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Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor oder Stator einer elektrischen Maschine. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine elektrische Maschine, also einen elektrischen Motor oder Generator.
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Bei der elektrischen Maschine handelt es sich insbesondere um einen Motor mit einer typischen Leistung im Megawatt-Bereich oder zweistelligen Kilowatt-Bereich, der beispielsweise als Antrieb für eine großindustrielle Anwendung, beispielsweise ein Walzwerk, oder als Traktionsantrieb eingesetzt wird. Bei der elektrischen Maschine kann es sich alternativ auch um den Generator einer Windkraftanlage handeln.
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Üblicherweise umfasst der Stator ein aus einem Stapel von Blechen gebildetes, in grober Näherung hohlzylindrisches Blechpaket, in dessen Innenzylindermantel Längsnuten zur Aufnahme einer elektrischen (Stator-)Wicklung eingebracht sind. Diese Längsnuten sind nachfolgend als „Blechpaketnuten“ bezeichnet.
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Häufig ist auch der Rotor der Maschine durch ein – in diesem Fall zylindrisches – Blechpaket gebildet, in dessen Außenumfang Blechpaketnuten zur Aufnahme einer (Rotor-)Wicklung eingebracht sind.
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Je nach Bauform der Maschine können entweder nur der Stator, nur der Rotor oder sowohl Stator als auch Rotor bewickelt und in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildet sein.
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Die Wicklung ist beispielsweise durch eine Runddrahtwicklung gebildet. Dabei ist in jeder Blechpaketnut ein Bündel von elektrisch isolierten Runddrähten eingelegt, wobei die einzelnen Bündel am außerhalb des Blechpakets gebildeten Wickelkopf zur Bildung der Wicklung verbunden sind.
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Im Betrieb einer solchen Maschine ist die Isolierung der jeweiligen Wicklung insbesondere an den jeweils an den Stirnseiten des Blechpakets gebildeten Nutaustritten, also an den jeweiligen Axialenden der einzelnen Blechpaketnuten, besonders hohen Belastungen ausgesetzt.
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Diese Belastungen sind zum einen mechanischer Natur, wobei die mechanische Belastung insbesondere durch die am Nutaustritt gebildete, häufig vergleichsweise scharfe Kante des Blechpakets verursacht wird. Dabei besteht einerseits während des Einbringens der Wicklung in die Blechpaketnuten, insbesondere beim Formen des Wickelkopfs die Gefahr, die Isolierung an der Blechpaketkante zu beschädigen. Andererseits kann es auch im Betrieb der elektrischen Maschine durch Schwingungen/Stöße bzw. Magnetkräfte zu einer Relativbewegung zwischen dem Wickelkopf und dem Blechpaket kommen, welche zu einer Schädigung der Isolierung an der Blechpaketkante führen kann.
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Zum anderen ist die Isolierung der Wicklung am Nutaustritt infolge der hier besonders hohen elektrischen Feldstärke auch einer besonderes hohen elektrischen Belastung ausgesetzt, die ebenfalls zur Schädigung der Isolierung oder sogar zum Spannungsdurchbruch führen kann.
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Herkömmlicherweise wird als Schutzmaßnahme die Isolierung der Wicklung jeweils im Bereich des Nutaustritts mit Verstärkungsbändern versehen, was jedoch vergleichsweise aufwändig ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor oder Stator einer elektrischen Maschine anzugeben, bei dem eine Isolierung einer Runddrahtwicklung besonders gut gegen Beschädigungen geschützt ist.
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Diese Aufgabe wird bezüglich eines Rotors oder Stators einer elektrischen Maschine erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich einer elektrischen Maschine, die den Rotor oder Stator umfasst, wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 17. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Rotor oder Stator umfasst ein aus einem Stapel von Blechen gebildetes Blechpaket, in das mindestens eine Nut (nachfolgend als „Blechpaketnut“ bezeichnet) zur Aufnahme einer Runddrahtwicklung eingebracht ist. Zudem umfasst der Stator bzw. Rotor eine Schutzvorrichtung zum Schutz der Runddrahtwicklung, insbesondere zum Schutz der Isolierung der Runddrahtwicklung.
