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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Endscheibe für einen Stator einer elektrischen Maschine und eine Endscheibe für einen Stator einer elektrischen Maschine, welche vorzugsweise unter Durchführung dieses Verfahrens hergestellt ist. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine mit einer solchen Endscheibe.
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Elektrische Maschinen werden seit geraumer Zeit mit Endscheiben ausgeführt, welche üblicherweise an axialen Enden eines Statorkörpers eines Stator der elektrischen Maschine angeordnet sind und auf welche Statorwicklungen des Stators gewickelt werden. Mittels solcher Endscheiben werden die Statorwicklungen gegen die axialen Endabschnitte des Stator elektrisch isoliert. Außerdem dienen diese Endscheiben üblicherweise zum Fixieren der Wicklungsköpfe bei konzentrierten Statorwicklungen bzw. zum Fixieren der Wicklungsenden - beispielsweise der Phasenleiter- und Nullleiterenden - bei verteilten Statorwicklungen.
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Bei herkömmlichen elektrischen Maschinen werden die Wicklungsköpfe bzw. Wicklungsenden üblicherweise mittels Fixierelementen an den Endscheiben befestigt, welche zuvor durch Durchbrüche in Scheibenkörpern der Endscheiben durchgefädelt werden müssen. Solch ein aufwändiger Montageprozess zum Zusammenbau der elektrischen Maschine geht mit einer relativ hohen Fertigungsdauer sowie mit relativ hohen Herstellungskosten der elektrischen Maschine einher, und ist zudem typischerweise fehleranfällig, was sich in negativer Weise auf einen sicheren Betrieb derartiger elektrischer Maschinen auswirkt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes oder zumindest alternatives Verfahren zum Herstellen einer Endscheibe für einen Stator einer elektrischen Maschine zu schaffen, welches vorstehend genannter Problematik Rechnung trägt. Ferner soll eine Endscheibe für einen Stator einer elektrischen Maschine geschaffen werden, bei welcher die oben genannten Nachteile vermieden werden oder sogar beseitigt sind.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, Fixierelemente zum Befestigen von Wicklungsköpfen bzw. Wicklungsenden einer Statorwicklung an einem Scheibenkörper einer Endscheibe eines Stators einer elektrischen Maschine bereits beim Formen des Scheibenkörpers in diesen zu integrieren, so dass ein späteres Anbringen der Fixierelemente an dem Scheibenkörper, insbesondere ein Durchfädeln der Fixierelemente durch Durchbrüche in der Endscheibe, nach Fertigung der Endscheibe und auch nach Anordnen einer solchen Endscheibe an einem Stator entfallen kann. Auf diese Weise werden der Montageaufwand, die Fertigungsdauer und die Herstellungskosten einer derart hergestellten einfach handhabbaren Endscheibe und einer elektrischen Maschine mit einer derart ausgebildeten Endscheibe reduziert. Ein derart an dem Scheibenkörper angeordnetes bzw. ausgebildetes Fixierelement ist zudem besonders beständig gegen mechanische Belastungen und fixiert daher besonders sicher. Außerdem reduziert eine derart ausgebildete Endscheibe die Fehleranfälligkeit bei der Montage der elektrischen Maschine, und erhöht somit die Lebensdauer der elektrischen Maschine sowie die Sicherheit im Betrieb der elektrischen Maschine.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Endscheibe für einen Stator einer elektrischen Maschine. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein, insbesondere unvollständiger, Scheibenkörper aus einem elektrisch isolierenden Material, auf welchen wenigstens eine Statorwicklung des Stators wickelbar ist, bereitgestellt. Anschließend wird gemäß einer ersten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens die Endscheibe durch Anordnen wenigstens eines Fixierelements an dem, insbesondere unvollständigen, Scheibenkörper und Umspritzen dieses Fixierelements an dem Scheibenkörper gebildet, so dass das wenigstens eine Fixierelement an dem Scheibenkörper, insbesondere stoffschlüssig, befestigt ist, wobei