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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator erstreckender Statornuten, wobei in den Statornuten Statorwicklungen angeordnet sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Stators.
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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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Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegelraddifferenzial oder Stirnradifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2-Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.
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Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.
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Bei der Entwicklung der für E-Achsen oder Hybridmodule vorgesehenen elektrischen Maschinen besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, deren Leistungsdichten zu steigern, so dass der hierzu notwendigen Kühlung der elektrischen Maschinen wachsende Bedeutung zukommt. Aufgrund der notwenigen Kühlleistungen haben sich in den meisten Konzepten Hydraulikflüssigkeiten, wie Kühlöle, zum Abtransport von Wärme aus den thermisch beaufschlagten Bereichen einer elektrischen Maschine durchgesetzt.
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Die Mantelkühlung sowie die Wickelkopfkühlung sind beispielsweise aus dem Stand der Technik für die Realisierung einer Kühlung von elektrischen Maschinen mittels Hydraulikflüssigkeiten bekannt. Während die Mantelkühlung die entstehende Wärme an der äußeren Oberfläche des Statorblechpakets in einen Kühlkreislauf überträgt, erfolgt bei der Wickelkopfkühlung der Wärmeübergang direkt an den Leitern außerhalb des Statorblechpakets im Bereich der Wickelköpfe in das Fluid .
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Weitere Verbesserungen bieten getrennt ausgeführte Kühlkanäle, welche sowohl in das Blechpaket des Stators (siehe z. B.
EP3157138 A1 ) als auch in die Nut zusätzlich zu den Leitern eingebracht werden (siehe z. B. Markus Schiefer: Indirekte Wicklungskühlung von hochausgenutzten permanenterregten Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklung, Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017).
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In der Regel ist bei Statoren keine Abdichtung zur Statormitte notwendig, da in diesem Bereich keine Hydraulikflüssigkeit existent ist. Es sind jedoch Konzepte bekannt, bei denen die Wicklungen direkt mit Hydraulikflüssigkeit umströmt werden, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Eine verbesserte Kühlung mit direktem Kontakt von Hydraulikflüssigkeit und Leiter in der Nut ist bereits grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise
DE102015013018 A1 eine Lösung für elektrische Maschinen mit Einzelzahnwicklung, wobei das Fluid direkt die Wicklungen, welche um die Zähne gewickelt sind, umströmt.
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Es ist somit die Aufgabe der Erfindung einen Stator für eine elektrische Maschine mit einer optimierten direkter Nutkühlung zu realisieren. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung ein optimiertes Verfahren zur Herstellung eines Stators bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator erstreckender Statornuten, wobei in den Statornuten Statorwicklungen angeordnet sind, wobei die Statornuten von einem stabförmigen Statornutverschlussmittel verschlossen sind, wobei das Statornutverschlussmittel mit einem die zylinderförmige innere Mantelfläche des Statorkörpers ausbildenden Klebstoff stoffschlüssig verbunden ist.
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Erfindungsgemäß wird somit ein Stator zur Verfügung gestellt, der im gewickelten Zustand, in dem die Statornuten mit einer Statorwicklung gefüllt und mit einem beispielsweise axial eingeschobenen Nutverschlussmittel verschlossen sind, am Innendurchmesser mit einem leicht fließendem Klebstoff beaufschlagt und sich dort durch Anhaften und Verfestigen des Klebstoffs eine umlaufend geschlossene zylinderförmige innere Mantelfläche ausbildet.
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Der Klebstoff wird vorzugsweise so gewählt, dass dessen Werkstoff eine hohe materialspezifische Durchschlagfestigkeit aufweist und somit eine geringe Schichtdicke am Stator-Innendurchmesser ausreicht, um eine hinreichende Isolationswirkung gegenüber der maximal zu erwartenden Spannung zu erzielen.
