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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Stator einer drehenden elektrischen Maschine, in der eine Spule an einem Statorkern angeordnet ist.
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Erläuterung des Stands der Technik
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In einigen Fällen ist ein funktionelles Element zwischen einem Statorkern und einer Spule in jeder Nut des Statorkerns eines Stators in einer drehenden elektrischen Maschine angeordnet.
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Die ungeprüfte japanische Patentanmeldung
JP 2002-262500 A beschreibt eine Konfiguration, in der ein Bimetallstreifen vorgesehen ist. Während eines Betriebs der drehenden elektrischen Maschine wird eine Spule vom sich durch einen Temperaturanstieg verformenden Bimetallstreifen gegen einen Statorkern gepresst, wodurch die Wärmeleitfähigkeit von der Spule zum Statorkern verbessert wird.
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Die ungeprüfte japanische Patentanmeldung
JP 2003-284277 A beschreibt eine Konfiguration, in der ein wärmehärtbares Harz mit Isoliereigenschaften und hoher Wärmeleitfähigkeit auf der gesamten Innenfläche der Nut angeordnet ist.
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Die ungeprüfte japanische Patentanmeldung
JP 2010-259316 A beschreibt eine Konfiguration, in der eine schäumbare Schicht auf der gesamten Innenfläche der Nut zur Befestigung der Spule angebracht ist. Die
JP 2010-259316A beschreibt auch eine Konfiguration, in der eine aufschäumbare bzw. aufgeschäumte Schicht nur an einer Seitenfläche der Nut zur Befestigung der Spule angeordnet ist, und der Statorkern und die Spule an den übrigen Seitenflächen voneinander getrennt sind.
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Die ungeprüfte japanische Patentanmeldung
JP 2018-098948A beschreibt eine Konfiguration, in der eine Isolierschicht auf der gesamten Innenfläche der Nut vorgesehen ist. Ein schäumbares, wärmehärtbares Harz bzw. ein entsprechender Kunststoff ist auf der Isolierschicht aufgebracht. Wenn sich das Harz durch das Schäumen ausdehnt, wird eine Spule eng anliegend am Statorkern gehalten. Durch Verringerung der Menge des auf einen gebogenen Abschnitt der Schicht aufzubringenden Harzes wird ein Auftreten von Rissen am gebogenen Abschnitt unterdrückt.
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KURZE ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNG
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Obwohl in der Konfiguration der
JP 2002-262 500 A die Wärmeableitung von der Spule sichergestellt ist, kann der Bimetallstreifen während des Motorbetriebs in Schwingung versetzt werden, da der Bimetallstreifen weder am Statorkern noch an der Spule befestigt ist. Der schwingende Bimetallstreifen kann eine Isolierbeschichtung der Spule verschleißen und die Isolierung zerstören.
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In der Konfiguration der
JP 2003-284 277 A liegen die Spule und das wärmehärtbare Harz nicht eng aneinander, so dass die Stabilität der Spule und ihre Wärmeableitung durch das wärmehärtbare Harz hindurch nicht hinreichend sein kann.
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Demgegenüber wird die Wärmeableitung von der Spule verringert, wenn das schäumbare Harz wie in der
JP 2010-259 316 A und der
JP 2018-098 948 A an allen Seitenflächen in der Nut vorgesehen ist. Die
JP 2010-259 316 A beschreibt die Ausführung, in der die schäumbare Schicht an einer Seitenfläche des Statorkerns vorgesehen ist. Allerdings sind die Spule und der Statorkern an den anderen Seitenflächen voneinander getrennt, so dass die Wärmeleitfähigkeit von der Spule zum Statorkern als gering einzuschätzen ist.
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Daher sieht die Erfindung einen Stator mit verbesserter Haftung und Wärmeleitfähigkeit zwischen einer Spule und einem Statorkern in einer Nut vor.
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Nach einem Aspekt der Erfindung ist ein Stator vorgesehen, mit Folgendem: einem Statorkern, wobei der Statorkern zahlreiche Nuten umfasst, die in Umfangsrichtung des Statorkerns angeordnet und in Radialrichtung des Statorkerns ausgespart sind; einer in jeder Nut angeordneten Spule; einem isolierenden Wärmeableitelement, das zwischen dem Statorkern und der Spule auf einer von zwei Seitenflächen der Nut in Umfangsrichtung des Statorkerns angeordnet ist; und einem isolierenden Schaumelement, das zwischen dem Statorkern und der Spule auf der anderen der beiden Seitenflächen der Nut in Umfangsrichtung des Statorkerns angeordnet ist.
