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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Statorträgers für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1.
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Verfahren der hier angesprochenen Art sind bekannt. Eine elektrische Maschine umfasst einen Rotor und einen Stator, wobei der Rotor relativ zu dem Stator drehbar gelagert ist. Rotor und Stator sind miteinander in elektromagnetische Wirkverbindung bringbar, so dass mithilfe der elektrischen Maschine entweder elektrische Energie, die der Maschine zugeführt wird, in mechanische Energie umgewandelt wird, oder dass umgekehrt mechanische Energie, welche der elektrischen Maschine zugeführt wird, in elektrische Energie umgewandelt wird. Die elektrische Maschine kann demnach als Motor oder Generator ausgebildet beziehungsweise betreibbar sein. Insbesondere im Kraftfahrzeugbereich und ganz besonders bei Hybridfahrzeugen oder rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen ist üblicherweise vorgesehen, dass dieselbe elektrische Maschine je nach Betriebszustand als Motor oder als Generator verwendet wird. Dabei kann die als Motor wirkende elektrische Maschine das Fahrzeug antreiben oder einen Verbrennungsmotor bei einem Antrieb desselben unterstützen. Wird die Maschine als Generator geschaltet, kann beispielsweise Energie beim Bremsen zurückgewonnen werden, was auch als Rekuperation bezeichnet wird. Die elektrische Maschine umfasst einen Statorträger, der elektromagnetische Komponenten des Stators, vorzugsweise ein mit mindestens einer Wicklung versehenes Blechpaket, aufnimmt beziehungsweise hält. Bei der Herstellung des Statorträgers ist es sehr wichtig, auf eine genaue, maßhaltige Fertigung und eine möglichst symmetrische Ausbildung zu achten. Insbesondere im Bereich eines Spaltes zwischen Rotor und Stator bestehendes Spiel, Toleranzen oder gar Unwuchten führen zu erheblichen Leistungseinbußen der elektrischen Maschine, die 30% der Nennleistung und mehr betragen können. Außerdem führen Toleranzen dazu, dass, die Leistung einzelner elektrischer Maschinen einer Bauserie erheblich schwankt, so dass eine breite Streuung ausgehend von einer mittleren Leistung gegeben ist. Es ist daher wünschenswert, den Statorträger sehr präzise fertigen zu können. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn der Statorträger einstückig ausgebildet ist, so dass nicht mehrere Teile miteinander gefügt werden müssen, was generell zu Ungenauigkeiten führt, und wobei sich auch die Toleranzen der verschiedenen Teile in unerwünschter Weise addieren können.
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Aus der
DE 10 2010 010 269 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung eines Statorträgers hervor, bei dem der Statorträger einstückig aus einem Blechhalbzeug umgeformt wird. Nachteilig hierbei ist, dass eine Stabilität beziehungsweise mechanische Belastbarkeit des Statorträgers aufgrund des verwendeten Blechhalbzeugs gering ist, wenn dieser vergleichsweise leicht beziehungsweise mit geringer Wandstärke ausgebildet ist. Umgekehrt muss der Statorträger vergleichsweise dickwandig ausgebildet sein, um eine gewisse mechanische Belastbarkeit aufweisen zu können. Er ist dann allerdings schwer. Im Übrigen ist auch eine erzielbare Wandstärke für den Statorträger aufgrund des verwendeten Blechhalbzeugs generell nach oben begrenzt, so dass auch dessen mechanische Belastbarkeit nach oben begrenzt ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Statorträgers für eine elektrische Maschine zu schaffen, mithilfe dessen der Statorträger sowohl einstückig und hochgenau als auch zugleich mit geringer Wandstärke, relativ leicht und mechanisch hochbelastbar gefertigt werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 1 geschaffen wird. Diese umfassen das Herstellen einer Vorform durch Massivumformen und das Herstellen mindestens einer Vorkontur des Statorträgers aus der Vorform durch Drückwalzen (Fließdrückverfahren). Das Verfahren kombiniert die Vorteile einer durch Massivumformung hergestellten Vorform mit der Möglichkeit, mithilfe eines Drückwalzverfahrens einstückig einen hochpräzise und symmetrisch gefertigten Statorträger herzustellen. Dabei ist es beim Massivumformen möglich, einen Faserverlauf der Vorform so einzustellen, dass er auf zu erwartende mechanische Belastungen des Statorträgers optimiert ist. Insbesondere ist es möglich, Fasern in mechanisch hochbelasteten Bereichen zu verdichten, so dass solche Bereiche zugleich dünnwandig ausgebildet sein können und mechanisch hochbelastbar sind. Es ist dann beim anschließenden Drückwalzen möglich, die Wandstärke des Stators bedarfsgerecht über seine Längserstreckung zu variieren, so dass letztlich ein lokal variabler Querschnitt erzeugt wird. Dabei muss nicht die gesamte Wandstärke an die höchste zu erwartende mechanische Belastung angepasst werden, und auch mechanisch hochbelastete Bereiche können noch vergleichsweise dünnwandig ausgebildet sein.
