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Die Erfindung betrifft einen Wickelkopfträger für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor.
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In elektrischen Maschinen, die Wicklungen aufweisen, beispielsweise in Elektromotoren, erfolgt durch ohmsche Verluste eine Erwärmung der Wicklungen (Verlustwärme). Nach dem Stand der Technik kann ein Teil der Wärme beziehungsweise Verlustwärme von den Wicklungen über einen Stator der elektrischen Maschine, an welchem die Wicklungen angeordnet sind, abgeführt werden.
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Nach dem Stand der Technik sind die Wicklungen von elektrischen Maschinen, beispielsweise Zahnspulenwicklungen oder Einzelzahnwicklungen, an Wickelkopfträgern angeordnet, die wiederum am Stator der elektrischen Maschine befestigt sind. Typischerweise werden die Wickelkopfträger aus Kunstoffen gefertigt, die meist eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, sodass zwischen den Wicklungen und dem Stator, insbesondere zwischen Wickelköpfen der Wicklungen und dem Stator, ein ungenügender thermischer Kontakt vorhanden ist. Dadurch kann gegebenenfalls nicht genügend Wärme von den Wicklungen oder den Wickelkopfträgern abgeführt werden, sodass sich insbesondere an den Wickelkopfträgern Temperaturüberhöhungen (engl. Hot-Spots) ausbilden. Werden keine weiteren Maßnahmen zur Kühlung der Wickelkopfträger getroffen, so wird insbesondere die Dauerstromtragfähigkeit der Wicklungen oder der elektrischen Maschine maßgeblich und negativ beeinflusst.
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Bekannte Lösungsansätze zur Entwärmung beziehungsweise Kühlung der Wicklungen und/oder Wickelkopfträger verwenden typischerweise eine zusätzliche Kühlung, beispielsweise eine Ölsprühnebelkühlung. Der Einbau einer zusätzlichen Kühlung ist jedoch technisch aufwendig und zudem anfällig für Verschleiß.
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Alternativ können die Wickelköpfe vergossen werden, wodurch ihre Entwärmung ebenfalls verbessert wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Entwärmung eines Wickelkopfträgers und/oder eines Wickelkopfes einer elektrischen Maschine zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch einen Wickelkopfträger mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Wickelkopfträger für einen Stator einer elektrischen Maschine, der für eine Zahnspulenwicklung vorgesehen ist, weist einen Kopfbereich, einen Fußbereich und wenigstens einen Verbindungssteg auf, wobei der Verbindungssteg an einer ersten Stirnseitenfläche mit dem Kopfbereich und an einer der ersten Stirnseitenfläche abgewandten zweiten Stirnseitenfläche mit dem Fußbereich verbunden ist. Erfindungsgemäß ist wenigstens eine Seitenfläche des Verbindungssteges wenigstens teilweise von einem thermisch leitenden Strukturbauteil form- und/oder kraftschlüssig umschlossen, wobei das Strukturbauteil mit der wenigstens einen Seitenfläche des Verbindungssteges und dem Fußbereich in mechanischem Kontakt ist und das Strukturbauteil eine größere Wärmeleitfähigkeit als der Verbindungssteg aufweist.
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Der erfindungsgemäße Wickelkopfträger ist allgemein in elektrischen Maschinen, wie beispielsweise in Elektromotoren für elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge und/oder Generatoren, einsetzbar.
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Erfindungsgemäß ist der Verbindungssteg über das thermisch leitende, insbesondere thermisch gut leitende Strukturbauteil mit dem Fußbereich des Wickelkopfträgers thermisch gekoppelt, wobei das Strukturbauteil eine größere Wärmeleitfähigkeit als der Verbindungssteg aufweist. Durch die gegenüber dem Verbindungssteg vergrößerte Wärmeleitfähigkeit des Strukturbauteils wird Wärme, beispielsweise Verlustwärme, welche beim Betrieb der elektrischen Maschine innerhalb der Zahnspulenwicklung entsteht und wenigstens teilweise an den Wickelkopfträger abgegeben wird, mittels des Strukturbauteils wenigstens teilweise zum Fußbereich des Wickelkopfträgers abgeleitet.