insbesondere der Scheibenkörper vervollständigt wird. Gemäß einer zweiten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Endscheibe durch Urformen, insbesondere Spritzgießen, wenigstens eines Fixierelements an den, insbesondere unvollständigen, Scheibenkörper gebildet, so dass das wenigstens eine Fixierelement integral an dem Scheibenkörper ausgeformt ist. Insbesondere wird dabei der Scheibenkörper vervollständigt. Außerdem wird bei beiden Alternativen die Endscheibe derart gebildet, dass mittels des wenigstens einen Fixierelements ein Wicklungskopf und/oder Wicklungsenden der wenigstens einen Statorwicklung an dem Scheibenkörper einfassend fixierbar, insbesondere verschnürbar, vorzugsweise anbindbar, sind - d.h. die Fixierelemente sind insbesondere noch nicht in einer Fixierstellung der Fixierelemente angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der ersten Alternative des Verfahrens wird das wenigstens eine Fixierelement zumindest teilweise mit dem elektrisch isolierenden Material des Scheibenkörpers umspritzt wird. Mittels dieser Ausführungsform kann das wenigstens eine Fixierelement beim Fertigen des Scheibenkörpers der Endscheibe an dem Scheibenkörper, insbesondere stoffschlüssig, befestigt werden, ohne dass ein weiteres Material sowie eine dafür nötige Bereitstellungsvorrichtung des Materials zum Umspritzen des wenigstens eine Fixierelements benötigt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der zweiten Alternative des Verfahrens wird das wenigstens eine Fixierelement zumindest teilweise aus dem elektrisch isolierenden Material des Scheibenkörpers urgeformt, insbesondere spritzgegossen. Mittels dieser Ausführungsform kann das wenigstens eine Fixierelement zusammen mit dem Scheibenkörper der Endscheibe geformt werden, ohne dass ein weiterer Montage- oder Fertigungsschritt zum Anbringen des Fixierelement an dem Scheibenkörper nötig ist.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Endscheibe für einen Stator einer elektrischen Maschine. Die Endscheibe ist vorzugsweise mittels des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist, wobei sich die vorstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens in diesem Falle auf die erfindungsgemäße Endscheibe übertragen. Die erfindungsgemäße Endscheibe umfasst einen Scheibenkörper aus einem elektrisch isolierenden Material, auf welchen - in einem an einen Stator montierten Zustand - wenigstens eine Statorwicklung des Stators wickelbar ist. Außerdem umfasst die Endscheibe wenigstens ein Fixierelement zum einfassenden Fixieren, insbesondere Verschnüren, vorzugsweise Anbinden, eines Wicklungskopfs und/oder von Wicklungsenden der wenigstens einen Statorwicklung an dem Scheibenkörper. Dabei ist das wenigstens eine Fixierelement integral an dem Scheibenkörper ausgeformt oder an dem Scheibenkörper umspritzt und, insbesondere stoffschlüssig, an dem Scheibenkörper befestigt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das wenigstens eine Fixierelement zum vollständig einfassenden Fixieren, insbesondere Verschnüren, eines Wicklungskopfs und/oder von Wicklungsenden der wenigstens einen Statorwicklung an dem Scheibenkörper ausgebildet ist. Auf diese Weise werden Wicklungsköpfe und/oder Wicklungsenden der wenigstens einen Statorwicklung besonders sicher an dem Scheibenkörper fixiert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das wenigstens eine Fixierelement kabelbinderartig ausgebildet, wobei das Fixierelement eine Zunge mit einer Verzahnung und einen Rastkopf zum Aufnehmen der Zunge und zum Einrasten in die Verzahnung der Zunge aufweist. Auch auf diese Weise werden Wicklungsköpfe und/oder Wicklungsenden der wenigstens einen Statorwicklung besonders sicher an dem Scheibenkörper fixiert, wobei eine besonders passgenaue Fixierung erreicht wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Rastkopf des wenigstens einen Fixierelements zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, in dem Scheibenkörper angeordnet. Diese Ausführungsform ist mechanisch besonders beständig und zudem kompakt aufgebaut.
