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Die Erfindung betrifft eine Verschaltungsanordnung einer elektrischen Maschine, wobei die Verschaltungsanordnung wenigstens einen Wicklungsdraht und eine Stromschiene aufweist und die Stromschiene in einer Ausnehmung eines Aufnahmekörpers aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist. In einem Verbindungsabschnitt der Stromschiene ist ein Ende des mindestens einen Wicklungsdrahts elektrisch und mechanisch mit der Stromschiene verbunden.
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Stand der Technik
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Bei Elektromotoren müssen die Wicklungsdrähte der Wicklungen mit Versorgungs-Anschlüssen verbunden werden. Üblicherweise sind hierfür Stromschienen bzw. Schaltschienen, welche als Schaltringe ausgebildet sein können, vorgesehen. Des Weiteren werden Klemmbretter für die Verbindung der Wicklungsdrähte verwendet. Die Enden der Wicklungsdrähte werden mechanisch und elektrisch mit einer Stromschiene einer Verschaltungsanordnung verbunden. Üblicherweise werden die Enden der Wicklungsdrähte mittels Krimpen, Löten oder Widerstandsschweißen mit der Stromschiene verbunden.
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Die
DE 10 2005 028 791 A1 beschreibt einen Plankommutator und ein Verfahren zur Herstellung eines Plankommutators. Der Plankommutator weist einen Tragkörper aus einem elektrisch isolierendem Werkstoff, eine Vielzahl von Anschlusssegmenten aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff für den Anschluss von mindestens einem Ende einer Spulenwicklung sowie eine Vielzahl von Laufflächensegmenten, welche eine Lauffläche des Plankommutators bilden, auf. Der Tragkörper ist vorgefertigt und weist Öffnungen auf, in welche die Anschlusssegmente eingesteckt sind und wobei die Anschlusssegmente durch die mechanisch feste Verbindung mit den Laufflächensegmenten an den Tragkörper verankert sind.
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Die
DE 10 2006 046 669 A1 betrifft einen Kommutator mit einer Bürstenlauffläche bildenden, voneinander distanzierten Kontaktsegmenten, die jeweils mit einem Befestigungsabschnitt eines metallischen Segmenttragteils verlötet sind, und mit einem Nabenkörper aus einem elastisch isolierenden Material, der die ebenfalls voneinander distanzierten Segmenttragteile dreht, welche jeweils mit einem Wicklungsanschlusshaken versehen sind. In die dem Kontaktsegment zugewandte Oberseite des Befestigungsabschnittes und/oder in die dem Befestigungsabschnitt zugewandte Unterseite des Kontaktsegments ist mindestens eine Lotbarriere-Vertiefung eingebracht.
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In der
DE 199 56 844 A1 wird ein Plankommutator für eine elektrische Maschine mit einem aus isolierendem Pressstoff gefertigten Tragkörper, einer Mehrzahl von Leitersegmenten und eine ebenso große Anzahl von Kohlenstoffsegmenten, welche stirnseitig angeordnet sind und mit dem Leitersegment elektrisch leitend verbunden sind, beschrieben. Die Leitersegmente weisen jeweils einen am Umfang des Trägerkörpers angeordneten, dickwandigen Anschlussbereich, einen zwischen dem Trägerkörper und dem zugeordneten Kohlenstoffsegment angeordneten, ebenfalls dickwandigen Kontaktbereich und einen zwischen dem Anschlussbereich und dem Kontaktbereich angeordneten dünnwandigen Übergangsbereich auf.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verschaltungsanordnung einer elektrischen Maschine mit mindestens einem Wicklungsdraht und einer Stromschiene, wobei die Stromschiene in einer Ausnehmung eines Aufnahmekörpers aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist und in einem Verbindungsabschnitt der Stromschiene ein Ende des mindestens einen Wicklungsdrahts elektrisch und mechanisch mit der Stromschiene verbunden ist, bereitzustellen, wobei in einfacher Weise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Wicklungsdraht und der Stromschiene hergestellt werden kann und hierfür kostengünstig automatisierte Verfahren zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung eingesetzt werden können.
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Erfindungsgemäß wird hierfür eine Verschaltungsanordnung einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, wobei die Verschaltungsanordnung mindestens einen Wicklungsdraht und eine Stromschiene aufweist, wobei die Stromschiene in einer Ausnehmung eines Aufnahmekörpers aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist. In einem Verbindungsabschnitt der Stromschiene ist ein Ende des mindestens einen Wicklungsdrahts elektrisch und mechanisch mit der Stromschiene verbunden. Erfindungsgemäß weist die Stromschiene im Bereich des Verbindungsabschnitts einen ersten Querschnitt auf, wobei dieser erste Querschnitt asymmetrisch ist oder höchstens eine Symmetrieachse aufweist.
