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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Materialstreifen zum Isolieren von Nuten eines Stators oder Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Stators mit in Nuten eingesetzten Wicklungen (beispielsweise Wellenwicklungen). Die Erfindung wird nachfolgend sowohl in den Ansprüchen als auch in der Beschreibung anhand eines Stators erläutert. Der Schutz soll sich jedoch auch auf Rotoren mit entsprechender Ausbildung von Nuten und einer einzubringenden Isolierung erstrecken. Die Anwendung der Erfindung auf Rotoren ergibt sich für den Fachmann unmittelbar. Auf eine separate Beschreibung der Anwendung der Erfindung auf Rotoren wurde daher im Folgenden verzichtet.
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Aus
EP 0 174 513 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auskleiden der Nuten von Stator- oder Rotorblechpaketen für elektrische Maschinen bekannt. Gemäß diesem Verfahren wird bei jedem Arbeitstakt von einem Isoliermaterial-Vorratsstreifen die Abwicklungslänge von zwei Isolierhülsen abgetrennt. Anschließend werden beide Isolierhülsen gleichzeitig geformt und axial in die Nuten des Stator- oder Rotorblechpakets eingeschoben.
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Aus
DE 199 12 864 A1 sind ein Verfahren und eine Maschine zum Herstellen von Nutisolierungen mit u-förmigem Querschnitt für Elektromotor-Statoren bekannt. Gemäß dem Verfahren wird einer Prägestation intermittierend ein Isolierpapierstreifen zugeführt, so dass sich dieser zwischen einem Prägeteil und einem eine Formausnehmung aufweisenden Formteil befindet. Anschließend werden das Prägeteil und das Formteil relativ zueinander etwa rechtwinklig zur Vorschubrichtung bewegt, so dass das Prägeteil einen Abschnitt des Isolierpapiers in die Formausnehmung hineindrückt. Dann wird der Abschnitt von dem Isolierpapierstreifen einhergehend mit dem Relativ-Bewegungsablauf von Prägeteil und Formteil abgetrennt, und in einem letzten Schritt greifen beim Auseinanderfahren von Prägeteil und Formteil an der Öffnung der Formausnehmung befindliche Anschlagelemente nacheinander an den Trennkanten der geprägten Nutisolierung zu deren Symmetrierung an.
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Aus
CH 524 918 A sind ein Verfahren und eine Folie zum Isolieren von Rotoren oder Statoren elektrischer Maschinen bekannt. Gemäß dem Verfahren wird mindestens eine dreidimensional vorgeformte Folie mit einer annähernd ebenen Stirnfläche entsprechend einer nicht durchbrochenen Stirnseite eines Rotors oder Stators und daran anschließendem, schirmartig sich erweiternden oder verengenden Teil ausgebildet, wobei der sich erweiternde oder verengende Teil mit im Wesentlichen sich radial erstreckenden, entsprechend der Zahl der zu isolierenden Nuten und Nutenstege, je wechselweise nach beiden Seiten gerichteten Falzen versehen wird. Dabei wird die Folie stirnseitig auf den Rotor oder Stator aufgesetzt und die gefalzten Partien durch Umklappen in die Nuten eingesetzt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren haben den Nachteil, dass sie aufgrund einer Vielzahl von einzelnen Verfahrensschritten je Nut und optionaler Zusatzarbeiten, wie z.B. Verklebung von Nuten mit dem Stator, aufwendig und damit kostenintensiv sind, und/oder dass sie für jeden Statortyp individuelle und kostenintensive Vorprodukte erfordern, wie z.B. vorkonfektionierte Folien.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Materialstreifen zum Isolieren von Nuten eines Stators oder Rotors einer elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen, die einfach, kostengünstig und flexibel einsetzbar sind.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Isolieren von Nuten eines Stators einer elektrischen Maschine umfasst folgende Verfahrensschritte:
- a) Vorformen eines Materialstreifens aus einem isolierenden Material in einen langgestreckten Körper mit einer Vielzahl von im Querschnitt u-förmigen Bereichen mit dazwischen angeordneten Verbindungsbereichen, wobei die Breite BU der u-förmigen Bereiche auf die Breite BN der Nuten eines zu isolierenden Statortyps angepasst ist,
- b) Einsetzen eines gemäß Verfahrensschritt a) vorgeformten Materialstreifens in Nuten eines Stators derart, dass alle zu isolierenden Nuten mit u-förmig ausgebildeten Bereichen bedeckt sind und
- c) Einfügen von Wicklungen in die mit den u-förmigen Bereichen ausgekleideten Nuten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat vor allem den Vorteil, dass die Verfahrensschritte a) einerseits und b) und c) andererseits zeitlich entkoppelt durchgeführt werden können. Ein besonderer Vorteil ist, dass ein Materialstreifen gemäß Verfahrensschritt a) als langgestreckter Körper hergestellt werden kann, der wesentlich flexibler in seiner Handhabung ist, als ein vollständig vorkonfektioniertes Vorprodukt.
