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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Isolationsvorrichtung für einen Hairpinwicklungen aufweisenden Stator. Daneben betrifft die Erfindung eine Statorvorrichtung, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zur Herstellung einer Statorvorrichtung.
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Statoren mit Hairpinwicklungen sind, insbesondere auf dem Gebiet elektrischer Antriebe für Fahrzeuge, in den Fokus industrieller Entwicklungsbemühungen gerückt. Gegenüber verteilten Wicklungen lassen Sie insbesondere eine weitgehend automatisierte Fertigung zu, weil auf ein aufwändiges Einziehen von aus dünnen Drähten gebildeten Wicklungen verzichtet werden kann.
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Das Dokument
DE 10 2012 219 668 A1 offenbart einen Elektromotor mit einem mehrere Schlitze aufweisenden Stator. In die Schlitze sind Haarnadelspulen eingesetzt. Ferner ist ein elektrisch leitfähiger Verbinder vorgesehen, der Endbereiche zweier Haarnadelspulen umgibt, um die beiden Haarnadelspulen elektrisch miteinander zu verbinden. Auf den Verbinder ist eine Isolierkappe aufgesetzt.
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Das Anordnen einzelner Isolationskappen auf Wickelköpfen der Hairpinwicklungen ist sehr aufwendig. Alternativ wurde bereits vorgeschlagen, nach dem Verbinden der Hairpinwicklungen aus dem Stator hervorstehende Wickelköpfe pulverzubeschichten, wozu diese in einen Pulverlack eingetaucht werden. Dies ist jedoch ebenfalls aufwendig, zieht mitunter Verschmutzungen durch den Pulverlack nach sich und birgt die Gefahr, dass der Lack an ungewünschte Stellen des Stators gelangen kann. Außerdem können nach längerer Betriebsdauer des Stators Risse in einer so gewonnenen Pulverlackbeschichtung entstehen.
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Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur verbesserten, insbesondere aufwandsärmeren, haltbareren und schmutzärmeren, Isolation von Wickelköpfen eines Hairpinwicklungen aufweisenden Stators anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Isolationsvorrichtung für einen Hairpinwicklungen aufweisenden Stator vorgeschlagen, umfassend eine erste Wand, die sich entlang einer Axialrichtung und einer Umfangsrichtung bezüglich einer Mittelachse der Isolationsvorrichtung erstreckt und eine Vielzahl von zweiten Wänden, die sich jeweils entlang der Axialrichtung und einer Radialrichtung bezüglich der Mittelachse erstrecken und von der ersten Wand abstehen, wobei Paare benachbarter zweiter Wände jeweils Begrenzungen eines Aufnahmeraums für einen Wickelkopf der Hairpinwicklungen in der Umfangsrichtung ausbilden und die erste Wand eine Begrenzung eines jeweiligen Aufnahmeraums in der Radialrichtung ausbildet.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung, die Isolation der Wickelköpfe durch eine stirnseitig am Stator anbringbare Isolationsvorrichtung zu realisieren, die für jeweilige gegeneinander zu isolierende Wickelköpfe einen Aufnahmeraum bereitstellt. Der Aufnahmeraum bildet durch die erste Wand und die zweiten Wände Begrenzungen in der Radialrichtung und in der Umfangsrichtung aus und definiert so geforderte Luft- und Kriechstrecken zwischen in der Radialrichtung benachbarten Wickelköpfen.
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Die Isolation der Wickelköpfe kann so durch das Anbringen der Isolationsvorrichtung vorteilhafterweise in einem einzigen Arbeitsgang erfolgen, wodurch die Isolation sowohl in zeitlicher Hinsicht als auch hinsichtlich der Fertigungskosten wesentlich aufwandsärmer wird. Es entfällt insbesondere das aufwendige Anbringen einer Vielzahl von Isolationskappen auf einem jeweiligen Wickelkopf. Insbesondere kann auf eine teure und verschmutzungsträchtige Pulverbeschichtung verzichtet werden. Gleichsam wird durch die Isolationsvorrichtung eine im Hinblick auf die Gefahr einer Rissbildung bei einer Pulverbeschichtung haltbarere Isolation ermöglicht.
