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Die Erfindung betrifft ein Elektroblechpaket für einen Stator oder Rotor einer elektrischen Maschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Elektroblechpaketes, welches zur Verwendung in einer elektrischen Maschine geeignet ist.
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Die
EP 0 729 665 B1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Ankers für einen Elektromotor. Dieses Verfahren kann das Erzeugen einer Kunststoff-Füllung durch Spritzgießen, Spritzpressen oder Kompressionspressen umfassen. Die Kunststoff-Füllung ist im Fall der
EP 0 729 665 B1 einem Kommutator zuzurechnen, welcher ebenso wie ein Blechpaket auf einer Welle angeordnet ist.
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Im Unterschied zum Spritzgießen, bei welchem thermoplastisches Material verarbeitet wird, wird beim Spritzpressen duroplastisches Material verarbeitet. Dies kann geschehen, indem mit Hilfe eines Kolbens Formmasse von einer beheizten Vorkammer aus in einen Hohlraum eingebracht wird und dort aushärtet. Grundsätzlich bekannt ist auch die Herstellung faserverstärkter Werkstücke durch Spritzpressen.
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Die Umspritzung eines Stators einer elektrischen Maschine mit einer duroplastischen Masse ist beispielsweise in der
DE 10 2013 227 054 A1 beschrieben. In die Umspritzung ist in diesem Fall ein Loslager eingeformt. Statt eines Duroplasts soll auch ein Faser-Matrix-Halbzeug mit duroplastischer Matrix verwendbar sein. Der Stator kann insbesondere als segmentierter Stator ausgebildet sein.
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Die
DE 10 2015 212 007 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Ausbildung einer zumindest abschnittsweisen Umspritzung. In diesem Fall wird eine Rotorwelle mit einem duroplastischen oder thermoplastischen Material umspritzt. Die Vorrichtung nach der
DE 10 2015 212 007 A1 umfasst ein Spannelement, welches zum Fixieren eines Einlegeteils in einer Einlegeausnehmung ausgebildet ist.
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Aus der
DE 10 2017 220 123 A1 ist eine Nutwandisolation für einen Stator eines Elektromotors bekannt. Die Nutwandisolation soll direkt auf einer Fläche eines Statorblechs in einem Spritzgussprozess ausbildbar sein. Damit ist die Nutwandisolation zahnförmig ausgebildet. Durch die zahnförmige Gestaltung ist eine Aussparung ausgebildet, welche zur Aufnahme eines elektrischen Leiters geeignet ist.
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Die
DE 10 2008 032 214 B4 offenbart einen Reluktanzmotor, dessen Rotor in Umfangsrichtung regelmäßig angeordnete Aussparbereiche aufweist. Der Rotor ist als Blechpaket ausgeführt, wobei aus den Blechteilen die Aussparungen ausgestanzt sind. Die einzelnen Blechteile können durch Stanzpaketierung zusammengehalten werden. Optional sind die Aussparungen mit Kunststoff ausgespritzt.
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Die
DE 10 2016 224 249 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine Synchronreluktanzmaschine, das die Verfahrensschritte Stapeln eines Rotorpaketes und Ausspritzen von Flusssperren innerhalb des Rotorpaketes mit einem Magnetpartikel enthaltenden Kunststoffmaterial umfasst. Weiter ist das Ausrichten der Magnetpartikel durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes vorgesehen.
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Aus der
DE 25 36 390 B1 ist ein Kurzschlussläufer für eine elektrische Maschine mit in das Läuferblechpaket eingespritztem Kurzschlusskäfig bekannt. Der Kurzschlusskäfig hält das Läuferblechpaket zusammengepresst und umfasst stirnseitige Kurzschlussringe, wobei mindestens einer der Kurzschlussringe mit einer Läufernabe oder Läuferwelle verdrehungs- und verschiebungssicher verzahnt ist. Ein gattungsgemäßes Elektroblechpaket ist aus der
US 5 806 169 A bekannt. Ein relevantes Verfahren zur Herstellung eines Ankers eines Elektromotors ist aus der
EP 0 729 665 B1 bekannt. Weiterer relevanter Stand der Technik ist in der
US 2018/ 0 131 247 A1 und
US 2017/ 0 117 781 A1 offenbart.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Komponenten elektrischer Maschinen, das heißt Elektromotoren, Generatoren oder Transformatoren, bei deren Herstellung Spritzpressen zum Einsatz kommt, gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter fertigungstechnischen Aspekten weiterzuentwickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Elektroblechpaket mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines für die Verwendung in einer elektrischen Maschine geeigneten Elektroblechpakets gemäß Anspruch 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das für Verwendung in einer elektrischen Maschine vorgesehene Elektroblechpaket, und umgekehrt.
