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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blechelement einer elektrischen Maschine, ein aktives Element der elektrischen Maschine, eine elektrische Maschine, ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine.
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Aktive Elemente elektrischer Maschinen, bestehen aus gestapelten Blechelementen, welche auch als Elektrobleche bezeichnet werden. Die Blechelemente aktiver Elemente, insbesondere von Rotoren und auch Statoren werden meist gestanzt. Dabei wird von einer großen Spule, dem sogenannten Coil Elektroblech in die Stanzmaschine gezogen, wo die Blechelemente mittels mehrerer Stanzschritten gefertigt werden. Diese Blechelemente werden dann zu Blechpaketen, sogenannten Stacks gestapelt. Dies kann durch Verkleben (z.B. Backlack) oder auch durch Stanzpaketieren oder Schweißen geschehen. Dabei ist es wichtig, die Blechelemente korrekt zueinander zu orientieren. Insbesondere bei Blechelementen für Rotoren sind Aussparungen für Magnete, sogenannte Magnettaschen ausgestanzt. In diese sind in den assemblierten Blechpaketen Magnete eingebracht. Fluchten die Magnettaschen der Blechelemente nicht korrekt, so können die Magnete nicht eingebracht werden.
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Neben fertigungstechnischen Gründen ist die sogenannte Verschränkung des Rotors ein Grund dafür, dass ein kompletter Rotor meist aus mehreren Blechpaketen besteht. Die Blechpakete werden leicht verdreht zueinander angeordnet, was bewirkt, dass die Magnete desselben Magnetpols in Umfangsrichtung versetzt zueinander platziert sind. Auf diese Weise kann ein gleichmäßigerer Lauf des Rotors erreicht werden das sog. Torque Ripple wird reduziert.
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Die Blechelemente vom Coil sind nicht ideal eben oder parallel. Das liegt in der Fertigung des Coil-Rohmaterials begründet. Werden die gestanzten Blechelemente nun gleichorientiert zu Blechpaketen gestapelt, so summiert sich die Unebenheit im Blechpaket auf. Unebenheiten im Blechpaket bedeuten einen ungleichmäßigeren Lauf im Betrieb (Unwucht), erschwerte Montage und gegebenenfalls Lufteinschlüsse zwischen Blechpaketen, die eine Verschränkung zueinander aufweisen.
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Aus der
DE102018112195 A1 ist bekannt, dass zur Verankerung aneinander in den Rotorblechen, vorzugsweise allen Rotorblechen, napf- oder hutartigen Durchstellungen, die auf der einen Rotorblechseite Vertiefungen und auf der anderen Rotorblechseite Erhabenheiten besitzen, vorhanden sind, welche in ihren Abmessungen zur Befestigung aneinander aufeinander abgestimmt sind. Das heißt, dass durch das Vorhandensein der Vertiefungen bzw. Erhabenheiten auf den jeweiligen Seiten der Rotorbleche die Umsetzung der Verschränkung der einzelnen Rotorbleche/Rotorblechpakete zueinander vereinfacht ist.
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Ein Blechelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 ist aus
DE102018112195 A1 bekannt.
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Es ist demgemäß die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Fertigungsbedingten Unwuchten in geblechten aktiven Elementen elektrischer Maschinen zu reduzieren, bei Einhaltung konstruktiver Randbedingungen wie insbesondere der Verschränkung.
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Die Aufgabe wird mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegen-stand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt weist ein Blechelement eines aktiven Elements einer elektrischen Maschine eine Rotationsachse auf, sowie einen ersten radialen Bereich, der zur Erfüllung der elektromagnetischen Funktion relevant ist. Der erste radiale Bereich beinhaltet ein erstes Stanzbild, welches insbesondere Aussparungen zur Aufnahme für elektromagnetische Komponenten sowie Bereiche zur Leitung des magnetischen Flusses aufweist und mehrfach rotationssymmetrisch bezüglich der Rotationsachse ausgebildet ist. Weiter umfasst das Blechelement einen zweiten radialen Bereich, der zur Montage des Blechelements insbesondere auf eine Welle relevant ist. Im zweiten radialen Bereich ist ein zweites Stanzbild beinhaltet, das mehrere Aussparungen umfasst, welche derart ausgestaltet sind, dass sich Unwuchtkräfte der Ausstanzungen bezüglich der Rotationsachse kompensieren.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der zweite radiale Bereich neben dem zweiten Stanzbild eine zentrale Aussparung, die zur Übertragung von Kräften ausgebildet ist. Insbesondere kann dies mittels einer formschlüssigen Verbindung in Form von eingebrachten Profilen oder mittels einer kraftschlüssigen Verbindung durch sogenannte Querpressverbände erfolgen. Bevorzugt ist das zweite Stanzbild eigenständig und daher getrennt von der zentralen Aussparung zu betrachten. Alternativ können das zweite Stanzbild und die zentrale Aussparung auch überlagert sein, bei Gewährleistung der Übertragung von Kräften durch die zentrale Aussparung.