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Die Isolationsvorrichtung ist vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet. Typischerweise ist die erfindungsgemäß Isolationsvorrichtung als Spritzgussteil ausgebildet. Zweckmäßigerweise kann die erfindungsgemäße Isolationsvorrichtung wenigstens zwölf, bevorzugt wenigstens vierundzwanzig, besonders bevorzugt wenigstens sechsunddreißig, ganz besonders bevorzugt wenigstens achtundvierzig zweite Wände aufweisen.
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Hairpinwicklungen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Wicklungen die aus im Wesentlichen starren, ggf. gebogenen, Pins gebildet sind. Es ist auch die Bezeichnung „Haarnadelwicklung“ für Hairpinwicklung bekannt, so dass sich der Begriff „Hairpin“ - auch in Wortkombinationen - durch „Haarnadel“ ersetzen lässt. Die Bezeichnung „Pin“ lässt sich auch durch „Metallstab“ ersetzen.
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Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Isolationsvorrichtung ferner eine dritte Wand, die sich entlang der Axialrichtung und der Umfangsrichtung radial beabstandet von der ersten Wand erstreckt und eine weitere Begrenzung des jeweiligen Aufnahmeraums in der Radialrichtung ausbildet. So wird eine beidseitige radiale Isolierung der Wickelköpfe realisiert.
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Mit Vorteil kann bei der erfindungsgemäßen Isolationsvorrichtung ferner vorgesehen sein, dass die zweiten Wände die erste Wand kreuzen, sodass die Paare jeweils Begrenzungen eines zweiten Aufnahmeraum, der radial vom ersten Aufnahmeraum beabstandet ist, für einen Wickelkopf der Hairpinwicklungen in der Umfangsrichtung ausbilden und die erste Wand eine Begrenzung eines jeweiligen zweiten Aufnahmeraums in der Radialrichtung ausbildet. Auf diese Weise kann eine wirkungsvolle Isolierung von Hairpinwicklungen, die zwei Wickelköpfe an jeweiligen Positionen in der Umfangsrichtung aufweisen, realisiert werden.
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Es wird außerdem bevorzugt, wenn die Isolationsvorrichtung ferner eine vierte Wand umfasst, die sich entlang der Axialrichtung und der Umfangsrichtung radial beabstandet von der ersten Wand erstreckt, sodass die vierte Wand eine weitere Begrenzung des jeweiligen zweiten Aufnahmeraums in der Radialrichtung ausbildet. So kann eine beidseitige radiale Isolation der zweiten Aufnahmeräume realisiert werden.
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In bevorzugter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Isolationsvorrichtung umfasst diese ferner eine Rückwand, von welcher die erste Wand und die zweiten Wände abstehen und welche eine Begrenzung des Aufnahmeraums in der Axialrichtung ausbildet. Insbesondere ist die Begrenzung derart ausgebildet, dass die Wickelköpfe auf einer der Rückwand gegenüberliegenden Seite des ersten Aufnahmeraums in diesen hineinragen kann. Dadurch können vorteilhafterweise erforderliche Luft- und Kriechstrecken in axialer Richtung, beispielsweise gegenüber einem Statorgehäuse, definiert werden.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Rückwand eine Begrenzung des jeweiligen zweiten Aufnahmeraums in der Axialrichtung ausbildet. Insbesondere ist die Begrenzung derart ausgebildet, dass der Wickelkopf auf einer der Rückwand gegenüberliegenden Seite des zweiten Aufnahmeraums in diesen hineinragen kann. Typischerweise steht die dritte Wand von der Rückwand ab. Alternativ oder zusätzlich steht die vierte Wand von der Rückwand ab.
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Es wird ferner bevorzugt, wenn die Rückwand gegenüber der ersten Wand bezüglich der Axialrichtung geneigt ist. Dadurch kann die Isolationsvorrichtung vorteilhafterweise an die Form eines Statorgehäuses angepasst werden.
