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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine sowie ein Kraftfahrzeug.
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Bei elektrischen Maschinen kann es durch elektromagnetische Kopplungen zur Aufprägung von elektrischen Spannungen auf der Rotorwelle der elektrischen Maschine kommen, welche zu sogenannten Lagerströmen durch Kugellager zur Lagerung der Rotorwelle führen können. Ein dabei entstehender Lichtbogendurchschlag über einen dünnen Schmierfilm der Kugellager ist in der Lage, Material der Kugellager aufzuschmelzen und zu verdampfen, was zu einem Ausfall der Kugellager führen kann.
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Üblicherweise weisen durch Lagerströme gefährdete elektrische Maschinen Ableitringe auf, welche getriebeseitig die Rotorwelle erden und damit in der Lage sind, die induzierten Spannungen von der Rotorwelle abzuführen. Dazu ist allerdings ein mechanischer Kontakt zwischen der rotierenden Rotorwelle und dem nicht rotierenden Ableitring nötig. Der mechanische Kontakt führt zu einem Leistungsverlust der elektrischen Maschine durch erhöhte Reibmomente und zu einer durch Verschleiß begrenzten Lebensdauer des Ableitringes. Außerdem kann die Funktionalität des Ableitringes durch Verunreinigungen oder Öleintrag in der elektrischen Maschine gefährdet werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine bereitzustellen, welche die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, sondern eine sichere Möglichkeit zur Reduktion und/oder Vermeidung von Lagerströmen bei sehr geringem Verschleiß und deutlich verringertem Leistungsverlust durch Reibmomente bietet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, aufweisend einen Stator und einen Rotor mit einer Rotorwelle, wobei die elektrische Maschine eine elektrische Kapazität aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität eine Rotorscheibe der Rotorwelle und eine Statorscheibe des Stators aufweist. Dies ermöglicht es auf vorteilhafte Weise, dass die elektrische Spannung über einem Lager zur Lagerung der Rotorwelle der elektrischen Maschine gesenkt wird. Die durch elektromagnetische Kopplung auf die Rotorwelle aufgeprägte elektrische Spannung und damit die Spannung über den Lagern ist mit dem sogenannten Bearing Voltage Ratio (BVR) verknüpft. Das BVR ist proportional abhängig von der kapazitiven Kopplung zwischen der Wicklung der elektrischen Maschine und dem Rotor sowie invers proportional abhängig von einer Summe aus der kapazitiven Kopplung zwischen Wicklung und Rotor, der kapazitiven Kopplung zwischen Rotor und Stator und der elektrischen Kapazität der Lager. Durch die elektrische Kapazität gebildet aus Rotorscheibe und Statorscheibe wird eine Zusatzkapazität zwischen Rotorwelle und Statorgehäuse zum BVR hinzugefügt, welche sich als weiterer Summand der Summe, von welcher das BVR invers proportional abhängig ist, hinzufügt. Die erfindungsgemäße Maschine ermöglicht somit den Betrieb der Maschine mit einem deutlich reduzierten BVR und damit mit einer deutlich reduzierten Spannung über den Lagern. Ein mechanischer Kontakt zum Ableiten von elektrischen Spannungen zwischen der Rotorscheibe und der Statorscheibe ist dabei nicht nötig, wodurch es zu keinem Verschleiß und keinen Reibmomenten kommt.
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Die Statorscheibe und die Rotorscheibe bilden einen Plattenkondensator. Dazu sind die Statorscheibe und die Rotorscheibe vorzugsweise voneinander beabstandet vorgesehen, berühren sich im Normalfall also nicht. Die Statorscheibe und/oder die Rotorscheibe sind vorzugsweise als runde Scheiben ausgeführt und aus einem Metall gefertigt. Die Rotorscheibe ist mit der Rotorwelle verbunden, dreht sich also mit der Rotorwelle. Die Statorscheibe ist mit dem Stator, bevorzugt mit dem Statorgehäuse, verbunden. Die Statorscheibe dreht sich nicht mit der Rotorwelle.
