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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Isoliereinrichtung zur Isolierung von Verbindungsstellen einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine. An den Verbindungsstellen sind jeweils wenigstens zwei Leiterelemente der Statorwicklung elektrisch miteinander kontaktiert. Die Isoliereinrichtung umfasst wenigstens einen Isolierkörper, welcher an einer axialen Stirnseite der Maschine montierbar ist, um dort die Verbindungsstellen wenigstens teilweise zu überdecken. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Isolierung von Verbindungsstellen.
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Solche Statorwicklungen werden oft auch als Hairpin-Wicklungen und deren Leiterelemente als Hairpins bezeichnet. Nach dem Verbinden und beispielsweise Verschweißen der Leiterelemente sind die Verbindungsstellen in der Regel nicht isoliert und müssen daher mit z. B. einer Vergussmasse abgedeckt werden. Dazu wird beispielsweise eine verlorene Form eingesetzt, die nach der Montage am Stator mit einem Zweikomponenten-Harz gefüllt wird. Andere bekannte Möglichkeiten zur Isolierung sind z. B. Eintauchen der Verbindungsstellen in ein Harzbad, Pulverbeschichten oder ein Vollverguss des Stators. Allerdings sind die bekannten Verfahren meist sehr aufwendig und bieten insgesamt noch Raum für Verbesserungen.
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Aus der
DE 10 2018 203 993 A1 ist daher eine Isoliereinheit bekannt geworden, bei welcher ein Grundkörper aus einem isolierenden Werkstoff besteht und einen Aufnahmebereich mit Trennwänden und Öffnungen für die einzelnen Hairpin-Enden aufweist. Dabei weisen die Öffnungen bzw. Trennwände verformbare Bereiche auf, welche als Befestigungsmittel dienen und durch Hitzeeinwirkung schrumpfen.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Möglichkeit zur Isolierung der Verbindungsstellen zur Verfügung zu stellen. Insbesondere soll die Isolierung unaufwendig montierbar und wirtschaftlich herstellbar sein sowie zugleich eine zuverlässige Isolierung bieten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Isoliereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
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Die erfindungsgemäße Isoliereinrichtung dient zur Isolierung von Verbindungsstellen einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine. An den Verbindungsstellen sind jeweils wenigstens zwei Leiterelemente (einer Mehrzahl von Leiterelementen) der Statorwicklung elektrisch miteinander kontaktiert. Die Isoliereinrichtung umfasst wenigstens einen Isolierkörper, welche an einer axialen Stirnseite der Maschine montierbar ist. Dabei umfasst die Isoliereinrichtung wenigstens ein an dem Isolierkörper angeordnetes Isoliermedium. Das Isoliermedium ist dazu geeignet und ausgebildet, nach einer Anordnung des Isolierkörpers in seiner bestimmungsgemäßen Montageposition mittels (aufgrund) wenigstens eines Auslöseereignisses zu expandieren und dadurch die Verbindungsstellen isolierend zu umschließen.
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Die erfindungsgemäße Isoliereinrichtung bietet viele Vorteile. Einen erheblichen Vorteil bietet der Isolierkörper mit dem expandierfähigen bzw. gezielt expandierbaren Isoliermedium. So kann die Isoliereinrichtung besonders zügig und wirtschaftlich hergestellt bzw. montiert werden. Zugleich bietet die Isoliereinrichtung eine besonders zuverlässige und sichere Isolierung der Verbindungsstellen. Ein Vorteil ist auch, dass die Isoliereinrichtung zugleich eine mechanische Stabilisierung bzw. Fixierung der Leiterelemente und des Isolierkörpers an den Leiterelementen bietet. Das Isoliermedium hat zudem den besonderen Vorteil, dass vor dem Auslöseereignis frei bzw. mit hohen Freiheitsgraden in Bezug zu den Verbindungsstellen angeordnet werden kann. So kann die Montage des gesamten Isolierkörpers mit hohen Freiheitsgraden erfolgen. Zudem bietet das Expandieren beispielsweise im Vergleich zu einem Schrumpfen den Vorteil, dass weniger unerwünschte Lücken bzw. Hohlräume auftreten, in denen die Isolierung und die Fixierung unzureichend ausgebildet sein können. Dadurch ergeben sich insgesamt weniger Ausschuss während der Produktion und eine verbesserte Haltbarkeit der elektrischen Maschine.