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Weiterhin wird der Klebstoff vorzugsweise so gewählt, dass er im applizierten Zustand zunächst hinreichend dünnflüssig ist, um die Spalten zwischen Stator-Blechpaket und Nutverschlussmittel, beispielsweise unter Nutzung einer Kapillarkraft, vollständig zu füllen. Durch einen anschließenden Aushärteprozess kann sich eine adhäsive und somit hinreichend flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen allen Komponenten am Stator-Innendurchmesser (Stator-Körper sowie die jeweiligen Verschlussmittel in den Statornuten) ausbilden, sodass die aus dem Klebstoff gebildete innere Mantelfläche am Stator-Innendurchmesser als Dichtelement wirkt und den Statorraum in radialer Richtung zum Rotorraum hin abdichtet.
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Die Statorwicklungen z.B. in Form einer Wellenwicklung. können radial von innen in die Statornuten eingelegt werden. Der Stator soll also über Statornuten verfügen, die radial nach innen zum Stator-Innendurchmesser hin geöffnet sind. Im Betrieb sind die mit einem i.d.R. flüssigen Kühlmedium durchströmten Kühlkanäle radial nach innen zum Rotor hin abgedichtet. Das Kühlmedium soll (annähernd) vollständig im Statorraum verbleiben und darf den Rotorraum nicht fluten.
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Ferner kann durch den erfindungsgemäßen Stator ein sehr kleiner elektromagnetisch wirksamer Luftspalt bereitgestellt werden und somit die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine optimiert werden. Ferner kann der Stator auch ohne die Verwendung von Isolationspapieren in den Statornuten zum Rotor hin im Kurzschlussfall isoliert werden. Hierdurch sind also Isolations- und Abdichtfunktion mit möglichst geringem herstelltechnischem Aufwand und damit verbundenen Kosten realisiert werden.
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Vorzugsweise wird der Klebstoff so gewählt, dass er im ausgehärteten Zustand eine hinreichende Nachgiebigkeit aufweist, um unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen Stator, Nutverschlussmitteln und sich selbst ohne Rissbildung ausgleichen zu können.
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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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Der Stator ist insbesondere als Stator für eine Radialflussmaschine ausgebildet. Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht bevorzugt aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen.
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Der Stator kann als Stator für einen Innenläufer oder Außenläufer ausgebildet sein. Bei einem Innenläufer erstrecken sich die Statorzähne radial nach innen, während sie sich bei einem Außenläufer radial nach außen erstrecken.
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Der erfindungsgemäße Stator ist bevorzugt vorgesehen für eine elektrische Maschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. 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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Als Statorzähne werden Bestanteile des Statorkörpers bezeichnet, die als umfänglich beabstandete, zahnartig radial nach innen oder radial nach außen gerichteten Teilen des Statorkörpers ausgebildet sind und zwischen deren freien Enden und einem Rotorkörper ein Luftspalt für das Magnetfeld gebildet ist.
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Eine Statorwicklung ist ein elektrisch leitfähiger Leiter, dessen Längenerstreckung wesentlich größer ist als seine Erstreckung senkrecht zur Längserstreckung. Die Statorwicklung kann grundsätzlich jede beliebige Querschnittsform aufweisen. Bevorzugt sind rechteckige Querschnittsformen, da sich mit diesen hohe Packungs- und folglich Leistungsdichten erzielen lassen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Statorwicklung aus Kupfer gebildet. Bevorzugt weist eine Statorwicklung eine Isolierung auf. Zur Isolierung der Statorwicklung kann beispielsweise Glimmerpapier, welches aus mechanischen Gründen durch einen Glasgewebeträger verstärkt sein kann, in Bandform um eine oder mehrere Statorwicklungen gewickelt sein, welche mittels eines aushärtenden Harzes imprägniert sind. Grundsätzlich ist es auch möglich, eine aushärtbare Polymer oder Lackschicht ohne ein Glimmerpapier zu verwenden um eine Statorwicklung zu isolieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Statornuten von einem Kühlmittel durchströmt sind, so dass eine besonders effektive Kühlung des Stators erfolgen kann. Durch das Statornutverschlussmittel sind somit die im Betrieb mit einer Hydraulikflüssigkeit durchströmten Statornuten radial nach innen oder außen zum Rotor hin abgedichtet, so dass die unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit weitestgehend vollständig im Statorraum verbleibt.