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Vorzugsweise werden an einem Materialstreifen mindestens so viele u-förmige Bereiche vorgeformt, wie der Stator, dessen Nuten isoliert werden sollen, Nuten aufweist, d.h. ein Materialstreifen reicht in diesem Fall aus, um sämtliche Nuten eines zu isolierenden Stators mit dem Materialstreifen auszukleiden. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann geeignet, wenn mehrere Statoren eines bestimmten Statortyps isoliert werden sollen.
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Der Materialstreifen kann auch weniger u-förmige Bereiche aufweisen als der Stator zu isolierende Nuten aufweist. In diesem Fall müssen mehrere Materialstreifen in den Stator eingesetzt werden, um diesen zu isolieren, die sich jeweils im Bereich mindestens einer Nut überlappen. Das Einsetzen mehrerer Materialstreifen in einen Stator kann Vorteile hinsichtlich der Toleranzkette haben.
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Der Materialstreifen kann jedoch auch als Endlosstreifen mit einer Länge ausgebildet werden, die deutlich größer ist, als für die Isolisierung eines Stators erforderlich ist. Dies erhöht die Flexibilität einer späteren Nutzung eines solchen Materialstreifens, da ein solcher Streifen für mehrere und unterschiedliche Statortypen eingesetzt werden kann.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Vorformen des Materialstreifens die Höhe HN der zu isolierenden Nuten ermittelt und die Höhe HU der u-förmigen Bereiche so auf diese Höhe abgestimmt, dass die Verbindungsbereiche nach dem Verfahrensschritt b) oder nach den Verfahrensschritten b) und c) die Funktionalität der elektrischen Maschine nicht beeinträchtigen. Mit „nicht beeinträchtigen“ ist in diesem Fall insbesondere gemeint, dass die Höhe HU so gewählt ist, dass ein zwischen dem zu isolierenden Stator und einem später innerhalb eines solchen Stators eingesetzten Rotor frei bleibt, so dass sich der Rotor ohne Kontakt zu dem Materialstreifen dreht.
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Um das Vorstehende zu erreichen, empfiehlt es sich, die Höhe HU ungefähr der Höhe HN entsprechend zu wählen. Bevorzugt ist die Abweichung der Höhe HU zur Höhe HN maximal 10%, besonders bevorzugt maximal 5% und weiter bevorzugt maximal 3%, d.h. die Höhe HU kann etwas größer oder etwas kleiner sein, als die Höhe HN.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform wird vor dem Vorformen des Materialstreifens der Abstand D zwischen den Nuten des Stators ermittelt und die Länge LV der Verbindungsbereiche so auf den Abstand D abgestimmt, dass die Verbindungsbereiche nach dem Verfahrensschritt b) oder nach den Verfahrensschritten b) und c) die Funktionalität der elektrischen Maschine nicht beeinträchtigen.