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Vorzugsweise ist das Auslöseereignis eine Wärmezufuhr. Insbesondere ist das Isoliermedium dazu geeignet und ausgebildet, nach einer Anordnung des Isolierkörpers in seiner bestimmungsgemäßen Montageposition mittels einer gezielten Wärmezufuhr zu expandieren. So kann die Expansion besonders unaufwendig und zugleich gezielt gestartet werden. Möglich ist auch eine andere Art der Energiezufuhr als Auslöseereignis.
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Das Isoliermedium ist vorzugsweise dazu geeignet und ausgebildet, nach dem Expandieren auszuhärten und insbesondere dadurch die Leiterelemente und/oder den Isolierkörper mechanisch zu fixieren. Insbesondere erfolgt durch das Aushärten eine Befestigung des Isolierkörpers an der Statorwicklung. Das ist besonders vorteilhaft, da zusammen mit der Isolierung zugleich auch die Fixierung erfolgt und so keine nachträgliche Justage nötig ist.
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Insbesondere ist der Isolierkörper mittels des Isoliermediums, vorzugsweise nur mittels des Isoliermediums, in seiner bestimmungsgemäßen Montageposition befestigbar. So muss der Isolierkörper lediglich in seine Montageposition gebracht werden und wird automatisch durch die Wärmezufuhr befestigt. So kann auf die Handhabung weiterer Montagemittel verzichtet werden. Insbesondere erfolgt die Befestigung durch die Expansion und vorzugsweise durch ein Aushärten des Isoliermediums.
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Das Isoliermedium ist insbesondere derart an dem Isolierkörper angeordnet, dass es vor dem Auslöseereignis und während bzw. nach der Anordnung des Isolierkörpers in seiner bestimmungsgemäßen Montageposition beabstandet zu den Verbindungsstellen ist. Insbesondere liegt das Isoliermedium vor dem Auslöseereignis und nach der Anordnung des Isolierkörpers in der Montageposition nicht oder nur teilweise berührend an den Verbindungsstellen an. Das bietet erhebliche Vorteile beispielsweise gegenüber Öffnungen oder Schlitzen, in welche die Leiterenden bei der Montage gezielt eingeführt werden müssen.
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Vorzugsweise ist der Isolierkörper unabhängig von einer relativen Ausrichtung des Isoliermediums zu den Verbindungsstellen in seiner bestimmungsgemäßen Montageposition befestigbar. So kann der Isolierkörper frei bzw. mit großen Freiheitsgraden an der axialen Stirnseite der Maschine montiert werden. Dadurch kann zum Beispiel eine automatisierte Montage besonders einfach umgesetzt werden. Beispielsweise ist das Isoliermedium dazu gleichmäßig und insbesondere rotationssymmetrisch über wenigstens eine Seitenfläche des Isolierkörpers verteilt.
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Das Isoliermedium kann aber auch eine Anordnung bzw. Struktur aufweisen, welche eine wenigstens teilweise gezielte Ausrichtung des Isoliermediums zu den Verbindungsstellen verlangt.
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Es ist besonders bevorzugt und vorteilhaft, dass der Isolierkörper mit dem Isoliermedium beschichtet ist. Insbesondere ist das Isoliermedium als eine Beschichtung ausgebildet. In allen Ausgestaltungen ist es besonders bevorzugt, dass der Isolierkörper und das Isoliermedium fest miteinander verbunden sind. Das ermöglicht eine besonders einfache Handhabung bei der Montage.
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In einer besonders bevorzugten und vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Isoliermedium Hohlkugeln. Insbesondere ist der Isolierkörper mit Hohlkugeln beschichtet oder bestückt. Insbesondere sind die Hohlkugeln fest mit dem Isolierkörper verbunden.
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Insbesondere erfahren die Hohlkugeln durch das Auslöseereignis und vorzugsweise durch Wärmezufuhr eine Umfangszunahme. Die Hohlkugeln erfahrend insbesondere eine Volumenzunahme. Insbesondere wird in allen Ausgestaltungen unter einer Expansion eine Volumenzunahme des Isoliermediums verstanden. Nach der Expansion bilden die Hohlkugeln insbesondere einen im Wesentlichen ausgefüllten Körper.