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Denkbar ist, dass die elektrische Maschine zwei oder mehr Lager zur Lagerung der Rotorwelle aufweist. Mindestens eines der Lager ist dabei vorzugsweise nicht elektrisch leitend. Dies verhindert effektiv Kreisströme. Insbesondere ist vorstellbar, dass das nicht elektrisch leitende Lager ein Wälzlager, beispielsweise ein Kugellager, ist und Wälzkörper, bzw. Kugeln, aus einem Keramikstoff aufweist.
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Denkbar ist, dass die Rotorscheibe als Wuchtscheibe der Rotorwelle ausgeführt ist. Dies spart Material durch das Einsparen der sonst zusätzlich notwendigen Wuchtscheibe.
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Besonders vorteilhaft zeigt sich die Ausführung der elektrischen Kapazität mit der Rotorscheibe und der Statorscheibe in dem Fall, in dem es zu einer Berührung zwischen Rotorscheibe und Statorscheibe kommt. Dann kommt es während des Zeitraumes der Berührung zu einer Erdung der Rotorwelle.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rotorscheibe und die Statorscheibe jeweils eine zur Haupterstreckungsrichtung der Rotorwelle orthogonal angeordnete Haupterstreckungsebene aufweisen. Dies ermöglicht konstante Werte der Kapazität während des Betriebs der elektrischen Maschine, also während der Rotation der Rotorwelle. Vorzugsweise sind die Rotorscheibe und die Statorscheibe entlang der Haupterstreckungsrichtung der Rotorwelle voneinander beabstandet angeordnet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Statorscheibe durch einen Teil eines Statorgehäuses und/oder eines Lagerschildes gebildet ist. Dies ermöglicht eine materialsparende und damit gewichtsparende Ausführung der elektrischen Kapazität der elektrischen Maschine.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kapazität mehrere Rotorscheiben und/oder mehrere Statorscheiben aufweist, wobei die Rotorscheiben und die Statorscheiben parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Statorscheiben und die Rotorscheiben in einer axialen Richtung parallel zur Haupterstreckungsrichtung der Rotorwelle in einander abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind. Damit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, durch Vergrößerung der Kapazität das BVR weiter zu verkleinern.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rotorscheiben und/oder die Statorscheiben eine Oberflächenbeschichtung aufweisen, wobei die Oberflächenbeschichtung vorzugsweise eine Oberflächenbeschichtung zur Verringerung eines Reibungswiderstandes ist und/oder eine Oberflächenbeschichtung zur Verringerung eines Verschleißes der Rotorscheiben bzw. der Statorscheiben durch Reibung ist, wobei die Oberflächenbeschichtung vorzugsweise elektrisch leitend ist. Dies ermöglicht es, mechanischen Kontakt, also Berührungen zwischen Rotorscheiben und Statorscheiben im Betrieb zur Erdung der Rotorwelle zuzulassen, dabei aber den Verschleiß an der Kapazität zu verringern.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rotorscheiben mittels einer Pressverbindung auf der Rotorwelle fixiert sind. Damit ist eine einfache, günstige, aber robuste und elektrisch leitfähige Befestigung der Rotorscheiben an der Rotorwelle ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dazu vorgesehen, dass die Rotorscheiben jeweils ein mittiges Loch aufweisen, wobei die Rotorscheiben an einem in den Löchern angeordneten und mit seiner Haupterstreckungsrichtung orthogonal zu den Haupterstreckungsebenen der Rotorscheiben angeordneten inneren Rohr angeschweißt sind, wobei die Pressverbindung durch Aufpressen des inneren Rohres auf die Rotorwelle gebildet ist. Dies ermöglicht eine besonders geschickte, einfache und sichere Befestigung der Rotorscheiben an der Rotorwelle. Durch das Aufpressen des inneren Rohres ist ein großflächiger Kontakt zwischen den Rotorscheiben und der Rotorwelle mittelbar über das innere Rohr erreicht. Die Rotorscheiben sind durch das mittige Loch ringförmig vorgesehen. Vorzugsweise ist das innere Rohr aus einem Metall gefertigt. Besonders bevorzugt ist das innere Rohr aus dem gleichen Material gefertigt wie die Rotorscheiben.