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Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass das Kühlmittel in den Statornuten einen Druck von 0,1-2 bar aufweist. Im Betrieb des Stators kann das Kühlmedium somit unter Druck stehen, was jedoch nicht zu unzulässigen Verformungen des Stators radial nach innen in Richtung Rotor führen darf, um Kollisionen zu vermeiden. Analoges gilt für die radiale Druckkraft der Leiter auf das Nutverschlussmittel. Die adhäsive Verbindung zwischen Klebstoff und den Komponenten am Stator-Innendurchmesser bietet beispielsweise gegenüber einem axial eingeschobenen Spaltrohr die Möglichkeit, diese radialen Druckkräfte von außen steif abzustützen und somit nahezu keine radialen Verformungen in Richtung Rotor zuzulassen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der Klebstoff eine hydraulische Dichtung zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarten Statornuten ausbildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Statornuten von einem Kühlmittel durchströmt sind
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Kühlmittel in den Statornuten einen Druck von,- bar aufweist.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die durch den Klebstoff definierte Mantelfläche eine geschlossene Fläche ist.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass jeweils zwischen einer Statornut und einem Statornutverschlussmittel wenigstens ein Kapillarkanal ausgebildet ist, der zumindest abschnittsweise mit dem Klebstoff gefüllt ist.
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Ferner wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stators umfassend die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellung eines Stators mit einem Statorkörper,
- b) Einsetzen der Statorwicklung in die Statornuten des Stators,
- c) Verschließen der Statornuten mit einem stabförmigen Statornutverschlussmittel,
- d) Auftragen eines Klebstoffs auf das stabförmige Statornutverschlussmittel in der Art, dass der Klebstoff eine zylinderförmige innere Mantelfläche des Statorkörpers ausbildet.
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Zur Ausbildung der isolierenden, wie abdichtenden inneren Mantelfläche wird vorzugsweise ein im Applikationszustand flüssiger Klebstoff gewählt, welcher beispielsweise durch ein Sprüh- oder Schleuderverfahren am Stator-Innendurchmesser appliziert und dann unter Einfluss von Wärme, Medienkontakt, Strahlung oder ähnlichen Wirkprinzipien eine hinreichende Festigkeit erlangt.
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Denkbar sind beispielsweise auch mehrkomponentige Epoxidklebstoffe. In einer vorzughaften Ausführung wird der Stator nach der Applikation des flüssigen Klebstoffs um seine Mittelachse rotiert, um eine homogene Schichtdicke zu erreichen. Für die Aushärtung ist ein umlaufend UV-Licht emittierender Strahler vorzughaft, der in axialer Richtung in den Stator-Innendurchmesser eingeschoben wird und durch die radiale Strahlungsemission den Klebstoff aushärten lässt. Da kein Fügespiel berücksichtigt werden muss, kann der elektromagnetisch wirksame Luftspalt vergleichsweise gering ausgeführt werden, was zu geringeren Leistungsminderungen ggü. vergleichbaren Maschinen mit indirekter Mantelkühlung führt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 einen Stator in einem Klebstoffapplikationsprozess in zwei schematischen perspektivischen Ansichten
- 2 einen Stator in einem Aushärteprozess in einer schematischen perspektivischen Ansicht,
- 3 einen Stator mit einer aus Klebstoff gebildeten inneren Mantelfläche in einer schematischen perspektivischen Teilschnitt-Ansicht, und
- 4 eine Statornut in einer Querschnittsdarstellung.
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Die 3 zeigt einen Stator 1 für eine elektrische Maschine 2, umfassend einen Statorkörper 3 mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne 4 und zwischen den Statorzähnen 4 gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator 1 erstreckender Statornuten 5, wobei in den Statornuten 7 Statorwicklungen 6 angeordnet sind. Die Statornuten 7 sind jeweils von einem stabförmigen Statornutverschlussmittel 8, dass auch als Nutverschlusskeil bezeichnet werden kann, verschlossen, wobei das Statornutverschlussmittel 8 mit einem die zylinderförmige innere Mantelfläche 9 des Statorkörpers 3 ausbildenden Klebstoff 9 stoffschlüssig verbunden ist. Die durch den Klebstoff 11 definierte Mantelfläche 9 ist eine geschlossene Fläche.
