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Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum elektrischen und fluidischen Verbinden von zumindest zwei, ein Kühlmittel führenden und als Hohlleiter ausgebildeten Formstäben einer Formstabwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft außerdem einen Stator für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen für Kraftfahrzeuge, insbesondere elektrische Antriebsmaschinen für Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Diese elektrischen Maschinen weisen üblicherweise einen Stator sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Der Stator weist ein Blechpaket sowie Wicklungen auf, welche an axialen Enden des Blechpakets über das Blechpaket hinausragend ausgebildet sind. Solche Wicklungen können beispielsweise Formstabwicklungen sein. Dazu werden in Wicklungsnuten an einer Innenseite des hohlzylinderförmigen Blechpakets Formstäbe eingesteckt. Solche Formstabwicklungen werden auch als Hairpin-Wicklungen bezeichnet.
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Im Betrieb der elektrischen Maschine entsteht eine Verlustleistung in Form von Wärme, durch welche sich die elektrische Maschine erhitzt. Diese Erhitzung der elektrischen Maschine kann die Leistung der elektrischen Maschine negativ beeinflussen. Eine Überhitzung der elektrischen Maschine kann sogar zum Ausfall der elektrischen Maschine führen. Dazu sind aus dem Stand der Technik verschiedene Kühlmöglichkeiten zum Kühlen der elektrischen Maschine bekannt. Beispielsweise kann der Stator der elektrischen Maschine mittels einer Hohlleiterkühlung gekühlt werden. Dazu umfassen die Wicklungen des Stators elektrische Hohlleiter, durch welche eine Kühlflüssigkeit strömt. Die Hohlleiter sind also sowohl zum hydraulischen Leiten der Kühlflüssigkeit als auch zum elektrischen Leiten von Strömen einsetzbar. Die Herausforderung bei einer Formstabwicklung mit Formstäben in Form von Hohlleitern besteht darin, die Formstäbe fluidisch und elektrisch zu koppeln bzw. zu verbinden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie Formstäbe in Form von Hohlleitern einer Formstabwicklung eines Stators auf einfache, kostengünstige und platzsparende Weise elektrisch und fluidisch gekoppelt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verbindungselement, einen Stator, eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Verbindungselement dient zum elektrischen und fluidischen Verbinden von zumindest zwei, ein Kühlmittel führenden und als Hohlleiter ausgebildeten Formstäben einer Formstabwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine, wobei das Verbindungselement als ein kappenartiger Hohlkörper zum Aufstecken auf ein durch Enden der zumindest zwei Formstäbe gebildetes Endstück ausgebildet ist. Der kappenartige Hohlkörper bildet im aufgesteckten Zustand mit dem Endstück einen Hohlraum zum fluidischen Verbinden der zumindest zwei Formstäbe durch Leiten des Kühlmittels zwischen den Formstäben und weist zumindest an einer an den Hohlraum sowie das Endstück angrenzenden Innenseite ein elektrisch leitfähiges Material zum elektrischen Verbinden der Formstäbe auf.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen Stator für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs mit einem hohlzylinderförmigen Blechpaket und zumindest einer Formstabwicklung aufweisend eine Vielzahl von Kühlmittel führenden und als Hohlleiter ausgebildeten Formstäben, welche über zumindest ein axiales Ende des Blechpakets hinausragend ausgebildet sind. Der Stator weist zumindest ein erfindungsgemäßes Verbindungselement oder eine Ausführungsform davon auf, welches auf ein durch Enden der zumindest zwei Formstäbe gebildetes Endstück aufgesteckt ist.
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Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Stator oder einer Ausführungsform davon sowie mit einem bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine elektrische Antriebsmaschine für einen Antrieb des Kraftfahrzeugs.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere eine Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug in Form von einem Elektro- oder Hybridfahrzeug. Die elektrische Maschine weist den Stator auf, welcher das hohlzylinderförmige Blechpaket sowie elektrische Wicklungen umfasst.