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Der Stator ist in einer drehenden elektrischen Maschine (einem Motor und/oder einem Generator) dergestalt angeordnet, dass er einen Rotor umschließt. Die in Radialrichtung ausgesparten Nuten sind in Umfangsrichtung an einer Innenumfangsseite des Statorkerns des Stators angeordnet. Die Spule ist in den Nuten angeordnet. Die Spule wird normalerweise durch Wickeln eines leitenden Drahtes über eine Vielzahl von Nuten gebildet.
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Das isolierende Wärmeableitelement ist auf einer der beiden Seitenflächen der Nut (beiden Seitenwänden einer Aussparung) in Umfangsrichtung des Statorkerns angeordnet, und das isolierende Schaumelement ist auf der anderen Seitenfläche angeordnet. Als Wärmeableitelement wird ein Element mit einer Wärmeleitfähigkeit ausgewählt, die zumindest höher ist als die des Schaumelements und zum Unterdrücken eines Temperaturanstiegs hinreichend ist.
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Sobald sich das Schaumelement zum Befestigen der Spule am Statorkern verfestigt hat, wird der Statorkern schwingungsfrei stabilisiert. Darüber hinaus wird die Spule beim Ausdehnen des Schaumelements gegen die andere Seitenfläche der Nut gedrückt. Dies verbessert die Wärmeleiteffizienz von der Spule durch das Wärmeableitelement hindurch zum Statorkern.
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Im Stator nach dem vorstehenden Aspekt kann das isolierende Wärmeableitelement ein Element mit einem Wärmeableitmaterial sein, das mit einer Isolierschicht verbunden ist, und das isolierende Schaumelement kann ein Element mit einem schäumbaren Material sein, das mit einer Isolierschicht verbunden ist.
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Im Stator nach dem vorstehenden Aspekt kann das isolierende Wärmeableitelement eine wärmeableitende Isolierschicht sein, wobei die wärmeableitende Isolierschicht zwischen dem Statorkern und der Spule dergestalt angeordnet sein kann, dass sie die Spule in der Nut umgibt; und das isolierende Schaumelement kann ein Element mit einem schäumbaren Material sein, das mit der wärmeableitenden Isolierschicht verbunden ist.
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Nach der Erfindung ist es möglich, einen Stator bereitzustellen, der die Stabilität einer Spule und die Wärmeableitung von der Spule in einer Nut gewährleistet.
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Figurenliste
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Merkmale, Vorteile, und die technische und industrielle Bedeutung exemplarischer Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente kennzeichnen, und in denen:
- 1 eine schematische Ansicht ist, die einen Aufbau eines Querschnitts eines Stators zeigt;
- 2 ein Schnitt entlang einer Ebene A-A in 1 ist, der den Stator in einer mittleren Phase eines Herstellungsprozesses zeigt; und
- 3 ein Schnitt entlang der Ebene A-A in 1 ist, der den Stator in einer Endphase des Herstellungsprozesses zeigt.
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GENAUE ERLÄUTERUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Obwohl zum besseren Verständnis bestimmte Formen in der Beschreibung ausgeführt werden, sind dies lediglich Beispiele der Ausführungsform, und verschiedene andere Ausführungsformen können angewendet werden.
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1 ist ein Teilschnitt eines Stators 10 gemäß einer Ausführungsform. Der Stator 10 ist in einer im Wesentlichen zylindrischen Form ausgebildet, und ein (nicht gezeigter) Rotor ist radial im Inneren des Stators 10 montiert. Im Koordinatensystem von 1 zeigt eine r-Achse eine Radialrichtung (eine zu einer Drehachse des Rotors senkrechte Richtung) an, eine 8-Achse zeigt eine Umfangsrichtung (Drehrichtung des Rotors) an, und eine z-Achse zeigt eine Axialrichtung (eine Richtung, in der die Drehachse verläuft) an. Gleiches gilt für die 2 und 3. Die 1 ist ein Schnitt des Stators 10 an einer geeigneten Stelle entlang einer Schnittebene in Axialrichtung.
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Der Stator 10 weist einen Statorkern 12 auf, der durch Aneinanderreihen von dünnen, in eine Zylinderform gestanzten elektromagnetischen Stahlblechen in Axialrichtung gebildet ist. Das elektromagnetische Stahlblech ist dadurch gebildet, dass beide Seiten des Stahlblechs mit erhöhten elektromagnetischen Eigenschaften einem Isolierprozess unterzogen werde. Die Stahlbleche sind in Axialrichtung voneinander isoliert.