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Der betragsmäßige Beitrag einer einzelnen Aussparung zur Unwucht kann über das Produkt von Abstand des Massenschwerpunkts der Aussparung zur Rotationsachse und reduzierter Masse berechnet werden. Die Richtung ergibt sich durch die räumliche Lage auf dem Blechelement. Vorteilhafterweise sind die mehreren Aussparungen des zweiten Stanzbildes derart in Lage und Größe gewählt, dass die Summe der Unwuchtkräfte der Ausstanzungen in Betrag und Richtung kompensiert werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Blechelements weist das zweite Stanzbild eigenständig oder in Verbindung mit dem ersten Stanzbild in geometrischer Gesamtheit keine Spiegelsymmetrie bezogen auf eine die Rotationsachse senkrecht schneidende Achse auf und ebenso keine Rotationssymmetrie zur Rotationsachse.
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Insbesondere weist das Blechelement eine Oberseite und eine Unterseite auf, sowie bezogen auf eine Nulllage oder Konstruktionslage eine Rotation um die Rotationsachse. Vorteilhafterweise ermöglicht die geometrische Gesamtheit aufgrund der fehlenden Rotationssymmetrie sowie der fehlenden Spiegelsymmetrie eine eindeutige visuelle Identifikation der Lage des Blechelements hinsichtlich Oberseite und Unterseite sowie der Rotation um die Rotationsachse.
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Fertigungsbedingt bildet sich an einer Seite des Blechelements ein Stanzgrad aus. Um Lufteinschlüsse sowie Unwuchten zu vermeiden, ist bei der Montage zu beachten, dass Blechelemente derart zueinander angeordnet sind, dass die Stanzgrade in axialer Richtung gleich orientiert sind, was besonders vorteilhaft durch die Ausgestaltung und die daraus resultierende visuelle Identifikation ermöglicht wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Blechelements weist das zweite Stanzbild eine polygonförmige erste Aussparung und eine rotationssymmetrische zweite Aussparung auf. Dabei weist die erste Aussparung keine Spiegelsymmetrie hinsichtlich einer die Rotationsachse und den geometrischen Schwerpunkt der ersten Aussparung schneidenden Achse auf.
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Die erste Aussparung ist vorteilhafterweise in der Form eines Dreiecks realisiert und die zweite Aussparung ist vorteilhafterweise in Form eines Kreises realisiert. Besonders vorteilhaft ist dabei die Ausgestaltung der ersten Aussparung als gleichseitiges Dreieck, bei dem eine Winkelhalbierende senkrecht zu einer die Rotationsachse und den geometrischen Schwerpunkt der ersten Aussparung schneidenden Achse ausgerichtet ist. Hierdurch ergibt sich in der geometrischen Gesamtheit des zweiten Stanzbildes eine eindeutige Indikation einerseits hinsichtlich der Rotation um die Rotationsachse, andererseits aber auch hinsichtlich der Identifikation von Oberseite und Unterseite.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein aktives Element einer elektrischen Maschine mehrere Blechelemente gemäß dem zuvor beschriebenen Aspekt oder der Ausgestaltungen. Dabei sind mehrere Blechelemente zu einem Blechpaket derart angeordnet, dass die ersten Aussparungen der Bleche zueinander konzentrisch und gleich orientiert sind und dass die zweiten Aussparungen der Bleche zueinander konzentrisch und gleich orientiert sind. Das Blechpaket bildet eine erste axiale Seitenfläche und eine zweite axiale Seitenfläche aus. Weiter weist das Blechpaket zwischen der ersten axialen Seitenfläche und der zweiten axialen Seitenfläche eine Abweichung der Parallelität auf.
