alternativ können auch einzelne Kühlleitungen in eine Gussform des Stators eingelegt worden sein, die erst nach dem Verguss am fertig vergossenen Statorträger zu einem Kühlleitungssystem verbunden werden.
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Eine Anordnung der Kühlleitungen im Statorträger kann im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufen, wobei hier von einer ersten Seite die Kühlleitungen beflutet werden und auf einer zweiten Seite die Kühlleitungen einen Abfluss aufweisen oder die Kühlleitungen umschließen den Statorträger zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung, wobei die Kühlleitungen spiralförmig oder mäanderförmig im inneren des Statorträgers angeordnet sein können.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Stators für eine elektrische Maschine und
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2 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Einzelzahnsegmentes eines Stators für eine elektrische Maschine.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung eines Stators 1 für eine beispielsweise als Elektromotor und/oder elektrischer Generator ausgebildete elektrische Maschine und 2 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Einzelzahnsegmentes 2 für einen solchen Stator 1. Anhand dieser Figuren wird im Folgenden ein Verfahren zur Herstellung des Stators 1 näher erläutert.
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Im Stand der Technik ist es üblich, Einzelzähne eines Elektromotorstators zusammenzufügen und dann in einen metallischen hohlzylindrischen, als Topf, Gussteil, Tiefziehteil oder Strangpressteil ausgebildeten Träger oder in einen mittels eines spanenden Verfahrens gefertigten Träger einzupressen. Diese Herstellung des Trägers ist aufwändig und kostenintensiv und der Träger weist zudem ein hohes Gewicht auf. Des Weiteren ist eine hohe Produktionsqualität der Einzelzähne erforderlich, da Fehlertoleranzen der Einzelzähne sich über deren Summe aufaddieren und eine maximale Obergrenze zum Verpressen der Einzelzähne in den Träger aufgrund dessen festen Umfangs nicht überschritten werden darf. Dies führt bei derartigen Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik zu hohen Produktionskosten. Zudem ergeben sich durch das Einpressen der Einzelzähne hohe Fügetoleranzen.
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Das im Folgenden beschriebene Verfahren zur Herstellung des Stators 1 ist dagegen wesentlich einfacher und kostengünstiger durchzuführen, da es eine geringere Produktionsqualität der Einzelzahnsegmente 2 und höhere Toleranzen erlaubt. Dabei wird mittels des Verfahrens ein Statorträger 3 hergestellt, mittels welchem die Einzelzahnsegmente 2 verpresst werden, so dass diese in Form eines Statorrings 4 zusammengehalten werden und eine ausreichende Abstützung einer Drehmomentübertragung des Statorrings 4 am Statorträger 3 ermöglicht wird.
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Der in 1 dargestellte Stator 1 umfasst eine Mehrzahl der in 2 dargestellten Einzelzahnsegmente 2. Im hier dargestellten Beispiel besteht jedes dieser Einzelzahnsegmente 2 aus lediglich einem Statoreinzelzahn, es können in anderen Ausführungsbeispielen jedoch auch Einzelzahnsegmente 2 verwendet werden, welche bereits aus einer Mehrzahl von Statoreinzelzähnen gebildet sind.
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Die Einzelzahnsegmente 2 werden zum Statorring 4 zusammengesetzt, miteinander verspannt, in einem hier nicht näher dargestellten Gusswerkzeug, bevorzugt in einem Spritzgusswerkzeug angeordnet und mit einer Vergussmasse zumindest bereichsweise derart umgossen, dass der Statorträger 3 ausgebildet wird, welcher, wie in 1 dargestellt, die Einzelzahnsegmente 2 an einem äußeren Umfang umschließt, so dass diese miteinander verspannt und in Statorringform gehalten werden. Dabei wirkt durch das Verspannen der Einzelzahnsegmente 2, eventuell zusätzlich durch das Gusswerkzeug unterstützt, während des Vergießens jederzeit ein ausreichender Druck auf die Einzelzahnsegmente 2, um diese in ihrer finalen Lage zu positionieren. Über den auf diese Weise hergestellten Statorträger 3 können die Einzelzahnsegmente 2 an weiteren Einrichtungen der elektrischen Maschine befestigt werden.
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Um eine gute Drehmomentübertragung von den Einzelzahnsegmenten 2 auf den Statorträger 3 sicherzustellen, weisen die Einzelzahnsegmente 2 vorzugsweise in Rückenbereichen 5, welche dem auszubildenden Statorträger 3 zugewandt sind und mit der Vergussmasse zu umspritzen sind, um die Einzelzahnsegmente 2 mit dem auszubildenden Statorträger 3 zu verbinden, entsprechende Ausformungen 6 auf, in welche die Vergussmasse hineinfließen kann. Auf diese Weise wird nach einem vollständigen Aushärten eine starke formschlüssige, durch das Vergießen stoffschlüssige und durch das Verpressen der Einzelzahnsegmente 2 mittels des Statorträgers 3 auch kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Statorträger 3 und den Einzelzahnsegmenten 2 sichergestellt. In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist zudem das Gusswerkzeug derart ausgebildet, dass während des Gießens des Statorträgers 3 in diesem ausreichend Kühlkanäle zur Kühlung der Einzelzahnsegmente 2 ausgeformt werden, welche im Betrieb der elektrischen Maschine von einem Kühlmedium, beispielsweise Getriebeöl, durchströmt oder durchströmbar sind.