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Innerhalb eines durch das hohlzylinderförmige Blechpaket gebildeten zylinderförmigen Innenbereiches kann ein Rotor drehbar gelagert werden, wobei eine Rotationsachse des Rotors einer Längsachse des hohlzylinderförmigen Blechpaktes entspricht. In radialer Richtung, also senkrecht zur Rotationsachse, ist der Rotor unter Ausbildung eines Luftspaltes von dem Stator umschlossen bzw. umgeben. Das Blechpaket weist insbesondere an einer dem Luftspalt zugewandten Innenseite Wicklungsnuten zum Aufnehmen von Formstäben auf, durch welche eine Formstabwicklung des Stators gebildet wird. In axialer Richtung, also entlang der Rotationsachse, können die in den Wicklungsnuten angeordneten Formstäbe an den Stirnseiten über das Blechpaket hinausragen und dort einen jeweiligen kranzförmigen bzw. ringförmigen Wickelkopf ausbilden. Dabei können die Formstäbe einer Wicklung paarweise in einer Wicklungsnut angeordnet sein. Die Enden der Formstäbe, welche über das Blechpaket hinausragen, sind dabei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.
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Die Formstäbe sind dabei als Hohlleiter ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Formstäbe rohrförmig ausgebildet sind. Die rohrförmigen Formstäbe können einen rechteckigen Querschnitt, einen runden Querschnitt oder einen ovalen Querschnitt aufweisen. Unter einem ovalen Querschnitt ist hier insbesondere ein rechteckförmiger Querschnitt mit abgerundeten Ecken zu verstehen. Ein hohles Inneres der rohrförmigen Formstäbe bildet einen Kühlkanal zum Leiten des Kühlmittels, beispielsweise einer Kühlflüssigkeit, entlang der Formstäbe. Um nun die als Hohlleiter ausgebildeten Formstäbe einer Formstabwicklung elektrisch und fluidisch bzw. hydraulisch zu koppeln, ist das Verbindungselement vorgesehen. Das Verbindungselement ist dazu ausgelegt, einen Strom zwischen zwei Formstäben zu leiten und die Kühlkanäle der Formstäbe miteinander zu verbinden.
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Dazu ist das Verbindungselement als kappenartiger bzw. muffenartiger Hohlkörper ausgebildet und ist auf das Endstück aufsteckbar. Das Endstück wird durch die zumindest zwei Enden der zumindest zwei miteinander zu koppelnden Formstäbe gebildet. An Oberseiten der Enden der Formstöbe befinden sich Kühlkanalöffnungen der Kühlkanäle der Formstäbe. Der Hohlkörper kann beispielsweise einseitig offen ausgebildet sein, wobei das Endstück in die Öffnung des Hohlkörpers einschiebbar bzw. einsteckbar ist. Eine Innenseite des Hohlkörpers liegt dabei in einem Kontaktbereich an dem Endstück an. Der sich außerhalb des Kontaktbereiches befindliche Innenseitenbereich des Hohlkörpers sowie die die Kühlkanalöffnungen aufweisende Oberseite des Endstückes begrenzen den Hohlraum. Im aufgesteckten Zustand des Verbindungselementes kann das Kühlmittel also aus der Kühlkanalöffnung des einen Formstabs über den Hohlraum des Verbindungselementes in die Kühlkanalöffnung des anderen Formstabs fließen. Über den mittels des Hohlkörpers gebildeten Hohlraum sind die Formstäbe also fluidisch gekoppelt bzw. verbunden.
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Zum elektrischen Verbinden der Formstäbe mittels des Verbindungselementes ist zumindest die Innenseite des kappenartigen Hohlkörpers, also der Kontaktbereich und der an den Hohlraum angrenzende Innenseitenbereich des Hohlkörpers aus dem elektrisch leitfähigen Material gebildet. So kann elektrischer Strom über das Verbindungselement zwischen zwei Formstäben fließen und somit innerhalb einer Formstabwicklung geführt werden.
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Ein solches Verbindungselement in Form von einem kappenartigen Hohlkörper ist besonders einfach und kostengünstig zu fertigen. Außerdem kann das Verbindungselement besonders platzsparend an den Formstabwicklungen des Stators angeordnet werden.