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Besonders bevorzugt wird mithilfe des Verfahrens ein Statorträger für eine elektrische Maschine zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Hybridfahrzeug oder einem elektrisch betriebenen Fahrzeug hergestellt. Hierbei ist die Möglichkeit besonders wichtig, aufgrund der dünnwandigen und zugleich mechanisch hochbelastbaren Ausbildung des Statorträgers Gewicht einsparen zu können.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass das Massivumformen ein Schmiede- oder ein Ringwalzverfahren umfasst. Sowohl bei einem Schmiedeverfahren als auch bei einem Ringwalzverfahren wird eine Vorform hergestellt, die ein sehr homogenes und verdichtetes Gefüge und daher eine hohe mechanische Festigkeit und Belastbarkeit aufweist. Insbesondere bei einem Schmiedeverfahren ist es möglich, den Faserverlauf der Vorform in Hinblick auf die zu erwartenden mechanischen Belastungen optimal einzustellen. Insgesamt resultiert eine Vorform mit hoher mechanischer Festigkeit und Belastbarkeit, die auch in späteren Bearbeitungsschritten bis in dünne Wandstärken hinein erhalten bleibt.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass mindestens eine Stirnseite der Vorform vor dem Drückwalzen drehbearbeitet wird. Bevorzugt werden beide – sich in axialer Richtung gegenüberliegende – Stirnseiten der Vorform vor dem Drückwalzen drehbearbeitet. Hierdurch ist es möglich, eine Auflagebeziehungsweise Anlagefläche zum Einspannen in die Drückwalzmaschine und/oder zum Angreifen eines Drückwalzwerkzeugs möglichst plan auszubilden. Dies erleichtert nicht nur die Bearbeitung sondern erhöht auch die Maßhaltigkeit der drückgewalzten Vorkontur.
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Generell spricht hier eine Axialrichtung eine Richtung an, welche parallel zu einer Symmetrieachse der vorzugsweise im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Teile verläuft. Eine Umfangsrichtung spricht eine Richtung an, die konzentrisch um die Symmetrieachse umläuft. Schließlich spricht eine radiale Richtung eine Richtung an, welche senkrecht auf der axialen Richtung steht.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Vorkontur mittels spanender Bearbeitung für eine Endkontur des Statorträgers fertigbearbeitet wird. Das Verfahren ist umso günstiger durchführbar je geringer die spanende Bearbeitung ausfallen kann, beziehungsweise je weniger Material ausgehend von der Vorkontur zum Erzielen der Endkontur spanend entfernt werden muss. Es wird daher bevorzugt, dass beim Drückwalzen die Vorkontur bereits so erzeugt wird, dass sie im Wesentlichen der Endkontur entspricht. Es müssen dann nur noch kleinere Nacharbeiten spanend vorgenommen werden, wobei nur ein geringer Materialverlust anfällt. Die spanende Bearbeitung kann dabei ein Drehen und/oder Fräsen sowie weitere spanende Bearbeitungsschritte umfassen. Insbesondere umfasst die spanende Bearbeitung ein Bearbeiten von mindestens einer Stirnfläche und/oder von mindestens einer Umfangsfläche, vorzugsweise sowohl der äußeren als auch der inneren Umfangsfläche des Statorträgers, wobei dieser bevorzugt im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass eine im Wesentlichen ringförmige Vorform hergestellt wird, welche eine zentrale Öffnung aufweist. Insbesondere ist es ohne Weiteres möglich, eine solche ringförmige Vorform oder Ronde durch Ringwalzen zu erzeugen.