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Die Schutzvorrichtung umfasst einen Isolierkörper, welcher in einer bevorzugten Ausführungsform als Formteil aus Kunststoff gefertigt ist.
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Der Isolierkörper weist korrespondierend mit der oder jeder Blechpaketnut jeweils eine Nut (nachfolgend als „Körpernut“ bezeichnet) auf, die an ein Axialende der Blechpaketnut angrenzt und mit dieser Blechpaketnut fluchtet.
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Der Begriff „angrenzen“ ist dabei dahingehend zu verstehen, dass zumindest ein Abschnitt der Körpernut in Axialrichtung außerhalb der Blechpaketnut angeordnet ist. Die oder jede Körpernut kann dabei im Rahmen der Erfindung überlappfrei neben der korrespondierenden Blechpaketnut angeordnet sein. In einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung taucht die Schutzvorrichtung abweichend hiervon in das Blechpaket ein, so dass in diesem Fall auch die oder jede Körpernut teilweise mit der korrespondierenden Blechpaketnut überlappt.
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Erfindungsgemäß weitet sich die oder jede Körpernut in Axialrichtung des Rotors oder Stators gesehen zu einem vom Blechpaket abgewandten Freiende des Isolierkörpers hin auf. Anders ausgedrückt bildet die oder jede Körpernut einen sich trichterförmig nach außen hin aufweitenden Fortsatz der korrespondierenden Blechpaketnut.
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Durch die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung wird vorteilhafterweise ein Auflagepunkt der Runddrahtwicklung von der Blechpaketkante weg auf einen außerhalb des Blechpaktes angeordneten Bereich auf dem Isolierkörper verlagert. Insbesondere durch die trichterförmige Aufweitung der Körpernut wird dabei vorteilhaft die auf die Isolierung der Runddrahtwicklung wirkende Druckkraft auf eine große Wirkfläche verteilt, wodurch lokale Spitzen (Maximalwerte) der auf die Isolierung wirkenden Kraft reduziert werden. Hierdurch wird wiederum das Risiko einer durch mechanische Belastung verursachten Schädigung der Isolierung reduziert.
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Zudem wird auf diese Weise vorteilhafterweise der – ebenfalls in der Umgebung des Nutaustritts liegende – Bereich der höchsten elektrischen Belastung der Isolierung von dem Bereich der höchsten mechanischen Belastung getrennt, so dass destruktive Synergieeffekte der elektrischen und mechanischen Belastung vermieden werden können.
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In Draufsicht in axialer Richtung auf eine Stirnseite des Rotors oder Stators umschreibt der Isolierkörper die Kontur der oder jeder Blechpaketnut (und somit die Form der Bleckpaketkante im Bereich des Nutaustritts) vorzugsweise komplett. Der Isolierkörper folgt in diesem Fall also dem Verlauf der Blechpaketkante sowohl über die Flanken der Blechpaketnut, als auch über den dazwischen liegenden Nutgrund. Es ist jedoch prinzipiell auch denkbar, dass der Isolierkörper nur an die Flanken der Blechpaketnut auskleidet.
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Zweckmäßigerweise ist die Wand der oder jeder Körpernut, zumindest im Bereich der Nutflanken konvex gekrümmt, so dass der – in Tangentialrichtung des Rotors oder Stators gemessene – Durchmesser der Körpernut in Axialrichtung (also in Abhängigkeit der axialen Position) mehr als linear zunimmt. In einem achsparallelen Längsschnitt (also einem Schnitt entlang einer parallel zur Achse des Rotors oder Stators und senkrecht zur Radialrichtung ausgerichteten Schnittebene) durch die Körpernut weisen die Nutflanken dabei insbesondere einen konstanten Krümmungsradius auf. Im Rahmen der Erfindung können die konvex gekrümmten Nutflanken alternativ aber auch mit einem örtlich variierenden Krümmungsradius versehen sein.
