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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen elektrischen Motor, mit einem Statorkern, der mehrere in einer axialen Richtung verlaufende Statornuten aufweist, mit einer in den Statornuten angeordneten Stabwicklung, die aus mehreren Leitersegmenten gebildet ist, wobei die Stabwicklung erste Leitersegment-Enden aufweist, die an einer Stirnseite des Statorkerns zur Bildung eines Wickelkopfes aus den Statornuten hervorstehen, und mit einer Verbindungseinheit, die in einem um den Wickelkopf bestehenden Ringraum angeordnet ist und die mehrere Verbindungsschienen aufweist, die in einer senkrecht zu der axialen Richtung angeordneten, radialen Richtung voneinander beabstandet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Stators.
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Ein Stator einer elektrischen Maschine mit einem Statorkern, in dessen Statornuten eine Stabwicklung angeordnet ist, ist beispielsweise aus der
EP 1 366 557 B1 bekannt. Solche Stabwicklungen werden auch als Formteilwicklungen bezeichnet und sind aus mehreren vorgefertigten Leitersegmenten gebildet, die zur Bildung der Stabwicklung in die Statornuten eingebracht und dann miteinander verbunden werden. Der Querschnitt dieser Leitersegmente ist typischerweise an den Querschnitt der in axialer Richtung verlaufenden Statornuten angepasst, so dass ein hoher Nut-Füllfaktor erreicht werden kann. An den Stirnseiten des Statorkerns sind die Statornuten quer angeschnitten. Die Leitersegmente weisen Leitersegment-Enden auf, die an diesen Stirnseiten hervorstehen und miteinander verbunden werden. Die miteinander verbundenen Leitersegment-Enden bilden einen so genannten Wickelkopf, der relativ kompakt ausgestaltet sein kann und im Wesentlichen den Bereich der Stirnseite einnimmt, in dem die Statornuten in die Stirnseite münden. Der radial außerhalb der Statornuten liegende Ringraum an der Stirnseite wird auch als Statorrücken bezeichnet und ist typischerweise nicht durch Leitersegmente der Stabwicklung ausgefüllt.
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Bei dem Stator nach
EP 1 366 557 B1 ist in dem um den Wickelkopf bestehenden Ringraum eine Verbindungseinheit angeordnet, über welche einzelne Spulen der Wicklung miteinander verschaltet sind. Die Verbindungseinheit nutzt somit den Ringraum aus. Es hat sich allerdings als nachteilig herausgestellt, dass die Verbindungseinheit in radialer Richtung verlaufende Laschen aufweist, die oberhalb der Verbindungsschienen angeordnet sind und diese mit der Stabwicklung verbinden. Hierdurch wird ein relativ großer Bauraum in axialer Richtung eingenommen, der nicht durch magnetisch aktive Komponenten ausgefüllt ist und das maximal erreichbare Drehmoment der elektrischen Maschine begrenzt.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, einen Stator für eine elektrische Maschine bereitzustellen, mit dem ein möglichst großes Drehmoment erreichbar ist.
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Bei einem Stator der eingangs genannten Art wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, dass die Stabwicklung mindestens ein mit der Verbindungseinheit verbundenes zweites Leitersegment-Ende aufweist, welches derart gebogen ist, dass es einen ersten Endabschnitt aufweist, der in der radialen Richtung nach außen in Richtung der Verbindungseinheit verlaufend angeordnet ist.
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Über das zweite Leitersegment-Ende mit radial nach außen gebogenem Endabschnitt kann eine Verbindung zwischen der Stabwicklung und der Verbindungseinheit hergestellt werden, welche die axiale Ausdehnung des Wickelkopfes und der Verbindungseinheit nicht vergrößert. Beispielsweise kann der erste Endabschnitt zwischen der Stirnseite des Statorkerns und einer Oberkante des Wickelkopfs angeordnet sein. Der Platzbedarf des Stators in axialer Richtung wird daher verringert, so dass der magnetisch nicht aktive Raum in axialer Richtung reduziert wird und eine elektrische Maschine mit vergrößertem Drehmoment ermöglicht wird.