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Typischerweise ist der Fußbereich des Wickelkopfträgers an einem Stator, insbesondere an Statorblechen, der elektrischen Maschine angeordnet. Dadurch wird vorteilhafterweise wenigstens ein Teil der Wärme über das thermisch leitende Strukturbauteil und über den Fußbereich des Wickelkopfträgers an den Stator, insbesondere an die Statorbleche, abgeführt. Hierzu weist das Strukturbauteil erfindungsgemäß eine größere Wärmeleitfähigkeit als der Verbindungssteg auf.
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Mit anderen Worten ist der Wickelkopfträger mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgebildet, wobei die thermischen Eigenschaften des Wickelkopfträgers durch das Strukturbauteil verbessert werden. Der Kopfbereich, Fußbereich und Verbindungssteg sollten im Wesentlichen den mechanischen Anforderungen an den Wickelkopfträger genügen. Durch die wenigstens zweiteilige Ausgestaltung des Wickelkopfträgers weist dieser eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Wärmeleitfähigkeit auf. Dadurch können Temperaturüberhöhungen (engl. Hot-Spots) am Wickelkopfträger verringert oder vermieden werden.
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Erfindungsgemäß kann die elektrische Maschine thermisch besser genutzt werden, das heißt beispielsweise, dass die Dauerstromtragfähigkeit der elektrischen Maschine gegenüber dem Stand der Technik gesteigert wird. Weiterhin kann die Lebensdauer der elektrischen Maschine, die den erfindungsgemäßen Wickelkopfträger umfasst, insbesondere in Bezug auf eine elektrische Isolation der Zahnspulenwicklung, verlängert werden.
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Ferner ermöglicht die zweiteilige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wickelkopfträger eine herstellungstechnische Optimierung, wodurch eine kostensparende Serienherstellung des Wickelkopfträgers und/oder der elektrischen Maschine ermöglicht wird.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Wickelkopfträgers ist, dass die mechanische Ausgestaltung des Wickelkopfträgers unabhängig von seiner thermischen Ausgestaltung erfolgen kann. Beispielsweise können der Kopfbereich, Fußbereich und/oder der Verbindungssteg des Wickelkopfträgers eine komplexe Geometrie aufweisen, wobei die thermischen Eigenschaften des Kopfbereiches, Fußbereiches und/oder des Verbindungssteges eine untergeordnete Rolle spielen. Erfindungsgemäß wird die wenigstens teilweise Entwärmung der Wicklung, eines Wickelkopfes und/oder des Wickelkopfträgers durch das Strukturbauteil, welches eine größere Wärmeleitfähigkeit als der Verbindungssteg aufweist, sichergestellt. Die Wärmeleitfähigkeit des Strukturbauteils kann größer als die Wärmeleitfähigkeit des Kopfbereiches und/oder Fußbereiches sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Strukturbauteil eine Nut auf, die mit dem Verbindungssteg eine form- und/oder kraftschlüssige Nut-Feder-Verbindung ausbildet.
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Vorteilhafterweise kann dadurch das Strukturbauteil form- und/oder kraftschlüssig am Verbindungssteg des Wickelkopfträgers, beispielsweise bei dessen Herstellung, angesteckt werden (engl. Snap-In-Connection). An eine Nut-Feder-Verbindung müssen vorteilhafterweise nur geringe Anforderungen bezüglich der Maßtoleranzen oder Herstellungstoleranzen gestellt werden.
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Weiterhin können vorteilhaftweise zusätzlichen Verbindungselemente zwischen dem Verbindungssteg und dem Strukturbauteil entfallen. Wird am Wickelkopfträger eine Wicklung, insbesondere eine Zahnspulenwicklung angeordnet, so wird die Nut-Feder-Verbindung durch eine Druckbelastung, welche durch die am Wickelkopfträger und am Strukturbauteil angeordnete Wicklung verursacht ist, zusätzlich unterstützt. Bei einer formschlüssigen Nut-Feder-Verbindung kann das Strukturbauteil annähernd vollständig durch die Druckbelastung am Verbindungssteg gehalten werden. Mit anderen Worten wird das Strukturbauteil durch die Wicklung, insbesondere durch die Zahnspulenwicklung, an den Verbindungssteg gedrückt oder gepresst.
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Eine stoff- und/oder materialschlüssige Verbindung zwischen dem Strukturbauteil und dem Verbindungssteg kann vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Strukturbauteil mittels eines Klebstoffes (Kleber) am Verbindungssteg befestigt sein.
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Bevorzugt ist der Verbindungssteg quaderförmig ausgebildet, wobei das Strukturbauteil wenigstens drei der vier Seitenflächen des quaderförmigen Verbindungssteges wenigstens teilweise form- und/oder kraftschlüssig umschließt.