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Das Elektroblechpaket umfasst eine Anzahl an Einzelblechen, welche elektrisch voneinander isoliert gestapelt sind und miteinander fluchtende Durchbrüche aufweisen. Ferner ist ein duroplastisches, durch Spritzpressen erzeugtes Vergusselement vorgesehen, welches die Gesamtheit der Durchbrüche durchdringt und hierbei die Einzelbleche formschlüssig hintergreift.
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Das duroplastische Material, welches durch Transfer Moulding verarbeitet wird, weist elektrisch isolierende Eigenschaften auf. Damit sind insbesondere elektrische Überschläge zwischen elektrischen Leitungen und Blechen des Elektroblechpakets ausgeschlossen. Zugleich kann die Materialzusammensetzung derart gewählt werden, dass eine für den Anwendungsfall ausreichend hohe thermische Leitfähigkeit gegeben ist. Insbesondere ist als duroplastisches Material Epoxidharz verwendbar, welches zum Beispiel unter der Bezeichnung EPOXIDUR® EP 3161 E am Markt erhältlich ist.
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Um den erforderlichen Formschluss zu den metallischen Komponenten des Blechpakets herzustellen, weist das insgesamt längliche Vergusselement eine über seine Länge uneinheitliche Breite auf. Beispielsweise weist das Vergusselement eine jeweils zwischen zwei Einzelblechen gegebene Maximalbreite auf, die mindestens das 1,5-fache der in den Durchbrüchen zu messenden Minimalbreite des Vergusselementes beträgt. Die Maximalbreite beträgt hierbei insbesondere nicht mehr als das Dreifache der Minimalbreite des Vergusselementes.
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Gemäß verschiedener möglicher Ausführungsformen sind die Einzelbleche frei von direkt zwischen diesen Einzelblechen gebildetem Formschluss aufeinandergestapelt. Dies hat den Vorteil, dass jegliche Verfahrensschritte, in denen die Einzelbleche umgeformt werden, etwa durch Clinchen, entfallen können. Ebenso können Schritte wie Laserschweißen entfallen. Das mindestens eine Vergusselement, welche durch Transfer Moulding erzeugt wird, kann das einzige Mittel zum Zusammenhalten des gesamten Elektroblechpakets darstellen.
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Was die Form der Durchbrüche des Blechstapels betrifft, sind verschiedenste Varianten möglich. Weisen die Durchbrüche eine geschlossene Umrandung auf, kann es sich insbesondere um kreisrunde, ovale oder polygonförmige Löcher handeln. Ebenso können die Durchbrüche beispielsweise eine Kleeblatt-, Standuhr- oder Schwalbenschwanzform haben. In allen Fällen sind durch das Aushärten des duroplastischen Materials Verspannungen innerhalb des Elektroblechpakets erzeugbar, wobei das Vergusselement insbesondere zur Übertragung von Zugkräften geeignet ist und damit einen Zuganker darstellen kann. Der vielfach gegebene Formschluss zwischen dem Vergusselement und den einzelnen Blechen des Elektroblechpaketes kann hierbei dafür sorgen, dass Kräfte nicht über die gesamte Länge des Vergusselementes, sondern nur über einen Bruchteil seiner Länge zu übertragen sind. Insgesamt sind somit in Relation zu den Abmessungen des Vergusselementes hohe Kräfte innerhalb des Elektroblechpaketes übertragbar.
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Im Fall von Durchbrüchen ohne geschlossene Umrandung bilden diese insbesondere eine Nut, beispielsweise eine U-förmige Nut eines Stators. In die Statornut können elektrische Leiter eingebracht werden. Auch ist es möglich, Leiter innerhalb der Statornut unmittelbar durch duroplastisches Material zu umspritzen. Im Fall des Einbringens von Kupferwicklungen im Hairpin-Verfahren ist ein direkter Verschluss einer Nut durch das Transfer Moulding möglich, so dass das Einbringen eines Verschlusskeils entfallen kann.