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Ebenso vorteilhaft erstreckt sich die Zunge des wenigstens einen Fixierelements bei nicht fixiertem Wicklungskopf und/oder bei nicht fixierten Wicklungsenden der wenigstens einen Statorwicklung an dem Scheibenkörper zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, entlang einer radialen Richtung des Scheibenkörpers nach innen. Auf diese Weise kann die wenigstens eine Statorwicklung beim Wickeln auf den Stator und auf den Scheibenkörper zusätzlich auf das wenigstens eine Fixierelement gewickelt werden, so dass ein folgendes Fixieren von Wicklungsköpfen und/oder Wicklungsenden der wenigstens einen Statorwicklung an dem Scheibenkörper besonders einfach durchführbar ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das wenigstens eine Fixierelement das elektrisch isolierende Material des Scheibenkörpers oder besteht aus diesem. Diese Ausführungsform ist mechanisch besonders beständig, bietet eine hohe Sicherheit im Betrieb einer elektrischen Maschine mit einer solchen Endscheibe und ist besonders einfach und kostengünstig zu fertigen.
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Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine mit einem einen Statorkörper und wenigstens eine Statorwicklung umfassenden Stator und mit wenigstens einer an einem axialen Endabschnitt des Statorkörpers angeordneten erfindungsgemäßen Endscheibe. Die voranstehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Endscheibe übertragen sich somit auch auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine. Die wenigstens eine Statorwicklung ist dabei auf den Statorkörper und auf den Scheibenkörper der wenigstens einen Endscheibe gewickelt. Außerdem sind ein Wicklungskopf und/oder Wicklungsenden der wenigstens einen Statorwicklung an dem Scheibenkörper mittels des wenigstens einen Fixierelements einfassend fixiert, insbesondere verschnürt, vorzugsweise angebunden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Die einzige 1 illustriert ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2 mit einem ringförmigen Statorkörper 2d auf. Eine axiale Richtung A' des Statorkörpers 2d erstreckt sich in Richtung einer Mittellängsachse M' des Statorkörpers 2d. Der Stator 2 kann ein Stator-Blechpaket mit mehreren entlang der axialen Richtung A' aufeinandergestapelten, ringförmigen Blechplatten (in 1 stark vereinfacht angedeutet) umfassen, die den Statorkörper 2d ausbilden. Eine radiale Richtung R' des Statorkörpers 2d erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung A' von der Mittellängsachse M' weg. Eine Umfangsrichtung U' des Statorkörpers 2d läuft senkrecht zur radialen Richtung R' und auch senkrecht zur Umfangsrichtung U' um die Mittellängsachse M' um.
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Die elektrische Maschine 1 umfasst außerdem einen Rotor (in 1 nicht gezeigt), welcher um eine Rotationsachse D drehbar gelagert ist, wobei die Lage der Rotationsachse D durch die Mittellängsachse M' des Statorkörpers 2d festgelegt wird. Der Rotor ist dabei entlang der radialen Richtung R' des Statorkörpers 2d innerhalb desselben angeordnet. Somit handelt es sich bei der hier gezeigten elektrischen Maschine 1 um einen sogenannten Innenläufer. Denkbar ist aber auch eine Realisierung als sogenannter Außenläufer, bei welcher der Rotor entlang der radialen Richtung R' außerhalb des Stators 2 angeordnet ist.
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Die elektrische Maschine 1 umfasst außerdem eine ebenfalls beispielhaft in 1 gezeigte erfindungsgemäße Endscheibe 3, welche an einem ersten axialen Endabschnitt 2a des Statorkörpers 2d angeordnet ist. Im Beispiel der 1 weist die elektrische Maschine 1 zusätzlich eine nicht erfindungsgemäße Endscheibe 3' auf, welche an einem zweiten axialen Endabschnitt 2b des Statorkörpers 2d angeordnet ist, der dem ersten axialen Endabschnitt 2a entlang der axialen Richtung A' gegenüberliegt. Denkbar ist in einer Variante des Beispiels aber auch, dass eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 zwei erfindungsgemäße Endscheiben 3 aufweist, welche an jeweils einem der beiden axialen Endabschnitte 2a, 2b des Statorkörpers 2d angeordnet sind.