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Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch ein geometrisch einfacher Verbindungssteg, sodass der Herstellungsaufwand für den Verbindungssteg und das Strukturbauteil verringert werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Strukturbauteil zusätzlich mit dem Kopfbereich in mechanischem Kontakt.
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Dadurch wird vorteilhafterweise eine verbesserte Entwärmung der Zahnspulenwicklung ermöglicht. Die im Kopfbereich des Wickelkopfträgers eingebrachte Wärme wird über das mit dem Kopfbereich in mechanischem Kontakt stehende Strukturbauteil abgeleitet und zum Fußbereich des Wickelkopfträgers geführt. Vom Fußbereich des Wickelkopfträgers erfolgt die Ableitung der Wärme, das heißt die Entwärmung des Wickelkopfträgers, durch die Abgabe der Wärme an den Stator oder an die Statorbleche.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Strukturbauteil ein elektrischer Isolator.
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Dadurch werden vorteilhafterweise Stromflüsse, insbesondere Wirbelströme, innerhalb des Wickelkopfträgers und/oder innerhalb des Strukturbauteils vermieden.
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Bevorzugt weist das Strukturbauteil eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 10 W/(m·K) auf.
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Vorteilhafterweise wird dadurch die Entwärmung des Wickelkopfträgers weiter verbessert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Strukturbauteil einen keramischen Werkstoff.
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Vorteilhafterweise weisen Keramiken eine ausreichende und gute Wärmeleitfähigkeit auf. Beispielsweise kann das Strukturbauteil ein Sinter- und/oder Pressbauteil aus Keramik, beispielsweise Aluminiumoxid, sein. Vorteilhafterweise ist Aluminiumoxid elektrisch isolierend, sodass das Strukturbauteil einen elektrischen Isolator ausbildet. Besonders vorteilhaft ist, wenn das Strukturbauteil mittels einer Keramik gebildet ist.
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Vorzugsweise umfasst das Strukturbauteil ein Sinterbauteil oder ein Pressbauteil.
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Hierbei wird das Strukturbauteil bevorzugt mittels eines Sinterverfahrens oder eines Pressverfahrens hergestellt. Vorteilhafterweise wird dadurch eine großserientaugliche Herstellung des Strukturbauteils und somit des Wickelkopfträgers ermöglicht. Beispielsweise kann das gesinterte oder gepresste Strukturbauteil in eine Spritz- oder Gussform eingelegt und mit einem Kunststoff umspritzt oder umgossen werden. Dadurch wird ein technisch vorteilhaftes und kostensparendes Herstellungsverfahren für den Wickelkopfträger ermöglicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Wickelkopfträger wenigstens zwei Verbindungsstege, wobei die zwei Verbindungsstege derart beabstandet sind, dass in einem Zwischenraum zwischen den zwei Verbindungsstegen das Strukturbauteil wenigstens teilweise form- und/oder kraftschlüssig angeordnet ist.
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Dadurch kann das Strukturbauteil vorteilhafterweise mittels einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung (engl. Snap-In-Connection), beispielsweise bei der Herstellung des Wickelkopfträgers, an den Verbindungsstegen und somit am Wickelkopfträger angeordnet werden. Mit anderen Worten wird das Strukturbauteil zwischen die zwei Verbindungsstege eingelegt.
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Besonders bevorzugt weist das Strukturbauteil wenigstens einen Falz, insbesondere zwei Falze, auf.
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Hierbei ist ein Eingriff des Falzes oder der Falze mit dem Verbindungssteg oder den Verbindungsstegen vorgesehen. Dadurch kann vorteilhafterweise die Nut des Strukturbauteils entfallen. Vorteilhafterweise ergeben sich dadurch geringere Anforderungen an Maßtoleranzen oder Herstellungstoleranzen des Strukturbauteils und/oder des Wickelkopfträgers.