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Vorzugsweise ist in das Blechpaket eine Vielzahl von Blechpaketnuten eingebracht, wobei der Isolierkörper eine korrespondierende Vielzahl von Körpernuten umfasst, und wobei jeder Blechpaketnut jeweils eine der Körpernuten zugeordnet ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Stator eine Spannvorrichtung zur axialen Verspannung des Blechpakets. Die Spannvorrichtung umfasst mindestens einen Druckfinger, vorzugsweise eine Vielzahl von Druckfingern, wobei der oder jeder Druckfinger unter Ausübung einer axialen Presskraft auf jeweils einem zwischen zwei Blechpaketnuten gebildeten Zahn des Blechpakets aufliegt. Dabei ist der Isolierkörper kraftschlüssig (reibschlüssig), formschlüssig und/oder stoffschlüssig zumindest an dem oder jedem Druckfinger der Spannvorrichtung befestigt. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass der Isolierkörper durch den oder jeden Druckfinger nicht nur fixiert, sondern auch mechanisch – insbesondere gegenüber tangential durch die Runddrahtwicklung ausgeübte Kräfte gestützt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Spannvorrichtung eine (stirnseitig an das Blechpaket anschließende) Endscheibe, an welchem der oder jeder Druckfinger, insbesondere einstückig befestigt ist.
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Bevorzugt bildet der Isolierkörper mit den Druckfingern und/oder mit der Endscheibe einen nicht lösbaren (das heißt nicht zerstörungsfrei lösbaren) Verbund. Vorzugsweise ist zumindest ein Abschnitt des oder jeden Druckfingers zur Bildung des erfindungsgemäßen Isolierkörpers in einem Spritzgussverfahren mit Kunststoff „umspritzt“. Dabei können sowohl thermoplastische als auch duroplastische Kunststoffe zum Einsatz kommen.
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Insbesondere bildet der an den oder jeden Druckfinger bzw. an die Endscheibe angeformte Isolierkörper eine zumindest zu dem oder jedem Druckfinger komplementäre Negativform, welche den oder jeden Druckfinger oder zumindest einen (jeweiligen) Abschnitt desselben passgenau, insbesondere formschlüssig und/oder stoffschlüssig, einfasst.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der Isolierkörper zur Befestigung zwischen mindestens zwei in Umfangsrichtung des Blechpaktes benachbarten Druckfingern der Spannvorrichtung bzw. der Endscheibe kraftschlüssig fixiert.
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Vorzugsweise hat der Isolierkörper zumindest näherungsweise die Form eines Kreisrings, in den die oder jede Körpernut eingebracht ist. Der Isolierkörper kann im Rahmen der Erfindung einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein.
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In einer herstellungstechnisch vereinfachten Ausführungsform ist der Isolierkörper durch mindestens zwei, bevorzugt mehrere Kreisringsegmente gebildet. Die Kreisringsegmente sind dabei vorzugsweise mit Hilfe von Verbindungselementen, wie beispielsweise Schnappfedern, unter Bildung eines mechanisch stabilen Verbunds zu dem vollständigen Kreisring verbindbar.
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In einer weiteren Ausführungsform ragt der Isolierkörper in Axialrichtung in die oder jede Blechpaketnut hinein, wobei er eines oder mehrere außenliegende Bleche des Blechpakets zumindest im Bereich der oder jeder Blechpaketnut ganz oder teilweise schützend auskleidet.
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Dabei ist wiederum vorzugsweise vorgesehen, dass der Isolierkörper, insbesondere gemeinsam mit der oben erwähnten Endscheibe, in einem Spritzgussverfahren unter Bildung eines fest zusammenhängenden Verbundes an die Bleche bzw. Endscheibe angeformt wird.