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dazu vorgesehen, dass die Statorscheiben mittels einer Schraubverbindung an dem Statorgehäuse befestigt sind. Dies ermöglicht einen guten und sicheren Sitz der Statorscheiben und eine leichte Montierbarkeit.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dazu vorgesehen, dass die Statorscheiben an einem am äußeren Rand der Statorscheiben angeordneten und mit seiner Haupterstreckungsrichtung orthogonal zur Haupterstreckungsebene der Statorscheiben angeordneten äußeren Rohr befestigt, bevorzugt verschweißt, sind, wobei das äußere Rohr am Statorgehäuse verschraubt ist. Dies ermöglicht eine besonders geschickte, einfache und sichere Befestigung der Statorscheiben am Statorgehäuse. Durch das Verschrauben des äußeren Rohres ist ein sicherer Kontakt zwischen den Statorscheiben und dem Statorgehäuse über das äußere Rohr ermöglicht. Die Statorscheiben sind durch das mittige Loch ringförmig vorgesehen. Vorzugsweise ist das äußere Rohr aus einem Metall gefertigt. Besonders bevorzugt ist das äußere Rohr aus dem gleichen Material gefertigt wie die Statorscheiben.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dazu vorgesehen, dass ein Zwischenraum zwischen den Rotorscheiben und den Statorscheiben ein Medium zur Erhöhung der Permittivität zwischen den Rotorscheiben und den Statorscheiben aufweist, wobei das Medium bevorzugt ein Schmierstoff, besonders bevorzugt ein Schmierfett ist. Dies ermöglicht über die Erhöhung der Permittivität eine weitere Senkung des BVR. Ferner ermöglicht die Verwendung eines Schmierstoffes, den Verschleißt der Kapazität bei sich berührenden Statorscheiben und Rotorscheiben zu verringern.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine, wobei zur Bereitstellung einer elektrischen Kapazität in einem ersten Schritt ein inneres Rohr in einem mittigen Loch einer Rotorscheibe so angeordnet und an der Rotorscheibe fixiert, bevorzugt verschweißt, wird, dass eine Haupterstreckungsebene des inneren Rohres orthogonal zur Haupterstreckungsebene der Rotorscheibe angeordnet ist, in einem zweiten Schritt eine Statorscheibe mit einem mittigen Loch so angeordnet wird, dass die Statorscheibe parallel zur Rotorscheibe und bezogen auf die Rotorscheibe entgegen der Haupterstreckungsrichtung des inneren Rohres versetzt angeordnet wird, wobei ein äußeres Rohr mit seiner Haupterstreckungsrichtung parallel zur Haupterstreckungsrichtung des inneren Rohres am äußeren Rand der Statorscheibe die Rotorscheibe in Haupterstreckungsrichtung der Rotorscheibe umschließend angeordnet wird, wobei in einem dritten Schritt eine weitere Statorscheibe parallel zur Rotorscheibe mit ihrem äußeren Rand am äußeren Rohr bezogen auf die Rotorscheibe in Haupterstreckungsrichtung des inneren Rohres versetzt angeordnet und fixiert, vorzugsweise verschweißt, wird, wobei in einem vierten Schritt eine weitere Rotorscheibe parallel zur weiteren Statorscheibe mit ihrem mittigen Loch das innere Rohr umschließend bezogen auf die weitere Statorscheibe in Haupterstreckungsrichtung des inneren Rohres versetzt angeordnet und fixiert, vorzugsweise verschweißt, wird, wobei die Kapazität mit dem inneren Rohr auf eine Rotorwelle eines Rotors aufgepresst wird, wobei die Kapazität mit einem Teil eines Statorgehäuses und/oder eines Lagerschildes verschraubt wird, wobei anschließend der Rotor mit der Rotorwelle und der Kapazität in einen Stator eingeschoben wird. