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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stators für eine elektrische Maschine. Die Erfindung betrifft ferner einen Stator, der mittels dieses Verfahrens hergestellt ist, sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator.
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Typischerweise umfassen herkömmliche Statoren für elektrische Maschinen Statorwicklungen, die im Betrieb der Maschine elektrisch bestromt werden. Bei einer derartigen elektrischen Maschine kann es sich allgemein um einen Elektromotor oder um einen Generator handeln. Die elektrische Maschine kann als Außenläufer oder als Innenläufer ausgebildet sein. Im Betrieb der Maschine entsteht Wärme, die zur Vermeidung einer Überhitzung und einer damit verbundenen Beschädigung oder gar Zerstörung des Stators abgeführt werden muss. Hierzu ist es aus herkömmlichen Statoren bekannt, diese mit einer Kühlung zum Kühlen des Stators - insbesondere besagter Statorwicklungen - auszustatten. Eine solche Kühlung umfasst einen oder mehrere Kühlkanäle, die von einem Kühlmittel durchströmt werden und in der Nähe der Statorwicklungen im Stator angeordnet sind. Durch Wärmeübertragung von den Statorwicklungen auf das Kühlmittel kann Wärme vom Stator abgeführt werden. Auf diese Weise kann eine Überhitzung der Statorwicklungen und, damit verbunden, eine Beschädigung oder gar Zerstörung des Stators vermieden werden.
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Um die Herstellungskosten für die Bereitstellung der oben erwähnten Kühlkanäle gering zu halten, ist es bekannt, die den Statorkörper bildenden Blechpakete des Stators einschließlich der die Statorwicklungen tragenden Statorzähne mit einer Kunststoffmasse zu umspritzen und im Zuge des Spritzvorgangs in der Kunststoffmasse besagte Kühlkanäle zu erzeugen. Im Zuge des Umspritzens können die auf die Statorzähne gewickelten Statorwicklungen dauerhaft auf dem Stator fixiert werden.
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Als problematisch erweist sich in diesem Zusammenhang, dass beim Umspritzen des Statorkörpers und der auf den Statorzähnen angeordneten Wicklungen nicht garantiert werden kann, dass die elektrisch leitend ausgebildeten Wicklungen nicht am - ebenfalls elektrisch leitenden - Statorkörper anliegen, welcher typischerweise durch aufeinandergestapelte, elektrisch leitende Blechformteile gebildet werden. Die damit einhergehende elektrische Verbindung zwischen Statorwicklungen und Statorkörper bewirkt aber einen unerwünschten elektrischen Kurzschluss.
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Dies gilt auch für den in der Praxis üblichen Fall, dass die Statorwicklungen bereits mit einer elektrischen Isolierung gefertigt werden, da diese im Betrieb der elektrischen Maschine aufgrund von hohen Temperaturen, die von dem durch die starke Verwicklungen hindurchströmenden elektrischen Strom hervorgerufen werden können, zumal es teilweise beschädigt oder gar zerstört werden können.
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Ebenso kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Statorwicklungen nach dem Erzeugen der Kühlkanäle durch den Spritzgussvorgang mit Kunststoffmasse nicht in die Kühlkanäle hineinragen. Für den Fall, dass die voranstehend erwähnte elektrische Isolation der Starterwicklungen beschädigt oder gar zerstört ist, können die Statorwicklungen in direkten Kontakt mit dem durch die Kühlkanäle geführten Kühlmittel geraten, was vermieden werden muss, um eine elektrische Verbindung der Statorwicklungen mit dem Kühlmittel zu vermeiden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Stators mit Kühlkanälen zu schaffen, bei welchem die voranstehend genannten Nachteile weitgehend oder sogar vollständig behoben sind.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Stators für eine elektrische Maschine umfasst einen ersten Schritt a). Gemäß Schritt a) wird ein Stator bereitgestellt, der einen ringförmigen Statorkörper umfasst, von welchem wiederum radial nach innen mehrere, entlang einer Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnete Statorzähne zur Aufnahme von Statorwicklungen abstehen. Zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen wird jeweils ein Zwischenraum, die sogenannte Stator-Nut, ausgebildet.
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Gemäß einem weiteren Schritt b) werden zumindest zwei in Umfangsrichtung benachbarter Statorzähne zumindest teilweise mit einer ersten Kunststoffmasse umspritzt. Auf diese Weise wird zusätzlich sichergestellt, dass die noch auf die Statorzähne zu wickelnden Statorwicklungen nach dem Wicklungsvorgang elektrisch gegenüber den elektrisch leitenden Starorzähnen isoliert sind. Bevorzugt werden daher die den Zwischenräumen zugewandten Umfangsseiten des Statorzahns umspritzt.
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Gemäß einem weiteren Schritt c) wird zumindest eine Statorwicklung auf wenigstens einem Statorzahn angeordnet. Dieser Vorgang entspricht dem Wickeln der Statorwicklungen auf die Statorzähne. Die Statorwicklungen können als konzentrierte oder verteilte Statorwicklungen realisiert werden. In Ersterem Fall ist auf einem Starter jeweils Gemäß einem weiteren Schritt d) wird diese zumindest eine Statorwicklung auf dem Statorzahn durch zumindest teilweises Umspritzen dieser Statorwicklung mit einer zweiten Kunststoffmasse fixiert, also dauerhaft befestigt.
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Erfindungsgemäß wird nach dem Umspritzen mit der ersten Kunststoffmasse gemäß Schritt b) und vor dem Fixieren der zumindest einen Statorwicklung gemäß Schritt d) in den Zwischenraum (zwischen den beiden Statorzähnen eine erste Maskierung eingebracht wird. Dies geschieht derart, dass das von der ersten Maskierung ausgefüllte Volumen des Zwischenraums zur Ausbildung eines Kühlkanals beim Umspritzen gemäß Schritt d) frei von der zweiten Kunststoffmasse bleibt.