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Die erfindungsgemäße Isolationsvorrichtung umfasst mit besonderem Vorteil ferner ein oder mehrere Rastelemente zum formschlüssigen Befestigen der Isolationsvorrichtung. Dadurch lässt sich die Isolationsvorrichtung aufwandsarm, aber gleichsam robust mittels einer Rastverbindung befestigen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Statorvorrichtung für eine elektrische Maschine, umfassend eine erfindungsgemäße Isolationsvorrichtung und den Stator, wobei die Wickelköpfe in die Aufnahmeräume eingeführt sind.
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Zweckmäßigerweise kann bei der erfindungsgemäßen Statorvorrichtung jeder Wickelkopf aus wenigstens zwei stoffschlüssig miteinander verbundenen Hairpinelementen der Hairpinwicklungen gebildet sein. Typischerweise sind die Hairpinelemente verschweißt oder verlötet.
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Allgemein können die Hairpinwicklungen der erfindungsgemäßen Statorvorrichtung aus Hairpinelementen gebildet sein. Bei den Hairpinelementen oder einem Teil der Hairpinelemente kann es sich beispielsweise um U-Pins handeln, welche Statornuten durchsetzen, auf einer den Wickelköpfen gegenüberliegenden Stirnseite des Stators umgebogen sind und durch eine andere Statornut zurückgeführt sind. Es kann sich bei den Hairpinelementen oder einem Teil der Hairpinelemente auch um I-Pins handeln, die an beiden Stirnseiten des Stators stoffschlüssig mit anderen Hairpinelementen verbunden sind.
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Typischerweise weisen die Hairpinwicklungen außerhalb der Isolationsvorrichtung eine elektrische isolierende Oberflächenschicht auf.
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Es wird bei der erfindungsgemäßen Statorvorrichtung besonders bevorzugt, wenn dieser ein Statorgehäuse umfasst, wobei die Isolationsvorrichtung am Statorgehäuse, vorzugsweise an einem Lagerschild des Statorgehäuses, befestigt sein kann. Zweckmäßigerweise umfasst das Statorgehäuse Rastelemente zur Herstellung einer Rastverbindung mit dem oder einem jeweiligen Rastelement der Isolationsvorrichtung.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Isolationsvorrichtung mittels einer in zumindest einem Teil der Aufnahmeräume angeordneten, die in den Aufnahmeräumen aufgenommenen Wickelköpfe einschließenden Vergussmasse und/oder mittels eines Klebemittels am Stator befestigt ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine elektrische Maschine, umfassend eine erfindungsgemäße Statorvorrichtung. Die elektrische Maschine ist typischerweise zum Antreiben eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, beispielsweise eines Elektrofahrzeugs (BEV) oder eines Hybridfahrzeugs, ausgebildet. Typischerweise entspricht die Mittelachse der Isolationsvorrichtung einer Drehachse der elektrischen Maschine.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Statorvorrichtung, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Isolationsvorrichtung; Bereitstellen des Stators mit den Hairpinwicklungen; Anordnen der Isolationsvorrichtung auf den Wickelköpfen der Hairpinwicklungen, sodass die Wickelköpfe in die Aufnahmeräume eingeführt werden; und Befestigen der Isolationsvorrichtung.
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Dabei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ferner folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Statorgehäuses; wobei die Isolationsvorrichtung am Statorgehäuse, vorzugsweise an einem Lagerschild des Statorgehäuses, befestigt wird. Alternativ oder zusätzlich können folgende Schritte vorgesehen sein: Anordnen einer Vergussmasse und/oder eines Klebemittels in zumindest einem Teil der Aufnahmeräume, sodass die Isolationsvorrichtung nach einem Aushärten der Vergussmasse und/oder des Klebemittels am Stator befestigt ist.
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Sämtliche Ausführungen zur erfindungsgemäßen Isolationsvorrichtung und zur erfindungsgemäßen Statorvorrichtung lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren übertragen, sodass auch mit diesem die zuvor genannten Vorteile erzielt werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine geschnittene Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Statorvorrichtung und einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Isolationsvorrichtung;
- 2 eine Detailansicht von 1 im Bereich eines ersten und zweiten Ausnahmeraums der Isolationsvorrichtung.