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Besonders bevorzugt sind die Hohlkugeln aus wenigstens einem Thermoplast gefertigt. Insbesondere umfassen die Hohlkugeln einen Thermoplast. Die Hohlkugeln können insbesondere auch als (thermoplastische) Mikrosphären bezeichnet werden. Ein solches Isoliermedium eignet sich besonders gut für eine wärmebedingte Expansion und gewährleistet eine zuverlässige Isolierung und Befestigung.
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In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass das Isoliermedium aus einem Kunststoff und vorzugsweise aus einem Thermoplast besteht oder wenigstens einen solchen umfasst. Unter einem Thermoplast wird insbesondere ein thermoplastischer Kunststoff verstanden. Möglich sind auch andere expansionsfähige und isolierende Kunststoffe oder Werkstoffe.
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Möglich und vorteilhaft ist auch, dass das Isoliermedium wenigstens ein Granulat und/oder wenigstens einen Schaumwerkstoff umfasst oder dadurch bereitgestellt wird. Insbesondere ist der Isolierkörper mit dem Granulat und/oder dem Schaumwerkstoff bestückt und/oder beschichtet. Insbesondere sind das Granulat und/oder der Schaumwerkstoff durch das Auslöseereignis expandierbar. Der Schaumwerkstoff ist insbesondere ein Schaum oder ein geschäumter Körper. Möglich ist auch, dass das Isoliermedium einen Werkstoff umfasst, welcher erst durch das Auslöseereignis und vorzugsweise durch die Wärmezufuhr in einen Schaum übergeht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Isolierung von Verbindungsstellen einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine. An den Verbindungsstellen sind jeweils wenigstens zwei Leiterelemente (einer Mehrzahl von Leiterelementen) der Statorwicklung elektrisch miteinander kontaktiert und insbesondere aneinandergefügt. Nach dem Verfahren wird wenigstens ein (zuvor) mit wenigstens einem Isoliermedium ausgestatteter Isolierkörper an einer axialen Stirnseite der Maschine angeordnet, um dort die Verbindungsstellen wenigstens teilweise abzudecken. Dabei wird das Isoliermedium gezielt erwärmt. Durch die Erwärmung kommt es dazu, dass das Isoliermedium expandiert und insbesondere aushärtet und insbesondere die Verbindungsstellen isolierend umschließt. Insbesondere wird dadurch auch der Isolierkörper in seiner bestimmungsgemäßen Montageposition und insbesondere wenigstens an der Statorwicklung und/oder an einer anderen Tragstruktur eines Stators befestigt.
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Auch das erfindungsgemäße Verfahren löst die zuvor gestellte Aufgabe besonders vorteilhaft. Es ist möglich, dass das Isoliermedium gemeinsam mit wenigstens einem Teil eines die Statorwicklung umfassenden Stators und beispielsweise eines Blechpakets erwärmt wird. Insbesondere erfolgt anschließend ein aktives Kühlen der zuvor erwärmten Bauteile für weitere Prozessschritte. Insbesondere ist das Verfahren so ausgebildet, dass die zuvor beschriebene Isoliereinrichtung dabei eingesetzt wird. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Isoliereinrichtung nach dem Verfahren montierbar. Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Isoliermedium auch durch ein anderes Auslöseereignis expandieren.
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In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass der Isolierkörper ringartig oder scheibenartig ausgebildet ist. Insbesondere ist der Isolierkörper als eine Scheibe oder als ein Ring ausgebildet oder umfasst wenigstens eine Scheibe oder einen Ring. Eine Seitenfläche der Scheibe bzw. des Rings ist in der bestimmungsgemäßen Montageposition insbesondere den Verbindungsstellen zugewandt. Insbesondere ist wenigstens diese Seitenfläche teilweise oder vollständig und vorzugsweise gleichmäßig mit dem Isoliermedium ausgestattet.