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Allgemein ist das Elektroblechpaket herstellbar, indem ein Stapel elektrisch gegeneinander isolierter Einzelbleche, welche miteinander fluchtende Durchbrüche aufweisen, durch Transfer Moulding mit einem insgesamt bolzenförmigen duroplastischen, in die Durchbrüche eingebrachten Vergusselement, welches zur Aufnahme von Zugkräften zwischen beliebigen der Einzelbleche ausgebildet ist, versehen wird. Beim Transfer Moulding, das heißt Spritzgießen, wird duroplastisches Material insbesondere derart zwischen die Einzelbleiche eingebracht, dass ein Formschluss zwischen jedem der Einzelbleche und dem Vergusselement entsteht.
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Handelt es sich bei dem Elektroblechpaket um ein Teil eines mit Permanentmagneten zu bestückenden Rotors eines Elektromotors, so kann die Fixierung der einzelnen Magnete in einem einzigen Arbeitsgang zusammen mit der Herstellung der Verbindung zwischen den Einzelblechen durch Transfer Moulding erfolgen. Als Werkstoff hierfür ist insbesondere Epoxidharz geeignet. Im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren ist damit die Anzahl der Arbeitsschritte und der Abstimmaufwand reduziert, wobei zugleich eine hohe geometrische Präzision des Endproduktes, das heißt Elektroblechpaketes einschließlich der Permanentmagnete, erzielbar ist.
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Der Vorgang des Transfer Mouldings ist mit einer magnetischen Fixierung des Blechpakets kombinierbar. Dies gilt insbesondere für Verfahrensvarianten, in denen durch Transfer Moulding eine Statornut isoliert wird. Unabhängig von der Art des Blechpaketes können die Einzelbleche mit Hilfe eines Spanndorns zentriert werden, welcher auch für die geforderte Rechtwinkligkeit innerhalb der zu montierenden Anordnung sorgt. Gleichzeitig kann das Blechpaket durch Zusammenpressen eines für das Transfer Moulding vorgesehenen Werkzeugs hinsichtlich seiner Abmessung in axialer Richtung, das heißt der Richtung normal zu den Ebenen, in welchen die Einzelbleche angeordnet sind, justiert werden.
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Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass bei der Herstellung von Statoren oder Rotoren von Elektromotoren oder Generatoren aufwendige Herstellungsschritte wie Kleben oder Umformen komplett entfallen oder im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen zumindest deutlich einfacher gestaltet werden können. Funktionale Einschränkungen des hergestellten Bauteils, das heißt Stators oder Rotors, sind hierbei nicht in Kauf zu nehmen. Vielmehr zeichnet sich das Herstellungsverfahren durch eine Anwendbarkeit bei einer Vielzahl unterschiedlichster elektrotechnischer Produkte, deren Komponenten durch betriebsbedingte Kräfte belastet sind, aus. Eine zerstörungsfreie Demontage des Elektroblechpakets, welches durch das duroplastische Vergusselement oder eine Mehrzahl solcher Vergusselemente zusammengehalten wird, ist in der Regel nicht vorgesehen. Das Elektroblechpaket ist unter Verwendung standardisierter Elektrobleche ohne Beschichtung herstellbar.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 den Aufbau eines Elektroblechpakets für eine elektrische Maschine in einer schematischen Schnittdarstellung,
- 2 ein Elektroblechpaket eines Stators eines Elektromotors in perspektivischer Ansicht,
- 3 eine Anordnung zum Verbinden der Einzelbleche des Elektroblechpakets nach 2 mittels Transfer Moulding,
- 4 die Anordnung nach 3 ohne Elektroblechpaket,
- 5 ein Detail eines Elektroblechpakets eines Rotors eines Elektromotors,
- 6 den Querschnitt eines Vergusselementes der Anordnung nach 1,
- 7 ein weiteres Vergusselement für ein Elektroblechpaket in Ansicht analog 6,
- 8 ausschnittsweise einen ein Elektroblechpaket umfassenden Rotor eines Elektromotors in Draufsicht,
- 9 die Anordnung nach 8 in perspektivischer Ansicht.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Funktionsteil eines Elektromotors, das heißt ein Stator oder ein Rotor, umfasst ein Elektroblechpaket 2, welches aus einer Vielzahl an Einzelblechen 3 aufgebaut ist. Zwischen den Einzelblechen 3 befinden sich elektrisch isolierende Lagen, die entweder durch gesonderte Komponenten oder durch Beschichtungen der Einzelbleche 3 bereitgestellt werden können. Ebenso ist es möglich, die elektrische Isolation innerhalb des Elektroblechpakets 2 ausschließlich durch das Verfahren des Transfer Mouldings, auf welches noch im Detail eingegangen werden wird, herzustellen.
