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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochvolt-Terminal für einen Stator. In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Stator oder eine Statorwicklung, insbesondere aus einer Endlosmatte umfassend das erfindungsgemäße Hochvolt-Terminal sowie eine elektrische Maschine umfassend das erfindungsgemäße Hochvolt-Terminal, den erfindungsgemäßen Stator oder die erfindungsgemäße Statorwicklung.
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Permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) werden bereits in vielen industriellen Anwendungen und im Zuge der Elektrifizierung zunehmend auch in der Automobilindustrie eingesetzt. Eine solche permanenterregte Synchronmaschine weist in der Regel einen zu bestromenden Stator und einen permanenterregten Rotor auf. Der Stator umfasst u.a. eine Statorwicklung, einen Statorträger, einen Verschaltungsring sowie ein Terminal für die Leistungselektronik.
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Elektrische Maschinen mit verteilter Wicklung oder Wellenwicklung weisen in der Regel einen Verschaltungsbereich auf, in dem verschiedene Leiter der Wicklung miteinander verbunden werden. Diese Kopplung wird auch als Brücke bezeichnet, die in der Regel für die Richtungsumkehr des Stromflusses zuständig ist. Des Weiteren kann die Verschaltung auch einen sog. Sternpunkt oder Sternphase enthalten. An diesem Punkt fließen alle Leiter und Ströme der unterschiedlichen Phasen gemäß einer Sternverschaltung zusammen. Als weiteres Bauteil besitzt die elektrische Maschine ein Hochvolt-Terminal. Dieses Bauteil ist für die Stromversorgung der elektrischen Maschine über die Leistungselektronik zuständig.
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Hochvolt-Terminals mit einem integrierten Verschaltungsbereich sind inzwischen aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die
DE 10 2019 111 825 A1 einen Stator für eine elektrische Maschine mit einem solchen Hochvolt-Terminal.
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Obwohl derartige Bauteile aus dem Stand der Technik bekannt sind, besteht weiterhin der Wunsch, diese zu optimieren. Daher ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Hochvolt-Terminal bereitzustellen. Insbesondere ein Hochvolt-Terminal bereitzustellen, dass auf eine möglichst kompakte Art und Weise eine Integration in einen begrenzten Bauraum eines Stators oder einer Statorwicklung ermöglicht.
Weiterhin ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Statorwicklung, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Stator sowie eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte elektrische Maschine bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Maßnahmen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den unabhängigen Ansprüchen aufgeführt.
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Gemäß einem Aspekt weist ein Hochvolt-Terminal für einen Stator einer elektrischen Maschine, ein erstes Kunststoffelement auf, welches Öffnungen aufweist, die von einer ersten Seite des ersten Kunststoffelements zu einer der ersten Seite gegenüber-liegenden zweiten Seite des ersten Kunststoffelements durchgängig sind. Das Hochvoltelemente weist darüber hinaus als Drahtelement ausgeführte Verschaltungselemente auf, die in dem ersten Kunststoffelement mittels Klemmelementen fixiert sind und auf der zweiten Seite über das erste Kunststoffelement hinausragende Kontaktstifte zum elektrischen Kontaktieren von auf der zweiten Seite über das erste Kunststoffelement hinausragenden Kontaktstiften einer Statorwicklung aufweisen. Weiter weist das Hochvoltelement ein zweites Kunststoffelement auf, welches die auf der zweiten Seite der Öffnungen über das erste Kunststoffelement hinausragenden Kontaktstifte vollständig umgibt.
