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Die vorliegende Erfindung betrifft eine aufquellbare Isolationshülse für einen Stator eines Elektromotors. Ferner betrifft die Erfindung einen Stator für einen Elektromotor, ein Verfahren zum Herstellen eines Stators für einen Elektromotor.
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Bei Elektromotoren, welche eine Hairpin-Wicklung umfassen, muss diese gegen ein Verrutschen gesichert werden. Sofern der Elektromotor eine Wicklungsdirektkühlung umfasst, ist es erforderlich, dass eine ausreichende Kühlung der Hairpin-Wicklung gewährleistet werden kann. Hierfür werden überwiegend Nutisolationspapiere zur Isolation der Statornuten eingesetzt, die einen geringen Handlungsspielraum für die Pinfixierung bieten.
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In diesem Zusammenhang offenbart die Offenlegungsschrift
DE 10 2018 203 993 A1 eine Isoliereinheit für eine elektrische Maschine. Die Patentschrift
DE 10 2018 219 219 B4 offenbart einen Stator für eine elektrische Maschine. Die Veröffentlichung
DE 11 2012 001 929 T5 der internationalen Anmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
WO 2012/149297 offenbart ein Isoliersystem für ein Elektromaschinenmodul. Die Patentschrift
EP 1 703 621 B1 offenbart eine Verspannung eines Blechpakets. Die Patentschrift
US 9,847,683 B2 offenbart einen Elektromotor mit einer Hairpin-Wicklung.
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Im Lichte der vorgenannten Druckschriften liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit bereitzustellen, eine Hairpin-Wicklung innerhalb einer Statornut effizient gegen ein Verrutschen zu sichern.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Erfindungsgemäß wird eine Isolationshülse für einen Stator eines Elektromotors bereitgestellt, wobei die Isolationshülse zumindest teilweise aus einem aufquellbaren Material besteht oder dieses aufweist. Anders ausgedrückt weist die Erfindung die Nutzung eines gezielt herbeigeführten Aufquellverhaltens einer Isolationshülse auf zum Fixieren von Hairpins einer Hairpin-Wicklung, die in einer dazugehörigen Statornut angeordnet sind.
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Die erfindungsgemäße Isolationshülse stellt eine Flächenisolation bereit, welche zwischen dem Blechpaket und den in einer Statornut angeordneten Hairpins „wirkt“. Somit stellt die Isolationshülse eine Sekundärisolation bereit zusätzlich zu der Primärisolation, welche direkt auf der Wicklung, insbesondere auf den Hairpins, angebracht ist, beispielsweise in Form eines isolierenden Lacks.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe dadurch gelöst wird, indem die Hairpin-Wicklung in einer elektrisch isolierenden aufquellbaren Isolationshülse angeordnet wird. Die Isolationshülse kann optimal an die Hairpin-Wicklung und an die Statornut angepasst werden, sodass diese die Hairpin-Wicklung effizient gegen ein Verrutschen innerhalb der Statornut sichern kann. Im Gegensatz zu einer bekannten Verwendung von einem Isolationspapier, welches um die Hairpins in einer Statornut angeordnet ist, weist die erfindungsgemäße Isolationshülse eine geometrisch geschlossene Form auf, welche keine Überlappbereiche aufweiset. Das Isolationspapier wird um die Wicklungen oder um die Hairpins angeordnet, wobei es aber immer einen Überlappbereich gibt, in welchem die beiden Papierenden aufeinanderliegen. Die erfindungsgemäße Isolationshülse kann hingegen derart ausgebildet werden, dass diese exakt in die Statornut passt - und zwar ohne Überlappbereich. Die Isolationshülse hat im Gegensatz zum Isolationspapier, welches mehrlagig ist, einen geschlossenen Querschnitt.