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Alternativ ist es möglich, dass die ringförmige Vorform erzeugt wird, indem zunächst eine im Wesentlichen zylindrische Form geschmiedet wird. Diese wird anschließend mittels einer Massivpresse aufgeweitet und mit der zentralen Öffnung versehen. Dabei kommt ein Dorn zum Einsatz, auf welchen die im Wesentlichen zylindrische Form durch die Massivpresse gepresst wird. Auf diese Weise entsteht die zentrale Öffnung, und das Material der Form fließt zugleich – in radialer Richtung gesehen – nach außen, so dass die Form aufgeweitet wird. Insgesamt wird so eine im Wesentlichen ringförmige Vorform mit zentraler Öffnung hergestellt.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass aus der Vorform durch Drückwalzen eine im Wesentlichen zylindrische Kontur geformt wird, welche Vorkonturen für mehr als einen Statorträger einstückig umfasst. Die einzelnen Vorkonturen werden dann nach dem Drückwalzen vereinzelt. Es wird also quasi eine längliche, zylindrische Tonne aus der Vorform erzeugt, die – entlang ihrer Längserstreckung – mehrere Vorkonturen für mehrere Statorträger, vorzugsweise mindestens zwei Vorkonturen für mindestens zwei Statorträger, einstückig aufweist. Im Anschluss an das Drückwalzverfahren werden die einzelnen Vorkonturen voneinander separiert, wobei alle üblichen Trennverfahren eingesetzt werden können, beispielsweise Sägen, Hacken, Schneiden, Abstechen und/oder ein anderes, geeignetes Verfahren. Das Material der Vorform wird optimal ausgenutzt, wenn mindestens zwei, vorzugsweise mehrere Vorkonturen für mindestens zwei, vorzugsweise mehrere Statorträger aus einer einzigen Vorform quasi als Mehrfachteil produziert werden.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass beim Drückwalzen an einer äußeren Umfangsfläche der mindestens einen Vorkontur eine Struktur ausgebildet wird, die – in axialer Richtung gesehen – hintereinander angeordnete Vertiefungen und Erhebungen umfasst. Vorzugsweise ist die Vorkontur zylindersymmetrisch ausgebildet, und die Vertiefungen und Erhebungen erstrecken sich – in Umfangsrichtung gesehen – entlang des gesamten Umfangs der Vorkontur. Bevorzugt sind die Erhebungen als Kühlrippen ausgebildet, beziehungsweise die Struktur, welche die Vertiefungen und Erhebungen umfasst, ist als Kühlstruktur ausgebildet. Über die im Bereich der Struktur vergrößerte äußere Umfangsfläche der Vorkontur, die auch bei der Fertigbearbeitung im Wesentlichen erhalten bleibt, so dass die Endkontur jedenfalls im Wesentlichen die gleiche Struktur aufweist, kann beim Betrieb der elektrischen Maschine anfallende Abwärme effizient an die Umgebung abgegeben werden. Wird die entsprechende Struktur beim Drückwalzen erzeugt, ist es möglich, mindestens einen Bearbeitungsschritt einzusparen.
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Alternativ ist es allerdings auch möglich, das beim Drückwalzen eine im Bereich einer Umfangsfläche der Vorkontur im Wesentlichen glatte Kontur ausgebildet wird, wobei dies bevorzugt sowohl die äußere als auch die innere Umfangsfläche der Vorkontur betrifft. Zumindest an der äußeren Umfangsfläche wird dann nach dem Drückwalzen durch spanende Bearbeitung eine Struktur erzeugt, die – in axialer Richtung gesehen – hintereinander angeordnete Vertiefungen und Erhebungen umfasst, wobei die Struktur vorzugsweise bei der Fertigbearbeitung eingebracht wird. Die auch in diesem Fall bevorzugt als Kühlstruktur – wie oben beschrieben – ausgebildete Struktur wird demnach bevorzugt mithilfe eines spanenden Verfahrens in die drückgewalzte Vorkontur eingebracht.