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Bevorzugt ist die Verbindungseinheit vollständig um den Wickelkopf umlaufend ausgebildet. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Verbindungseinheit nur teilweise um den Wickelkopf umlaufend angeordnet ist. Die Verbindungsschienen der Verbindungseinheit können kreisringsegmentförmig oder kreisringförmig ausgebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das mindestens eine zweite Leitersegment-Ende derart gebogen ist, dass es einen an den ersten Endabschnitt angrenzenden, zweiten Endabschnitt aufweist, der in axialer Richtung verlaufend angeordnet ist. Mit einem zweiten Leitersegment-Ende, welches sowohl einen ersten Endabschnitt aufweist, der in der radialen Richtung nach außen in Richtung der Verbindungseinheit verlaufend angeordnet ist und einen zweiten Endabschnitt, der ausgehend von dem radial außenliegenden Ende der ersten Endabschnitts in axialer Richtung verläuft, wird es möglich, Verbindungsschienen der Verbindungseinheit in axialer Richtung zu kontaktieren. Hierdurch wird das Kontaktieren von solchen Verbindungsschienen erleichtert, die nicht unmittelbar an den Wickelkopf angrenzen, sondern durch andere Verbindungsschienen der Verbindungseinheit derart verdeckt werden, dass eine Kontaktierung in radialer Richtung nicht möglich ist.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn das mindestens eine zweite Leitersegment-Ende im Bereich des zweiten Endabschnitts mit der Verbindungseinheit, insbesondere mit einer Verbindungsschiene der Verbindungseinheit, verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem zweiten Leitersegment-Ende und der Verbindungsschiene ist bevorzugt als Schweißverbindung. Lötverbindung oder Crimpverbindung ausgebildet.
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Bevorzugt ist das mindestens ein Leitersegment-Ende mit der Verbindungseinheit auf einer Seite der Verbindungseinheit verbunden, die dem Statorkern zugewandt ist. Durch eine Anbindung des zweiten Leitersegment-Endes an die Verbindungseinheit an der dem Statorkern zugewandten Seite kann ein besonders kompakter Aufbau ermöglicht werden. Zudem kann die Verbindungseinheit bei der Montage an dem Stator in axialer Richtung auf dem Wickelkopf an der Stirnseite aufschoben werden bis die Verbindungseinheit in Anlage mit dem zweiten Leitersegment-Ende kommt. Dann kann das zweite Leitersegment-Ende mit der Verbindungseinheit elektrisch verbunden werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Stabwicklung mehrere mit der Verbindungseinheit verbundene zweite Leitersegment-Enden aufweist, welche derart gebogen sind, dass sie jeweils einen ersten Endabschnitt aufweisen, der in der radialen Richtung nach außen in Richtung der Verbindungseinheit verlaufend angeordnet ist. Über die mehreren zweiten Leitersegment-Enden können einzelne Wicklungsabschnitte der Stabwicklung zu Phasen und/oder zu Strängen einer Phase verschaltet werden. Ferner ist es möglich über die zweiten Leitersegment-Enden Zuleitungen zu einem Sternpunkt der elektrischen Maschine oder zu einem Phasenanschluss der elektrischen Maschine zu ermöglichen.
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Bevorzugt wird die Verbindungseinheit mechanisch ausschließlich durch die Verbindungen zu der Stabwicklung gehalten. Auf eine zusätzliche mechanische Halterung kann daher verzichtet werden. Besonders bevorzugt weist die Stabwicklung mindestens drei mit der Verbindungseinheit verbundene zweite Leitersegment-Enden auf, wobei zwei dieser mindestens drei Leitersegment-Enden einen Winkel miteinander einschließen, der in einem Bereich von 100° bis 140°, bevorzugt im Bereich zwischen 110° und 130°, liegt beispielsweise 120° ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Verbindungseinheit in axialer Richtung eine Höhe über der Stirnseite auf, die kleiner oder gleich der Höhe des Wickelkopfs über der Stirnseite in axialer Richtung ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung wird die die axiale Länge des Stators durch die Höhe des Wickelkopfs bestimmt und nicht durch die Verbindungseinheit. Somit kann der magnetisch nicht aktive Raum in axialer Richtung weiter reduziert und eine elektrische Maschine mit nochmals vergrößertem Drehmoment ermöglicht werden.
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Die Leitersegmente der Stabwicklung sind bevorzugt aus Kupfer oder aus Aluminium oder aus einer Kupfer-Aluminium-Legierung ausgebildet. Die Verbindungsschienen der Verbindungseinheit sind bevorzugt aus einem identischen Material wie die Leitersegmente der Stabwicklung ausgebildet. Die Verbindungsschienen weist bevorzugt einen Querschnitt auf, der größer ist als der Querschnitt der Leitersegmente, besonders bevorzugt mindestens um einen Faktor 2 oder mindestens um einen Faktor 4 größer als der Querschnitt der Leitersegmente.
