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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator und einen in dem Stator drehbar angeordneten Rotor, wobei die elektrische Maschine ein drehfest gegenüber dem Stator angeordnetes A-Lagerschild und/oder ein drehfest gegenüber dem Stator angeordnetes B-Lagerschild zur Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator aufweist, wobei das A-Lagerschild und/oder das B-Lagerschild im Wesentlichen entlang einer orthogonal zur Drehachse des Rotors stehenden Radialebene erstrecken.
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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, der wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet. 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 Stirnraddifferential 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 betreibarer Antriebsstrang bezeichnet.
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Neben den vollelektrischen Antriebskonzepten sind auf sogg. hybride Antriebe bekannt. Ein Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges umfasst eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglicht - 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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Es sind auch 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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Hierbei werden also folglich auch die Wickelköpfe über den Stator gekühlt. Da jedoch die im Wickelkopfraum sich befindliche (stehende) Luft einen thermischen Isolator darstellt, sind die Wickelköpfe aus thermischer Sicht schlecht an die Umgebung angebunden und bilden typischerweise die heißeste Stelle (Hotspot) im Motor aus. Von einer direkten thermischen Anbindung des Wickelkopfes z.B. durch Vollverguss wird zumeist aus Kostengründen abgesehen.
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Es ist daher daher die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine mit einer verbesserten Kühlung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator und einen in dem Stator drehbar angeordneten Rotor, wobei die elektrische Maschine ein drehfest gegenüber dem Stator angeordnetes A-Lagerschild und/oder ein drehfest gegenüber dem Stator angeordnetes B-Lagerschild zur Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator aufweist, wobei das A-Lagerschild und/oder das B-Lagerschild im Wesentlichen entlang einer orthogonal zur Drehachse des Rotors stehenden Radialebene erstrecken, wobei das A-Lagerschild und/oder das B-Lagerschild zumindest abschnittsweise entlang der Radialebene auf der zum Stator hin gerichteten Seite eine erste Materialschicht aufweist, welche einen thermischen Emissionskoeffizienten ε > 0.9 besitzt.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine erlaubt es, den Wickelkopfbereich thermisch besser an das (aktiv gekühlte) Statorgehäuse bzw.die Umgebung anzubinden und so eine verbesserte Kühlung des Wickelkopfbereichs in der elektrischen Maschine zu bewirken.
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Dies wird nachstehend näher erläutert: Lagerschilde können insbesondere aus Aluminium gefertigt sein, welches im Betrieb nach und nach oxidiert. Oxidiertes Aluminium weist einen thermischen Emissionskoeffizienten von ε = 0.2-0.3 auf, d.h. aus thermischer Sicht handelt es sich um eine spiegelnde Oberfläche. Wenn Wärmestrahlung vom Wickelkopf auf das Lagerschild trifft, wird diese (diffus) reflektiert, sodass die Wärme nicht weitergeleitet wird.
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Dies wird nun erfindungsgemäße durch die Beschichtung der Innenseite der Lagerschilde mit einer nicht reflexiven Materialschicht (ε > 0.9) verbessert, sodass der direkte thermische Pfad durch Wärmestrahlung vom Wickelkopf zur Umgebung „gestärkt“ wird. Hierbei wird zum einen die Tatsache ausgenutzt, dass die Lagerschilde eine gute thermische Anbindung zum insbesondere aktiv gekühlten Statorgehäuse und zur Umgebung haben und zum anderen die hohe Wickelkopftemperatur bei der der thermische Übergang durch Wärmestrahlung maßgeblich wird.
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Mit der getroffenen Maßnahme, also einer Beschichtung der Lagerschildinnenseite, kann Verlustleistung effizienter vom Wickelkopf an die Umgebung abgeführt werden. Der thermische Übergang verbessert sich, je höher die im Wickelkopf zulässige Temperatur ist, und je „ausladendender“ der Wickelkopf ist.
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Mit der erfinderischen Lösung als einfache Maßnahme kann, verhältnismäßig einfach/kostengünstig, die Effizienz eines Elektromotors gesteigert werden, was auch zu einer Erhöhung der Ausfallwahrscheinlichkeit führen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Materialschicht stoffschlüssig an den Lagerschilden angeordnet ist, beispielsweise durch Lackieren oder Umspritzen. Grundsätzlich wäre es aber auch denkbar, die Materialschicht als ein von dem Lagerschild separates Bauteil auszubilden, dass an dem Lagerschild aufliegt und an ihm fixiert ist.
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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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Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil. Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. 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 die elektrische Maschine 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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Die elektrische Maschine ist bevorzugt als Radialflussmaschine ausgestaltet. Der Stator einer Radialflussmaschine ist bevorzugt zylindrisch aufgebaut und besteht insbesondere aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Über den Umfang verteilt, sind bevorzugt in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten oder umfänglich geschlossene Ausnehmungen eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst ferner einen Rotor. Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Der Rotor umfasst bevorzugt eine Rotorwelle und einen oder mehrere drehfest auf der Rotorwelle angeordnete Rotorkörper. Die Rotorwelle kann hohl ausgeführt sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt.
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Als Luftspalt wird der zwischen dem Rotor und dem Stator existierende Spalt bezeichnet. Bei einer Radialflussmaschine ist das ein kreisringförmiger Spalt mit einer radialen Breite, die dem Abstand zwischen Rotorkörper und Statorkörper entspricht.
