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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, mit einer Wicklung und einem axial auf die Wicklung aufsetzbaren Verschaltungsring zum Verschalten der Wicklung des Stators, wobei der Verschaltungsring einen ring- oder ringsegmentförmigen Kunststoffkörper mit zumindest drei jeweils einer Phase zugordneten Leitern, die untereinander verschaltet sind, aufweist und die Enden zumindest eines Teils der Leiter axial über der Wicklung hervorstehen.
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Permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) werden bereits in vielen industriellen Anwendungen und im Zuge der geplanten vollständigen Elektrifizierung zunehmend auch in der Automobilindustrie eingesetzt. Eine solche permanenterregte Synchronmaschine weist in der Regel einen zu bestromenden Stator und einen permanenterregten Rotor auf. Der Stator umfasst u.a. eine Drahtwicklung, einen Statorträger, einen Verschaltungsring sowie einen Anschlussterminal für die Leistungselektronik.
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Bei einer derartigen elektrischen Maschine kann die Verschaltung der einzelnen, um den Umfang verteilten Wicklungen beispielsweise über einen Verschaltungsring oder mehrere Verschaltungsringe, die auch ringsegmentförmig ausgebildet sein können, erfolgen. Hierbei können üblicherweise aus Kupfer bestehende Stromschienen an oder in einem gemeinsamen oder separaten Trägerringen aus Kunststoff angeordnet sein. Gelegentlich wurden diese Art von Verschaltungsringen auch als Schaltringe oder Kontaktbrücken bezeichnet. Derartige Verschaltungsringe werden in der Regel axial auf das Wicklungspaket aufgesetzt.
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DE102008007409A1 beschreibt beispielsweise einen dreiteiligen Schaltring für einen Stator, wobei drei Stromschienen sowie ein Sternpunktring in einer Ebene flächig nebeneinander liegend in einem Trägerring aus einem temperaturbeständigen Kunststoff angeordnet sind. Die Kontaktstellen der Stromschienen sowie des Sternpunktrings ragen aus dem Trägerring heraus und sind mit den Drahtenden der Teilwicklungen des Stators verbunden. Dabei bedarf es einer hohen Positionierungsgenauigkeit, genauen Einzelteiltoleranzen und mehrerer Schweiß- und Verbindungsstellen.
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Elektrische Maschinen mit verteilter Wicklung oder Wellenwicklung weisen in der Regel einen Verschaltungsbereich auf, in dem verschiedene Leiter der Wicklung miteinander verbunden werden. Diese Kopplung wird auch als Brücke bezeichnet, die in der Regel für die Richtungsumkehr des Stromflusses zuständig ist. Des Weiteren kann die Verschaltung auch einen sog. Sternpunkt enthalten. An diesem Punkt fließen alle Leiter und Ströme der unterschiedlichen Phasen gemäß einer Sternverschaltung zusammen. Als weiteres Bauteil besitzt die elektrische Maschine ein Anschlussterminal für die HV-Elektronik. Dieses Bauteil ist für die Stromversorgung der elektrischen Maschine über die Leistungselektronik zuständig.
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Derartige Anschlussterminals sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die
DE 10 2019 111 825 A1 einen Stator für eine elektrische Maschine mit einem solchen Anschlussterminal.
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Obwohl derartige Bauteile aus dem Stand der Technik bekannt sind, besteht weiterhin der Wunsch, diese zu optimieren. Daher ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Stator bereitzustellen, insbesondere einen Stator mit einem montagefreundlichen Anschlussterminal, welche ferner eine hohe Betriebssicherheit auch bei im Betrieb auftretenden Schwingungen aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine, mit einer Wicklung und einem axial auf die Wicklung aufsetzbaren Verschaltungsring zum Verschalten der Wicklung des Stators, wobei der Verschaltungsring einen ring- oder ringsegmentförmigen Kunststoffkörper mit zumindest drei jeweils einer Phase zugordneten Leitern, die untereinander verschaltet sind, aufweist und die Enden zumindest eines Teils der Leiter axial über der Wicklung hervorstehen, wobei der Verschaltungsring einen formschlüssig mit diesem verbindbaren Anschlussterminal aufweist, welcher über wenigstens drei elektrische Anschlussabschnitte verfügt, die im zusammengesetzten Zustand von Verschaltungsring und Anschlussterminal jeweils einen einer Phase zugeordneten Leiter des Verschaltungsrings kontaktieren und elektrisch leitend mit jeweils einem Anschluss des Anschlussterminals verbinden, indem der Verschaltungsring und das Anschlussterminal Formschlussmittel aufweisen, die eine definierte Position von Verschaltungsring und Anschlussterminal zueinander definieren.