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise die Fertigung der elektrischen Maschine mit einem Eingriff der Rotorscheiben und der Statorscheiben der Kapazität. Die Rotorscheiben bilden mit dem inneren Rohr einen elektrisch rotorseitig angeordneten Teil der Kapazität, während die Statorscheiben mit dem äußeren Rohr einen elektrisch statorseitigen Teil der Kapazität bilden. Geometrisch greifen dabei Statorscheiben und Rotorscheiben ineinander ein. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht einen stückweisen Aufbau der beiden Teile der Kapazität vor. Zur Bereitstellung des inneren Rohres ist denkbar, dass die Rotorscheibe und das innere Rohr ein einstückiges Bauteil sind, dass also die Rotorscheibe mit dem inneren Rohr beispielsweise im ersten Schritt als Biegeteil gefertigt ist. Ebenfalls ist denkbar, dass die Statorscheibe und das äußere Rohr ein einstückiges Bauteil sind, dass also die Statorscheibe mit dem äußeren Rohr beispielsweise im zweiten Schritt als Biegeteil gefertigt ist. Denkbar ist zudem, dass vor dem Bereitstellen der Kapazität oder zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt oder zwischen dem zweiten Schritt und dem dritten Schritt Bohrungen, insbesondere Gewindebohrungen, am äußeren Rohr zur Befestigung des äußeren Rohres an einem Teil des Statorgehäuses und/oder eines Lagerschildes angeordnet werden. Denkbar ist, dass in einen Zwischenraum zwischen den Statorscheiben und den Rotorscheiben ein Medium zur Erhöhung der Permittivität, bevorzugt ein Schmierstoff, besonders bevorzugt ein Schmierfett, zwischen den Rotorscheiben und den Statorscheiben angeordnet wird. Denkbar ist, dass das Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dazu vorgesehen, dass vor dem Bereitstellen der Kapazität die Rotorscheibe und/oder die weitere Rotorscheibe und/oder die Statorscheibe und/oder die weitere Statorscheibe mit einer Oberflächenbeschichtung versehen werden. Dies ermöglicht es, mechanischen Kontakt, also Berührungen zwischen Rotorscheiben und Statorscheiben im Betrieb zur Erdung der Rotorwelle zuzulassen, dabei aber den Verschleiß an der Kapazität zu verringern.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Kraftfahrzeug aufweisend eine erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Alle zuvor im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich gleichfalls auf das erfindungsgemäße Verfahren und auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 illustriert schematisch eine elektrische Maschine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 (a) - (c) illustrieren schematisch das Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist schematisch eine elektrische Maschine 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für ein Kraftfahrzeug (siehe 2) in einer Schnittansicht dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber ist nur die obere Hälfte der elektrischen Maschine 1 dargestellt. Die untere Hälfte der elektrischen Maschine 1 ergibt sich spiegelbildlich. Zu erkennen ist ein Stator 2, aufweisend ein nicht bezeichnetes Statorblechpaket, eine Wicklung 11 und ein Statorgehäuse 7. Mit den Lagern 10 ist über eine Rotorwelle 4 ein Rotor 3 im Inneren des Stators 2 gelagert. Im Betrieb der elektrischen Maschine 1 kann es durch elektromagnetische Kopplung dazu kommen, dass eine elektrische Spannung auf der