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Dazu wird die Länge LV der Verbindungsbereiche ungefähr dem Abstand D entsprechend gewählt. Bevorzugt ist die Abweichung der Länge LV zum Abstand D maximal 10%, besonders bevorzugt maximal 5% und weiter bevorzugt maximal 3%.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Materialstreifen eine Höhe HU auf, der größer ist als die Höhe HN der zu isolierenden Nuten und nach Verfahrensschritt b) oder nach den Verfahrensschritten b) und c) der Materialstreifen im Bereich aller u-förmigen Bereiche in einer Höhe HT, die mindestens der Höhe HN entspricht, aber kleiner ist als die Höhe HU, abgetrennt wird (es ergibt sich eine Vielzahl von vereinzelten u-förmigen Isolationsbereichen).
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Wenn gemäß einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens der Materialstreifen zwei Enden aufweist, die beide jeweils innerhalb eines Verbindungsbereich liegen und die beiden Enden zwischen den gleichen Nuten angeordnet werden, können mit nur einem Materialstreifen alle Nuten einer Stators ausgekleidet werden. Vorzugsweise werden die zwei Enden zumindest teilweise überlappend angeordnet.
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Die Erfindung betrifft auch einen Materialstreifen zum Isolieren von Nuten eines Stators einer elektrischen Maschine bestehend aus einem isolierenden Material, wobei der Materialstreifen einen langgestreckten Körper umfasst, der eine Vielzahl von im Querschnitt u-förmigen Bereichen aufweist, die über Verbindungsbereiche miteinander verbunden sind. Ein solcher Materialstreifen kann als flexibel einsetzbares Vorprodukt hergestellt und einfach und kostengünstig in Nuten eines Stators oder Rotors einer elektrischen Maschine eingesetzt werden.
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Wenn der Materialstreifen für einen bestimmten Statortyp vorkonfektioniert ist, ist es bevorzugt, wenn die Zahl der im Querschnitt u-förmigen Bereiche mit der Zahl der zu isolierenden Nuten übereinstimmt und der Materialstreifen zwei Enden aufweist, die beide jeweils innerhalb eines Verbindungsbereichs liegen. In diesem Fall befinden sich die Enden beim Einsetzen des Materialstreifens im Bereich der gleichen Flanke zwischen zwei Nuten. Vorzugsweise wird die Länge der Verbindungsbereiche im Bereich der Enden so gewählt, dass sich die Enden im in den Stator eingesetzten Zustand des Materialstreifens zumindest teilweise überlappen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Materialstreifen als Endlosstreifen ausgebildet, d.h. er weist eine deutlich größere Zahl von u-förmigen Bereichen auf, als der zu isolierenden Statoren oder Rotoren Nuten aufweist. Auf die Vorteile der Verwendung eines solchen Endlosstreifens wurde bereits in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 einen Stator einer elektrischen Maschine mit innenseitigen Nuten,
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2a–c einzelne Verfahrensschritte einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3a–d einzelne Verfahrensschritte einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 einen als Endlosstreifen ausgebildeten Materialsteifen sowie einen vergrößerten Teilabschnitt dieses Materialstreifens und
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5 den in 4 gezeigten Materialstreifen in einer Lage, die er einnimmt, wenn er in den in 1 gezeigten Stator eingesetzt ist.
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1 zeigt einen Stator 10, der als Statorblechpaket hergestellt ist. Ein solcher Stator 10 kann beispielsweise in einem Elektromotor eines hybridgetriebenen Kraftfahrzeuges mit Elektromotor, in Fahrrädern mit Elektromotor, in Pumpen und in sonstigen technischen Gegenständen mit elektrischen Maschinen mit Stator 10 und zu isolierenden Nuten 14 des Stators 10 zum Einsatz kommen.
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Der Stator 10 umfasst einen ringförmigen Grundkörper 12 mit einer Vielzahl, innenseitig ausgebildeter Nuten 14 und dazwischen angeordneten Flanken 30. Einige der Nuten 14 sind in den 2b–2c und 3b–3d vergrößert dargestellt, um zwei verschiedene erfindungsgemäße Verfahren zu erläutern. Der Stator 10 ist ein feststehendes Element einer nicht dargestellten elektrischen Maschine, die neben dem Stator 10 insbesondere auch einen Rotor (nicht dargestellt) umfasst, welcher innerhalb des Stators 10 drehbar gelagert ist. Der nicht dargestellte Rotor ist üblicherweise so dimensioniert, dass zwischen dem Rotor und der Innenseite des Stators 10 ein kleiner Luftspalt verbleibt.