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Hierdurch kann eine montagetechnisch optimierte und vereinfachte Positionierung des Anschlussterminals an den Verschaltungsring erfolgen. Ferner ist eine Schwingungsabsorption bzw. Entkopplung von Schwingungen zwischen dem Anschlussterminal und dem Verschaltungsring ermöglicht, wodurch auch die Schweißstellen zwischen den Leitern und den Anschlussabschnitten des Anschlussterminals entlastet werden.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
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Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, den Stator für eine Radialflussmaschine vorzusehen.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
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Das Motorgehäuse umhaust die elektrische Maschine. Ein Motorgehäuse kann darüber hinaus auch die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen. Das Motorgehäuse kann darüber hinaus auch Bestandteil eines Kühlsystems für die elektrische Maschine und derart ausgebildet sein, dass Kühlfluid über das Motorgehäuse der elektrischen Maschine zugeführt werden und/oder die Wärme über die Gehäuseflächen nach außen abgeführt werden kann. Darüber hinaus schützt das Motorgehäuse die elektrische Maschine sowie die ggf. vorhandene Elektronik vor äußeren Einflüssen.
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Ein Motorgehäuse kann insbesondere aus einem metallischen Material gebildet sein. Vorteilhafter Weise kann das Motorgehäuse aus einem metallischen Gussmaterial, wie zum Beispiel Grauguss oder Stahlguss, geformt sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, das Motorgehäuse ganz oder teilweise aus einem Kunststoff auszubilden.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass der Stator innerhalb eines Motorgehäuses angeordnet ist.
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Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Durch diesen Aufbau werden die durch das Statorfeld verursachten Wirbelströme im Stator gering gehalten. Über den Umfang verteilt sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnete Nuten oder umfänglich geschlossene Ausnehmungen eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen, verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
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Ein Verschaltungsring kann eine oder mehrere Stromschienen aufnehmen und insbesondere zueinander beabstandet und elektrisch isolierend anordnen.
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Ein Verschaltungsring kann eine kreisringförmige Grundform mit mehreren kreisringförmig und konzentrisch angeordneten Aufnahmen, wie beispielsweise Nuten, aufweisen, in denen die entsprechenden Stromschienen angeordnet sind. Bevorzugt ist ein Trägerring aus einem Kunststoffmaterial gefertigt. Grundsätzlich ist es denkbar, einen Verschaltungsring einteilig oder mehrteilig auszubilden.
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Ein Verschaltungsring kann auch lediglich als ein Kreisringsegment ausgebildet sein und somit keine geschlossene Kreisform aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Formschlussmittel einen sich in Radialrichtung erstreckenden, trapezförmigen Abschnitt umfassen, der in eine korrespondierend ausgebildete Tasche einsteckbar ist. Durch die Trapezform ist eine eindeutige räumliche Positionierung der Formschlussmittel zueinander ermöglicht.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der trapezförmige Abschnitt an dem Verschaltungsring, insbesondere dem Kunststoffkörper, angeformt und die korrespondierende Tasche an dem Anschlussterminal ausgebildet ist.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass sich der trapezförmige Abschnitt in radialer Richtung außerhalb der radial äußeren Mantelfläche des ringförmigen Verschaltungsrings befindet.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Basis des trapezförmigen Abschnitts radial außen angeordnet ist. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass die in radialer Richtung umfänglich ansteigende Rampe des trapezförmigen Abschnitts als Abstützfläche für radiale Kräfte dienen kann. Es kann hierdurch ferner eine Selbstzentrierung des Anschlussterminals an dem Verschaltungsring realisiert sein.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass an dem Verschaltungsring radial nach außen weisende Abstandselemente angeformt sind, an denen das Anschlussterminal im zusammengebauten Zustand mit dem Verschaltungsring anliegt, wobei die Abstandselemente so konfiguriert sind, dass das Anschlussterminal unter einer radiale Vorspannung mit dem Verschaltungsring gefügt ist.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Anschlussterminal eine dem Verschaltungsring angepasste kreisringsegmentartige Form aufweist. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich eine besonders kompakt bauende Kombination aus Anschlussterminal und Verschaltungsring ausbilden lässt.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass sich die Anschlüsse des Anschlussterminals aus diesem in radialer Richtung erstrecken.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass das Anschlussterminal aus einem Kunststoff gefertigt ist. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Anschlussabschnitte des Anschlussterminals mittels Stromschienen mit den Anschlussabschnitten verbunden sind, wobei die Stromschienen an und/oder in dem Kunststoffkörper des Anschlussterminals verlaufen.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass der Anschlussterminal aus axialer Richtung an den Verschaltungsring steckbar ist, was aus montagetechnischer Sicht besonders günstig ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ausschnitts-Darstellung eines Stators,
- 2 eine perspektivische Darstellung eines ringsegmentförmigen Kunststoffkörpers eines Verschaltungsrings,
- 3 eine perspektivische Darstellung eines Anschlussterminals,
- 4 eine Aufsicht auf die Formschlussmittel des miteinander verbundenen Anschlussterminals und des ringsegmentförmigen Kunststoffkörpers, und
- 5 ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine.