Besonders vorteilhaft ist es weiter, wenn die als Drahtelement ausgeführten Verschaltungselemente aus einem Material hergestellt sind, welches auch für die Statorwicklungen verwendet wird, da so keine Sonderteile angefertigt werden müssen und nur Biegen und Abisolieren zur Realisierung der Kontaktstifte an Drahtenden notwendig ist. Eine weitere vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass die als Drahtelemente ausgeführten Verschaltungselemente durch die Klemmelemente derart in ihrer räumlichen Lage relativ zum ersten Kunststoffelement fixiert sind, dass bei nachgelagerten Verfahrensschritten ein Verrutschen der Drahtelemente im Rahmen des technisch Machbaren ausgeschlossen werden kann. Somit ist die Handhabung stark vereinfacht.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das zweite Kunststoffelement als Vergusselement ausgeführt und somit formschlüssig oder stoffschlüssig mit dem ersten Kunststoffelement verbunden. Somit ist ein Verringern einer Wirkung von Luft- und Kriechstrecken von Kontaktstiften in einer Öffnung zu Kontaktstiften in einer anderen Öffnung und zur räumlichen Fixierung der als Drahtelement ausgeführten Verschaltungselemente realisiert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das zweite Kunststoffelement als eigenständiges Element realisiert, welches insbesondere durch einen Verguss hergestellt ist, wobei lediglich der Stator in eine Vergusswanne eingetaucht wird. Hierbei kommt dem ersten Kunststoffkörper insbesondere die Funktion zu, das zweite Kunststoffelement zu fixieren. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zweite Kunststoffelement integraler Bestandteil eines Vollvergusses, bei dem das Hochvoltterminal mit dem Stator vergossen ist. Vorteilhafterweise umschließt der zweite Kunststoffkörper die Verschaltungselemente und fixiert diese permanent in ihrer Lage verlustsicher.
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Gemäß einem Aspekt weist das als Drahtelement ausgeführte Verschaltungselement eine elektrisch isolierende Ummantelung auf und bildet an den distalen Enden sich jeweils in die gleiche Richtung erstreckende Kontaktstifte aus.
Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass nur Biegen und Abisolieren zur Realisierung der Kontaktstifte an Drahtenden notwendig ist. Weiter entfallen aufgrund der Isolation des Drahtes Zwischenelemente zur Isolation der Verschaltungselemente und somit reduzieren sich Komplexität sowie Kosten.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind die die Klemmelemente zur Aufnahme des Drahtelements in den Öffnungen oder neben den Öffnungen auf der zweiten Seite des ersten Kunststoffelements ausgebildet.
Durch diese Ausgestaltung ist vorteilhafter beim Verschweißen der Kontaktstifte ein einfacher Toleranzausgleich umgesetzt, durch die Fixierung in den Klemmelementen. Durch die räumliche Anordnung der Klemmelemente in oder neben den Öffnungen werden vorteilhafterweise Vorspannungen reduziert.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind die Öffnungen derart ausgestaltet, dass die Kontaktstifte der Statorwicklung von der ersten Seite zu der zweiten Seite des ersten Kunststoffelements einführbar sind.
Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass so eine einfache Montage ermöglicht ist und weiter das Hochvoltterminal in seiner räumlichen Lage über die Kontaktstifte der Statorwicklung zumindest vordefiniert ist. Eine letztliche eindeutige Definition erfolgt über im oder am Hochvoltterminal vorgesehene Befestigungsvorrichtungen, welche dazu dienen können, das Hochvoltterminal mit einem Stator oder einem Statorgehäuse zu verbinden, insbesondere kann dies durch Verschraubung erfolgen.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind die Kontaktstifte in axialer Richtung orientiert und das Hochvolt-Terminal ist mit der ersten Seite des ersten Kunststoffelements zu einer axialen Stirnfläche des Stators oder der Statorwicklung orientiert.
Dies erlaubt vorteilhafterweise eine vereinfachte Montage in axialer Richtung sowie eine bezogen auf den radialen Bauraum platzsparende Anordnung des Hochvolt-Terminals in der elektrischen Maschine.
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Gemäß einer Ausgestaltung bilden die in dem ersten Kunststoffelement vorgesehenen Kontaktstifte eine erste im Wesentlichen bogenförmig um einen ersten Radius angeordnete erste Gruppe sowie eine im Wesentlichen bogenförmig um einen zweiten Radius angeordnete zweite Gruppe aus, wobei der erste Radius kleiner ist als der zweite Radius.
Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, da die Kontaktstifte der Statorwicklung auf der jeweils inneren oder äußeren Seite der Statorwicklung in axialer Richtung weitergeführt werden können, wodurch sich der Fertigungsaufwand bei der Statorwicklung reduziert. Die bogenförmige Anordnung ist dabei besonders vorteilhaft konzentrisch zu der Statorwicklung ausgebildet.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind je zwei benachbarte radial äußere Kontaktstifte der zweiten Gruppe mit einem als Stromschiene ausgeführten Verschaltungselement zur Verbindung des Hochvolt-Terminals mit einer Leistungselektronik verbunden. Weiter sind mehrere andere Kontaktstifte der zweiten Gruppe zur Realisierung der Sternphase verbunden.
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Besonders zweckmäßig ist diese Ausgestaltung, da somit die Länge der Stromschiene zur Anbindung an eine Leistungselektronik reduziert ist, sowie im Hinblick auf die Umsetzung der Statorwicklung in Form einer Wellenwicklung. So sind insbesondere die Anforderungen an die Anordnungen von Verschaltungselemente durch eine klare räumliche Aufteilung und Gruppierung der Kontaktstifte vereinfacht.
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Gemäß einem weitere Aspekt umfasst ein Stator oder eine Statorwicklung, welche insbesondere als Endlosmatte ausgeführt ist, ein erfindungsgemäßes Hochvolt-Terminal.
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Gemäß einem weitere Aspekt umfasst eine Elektrische Maschine, ein erfindungsgemäßes Hochvolt-Terminal oder einen erfindungsgemäßen Stator oder eine erfindungsgemäße Statorwicklung.
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Gemäß einem weitere Aspekt umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stators folgende Teilschritte:
- a) Einfügen der als Drahtelemente ausgeführten Verschaltungselemente in das erste Kunststoffelement,
- b) Fixieren der als Drahtelemente ausgeführten Verschaltungselemente in den Klemmelementen des ersten Kunststoffelements,
- c) Aufschieben des ersten Kunststoffelements auf die Kontaktstifte der Statorwicklung,
- d) Befestigen des ersten Kunststoffelements am Stator mittels einer Befestigungseinrichtung im ersten Kunststoffkörper, insbesondere durch Verschrauben,
- e) Kontaktieren der Kontaktstifte der Verschaltungselemente mit den Kontaktstiften der Statorwicklung durch Zusammenpressen und thermisches Fügen,
- f) Herstellen des zweiten Kunststoffkörpers als Verguss.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren im Teilschritt f) das Herstellen des zweiten Kunststoffelements als Verguss durch Eintauchen des Stators auf der Seite des ersten Kunststoffelements in eine Gusswanne und anschließendem Entformen.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren bei f) das vollständige Vergießen des Stators.
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Unter dem Begriff „Endlosmatte“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Statorwicklung verstanden, die üblicherweise mehrfach gewickelt und gefaltet wird. Insbesondere handelt es sich dabei um eine Wellenwicklung.
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Unter dem Begriff „Kunststoffelement“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Bauteil verstanden, welches aus einem Kunststoff und/oder aus einem Kunststoffähnlichen Material gebildet ist. Dieses kann beispielsweise aus einer Kunststofffolie, wie beispielsweise einer Polyimid-Folie, oder einer Vergussmasse auf Epoxidharz-, Polyurethan und/oder Acrylatbasis gebildet sein. Ferner kann das Kunststoffelement auch aus zusammensteckbaren Komponenten gebildet sein, die aus einem in der Elektrik üblichen Kunststoff, wie beispielsweise Polyphenylensulfid (PPS), Polyphthalamide (PPA), Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Mischungen hiervon gebildet sind, bevorzugt aus einem dieser bestehen.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Begriffe wie „radial“, „axial“ oder ähnlich beziehen sich auf die Rotationsachse der elektrischen Maschine, es sei denn, es wird explizit eine davon abweichende Referenzierung verwendet. Insbesondere wenn mehrere Gegenstände eines Bezugszeichens in einer Figur dargestellt sind, wird aufgrund der besseren Lesbarkeit darauf verzichtet, jeden einzelnen Gegenstand mit dem Bezugszeichen zu versehen.