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Insbesondere kann durch die beschriebene Anordnung der Blechpakete die Abweichung der Parallelität zwischen der ersten axialen Stirnfläche und der zweiten axialen Stirnfläche des Blechpakets kontrolliert und Toleranzen in der Abweichung minimiert werden. Die Abweichung des Blechpakets sind vornehmlich auf geometrische Abweichungen im Rohmaterial der Blechelemente zurückzuführen, die bezogen auf das zweite Stanzbild die gleiche Richtung aufweisen. Daher ist die identische Ausrichtung der Blechelemente besonders vorteilhaft.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist das aktive Element ein erstes Blechpaket mit einer ersten Abweichung und ein zweites Blechpaket mit einer zweiten Abweichung auf, wobei eine Verschränkung zwischen den elektromagnetischen Komponenten des ersten Blechpakets und den elektromagnetischen Komponenten des zweiten Blechpakets um einen Verschränkungswinkel beta realisiert ist. Weiter ist eine Rotation zwischen dem zweiten Stanzbild des Blechelements des ersten Blechpakets und dem zweiten Stanzbild des Blechelements des zweiten Blechpakets um einen Ausgleichswinkel alpha realisiert.
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Da das erste Stanzbild mehrfach rotationssymmetrisch ausgebildet ist, lässt sich vorteilhafterweise ein Winkel alpha realisieren, welcher in einer bevorzugten Ausgestaltung ungleich zu dem Verschränkungswinkel beta ist. Ist das erste Stanzbild n-fach rotationssymmetrisch, so ergibt sich der Winkel alpha zu
wobei m = 0,1, , n - 1.
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Gemäß einer Ausgestaltung des aktiven Elements ist eine kumulative Abweichung durch um die Rotationsachse verdrehte Anordnung der ersten Abweichung und der zweiten Abweichung mittels dem Ausgleichswinkel alpha reduziert oder kompensiert.
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Vorteilhafterweise kann somit insbesondere bei der Anordnung einer Vielzahl von Blechpaketen der jeweilige Winkel alpha zwischen benachbarten Blechpaketen derart gewählt werden, dass die kumulative Abweichung über alle Blechpakete minimiert ist. Besonders vorteilhaft kann ein erster Winkel alpha dabei ungleich zu einem zweiten Winkel alpha ausgeführt sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt beinhaltet eine elektrische Maschine ein aktives Element gemäß dem zuvor beschriebenen Aspekt oder den zugehörigen Ausgestaltungen.
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Insbesondere handelt es sich bei dem aktiven Element um einen Rotor. Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Rotor um einen Rotor für eine als Innenläufer ausgeprägte elektrische Maschine.
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Gemäß einem weiteren Aspekt beinhaltet ein Fahrzeug eine elektrische Maschine gemäß dem zuvor beschriebenen Aspekt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine gemäß dem zuvor beschriebenen Aspekt die Schritte Anordnen der Blechelemente zu den ersten und zweiten Blechpaketen, Ermitteln des Ausgleichswinkels alpha in Abhängigkeit der Anzahl der ersten und zweiten Blechpakete, des Verschränkungswinkels beta, sowie der Abweichung der ersten und zweiten Blechpakete, und Ausrichten der ersten und zweiten Blechpakete anhand des zweiten Stanzbildes derart zueinander, dass der Ausgleichswinkel alpha und der Verschränkungswinkel beta eingestellt sind.
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Vorteilhafterweise ist das Verfahren manuell ausgeführt, wobei beim Anordnen der Blechelemente zu Blechpaketen durch Identifikation Lage und Ausrichtung mittels dem zweiten Stanzbild sichergestellt wird. Das Ermitteln des Winkel alpha erfolgt dabei insbesondere über eine digitale Messeinrichtung mit angeschlossener Auswerteeinheit. Vorteilhafterweise ist die Anzahl der Blechpakete, die mehrfache Rotationssymmetrie sowie der Verschränkungswinkel beta berücksichtigt. Das Ausrichten der Blechpakete erfolgt insbesondere unter Zuhilfenahme einer Vorrichtung. Besonders vorteilhafterweise erfolgt das Verfahren automatisiert.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht eines Coils sowie eine Außenkontur eines Blechelements, einen schematischen Querschnitt durch ein Blechelement, sowie ein Blechpaket aus mehreren Blechelementen;
- 2 schematische Darstellungen zweier Blechelemente in einem Blechpaket;
- 3 eine Ausführungsform eines Blechelements in der Draufsicht;
- 4 eine weitere Ausführungsform eines Blechelements in der Draufsicht;
- 5 mehrere Blechpakete einer elektrischen Maschine in Draufsicht.