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Die Verwendung der Isolationshülse weist zudem den Vorteil auf, dass eine elektrische Isolierung der Hairpin-Wicklung gegenüber dem Blechpaket bewirkt werden kann. Dadurch kann zum Beispiel ein elektrischer Überschlag auf das Blechpaket effizient verhindert werden. Zudem kann durch Verwendung der Isolationshülse die Hairpin-Wicklung beim Einsetzen oder Anordnen in die Statornut durch die Isolationshülse effizient geschützt werden. Hier übernimmt die Isolationshülse die Rolle einer Schutzhülle und erleichtert das Einsetzen der zu Paketen gebündelten Hairpins in die Statornuten.
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Insbesondere bei Verwendung der Isolationshülse in einem Elektromotor mit Wicklungsdirektkühlung ergibt sich der Vorteil, dass eine ausreichende Kühlung gewährleistet werden kann. Das Kühlmedium kann in vorteilhafter Weise durch die Zwischenräume zwischen Hairpin-Wicklung und Isolationshülse fließen und somit eine sehr effiziente Kühlung bereitstellen.
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Eine Hairpin-Wicklung im Sinne dieser Patentanmeldung umfasst eine oder mehrere Hairpins.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Stator für einen Elektromotor bereitgestellt, umfassend ein Blechpaket, in welchem mehrere Statornuten gebildet sind, wobei in den Statornuten jeweils eine Statorwicklung angeordnet ist, welche als Hairpin-Wicklung ausgebildet ist, wobei die in einer Statornut angeordneten Hairpins in einer elektrisch isolierenden erfindungsgemäßen Isolationshülse angeordnet sind.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stators kann die Hairpin-Wicklung, insbesondere die Hairpins, bündig innerhalb der Isolationshülse angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Stators für einen Elektromotor bereitgestellt, umfassend die folgenden Schritte: Anordnen einer als Hairpin-Wicklung ausgebildeten Stator-Wicklung jeweils in mehreren Statornuten, welche in einem Blechpaket gebildet sind, wobei vor dem Anordnen der Hairpins in die Statornuten die Hairpins in elektrisch isolierende erfindungsgemäße Isolationshülsen eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Elektromotor bereitgestellt, umfassend einen Rotor und einen erfindungsgemäßen Stator. Bei dem Elektromotor kann es sich bevorzugt um einen Elektromotor mit einer Wicklungsdirektkühlung handeln, bei dem die Wicklung, insbesondere die Hairpins, in direktem Kontakt mit einem Kühlmedium stehen.
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Gemäß Ausführungsformen der Isolationshülse kann das aufquellbare Material mittels eines Aktivierungsschrittes, beispielsweise durch Erhitzen und/oder durch Kontakt mit einem Fluid, insbesondere dem Kühlfluid, zum Aufquellen gebracht werden. Mittels der erfindungsgemäßen aufgequellten Isolationshülse können die Hairpins der Hairpin-Wicklung besonders gut gegen ein Verrutschen innerhalb der Statornut gesichert werden. Der Aktivierungsschritt kann dabei vorteilhafterweise nach dem Einsetzen der Isolationshülse samt der darin angeordneten Hairpins in die dazugehörige Statornut erfolgen. Damit wird die Isolationshülse in ihrem nicht aktivierten bzw. nicht aufgequellten Zustand in die Statornut eingebracht, was den Vorgang erleichtert. Durch das Aufquellen wird zum Beispiel eine Wandstärke der Isolationshülse vergrößert, beispielsweise mindestens verdoppelt, sodass die Hairpins der Wicklung innerhalb der jeweiligen Statornut fixiert werden kann. Die Fixierung erfolgt also mittels des Aufquellverhaltens des Materials der erfindungsgemäßen Isolationshülse. Dadurch kann dann eine zusätzliche Fixierung der Hairpin-Wicklung entfallen bzw. nicht mehr notwendig sein. Dadurch können in vorteilhafter Weise Prozessschritte reduziert werden und der entsprechende Stator kann effizient hergestellt werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Isolationshülse kann das aufquellbare Material eingerichtet sein, ab einer vorbestimmten Materialtemperatur aufzuquellen. Dadurch kann das Material gezielt zum Aufquellen gebracht werden. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, während einer Produktion des erfindungsgemäßen Stators das mit Isolationshülsen bestückte Blechpaket aufzuheizen bis mindestens zur vorbestimmten Materialtemperatur.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Isolationshülse kann das aufquellbare Material eingerichtet sein, bei Kontakt mit einem vorbestimmten Medium, insbesondere Kühlmedium, aufzuquellen. Dadurch wird zum Beispiel der Vorteil bewirkt, dass die Isolationshülse erst bei der Inbetriebnahme des Kühlsystems des Elektromotors aufgequellt wird und somit dafür kein gesonderter bzw. unnötiger weiterer Schritt erforderlich ist. Zum Beispiel ist das aufquellbare Material eingerichtet, bei Kontakt mit dem vorbestimmten Medium dieses aufzusaugen. Das Material kann sich zum Beispiel mit dem Medium vollsaugen. Insbesondere wenn das vorbestimmte Medium ein Kühlmedium ist, kann zum Beispiel im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Stators das Material aufgequellt werden, indem zur Kühlung des Stators Kühlmedium in die Statornuten eingebracht wird. Ein Kühlmedium im Sinne der Beschreibung ist ein Kühlmedium, welches geeignet ist, eine Statorwicklung zu kühlen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Isolationshülse kann das aufquellbare Material einen Thermoplast umfassen. Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass ein besonders geeignetes Material verwendet werden kann. Ein Thermoplast kann zum Beispiel Polyamid 6 (PA 6) sein.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Isolationshülse kann die verwendete Hairpin-Wicklung mehrere Hairpins aufweisen, wobei die Isolationshülse mehrere Kontaktbereiche aufweist, welche im direkten Kontakt zu den mehreren Hairpins sind, wobei die Isolationshülse mehrere Nicht-Kontaktbereiche aufweist, welche kontaktfrei zu der Hairpin-Wicklung sind, wobei die Isolationshülse in den mehreren Kontaktbereichen eine größere Wanddicke aufweist als in den mehreren Nicht-Kontaktbereichen. Dadurch kann erreicht werden, dass die Isolationshülse besonders effizient an eine durch die Hairpins vorgegebene Geometrie angepasst sein kann, um diese zu fixieren, aber zugleich vorgegebene Freiräume bleiben, welche im Betrieb des Stators vom Kühlmedium durchströmt werden können. Anders ausgedrückt kann die erfindungsgemäße Isolationshülse einen Rand aufweisen, welcher mindestens erste Bereiche mit einer ersten Dicke und zweite Bereiche mit einer zweiten Dicke aufweist (ggfs. können noch weitere Bereiche mit weiteren Dicken vorhanden sein). Dadurch kann das Aufquellverhalten der Isolationshülse räumlich moduliert werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Isolationshülse können zumindest einige der mehreren Nicht-Kontaktbereiche sich jeweils gegenüberliegend zu einer jeweiligen Übergangsstelle zwischen jeweils zwei der mehreren Hairpins befinden. Die Isolationshülse kann also zum Beispiel eine variable Dicke (Wanddicke oder Wandstärke) entlang ihres Umfangs aufweisen - an Stellen oder Bereichen (Kontaktbereiche), wo sie in direktem Kontakt mit den Hairpins ist, dicker und zum Beispiel an Übergangsstellen zwischen den Hairpins dünner. So kann zum Beispiel in vorteilhafter Weise effizient verhindert werden, dass zum Beispiel Kühlkanäle der Statornuten für ein Kühlmedium zuquellen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Isolationshülse kann die Isolationshülse vor dem Aufquellen eine Wandstärke oder Wanddicke von 0,2 mm aufweisen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Isolationshülse kann die Isolationshülse nach dem Aufquellen eine Wandstärke oder Wanddicke von 0,4 mm aufweisen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Isolationshülse kann diese mittels eines Strangextrusionsverfahrens hergestellt werden. Dadurch kann die Isolationshülse effizient und kostengünstig hergestellt werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Isolationshülse kann diese aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gebildet sein.