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Die Kühlung der Statorwicklungen kann somit bei einem mittels des hier vorgestellten Verfahrens hergestellten Stator durch Transport von in den Statorwicklungen, insbesondere in deren axialen Endabschnitten, erzeugter Abwärme durch die erste, zweite und/oder dritte Kunststoffmasse zu den im Statorkörper gebildeten Kühlmittelkanälen erfolgen. Dort wird die Abwärme von dem durch die Kühlmittelkanäle strömenden Kühlmittel aufgenommen wird.
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Bevorzugt wird das vorangehend beschriebene Vorgehen auf mehrere der Statorzähne und auf mehrere der Statorwicklungen angewandt. Besonders bevorzugt wird das vorangehend beschriebene Vorgehen auf alle im Statorkörper vorhandenen Statorzähne und auf alle auf den Statorzähnen angeordnete Statorwicklungen angewandt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens deckt die erste Maskierung einen den Zwischenraum radial außen begrenzenden Oberflächenabschnitt des Statorkörpers, der in Schritt b) teilweise oder vollständig mit der ersten Kunststoffmasse bedeckt worden sein kann, ab, so dass der Oberflächenabschnitt in Schritt d) nicht mit der zweiten Kunststoffmasse bedeckt wird. Somit kann die erste Kunststoffmasse für die elektrische Isolation des Statorkörpers verwendet werden. Gleichzeitig hält die erste Maskierung den zur Ausbildung eines Kühlkanals erforderliche Volumen beim Fixieren der Statorwicklungen mittels der zweiten Kunststoffmasse frei.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Maskierung in einen radial äußeren Endabschnitt des betreffenden Zwischenraums eingebracht. Dieser Bereich des Zwischenraums eignet sich besonders zur Erzeugung eines Kühlkanals, da im Bereich des radial äußeren Endabschnitts die Statorwicklungen besonders viel Abwärme erzeugen.
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Besonders zweckmäßig füllt die erste Maskierung den radial äußeren Endabschnitt nach dem Einbringen in den radial äußeren Endabschnitt des Zwischenraums vollständig aus. Besonders bevorzugt liegt die erste Maskierung dabei zumindest abschnittsweise flächig an der den radial äußeren Endabschnitt begrenzenden ersten Kunststoffmasse an.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Verfahren einen zusätzlichen Verfahrensschritt e), gemäß welchem die erste Maskierung nach dem Umspritzen mit der zweiten Kunststoffmasse wieder aus dem Zwischenraum entfernt wird. Auf diese Weise bildet ein nach dem Entfernen der ersten Maskierung gebildeter Hohlraum einen Kühlmittelkanal zum Durchströmen mit einem Kühlmittel aus.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren einen zusätzlichen Verfahrensschritt f). Gemäß Schritt f) wird die einen Hohlraum bzw. einen Kühlmittelkanal begrenzende zweite Kunststoffmasse sowie - alternativ oder zusätzlich - die mittels der zweiten Kunststoffmasse am Statorzahn fixierte Statorwicklung sowie - alternativ oder zusätzlich - ein vor dem Entfernen der ersten Maskierung von dieser abgedeckter Oberflächenabschnitt des Statorkörpers mit einer dritten Kunststoffmasse umspritzt. Dies geschieht bevorzugt derart, dass der Hohlraum bzw. Kühlmittelkanal nach dem Umspritzen mit der dritten Kunststoffmasse ausschließlich von der dritten oder ersten Kunststoffmasse begrenzt wird.
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Zweckmäßig erfolgt das Umspritzen mit der dritten Kunststoffmasse nach dem Entfernen der ersten Maskierung. Etwaig aus der zweiten Kunststoffmasse herausragende Statorwicklungen werden auf diese Weise von dem durch den Kühlmittelkanal strömenden Kühlmittel isoliert. Bevorzugt kann mit mehreren der vorhandenen Hohlräume bzw. Kühlmittelkanäle derart verfahren werden. Besonders bevorzugt kann mit allen der vorhandenen Hohlräume bzw. Kühlmittelkanäle derart verfahren werden.
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Bevorzugt wird der betreffende Kühlmittelkanal nach Ausführung von Schritt f) somit ausschließlich von der ersten oder von der dritten Kunststoffmasse begrenzt. Ein unzulässiger elektrischer/mechanischer Kontakt der Statorwicklungen oder des Statorkörpers mit dem Kühlmittel wird auf diese Weise ausgeschlossen.
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Besonders bevorzugt erfolgt das Umspritzen mit der ersten oder dritten Kunststoffmasse derart, dass nach dem Umspritzen der Hohlraum bzw. Kühlmittelkanal an keiner Stelle mehr unmittelbar von einer Statorwicklung und/oder von dem Statorkörper begrenzt wird. Ein unzulässiger elektrischer/mechanischer Kontakt der Statorwicklungen mit dem Kühlmittel wird auf diese Weise ausgeschlossen.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird nach dem Umspritzen mit der ersten Kunststoffmasse gemäß Schritt b) und vor dem Fixieren der zumindest einen Statorwicklung gemäß Schritt d) in einen radial inneren Endabschnitt des Zwischenraums eine zweite Maskierung eingebracht. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das von der zweiten Maskierung ausgefüllte Volumen des Zwischenraums zur Ausbildung eines zusätzlichen Kühlkanals beim Umspritzen gemäß Schritt d) frei von der zweiten Kunststoffmasse bleibt. Auch dieser Bereich des Zwischenraums erweist sich als besonders vorteilhaft für die Erzeugung eines Kühlkanals, da im Bereich des radial inneren Endabschnitts die Statorwicklungen besonders viel Abwärme erzeugen.