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Die Figuren 1 und 2 dienen zum besseren Verständnis der Ausführungsformen in den darauffolgenden Figuren.
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1 zeigt in 1a eine schematische Ansicht eines Coils 1 sowie eine Außenkontur eines Blechelements 2, in 1b einen schematischen Querschnitt durch ein Blechelement, sowie in 1c ein Blechpaket aus mehreren Blechelementen. Der Coil 1 als Rohmaterial für die Blechelemente 2 ist fertigungsbedingt nicht ideal eben und parallel, sondern insbesondere mit einer Abweichung der Parallelität beaufschlagt. In 1b ist dies schematisch, ohne Anspruch auf Maßstabstreue anhand eines Querschnitts eines Blechelements 2 aufgezeigt. Werden die gestanzten Blechelemente 2 nun gleichorientiert zu Blechpaketen 4 gestapelt, wie in 1c schematisch dargestellt, so summiert sich die Abweichung jedes einzelnen Blechelements 2 zu einer gesamten Abweichung im Blechpaket 4 auf. Eine erste axiale Seitenfläche 5 des Blechpakets 4 ist dann abweichend von einer beabsichtigten Konstruktionslage nicht parallel zu einer zweiten axialen Seitenfläche 6 des Blechpakets 4.
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Durch die Abweichung hervorgerufen kann dies einen ungleichmäßigeren Lauf im Betrieb einer elektrischen Maschine mit einem solchen Blechpaket 4 aufgrund von Unwucht, eine erschwerte Montage sowie gegebenenfalls Lufteinschlüsse zwischen Blechpaketen 4, die eine Verschränkung zueinander aufweisen, zur Folge haben.
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2 zeigt eine schematische Darstellungen zweier Blechelemente 2 in einem Blechpaket 4. In 2a sind zwei Blechelemente 2 dargestellt, die jeweils an ihrem radial äußeren Umfang einen Stanzgrad 12 aufweisen. Die Stanzgrade 12 sind dabei in axialer Richtung gleich orientiert ausgerichtet. Dies entspricht der beabsichtigten Stapelanordnung im Blechpaket 4. In 5b sind zwei Blechelemente 2 dargestellt, deren Stanzgrad in axialer Richtung entgegengesetzt orientiert sind. Die Stanzgrade 12 liegen entgegen der beabsichtigten Stapelanordnung aufeinander, was zu Lufteinschlüsse sowie Unwuchten führen kann. Somit stellt 5b die zu vermeidende Stapelanordnung dar.
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3 zeigt eine Ausführungsform eines Blechelements 2 in der Draufsicht. Hierbei bilden mehrere Aussparungen 7 ein um die Rotationsachse 3 mehrfach rotationssymmetrisches Muster aus, welches in einem ersten Stanzbild 9 beinhaltet ist. Das erste Stanzbild 9 ist in einem ersten radialen Bereich 8 des Blechelements 2 angeordnet. Ein zweites Stanzbild 11 wird durch mehrere Aussparungen 7 gebildet. Das zweite Stanzbild 11 liegt in einem zweiten radialen Bereich 10. Um die Rotationsachse 3, in der Mitte des Blechelements ist eine zentrale Aussparung 8 beinhaltet. Die zentrale Aussparung ist in der vorliegenden Ausführungsform zur kraftschlüssigen Verbindung und somit zur Übertragung von Kräften ausgebildet. Die kraftschlüssige Verbindung erfolgt durch einen sogenannten Querpressverband. Die beiden Aussparungen 7 des zweiten Stanzbildes 11 sind als kreisförmige Aussparungen 7 ausgebildet und liegen bezüglich Ihrer Schwerpunkte auf einer gemeinsamen Achse durch und senkrecht zur Rotationsachse 3. Der betragsmäßige Beitrag einer einzelnen Aussparung 7 zur Unwucht kann über das Produkt von Abstand des Massenschwerpunkts der Aussparung 7 zur Rotationsachse und reduzierter Masse berechnet werden. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Aussparungen 7 des zweiten Stanzbildes 11 hinsichtlich Fläche und somit Masse der Aussparungen im Verhältnis 2:1 und hinsichtlich Abstand im Verhältnis 1:2 derart gewählt, dass sich Unwuchtkräfte kompensieren.