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Die elektrische Maschine kann in einem Motorgehäuse aufgenommen sein. Das Motorgehäuse umhaust die elektrische Maschine. Ein Motorgehäuse kann darüber hinaus auch die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen. Das Motorgehäuse kann darüber hinaus auch Bestandteil eines Kühlsystems für die elektrische Maschine und derart ausgebildet sein, dass Kühlfluid über das Motorgehäuse der elektrischen Maschine zugeführt werden und/oder die Wärme über die Gehäuseflächen nach außen abgeführt werden kann. Darüber hinaus schützt das Motorgehäuse die elektrische Maschine sowie die ggf. vorhandene Elektronik vor äußeren Einflüssen.
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Ein Motorgehäuse kann insbesondere aus einem metallischen Material gebildet sein. Vorteilhafter Weise kann das Motorgehäuse aus einem metallischen Gussmaterial, wie zum Beispiel Grauguss oder Stahlguss geformt sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, das Motorgehäuse ganz oder teilweise aus einem Kunststoff auszubilden.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst wenigsten einen Lagerschild. Lagerschilde sind die hinteren und vorderen Deckel des Motorgehäuses, die das Innere der elektrischen Maschine beispielsweise gegen Berührung schützen und die Lager der Wellenenden des Rotors aufnehmen. Sie sind üblicherweise sehr genau in das Motorgehäuse eingepasst, um einen möglichst gleichmäßigen Luftspalt zwischen Stator und Rotor zu gewährleisten. Der A-Lagerschild bezeichnet die Abtriebsseite und trägt in der Regel ein Festlager, der B-Lagerschild ist die Lüfterseite und die Lagerung kann üblicherweise über einen Schiebesitz erfolgen, um Wärmedehnungen des Rotors ausgleichen zu können.
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Das A-Lagerschild und/oder das B-Lagerschild können einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgebildet sein. Bei einer zweiteiligen Ausbildung eines Lagerschilds kann insbesondere ein Innenschild radial innerhalb eines Außenschilds angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist es, dass ein Lagerschild aus einem metallischen Material geformt ist. Es kann jedoch grundsätzlich auch möglich sein, dass ein Lagerschild aus einem Kunststoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff, gebildet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das A-Lagerschild und/oder das B-Lagerschild aus Aluminium gefertigt ist.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Stator flüssigkeitsgekühlt ist.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Stator in einem flüssigkeitsgekühltem Motorgehäuse aufgenommen ist.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Stator eine Statorwicklung umfasst, die bevorzugt als verteilte Wicklung ausgeführt ist.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der Stator jeweils an seinen beiden axialen Enden einen Wickelkopf aufweist, der sich in axialer Richtung aus dem Stator herauserstreckt, wobei der jeweilige Wickelkopf axial zwischen dem A-Lagerschild und/oder dem B-Lagerschild und dem Stator positioniert ist.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Wickelköpfe eine Mehrzahl von isolierten Kupferdrähten aufweisen.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Kupferdrähte eine organische Lackbeschichtung aufweisen.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der thermische Emissionskoeffizient der organischen Lackbeschichtung der Kupferdrähte der Wickelköpfe ε > 0.9 beträgt.
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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 eine elektrische Maschine in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 2 ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine in einer schematischen Blockschaltdarstellung.
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Die Figur zeigt eine elektrische Maschine 1, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 2, wie es auch in der 2 skizziert ist. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 3 und einen in dem Stator 3 drehbar angeordneten Rotor 4. Die elektrische Maschine 1 weist ferner ein drehfest gegenüber dem Stator 3 angeordnetes A-Lagerschild 6 und ein drehfest gegenüber dem Stator 3 angeordnetes B-Lagerschild 7 zur Lagerung des Rotors 4 gegenüber dem Stator 3 auf. Das A-Lagerschild 6 und das B-Lagerschild 7 erstrecken sich im Wesentlichen entlang einer orthogonal zur Drehachse des Rotors 4 stehenden Radialebene 8.
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Das A-Lagerschild 6 und das B-Lagerschild 7 sind aus Aluminium gefertigt und besitzten zumindest abschnittsweise entlang der Radialebene 8 auf der zum Stator 3 hin gerichteten Seite eine erste Materialschicht 9, welche einen thermischen Emissionskoeffizienten ε > 0.9 besitzt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die gesamten zum Stator 3 hin gerichteten Oberflächen der Lagerschilde 6,7 mit der Materialschicht 9 versehen.
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Der Stator 3 ist flüssigkeitsgekühlt. Es ist alternativ oder ergänzend auch möglich, dass der Stator 3 in einem flüssigkeitsgekühltem Motorgehäuse 10 aufgenommen ist. Der Stator 3 eine Statorwicklung 13 umfasst, die bevorzugt als verteilte Wicklung ausgeführt ist. Der Stator 3 weist jeweils an seinen beiden axialen Enden einen Wickelkopf 11 auf, der sich in axialer Richtung aus dem Stator 3 herauserstreckt, wobei der jeweilige Wickelkopf 11 axial zwischen dem A-Lagerschild 6 und/oder dem B-Lagerschild 7 und dem Stator 3 positioniert ist.
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Die Wickelköpfe 11 besitzen eine Mehrzahl von isolierten Kupferdrähten 12, die eine organische Lackbeschichtung aufweisen. Der thermische Emissionskoeffizient der organischen Lackbeschichtung der Kupferdrähte 12 der Wickelköpfe 11 beträgt ε > 0.9.
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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
- elektrische Maschine
- 2
- Kraftfahrzeug
- 3
- Stator
- 4
- Rotor
- 6
- A-Lagerschild
- 7
- B-Lagerschild
- 8
- Radialebene
- 9
- Materialschicht
- 10
- Motorgehäuse
- 11
- Wickelkopf
- 12
- Kupferdrähte
- 13
- Statorwicklung
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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]