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Insbesondere umfasst der Isolierkörper wenigstens einen umlaufenden Flansch. Der Flansch erstreckt sich insbesondere radial um die Statorwicklung und deren Verbindungsstellen. Ein ringartiger Isolierkörper weist vorzugsweise wenigstens zwei konzentrisch angeordnete Flansche auf. Insbesondere weist der Isolierkörper eine Kontur auf, welche mit einer Kontur der Statorwicklung an der axialen Stirnseite korrespondiert. Der Isolierkörper ist insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gefertigt oder umfasst wenigstens einen solchen.
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Insbesondere ist das Isoliermedium dazu geeignet und ausgebildet, zu expandieren und die Verbindungsstellen bei den im Betrieb der elektrischen Maschine zu erwartenden elektrischen Bedingungen zu isolieren und insbesondere die Verbindungsstellen gegeneinander und/oder gegenüber ihrer Umgebung zu isolieren. Insbesondere ist das Isoliermedium wenigstens an einer Seitenfläche des Isolierkörpers angeordnet, welche bei einer bestimmungsgemäßen Montage den Verbindungsstellen zugewandt ist. Vor dem Auslöseereignis ist das Isoliermedium noch nicht expandiert und befindet sich insbesondere in einer Ausgangsformation. Die Ausgangsformation weist insbesondere ein geringeres Volumen als ein Körper auf, welchen das Isoliermedium nach der Expansion (und insbesondere dem Aushärten) bildet.
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Insbesondere dient die Isoliereinrichtung zur Isolierung von Verbindungsstellen einer als Hairpin-Wicklung ausgebildeten Statorwicklung. Insbesondere können die Leiterelemente auch als Hairpins bezeichnet werden. Insbesondere sind die Leiterelemente als Flachdrahtleiter ausgebildet. Insbesondere verlaufen die Leiterelemente jeweils in wenigstens einer im Stator verlaufenden Nut. Insbesondere sind die Leiterelemente gemäß eines Wickelschemas getwistet. Insbesondere sind die Leiterelemente an den Verbindungsstellen aneinandergefügt und zum Beispiel geschweißt. Insbesondere ist die Isoliereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, die Schweißstellen zu isolieren. Insbesondere können die Leiterelemente auch als Hairpins bezeichnet werden. Insbesondere umfassen die Verbindungsstellen Fügestellen der Leiterelemente.
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Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, die im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
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In den Figuren zeigen:
- 1 eine stark schematisierte Detaildarstellung einer elektrischen Maschine mit einer erfindungsgemäßen Isoliereinrichtung vor einer bestimmungsgemäßen Montage;
- 2 die elektrische Maschine der 1 mit einer montierten Isoliereinrichtung; und
- 3 eine rein schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Isoliereinrichtung in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben.
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Die 1 zeigt eine elektrische Maschine 3, von welcher hier zur besseren Übersichtlichkeit nur ein Stator 33 dargestellt ist. Der Stator 33 umfasst hier ein Blechpaket 43 und eine Statorwicklung 13, welche hier an einer axialen Stirnseite 23 aus dem Blechpaket 43 heraussteht. Die elektrische Maschine 3 kann z. B. noch einen innerhalb des Stators 33 drehbaren Rotor und ein Gehäuse umfassen.
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Die Statorwicklung 13 umfasst hier als Flachdrahtleiter bzw. Hairpins ausgebildete Leiterelemente 12, welche zu einer sog. steckbaren Formwicklung angeordnet sind. Die Statorwicklung 13 kann auch als offene Formspule bzw. Halbformspule bezeichnet werden. Eine solche Steckspulentechnik ermöglicht einen besonders hohen Kupferfüllfaktor und somit gute Leistungseigenschaften der Maschine 3.
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Das Blechpaket 43 ist hier mit isolierten Nuten ausgestattet, in welche die Leiterelemente 12 eingesteckt sind. Die Leiterelemente 12 wurden gemäß eines Wickelschemas getwistet und anschließend an Verbindungsstellen 2 elektrisch miteinander kontaktiert. Hier sind die Leiterelemente 12 an den Verbindungsstellen 2 beispielsweise verschweißt, sodass sich dort jeweils wenigstens ein Schweißpunkt 22 ergibt.