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In allen Fällen weisen die aufeinander gestapelten Einzelbleche 3, das heißt die einzelnen Elektrobleche, mehrere Durchbrüche 4 mit geschlossener Umrandung, insbesondere kreisrunde Löcher, und/oder Nuten 8, welche allgemein als Durchbrüche ohne geschlossene Umrandung bezeichnet werden, auf. Die Durchbrüche 4, 8 sind beispielsweise durch Stanzen herstellbar. Zumindest einzelne Durchbrüche 4, 8 sind vollständig oder teilweise durch ein Vergusselement 5 aus duroplastischem Material ausgefüllt. Die Vergusselemente 5 sind elektrisch isolierend und stellen formschlüssige, mechanisch belastbare Verbindungen zwischen den Einzelblechen 3 her.
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Jedes Vergusselement 5 erstreckt sich parallel zur Mittelachse des Funktionsteils 1 und umfasst alternierend angeordnete sogenannte eingeschnürte Abschnitte 6 und Formschlussabschlüsse 7. Die Breite der eingeschnürten Abschnitte 6 ist mit Bmin, die Breite der Formschlussabschnitte 7 mit Bmax angegeben. In axialer Richtung des Funktionsteils 1 und damit auch des Vergusselementes 5 weist jeder eingeschnürte Abschnitt 6 eine Dicke DE auf, welche der Dicke eines Einzelblechs 3 entspricht. Die zwischen den Einzelblechen 3 gegebene Dicke des Formschlussabschnitts 7 ist mit D7 angegeben.
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Im Ausführungsbeispiel nach 1 hat das Vergusselement 5 die Form eines Bolzens, dessen eingeschnürte Abschnitte 6 als ringförmig umlaufende Nuten ausgebildet sind. Der Durchmesser eines den Bolzen umschreibenden Zylinders hat einen Durchmesser, welcher der maximalen Breite Bmax entspricht. Die Formschlussabschnitte 7 sowie die zwischen diesen angeordneten eingeschnürten Abschnitte 6 haben die Form von kreisrunden Scheiben oder Stababschnitten. Auf die Einzelbleche 3 einwirkende Kräfte, auch Axialkräfte, bezogen auf die Mittelachse des Funktionsteils 1, werden mit Hilfe der Formschlussabschnitte 7 durch die Vergusselemente 5 aufgenommen. Dies gilt auch in Fällen, in denen - anders als in 1 dargestellt - die Formschlussabschnitte 7 in Axialrichtung wesentlich weniger ausgedehnt sind als die eingeschnürten Abschnitte 6.
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Schritte der Herstellung des Elektroblechpakets 2 nach 2 werden im Folgenden anhand der 3 und 4 näher erläutert. Zum Einbringen der mechanisch belastbaren Vergusselemente 5 wird ein insgesamt mit 11 bezeichnetes Werkzeug verwendet, welches eine Angussplatte 12, eine Entlüftungsplatte 13, sowie eine Trägerplatte 14 umfasst und als Transfer Moulding Werkzeug, das heißt Werkzeug zum Spritzpressen, ausgebildet ist. In dem in 3 sichtbaren Zustand wird duroplastisches, vorgewärmtes Material von der Angussplatte 12 aus durch die Durchbrüche 4 gepresst, wobei die Durchbrüche 4 im vorliegenden Fall in Form von neun gleichförmig am Umfang des Stators 1 verteilten Durchgangsbohrungen vorliegen.