- 3 eine Draufsicht auf die Isolationsvorrichtung;
- 4 eine perspektivische Ansicht der Isolationsvorrichtung und des Stators der Statorvorrichtung; und
- 5 ein Detailansicht eines Rastelements der Isolationsvorrichtung.
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1 ist eine geschnittene Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine 1.
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Die elektrische Maschine 1 umfasst eine Statorvorrichtung 2, innerhalb der ein drehfest mit einer Welle 3 verbundener Rotor 4 drehbar gelagert ist.
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Die Statorvorrichtung 2 umfasst einen Stator 5, der aus einer Vielzahl geschichteter Einzelbleche gebildet ist und axial bezüglich einer Drehachse des Rotors 4 ausgebildete Statornuten aufweist. In den Statornuten des Stators 5 sind Hairpinwicklungen 6 aufgenommen, die an einer ersten Stirnseite 7 Wickelköpfe 8 ausbilden. Die Statorvorrichtung 2 umfasst ferner ein Ausführungsbeispiel einer Isolationsvorrichtung 9.
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2 ist eine Detailansicht von 1 im Bereich eines ersten Aufnahmeraums 10 und eines zweiten Aufnahmeraums 11 der Isolationsvorrichtung 9.
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Die Isolationsvorrichtung 9 umfasst eine erste Wand 12, die sich entlang einer Axialrichtung und einer Umfangsrichtung bezüglich einer Mittelachse, die hier identisch mit der Drehachse des Rotors 4 (siehe 1) ist, erstreckt. Die Isolationsvorrichtung 9 umfasst ferner eine Vielzahl von zweiten Wänden 13a, 13b (siehe 3), von denen in 2 lediglich die zweite Wand 13a sichtbar ist. Die zweiten Wände 13a, 13b erstecken sich jeweils entlang der Axialrichtung und einer Radialrichtung bezüglich der Mittelachse und stehen von der ersten Wand 12 in der Radialrichtung ab. Benachbarte Paare der zweiten Wände 13a, 13b bilden dabei jeweils eine Begrenzung des ersten Aufnahmeraums 10 zur Aufnahme eines Wickelkopfs 8 in der Umfangsrichtung aus. Die erste Wand 12 bildet eine innere Begrenzung eines jeweiligen ersten Aufnahmeraums 10 in der Radialrichtung aus.
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Daneben umfasst die Isolationsvorrichtung 9 eine dritte Wand 14, die sich entlang der Axialrichtung und der Umfangsrichtung radial außen beabstandet von der ersten Wand 12 erstreckt. Die dritte Wand 14 bildet eine äußere Begrenzung des jeweiligen ersten Aufnahmeraums 10 in der Radialrichtung aus.
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Die zweiten Wände 13a, 13b und die erste Wand 12 kreuzen sich, sodass die Paare der benachbarten zweiten Wände 13a, 13b jeweils Begrenzungen der zweiten Aufnahmeräume 11 ausbilden in der Umfangsrichtung ausbilden. Die erste Wand 12 bildet dabei eine äußere Begrenzung des jeweiligen zweiten Aufnahmeraums 11 in der Radialrichtung aus. In den zweiten Aufnahmeräumen 11 ist dabei jeweils einer der Wickelköpfe 8 aufgenommen.
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Eine vierte Wand 15 der Isolationsvorrichtung 9 erstreckt sich entlang der Axialrichtung und der Umfangsrichtung radial innen beabstandet von der ersten Wand 12, sodass die vierte Wand 15 eine innere Begrenzung des jeweiligen zweiten Aufnahmeraums 11 in der Radialrichtung ausbildet.
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Außerdem umfasst die Isolationsvorrichtung 9 eine Rückwand 16, von welcher die erste Wand 12, die zweiten Wände 13a, 13b, die dritte Wand 14 und die vierte Wand 15 in der Axialrichtung abstehen. Die Rückwand 16 bildet eine Begrenzung der ersten und zweiten Aufnahmeräume 10, 11 in der Axialrichtung aus. Dabei ist die Rückwand 16 gegenüber der ersten Wand 12 bezüglich der Axialrichtung geneigt.