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Der Statorkern 12 ist mit Nuten 14 versehen, von denen jede eine von einer Innenumfangsseite 12a in Radialrichtung ausgesparte Rillenform aufweist. Die Nuten 14 sind gleichmäßig in Umfangsrichtung angeordnet. Des Weiteren sind die Nuten 14 dergestalt ausgebildet, dass sie in Axialrichtung durch alle elektromagnetischen Stahlbleche verlaufen.
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Eine durch Aufwickeln eines rechteckigen Drahts 16 gebildete Spule 20 mit einem rechteckigen Querschnitt ist in jeder Nut 14 angeordnet. Die Spule 20 wird dadurch gebildet, dass Segmentspulen, die im Wesentlichen jeweils in einer U-Form ausgebildet sind, von einer Seite des Statorkerns 12 in Axialrichtung eingefügt und auf der anderen Seite verschweißt werden. Allerdings kann die Spule 20 auf verschiedene andere Arten in den Nuten 14 angeordnet werden. So ist z. B. ein Modus denkbar, in dem ein langer leitfähiger Draht aufgewickelt ist, oder ein Modus, in dem geteilte Statorkerne kombiniert werden, in die eine gewickelte Spule eingeführt ist, um einen Stator 10 zu bilden.
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Der rechteckige Draht 16 der Spule 20 ist mit einem Isolierelement 18 wie etwa einem Harz überzogen. Dies gewährleistet eine Isolierung zwischen benachbarten rechteckigen Drähten 16. Des Weiteren wird ebenfalls eine Isolierung zwischen den rechteckigen Drähten 16 und dem Statorkern 12 gewährleistet.
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In jeder Nut 14 sind eine Schaumschicht 22 und eine Wärmeableitschicht 24 zwischen dem Statorkern 12 und der Spule 20 angeordnet. Insbesondere ist die Schaumschicht 22 auf einer Seitenfläche 14a der Nut 14 auf einer Seite in Umfangsrichtung und etwa einer halben Seitenfläche 14b der Nut 14 auf einer Seite in Radialrichtung (einer Bodenfläche der Aussparung) vorgesehen. Die Wärmeableitschicht 24 ist auf der anderen Hälfte der Seitenfläche 14b (Bodenfläche der Aussparung) und einer gesamten Seitenfläche 14c der Nut 14 auf der anderen Seite in Umfangsrichtung vorgesehen.
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Die Schaumschicht 22 ist ein Beispiel eines isolierenden Schaumelements und wird durch Imprägnieren einer als Basismaterial dienenden Isolierschicht mit einem als Beispiel für ein isolierendes Schaummaterial dienenden schäumbaren, wärmehärtbaren Harz gebildet. Als Isolierschicht wird beispielsweise eine Silikonschicht verwendet, die durch Weben von SiO2 (Silikon)-Fasern mit hoher Wärmebeständigkeit gebildet wird. Das schäumbare, wärmehärtbare Harz ist ein poröses Harz, das durch Ausdehnen eines im Harz verteilten Gases gebildet wird. Als wärmehärtbares Harz wird ein isolierendes wärmehärtbares Harz mit Wärmebeständigkeitseigenschaften ausgewählt. In dem in 1 gezeigten Zustand wird die Schaumschicht 22 in der Nut 14 angeordnet und ausgehärtet, nachdem sie aufgeschäumt und durch Erwärmen ausgedehnt wurde.
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Die Wärmeableitschicht 24 ist ein Beispiel für ein isolierendes Wärmeableitelement und wird durch Imprägnieren einer als Basismaterial dienenden Isolierschicht mit einem als Beispiel für ein isolierendes Wärmeableitmaterial dienenden wärmeableitenden Harz gebildet. Als Isolierschicht wird z. B. eine Silikonschicht wie im Fall der Schaumschicht 22 verwendet. Des Weiteren wird als wärmeableitendes Harz z. B. ein wärmehärtbares Harz verwendet, das als Füllstoff Metall oder Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit enthält. In dem in 1 gezeigten Zustand ist die Wärmeableitschicht 24 in der Nut 14 angeordnet und ist durch Erhitzen ausgehärtet. Generell neigt der Füllstoff in der Wärmeableitschicht 24 nicht oder nur in kleinen Teilen dazu, zur Oberfläche des Harzes durchzudringen, so dass die gesamte Wärmeableitschicht 24 Isoliereigenschaften aufweist.
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Als Nächstes wird ein Herstellungsverfahren des Stators 10 anhand der 2 und 3 beschrieben. Die 2 und 3 sind Teilschnitte des Stators 10 in der Ebene A-A von 1. 2 zeigt den Stator 10 im Herstellungsprozess, und 3 zeigt den Stator in einer Endphase des Herstellungsprozesses.