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Allerdings können der Wickelkopfträger sowie das Strukturbauteil zusätzliche Abrundungen, Federn und/oder Nuten, insbesondere zur Ausbildung oder Verbesserung der Snap-In-Connection, aufweisen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert:
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1 eine dreidimensionale Darstellung eines Wickelkopfträgers mit einem thermisch gut leitenden Strukturbauteil;
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2 eine dreidimensionale Veranschaulichung eines Kopfbereiches, Fußbereiches und des Verbindungssteges des Wickelkopfträgers aus 1;
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3 eine dreidimensionale Darstellung des Strukturbauteils aus 1;
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4 eine dreidimensionale Darstellung eines Wickelkopfträgers mit einem thermisch gut leitenden Strukturbauteil und zwei Verbindungsstegen;
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5 eine dreidimensionale Veranschaulichung eines Kopfbereiches, Fußbereiches und der zwei Verbindungsstege des Wickelkopfträgers aus 4; und
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6 eine dreidimensionale Darstellung des Strukturbauteils aus 4.
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Gleichartige oder äquivalente Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt einen Wickelkopfträger 1, der einen Kopfbereich 2, einen Fußbereich 4, einen Verbindungssteg 6 und ein Strukturbauteil 42 aufweist.
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Das Strukturbauteil 42 ist mittels einer Nut-Feder-Verbindung form- und/oder kraftschlüssig am Verbindungssteg 6 des Wickelkopfträgers 1 angeordnet. Weiterhin weist das Strukturbauteil 42 eine Wärmeleitfähigkeit auf, welche größer als die des Verbindungssteges 6 ist. Insbesondere beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Strukturbauteils 42 wenigstens 10 W/(m·K). Ferner ist das Strukturbauteil 42 mit dem Fußbereich 4 in mechanischem Kontakt und mit diesem beispielsweise form- und/oder kraftschlüssig verbunden.
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Der Verbindungssteg 6 des Wickelkopfträgers 1 ist quaderförmig ausgebildet, wobei wenigstens drei Seitenflächen des quaderförmig ausgebildeten Verbindungssteges 6 von dem Strukturbauteil 42 wenigstens teilweise umschlossen sind. Wenigstens eine der genannten drei Seitenflächen des quaderförmigen Verbindungssteges 6 ist annähernd vollständig von dem Strukturbauteil 42 umschlossen. Weiterhin ist an einer ersten Stirnseitenfläche 101 des Verbindungssteges 6 der Kopfbereich 2 und an einer der ersten Stirnseitenfläche 101 abgewandten zweiten Stirnseitenfläche 102 der Fußbereich angeordnet.
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Eine nicht dargestellte Zahnspulenwicklung einer elektrischen Maschine kann am Strukturbauteil 42 des Wickelkopfträgers 1 angeordnet werden. Der Wickelkopfträger 1 wird hierbei an einem Stator, insbesondere an Statorblechen, einer elektrischen Maschine angeordnet. Durch das thermisch leitende Strukturbauteil 42 wird vorteilhafterweise Wärme, welche am Wickelkopfträger 1 oder an einem Wickelkopf der Wicklung durch eine Bestromung der Zahnspulenwicklung erzeugt wird, an den Fußbereich 4 des Wickelkopfträgers 1 übertragen. Vom Fußbereich 4 wird die Wärme an den Stator, insbesondere an die Statorbleche, abgeführt. Die Entwärmung der Zahnspulenwicklung wird durch den mechanischen Kontakt zwischen dem Strukturbauteil 42 und dem Fußbereich 4 verbessert oder unterstützt.
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Weiterhin kann zwischen dem Fußbereich 4 und dem nicht dargestellten Stator oder Statorblechen der elektrischen Maschine eine Wärmeleitpaste zur weiteren Verbesserung des Wärmeübergangs vorgesehen sein.
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In 2 ist der Wickelkopfträger 1 aus 1 zur besseren Veranschaulichung des Kopfbereiches 2, Fußbereiches 4 und Verbindungssteges 6 ohne das Strukturbauteil 42 dargestellt.
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Wie in 1 ist der Verbindungssteg 6 quaderförmig ausgebildet und weist eine Seitenfläche 100 auf, die annähernd vollständig von dem Strukturbauteil 42 umschlossen wird. Die quaderförmige Ausbildung des Verbindungssteges 6 ermöglicht eine vorteilhafte Nut-Feder-Verbindung zwischen dem Verbindungssteg 6 und dem Strukturbauteil 42. Zur Ausbildung der Nut-Feder-Verbindung weist das Strukturbauteil 42 eine Nut 103 (siehe 3) auf. Der Kopfbereich 2, Fußbereich 4 und Verbindungssteg 6 sind als ein Bauteil, beispielsweise mittels eines Kunststoffes, ausgebildet. Insbesondere kann ein Spritz- und/oder Gussverfahren für den Kopfbereich 2, den Fußbereich 4 und den Verbindungssteg 6 vorgesehen sein.