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Die Leitersegmente der Stabwicklung und/oder die Verbindungsschienen der Verbindungseinheit sind bevorzugt mit einer Isolierung versehen, beispielsweise mit einer isolierenden Lackbeschichtung, insbesondere einer isolierenden Lackbeschichtung, die Polyphenylsulfid (PPS) aufweist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Stators für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen elektrischen Motor, vorgeschlagen, wobei ein Statorkern bereitgestellt wird, der mehrere in einer axialen Richtung verlaufende Statornuten aufweist, wobei in den Statornuten eine Stabwicklung angeordnet wird, die aus mehreren Leitersegmenten gebildet ist, wobei die Stabwicklung erste Leitersegment-Enden aufweist, die an einer Stirnseite des Statorkerns zur Bildung eines Wickelkopfes aus den Statornuten hervorstehen,
wobei in einem um den Wickelkopf bestehenden Ringraum eine Verbindungseinheit angeordnet wird, welche mehrere Verbindungsschienen aufweist, die in einer senkrecht zu der axialen Richtung angeordneten, radialen Richtung voneinander beabstandet sind, wobei die Stabwicklung mindestens ein zweites Leitersegment-Ende aufweist, welches derart gebogen wird, dass es einen ersten Endabschnitt aufweist, der in einer senkrecht zu der axialen Richtung angeordneten, radialen Richtung nach außen in Richtung der Verbindungseinheit verlaufend angeordnet ist und das zweite Leitersegment-Ende mit der Verbindungseinheit verbunden wird.
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Bei dem Verfahren können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stator beschrieben worden sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das mindestens eine zweite Leitersegment-Ende derart gebogen wird, dass es einen an den ersten Endabschnitt angrenzenden, zweiten Endabschnitt aufweist, der in axialer Richtung verlaufend angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Verbindungseinheit zum Anordnen um den Wickelkopf her in axialer Richtung in Richtung der Stirnseite auf den Wickelkopf aufgeschoben wird.
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Bevorzugt wird das mindestens eine zweite Leitersegment-Ende mit der Verbindungseinheit durch Schweißen, Crimpen oder Hartlöten verbunden.
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Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend genannten vorteilhaften Ausgestaltungen können bei dem Herstellungsverfahren auch die im Zusammenhang mit dem Stator beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale allein oder in Kombination Anwendung finden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 ein Leitersegment einer Stabwicklung in einer Seitenansicht;
- 2 ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer Sternschaltung einer dreiphasigen elektrischen Maschine;
- 3. ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer Dreiecksschaltung einer dreiphasigen elektrischen Maschine;
- 4 ein Stator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung;
- 5 der Stator nach 4 in einer perspektivischen Darstellung aus anderem Blickwinkel;
- 6 der Stator nach 4 in einer perspektivischen Detail-Darstellung; und
- 7 der Stator nach 4 in einer perspektivischen Detail-Darstellung aus anderem Blickwinkel.
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In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Leitersegments 1 gezeigt, dass zur Bildung einer Stabwicklung verwendet werden kann. Das Leitersegment 1 weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf und ist U-förmig ausgebildet. Aufgrund ihrer Form werden derartige Leitersegmente auch als Hairpins (engl. für Haarnadeln) bezeichnet. Das Leitersegment ist bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium oder einer Kupfer-Aluminium-Legierung ausgebildet, wodurch gute elektrische Eigenschaften ermöglicht werden.
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U-förmige Leitersegmente 1, wie das in 1 gezeigte, lassen sich bei der Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine von einer Stirnseite des Statorkerns in die Statornuten einschieben. Nach dem Einbringen des Leitersegments 1 in die Statornuten können die an einer Stirnseite des Statorkerns herausstehenden offenen Leitersegment-Enden 2 des Leitersegments, umgebogen werden, um diesem mit einem weiteren Leitersegment 1 zu verbinden. Durch das Verbinden einer Vielzahl derartiger Leitersegmente 1 wird eine Stabwicklung des Stators gebildet.
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Gemäß einer Abwandlung des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels kann das Leitersegment V-förmig ausgebildet sein. Weiter alternativ ist es möglich, dass eine Vielzahl gerader Leitersegmente verwendet wird oder eine Kombination gerader Leitersegmente mit U-förmigen und/oder V-förmigen Leitersegmenten.