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Die 1 zeigt einen Stator 1 für eine elektrische Maschine 2, wie sie beispielsweise in einem vollelektrischen oder hybriden Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs verwendet wird, was exemplarisch in der 5 gezeigt ist.
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Die elektrische Maschine 2 besitzt eine Wicklung 3 und einen axial auf die Wicklung 3 aufsetzbaren Verschaltungsring 4 zum Verschalten der Wicklung 3 des Stators 1. Der Verschaltungsring 4 umfasst einen kreisringsegmentförmigen Kunststoffkörper 5 mit zumindest drei jeweils einer Phase 6 zugordneten Leitern 7, die untereinander verschaltet sind, und die den Kunststoffkörper 5 in axialer Richtung durchgreifen, so dass die Enden 8 zumindest eines Teils der Leiter 7 axial über der Wicklung 3 hervorstehen.
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Der Verschaltungsring 4 bzw. der Kunststoffkörper 5 weist einen formschlüssig mit diesem verbindbaren Anschlussterminal 9 auf. Der Anschlussterminal 9 verfügt über drei elektrische Anschlussabschnitte 10, die in axialer Richtung aus dem Anschlussterminal 9 herausragen und im zusammengesetzten Zustand von Verschaltungsring 4 bzw. Kunststoffkörper 5 und Anschlussterminal 9 jeweils einen einer Phase 6 zugeordneten, axial aus dem Verschaltungsring 4 bzw. Kunststoffkörper 5 herausragenden Leiter 7 des Verschaltungsrings 4 kontaktieren und elektrisch leitend mit jeweils einem Anschluss 11 des Anschlussterminals 9 verbinden. Hierzu besitzen der Verschaltungsring 4 bzw. der Kunststoffkörper 5 und das Anschlussterminal 9 Formschlussmittel 12, die eine definierte Position von Verschaltungsring 4 und Anschlussterminal 9 zueinander definieren.
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Dadurch, dass das Anschlussterminal 9 nur an einer genau definierten Position an dem Verschaltungsring 4 bzw. Kunststoffkörper 5 fixierbar ist, ist somit auch stets eine korrekte Kontaktierung der Leiter 7 und der elektrischen Anschlussabschnitte 10 gewährleistet. Das Anschlussterminal 9 weist eine dem Verschaltungsring 9 angepasste kreisringsegmentartige Form auf. Die Leiter 7 sowie die Anschlussabschnitte 10 sind als axial aus dem Kunststoffkörper 5 herausragende Stromschienen mit einem rechteckigen Leitungsquerschnitt ausgebildet.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist eine Wicklung 3 mit Hairpintechnologie bzw. Wellentechnologie gezeigt, die über mehrere nicht näher bezeichnete Schweißstellen verschaltet werden kann. In der Ausführungsform der 1 verfügt die Wicklung 3 über drei Phasen 6 (U,V,W). Es versteht sich, dass sich je nach Auslegung des Stators auch mehr der weniger Phasen vorhanden sein können. Jeder Phase ist dabei in zwei Parallelstränge aufgeteilt. Je nach Auslegung kann sich die Anzahl der Phasen und der Parallelstränge unterscheiden.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Phasenbelegung, Sternverschaltung und Brückenverschaltung erkennbar. Daraus ist ersichtlich, dass es sich bei dem Stator 1 bzw. der elektrischen Maschine 2 um eine Stern-Maschine handelt. Ebenso wäre es jedoch auch denkbar, den Stator 1 bzw. die elektrische Maschine 2 als Dreiecksverschaltung auszuführen. Der Verschaltungsring 4 bzw. der Kunststoffkörper 5 ist über dem Wickelkopf der Wicklung 3 zwischen der inneren und der äußeren Wicklungslage angeordnet und baut axial auf diesem auf.