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Während des Spritzpressens, das heißt Transfer Mouldings, werden automatisch auch die Formschlussabschnitte 7 der Vergusselement 6 erzeugt, wobei die tatsächliche Form der Formschlusselemente 7 von der in den 1 und 6 dargestellten idealisierten Form abweichen kann. Nach dem Aushärten der Vergusselemente 5 kann das Funktionsteil 1 vom Werkzeug 11 abgenommen werden. Wie aus 4 hervorgeht, weist das Werkzeug 11 in seinem mittleren Abschnitt, dessen Höhe der axialen Ausdehnung des Stators 1 entspricht, mehrere, im vorliegenden Fall drei, leistenförmige Zentrierschwerter 15 auf, mit denen die korrekte Positionierung des Elektroblechpakets 2 gegenüber dem Werkzeug 11 beim Spritzpressen sichergestellt ist.
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Die 5 zeigt ausschnittsweise einen Rotor 1 als Funktionsteil eines Elektromotors, nämlich Innenläufers. Auch der Rotor 1 ist mit Hilfe eines Werkzeugs 11 herstellbar, dessen grundsätzlicher Aufbau der Bauform nach den 3 und 4 entspricht. Im Fall von 5 liegt der Durchbruch 8 in Form einer Nut vor, deren Nutflanken mit 9 und deren Nutgrund mit 10 bezeichnet ist. In Anpassung an die Form der Nut 8 hat auch das Vergusselement 5 einen U-förmigen Querschnitt. Der offene Bereich der Nut 8 ist mit Wicklungen oder Magneten ausfüllbar. In nicht dargestellter Weise können die Wicklungen oder Magneten direkt in das Vergusselement 5 eingebettet sein.
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Die Formschlussabschnitte 7 des U-förmigen Vergusselementes 5 nach 5 ragen über die Nutflanken 9 und den Nutgrund 10 hinaus in die Bereiche zwischen die Einzelbleche 3, so dass auch in diesem Fall, ebenso wie im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 6, der gewünschte Formschluss zwischen den Einzelblechen 3 gegeben ist.
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Die 7 zeigt eine schwalbenschwanzförmige Querschnittsgestaltung des duroplastischen Vergusselementes 5, welche sowohl für Statoren als auch Rotoren als Funktionsteile 1 von Elektromotoren oder Generatoren in Betracht kommen. In nicht dargestellter Weise könnte das Vergusselement 5 auch einen Querschnitt in der Art einer Sanduhr oder eines Kleeblatts aufweisen. In allen Fällen ragen die Formschlussabschnitte 7 in Querrichtung des insgesamt langgestreckten Vergusselementes 5 über die eingeschnürten Abschnitte 6 hinaus, so dass die gewünschte Formschlussfunktion gegeben ist. Darüber hinaus gehende Verbindungen zwischen den Einzelblechen 3, etwa durch Stanzpaketieren, Kleben oder Schweißen, sind zur Herstellung der erforderlichen mechanischen Stabilität des Funktionsteils 1 nicht erforderlich.
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In den 8 und 9 ist ausschnittweise ein Rotor 1 eines Elektromotors dargestellt, wobei sich in zahleichen Ausnehmungen 16, die durch das Elektroblechpaket 2 des Rotors 1 bereitgestellt sind, Magneten 17, nämlich Permanentmagneten, befinden. Ferner ist in den 8 und 9 ein Durchbruch 4 mit geschlossener Umrandung erkennbar, welcher für die Aufnahme eines in diesem Fall nicht dargestellten Vergusselementes 5 aus einem duroplastischen Material, nämlich Epoxidharz, vorgesehen ist.
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Der Durchbruch 4 ist im vorliegenden Fall in der Art eines vierblättrigen Kleeblatts gestaltet und damit in besonderem Maße zur Aufnahme von Kräften in verschiedensten Richtungen geeignet. Beim Aushärten des Materials, aus welchem das Vergusselement 5 gebildet wird, entstehen mechanische Spannungen, die das Elektroblechpaket besonders wirksam zusammenhalten. Mehrere kleeblattförmige Durchbrüche 4 der dargestellten Art sind über den Querschnitt des Elektroblechpakets 2 verteilt und ersetzen insbesondere gesonderte, metallische Verbindungselemente sowie durch Verformung der Einzelbleche 3 gebildete Verbindungen herkömmlicher Elektromotoren.