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Die Darstellung in 2 zeigt eine Sternschaltung einer Stabwicklung 10 einer dreiphasigen elektrischen Maschine. Diese elektrische Maschine weist je Phase jeweils sechs Stränge 13 auf, die untereinander elektrisch verschaltet werden müssen. Beim Wickeln eines Strangs 13 entstehen in den Wickelköpfen an den Stirnseiten des Stators typischerweise regelmäßige Anordnungen von Leitersegment-Enden 2, die ohne Kollisionen mit anderen Leitersegment-Enden 2 verbunden werden können. Um die einzelnen Stränge 13 jedoch parallel und/oder seriell zu verschalten oder den Sternpunkt 11 bzw. die Phasenanschlüsse 12 zu realisieren, sind jedoch Sprünge zwischen dem Anfang bzw. dem Ende der Stränge 13 erforderlich, die unregelmäßige Verbindungen an der Stirnseite erfordern.
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In 3 ist eine Dreieckschaltung einer dreiphasigen elektrischen Maschine gezeigt, bei welcher je Phase ebenfalls jeweils sechs Stränge vorgesehen sind. Ein Sternpunkt ist bei dieser Dreiecksschaltung nicht vorgesehen. Jedoch ist es erforderlich, die Dreiecksverbindungen, welche gleichzeitig die Phasenanschlüsse 12 darstellen, nach außen zu führen.
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Zur Realisierung der in 2 und 3 gezeigten Verschaltungen der Stabwicklung 10 elektrischer Maschinen wird bei einem erfindungsgemäßen Stator eine Verbindungseinheit 20 vorgesehen, die nachfolgend näher erläutert werden soll.
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Die Darstellungen in 4 und 5 zeigen denselben Stator 9 einer als Elektromotor ausgebildeten elektrischen Maschine als verschiedenen Blickwinkeln. Der Stator 9 ist für eine Innenläufermaschine geeignet und umfasst einen hohlzylindrischen Statorkern 3 mit einer Vielzahl an in axialer Richtung A verlaufenden Statornuten 4. Insofern ist die axiale Richtung A die Nutlängsrichtung und die Richtung der Nuttiefe wird als radiale Richtung R bezeichnet.
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Der Statorkern 3 ist bevorzugt als Blechpaket ausgebildet. In den Statornuten 4 ist eine Wicklung vorgesehen, die als Stabwicklung 10 aus vorgefertigten Leitersegmenten ausgebildet ist. Bei dem Stator 9 gemäß dem Ausführungsbeispiel sind hierzu Leitersegmente 1 verwendet, die wie in 1 gezeigt ausgebildet sind. Die Leitersegmente 1 sind mit ihren freien Leitersegment-Enden 2.1 jeweils derart in die Statornuten 4 eingebracht, dass der die freien Leitersegment-Enden 2 verbindende geschlossene Verbindungsbereich an einer ersten Stirnseite 15 des Statorkerns 3 angeordnet ist. Dieser geschlossene Verbindungsbereich steht auf der ersten Stirnseite 15 aus den Statornuten 4 hervor und bildet einen ersten Wickelkopf 5. Auf einer der ersten Stirnseite 15 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 16 stehen die freien Leitersegment-Enden 2.1 aus den Statornuten 4 hervor und bilden einen zweiten Wickelkopf 6. Als Stirnseite 15, 16 werden hier die Seiten des Statorkerns 3 bezeichnet, an welchen die Statornuten 4 quer angeschnitten sind.
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Wie den Detaildarstellungen eines Bereichs der zweiten Stirnseite 16 in 6 und 7 entnommen werden kann, werden diese ersten Leitersegment-Enden 2.1 in Umfangsrichtung des hohlzylindrischen Statorkerns 3 umgebogen und dann in Verbindungsstellen 7 miteinander verbunden, um eine durchgängige Stabwicklung zu bilden, beispielsweise durch eine Schweißverbindung, eine Lötverbindung oder durch Crimpen.