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Besonders bevorzugt deckt die zweite Maskierung einen den Zwischenraum radial innen begrenzenden Oberflächenabschnitt der beiden Statorzähne ab, der in Schritt b) teilweise oder vollständig mit der ersten Kunststoffmasse bedeckt worden sein kann. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass der Oberflächenabschnitt in Schritt d) nicht mit der zweiten Kunststoffmasse bedeckt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen zumindest zwei in Umfangsrichtung benachbarte Statorzähne des in Schritt a) bereitgestellten Statorkörpers jeweils an einem vom Statorkörper abgewandten Endabschnitt zumindest einen in der Umfangsrichtung abstehenden Fortsatz auf. Bei dieser Ausführungsform liegen, die beiden Fortsätze der in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähne einander in der Umfangsrichtung gegenüber. Auf diese Weise begrenzen die beiden Fortsätze unter Ausbildung eines Durchgangsschlitzes den zwischen den Statorzähnen gebildeten Zwischenraum radial innen teilweise.
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Bevorzugt wird das vorangehend beschriebene Vorgehen auf mehrere der Statorzähne und auf mehrere der Statorwicklungen angewandt. Besonders bevorzugt wird das vorangehend beschriebene Vorgehen auf alle der im Statorkörper vorhandenen Statorzähne und auf alle auf den Statorzähnen angeordnete Statorwicklungen angewandt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Verfahren einen weiteren zusätzlichen Verfahrensschritt e1) umfassen. Gemäß diesem Schritt e1) wird die zweite Maskierung nach dem Umspritzen mit der zweiten Kunststoffmasse, aus dem Durchgangsschlitz entfernt. Somit bildet der nach dem Entfernen der zweiten Maskierung entstehende Hohlraum einen zusätzlichen Kühlmittelkanal zum Durchströmen mit dem Kühlmittel aus.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann das Verfahren einen weiteren zusätzlichen Verfahrensschritt f1) umfassen. Gemäß dem zusätzlichen Verfahrensschritt f1) wird die den zusätzlichen Kühlmittelkanal begrenzende zweite Kunststoffmasse sowie - alternativ oder zusätzlich - die mittels der zweiten Kunststoffmasse am Statorzahn fixierten Statorwicklung sowie - alternativ oder zusätzlich - der vor dem Entfernen der zweiten Maskierung von dieser abgedeckte Oberflächenabschnitts der Statorzähne mit einer dritten Kunststoffmasse umspritzt. Bei dieser Weiterbildung erfolgt dies derart, dass der zusätzliche Kühlmittelkanal nach dem Umspritzen mit der dritten Kunststoffmasse K3 ausschließlich von der dritten oder ersten Kunststoffmasse K3, K1 begrenzt wird.
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Etwaig aus der zweiten Kunststoffmasse herausragende Statorwicklungen werden auf diese Weise von dem durch den Kühlmittelkanal strömenden Kühlmittel isoliert.
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Besonders bevorzugt wird der zusätzliche Kühlmittelkanal ausschließlich von der dritten Kunststoffmasse begrenzt. Ein unzulässiger elektrischer Kontakt der Statorwicklungen mit dem Kühlmittel wird auf diese Weise ausgeschlossen.
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Zweckmäßig erfolgt das Umspritzen mit der dritten Kunststoffmasse derart, dass nach dem Umspritzen der Hohlraum bzw. Kühlmittelkanal an keiner Stelle unmittelbar von der Statorwicklung und/oder von dem Statorkörper begrenzt wird. Ein unzulässiger elektrischer Kontakt der Statorwicklungen mit dem Kühlmittel wird auf diese Weise ausgeschlossen.
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Vorzugsweise ist die zweite Maskierung derart ausgebildet, dass sie nicht nur den zwischen den beiden in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen gebildeten Durchgangsschlitz ausfüllt, sondern zusätzlich nach radial außen in den verbleibenden Zwischenraum zwischen den beiden Statorzähnen hineinragt. Die zweite Maskierung füllt bei dieser Variante zusätzlich einen sich an den Durchgangsschlitz anschließenden, radial inneren Endabschnitt des Zwischenraums aus.
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Als besonders herzustellen und somit kostengünstig erweisen sich die erste und/oder zweite Maskierung wenn diese durch einen, vorzugsweise plattenartig oder plättchenartig ausgebildeten Einsatz, besonders bevorzugt aus Stahl, gebildet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Verfahren einen weiteren folgenden, zusätzlichen Verfahrensschritt g) umfassen, gemäß welchem Umspritzen zumindest eine Außenumfangsseite des Statorkörpers, mit einer vierten Kunststoffmasse umspritzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung werden beim Umspritzen gemäß Schritt g) auch auf der Außenumfangsseite des Statorkörpers vorgesehene, sich axial erstreckende Fortsätze mit der vierten Kunststoffmasse umspritzt, von welchen axial endseitig jeweils Gewindestangen zur Befestigung eines jeweiligen Lagerschildes am Statorkörper abstehen.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden in einem zusätzlichen Verfahrensschritt mittels der umspritzten Gewindestangen axial gegenüberliegend zwei Lagerschilde am Statorkörper befestigt. Dies geschieht derart, dass ein erstes Lagerschild einen in der dritten und/oder vierten Kunststoffmasse vorgesehenen ersten Hohlraum verschließt, der einen Kühlmittelverteiler bildet und hierzu fluidisch mit den vorhandenen Kühlkanälen kommuniziert. Das Befestigen geschieht außerdem derart, dass ein zweites Lagerschild einen in der dritten und/oder vierten Kunststoffmasse vorgesehenen zweiten Hohlraum verschließt, der einen Kühlmittelsammler bildet und hierzu fluidisch mit den vorhandenen Kühlkanälen kommuniziert. Die beiden Lagerschilde können in der Art Endplatten ausgebildet sein, die einander in der axialen Richtung gegenüberliegen und den Statorkörper axial verlängern. In einem oder in beiden Lagerschilde kann eine Ausnehmung vorgesehen sein, welche den jeweils in der dritten bzw. vierten Kunststoffmasse vorgesehenen Hohlraum erweitern.