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Durch das Auskleiden der Blechpaketnuten im axialen Endbereich werden vorteilhafterweise beim Stanzen der Bleche entstehende Grate, die beim einfachen Stapeln auf einer Seite des Blechpaktes eine scharfe Kante bilden, durch den Isolierkörper verkleidet. Somit kann vor allem das von diesen Graten ausgehende Verletzungsrisiko bei der Montage oder der Wartung der Maschine auf einfache Weise beseitigt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist an den Isolierkörper ein im Wesentlichen radial in die Körpernut hineinragender Vorsprung (bzw. eine Stufe oder ein Kragen) angeformt, welcher für eine in der Blechpaketnut einliegende oder in die Blechpaketnut einlegbare Nutauskleidung einen Anschlag in Axialrichtung bildet. Dabei überlappen sich vorzugsweise die Nutauskleidung und der Isolierkörper in Axialrichtung, so dass auch die Nutauskleidung im Bereich des Nutaustritts vor einer Beanspruchung durch die Blechpaketkante geschützt ist.
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Zudem ist durch den Anschlag die Position der Nutauskleidung präzise festgelegt, so dass zwischen der eventuell beschädigten Isolierung der Wicklung zum Blechpaket erforderliche Luft- und Kriechstrecken besonders genau definiert und einhaltbar sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält der Isolierkörper einen zur Potentialsteuerung dienenden leitfähigen oder halbleitfähigen Füllstoff. Vorzugsweise ist der Füllstoff durch im Isolierkörper dispers verteilte Partikel (Körner) gebildet, insbesondere durch mikroskalige oder nanoskalige Partikel, d.h. Partikel mit mittleren Partikeldurchmessern von unter 5 µm bzw. von ca. 1 bis 100 nm. Als Füllstoffe sind dabei vorzugsweise Mikrovaristoren auf der Basis von Zinkoxid (ZnO), Partikel aus Siliziumcarbid (SiC), Partikel aus einem Zinn/Antimon-Oxid oder dispers verteilte leitfähig oder halbleitfähig beschichtete anorganische Partikel eingesetzt.
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Die Füllstoffpartikel können dabei einerseits homogen in dem gesamten Isolierkörper verteilt sein, wodurch die gewünschte Potentialsteuerung im Wesentlichen durch die Formgebung des Schutzkörpers erreicht ist. Es ist andererseits jedoch auch denkbar, die Füllstoffpartikel inhomogen, insbesondere in inhomogener Konzentration und/oder in ortsabhängig variierender Beschaffenheit, im Isolierkörper zu verteilen. Hierdurch kann innerhalb des Isolierkörpers ein ortsabhängig variierender Verlauf der Permittivität und Leitfähigkeit erzielt werden, wodurch wiederum das elektrische Feld am Nutaustritt vorteilhaft beeinflusst werden kann.
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In einer ebenfalls zur Führung des elektrischen Feldes vorteilhaften Ausführungsform sind die in die einzelnen Bleche eingebrachte Ausnehmungen, welche im gestapelten Blechpaket die Blechpaketnuten bilden, derart von Blech zu Blech zum Axialende des Blechpakets hin vergrößert, dass sich die Blechpaketnut zu ihrem Axialende hin aufweitet.
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Die Bleche des Blechpakets sind vorzugsweise durch Laserschnitt hergestellt.
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In einer bevorzugten Variante ist der Isolierkörper in einem Thermoplast-Schaumguss-Verfahren (TSG) hergestellt, im Zuge dessen bei einem Herstellungsprozess im Spritzgussverfahren ein Treibmittel zugesetzt wird, so dass sich im Körperinneren des Isolierkörpers eine Schaumstruktur bildet. Hierdurch wird die (Dielektrizitätskonstant) des Isolierkörpers gegenüber dem Vollmaterial gesenkt, wodurch vorteilhafterweise eine demgegenüber erhöhte Teilentladungseinsetzspannung erzielt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung, insbesondere also der mit den trichterförmigen Körpernuten versehene Isolierkörper ist vorzugsweise an beiden Axialenden des Rotors oder Stators vorgesehen. Grundsätzlich sind allerdings auch Ausführungsformen der Erfindung denkbar, bei denen nur ein Axialende des Rotors oder Stators mit der Schutzvorrichtung versehen ist.