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Da die Verbindungsstellen 2 und beispielsweise die Schweißpunkte 22 nicht isolierte Bereiche darstellen, müssen diese nach dem Fügen elektrisch isoliert werden. Dazu wird hier eine erfindungsgemäße Isoliereinrichtung 1 mit einem Isolierkörper 4 und einem Isoliermedium 5 eingesetzt. Der Isolierkörper 4 ist hier ringartig ausgebildet, sodass er mit der geometrischen Anordnung der Verbindungsstellen 2 korrespondiert und im Zentrum eine Öffnung für den Rotor bietet. An einer den Verbindungsstellen 2 zugewandten Seitenfläche (hier nicht sichtbar) ist der Isolierkörper 4 hier mit dem Isoliermedium 5 fest verbunden und beispielsweise damit beschichtet.
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Das Isoliermedium 5 wird zum Beispiel durch aus einem Thermoplast 25 gefertigte Hohlkugeln 15 gebildet, welche auch als thermoplastische Mikrosphären bezeichnet werden können. Die Hohlkugeln 15 können hier mittels eines Auslöseereignisses zur Expansion gebracht werden, sodass sie sich ausdehnen und die Verbindungsstellen 2 isolierend umschließen. Durch die Expansion und ein anschließendes Aushärten der Hohlkugeln 15 wird hier auch der Isolierkörper 4 an der Statorwicklung 13 befestigt. Für das Isoliermedium 5 kann auch eine andere Art von Beschichtung, Schaum oder Granulat aus einem Thermoplast oder einem anderen geeigneten Kunststoff vorgesehen sein.
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Die Isoliereinrichtung 1 wird hier in einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Isolierung der Verbindungsstellen 2 eingesetzt, welches nachfolgend mit Bezug zu den 1 und 2 näher vorgestellt wird.
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Zunächst wird die Isoliereinrichtung mit dem Isolierkörper 4 und dem expandierbaren, aber noch nicht expandierten Isoliermedium 5 an der axialen Stirnseite 23 der Maschine 3 angeordnet. Dabei wird der Isolierkörper 4 in seiner bestimmungsgemäßen Montageposition 14 ausgerichtet, wie sie in der 2 gezeigt ist. Die Verbindungsstellen 2 sind nun durch den Isolierkörper 4 teilweise oder vollständig abgedeckt, aber noch nicht ausreichend und sicher isoliert.
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Nun wird das Isoliermedium 5 durch das Auslöseereignis zur Expansion gebracht. Das erfolgt hier durch ein gezieltes Erwärmen des Stators 33 zusammen mit dem aufgesetzten Isolierkörper 4. Dadurch expandiert das Isoliermedium 5 und umschließt die Verbindungsstellen 2 und vorzugsweise auch die angrenzenden Bereiche der Statorwicklung 13. Anschließend härtet das Isoliermedium 5 aus und befestigt dadurch den Isolierkörper 4 in der Montageposition 14 an der Statorwicklung 13. Anschließend kann ein aktives Kühlen des Stators 33 für weitere Prozessschritte erfolgen.
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In der 3 ist eine Isoliereinrichtung 1 gezeigt, wie sie beispielsweise zuvor beschrieben wurde. Die Isoliereinrichtung 1 umfasst hier einen ringartigen Isolierkörper 4, welcher zwei umlaufende Flansche 35 aufweist. An einer bestimmungsgemäß den Verbindungsstellen 2 zugewandten Seitenfläche zwischen den Flaschen 35 ist hier das Isoliermedium 5 angeordnet. Das Isoliermedium 5 ist so positioniert und verteilt, dass sich keine Beschränkung für die Ausrichtung in Bezug zu den Verbindungsstellen 2 ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Isoliereinrichtung
- 2
- Verbindungsstelle
- 3
- Maschine
- 4
- Isolierkörper
- 5
- Isoliermedium
- 12
- Leiterelement
- 13
- Statorwicklung
- 14
- Montageposition
- 15
- Hohlkugel
- 22
- Schweißpunkt
- 23
- Stirnseite
- 25
- Thermoplast
- 33
- Stator
- 35
- Flansch
- 43
- Bleckpaket
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018203993 A1 [0003]