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Die Darstellungen in 4 bis 7 zeigen ferner eine Verbindungseinheit 20, die in einem um den Wickelkopf 6 bestehenden Ringraum - dem Rücken des Statorkerns - angeordnet ist und die mehrere Verbindungsschienen 21, 22, 23 aufweist, die in einer senkrecht zu der axialen Richtung angeordneten, radialen Richtung voneinander beabstandet sind. Die Verbindungsschienen 21, 22, 23 sind gegeneinander isoliert und jeweils mit verschiedenen zweiten Leitersegment-Enden verbunden, um die jeweiligen Leitersegmente 1 miteinander zu verbinden. Bevorzugt bestehen die Verbindungsschienen 21, 22, 23 aus demselben Material wie die Leitersegmente 1, hier also Kupfer oder Aluminium oder eine Kupfer-Aluminium-Legierung.
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Hierzu sind mehrere zweite Leitersegment-Enden derart gebogen, dass sie einen ersten Endabschnitt aufweisen, der in der radialen Richtung R nach außen in Richtung der Verbindungseinheit 20 verlaufend angeordnet ist und einen sich an den ersten Endabschnitt anschließenden, zweiten Endabschnitt, der in axialer Richtung A verlaufend angeordnet ist. Die derart gebogenen, zweiten Leitersegment-Enden 2 sind von einer Seite der Verbindungsschienen 21, 22, 23 an diese herangeführt und mit dieser Seite verbunden, die der zweiten Stirnseite 16 des Statorkerns 3 zugewandt ist. Dabei erfolgt die Verbindung zwischen zweitem Leitersegment-Ende und Verbindungsschiene 21, 22, 23 im Bereich des zweiten Endabschnitts, insbesondere durch eine Schweißverbindung, Lötverbindung oder durch eine Crimpverbindung.
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Den Darstellungen in 4 bis 7 kann entnommen werden, dass die Verbindungseinheit 20 in axialer Richtung A eine Höhe über der zweiten Stirnseite 16 aufweist, die kleiner oder gleich der Höhe des Wickelkopfs 6 über der zweiten Stirnseite 16 in axialer Richtung A ist. Aufgrund dieser bauraumsparenden Ausgestaltung wird die Länge des Stators 9 in axialer Richtung A durch die Abmessungen von Statorkern 3 und Wickelköpfen 5, 6, bestimmt. Die Verbindungseinheit 20 trägt nicht zur Vergrößerung der axialen Abmessung des Stators 9 bei.
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Zur Herstellung des in 4 bis 7 gezeigten Stators 9 wird zunächst der Statorkern 3 bereitgestellt. Dieser ist als Blechpaket ausgestaltet und weist mehrere in axialer Richtung A verlaufende Statornuten 4 auf. In einem weiteren Schritt wird in den Statornuten 4 eine Stabwicklung 10 angeordnet, die aus mehreren Leitersegmenten 1 gebildet ist. Die Leitersegmente 1 werden auf der ersten Stirnseite 15 mit ihre freien Leitersegment-Enden 2 derart in die Statornuten 4 eingesteckt, dass die Leitersegment-Enden 2 auf der zweiten Stirnseite 16 aus des Statorkern 3 austreten und hervorstehen. Die hervorstehenden ersten Leitersegment-Enden 2.1 werden gebogen und untereinander elektrisch leitend verbunden, um die Stabwicklung 10 zu bilden. Dabei bildet der auf der zweiten Stirnseite 16 herausstehende Teil der Leitersegmente einen Wickelkopf 6. Einige zweite Leitersegment-Enden der Stabwicklung 10 werden derart gebogen, dass sie einen ersten Endabschnitt aufweisen, der in einer senkrecht zu der axialen Richtung angeordneten, radialen Richtung nach außen verlaufend angeordnet ist. Zudem werden die zweiten Leitersegment-Enden derart gebogen, dass sie einen an den ersten Endabschnitt angrenzenden, zweiten Endabschnitt aufweisen, der in axialer Richtung verlaufend angeordnet ist. Eine in dem zweiten Endabschnitt eventuell vorhandene Isolation wird entfernt.
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In einem nachfolgenden Schritt wird dann in dem um den Wickelkopf 6 bestehenden Ringraum eine Verbindungseinheit 20 angeordnet wird, welche mehrere Verbindungsschienen 21, 22, 23 aufweist, die in einer senkrecht zu der axialen Richtung angeordneten, radialen Richtung voneinander beabstandet sind. Die Verbindungseinheit 20 wird in axialer Richtung A auf den Wickelkopf 6 aufgeschoben.
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Dann werden die zuvor gebogenen Leitersegment-Enden 2 mit der Verbindungseinheit 20 durch Schweißen, Crimpen oder Hartlöten verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1366557 B1 [0002, 0003]