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Es zeigt
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Hochvolt-Terminals,
- 2 eine weitere perspektivische Ansicht des Hochvolt-Terminals aus 1,
- 3 mehrere Schnitte durch das Hochvolt-Terminal aus 2, und
- 4 einen Ausschnitt einer Aufsicht auf das Hochvolt-Terminal aus 2.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Hochvolt-Terminals 1. Das Hochvoltterminal 1 umfasst ein erstes Kunststoffelement 2. Dieses ist mittels zweier als Schrauben ausgeführten Befestigungsvorrichtungen 10 mit seiner ersten Seite an einer axialen Stirnfläche eines Stators 14, insbesondere eines Statorträgers, befestigt, wobei in der 4 nur ein Abschnitt der Statorwicklung 5 dargestellt ist. Radial nach außen führen drei Stromschienen 9, welche zur Kontaktierung einer nicht dargestellten Leistungselektronik dienen. Das Hochvolt-Terminal umfasst weiter ein zweites Kunststoffelement 6, welches form- und stoffschlüssig an einer zweiten Seite, welche der ersten Seite gegenüberliegt, mit dem ersten Kunststoffelement 2 verbunden ist. Das zweite Kunststoffelement 6 ist hierbei als Verguss durch Eintauchen in eine Gusswanne und anschließendem Entformen ausgeführt. Das Hochvolt-Terminal 1 ist an der axialen Stirnseite des Stators 14 ausgerichtet und abschnittsweise bogenförmig ausgebildet.
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2 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht des Hochvolt-Terminals aus 1, wobei das zweite Kunststoffelement 6 nicht dargestellt ist. Klar zu erkennen ist eine Vielzahl an sich in axialer Richtung erstreckenden Kontaktstiften 4, welche in einer ersten Gruppe 7 bogenförmig um einen ersten Radius angeordnet sind. Die radial inneren Kontaktstifte 4 der ersten Gruppe 7 sind Kontaktstifte 4 der Statorwicklung 5.
Die radial äußeren Kontaktstifte 4 der ersten Gruppe sind Kontaktstifte 4 der als Drahtelement 11 ausgeführte Verschaltungselemente.
In einer zweiten Gruppe 8 sind weitere Kontaktstifte im Wesentlichen bogenförmig um einen zweiten Radius angeordnet, wobei der erste Radius kleiner ist als der zweite Radius. Je zwei benachbarte radial äußere Kontaktstifte der zweiten Gruppe 8 sind mit einem als Stromschiene ausgeführten Verschaltungselement zur Verbindung des Hochvolt-Terminals 1 mit einer Leistungselektronik verbunden. Mehrere andere Kontaktstifte 4 der zweiten Gruppe sind zur Realisierung der Sternphase verbunden. Das Hochvolt-Terminal 1 wird aus axialer Richtung derart auf die Kontaktstifte 4 der Statorwicklung 5 aufgeschoben, dass die die Kontaktstifte der Statorwicklung in dem ersten Kunststoffelement in einer Öffnung 3 beinhaltet sind. Die Kontaktstifte 4 werden dabei von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite eingeführt.
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3 zeigt mehrere Schnitte durch das Hochvolt-Terminal aus 2. Die insgesamt sechs Drahtelemente 11 sind dabei auf der zweiten Seite jeweils paarweise in einer ersten, zweiten und dritten Ebene innerhalb des ersten Kunststoffelements 2 angeordnet. Die Ebenen sind dabei im Wesentlichen parallel zu der axialen Stirnfläche der Statorwicklung 5 ausgerichtet. Die als Drahtelement 11 ausgeführten Verschaltungselemente weißen eine elektrisch isolierende Ummantelung auf und bilden an den distalen Enden jeweils in die gleiche Richtung erstreckende Kontaktstifte 4 aus.
Im Schnitt a) durch das erste Kunststoffelement 2 sind zwei Drahtelemente 11 ersichtlich. Die Drahtelemente 11 sind überwiegend in der ersten Ebene im ersten Kunststoffelement 2 angeordnet und werden dabei wie in 4 ersichtlich im Bereich der Öffnung 3 von Klemmelementen 12 fixiert. Die Drahtelemente werden durch weitere Führungselemente 13, welche aus dem ersten Kunststoffelement 2 ausgebildet sind, in der Lage definiert. Die Führungselemente 13 bilden dabei Flächen aus, welche die Drähte in axialer sowie in radialer und/oder tangentialer Richtung führen. Hierbei sind die radial und/oder tangentialen Führungselemente 13 der ersten Ebene insbesondere als axiale Führungselemente der Drahtelemente 11 der zweiten Ebene ausgeführt.