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Wie in den 2b–2c und 3b–3d erkennbar ist, sind die Nuten 14 in beiden beschriebenen Ausführungsformen u-förmig ausgebildet.
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Gemäß der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, das nachfolgend anhand der 2a–2c erläutert wird, wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Materialstreifen 16 in einer Vielzahl von im Querschnitt u-förmigen Bereichen 18 mit dazwischen angeordneten Verbindungsbereichen 20 vorgeformt. Damit ist gemeint, dass der Materialstreifen 16 beispielsweise geprägt, thermoplastisch umgeformt oder auf andere Art und Weise in die in 2a gezeigte Form gebracht wird und der Materialstreifen 16 anschließend diese Form zumindest so lange beibehält, bis er in einen Stator 10 eingesetzt wurde und Wicklungen in die mit den u-förmigen Bereichen ausgekleideten Nuten 14 eingesetzt wurden. Dabei ist die Breite BU auf die Breite BN der Nuten 14 des in den 2b und 2c gezeigten Stators 10 insoweit abgestimmt, als ein Einsetzen eines u-förmigen Bereichs 18 in axialer Richtung (d.h. in 2b in die Papierebene hinein oder aus dieser heraus) und/oder in radialer Richtung (gemäß den Pfeilen 22) ohne eine funktional störende Deformierung dieses Bereichs 18 möglich ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist die Breite BU vorzugsweise maximal so groß wie die Breite BN, wenn eine innere Materialspannungen und Verwerfungen in dem Materialstreifen, insbesondere im Bereich der Bodenflächen der Nuten 14, vermieden werden sollen. Ein geringes Übermaß und/oder eine konische Ausbildung der Seitenflächen der u-förmigen Bereiche 18 des Materialstreifens 16 kann vorteilhaft sein, wenn der Materialstreifen 16 dadurch klemmend in den Nuten 14 gehalten wird. Ein klemmendes Halten des Materialstreifens 16 kann auch durch ein geringes Übermaß der Breite BU über die gesamte Höhe erzielt bzw. intensiviert werden.
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Wie in 2b erkennbar ist, wird der vorgeformte Materialstreifen 16 in der gezeigten Ausführungsform gemäß den Pfeilen 22 in radialer Richtung in die Nuten 14 eingesetzt, wobei bei der in 2b gezeigten Ausführungsform die Breite BU in etwa der Breite BN entspricht.
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In der in den 2b und 2c gezeigten Ausführungsform wurde auch die Länge LV der Verbindungsbereiche 20 so gewählt, dass diese mit dem Abstand D zwischen den Nuten 14 übereinstimmt. Ferner wurde die Höhe HU der u-förmigen Bereiche 18 des Materialstreifens 16 auf die Höhe HN der in dem Stator 10 ausgebildeten Nuten 14 abgestimmt. In der gezeigten Ausführungsform stimmt die Höhe HN mit der Höhe HU überein. Dadurch kann ein endlos ausgebildeter, vorgeformter Materialstreifen 16 mit den Maßen BU, HU und LV ohne Weiteres in alle Nuten 14 eines wie in 1 gezeigten Stators 10 eingesetzt werden, ohne dass es weiterer Maßnahmen bedarf. Dies gilt insbesondere für Materialstreifen 16, die – wie in 2a und 3a angedeutet – als ebene Produkte ohne eigene Bogenstruktur in den Verbindungsbereichen 20 ausgebildet sind, da sich beim Einsetzen in einen wie in 1 gezeigten Stator 10 aufgrund der dann entstehenden Bogenform in den Verbindungsbereichen 20 eine Materialspannung ausbildet, die dazu führt, dass der Materialstreifen 16 in die Nuten 14 gedrückt wird.