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Es versteht sich von selbst, dass die hier beschriebenen verschiedenen Möglichkeiten, eine Struktur in die äußere Umfangsfläche der Vorkontur einzubringen, nicht nur für den Fall bestehen, dass eine einzelne Vorkontur aus einer Vorform mittels Drückwalzen erzeugt wird. Auch wenn mehr als eine Vorkontur einstückig aus einer einzelnen Vorform mittels Drückwalzen erzeugt werden, ist es möglich, eine entsprechende Struktur entweder bereits beim Drückwalzen oder danach mittels spanender Bearbeitung einzubringen. Wird die Struktur nachträglich eingebracht, kann nochmals unterschieden werden: Es ist dabei möglich, die Struktur in das einstückige Teil einzubringen, welches mehr als eine Vorkontur für mehr als einen Statorträger umfasst, es ist aber auch möglich, die Struktur nach der Vereinzelung der einzelnen Vorkonturen in diese einzubringen.
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Schließlich wird ein Verfahren bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass nach dem Drückwalzen ein einseitig ausgebildeter Boden der Vorkontur abgetrennt wird. Von der vorzugsweise im Wesentlichen ringförmigen Vorform bleibt nach dem Drückwalzen an einem Ende ein Boden bestehen. Zugleich ist der Statorträger jedoch vorzugsweise als an den Enden beidseitig offener Zylinder ausgebildet. Daher wird der Boden der Vorkontur nach dem Drückwalzen mithilfe eines üblichen Trennverfahrens, beispielsweise Sägen, Hacken, Schneiden, Abstechen und/oder einem anderen üblichen Trennverfahren, abgetrennt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 Ein Ausführungsbeispiel einer Vorform;
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2 die Vorform gemäß 1 nach einer Drehbearbeitung und vordem Drückwalzen;
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3 ein Ausführungsbeispiel einer drückgewalzten Kontur, welche Vorkonturen für mehr als einen Statorträger einstückig umfasst;
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4 eine aus der Kontur gemäß 3 hergestellte, fertigbearbeitete Endkontur eines Statorträgers, und
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5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer drückgewalzten, zylindrischen Kontur.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorform 1. Diese ist ringförmig ausgebildet und weist eine zentrale Öffnung 3 auf. Die Vorform 1 ist durch Massivumformung hergestellt, vorzugsweise in einem Schmiedeverfahren oder in einem Ringwalzverfahren.
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2 zeigt die Vorform 1 gemäß 1 nach einer Drehbearbeitung und vor dem Ringwalzen. Insbesondere ist hier die linke Stirnseite 5 drehbearbeitet, um eine möglichst plane Auflage- beziehungsweise Anlagefläche für die Drückwalzmaschine zu erzeugen. Außerdem wurde mittels Drehbearbeitung eine Fase 7 erzeugt, die vorzugsweise ebenfalls dem Einspannen in einer Halterung der Drückwalzmaschine dient. Auch eine äußere Umfangsfläche 9 wurde drehbearbeitet. Schließlich ist vorzugsweise vorgesehen, dass auch eine rechte Stirnfläche 11 drehbearbeitet ist.
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Die Vorform 1 wird dann dem Drückwalzverfahren unterworfen.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer drückgewalzten, im Wesentlichen zylindrischen Kontur 13, die aus der drehbearbeiteten Vorform 1 gemäß 2 erzeugt wurde. Diese ist im Wesentlichen als langgestreckte, zylindrische Tonne ausgebildet, welche Vorkonturen für mehr als einen Statorträger einstückig umfasst. Insbesondere sind hier eine erste Vorkontur 15 für einen ersten Statorträger, eine zweite Vorkontur 15' für einen zweiten Statorträger und eine dritte Vorkontur 15'' für einen dritten Statorträger vorgesehen. Es zeigt sich, dass bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel äußere Umfangsflächen 17, 17', 17'' glatt ausgeformt sind. Kühlrippen und/oder eine Kühlstruktur werden daher bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erst nach dem Drückwalzen, vorzugsweise mittels spanender Bearbeitung und besonders bevorzugt während der Fertigbearbeitung in die äußeren Umfangsflächen 17, 17', 17'' eingebracht.