Im Schnitt b) durch das erste Kunststoffelement 2 sind zwei weitere Drahtelemente 11 ersichtlich. Die weiteren Drahtelemente 11 sind überwiegend in der zweiten Ebene im ersten Kunststoffelement 2 angeordnet und werden dabei wie in 4 ersichtlich im Bereich der Öffnung 3 von Klemmelementen 12 fixiert. Die Drahtelemente werden durch weitere Führungselemente 13, welche aus dem ersten Kunststoffelement 2 ausgebildet sind, in der Lage definiert. Die Führungselemente 13 bilden dabei Flächen aus, welche die Drähte in axialer sowie in radialer und/oder tangentialer Richtung führen. Hierbei sind die radial und/oder tangentialen Führungselemente 13 der zweiten Ebene insbesondere als axiale Führungselemente der Drahtelemente 11 der dritten Ebene ausgeführt.
Im Schnitt c) durch das erste Kunststoffelement 2 sind zwei weitere Drahtelemente 11 ersichtlich. Die weiteren Drahtelemente 11 sind überwiegend in der dritten Ebene im ersten Kunststoffelement 2 angeordnet und werden dabei wie in 4 ersichtlich im Bereich der Öffnung 3 von Klemmelementen 12 fixiert. Die Drahtelemente werden durch weitere Führungselemente 13, welche aus dem ersten Kunststoffelement 2 ausgebildet sind, in der Lage definiert. Die Führungselemente 13 bilden dabei Flächen aus, welche die Drähte in axialer sowie in radialer und/oder tangentialer Richtung führen.
Die Kontaktstifte 4 der Drahtelemente 11 werden in einem weiteren Verfahrensschritt als Verschaltungselemente mit den Kontaktstiften 4 der Statorwicklung 5 verschweißt, welche in der ersten Gruppe 7 radial innen ausgerichtet sind.
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4 zeigt einen Ausschnitt einer Aufsicht auf das Hochvolt-Terminal aus 2. Der Ausschnitt beinhaltet eine Öffnung 3 im ersten Kunststoffelement, in der ein Kontaktstift 4 der Statorwicklung 5 angeordnet ist. Unmittelbar anliegend ist ein Kontaktstift 4 eines als Drahtelement 11 ausgeführten Verschaltungselements angeordnet. Die Kontaktstifte sind parallel und in axialer Richtung angeordnet. Die axiale Richtung ist in der 4 die Normale zur Betrachtungsebene. Das Drahtelement erstreckt sich im Bereich einer der im Wesentlichen parallel zu der axialen Stirnfläche der Statorwicklung 5 ausgerichteten Ebenen in radialer Richtung weiter. Zwei Klemmelemente 12, fixieren das Drahtelement 11 neben der Öffnungen 3 auf der zweiten Seite des ersten Kunststoffelements 2. Die Klemmelemente 12 sind in radialer Richtung aus dem ersten Kunststoffelement ausgebildet und liegen einander als konvex ausgebildete Bereiche gegenüber. In der dargestellten ersten Gruppe sind die Klemmelemente jeweils paarweise im Wesentlichen auf einem gemeinsamen bogenförmigen Abschnitt auf der weiten Seite des ersten Kunststoffelements 2 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Hochvolt-Terminal
- 2.
- erstes Kunststoffelement
- 3.
- Öffnung
- 4.
- Kontaktstifte
- 5.
- Statorwicklung
- 6.
- zweites Kunststoffelement
- 7.
- erste Gruppe
- 8.
- zweite Gruppe
- 9.
- Stromschiene
- 10.
- Befestigungsvorrichtung
- 11.
- Drahtelement
- 12.
- Klemmelement
- 13.
- Führungselement
- 14.
- Stator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019111825 A1 [0004]