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Die Endscheibe 3 umfasst wiederum einen ringförmigen bzw. hohlzylindrischen Scheibenkörper 3a aus einem elektrisch isolierenden Material. Im Beispiel der 1 ist das elektrisch isolierende Material des Scheibenkörpers 3a ein Kunststoff oder umfasst diesen. Zudem erstreckt sich der Scheibenkörper 3a entlang einer Umfangsrichtung U. Die Umfangsrichtung U des Scheibenkörpers 3a ist bei der elektrischen Maschine 1 der 1 identisch zur Umfangsrichtung U' des Statorkörpers 2d. Eine axiale Richtung A des Scheibenkörpers 3a ist bei der elektrischen Maschine 1 der 1 identisch zur axialen Richtung A' des Statorkörpers 2d. Eine radiale Richtung R des Scheibenkörpers 3a ist bei der elektrischen Maschine 1 der 1 identisch zur radialen Richtung R' des Statorkörpers 2d. Eine Mittellängsachse M des Scheibenkörpers 3a ist bei der elektrischen Maschine 1 der 1 wiederum identisch zur Mittellängsachse M' des Statorkörpers 2d.
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Der Stator 2 der elektrischen Maschine 1 umfasst im Beispiel der 1 außerdem neun Statorwicklungen 5, wovon jeweils drei Statorwicklungen 5 einer jeweiligen elektrischen Phase zugeordnet sind (nicht alle Statorwicklungen 5 werden in 1 gezeigt). Mit anderen Worten, der Stator 2 umfasst drei verteilte Wicklungen mit jeweils drei Statorwicklungen 5. Denkbar ist in einer Variante des Beispiels aber auch, dass der Stator 2 eine oder mehrere als konzentrierte Wicklungen ausgebildete Statorwicklungen 5 aufweist.
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Die Statorwicklungen 5 des Stators 2 sind im Beispiel der 1 sowohl auf Statorzähne 2c des Statorkörpers 2d als auch auf Scheibenkörper-Zähne 3b des Scheibenkörpers 3a aufgewickelt. Dabei stehen sowohl die Statorzähne 2c des Statorkörpers 2d als auch die Scheibenkörper-Zähne 3b des Scheibenkörpers 3a entlang der radialen Richtung R' des Statorkörpers 2d bzw. der radialen Richtung R des Scheibenkörpers 3a nach innen ab (in 1 sind nicht alle Statorzähne 2c und nicht alle Zähne 3b des Scheibenkörpers 3a gezeigt). Dabei sind Wicklungsköpfe 5a der Statorwicklungen 5 jeweils an den Zähnen 3b der Scheibenkörper 3a angeordnet. Die Statorwicklungen 5 sind außerdem abschnittsweise in Zwischenräumen 2e angeordnet, die zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung U' benachbarten Statorzähnen 2c ausgebildet sind. Besagte Zwischenräume 2e sind dem einschlägigen Fachmann als sogenannte „Stator-Nuten“ oder „Stator-Schlitze“ bekannt, die sich ebenso wie die Statorzähne 2c selbst entlang der axialen Richtung A' erstrecken (in 1 sind nicht alle Zwischenräume 2e gezeigt).
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Die Wicklungsenden 5b der Statorwicklungen 5 ragen im Beispiel der 1 hingegen entlang der axialen Richtung A über die Zähne 3b des Scheibenkörpers 3a hinaus und erstrecken sich entlang der Umfangsrichtung U. Die Endscheibe 3 weist zudem im Beispiel der 1 drei elektrische Anschlüsse 3c zum Verbinden der Wicklungsenden 5b der drei verteilten Wicklungen mit jeweils einer elektrischen Phase einer elektrischen Energiequelle (nicht gezeigt in 1) auf.
