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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, umfassend einen Rotor und einen Stator wobei der Stator einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten Statornuten aufweist, und wobei in den Statornuten Statorwicklungen angeordnet sind.
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Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
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Aus der
DE 10 2018 117 463 A1 ist ein Stator für einen Elektromotor bekannt, mit einem Statorkern, wobei der Statorkern eine Mehrzahl von elektrisch zueinander isolierten Statorblechen aufweist, die in axialer Richtung in Bezug auf eine Motorachse gestapelt sind.
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Bei einem derartig ausgebildeten, ein Statorblechpaket umfassenden entstehen durch elektromagnetische Felder unterschiedliche Potentiale in den einzelnen Statorblechen. Daher müssen derartige Komponenten einer elektrischen Maschine in einer Hochvoltumgebung zum Schutz gegen elektrischen Schlag „geerdet“ sein.
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Um die einzelnen Statorbleche eines Statorblechpakets elektrisch leitend miteinander zu verbinden, ist es beispielsweise bekannt, Statorbleche miteinander zu verschweißen. Alternativ hierzu kann über eine Presspassung zwischen einer durch eine axial verlaufende Öffnung in einem Blechpaket eine Hülse eingepresst sein, die zwischen den Statorbblechen einen elektrischen Kontakt sicherstellt.
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Jedoch ist mit einer Übergangspassung nicht immer der elektrische Kontakt zwischen Blech und Hülse sichergestellt. Eine Presspassung hingegen kann bei der Montage zu unerwünschten Verformungen der Rotorbleche führen. Hier kann während der Montage der Hülse in die korrespondierende Öffnung des Statorblechpakets mittels einer Presspassung dazu kommen, dass sich eine oder mehrere Statorbleche radial verformen, was zu einer Wellung innerhalb des Statorblechs führt. Diese Wellung bewirkt ein unerwünschtes Trennen der miteinander verbundenen Statorbleche.
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Im Lichte des vorbekannten Standes der Technik ist es somit die Aufgabe des Erfindungsgegenstandes, eine elektrische Maschine bereitzustellen, die eine hinsichtlich ihrer Betriebssicherheit und Montagefreundlichkeit verbesserte Erdung des Statorblechpakets aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator wobei der Stator einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten Statornuten aufweist, und wobei in den Statornuten Statorwicklungen angeordnet sind, wobei der Statorkörper ein Statorblechpaket mit einer sich in axialer Richtung durch den Statorkörper erstreckenden Öffnung aufweist, in welche eine Hülse kraftschlüssig eingesetzt ist, die insbesondere von einem Befestigungsmittel durchgriffen wird, wobei das Statorblechpaket wenigsten einen in die Öffnung hereinragenden und während der Montage der Hülse in der Öffnung elastisch und/oder plastisch verformbaren Kontaktabschnitt aufweist und/oder die Hülse wenigstens einen in die Öffnung hereinragenden und während der Montage der Hülse in der Öffnung elastisch und/oder plastisch verformbaren Kontaktabschnitt aufweist.
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Durch die elastisch und/oder plastisch verformbaren Kontaktabschnitte kann sichergestellt werden, dass an jedem einzelnen Statorblech das dort anliegende elektrische Potential abgeführt werden kann. Insbesondere die plastisch verformbaren Kontaktabschnitte zwischen Hülse und Blechpaket können sicherzustellen, dass während der Montage durch lokale und gezielte Plastifizierung in einem definierten Bereich an den Kontaktabschnitten ungewünschte Verformung der an den Statorblechen verhindert werden können. Somit werden bei der Herstellung der Presspassung zwischen der Hülse und der Öffnung des Statorblechpakets lediglich die Kontaktabschnitte verformt, welche so eine gesicherte elektrische Kontaktierung der einzelnen Statorbleche realisieren.
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Die kraftschlüssige Verbindung zwischen der Hülse und den Statorblechen kann beispielsweise als Presspassung so ausgestaltet sein, dass bevorzugt lediglich die Kontaktabschnitte elastisch und/oder plastisch verformt werden, jedoch nicht die Hülse und/oder die Statorbleche des Statorblechpakets.