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Besonders bevorzugt besteht der kappenartige Hohlkörper aus einem elektrisch leitfähigen Material. Der das Verbindungselement ausbildende Hohlkörper ist also insbesondere einstückig ausgebildet. Das elektrisch leitfähige Material kann beispielsweise Kupfer oder Aluminium sein. Vorzugsweise ist der kappenartige Hohlkörper durch Tiefziehen hergestellt. Das Verbindungselement kann also in wenigen Schritten mit geringem Materialaufwand hergestellt werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist der kappenartige Hohlkörper hutförmig ausgebildet und weist einen Deckel sowie einen den Deckel umgebenden Mantel auf. Eine Innenseite des Mantels weist einen an dem Endstück anordenbaren Kontaktbereich auf. Der Hohlraum ist durch eine Innenseite des Deckels und einen sich zwischen dem Kontaktbereich und dem Deckel befindlichen Bereich der Innenseite des Mantels begrenzt. Insbesondere weist der Deckel eine rechteckförmige Form auf, sodass der kappenartige Hohlkörper mit einer quaderförmigen Außenkontur gebildet ist. Anders ausgedrückt ist ein Außenquerschnitt des Hohlkörpers rechteckförmig ausgebildet. Der Hohlkörper ist also insbesondere als ein einseitig offener, bodenloser und hohler Quader ausgebildet und auf das Endstück der zumindest zwei Formstäbe aufsteckbar.
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Im aufgesteckten Zustand des kappenartigen Hohlkörpers auf dem Endstück ist der Deckel beabstandet zu der die Kühlkanalöffnungen aufweisenden Oberseite des Endstücks und überlappend mit der Oberseite des Endstücks angeordnet. Der Mantel ist abstehend von einer Außenkontur bzw. einem Außenumfang des Deckels ausgebildet und erstreckt sich in axialer Richtung im Wesentlichen parallel zu einem Seitenbereich des Endstückes. Ein erster Innenseitenbereich des Mantels bildet den Kontaktbereich aus, mit welchem der kappenartige Hohlkörper im aufgesteckten Zustand insbesondere vollflächig an dem Seitenbereich des Endstücks anliegt. Ein zweiter Innenseitenbereich, welcher sich zwischen dem ersten Innenseitenbereich und der Außenkontur des Deckels erstreckt, grenzt zusammen mit der Innenseite des Deckels und der Oberseite des Endstücks den Hohlraum ein.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn eine Innenkontur der Innenseite des Mantels zumindest im Kontaktbereich eine mit einem Querschnitt des Endstücks korrespondierende Form zum vollflächigen Anliegen des Kontaktbereichs an dem Endstück aufweist. Insbesondere ist die Innenkontur der Innenseite des Mantels zum Aufstecken auf das einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisende Endstück rechteckförmig ausgebildet, und zum Aufstecken auf das einen achtförmigen Querschnitt aufweisende Endstück achtförmig ausgebildet.
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Im Falle, dass die Formstäbe jeweils einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, ist auch das aus den Enden der Formstäbe gebildete Endstück mit einem rechteckförmigen Querschnitt ausgebildet. In diesem Fall ist auch die Innenkontur des Hohlkörpers rechteckförmig ausgebildet. Anders ausgedrückt ist ein Innenquerschnitt des Hohlkörpers rechteckförmig ausgebildet. Im Falle, dass die Formstäbe jeweils einen runden oder ovalen Querschnitt aufweisen, weist das aus den Enden der Formstäbe gebildete Endstück die Querschnittskontur einer Acht auf. Unter einer achtförmigen Form ist insbesondere eine Form zu verstehen, welche durch Außenkonturen von zwei sich berührenden Kreisen bzw. Ovalen gebildet ist. In diesem Fall ist auch die Innenkontur des Hohlkörpers achtförmig ausgebildet und folgt der Querschnittskontur des Endstücks. Anders ausgedrückt ist ein Innenquerschnitt des Hohlkörpers achtförmig ausgebildet.