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Im Folgenden werden verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen betreffend die Materialeigenschaften der verschiedenen Kunststoffmassen vorgestellt. Betreffend die gewünschten Materialeigenschaften ist zu beachten, dass grundsätzlich Kunststoffmassen mit hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher Festigkeit und hoher Kühlmittelbeständigkeit gewünscht wären. Kunststoffe mit all diesen Materialeigenschaften sind jedoch sehr teuer. Daher werden im folgenden Materialkombination erläutert, er welche die jeweilige Kunststoffmasse nur Materialeigenschaften besitzt, die zur Erfüllung der jeweiligen Funktion erforderlich sind. Beispielsweise ist es nicht erforderlich, dass die vierte Kunststoffmasse, die nur außen am Stadttor vorgesehen ist und eine Gehäusefunktion erfüllt, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Vielmehr ist es ausreichend, wenn die vierte Kunststoffmasse eine hohe mechanische Festigkeit aufweist. Demgegenüber soll die dritte Kunststoffmasse, welche die Kühlkanäle unmittelbar begrenzt, eine hohe Kühlmittelbeständigkeit aufweisen, da sie mit dem durch den jeweiligen kühlkanalströmenden Kühlmittel direkt in Kontakt kommt. Entsprechendes gilt für die erste Kunststoffmasse, welche ebenfalls die Kühlkanäle begrenzen und somit mit dem Kühlmittel in Kontakt gelangen kann. Die zweite Kunststoffmasse, in welcher die einzelnen Statorwicklungen angeordnet sind, soll eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um die von den Startverwicklungen produzierte Wärme effektiv abführen zu können.
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Da im speziellen Thermoplasten einerseits eine höhere thermische Leitfähigkeit besitzen als Duroplaten, andererseits aber auch teurer in der Beschaffung sind, empfiehlt es sich aus Kostengründen, nur für diejenigen Kunststoffmassen, die Wärme von den Statorwicklungen zu den Kühlmittelkanälen transportieren sollen, einen Thermoplasten zu verwenden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Kunststoffmaterial der ersten, zweiten und/oder dritten daher Kunststoffmasse einen Thermoplast oder ist ein Thermoplast. Demgegenüber umfasst das Kunststoffmaterial der vierten Kunststoffmasse bei dieser Ausführungsform einen Duroplasten oder ist ein Duroplast.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Wärmeleitfähigkeit der vierten Kunststoffmasse kleiner als die Wärmeleitfähigkeit der ersten, zweiten und/oder dritten Kunststoffmasse.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Kühlmittelbeständigkeit der dritten Kunststoffmasse größer als die Kühlmittelbeständigkeit der zweiten oder ersten Kunststoffmasse.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Wärmeleitfähigkeit der ersten und der zweiten Kunststoffmasse größer als die Wärmeleitfähigkeit der dritten und der vierten Kunststoffmasse.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst das Kunststoffmaterial der ersten und zweiten und dritten Kunststoffmasse einen Thermoplast oder ist ein Thermoplast. Demgegenüber ist bei dieser Ausführungsform das Kunststoffmaterial der vierten Kunststoffmasse ein vom Thermoplast der ersten, zweiten und dritten Kunststoffmasse verschiedener Duroplast.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Wärmeleitfähigkeit der vierten Kunststoffmasse kleiner als die Wärmeleitfähigkeit der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Kunststoffmasse. Alternativ oder zusätzlich ist bei dieser Ausführungsform die Festigkeit der vierten Kunststoffmasse größer als die Festigkeit der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Kunststoffmasse.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst das Kunststoffmaterial der ersten und der dritten Kunststoffmasse denselben Thermoplasten oder besteht aus demselben Thermoplasten, wohingegen es vom Kunststoffmaterial der zweiten und des vierten Kunststoffmasse verschieden ist. Bei dieser Ausführungsform ist das Kunststoffmaterial der zweiten Kunststoffmasse vom Kunststoffmaterial der vierten Kunststoffmasse verschieden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Kühlmittelbeständigkeit der ersten und/oder dritten Kunststoffmasse größer ist als die Kühlmittelbeständigkeit der zweiten und/oder vierten Kunststoffmasse. Alternativ oder zusätzlich ist bei dieser Weiterbildung die Wärmeleitfähigkeit der ersten und/oder dritten Kunststoffmasse kleiner als die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Kunststoffmasse. Alternativ oder zusätzlich ist Bei dieser Weiterbildung die Festigkeit der vierten Kunststoffmasse größer als die Festigkeit der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Kunststoffmasse.