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Wie in 1 ersichtlich, weist das zweite Stanzbild 11 in Kombination mit dem ersten Stanzbild 9 keine Spiegelsymmetrie bezogen auf eine die Rotationsachse 3 senkrecht schneidende Achse auf und ebenso keine Rotationssymmetrie zur Rotationsachse 3.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Blechelements in der Draufsicht, welches sich zur Ausführungsform gemäß 3 durch eine Variation des zweiten Stanzbildes 11 unterscheidet. Die beiden Aussparungen 7 des zweiten Stanzbildes liegen auf einer, eine Spiegelsymmetrie zu dem ersten Stanzbild aufweisenden, die Rotationsachse senkrecht schneidenden Achse. Jedoch ist eine erste Aussparungen 71 des zweiten Stanzbildes 11 als Dreieck ausgeführt, eine zweite Aussparung 72 des zweiten Stanzbildes 11 ist als Kreis ausgeführt. Die erste Aussparung 71 ist dabei derart ausgerichtet, dass eine Winkelhalbierende senkrecht zu der die Rotationsachse senkrecht schneidenden Achse ausgerichtet ist. Somit ergibt sich für das zweite Stanzbild 11 in Kombination mit dem ersten Stanzbild 9 in der geometrischen Gesamtheit keine Spiegelsymmetrie bezogen auf eine die Rotationsachse 3 senkrecht schneidende Achse auf und ebenso keine Rotationssymmetrie zur Rotationsachse 3.
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5 zeigt mehrere Blechpakete 4 einer elektrischen Maschine in Draufsicht. Die Blechpakete 4 umfassen jeweils mehrere Blechelemente 2 gemäß der Ausführungsform in 4. Jeweils zwei axial benachbarten Blechpakete 4 weisen einen Verschränkungswinkel beta von 12° auf. In 5a ist ein erstes Blechpaket 41 dargestellt. In 5b ist ein zweites Blechpaket 42 dargestellt, dieses weist zu dem ersten Blechpaket 41 einen Verschränkungswinkel beta von 12° auf. Der Ausgleichswinkel alpha ist zu 120° eingestellt. In 5c ist ein drittes Blechpaket 43 dargestellt, welches zu dem zweiten Blechpaket 42 einen Verschränkungswinkel beta von 12° und somit zu dem ersten Blechpaket 41 einen Verschränkungswinkel beta von 24° aufweist. Der Ausgleichswinkel alpha ist bezogen auf das erste Blechpaket 41 zu 240° eingestellt. Somit ist die in 1c dargestellte Abweichung zwischen erster axialer Seitenfläche 5 und zweiter axialer Seitenfläche 6 reduziert, insbesondere aber im Rahmen von Fertigungstoleranzen kompensieret.
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Obgleich die vorliegende Erfindung vorhergehend anhand von Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich, dass verschiedene Ausgestaltungen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.
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Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird ausdrücklich auf die Offenbarung der Zeichnung verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Coil
- 2
- Blechelement
- 3
- Rotationsachse
- 4
- Blechpaket
- 41
- erstes Blechpaket
- 42
- zweites Blechpaket
- 43
- drittes Blechpaket
- 5
- erste axiale Seitenfläche
- 6
- zweite axiale Seitenfläche
- 7
- Aussparung
- 71
- erste Aussparung
- 72
- zweite Aussparung
- 8
- zentrale Aussparung
- 8
- erster radialer Bereich
- 9
- erstes Stanzbild
- 10
- zweiter radialer Bereich
- 11
- zweites Stanzbild
- 12
- Stanzgrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018112195 A1 [0005, 0006]