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Der Kopfbereich 2 des Wickelkopfträgers 1 ist ringförmig ausgebildet. Hierbei können Ecken oder Kanten des Kopfbereiches 2 abgeschrägt oder abgerundet sein. Der Fußbereich 4 des Wickelkopfträgers 1 weist auf einer dem Verbindungssteg 6 abgewandten Seite eine Wölbung oder Rundung auf, die einer Wölbung oder Rundung des Stators oder der Statorbleche der elektrischen Maschine angepasst ist. Dadurch kann der Wickelkopfträger 1 formschlüssig am Stator der elektrischen Maschine angeordnet werden.
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Vorzugsweise kann auch eine mehrteilige Ausbildung des Wickelkopfträgers 1 ohne Strukturbauteil 42 vorgesehen sein. Mit anderen Worten werden der Kopfbereich 2, der Fußbereich 4 und der Verbindungssteg 6 getrennt voneinander einzeln hergestellt und anschließend zum Wickelkopfträger 1 verbindend zusammengeführt.
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In 3 ist das Strukturbauteil 42 dreidimensional dargestellt. Hierbei weist das Strukturbauteil 42 die Nut 103 auf, welche in Verbindung mit dem Verbindungssteg 6 des Wickelkopfträgers 1 eine form- und/oder kraftschlüssige Nut-Feder-Verbindung ausbildet. An einer der Nut 103 abgewandten Außenseite des Strukturbauteils 42 ist das Strukturbauteil 42 mittels abgerundeter Kanten ausgebildet. Dadurch kann die Zahnspulenwicklung am Strukturbauteil 42 verbessert angeordnet werden. Ferner wird die Wärmeübertragung von der Zahnspulenwicklung der elektrischen Maschine zum Strukturbauteil 42 verbessert, da die Kontaktfläche zwischen der Zahnspulenwicklung und dem Strukturbauteil 42 durch die abgerundeten Kanten vergrößert wird.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wickelkopfträgers 1. Der Wickelkopfträger 1 ist dreidimensional dargestellt und umfasst einen Kopfbereich 2, einen Fußbereich 4 und zwei Verbindungsstege 6.
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Ein Strukturbauteil 42, das eine größere Wärmeleitfähigkeit als die zwei Verbindungsstege 6 aufweist, ist an den Verbindungsstegen 6 angeordnet. Hierbei sind die zwei Verbindungsstege 6 in mechanischem Kontakt mit dem Fußbereich 4. Dadurch kann erfindungsgemäß Wärme, welche beispielsweise in einer nicht dargestellten Wicklung, insbesondere in einem Wickelkopf, bei einem Betrieb einer elektrischen Maschine entsteht, verbessert abgeführt werden.
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In 5 ist der Wickelkopfträger 1 aus 4 ohne das Strukturbauteil 42 dreidimensional dargestellt.
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Die Verbindungsstege 6 sind jeweils an einer ersten Stirnseitenfläche 101 mit dem Kopfbereich und an einer zweiten Stirnseitenfläche 102, die der ersten Stirnseitenfläche abgewandt ist, mit dem Fußbereich 4 verbunden. Jeweils eine Seitenfläche 100 der Verbindungsstege 6 ist annähernd vollständig von dem Strukturbauteil 42 umschlossen (siehe 4). Das Strukturbauteil 42 weist zwei Falze 104 auf, die für eine wenigstens teilweise Aufnahme der quaderförmigen Verbindungsstege 6 vorgesehen sind (siehe 5). Dadurch kann das Strukturbauteil 42 wenigstens teilweise in einem Zwischenraum 8, welcher zwischen den zwei Verbindungsstegen 6 ausgebildet ist, angeordnet werden. Der Eingriff der Verbindungsstege 6 mit den Falzen 104 kann form- und/oder kraftschlüssig sein.
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6 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Strukturbauteils 42 aus 4. An zwei Längsseiten des Strukturbauteils 42 ist jeweils einer der Falze 104 angeordnet. Die Falze 104 ermöglichen einen formschlüssigen Eingriff mit den quaderförmigen Verbindungsstegen 6. Ferner sind die Längsseiten des Strukturbauteils 42 wenigstens teilweise abgerundet, sodass das Strukturbauteil 42 in seinem Querschnitt eine Pilzform aufweist.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