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Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Hülse als solches eine gewisse elastische Verformung in radialer Richtung erlaubt, beispielsweise durch eine geeignete Materialauswahl und Querschnittsausgestaltung, während die Kontaktabschnitte selbst plastisch verformt 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.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung ist es bevorzugt, dass die elektrische Maschine als Radialflussmaschine ausgebildet ist.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen.
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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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Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine.
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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 geringgehalten. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet 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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Als Statorzähne werden Bestanteile des Statorkörpers bezeichnet, die als umfänglich beabstandete, zahnartig radial nach innen oder radial nach außen gerichtete Teile des Statorkörpers ausgebildet sind und zwischen deren freien Enden und einem Rotorkörper ein Luftspalt für das Magnetfeld gebildet ist.
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Als Blechpaket bzw. Statorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Blechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verkeilen oder Verschraubung oder dergleichen zusammengehalten bleiben.
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Besonders bevorzugt ist die Verwendung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einem vollelektrischen oder hybridisierten Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.
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Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen. Ein Hybridelektrokraftfahrzeug, auch als Hybrid Electric Vehicle (HEV) bezeichnet, ist ein Elektrofahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor sowie einem weiteren Energiewandler angetrieben wird und Energie sowohl aus seinem elektrischen Speicher (Akku) als auch einem zusätzlich mitgeführten Kraftstoff bezieht.
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Im Sinne dieser Anmeldung werden unter dem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges alle Komponenten verstanden, die im Kraftfahrzeug die Leistung für den Antrieb des Kraftfahrzeugs generieren und über die Fahrzeugräder bis auf die Straße übertragen.
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Es ist ferner bevorzugt, dass die erfindungsgemäße elektrische Maschine in einem elektrischen Achsantriebsstrang verwendet wird. Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst eine elektrische Maschine und ein Getriebe, wobei die elektrische Maschine und das Getriebe eine bauliche Einheit bilden.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine und das Getriebe in einem gemeinsamen Antriebsstranggehäuse angeordnet sind. Alternativ wäre es natürlich auch möglich, dass die elektrische Maschine ein Motorgehäuse und das Getriebe ein Getriebegehäuse besitzt, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung des Getriebes gegenüber der elektrischen Maschine bewirkbar ist.
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Diese bauliche Einheit wird gelegentlich auch als E-Achse bezeichnet.
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Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die erfindungsgemäße elektrische Maschine in einem Hybridmodul verwendet wird. In einem Hybridmodul können Bau- und Funktionselemente eines hybridisierten Antriebsstrangs räumlich und/oder baulich zusammengefasst und vorkonfiguriert sein, so dass ein Hybridmodul in einer besonders einfachen Weise in einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs integrierbar ist. Insbesondere können ein Elektromotor und ein Kupplungssystem, insbesondere mit einer Trennkupplung zum Einkuppeln des Elektromotors in und/oder Auskuppeln des Elektromotors aus dem Antriebsstrang, in einem Hybridmodul vorhanden sein.
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Ein Hybridmodul kann je nach Eingriffspunkt des Elektromotors in den Antriebsstrang in die folgenden Kategorien P0-P4 eingeteilt werden:
- P0: der Elektromotor ist vor der Brennkraftmaschine angeordnet und beispielsweise über einen Riemen mit der Brennkraftmaschine gekoppelt. Bei dieser Anordnung des Elektromotors wird dieser auch gelegentlich als Riemenstartergenerator (RSG) bezeichnet,
- P1: der Elektromotor ist direkt hinter der Brennkraftmaschine angeordnet. Die Anordnung des Elektromotors kann beispielsweise kurbelwellenfest vor der Anfahrkupplung erfolgen,
- P2: der Elektromotor ist zwischen einer häufig als K0 bezeichneten Trennkupplung und der Anfahrkupplung aber vor dem Fahrzeuggetriebe im Antriebsstrang angeordnet,
- P3: der Elektromotor ist im Fahrzeuggetriebe und/oder der Getriebeausgangswelle angeordnet,
- P4: der Elektromotor ist an einer bestehenden oder separaten Fahrzeugachse angeordnet und
- P5: der Elektromotor ist am oder im Fahrzeugrad angeordnet, beispielsweise als Radnabenmotor.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass das Statorblechpaket und/oder die Hülse jeweils wenigstens drei Kontaktabschnitte aufweist. Hierdurch kann eine statisch definierte Position der Hülse in der Öffnung sichergestellt werden, bei der die Hülse lediglich über die Kontaktabschnitte die Öffnung kontaktiert. Hierdurch kann auch das Einsetzen der Hülse in die Öffnung vereinfacht werden.