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Durch das Anpassen der Innenkontur der Innenseite des Mantels an eine Querschnittsform des Endstücks kann gewährleistet werden, dass die Innenseite im Kontaktbereich vollflächig am Seitenbereich des Endstücks anliegt. Durch das vollflächige Anliegen ist der Hohlraum im aufgesteckten Zustand des Verbindungselementes fluiddicht ausgebildet und kann das Kühlmittel zuverlässig zwischen den Kühlkanälen der Formstäbe leiten.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass eine Innenkontur der Innenseite des kappenartigen Hohlkörpers eine vorgegebene Form aufweist, wobei einer Form eines Querschnitts des Endstücks der Formstäbe an die Innenkontur angepasst ist. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stators weist das Verbindungselement im Kontaktbereich eine fest vorgegebene Innenkontur auf, welche insbesondere rechteckförmig ausgebildet ist. Ein solches Verbindungselement in Form von einem quaderförmigen Hohlkörper kann nämlich besonders einfach durch Tiefziehen hergestellt werden. Im Falle, dass die Formstäbe beispielsweise einen runden oder ovalen Querschnitt aufweisen, wird deren Querschnittsform zumindest im Bereich des Endstückes angepasst, sodass dieses einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Beispielsweise können die Rundungen des runden oder ovalen Querschnitts im Bereich der Enden der Formstäbe entfernt werden, sodass rechteckförmige Querschnitte im Bereich der Enden gebildet werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der kappenartige Hohlkörper zumindest in einem Kontaktbereich mit dem Endstück ein Verbindungsmittel zum stoffschlüssigen Verbinden mit dem Endstück auf. Das Verbindungsmittel kann beispielsweise ein Kleber sein. Vorzugsweise ist das Verbindungsmittel ein lötfähiges Material. Der Hohlkörper ist also beispielsweise zumindest im Kontaktbereich vorverzinnt. Nach Aufsetzen des Hohlkörpers auf das Endstück kann der Hohlkörper beispielsweis erhitzt werden, sodass der Hohlkörper mit dem Endstück verlötet wird. Durch das Verbindungsmittel kann sowohl eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen dem Verbindungselement und den Formstäben sowie eine zuverlässige Abdichtung des Hohlraumes gewährleistet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße elektrische Maschine. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Personenkraftwagen in Form von einem Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verbindungselement vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Stator, für die erfindungsgemäße elektrische Maschine sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Stators für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs;
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Formstabpaares mit einem Verbindungselement;
- 3a, 3b, 3c unterschiedlichen Darstellungen einer ersten Ausführungsform eines Verbindungselementes; und
- 4a, 4b, 4c unterschiedlichen Darstellungen einer zweiten Ausführungsform eines Verbindungselementes
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen
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1 zeigt eine schematische und vereinfachte Darstellung eines Stators 1 für eine hier nicht gezeigte elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs. Die elektrische Maschine kann beispielsweise ein elektrischer Antriebsmotor für ein als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildetes Kraftfahrzeug sein. Der Stator 1 weist ein entlang einer Umlaufrichtung U um eine Längsachse L des Stators 1 umlaufendes, hohlzylinderförmiges Blechpaket 2 auf. Die Längsachse L entspricht auch einer Rotationsachse, um welche sich ein innerhalb eines zylinderförmigen Innenbereiches 3 des Stators 1 gelagerter, hier nicht gezeigter Rotor dreht. Außerdem weist der Stator 1 elektrische Formstabwicklungen 4 auf, welche an axialen Enden des Blechpakets 2 über das Blechpaket 2 hinausragen und dort einen Wickelkopf 5 ausbilden. Die Formstabwicklungen 4 weisen eine Vielzahl von kranzförmig bzw. ringförmig angeordneten, gebogenen Formstäben 6 auf. Die verlängerten Formstäbe 6' bilden hier Wicklungsanschlüsse zum Bestromen der einzelnen Formstabwicklungen 4 aus.
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Hier sind zwei Formstäbe 6 paarweise in einer hier nicht gezeigten Nut in der Innenseite des Blechpakets 2 angeordnet und bilden ein Formstabpaar 7. Enden 8 der Formstäbe 6 sind parallel angeordnet und bilden ein Endstück 9 eines Formstabpaares 7. Die Formstäbe 6 sind als elektrische Hohlleiter ausgebildet und dazu ausgelegt, einen elektrischen Strom sowie ein Kühlmittel zu leiten. Jeder Formstab 6 weist dazu einen Kühlkanal 10 (siehe Schnittdarstellung gemäß 2) sowie an seinem Ende 8 eine Kühlkanalöffnung 11 auf. Die Kühlkanalöffnungen 11 eines Formstabpaares 7 sind an einer Oberseite 12 des Endstücks 9 angeordnet. Über die Kühlkanalöffnungen 11 kann Kühlmittel aus und/oder in den Kühlkanal 10 des jeweiligen Formstabs 6 fließen.