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Hier wird ein Modus beschrieben, in dem die Schaumschicht 22 und die Wärmeableitschicht 24 durch Verwenden einer gewöhnlichen Isolierschicht gebildet werden. Zunächst wird ein schäumbares, wärmehärtbares Harz auf einen Teil der Isolierschicht aufgebracht. Durch Imprägnieren der Isolierschicht mit dem Harz wird eine erforderliche Menge des Harzes durch die Isolierschicht gehalten. Somit wird während des Herstellungsprozesses die Schaumschicht 22 gebildet. Als Nächstes wird ein wärmeableitendes, wärmehärtbares Harz auf einen Bereich der Isolierschicht aufgebracht, der neben dem Teil liegt, auf dem das aufschäumbare Harz aufgebracht wurde. Somit wird während des Herstellungsprozesses die Wärmeableitschicht 24 gebildet.
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Wie in 2 gezeigt ist, sind die Schaumschicht 22 und die Wärmeableitschicht 24 im Statorkern 12, der durch Aneinanderreihen der magnetischen Stahlbleche gebildet ist, während des Herstellungsprozesses in der gebildeten Nut 14 angeordnet. Die Schaumschicht 22 ist so angeordnet, dass sie in Kontakt mit der Seitenfläche 14a der Nut 14 auf einer Seite in Umfangsrichtung des Statorkerns 12 steht, und die Wärmeableitschicht 24 ist so angeordnet, dass sie in Kontakt mit der Seitenfläche 14c auf der anderen Seite steht.
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Wie in 2 gezeigt ist, wird die Segmentspule, die durch Biegen des mit dem Isolierelement 18 überzogenen rechteckigen Drahts 16 in eine U-Form gebildet wird, in die Nut 14 in Axialrichtung eingeführt. In diesem Stadium ist die Schaumschicht 22 nicht aufgeschäumt, so dass ein schmaler Zwischenraum 26 um den mit dem Isolierelement 18 überzogenen rechteckigen Draht 16 gewährleistet ist. Daher kann der rechteckige Draht 16 einfach eingeführt werden. Anschließend werden die Spitzenenden der Segmentspulen, von denen das Isolierelement 18 abgelöst ist, zusammengeschweißt, um eine gewickelte Spule 20 zu bilden.
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Im Anschluss daran wird der Stator 10 erwärmt. Das Erwärmen kann z. B. durch eine Stromversorgung der Spule 20 zum Erzeugen von joulescher Wärme oder mit einer getrennt vorbereiteten Wärmequelle durchgeführt werden. Durch das Erwärmen werden Luftblasen in der Schaumschicht 22 dergestalt erzeugt, dass sich die Schaumschicht 22 ausdehnt.
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Dadurch wird der mit dem Isolierelement 18 überzogene rechteckige Draht 16 wie in 3 gezeigt durch die Schaumschicht 22 gegen die Wärmeableitschicht 24 gedrückt. Mit weiterem Erwärmen wird das wärmehärtbare Harz in der Schaumschicht 22 und der Wärmeableitschicht 24 thermisch gehärtet. Genauer gesagt wird das wärmehärtbare Harz in der Schaumschicht 22 durch die Ausdehnung mit der Seitenfläche 14a der Nut 14 und dem Isolierelement 18 verbunden, während es gegen die Seitenfläche 14a und das Isolierelement 18 gedrückt wird. Darüber hinaus wird das Harz in der Wärmeableitschicht 24 mit der Seitenfläche 14c der Nut 14 und dem Isolierelement 18 verbunden, während es durch eine Druckkraft von der Spule 20 gegen die Seitenfläche 14c und das Isolierelement 18 gedrückt wird. Somit ist die Spule 20 in der Nut 14 sicher fixiert und wird eng anliegend fest an der Wärmeableitschicht 24 gehalten.
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Wenn die drehende elektrische Maschine betrieben wird, wird die Spule 20 durch einen durch den rechteckige Draht 16 fließenden Strom so erwärmt, dass ihre Temperatur steigt. Da die Schaumschicht 22 eine hohe thermische Isolierung aufweist, kann die Wärme der Spule 20 in diesem Fall nicht hinreichend übertragen werden. Allerdings leitet die Wärmeableitschicht 24 durch den Effekt des Füllstoffs einen großen Teil der Wärme. Daher wird die Wärme der Spule 20 rasch durch die Wärmeableitschicht 24 zum Statorkern 12 geleitet. Somit wird der Temperaturanstieg in der Spule 20 unterdrückt.