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Die Endscheibe 3 weist im Beispiel der 1 außerdem fünf Fixierelemente 4 zum einfassenden Verschnüren der Wicklungsenden 5b der Statorwicklungen 5 an dem Scheibenkörper 3a auf. Denkbar ist aber auch, insbesondere wenn der Stator 2 konzentrierte Wicklungen aufweist, dass die Endscheibe 3 wenigstens ein Fixierelement zum einfassenden Fixieren, insbesondere Verschnüren, eines Wicklungskopfs 5a der konzentrierten Wicklung an dem Scheibenkörper 3a umfasst.
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Im Beispiel der 1 sind die fünf Fixierelemente 4 an dem Scheibenkörper 3a angeordnet, mit dem elektrisch isolierenden Material des Scheibenkörpers 3 umspritzt und stoffschlüssig mit dem Scheibenkörper 3a verbunden. In einer alternativen Variante der erfindungsgemäßen Endscheibe 3 kann wenigstens ein Fixierelement 4 auch integral an dem Scheibenkörper 3a ausgeformt sein.
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Im Beispiel der 1 sind die fünf Fixierelemente 4 kabelbinderartig ausgebildet, wobei die fünf Fixierelemente 4 jeweils eine Zunge 4a mit einer Verzahnung (nicht gezeigt in 1) und einen Rastkopf 4b zum Aufnehmen der Zunge 4a und zum Einrasten in die Verzahnung der Zunge 4a aufweisen. Die Zungen 4a der fünf Fixierelemente 4 erstrecken sich dabei von Verbindungsbereichen 6 des Scheibenkörpers 3a ausgehend entlang der radialen Richtung R des Scheibenkörpers 3a nach innen. In einem Zustand der Fixierelemente 4 vor einem Fixieren der Wicklungsenden 5b der Statorwicklungen 5a erstrecken sich diese Zungen 4a im Wesentlichen vollständig entlang der radialen Richtung R. Die Fixierelemente 4 können das elektrisch isolierende Material des Scheibenkörpers 3a umfassen oder aus diesem bestehen. Der Rastkopf 4b eines jeweiligen Fixierelements 4 kann auch zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, in dem Scheibenkörper 3a angeordnet sein.
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Die erfindungsgemäße Endscheibe 3 der 1 wurde gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Im Folgenden wird dieses Verfahren beispielhaft erläutert:
- Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Scheibenkörper aus dem elektrisch isolierenden Material des Scheibenkörpers 3a bereitgestellt. Dieser - unvollständige - Scheibenkörper weist in Verbindungsbereichen 6 Aufnahmen auf, in welche die fünf Fixierelemente 4 angeordnet werden.
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Anschließend werden die fünf Fixierelemente 4 in einem an dem Scheibenkörper angeordneten Zustand mit dem elektrisch isolierenden Material des Scheibenkörpers 3a umspritzt, so dass die Fixierelemente 4 an dem Scheibenkörper 3a stoffschlüssig befestigt werden. Auf diese Weise wird der unvollständige Scheibenkörper zur Endscheibe 3 vervollständigt.
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Dabei werden die Fixierelemente 4 derart an dem Scheibenkörper 3a befestigt, dass die Zungen 4a der Fixierelemente 4 sich entlang der radialen Richtung R von den jeweiligen Verbindungsbereichen 6 ausgehend radial nach innen erstrecken und Wicklungsenden 5b bzw. Wicklungsköpfe 5a wenigstens einer Statorwicklung 5 an dem Scheibenkörper 3a mittels der kabelbinderartigen Fixierelemente 4 verschnürt werden können.
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Zum Herstellen der elektrischen Maschine 1 kann die Endscheibe 3 anschließend an einem axialen Endabschnitt 2a, 2b des Statorkörpers 2d angeordnet werden und die Statorwicklungen 5 des Stators 2 auf den Scheibenkörper 3a der Endscheibe 3 aufgewickelt werden. Die Zungen 4a der Fixierelemente 4 können nun auf einfache Weise in die Rastköpfe 4b der Fixierelemente 4 eingeführt werden, so dass die Rastköpfe 4b die Zungen 4a aufnehmen und in die jeweiligen Verzahnungen der Zungen 4a einrasten.