Rotorwelle 4 aufgeprägt wird. Ist die dadurch verursachte Potentialdifferenz zwischen Rotorwelle 4 und Statorgehäuse 7 zu hoch, so kann es zu elektrischen Entladungen an den Lagern 10 kommen, durch welche die Lager beschädigt werden. Um dies zu vermeiden, wird die an den Lagern 10 anliegende elektrische Spannung durch eine Kapazität C verringert. Dazu weist die Kapazität C zwei Rotorscheiben 5 auf. Die Anzahl der Rotorscheiben 5 ist hier nur beispielhaft mit zwei angegeben, die Kapazität C kann auch mehr oder weniger Rotorscheiben 5 aufweisen. Die in der Figur rechte Rotorscheibe 5 ist zusammen mit einem inneren Rohr 8, welches auf die Rotorwelle 4 aufgepresst ist, als Biegeteil hergestellt. Die in der Figur linke Rotorscheibe 5, im vorliegenden Beschreibungstext und in den Ansprüchen auch als weitere Rotorscheibe 5 bezeichnet, ist mit dem inneren Rohr 8 verschweißt. Weiterhin weist die Kapazität C zwei Statorscheiben 6 auf. Auch die Anzahl der Statorscheiben 6 ist hier nur beispielhaft mit zwei angegeben, die Kapazität C kann auch mehr oder weniger Statorscheiben 6 aufweisen. Die in der Figur rechte Statorscheiben 6 ist zusammen mit einem äußeren Rohr 9, welches mit dem Statorgehäuse 7 verschraubt ist, als Biegeteil hergestellt. Die in der Figur linke Statorscheibe 6, im vorliegenden Beschreibungstext und in den Ansprüchen auch als weitere Statorscheibe 6 bezeichnet, ist mit dem äußeren Rohr 9 verschweißt. Die Statorscheiben 6 und die Rotorscheiben 5 bilden einen Kondensator. Zur Erhöhung der Permittivität weist die Kapazität C zwischen den Statorscheiben 6 und den Rotorscheiben 5 ein Schmierfett auf. Im Betrieb der elektrischen Maschine 1, also bei Rotation der Rotorwelle 4, kann es zu Berührungen der Statorscheiben 6 und der Rotorscheiben 5 kommen. Dies ist nicht nachteilig, sondern ermöglicht eine Erdung der Rotorwelle 4 über das Statorgehäuse 7. Um dabei Verschleiß an der Kapazität C zu verringern, sind die Statorscheiben 6 und die Rotorscheiben 5 mit einer Oberflächenbeschichtung versehen, welche Abrieb verhindert.
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2 (a) - (c) illustrieren schematisch ein Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht. 1 (a) zeigt das Verfahren bei der Bereitstellung der Kapazität nach dem zweiten Schritt. Die Rotorscheibe 5 ist einstückig zusammen mit dem inneren Rohr 8 als Biegeteil bereitgestellt. Die Statorscheibe 6 ist einstückig zusammen mit dem äußeren Rohr 9 als Biegeteil bereitgestellt und nach rechts versetzt zur Rotorscheibe 5 angeordnet. Das äußere Rohr 9 umschließt die Rotorscheibe 5 in Richtung der Haupterstreckungsrichtung der Rotorscheibe 5. 1 (b) zeigt das Verfahren nach einem Zwischenschritt, welcher den dritten Schritt vorbereitet. Vor dem Anordnen weiterer Bauelemente werden die Oberflächen der Rotorscheibe 5 und der Statorscheibe 6 bearbeitet und mit einer Oberflächenbeschichtung versehen. Anschließend wird im dritten Schritt eine weitere Statorscheibe 6 am äußeren Rohr 9 so verschweißt, dass die Rotorscheibe 5 zwischen die Statorscheibe 6 und die weitere Statorscheibe 6 eingreift. Im vierten Schritt wird eine weitere Rotorscheibe 5 am inneren Rohr 8 so verschweißt, dass die weitere Statorscheibe 5 zwischen die Rotorscheibe 5 und die weitere Rotorscheibe 5 eingreift. Anschließend werden das innere Rohr 8 auf die Rotorwelle aufgepresst (nicht gezeigt) und das äußere Rohr 9 mit dem Statorgehäuse verschraubt (nicht gezeigt).
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3 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 100 weist eine elektrische Maschine 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf.