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Gemäß Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Stators kann das aufquellbare Material der Isolationshülse nach dem Schritt des Anordnens der Stator-Wicklung in die Statornuten aufgequellt (expandiert) werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das aufquellbare Material eingerichtet sein, ab einer vorbestimmten Materialtemperatur aufzuquellen, wobei zum Aufquellen der Isolationshülse die Isolationshülse mindestens auf eine Temperatur aufgeheizt wird, welche größer oder größer-gleich der vorbestimmten Materialtemperatur ist.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das aufquellbare Material eingerichtet sein, bei Kontakt mit einem vorbestimmten Medium, insbesondere Kühlmedium, aufzuquellen, wobei zum Aufquellen der Isolationshülse diese in Kontakt mit dem vorbestimmten Medium gebracht wird.
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Der erfindungsgemäße Stator kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden und/oder hergestellt worden sein.
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Ausführungen, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stator gemacht sind, gelten analog für das erfindungsgemäße Verfahren und/oder für die erfindungsgemäße Isolationshülse und umgekehrt. Verfahrensmerkmale können sich beispielsweise aus entsprechenden Merkmalen des erfindungsgemäßen Stators und/oder der erfindungsgemäßen Isolationshülse ergeben und umgekehrt.
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Es versteht sich, dass die voranstehend 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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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Gesamtheit der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Elektromotor gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 2 eine erfindungsgemäße Isolationshülse gemäß einem Ausführungsbeispiel vor einem Aufquellen,
- 3 die Isolationshülse der 2 nach einem Aufquellen,
- 4 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Elektromotor gemäß einem Ausführungsbeispiel und
- 5 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Im Folgenden können für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
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In 1 ist ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromotors 101 in einer Ausschnittsansicht gezeigt. Der Elektromotor 101 umfasst einen Stator 103. Der Stator 103 weist ein Blechpaket 105 auf. Das Blechpaket 105 umfasst mehrere Elektrobleche, welche der Übersicht halber nicht gezeigt sind.
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In dem Blechpaket 105 sind mehrere Statornuten 107 gebildet. Da es sich vorwiegend um eine Ausschnittsansicht handelt, ist der Übersicht halber nur eine Statornut 107 gezeigt. Der Elektromotor 101 umfasst allerdings mehrere solcher Statornuten 107. Die im Folgenden gemachten Ausführungen im Zusammenhang mit der gezeigten Statornut 107 gelten analog für die nicht gezeigten Statornuten 107 des Elektromotors 101. In der Statornut 107 ist eine Statorwicklung 109 angeordnet, welche als Hairpin-Wicklung ausgebildet ist. Die Statorwicklung 109 umfasst insofern mehrere Hairpins 111. Die mehreren Hairpins 111 sind innerhalb einer Isolationshülse 113 angeordnet, welche ihrerseits innerhalb der Statornut 107 angeordnet ist. Die Isolationshülse 113 ist eine elektrisch isolierende Isolationshülse und kann somit in vorteilhafter Weise einen elektrischen Überschlag zwischen den Hairpins 111 und dem Blechpaket 105 verhindern.