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3 ist eine Draufsicht auf die Isolationsvorrichtung 9. Ersichtlich weist die Isolationsvorrichtung 9 im vorliegenden Beispiel achtundvierzig zweite Wände 13a, 13b auf, die äquidistant in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Die Anzahl der ersten Aufnahmeräume 10 und die Anzahl der zweiten Aufnahmeräume 11 entspricht dabei jeweils der Anzahl der zweiten Wände 13a, 13b.
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4 ist eine perspektivische Ansicht der Isolationsvorrichtung 9 und des Stators 5 der Statorvorrichtung 2. Die Isolationsvorrichtung 9 umfasst ferner drei Rastelemente 17, die äquidistant beabstandet voneinander in der Umfangsrichtung an der Rückwand 16 angeordnet sind.
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5 ist eine Detailansicht eines Rastelements 17. Ersichtlich steht dieses axial von der Rückwand 16 ab und weist eine sich radial nach innen erstreckende Rastnase 18 auf.
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Wieder mit Bezug zu 1 weist die Statorvorrichtung 2 ein Statorgehäuse 19 auf, das einen an der Stirnseite 7 angeordneten Lagerschild 20 umfasst. Die Isolationsvorrichtung 9 liegt auf dem Lagerschild 20 auf, wobei die Neigung der Rückwand 16 eine Neigung des Lagerschilds 20 nachverfolgt. Das Lagerschild 20 umfasst ferner Rastelemente 21, die gegengleich zu den Rastelementen 17 der Isolationsvorrichtung 9 ausgebildet sind und mit diesen eine formschlüssige Rastverbindung zur Befestigung der Isolationsvorrichtung 9 am Statorgehäuse 19 bzw. am Lagerschild 20 ausbilden.
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Das Statorgehäuse 19 umfasst ferner einen zweiten Lagerschild, der aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht dargestellt ist und an einer der ersten Stirnseite 7 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 22 angeordnet ist.
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In 1 ist zudem erkennbar, dass die Wicklungsköpfe 8 jeweils aus miteinander stoffschlüssig verbundenen freien Enden von Hairpinelementen 23, 24 ausgebildet sind. Hier sind die die Wicklungsköpfe 8 ausbildenden Hairpinelemente 23, 24 jeweils U-Pins, die sich vom in 2 gezeigten freien Ende durch die Statornuten erstrecken, an der zweiten Stirnseite 22 um 180° gebogen sind und sich von dort durch eine andere Statornut axial erstrecken. Dort sind sie gemäß einem vorgegebenen Wicklungsschema mit weiteren Hairpinelementen stoffschlüssig verbunden.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens für die Statorvorrichtung 2 beschrieben.
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In einem ersten Schritt wird die Isolationsvorrichtung 9 bereitgestellt. In einem zweiten Schritt wird der Stator 5 bereitgestellt. In einem weiteren Schritt wird die Isolationsvorrichtung 9 auf den Wickelköpfen 8 der Hairpinwicklungen 6 angeordnet, sodass die Wickelköpfe 8 in die Aufnahmeräume 10, 11 eingeführt werden. Anschließend wird die Isolationsvorrichtung 9 befestigt. Dies erfolgt dadurch, dass die Isolationsvorrichtung 9 mittels der Rastverbindung mit dem Lagerschild 20 verbunden wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann in alle oder in einen Teil der Aufnahmeräume 10, 11 eine Vergussmasse oder ein Klebemittel eingefüllt werden, wobei die Wickelköpfe 8 derart in die Aufnahmeräume 10, 11 eingeführt werden, dass die Vergussmasse bzw. des Klebemittels sie zumindest teilweise einschließt. Nach einem Aushärten der Vergussmasse ist die Isolationsvorrichtung 9 am Stator 5 befestigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012219668 A1 [0003]