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Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass die Kontaktabschnitte äquidistant über den Umfang der Hülse und/oder der Öffnung im Statorblechpaket angeordnet sind, was zu einer verbesserten umfänglichen Druckverteilung und gleichmäßigeren plastischen Verformung der Kontaktabschnitte beiträgt.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann es ferner bevorzugt sein, dass die Öffnung eine kreisrunde Öffnungskontur aufweist, die fertigungstechnisch besonders einfach herstellbar ist. Auch lässt sich eine gleichmäßige plastische Verformung der Kontaktabschnitte bei einer kreisrunden Öffnungskontur montagetechnisch besonders günstig realisieren.
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Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass der Kontaktabschnitt eine konvexe Querschnittskontur aufweist, die ein besonders vorteilhaftes plastisches Verformungsverhalten zeigt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann es bevorzugt sein, dass das Befestigungsmittel als Schraube ausgebildet ist, so dass der Stator bzw. die elektrische Maschine lösbar an einem Gehäuse fixiert werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der Kontaktabschnitt sich in axialer Richtung über die gesamte axiale Länge der Öffnung und/oder der Hülse erstreckt, so dass eine elektrische Kontaktierung alle Rotorblechpakete realisiert werden kann.
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Es kann aus fertigungstechnischen Erwägungen des Weiteren vorteilhaft sein, dass der Kontaktabschnitt einstückig, insbesondere monolithisch, mit der Hülse und/oder dem Statorblechpaket ausgebildet ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele innerhalb des technisch machbaren frei miteinander kombiniert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine elektrische Maschine in einer perspektivischen Ansicht,
- 2 eine elektrische Maschine in einer Axialschnittansicht,
- 3 eine Detailansicht der Statorblechpakete in einer Axialschnittdarstellung,
- 4 eine Hülse in einer freigestellten Ansicht in einer perspektivischen und Aufsicht-Darstellung,
- 5 eine Detailansicht eines Statorblechpakets in einer Querschnittsdarstellung, und
- 6 ein Kraftfahrzeug mit einem vollelektrischen oder hybridisierten Antriebsstrang in einer Blockschaltdarstellung.
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Die 1 zeigt eine elektrische Maschine 1 mit einem Rotor 2 und einem Stator 3.
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Der Stator 3 besitzt einen Statorkörper 4 mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne 5 und zwischen den Statorzähnen 5 gebildeten Statornuten 6, wobei in den Statornuten 6 bestrombare Statorwicklungen 7 angeordnet sind, was insbesondere aus der Zusammenschau von 2 und 5 ersichtlich wird.
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Der Statorkörper 8 umfasst ferner ein aus einer Mehrzahl von Statorblechen packetiertes Statorblechpaket 9 mit einer sich in axialer Richtung durch den Statorkörper 8 erstreckenden Öffnung 10, was gut aus den 2-3 hervorgeht. In der Öffnung 10 ist eine Hülse 11 kraftschlüssig, insbesondere mittels einer Presspassung, eingesetzt, die von einem Befestigungsmittel 12 durchgriffen wird, dass in der gezeigten Ausführung als Befestigungsschraube ausgeführt ist. Mittels des Befestigungsmittels 12 ist der Stator 3 an dem Gehäuse 8 fixiert.