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Als Vergussmasse wird vorzugsweise Kunststoff verwendet. Alternativ dazu können jedoch auch andere Werkstoffe für das Verfahren verwendet werden, beispielsweise Harze. Die Vergussmasse, insbesondere der Kunststoff, ermöglicht gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Trägern aus Metall eine erhebliche Gewichtsreduktion und Kostenreduktion, da Kunststoff wesentlich kostengünstiger ist als Metall und die aufwändige und teure Herstellung des metallischen Trägers entfällt. Zudem sind zum Vergießen der Einzelzahnsegmente 2 mit der Vergussmasse bereits geringe Vergusstemperaturen ausreichend, so dass eine Beschädigung der Einzelzahnsegmente 2 während des Vergießens vermieden wird.
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Das Verfahren ermöglicht eine stabile Verbindung der Einzelzahnsegmente 2 am Statorträger 3 mit wenigen Verfahrensschritten. Zudem ermöglicht das Verfahren einen Ausgleich von Toleranzen der Einzelzahnsegmente 2, da der Statorträger 3 keinen festen Umfang aufweist, in welchen die Einzelzahnsegmente 2 eingepresst werden müssen, sondern um die verspannten Einzelzahnsegmente 2 herum gegossen wird und sich dadurch perfekt an diese anpasst. Zudem werden durch das Vorspannen der Einzelzahnsegmente 2 und das Vergießen unter Ausbildung des Statorträgers 3 die Fügetoleranzen minimiert.
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Zum Verspannen der Einzelzahnsegmente 2, um diese gegeneinander zu pressen und während des Vergießens mit der Vergussmasse in der Form des Statorrings 4 zu halten, wird zweckmäßigerweise zumindest eine hier nicht näher dargestellte Vorspannvorrichtung verwendet. Diese Vorspannvorrichtung ist beispielsweise als eine geteilte Scheibennabe oder als eine geschlitzte Hebelnabe ausgebildet. Es können auch mehrere gleich oder unterschiedlich ausgebildete Vorspannvorrichtungen verwendet werden.
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Die Vorspannvorrichtung kann nach der Herstellung des Stators 1 in diesem verbleiben, d. h. die Vorspannvorrichtung wird in die Vergussmasse eingegossen, also zumindest bereichsweise von dieser umschlossen. Dadurch wird nach dem Verguss ein zusätzliches Verspannen der Einzelzahnsegmente 2 ermöglicht, da diese dauerhaft, d. h. auch nach der Fertigstellung des Stators 1, nicht nur durch den Statorträger 3, sondern zusätzlich auch durch die Vorspannvorrichtung verspannt werden. Auf diese Weise wird die Vergussmasse, d. h. der aus der Vergussmasse gebildete Statorträger 3, entlastet.
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Dies ermöglicht es, den Statorträger 3 kleiner auszubilden, so dass eine Verkleinerung der elektrischen Maschine ermöglicht wird, wodurch ein geringerer Bauraumbedarf für die elektrische Maschine an einer jeweiligen Einsatzposition erforderlich ist. Das ist insbesondere zum Beispiel bei einer Verwendung der beispielsweise als Elektromotor und/oder elektrischer Generator ausgebildeten elektrischen Maschine in einem Fahrzeug besonders vorteilhaft, da hier nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung steht.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden, da als Vergussmasse bevorzugt Kunststoff oder ein anderes Material verwendet wird, welches isolierende Eigenschaften aufweist, die Einzelzahnsegmente 2 mit der Vergussmasse derart umgossen, dass auch Wicklungen 7 der Einzelzahnsegmente 2 mit der Vergussmasse umgossen werden. Dies ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Stators 1 dargestellt, bei welchem die Wicklungen 7 der Einzelzahnsegmente 2, welche bei dem in 2 dargestellten Einzelzahnsegment 2 noch frei liegen, von der Vergussmasse bedeckt und daher nicht mehr sichtbar sind.
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Um das Umgießen auch der Wicklungen 7 der Einzelzahnsegmente 2 während der Ausbildung des Statorträgers 3 mit der Vergussmasse zu ermöglichen, ist eine entsprechende Form des Vergusswerkzeugs erforderlich, so dass nicht nur die Rückenbereiche 5 der Einzelzahnsegmente 2, sondern auch deren Wicklungen 7 mit der Vergussmasse umgossen werden können. Auf diese Weise wird ein separater Verfahrensschritt, d. h. ein Isolieren bzw. Vergießen der Wicklungen 7, eingespart, da dies im selben Verfahrensschritt mit der Ausbildung des Statorträgers 3 durchgeführt wird. Da dieser separate Verfahrensschritt jeweils für jedes Einzelzahnsegment 2 separat durchgeführt würde, wird auf diese Weise für jedes Einzelzahnsegment 2 jeweils ein derartiger separater Verfahrensschritt eingespart. Dies führt zu einer erheblichen Herstellungszeit- und Herstellungskostenreduzierung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Einzelzahnsegment
- 3
- Statorträger
- 4
- Statorring
- 5
- Rückenbereich
- 6
- Ausformung
- 7
- Wicklung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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