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Die Verschaltungsanordnung kann Teil eines Rotors und/oder Stators einer elektrischen Maschine sein. Der Wicklungsdraht bildet Wicklungen des elektrischen Motors bzw. der elektrischen Maschine. Die Stromschiene kann als Schaltschiene sowie bevorzugterweise als Schaltring und somit ringförmig ausgebildet sein. Die Stromschiene und/oder der Wicklungsdraht weisen Kupfer oder Aluminium auf oder bestehen aus Kupfer oder Aluminium. Der Aufnahmekörper aus elektrisch isolierendem Material dient zur Aufnahme bzw. Fixierung und Halterung der Stromschiene. Bevorzugterweise sind der Aufnahmekörper sowie auch die Stromschiene ringförmig ausgebildet.
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Die Ausnehmung im Aufnahmekörper zur Aufnahme der Stromschiene ist bevorzugterweise umfänglich um den Aufnahmekörper herum ausgebildet und ist zu einer Seite hin offen, um die Stromschiene in die Ausnehmung einzusetzen.
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Unter dem Verbindungsabschnitt ist der Abschnitt bzw. Bereich der Stromschiene zu verstehen, in welchem die Stromschiene mechanisch und elektrisch mit dem Ende des Wicklungsdrahts verbunden ist. Der Querschnitt der Stromschiene ist in diesem Bereich, das heißt im Bereich des Verbindungsabschnitts, asymmetrisch ausgebildet oder derart ausgebildet, dass dieser Querschnitt lediglich eine Symmetrieachse aufweist. Somit ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Stromschiene zumindest abschnittsweise entweder einen asymmetrischen Querschnitt aufweist oder einen Querschnitt aufweist, welcher lediglich eine Symmetrieachse besitzt. Die Stromschiene kann hierfür beispielsweise mittels Strangpressen, Stanzen oder Walzen hergestellt werden. Auch kann eine bereits mit symmetrischem Querschnitt hergestellte Stromschiene nachträglich abschnittsweise mittels Pressen oder Stempeln umgeformt werden, derart, dass ein erster Abschnitt im Verbindungsbereich einen asymmetrischen Querschnitt aufweist oder der Querschnitt lediglich eine Symmetrieachse hat.
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Unter Verbindungsbereich der Stromschiene ist somit der Bereich der Stromschiene zu verstehen, in welchem die Stromschiene den festen und elektrischen Kontakt zum Wicklungsdraht aufweist. Der erste Querschnitt in diesem Bereich ist ein Querschnitt durch die gesamte Stromschiene in diesem Bereich.
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Dadurch, dass eine Stromschiene mit zumindest abschnittsweise asymmetrischem Querschnitt oder einem Querschnitt, welcher lediglich eine Symmetrieachse aufweist, vorgesehen ist, können mittels einfacher Verfahren, beispielsweise mittels Strahlschweißen, stoffschlüssige Verbindungen zwischen dem Wicklungsdraht und der Stromschiene hergestellt werden.
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Üblicherweise ist die Stromschiene aus einem elektrisch gut leitendem Material, beispielsweise Kupfer, ausgebildet und weist einen im Vergleich zum Wicklungsdraht relativ großen Querschnitt auf. Der Querschnitt einer üblicherweise verwendeten Stromschiene ist entlang dessen gesamten Länge bzw. entlang des gesamten Umfangs symmetrisch, beispielsweise rund oder quadratisch bzw. rechteckig ausgebildet. Aufgrund des begrenzten Bauraums innerhalb der Ausnehmung des Aufnahmekörpers können stoffschlüssige Verbindungen zwischen dem Wicklungsdraht und der Stromschiene nur schwer bzw. aufwendig hergestellt werden. Der Zugang zu einer Kontaktstelle zwischen einer symmetrisch ausgebildeten Stromschiene und dem Wicklungsdraht ist sehr begrenzt.
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Dadurch, dass erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass der erste Querschnitt der Stromschiene im Bereich des Verbindungsabschnitts asymmetrisch ist oder lediglich eine Symmetrieachse aufweist, können ohne Vergrößerung des Bauraums innerhalb der Ausnehmung des Aufnahmekörpers in einfacher Weise Verfahren wie zum Beispiel Strahlschweißen angewandt werden, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Wicklungsdraht und der Stromschiene herzustellen.