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In einem letzten Verfahrensschritt können – wie in 2c gezeigt – in die mit den u-förmigen Bereichen 18 des Materialstreifens 16 ausgekleideten Nuten 14 Wicklungen 24 eingesetzt werden. Dadurch wird der Materialstreifen 16 zusätzlich in seiner Lage fixiert. In der in 2c gezeigten Ausführungsform wurden als Wicklungen 24 Wellenwicklungen aus Kupferdraht eingesetzt. Andere Wicklungsformen sind ebenfalls möglich.
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In 2c ist auch zu erkennen, dass die Verbindungsbereiche 20 des Materialstreifens 16 noch einen erkennbaren Abstand zu dem Luftspaltdurchmesser 26 aufweisen. Der mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnete Luftspaltdurchmesser 26 ist die Mittellinie (in radialer Richtung betrachtet) zwischen dem Außendurchmesser des Rotors (nicht dargestellt) und dem Innendurchmesser des Stators 10.
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Bei der in den 3a, 3b und 3d gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente die gleichen Bezugzeichen wie in den 1 und 2a–c verwendet. Es wird insoweit zunächst auf diese Figuren verwiesen und nachfolgend im Wesentlichen nur noch auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen hingewiesen. Die in den 3a und 3b gezeigten Verfahrensschritte stimmen im Wesentlichen mit den in Verbindung mit den 2a und 2b beschriebenen Verfahrensschritten überein mit dem Unterschied, dass die Höhe HU in der in den 3a–c gezeigten Ausführungsform deutlich größer gewählt wurde als die Höhe HN der Nuten 14. Dadurch stehen ein Teil des u-förmigen Bereichs 18 und der Verbindungsbereich 20 des Materialstreifens 16 deutlich nach oben aus den Nuten 14 heraus.
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Wahlweise vor oder nach dem Einfügen der Wicklungen 24 in die Nuten 14, jedoch vor dem Einsetzen des Rotors (nicht dargestellt), werden entlang einer Schnittlinie 28 überstehende Bereiche des als Nutisolation dienenden Materialstreifens 16 abgetrennt, wodurch sich u-förmige Einzelelemente als Nutisolation ohne Verbindungsbereiche 20 ergeben, wie dies in 3d dargestellt ist. In der in 3c dargestellten Ausführungsform wurde die Schnittlinie 28 zwischen dem Luftspaltdurchmesser 26 und dem Innendurchmesser des Stators 10 positioniert.
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4 zeigt einen als Endlosstreifen ausgebildeten Materialsteifen 16 sowie einen vergrößerten Teilabschnitt dieses Materialstreifens 16. In dem vergrößert dargestellten Teilabschnitt des Materialstreifens 16 sind die u-förmigen Bereiche 18 und die dazwischen angeordneten Verbindungsbereiche 20 sowie die Maße BU, HU und LV gut zu erkennen.
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Wenn ein wie in 4 gezeigter Materialstreifen 16 in den in 1 gezeigten Stator 10 eingesetzt ist, nimmt er die in 5 gezeigte Form an. Die radial nach außen hervorragenden u-förmigen Bereiche 18 kleiden dann die Nuten 14 des in 1 dargestellten Stators 10 aus. Die Verbindungsbereiche 20 decken die zwischen den Nuten 14 des Stators 10 befindlichen Flanken 30 ab. Aufgrund der kreisbogenförmigen Anordnung des Materialstreifens 16, die von außen durch den Stator 10 gehalten wird, ergibt sich eine innere Materialspannung in dem Materialstreifen 16, der diesen innerhalb des Stators 10 stabilisiert. Ein zusätzliches Verkleben des Materialstreifens 16 in dem Stator 10 zum späteren Einsetzen von Wicklungen in die Nuten 14 des Stators ist zwar möglich, aber nicht erforderlich.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stator
- 12
- Grundkörper
- 14
- Nut
- 16
- Materialstreifen
- 18
- u-förmiger Bereich
- 20
- Verbindungsbereich
- 22
- Pfeil
- 24
- Wicklung
- 26
- Luftspaltdurchmesser
- 28
- Schnittlinie
- 30
- Flanken
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0174513 A1 [0002]
- DE 19912864 A1 [0003]
- CH 524918 A [0004]