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In der 2 ist der Kunststoffkörper 5 zu erkennen, aus dem sich die Formschlussmittel 12 in Radialrichtung heraus erstreckenden. Diese besitzen einen trapezförmigen Abschnitt 13, der in eine korrespondierend ausgebildete Tasche 14 des Anschlussterminals 9 einsteckbar ist.
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Auch wenn es in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gezeigt ist, dass der trapezförmige Abschnitt 13 an dem Verschaltungsring 4 angeformt und die korrespondierende Tasche 14 an dem Anschlussterminal 9 ausgebildet ist, so ist es natürlich auch denkbar, dass dies umgekehrt ausgebildet ist, also dass der trapezförmige Abschnitt 13 an dem Anschlussterminal 9 angeformt ist und in eine korrespondierende Tasche 14 an dem Verschaltungsring 5 bzw. dem Kunststoffkörper 5 vorhanden ist.
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Wie aus der Zusammenschau von 1 und 2 ersichtlich, befindet sich der trapezförmige Abschnitt 13 in radialer Richtung außerhalb der radial äußeren Mantelfläche des ringförmigen Verschaltungsrings 4 bzw. des Kunststoffkörpers 5, so dass der trapezförmige Abschnitt 13 in die Tasche 14 des sich an die Mantelkontur des Kunststoffkörpers 5 anschmiegende Anschlussterminals 9 eingreift.
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In der 3 ist das Anschlussterminal 9 widergegeben. Es ist erkennbar, dass die Tasche 14 einen Anschlag für den trapezförmigen Abschnitt 13 in axialer Richtung bildet. Auch ist in der 3 gezeigt, dass sich die Anschlüsse 11 des Anschlussterminals 9 aus diesem in radialer Richtung erstrecken. Das Anschlussterminal 9 ist aus einem Kunststoff gefertigt.
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4 zeigt die formschlüssige Verbindung der beiden Bauteile Anschlussterminal 9 und Kunststoffkörper 5. Zu erkennen ist, wie die Formschlussmittel 12 ineinandergreifen. Die 4 zeigt aufgrund der Aufsicht besonders gut, dass die Basis, also die lange Seite, des trapezförmigen Abschnitts 13 radial außen angeordnet ist. In der 4 ist ferner zu sehen, dass an dem Verschaltungsring 4 radial nach Außen weisende Abstandselemente 15 angeformt sind, an denen das Anschlussterminal 9 im zusammengebauten Zustand mit dem Verschaltungsring 4 anliegt, wobei die Abstandselemente 15 so konfiguriert sind, dass das Anschlussterminal 9 unter einer radiale Vorspannung mit dem Verschaltungsring 4 gefügt ist.
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Anhand der 4 kann auch die Funktion der Verkeilung der Formschlussmittel 12 näher erläutert werden. Die rippenartigen, in Axialrichtung verlaufenden Abstandselemente 15 am Kunststoffkörper 5 sind dabei so abgestimmt und ausgeführt, dass diese die Kontaktfächen zum Anschlussterminal bilden. Das Anschlussterminal 9 liegt somit lediglich über diese Abstandselemente 15 an dem Kunststoffkörper 5 an. Der trapezförmige Abschnitt 13 des Kunststoffkörpers 5 ist formschlüssig in der korrespondierenden Tasche 14 des Anschlussterminals 9 aufgenommen.
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Man kann in diesem Zusammenhang auch davon sprechen, dass der trapezförmige Abschnitt 13 als „Male-Stecker“ und die Tasche 14 als „Female-Stecker“ ausgebildet sind. Durch die Erstreckung des Abstandselements 15 in Radialrichtung kann die Anpresskraft der Verkeilung der Formschlussmittel 12 bestimmt und reguliert werden. Es ist ersichtlich, dass je größer die radiale Erstreckung eines der rippenartigen Abstandselemente 15 ist, desto mehr Kraft auf den in die Tasche eingreifenden trapezförmigen Abschnitt 13 ausgeübt wird und umso inniger die so ausgebildete Verkeilung greift.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- elektrische Maschine
- 3
- Wicklung
- 4
- Verschaltungsring
- 5
- Kunststoffkörper
- 6
- Phase
- 7
- Leitern
- 8
- Enden
- 9
- Anschlussterminal
- 10
- Anschlussabschnitte
- 11
- Anschluss
- 12
- Formschlussmittel
- 13
- Abschnitt
- 14
- Tasche
- 15
- Abstandselemente
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008007409 A1 [0004]
- DE 102019111825 A1 [0006]