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Bevorzugterweise ist der erste Querschnitt der Stromschiene im Bereich des Verbindungsabschnitts punktasymmetrisch, das heißt nicht punktsymmetrisch. Unter Punktasymmetrie ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass der erste Querschnitt bei gedanklicher Drehung um 180 Grad nicht auf sich selber abgebildet werden kann.
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Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Stromschiene im Bereich des Verbindungsabschnitts eine Querschnittsverengung aufweist. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Wärmeableitung beim Schweißen geringer ist und somit das Aufschmelzen beider Komponenten, das heißt der Stromschiene im Bereich der Verbindungsstelle und dem Wicklungsdraht, begünstigt. Aufgrund der Querschnittsverengung im Bereich der Verbindungsstelle kann die Wärme bei Hitzeeinwirkung, beispielsweise beim Strahlschweißen, nicht mehr so schnell über das an sich gut leitende Kupfermaterial der Stromschiene abfließen.
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Besonders bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der Verbindungsabschnitt bzw. der Abschnitt, welcher an den Kontaktbereich zwischen Stromschiene und Wicklungsdraht anschließt, an den Querschnitt des Wicklungsdrahts angepasst ist. Somit ist besonders bevorzugterweise vorgesehen, dass der Bereich der Querschnittsverengung eine im Wesentlichen zur Querschnittsfläche des Wicklungsdrahts identische Fläche aufweist. Zumindest ist bevorzugterweise vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen Querschnittsfläche des Wicklungsdrahts und Querschnittsfläche des Bereichs der Querschnittsverengung auf das anzuwendende Schweißverfahren angepasst ist.
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Beispielsweise kann der erste Querschnitt der Stromschiene im Bereich des Verbindungsabschnitts im Wesentlichen trapezförmig oder T-förmig sein. Aufgrund einer derartigen Querschnittsform der Stromschiene im Bereich des Verbindungsabschnitts kann die Zugänglichkeit für das Strahlschweißen weiter verbessert werden. Insbesondere wird hierdurch der mögliche Schweißwinkel, das heißt der Zugangswinkel für das Schweißen, vergrößert und somit der Verfahrensschritt zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Wicklungsdraht und Stromschiene vereinfacht.
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Auch ist bevorzugterweise vorgesehen, dass der Verbindungsabschnitt in einem vorderen Bereich der Ausnehmung angeordnet ist. Unter vorderen Bereich der Ausnehmung ist der Bereich innerhalb der Ausnehmung zu verstehen, welcher näher zur Öffnung der Ausnehmung hin als zu einem Bodenabschnitt bzw. einer Bodenfläche der Ausnehmung hin angeordnet ist. Somit ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Stromschiene derart ausgebildet bzw. geformt ist, dass die Kontaktstelle zwischen Stromschiene und Wicklungsdraht bzw. der Verbindungsabschnitt möglichst weit vom Bodenabschnitt der Ausnehmung hin zur Öffnung gerichtet bzw. angeordnet ist. Dadurch wird die Zugänglichkeit für Verfahren, wie beispielsweise das Strahlschweißen, weiter erleichtert.
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Die Ausnehmung im Aufnahmekörper wird durch einen Bodenabschnitt des Aufnahmekörpers und zwei seitliche Schenkel des Aufnahmekörpers begrenzt. Die beiden Schenkel definieren dabei die Tiefe der Ausnehmung. In Sinne der Erfindung ist unter der Tiefe der Ausnehmung die Tiefe zu verstehen, welche durch den längeren Schenkel definiert wird, falls die beiden Schenkel ungleich bzw. nicht gleich lang sind. Bevorzugterweise ist die Stromschiene im Bereich des Verbindungsabschnitts derart ausgebildet, dass ein Abstand zwischen Verbindungsabschnitt und Bodenabschnitt bzw. der Bodenfläche größer als 50 % der Tiefe der Ausnehmung ist. Besonders bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen Verbindungsabschnitt und Bodenabschnitt bzw. Bodenfläche der Ausnehmung größer als 75 % der Tiefe der Ausnehmung ist. Somit ist besonders bevorzugterweise vorgesehen, dass der Verbindungsabschnitt in der vorderen Hälfte der Ausnehmung angeordnet ist. Dabei kann der Wicklungsdraht bzw. das mit der Stromschiene verbundene Ende des Wicklungsdrahts im Bereich des Verbindungsabschnitts auch aus der Ausnehmung teilweise oder vollständig herausstehen bzw. herausragen.