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Insbesondere in Verbindung mit einem funktionalen Füllstoff ist der Isolierkörper vorteilhaft in einem Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren hergestellt.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Rotor oder Stator der vorstehend beschriebenen Art, also einen Rotor oder Stator, der an mindestens einem Axialende mit der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung versehen ist. Die elektrische Maschine umfasst des Weiteren eine in der oder jeder Blechpaketnut des Rotors oder Stators einliegende Runddrahtwicklung
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in Draufsicht auf eine Stirnseite eines Blechpaktes des Stators einer elektrischen Maschine eine Blechpaketnut, welche mit einer Schutzvorrichtung zum Schutz einer in die Blechpaketnut einlegbaren Runddrahtwicklung versehen ist,
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2 in einem achsparallelen Längsschnitt II-II gemäß 1 durch den Stator die Blechpaketnut sowie die Schutzvorrichtung gemäß 1, und
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3 in Darstellung gemäß 2 die Blechpaketnut mit einer alternativ ausgebildeten Schutzvorrichtung.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 zeigen jeweils in stark schematisierter und insbesondere nicht maßstabsgetreuer Darstellung einen Ausschnitt eines Stators 1 einer elektrischen Maschine 2.
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Der Stator 1 umfasst ein Blechpaket 3 (2), welches aus einem Stapel gleichförmiger Bleche 4 (2) gefertigt ist. Das Blechpaket 3 hat eine in grober Näherung der Form eines Innenzahnkranzes entsprechende Form, wobei hier jeweils nur zwei benachbarte Zähne 5 gezeigt sind, zwischen denen eine (Blechpaket-)Nut 6 gebildet ist.
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In der Blechpaketnut 6 liegt bestimmungsgemäß ein Strang einer hier nicht gezeigten (Runddraht-)Wicklung ein.
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In Axialrichtung 10 (2) ist das Blechpaket 3 mit Hilfe einer Spannvorrichtung 11 verpresst. Die Spannvorrichtung 11 umfasst zwei zur Verfestigung des Blechpakets 3 dienende Endscheibe 12, welche an den gegenüberliegenden Stirnseiten des Blechpakets 3 auf diesem aufliegen. In den 1 und 2 ist jeweils nur eine Stirnseite des symmetrisch aufgebauten Stators 1, und entsprechend nur eine Endscheibe 12 dargestellt. Jede Endscheibe 12 umfasst radial nach innen ragende Druckfinger 15, wobei jeweils ein Druckfinger 15 jeweils einem Zahn 5 des Blechpakets 3 zugeordnet ist. Jeder Druckfinger 15 liegt dabei auf einem Zahn 5 auf. Mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Spannelements, beispielsweise mit Hilfe eines Zugankers (bzw. mehrerer Zuganker) werden die Endscheiben 12 gegeneinander verspannt, so dass die Druckfinger 15 eine axiale Presskraft auf die einzelnen Zähne 5 des Blechpakets 3 ausüben.
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Wie der Darstellung gemäß 1 und 2 zu entnehmen ist, sind die Druckfinger 15 sowohl (in Umfangsrichtung) schmaler als auch (in Radialrichtung) kürzer ausgeführt als die Zähne 5.
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In der Blechpaketnut 6 liegt eine Nutauskleidung 20 ein, welche – wie aus 2 ersichtlich – axial über das Blechpaket 3 hinausragt.
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An den Nutausstritten 21 – also an jedem der beiden Axialenden der Blechpaketnut 6 ist jeweils eine (Blechpaket-)Kante 23 gebildet. Um eine Isolierung der Wicklung sowie ferner auch die Nutauskleidung 20 vor Beschädigungen durch diese Kante 23 zu schützen, umfasst der Stator 1 an jedem Axialende eine Schutzvorrichtung 30.