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In der vorstehenden Beschreibung werden die Schaumschicht 22 und die Wärmeableitschicht 24 durch Auftragen individueller Harze auf eine herkömmliche Isolierschicht gebildet. Allerdings können die Schaumschicht 22 und die Wärmeableitschicht 24 durch das Verwenden von getrennten Isolierschichten gebildet sein. Auch kann ein Modus angewendet werden, in dem keine als Basismaterial dienende Isolierschicht verwendet wird. So kann z. B. die Seitenfläche 14a des Statorkerns 12 mit einem aufschäumbaren, wärmehärtbaren Harz beschichtet oder es darauf aufgetragen sein, oder die Seitenfläche 14c kann mit einem wärmeableitenden, wärmehärtbaren Harz beschichtet oder es darauf aufgetragen sein.
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In der vorstehenden Beschreibung ist die Grenze zwischen der Schaumschicht 22 und der Wärmeableitschicht 24 auf der Seitenfläche 14b der Nut 14 in Radialrichtung gebildet. Jedoch kann auch kein Element auf der Seitenfläche 14b gesondert vorgesehen sein. Alternativ kann eine Isolierschicht ohne Harzbeschichtung auf der Seitenfläche 14b vorgesehen sein. Auch ist es möglich, die Schaumschicht 22 auf der gesamten Seitenfläche 14b vorzusehen, um eine durch Schäumen erzeugte Kompressionskraft der Spule 20 zu erhöhen. Zudem kann die Wärmeableitschicht 24 auf der gesamten Seitenfläche 14b vorgesehen sein, um die Wärmeableitung von der Spule 20 zu verbessern.
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Wenn die Schaumschicht 22 auf der gesamten Seitenfläche 14a der Nut 14 vorgesehen ist, ist es möglich, die Befestigung der Spule 20 und die auf die Spule 20 drückende Kraft zu verbessern. Allerdings kann die Schaumschicht 22 auch nur auf einem Teil der Seitenfläche 14a vorgesehen sein, solange eine hinreichende Befestigung und Druckkraft gewährleistet werden kann. Wenn die Wärmeableitschicht 24 auf der gesamten Seitenfläche 14c der Nut 14 vorgesehen ist, ist es möglich, die Wärmeableitung von der Spule 20 zu verbessern. Jedoch kann die Wärmeableitschicht 24 auch nur auf einem Teil der Seitenfläche 14c vorgesehen sein, solange eine hinreichende Wärmeableitung gewährleistet werden kann.
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Die Schaumschicht 22 und die Wärmeableitschicht 24 (oder das Schaumelement und das Wärmeableitelement ohne Basismaterial) können mit der Spule 20 einstückig sein, um gemeinsam mit der Spule 20 in die Nut 14 einbringbar zu sein. Des Weiteren kann der Stator im Herstellungsverfahren verändert sein. So kann z. B. nach der Montage der Spule 20 ein schäumbares, wärmehärtbares Harz ohne Basismaterial anstelle der Schaumschicht 22 und/oder ein wärmeableitendes, wärmehärtbares Harz ohne Basismaterial anstelle der Wärmeableitschicht 24 eingebracht werden.
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Darüber hinaus ist ein Modus, in dem eine wärmeableitende Isolierschicht verwendet wird, als eine weitere Ausführungsform denkbar. Wenn eine wärmeableitende Isolierschicht verwendbar ist, die eine hinreichende Wärmeableitung gewährleisten kann, kann die wärmeableitende Isolierschicht unverändert als die Wärmeableitschicht 24 verwendet werden. Es ist auch möglich, die wärmeableitende Isolierschicht als Basismaterial der Schaumschicht 22 zu verwenden.
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Somit kann die in den 1 bis 3 gezeigte Ausführungsform dadurch erreicht werden, dass nur das schäumbare, wärmehärtbare Harz auf einen Teil der wärmeableitenden Isolierschicht aufgetragen wird, ohne das wärmeableitende, wärmehärtbare Harz aufzutragen. Die Beispiele der wärmeableitenden Isolierschicht umfassen eine Silikonschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit, eine Schicht, die aus einem Harz wie etwa Acryl gebildet ist, und dergleichen. Wie vorstehend beschrieben kann das Harz einen Füllstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit beinhalten. Eine flexible Schicht kann einen Prozess erleichtern, bei dem die Seitenflächen 14a, 14b und 14c der Nut 14 mit einer einzelnen wärmeableitenden Isolierschicht abgedeckt werden. Auch wenn die wärmeableitende Isolierschicht nicht flexibel ist, kann sie möglicherweise durch Schneiden und Biegen verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2002262500 A [0003, 0007]
- JP 2003284277 A [0004, 0008]
- JP 2010259316 A [0005, 0009]
- JP 2018098948 A [0006, 0009]