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Vorzugsweise ist die Ausnehmung beziehungsweise der Querschnitt des Aufnahmekörpers im Bereich der Ausnehmung im Wesentlichen U-förmig ausgebildet.
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Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass in dem Verbindungsabschnitt der Stromschiene das Ende des mindestens einen Wicklungsdrahts stoffschlüssig mit der Stromschiene verbunden ist. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen Stromschiene und Wicklungsdraht kann beispielsweise mittels Strahlschweißen, beispielsweise Laserstrahlschweißen oder Elektronenstrahlschweißen, hergestellt werden.
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Bevorzugterweise weist der Aufnahmekörper der Verschaltungsanordnung mehrere nebeneinander oder übereinander angeordnete Ausnehmungen auf, wobei in jeder Ausnehmung eine Stromschiene angeordnet ist. Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass jede Stromschiene entlang ihrer Länge bzw. entlang ihres Umfangs mehrere verteilt und beabstandet zueinander angeordnete Verbindungsabschnitte aufweist, an welchen jeweils ein Wicklungsdraht bzw. ein Ende eines Wicklungsdrahts mit der Stromschiene elektrisch und mechanisch sowie besonders bevorzugterweise auch stoffschlüssig, verbunden ist. Hierfür kann der Aufnahmekörper beispielsweise kammförmig ausgebildet sein bzw. mehrere U-förmig ausgebildete Ausnehmungen aufweisen. Die einzelnen nebeneinander oder übereinander angeordneten Ausnehmungen im Aufnahmekörper sind dabei durch beabstandet zueinander angeordnete Stege voneinander getrennt und weisen bevorzugterweise einen gemeinsamen Bodenabschnitt auf.
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Erfindungsgemäß ist ferner eine elektrische Maschine mit einer Verschaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 vorgesehen.
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Des Weiteren ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer Verschaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 für eine elektrische Maschine vorgesehen, wobei das Ende des mindestens einen Wicklungsdrahts in dem Verbindungsabschnitt der Stromschiene mittels Strahlschweißen, beispielsweise Laserstrahlschweißen oder Elektronenstrahlschweißen, mit der Stromschiene stoffschlüssig verbunden wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen schematisch:
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1: einen Ausschnitt einer Verschaltungsanordnung in Querschnittsdarstellung nach dem Stand der Technik,
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2: einen Ausschnitt einer Verschaltungsanordnung in Querschnittsdarstellung, wobei der Verbindungsbereich der Stromschiene einen asymmetrischen Querschnitt aufweist,
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3a und 3b: unterschiedliche Formen eines ersten Querschnitts der Stromschiene im Verbindungsbereich zwischen Stromschiene und Wicklungsdraht.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Ausschnitt einer Verschaltungsanordnung nach dem Stand der Technik. In einem Aufnahmekörper 12 aus elektrisch isolierendem Material sind zwei Ausnehmungen 13 zur Aufnahme von Stromschienen 11 angeordnet. Die Stromschienen 11 sind jeweils mit einem Ende eines Wicklungsdrahts 10 mechanisch sowie elektrisch verbunden. Die Stromschiene 11 weist einen rechteckigen und somit symmetrischen Querschnitt im Bereich des Verbindungsabschnitts der Stromschiene auf. Der rechteckige Querschnitt weist zwei Symmetrieachsen 23 auf. Um den Wicklungsdraht 10 stoffschlüssig mit der Stromschiene im Verbindungsabschnitt zu verbinden, können bei einer derartigen Anordnung Verfahren wie beispielsweise Strahlschweißen nur schwer oder sehr aufwendig angewandt werden, da der Zugang 20 zur Schweißstelle erheblich eingeschränkt ist. Des Weiteren ist der Massenunterschied zwischen Wicklungsdraht 10 und Stromschiene 11 im Bereich des Verbindungsabschnitts 14 sehr hoch, wodurch ein schneller Abfluss der Wärme über die Stromschiene 11 eintreten würde und somit ein Verbindungsverfahren wie beispielsweise das Strahlschweißen nicht oder nur sehr aufwendig anwendbar wäre.