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Zweckmäßig beträgt eine die Schichtdicke der den jeweiligen Kühlkanal begrenzenden dritten und/oder ersten Kunststoffmasse höchstens 0,8 mm, vorzugsweise höchstens 0,3 mm.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Kunststoffmaterialien der ersten, zweiten, dritten und vierten Kunststoffmasse unterschiedliche Thermoplasten oder Duroplasten umfassen oder bestehen aus unterschiedlichen Thermoplasten oder Duroplasten.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Kühlmittelbeständigkeit der ersten und/oder dritten Kunststoffmasse größer als eine Kühlmittelbeständigkeit der zweiten Kunststoffmasse. Alternativ oder zusätzlich ist bei dieser Weiterbildung die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Kunststoffmasse größer als die Wärmeleitfähigkeit der ersten und/oder dritten und/oder vierten Kunststoffmasse. Alternativ oder zusätzlich ist bei dieser Weiterbildung die Festigkeit der vierten Kunststoffmasse größer als die Festigkeit der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Kunststoffmasse.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zwei zusätzliche Verfahrensschritte h1, h2. Gemäß dem zusätzlichen Verfahrensschritt h1 werden ein Kühlmittelverteilerraum und ein Kühlmittelsammlerraum am und/oder im Stator bereitgestellt, welche über den wenigstens einen Kühlmittelkanale und/oder über den wenigstens einen zusätzlichen Kühlmittelkanal fluidisch miteinander kommunizieren. Der Kühlmittelverteilerraum dient zum Verteilen des Kühlmittels auf die Kühlkanäle, der Kühlmittelsammlerraum zum Sammeln des Kühlmittels nach dem Durchströmen der Kühlkanäle. Der Kühlmittelverteiler und der Kühlmittelsammlerraum können in der axialen Verlängerung des Statorkörpers angeordnet sein und einander entlang der axialen Richtung gegenüberliegend. Der Kühlmittelverteilerraum und der Kühlmittelsammlerraum können zumindest teilweise in der zweiten Kunststoffmasse angeordnet bzw. ausgebildet sein. Zwar werden die elektrisch leitenden Statorwicklungen üblicherweise bereits bei ihrer Herstellung mit einer elektrischen Isolation umgeben, um zu verhindern, dass bei Kontakt einzelner Wicklungsabschnitte miteinander elektrische Kurzschlüsse erzeugt werden. Jedoch kann nicht sichergestellt werden, dass nach Fertigung und Montage der Statorwicklungen alle diese Wicklungen durchgehend mit einer solchen Isolation ausgestattet sind. Gemäß dem zusätzlichen Verfahrensschritt h2 werden daher die den Kühlmittelverteilerraum und/oder den Kühlmittelsammlerraum begrenzende zweite Kunststoffmasse und/oder die axialen Endabschnitte wenigstens einer Statorwicklung, vorzugsweise alle im Stator vorhandenen Statorwicklungen, mit einem elektrisch isolierenden Isolationsmaterial umspritzt und/oder besprüht. Bevorzugt wird hierfür ein elektrisch isolierender Lack verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch eine Kunststoffmasse, insbesondere die dritte Kunststoffmasse und/oder die vierte Kunststoffmasse, verwendet werden. Auf diese Weise kann ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss des im Kühlmittelverteilerraum bzw. im Kühlmittelsammlerraum vorhandenen Kühlmittels mit den elektrisch leitenden Statorwicklungen verhindert werden.
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Besonders erfolgt das Umspritzen bzw. Besprühen gemäß Schritt h2) derart, dass nach dem Umspritzen bzw. Besprühen weder die zweite Kunststoffmasse noch die axialen Endabschnitte der wenigstens einen Statorwicklung, vorzugsweise aller Statorwicklungen, den Kühlmittelverteilerraum oder den Kühlmittelsammlerraum unmittelbar begrenzen. Auf diese Weise wird eine unerwünschte elektrische Verbindung der elektrisch leitenden Statorwicklungen mit dem im Kühlmittelverteilerraum bzw. Kühlmittelsammlerraum vorhanden Kühlmittel ausgeschlossen.
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Besonders bevorzugt werden in Schritt d) des Verfahrens oder zeitlich versetzt dazu, also vor der Ausführung von Schritt d) oder nach der Ausführung von Schritt d), auch die axialen Endabschnitte der wenigstens einen Statorwicklung mittels einer Kunststoffmasse, vorzugsweise mittels der zweiten Kunststoffmasse, auf dem wenigstens einen Statorzahn fixiert.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Stator, der mittels des vorangehend erläuterten Verfahrens hergestellt wurde. Die vorangehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens übertragen sich daher auch auf den erfindungsgemäßen Stator.
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Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine mit dem vorangehend genannten Stator, der folglich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist. Die vorangehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine. Die elektrische Maschine umfasst neben dem Stator auch einen Rotor, der relativ zum Stator um eine Rotationsachse drehbar ist.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1a,b einen in Schritt a) des Verfahrens bereitgestellten Stator in unterschiedlichen Darstellungen,
- 2a,b,c den Stator der 1a,b, nach Durchführung von Schritt b) in unterschiedlichen Darstellungen,
- 3a,b,c den Stator der 2a,b,c nach Durchführung von Schritt c) in unterschiedlichen Darstellungen,
- 4a,b,c den Stator der 2a,b,c nach Durchführung von Schritt d) in unterschiedlichen Darstellungen,
- 5a,b,c den Stator der 2a,b,c nach Durchführung von Schritt e) in unterschiedlichen Darstellungen,
- 6a,b den Stator der 2a,b,c nach Durchführung von Schritt e) in unterschiedlichen Darstellungen,
- 7a,b zwei den Verfahrensschritt h) illustrierende, zueinander alternative Varianten.
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1a illustriert in perspektivischer Darstellung einen Stator 1 mit einem ringförmigen Statorkörper 2, der in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt wird. Wie 1a erkennen lässt, stehen vom Statorkörper 2 radial nach innen mehrere, entlang einer Umfangsrichtung U des ringförmigen Statorkörpers 2 beabstandet zueinander angeordnete Statorzähne 3 zur Aufnahme von Statorwicklungen (in 1 nicht gezeigt) ab.