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Die einzelnen Statorbleche des Statorblechpakets 9 sind über dessen axiale Erstreckung mit der elektrisch leitfähigen Hülse 11 verbunden und weiter über das elektrisch leitfähige Befestigungsmittel 12 mit dem Gehäuse 8 elektrisch leitend verbunden und geerdet.
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In einer ersten Ausführungsform, die in der 4 gezeigt ist, weist die Hülse 11 wenigstens einen in die Öffnung 10 hereinragenden und während der Montage der Hülse 11 in der Öffnung 10 plastisch verformbaren Kontaktabschnitt 13 auf. Dem Kontaktabschnitt 13 ist jeweils auf der gegenüberliegenden Innenseite der Hülse 11 eine Nut 14 angeordnet, deren konkave Innenkontur im Wesentlichen der konvexen Außenkontur des Kontaktabschnitts 13 der Hülse 11 entspricht.
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In einer ergänzenden oder alternativen Ausführung kann auch vorgesehen sein, dass das Statorblechpaket 9 wenigsten einen in die Öffnung 10 hereinragenden und während der Montage der Hülse 11 in der Öffnung 10 plastisch verformbaren Kontaktabschnitt 13 aufweist, so wie es in der 5 gezeigt ist.
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Wie in den Ausführungsalternativen der 4-5 gezeigt, weisen Statorblechpaket 14 und/oder die Hülse 11 bevorzugt jeweils wenigstens drei Kontaktabschnitte 13 auf.
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Die Kontaktabschnitte 13 sind in den gezeigten Ausführungsvarianten äquidistant über den Umfang der Hülse 11 und/oder der Öffnung 10 im Statorblechpaket 14 angeordnet. Der Kontaktabschnitt 13 hat konvexe Querschnittskontur, was gut anhand der 4-5 erkennbar ist., Der Kontaktabschnitt 13 erstreckt sich in axialer Richtung über die gesamte axiale Länge der Öffnung 10 und/oder der Hülse 11. Man erkennt dies gut am Beispiel der oberen Darstellung der Hülse 11 in der 4 . Die Kontaktabschnitte 13 sind einstückig, insbesondere monolithisch, mit der Hülse 11 und/oder dem Statorblechpaket 14 ausgebildet.
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Die Öffnung 10 im Statorblechpaket besitzt eine kreisrunde Öffnungskontur und die Hülse weist eine hierzu korrespondierende zylinderförmige Grundform auf. Die Kontaktabschnitte 13 und die Öffnung 10 des Statorblechpakets 9 sind so ausgeführt, dass eine Presspassung zwischen den Bauteilen ausgebildet werden kann. Dabei sind die Kontaktabschnitte 13 so ausgebildet, dass diese plastisch verformbar sind, wenn die Hülse 11 in die Öffnung 10 eingesetzt wird. Hierdurch wird verhindert, dass andere Bereiche der Hülse 11 und/oder des die Öffnung 10 umgebenden Statorblechpakets 9 ungewollt plastisch verformt werden. Die Kontaktabschnitte 13 stellen somit eine Art „Opferkontur“ für eine plastische Verformung der Hülse 11 und/ oder der Öffnung 10 dar.
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Die elektrische Maschine 1 ist insbesondere für eine Verwendung in einem vollelektrischen oder hybridisierten Antriebsstrangs 15 eines Kraftfahrzeugs 16 vorgesehen, wie es beispielhaft in der 6 widergegeben ist.
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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
- Elektrische Maschine
- 2
- Rotor
- 3
- Stator
- 4
- Statorkörper
- 5
- Statorzähne
- 6
- Statornuten
- 7
- Statorwicklungen
- 8
- Gehäuse
- 9
- Statorblechpaket
- 10
- Öffnung
- 11
- Hülse
- 12
- Befestigungsmittel
- 13
- Kontaktabschnitt
- 14
- Nut
- 15
- Antriebsstrang
- 16
- Kraftfahrzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018117463 A1 [0003]