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2 zeigt einen Ausschnitt einer Verschaltungsanordnung 100 in Querschnittsdarstellung. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Ausführungs-form weist die Stromschiene 11 in 2 einen asymmetrischen ersten Quer-schnitt 15 im Verbindungsabschnitt 14 auf. Dabei ist der erste Querschnitt 15 derart ausgebildet bzw. geformt, dass dieser keine Symmetrieachse aufweist sowie auch nicht punktsymmetrisch, das heißt punktasymmetrisch ist.
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Der Zugang 20 zur Schweißstelle, das heißt zur Kontaktstelle zwischen dem Wicklungsdraht 10 und der Stromschiene 11 im Verbindungsabschnitt 14, ist durch die Form der Stromschiene 11 erheblich größer. Somit ist der mögliche Schweißwinkel für das Strahlschweißen, beispielsweise Laserstrahlschweißen oder Elektronenstrahlschweißen, groß genug, um ein automatisiertes und einfaches Verfahren zu ermöglichen. Des Weiteren ist aufgrund der Asymmetrie des ersten Querschnitts 15 im Bereich des Verbindungsabschnitts 14 der Stromschiene 11 der Querschnitt der Stromschiene 11 bereichsweise verengt. Hierdurch wird ein besseres Masseverhältnis zwischen Wicklungsdraht 10 und Stromschiene 11 erreicht. Das heißt, dass der Wärmeabfluss bei Wärmeeinwirkung, beispielsweise durch das Strahlschweißen, aufgrund der Querschnittsverengung 21 langsamer bzw. nicht so gut über die Stromschiene 11 abfließt, da der Querschnitt des Wicklungsdraht 10 nahezu identisch zu der Querschnittsfläche des Verbindungsabschnitts 14 der Stromschiene 11 ist.
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In den 3a und 3b sind in Querschnittsdarstellung zwei Beispiele unter-schiedlicher Querschnittsformen einer Stromschiene 11 gezeigt. 3a zeigt einen trapezförmigen ersten Querschnitt 15 im Bereich des Verbindungsabschnitts 14 der Stromschiene 11. Dabei ist der Wicklungsdraht 10 im vorderen Bereich der Ausnehmung 13 mit der Stromschiene 11 verbunden. Das heißt, der Verbindungsabschnitt 14 der Stromschiene 11 ist relativ weit zur Öffnung der Ausnehmung 13 hin gerichtet. Des Weiteren ist der Wicklungsdraht 10 in dem Bereich mit der Stromschiene 11 verbunden, in dem der erste Querschnitt 15 der Stromschiene 11 im Verbindungsabschnitt 14 eine Querschnitts-verengung 21 aufweist. Der trapezförmige erste Querschnitt 15 ist asymmetrisch.
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3b zeigt einen im Wesentlichen T-förmigen ersten Querschnitt 15 der Stromschiene 11 im Bereich des Verbindungsabschnitts 14. Dabei ist der Wicklungsdraht 10 am Fußabschnitt des T-förmigen ersten Querschnitts 15 mit der Stromschiene 11 stoffschlüssig verbunden. In diesem Bereich weist der erste Querschnitt 15 der Stromschiene 11 eine Querschnittsverengung 21 auf. Der T-förmige erste Querschnitt weist lediglich eine einzige Symmetrieachse 23 auf und ist punktasymmetrisch ausgebildet.
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Damit der Wicklungsdraht 10 beim Ansetzen bzw. beim Aufsetzen auf den Verbindungsabschnitt 14 der Stromschiene 11 vor dem Schweißen nicht verrutscht, kann der Wicklungsdraht 10 beidseitig von der Schweißstelle temporär gehalten werden. Alternativerweise oder zusätzlich könnte eine Ausnehmung 22 in der Stromschiene 11 im Bereich des Verbindungsabschnitts 14 vorgesehen sein, durch welche ein Verrutschen des Wicklungsdrahts 10 vermieden wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Verschaltungsanordnung
- 200
- elektrische Maschine
- 10
- Wicklungsdraht
- 11
- Stromschiene
- 12
- Aufnahmekörper
- 13
- Ausnehmung
- 14
- Verbindungsabschnitt
- 15
- ersten Querschnitt
- 16
- Bodenabschnitt
- 17a, 17b
- Schenkel
- 18
- Tiefe der Ausnehmung
- 19
- Abstand zwischen Verbindungsabschnitt und Bodenabschnitt
- 20
- Zugang zur Schweißstelle
- 21
- Querschnittsverengung
- 22
- Ausnehmung in Stromschiene
- 23
- Symmetrieachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005028791 A1 [0003]
- DE 102006046669 A1 [0004]
- DE 19956844 A1 [0005]