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Zwischen zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Statorzähnen 3 wird jeweils ein Zwischenraum 4 ausgebildet, der dem Fachmann auch unter dem Begriff „Statornut“ geläufig ist. Die 1b zeigt eine Detaildarstellung des Statorkörpers 2 der 1a in einer Detaildarstellung im Bereich zweier in Umfangsrichtung U benachbarter Statorzähne 3 und in einer Draufsicht entlang einer axialen Richtung A, welche sich entlang einer Mittellängsachse M des Statorkörpers 2 erstreckt und somit senkrecht zur Umfangsrichtung U verläuft. Eine radiale Richtung R erstreckt senkrecht von der Mittellängsachse weg und verläuft somit orthogonal sowohl zur axialen Richtung A als auch zur Umfangsrichtung U.
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Jeder Statorzahn 3 kann an einem vom Statorkörper 2 abgewandten Endabschnitt sowohl einen in der Umfangsrichtung U als auch einen entgegen der Umfangsrichtung U vom Statorzahn 3 abstehenden Fortsatz 12a, 12b aufweisen, so dass jeweils zwei in der Umfangsrichtung U einander gegenüberliegende Fortsätze 12a, 12b zweier in Umfangsrichtung U benachbarter Statorzähne 3 den Zwischenraum 4 unter Ausbildung eines Durchgangsschlitzes 13 radial innen teilweise begrenzen.
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In einem weiteren Verfahrensschritt b) werden die Statorzähne 3 mit einer ersten Kunststoffmasse K1 umspritzt. Die 2a und 2b zeigen den Statorkörper 2 nach Durchführung des Verfahrensschritts b) in einer zu den 1a und 1b korrespondierenden Darstellung. Zur Verdeutlichung zeigt 2c als Detaildarstellung der 2a mehrerer benachbarter Statorzähne 3.
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Nach dem Umspritzen mit der ersten Kunststoffmasse K1 gemäß Schritt b) und vor der Statorwicklungen 5 gemäß Schritt d) wird in einen radial äußeren Endabschnitt 10a der Zwischenräume 4 zwischen den beiden Statorzähnen 3 jeweils eine erste Maskierung 6a eingebracht. Bevorzugt füllt die erste Maskierung 6a den radial äußeren Endabschnitt 10a vollständig aus. Somit bleibt das von der ersten Maskierung 6a ausgefüllte Volumen des Zwischenraums 4 zur Ausbildung eines Kühlkanals 9 in dem später noch auszuführenden Schritt d), also beim Umspritzen mit dem zweiten Kunststoffmasse K2, frei von dieser zweiten Kunststoffmasse K2.
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Zweckmäßig kann die erste Maskierung 6a einen den Zwischenraum 4 radial außen begrenzenden Oberflächenabschnitt 7 des Statorkörpers 2 abdecken, der in Schritt b) teilweise oder vollständig mit der ersten Kunststoffmasse K1 bedeckt worden sein kann. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Oberflächenabschnitt in dem später noch auszuführenden Verfahrensschritt d) mit der zweiten Kunststoffmasse K2 bedeckt wird.
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In einem weiteren Verfahrensschritt c) werden auf den Statorzähnen 3 Statorwicklungen 5 angeordnet. Dies ist in grobschematischer Form in den 3a, 3b und 3c dargestellt, welche den Statorkörper 2 nach Durchführung des Verfahrensschritts c) in einer zu den 2a, 2b und 2c korrespondierenden Darstellung zeigt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt d) werden die Statorwicklungen 5 durch zumindest teilweises Umspritzen mit einer zweiten Kunststoffmasse K2 auf den Statorzähnen 3 fixiert. Dies ist in grobschematischer Form in den 4a, 4b und 4c dargestellt, welche den Statorkörper 2 in einer zu den 3a, 3b und 3c korrespondierenden Darstellung zeigt. Das von den ersten Maskierungen 6a ausgefüllte Volumen bleibt dabei, wie oben erläutert, frei von zweiter Kunststoffmasse K2. Die ersten Maskierung 6a decken einen den Zwischenraum 4 radial außen begrenzenden Oberflächenabschnitt 7 des Statorkörpers 2 ab, der in Schritt b) zumindest teilweise oder vollständig mit der ersten Kunststoffmasse K1 bedeckt worden sein kann. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Oberflächenabschnitt 7 in dem später noch auszuführenden Schritt d) mit der zweiten Kunststoffmasse K2 bedeckt wird. Nach dem Umspritzen mit der zweiten Kunststoffmasse K2 werden die ersten Maskierungen 6a in einem Verfahrensschritt e) wieder aus den Zwischenräumen 4 entfernt, so dass ein nach dem Entfernen der Maskierungen 6a jeweils vorhandener Hohlraum 8 einen Kühlmittelkanal 9 zum Durchströmen mit einem Kühlmittel ausbilden kann.
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Optional kann nach dem Umspritzen mit der ersten Kunststoffmasse K1 gemäß Schritt b) und vor dem Fixieren der Statorwicklungen 5 gemäß Schritt d) auch in einen radial inneren Endabschnitt 10b des jeweiligen Zwischenraums 4 eine zweite Maskierung 6b eingebracht werden. Somit bleibt das von der zweiten Maskierung 6b ausgefüllte Volumen des Zwischenraums 4 zur Ausbildung eines zusätzlichen Kühlkanals 9' beim Umspritzen gemäß Schritt d) frei von der zweiten Kunststoffmasse K2. In analoger Weise zu den ersten Maskierungen 6a können auch die zweite Maskierungen 6b jeweils einen den Zwischenraum 4 radial innen begrenzenden Oberflächenabschnitt 7' der beiden Statorzähne 3, der in Schritt b) teilweise oder vollständig mit der ersten Kunststoffmasse K1 bedeckt worden sein kann, abdecken. Somit wird verhindert, dass der Oberflächenabschnitt 7' in Schritt d) nicht mit der zweiten Kunststoffmasse K2 bedeckt wird.