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In 3 ist auch dargestellt, dass eine Wandstärke der Kontur 13 – in Längsrichtung gesehen – je nach zu erwartenden mechanischen Belastungen auf einem jeweiligen Streckenabschnitt variiert. Insbesondere sind Wülste 19, 19', 19'' vorgesehen, in deren Bereich die Wandstärke der Kontur 13 erhöht ist. Die Wülste 19, 19', 19'' entsprechen vorzugsweise den Endbereichen der zu bildenden Statorträger, die mechanisch hochbelastet sind. Ein bei der Massivumformung eingestellter Faserverlauf in der Vorform 1 bleibt beim Drückwalzen vorzugsweise im Wesentlichen erhalten, so dass auch die dünnwandigen Bereiche der Kontur 13 eine hohe mechanische Belastbarkeit aufweisen.
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Von der Kontur 13 wird schließlich ein einseitig ausgebildeter Boden abgetrennt, und die einzelnen Vorkonturen 15, 15', 15'' werden mittels üblicher Trennverfahren voneinander separiert. Es erfolgt dann das Einbringen einer Kühlstruktur und/oder die Fertigbearbeitung zu einer Endkontur eines Statorträgers.
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4 ein Ausführungsbeispiel einer solchen Endkontur 21, die aus einer der Vorkonturen 15, 15', 15'' erzeugt wurde. In eine äußere Umfangsfläche 23 ist mittels spanender Bearbeitung, insbesondere Drehen und/oder Fräsen, eine Struktur 25 eingebracht, welche – in axialer Richtung gesehen – hintereinander langeordnete Vertiefungen und Erhebungen umfasst. Die Erhebungen sind dabei als Kühlrippen ausgebildet, beziehungsweise die Struktur 25 ist als Kühlstruktur ausgebildet.
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Auch die übrigen Oberflächen der Endkontur 21 sind drehbearbeitet, insbesondere ist auch eine innere Umfangsfläche 27 drehbearbeitet.
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5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer im Wesentlichen zylindrischen Kontur 13, die zwei Vorkonturen 15, 15' für zwei Statorträger einstückig umfasst Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Im Unterschied zu dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Kontur 13 sind hier äußere Umfangsflächen 17, 17' nicht glatt ausgebildet. Stattdessen wurde an den äußeren Umfangsflächen 17, 17' beim Drückwalzen eine Struktur 29 ausgebildet, welche – in axialer Richtung gesehen – hintereinander angeordnete Vertiefungen und Erhebungen umfasst. Dabei sind die Erhebungen bevorzugt als Kühlrippen ausgestaltet, beziehungsweise die Struktur 29 ist als Kühlstruktur ausgebildet. Die Struktur 29 entspricht im Übrigen im Wesentlichen der Struktur 25 der Endkontur 21 gemäß 4.
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Ebenso wie die Kontur 13 gemäß 3 wird auch die Kontur 13 gemäß 5 einem Trennverfahren unterworfen, um einen Boden abzutrennen und die Vorkonturen 15, 15' zu vereinzeln. Anschließend werden diese zu Endkonturen fertigbearbeitet, die im Wesentlichen der Endkontur 21 gemäß 4 entsprechen. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den 3 und 4 ist es hier jedoch nicht mehr erforderlich, eine Struktur 25 durch spanende Bearbeitung einzubringen, weil die Struktur 29 bereits beim Drückwalzen in die Kontur 13 eingebracht wurde. Es ist allerdings möglich, dass die Struktur 29 durch spanende Bearbeitung, insbesondere Drehen und/oder Fräsen, nachbearbeitet wird.
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Der fertige Statorträger wird schließlich mit einem mit mindestens einer Wicklung versehenen Kernblechpaket versehen und in einen Kontaktträger der elektrischen Maschine eingepresst.
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Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens, welches einen stabilen Fertigungsprozess ermöglicht, maßhaltige, qualitativ hochwertige Statorträger unter Reduzierung des eingesetzten Ausgangsmaterials herstellbar sind. Dadurch wird insbesondere eine verbesserte Zylindrizität und Rundheit erzielt, und es ist möglich eine Serienstreuung der Leistung der mit dem Statorträger ausgestatteten elektrischen Maschinen zu senken. Über den Umformgrad und die Auslegung der Vorform ist es möglich, die gewünschte Festigkeit für den Statorträger einzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010010269 A1 [0003]