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Die Schutzvorrichtung 30 ist im Wesentlichen durch einen Isolierkörper 31 aus Kunststoff gebildet, welcher insgesamt in etwa die Form eines an den lichten Innendurchmesser D des Blechpakets 3 angepassten Kreisrings aufweist.
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In den Isolierkörper 31 sind radial innenseitig (Körper-)Nuten 32 eingebracht, wobei jede Körpernut 32 mit einer Blechpaketnut 6 korrespondiert. Auch der Isolierkörper 31 hat somit in Draufsicht in grober Näherung die Form eines Innenzahnkranzes.
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Der Isolierkörper 31 umschließt die Endscheibe 12 teilweise. Dies ist in 1 dadurch angedeutet, dass die Endscheibe 12 in den von dem Isolierkörper 31 verdeckten Bereichen mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Der Isolierkörper 31 fasst demnach einen radial innenseitigen Rand 33 der Endscheibe 12, sowie einem inneren Bereich der von dem Blechpaket 3 abgewandten Außenseite 34 der Endscheibe 12 ein. Der Isolierkörper 31 umschließt weiterhin die Druckfinger 15.
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In der hier dargestellten Ausführungsform ist der Isolierkörper 31 im Spritzgussverfahren an die Endscheibe 12 und die Druckfinger 15 angeformt. Hierbei bilden der Isolierkörper 31 und die Endscheibe 12 sowie die Druckfinger 15 einen unlösbaren (d.h. nicht zerstörungsfrei lösbaren) stabilen Verbund. In einer alternativen Ausführung wird der Isolierkörper 31 zunächst als von der Endscheibe 12 separates Bauteil hergestellt, das anschließend zwischen die Druckfinger 15 der Endscheibe 12 geklemmt und hierdurch reibschlüssig an dem Blechpaket 3 fixiert wird.
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Wie aus 2 erkennbar ist, schließt der Isolierkörper 31 an einem dem Blechpaket 3 zugewandten Festende 40 bündig mit der Blechpaketnut 6 ab, so dass der Isolierkörper 31 die Kontur der Blechpaketnut 6 bzw. der Blechpaketkante 23 nachzeichnet. Der Isolierkörper 31 umfasst dabei ein Axialende 41 der Nutauskleidung 20 mit einem Vorsprung 42, der bündig mit der Innenwand der Nutauskleidung 20 abschließt. Der Vorsprung 42 wirkt als axialer Anschlag für die Nutauskleidung 20, durch den die Nutauskleidung 20 in ihrer Axialposition festgelegt ist. Ferner wird der über das Blechpaket 3 hinausstehende Teil der Nutauskleidung 20 durch den Isolierkörper 31 an ihrer Rückseite 43 gestützt.
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An den beiden Flanken 50 der Körpernut 32 ist der Isolierkörper 31 gemäß 2 zu seinem von dem Blechpaket 3 abgewandten Freiende 51 hin jeweils mit einem Radius R versehen. Hierdurch verbreitert sich die Körpernut 32 in Axialrichtung 10 gesehen zum Freiende 51 hin trichterartig.
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In 3 ist die Schutzvorrichtung 30 gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform nimmt die Weite der in die Bleche 4 eingebrachten Aussparungen, die in dem zum Blechpaket 3 zusammengesetzten Zustand die Blechpaketnut 6 bilden, in einem äußeren Abschnitt des Blechpakets 3 mit abnehmenden Abstand zum Nutaustritt 21 kontinuierlich zu.
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Hierdurch wird erreicht, dass sich die Blechpaketnut 6 in einem entsprechenden Bereich 60 zum Nutaustritt 21 hin stufenweise verbreitert. Der Isolierkörper 31 dringt hierbei in den sich verbreiternden Bereich 60 der Blechpaketnut 6 ein, wobei er die dort angeordneten Bleche 4 auskleidet.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