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In analoger Weise zu den ersten Maskierungen 6a können auch die zweiten Maskierungen 6b nach dem Umspritzen mit der zweiten Kunststoffmasse K2 wieder aus den Durchgangsschlitzen 13 entfernt werden, so dass nach dem Entfernen der jeweiligen zweiten Maskierung 6b gebildete Hohlräume 8' jeweils einen zusätzlichen Kühlmittelkanal 9' zum Durchströmen mit dem Kühlmittel ausbilden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt f) werden die den Hohlraum 8 bzw. Kühlmittelkanal 9 begrenzende zweiten Kunststoffmasse K2, die mittels der zweiten Kunststoffmasse K2 an den Statorzähnen 2 fixierten Statorwicklungen 3 sowie die vor dem Entfernen der ersten Maskierungen 6a von diesen abgedeckten Oberflächenabschnitte 7 des Statorkörpers 2 mit einer dritten Kunststoffmasse K3 umspritzt. Der Verfahrensschritt f) wird nach dem Entfernen der ersten Maskierungen 6a durchgeführt. Das Umspritzen mit der dritten Kunststoffmasse K3 im Zuge von Schritt f) erfolgt bevorzugt derart, dass die Hohlräume 8 bzw. Kühlmittelkanäle 9 nach dem Umspritzen mit der dritten Kunststoffmasse K3 ausschließlich von der dritten oder ersten Kunststoffmasse K3, K1 begrenzt werden.
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In diesem Fall werden die gebildeten Hohlräume 8 bzw. Kühlmittelkanäle 9 ausschließlich von der ersten oder dritten Kunststoffmasse K1, K3 begrenzt, so dass die gewünschte elektrische Isolierung des Statorkörpers 2 gegenüber dem durch die Kühlmittelkanäle 9 strömenden Kühlmittel gewährleistet ist. Möglich ist insbesondere, dass die zusätzlichen Kühlmittelkanäle 9' ausschließlich von der dritten und der ersten Kunststoffmasse K3, K1 begrenzt werden.
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Im Zuge des hier erläuterten Herstellungsverfahrens kann die die zusätzlichen Kühlmittelkanäle 9' begrenzende zweiten Kunststoffmasse K2, die mittels der zweiten Kunststoffmasse K2 an den Statorzähnen 3 fixierten Statorwicklungen 5 und die vor dem Entfernen der zweiten Maskierungen 6b von diesen abgedeckten Oberflächenabschnitte 7' der Statorzähne 3 mit einer dritten Kunststoffmasse K3 umspritzt werden. Das Umspritzen erfolgt dabei derart, dass die zusätzlichen Kühlmittelkanäle 9' nach dem Umspritzen mit der dritten Kunststoffmasse K3 ausschließlich von der dritten und ersten Kunststoffmasse K3, K1 begrenzt werden.
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In analoger Weise zu den Kühlmittelkanälen 9 sind also auch die zusätzlichen Kühlmittelkanäle 9' ausschließlich von der ersten oder dritten Kunststoffmasse K3 begrenzt. Möglich ist insbesondere, dass die zusätzlichen Kühlmittelkanäle 9' ausschließlich von der dritten Kunststoffmasse K3 begrenzt werden.
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Mit anderen Worten, das Umspritzen mit der dritten Kunststoffmasse K3 erfolgt besonders zweckmäßig derart, dass nach dem Umspritzen die Hohlräume 8, 8' bzw. die Kühlmittelkanäle 9, 9' an keiner Stelle unmittelbar von der Statorwicklungen oder vom Statorkörper 2 begrenzt wird. In einem weiteren Verfahrensschritt kann zumindest eine Außenumfangsseite 16 des Statorkörpers 2 mit einer vierten Kunststoffmasse K4 umspritzt werden. Dies ist in den 6a und 6b gezeigt, deren Darstellungen mit den 5a und 5b korrespondieren. Um Zuge des Umspritzens mit der vierten Kunststoffmasse K4 können, wie in den 6a und 6b angedeutet, auf der Außenumfangsseite 16 des Statorkörpers 2 vorgesehene, sich axial erstreckende Fortsätze 18, von welchen axial endseitig jeweils Gewindestangen 19 zur Befestigung eines jeweiligen Lagerschildes am Statorkörper 2 abstehen, ebenfalls mit der vierten Kunststoffmasse K4 umspritzt werden.
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In einem weiteren optionalen Verfahrensschritt können mittels der umspritzten Gewindestangen 19 entlang der axialen Richtung A gegenüberliegend zwei Lagerschilde am Statorkörper befestigt werden. Dies ist für zwei zueinander alternative Varianten in den 7a und 7b dargestellt. In beiden Varianten verschließt, so dass ein erstes Lagerschild 20a einen in der dritten und vierten Kunststoffmasse K3, K4 vorgesehenen ersten Hohlraum 21a, der einen Kühlmittelverteiler 22a bildet und hierzu fluidisch mit den im Stator 1 vorhandenen Kühlkanälen 9, 9' kommuniziert. Ein zweites Lagerschild (nicht gezeigt) verschließt einen in der dritten und vierten Kunststoffmasse K3, K4 ausgebildeten zweiten Hohlraum (nicht gezeigt), der einen Kühlmittelsammler (nicht gezeigt) bildet und hierzu fluidisch mit den im Stator 1 ausgebildeten Kühlkanälen 9, 9' kommuniziert. Die beiden Lagerschilde liegen einander gemäß den 7a und 7b entlang der axialen Richtung A gegenüber und begrenzen den Statorkörper 2 des Stators 1 axial.