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Die 4 zeigt, dass jeweils zwischen einer Statornut 7 und einem Statornutverschlussmittel 8 wenigstens ein Kapillarkanal 10 ausgebildet ist, der zumindest abschnittsweise mit dem Klebstoff 11 gefüllt ist. Der Kapillarkanal 10 ist so konfiguriert, dass der noch flüssige Klebstoff 11 bei seiner Applikation in den Kapillarkanal 10 kapillarkraftbewirkt eingezogen wird. Zwischen der vom ausgehärteten Klebstoff 11 ausgebildeten Mantelfläche 9 des Statorkörpers 2 und dem Rotor 5 ist ein Luftspalt 17 zur Kompensation von Toleranzen und Verformungen vorgesehen. Die Statornuten 7 sind von einem Kühlmittel 12 durchströmt und das Kühlmittel 12 in den Statornuten 7 weist einen Druck von 0,1-2 bar auf, so dass auf die Statornutverschlussmittel 8 eine radiale Kraft in Richtung des Rotors 5 wirkt, welche von der Mentalfläche 4 aufgenommen werden muss.
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Der aus den 3-4 bekannte Stator 1 kann wie folgt gefertigt werden. das Verfahren zur Herstellung eines Stators 1 umfasst dabei die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellung eines Stators 1 mit einem Statorkörper 3,
- b) Einsetzen der Statorwicklung 6 in die Statornuten 7 des Stators 1,
- c) Verschließen der Statornuten 7 mit einem stabförmigen Statornutverschlussmittel 8, so dass ein Stator 1, wie er in der 1 gezeigt ist, gebildet ist.
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In einem darauffolgenden Verfahrensschritt d) erfolgt das Auftragen eines Klebstoffs 11 auf das stabförmige Statornutverschlussmittel 8 in der Art, dass der Klebstoff 11 eine zylinderförmige innere Mantelfläche 9 des Statorkörpers 3 ausbildet und so einen Stator 1 wie er aus den 1-2 bekannt ist gebildet ist.
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Das Auftragen des Klebstoffs 11 erfolgt mittels eines axial in den Stator 1 einführbaren, zylinderringförmigen Klebstoffapplikationswerkzeugs 13, in dessen Mantelfläche eine Vielzahl von Applikationsöffnungen 14 ausgebildet sind, durch die der Klebstoff 11 in radialer Richtung nach außen austreten kann, um den Stator-Innendurchmesser zu benetzen und dort auszuhärten. Dies kann beispielsweise durch ein Sprüh- oder Schleuderverfahren erfolgen. Der Stator 1 kann nach der Applikation des flüssigen Klebstoffs 11 um seine Mittelachse rotiert werden, um eine homogene Schichtdicke der Mantelfläche 9 zu erreichen.
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Nach erfolgter Benetzung kann ein ebenfalls zylinderringförmiges Aushärtewerkzeug 15 axial in den Stator eingeschoben werden, um die Aushärtung des Klebstoffs 11 zu initiieren oder zu beschleunigen. Dieses kann beispielsweise als ein umlaufend UV-Licht emittierender Strahler ausgebildet sein, der in axialer Richtung in den Stator 1 eingeschoben wird und durch die radiale Strahlungsemission den Klebstoff 11 aushärten lässt.
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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
- Statorkörper
- 4
- Statorzähne
- 5
- Rotor
- 6
- Statorwicklungen
- 7
- Statornuten
- 8
- Statornutverschlussmittel
- 9
- Mantelfläche
- 10
- Kapillarkanal
- 11
- Klebstoffs
- 12
- Kühlmittel
- 13
- Klebstoffapplikationswerkzeug
- 14
- Applikationsöffnungen
- 15
- Aushärtewerkzeug
- 16
- Öffnungen
- 17
- Luftspalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3157138 A1 [0007]
- DE 102015013018 A1 [0008]