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Die Isolationshülse 113 umfasst bzw. besteht aus einem aufquellbaren Material. Zum Beispiel quillt das aufquellbare Material ab einer vorbestimmten Materialtemperatur auf. Zum Beispiel quillt das aufquellbare Material bei Kontakt mit einem vorbestimmten Medium, insbesondere ein Kühlmedium, auf. Zum Beispiel ist oder umfasst das aufquellbare Material einen Thermoplasten. Es ist zum Beispiel vorgesehen, die Hairpins 111 innerhalb der Statornut 107 in die Isolationshülse 113 anzuordnen, wobei diese zu diesem Zeitpunkt noch nicht aufgequellt ist. Anschließend wird die Isolationshülse 113 mit den Hairpins 111 durch eine Statornutöffnung 115 in die Statornut 107 eingeführt bzw. eingebracht. Wenn sich dann die Isolationshülse 113 mit den Hairpins 111 innerhalb der Statornut 107 befindet, ist zum Beispiel vorgesehen, dass die Isolationshülse 113 auf eine Temperatur aufgeheizt wird, welche gleich oder größer der vorbestimmten Materialtemperatur ist. Zum Beispiel ist vorgesehen, dass die Isolationshülse 113 in Kontakt mit dem vorbestimmten Medium, insbesondere mit einem Kühlmedium, gebracht wird. Es ist also vorgesehen, dass die Isolationshülse bzw. das aufquellbare Material aufgequellt wird, sodass entsprechend eine Wanddicke bzw. Wandstärke der Isolationshülse 113 vergrößert wird, zum Beispiel verdoppelt wird. Entsprechend kann so bei entsprechender Dimensionierung der Isolationshülse 113 angepasst auf einen Innendurchmesser der Statornut 107 nach dem Aufquellen diese eine entsprechende Geometrie derart aufweisen, dass die Isolationshülse 113 innerhalb der Statornut 107 fixiert ist und dadurch die Hairpins 111 gegen ein Verrutschen sichert.
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Die Statornutöffnung 115 führt zu einem Rotorraum 117, in welchem sich ein Rotor 119 des Elektromotors 101 befindet, wobei der Übersicht halber nur ein Ausschnitt des Rotors 119 gezeigt ist.
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Der Elektromotor 101 kann ein Elektromotor mit Wicklungsdirektkühlung sein, sodass entsprechend aufgrund der Verwendung der Isolationshülse 113 eine ausreichende Kühlung gewährleistet werden kann, denn das Kühlmedium kann weiter durch Zwischenräume zwischen Hairpins 111 und Isolationshülse 113 fließen.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Isolationshülse 113 in einem noch nicht aufgequellten Zustand.
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Die 3 zeigt die erfindungsgemäße Isolationshülse der 2 nach einem Aufquellen und nach einem Anordnen der Hairpins 111 innerhalb der Isolationshülse 113.
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4 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Elektromotor 101 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Elektromotor 101 der 4 ist im Wesentlichen analog zum Elektromotor 101 der 1 aufgebaut. Als ein Unterschied ist vorgesehen, dass die Isolationshülse 113 mehrere Kontaktbereiche 401 und mehrere Nicht-Kontaktbereiche 403 umfasst. Die mehreren Kontaktbereiche 401 sind in direktem Kontakt mit den Hairpins 111. Hingegen sind die Nicht-Kontaktbereiche 403 nicht in direktem Kontakt mit den Hairpins 111. Zum Beispiel liegen die Nicht-Kontaktbereiche 403 Übergangsstellen 405 zwischen zwei Hairpins 111 gegenüber. Zum Beispiel liegen Nicht-Kontaktbereiche 403 einer Stirnseite 407 der Statorwicklung 109 gegenüber, wobei diese Stirnseite 407 der Statornutöffnung 115 abgewandt ist.
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Die Isolationshülse 113 des Elektromotors 101 der 4 weist eine variable Dicke entlang ihres Umfangs auf. An Stellen (Kontaktbereiche 401), wo sie in Kontakt mit den Hairpins 111 ist, dicker, und an Übergangsstellen 405 zwischen Hairpins 111 dünner. Das heißt also, dass eine Dicke bzw. eine Wandstärke der Isolationshülse 113 in den Kontaktbereichen 401 größer ist als in den Nicht-Kontaktbereichen 403.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Zunächst das Anordnen 501 von elektrisch isolierenden Isolationshülsen 113 jeweils in mehreren Statornuten, welche in einem Blechpaket gebildet sind. Anschließend erfolgt das Anordnen 503 der Stator-Wicklung, welche als Hairpin-Wicklung ausgebildet ist, in die Statornuten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018203993 A1 [0003]
- DE 102018219219 B4 [0003]
- DE 112012001929 T5 [0003]
- WO 2012/149297 [0003]
- EP 1703621 B1 [0003]
- US 9847683 B2 [0003]