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In dem Längsschnitt des Stators 1 entlang der axialen Richtung A gemäß 7a besitzen der Kühlmittelverteiler 22a und der Kühlmittelsammler jeweils eine u-förmige Geometrie, welche einen jeweiligen axialen Endabschnitt 23 der Statorwicklungen 5 in der axialen Verlängerung und radial außen und radial innen teilweise umgeben. In dem Längsschnitt des Stators 1 entlang der axialen Richtung A gemäß 7b besitzen der Kühlmittelverteiler 22a und der Kühlmittelsammler jeweils eine I-förmige Geometrie, welche einen jeweiligen axialen Endabschnitt der Statorwicklungen 5 in der axialen Verlängerung und radial außen teilweise umgeben. Die Befestigung der Lagerschilde 20a am Statorkörper 2 erfolgt mittels der bereits erwähnten, am Statorkörper 2 vorgesehenen Gewindestangen 19 in Verbindung mit auf diese Gewindestangen 19 angepassten Gewindemuttern 24.
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Die ersten und die zweite Maskierungen 6a, 6b können jeweils plattenartig oder plättchenartig ausgebildeten Einsatz 17a, 17b, vorzugsweise aus einem Stahl, gebildet werden.
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Bei einer ersten Variante des Beispiels umfasst das Kunststoffmaterial der ersten und zweiten und dritten Kunststoffmasse K1, K2, K3 denselben Thermoplasten oder besteht aus demselben Thermoplasten. Demgegenüber ist das Kunststoffmaterial der vierten Kunststoffmasse K4 ein vom Thermoplasten der ersten, zweiten und dritten Kunststoffmasse verschiedener Duroplast. Die Wärmeleitfähigkeit der vierten Kunststoffmasse K4 ist bei dieser Variante kleiner als die Wärmeleitfähigkeit der ersten, zweiten und dritten Kunststoffmasse K1, K2, K3. Außerdem ist bei dieser Ausführungsform die Festigkeit der vierten Kunststoffmasse K4 größer als die Festigkeit der ersten, zweiten und dritten Kunststoffmasse K1, K2, K3.
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Bei einer zweiten Variante des Beispiels umfasst das Kunststoffmaterial der ersten und der dritten Kunststoffmasse K1, K3 denselben Thermoplasten oder besteht aus demselben Thermoplasten, wohingegen es vom Kunststoffmaterial der zweiten und des vierten Kunststoffmasse K2, K4 verschieden ist. Bei dieser Variante ist das Kunststoffmaterial der zweiten Kunststoffmasse K2 vom Kunststoffmaterial der vierten Kunststoffmasse K4 verschieden. Bei dieser Variante ist eine Kühlmittelbeständigkeit der ersten und dritten Kunststoffmasse K1, K3 jeweils größer als eine Kühlmittelbeständigkeit der zweiten Kunststoffmasse K2. Ferner ist bei dieser Variante die Wärmeleitfähigkeit der ersten und dritten Kunststoffmasse K1, K3 jeweils kleiner als die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Kunststoffmasse K2. Schließlich Alternativ oder zusätzlich ist bei dieser Variante des Beispiels die Festigkeit der vierten Kunststoffmasse K4 größer als die Festigkeit der ersten, zweiten und dritten Kunststoffmasse K1, K2, K3. Eine Schichtdicke der dritten und ersten Kunststoffmasse K3, K1 beträgt bei dieser Variante des Beispiels höchstens 0,8 mm, bevorzugt höchstens 0,3 mm.
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Bei dieser Variante ist eine Kühlmittelbeständigkeit der ersten und dritten Kunststoffmasse K1, K3 jeweils größer als eine Kühlmittelbeständigkeit der zweiten und der vierten Kunststoffmasse K2, K4. Außerdem ist bei dieser Weiterbildung die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Kunststoffmasse K2 größer als die Wärmeleitfähigkeit der ersten, dritten und/oder vierten Kunststoffmasse K1, K3, K4. Alternativ oder zusätzlich ist bei dieser Weiterbildung die Festigkeit der vierten Kunststoffmasse K4 größer als die Festigkeit der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Kunststoffmasse K1, K2, K3.
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Gemäß einem optionalen Verfahrensschritt kann die den Kühlmittelverteilerraum 22a sowie den Kühlmittelsammlerraum 22b zunächst begrenzende zweite Kunststoffmasse K2 mit einem elektrisch isolierenden Isolationsmaterial umspritzt und/oder besprüht werden. Ebenso können axiale Endabschnitte der Statorwicklungen 6, die entlang der axialen Richtung A beidseitig aus dem jeweiligen Zwischenraum 4 herausragen können, mit dem elektrisch isolierenden Isolationsmaterial umspritzt und/oder besprüht werden. Zweckmäßig wird hierfür ein elektrisch isolierender Lack verwendet. Denkbar ist es aber auch, die dritte Kunststoffmasse K3 und/oder die vierte Kunststoffmasse K4 oder eine andere geeignete Kunststoffmasse zu verwenden. Das Umspritzen. Besprühen erfolgt derart, dass nach dem Umspritzen bzw. Besprühen weder die zweite Kunststoffmasse K2 noch die axialen Endabschnitte der Statorwicklungen 5 den Kühlmittelverteilerraum 22a oder den Kühlmittelsammlerraum 22b unmittelbar begrenzen. Auf diese Weise wird eine unerwünschte elektrische Verbindung der elektrisch leitenden Statorwicklungen 6 mit dem im Kühlmittelverteilerraum 22a bzw. Kühlmittelsammlerraum 22b vorhandenen Kühlmittel ausgeschlossen.
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Im Zuge von Schritt d) oder zeitlich versetzt dazu, also vor der Ausführung von Schritt d) oder nach der Ausführung von Schritt d), können auch die axialen Endabschnitte der Statorwicklungen 5 mittels einer Kunststoffmasse, insbesondere mittels der zweiten Kunststoffmasse K2, auf dem jeweiligen Statorzahn 3 fixiert werden.