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Um die Formstäbe 6 eines Formstabpaares 7 elektrisch und fluidisch zu koppeln, ist auf jedes Endstück 9 eines Formstabpaares 7 ein Verbindungselement 13 aufsteckbar, wie es in der Schnittdarstellung gemäß 2 und den perspektivischen Darstellungen gemäß 3c und 4c gezeigt ist. Das Verbindungselement 13 ist als kappenartiger bzw. muffenartiger Hohlkörper ausgebildet. Das Verbindungselement 13 ist auf das Endstück 9 des Formstabpaares 7 aufgesteckt. In einem Kontaktbereich 14 ist eine Innenseite 15 des Hohlkörpers vollflächig anliegend an dem Endstück 9 angeordnet. Zumindest die Innenseite 15, insbesondere der gesamte Hohlkörper, ist aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet. Dadurch sind die Formstäbe 6 elektrisch miteinander verbunden. Insbesondere ist der Kontaktbereich 14 vorverzinnt, sodass das Verbindungselement 13 an dem Endstück 9 festgelötet werden kann.
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Zwischen der Innenseite 15 des Hohlkörpers und der Oberseite 12 des Endstückes 9 ist ein Hohlraum 16 gebildet, welcher fluiddicht bezüglich eines Außenbereiches 17 abgedichtet ist. Über den Hohlraum 16 sind die Kühlkanäle 10 fluidisch gekoppelt. So kann Kühlmittel aus einem der Kühlkanäle 10 über die Kühlkanalöffnung 11 des einen Formstabs 6 in den Hohlraum 16 einfließen und von dem Hohlraum 16 über die Kühlkanalöffnung 11 des anderen Formstabs 6 in dessen Kühlkanal 10 fließen.
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Der Hohlkörper weist hier eine hutförmige Form auf. Der Hohlkörper ist also einseitig offen ausgebildet und weist einen Deckel 18 sowie einen Mantel 19 auf. Der Deckel 18 ist beabstandet zu der Oberseite 12 des Endstücks 9 angeordnet, sodass sich zwischen dem Deckel 18 und der Oberseite 12 der Hohlraum 16 bildet. Der Mantel 19 weist den Kontaktbereich 14 auf. Der Deckel 18 kann beispielsweise rechteckförmig ausgebildet sein, sodass der Hohlkörper, wie in 3c und 4c gezeigt, eine quaderförmige Form aufweist.
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3a und 4a zeigen Querschnitte durch das Verbindungselement 13 im Kontaktbereich 14. 3b und 4b zeigen Querschnitte durch das auf das Endstück 9 aufgesteckte Verbindungselement 13 im Kontaktbereich 14. Dabei ist gezeigt, dass eine Innenkontur 20 der Innenseite 15 des Hohlkörpers zumindest in dem Kontaktbereich 14 eine Form aufweist, welche einer Form eines Querschnitts 21 des Endstücks 9 entspricht. Eine Innenkontur 20 der Innenseite 15 des Hohlkörpers folgt also einer Kontur des Querschnitts 21 des Endstücks 9, sodass das Verbindungselement 13 passgenau auf das Endstück 9 aufgesetzt werden kann. Die Innenseite 15 des Hohlkörpers liegt somit im Kontaktbereich 14 vollflächig an dem Endstück 9 an, sodass der Hohlraum 16 abgedichtet ist.
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Gemäß 3b weisen die einzelnen Formstäbe 6 ovale Querschnitte auf, sodass die Kontur des Querschnitts 21 des Endstücks 9 achtförmig ausgebildet ist. Somit ist auch die Innenkontur 20 der Innenseite 15 des Hohlkörpers zumindest im Kontaktbereich 14 achtförmig ausgebildet. Gemäß 4b weisen die einzelnen Formstäbe 6 rechteckförmige Querschnitte auf, sodass die Kontur des Querschnitts 21 des Endstücks 9 rechteckförmig ausgebildet ist. Somit ist auch die Innenkontur 20 der Innenseite 15 des Hohlkörpers zumindest im Kontaktbereich 14 rechteckförmig ausgebildet. Die Hohlkörper können beispielsweise durch Tiefziehen eines Blechs aus elektrisch leitfähigem Material gebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Blechpaket
- 3
- Innenbereich
- 4
- Formstabwicklungen
- 5
- Wickelkopf
- 6, 6'
- Formstäbe
- 7
- Formstabpaar
- 8
- Enden
- 9
- Endstück
- 10
- Kühlkanal
- 11
- Kühlkanalöffnung
- 12
- Oberseite
- 13
- Verbindungselement
- 14
- Kontaktbereich
- 15
- Innenseite
- 16
- Hohlraum
- 17
- Außenbereich
- 18
- Deckel
- 19
- Mantel
- 20
- Innenkontur
- 21
- Querschnitt
- L
- Längsachse
- U
- Umlaufrichtung
