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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stators für eine elektrische Maschine. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen solchen Stator.
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Ein Stator ist gewöhnlich Bestandteil einer elektrischen Maschine und wirkt mit einem zugehörigen Rotor zusammen. Am Stator ist in der Regel zumindest eine Spulenwicklung vorgesehen, um das elektromagnetische Zusammenwirken mit dem zugehörigen Rotor zu erreichen. Derartige Statoren werden gewöhnlich in der Form eines Hohlzylinders aufgebaut. Die zumindest eine Spulenwicklung ist dabei von einer radial inneren und radial äußeren Wand der Spule, auch als Joch bekannt, begrenzt. Gewöhnlich wird die zumindest eine Spulenwicklung auf einen hohlzylinderförmigen Träger montiert, um den Stator herzustellen.
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Insbesondere bei Statoren mit größeren Dimensionen, insbesondere größeren Durchmessern, kann auch ein segmentierter Aufbau des Stators zum Einsatz kommen, um die Herstellung des Stators zu vereinfachen.
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Ein derartiger Stator weist hierbei mehrere in einer Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Segmente auf, welche nachfolgend auch als Statorsegmente bezeichnet werden. Das jeweilige Statorsegment umfasst gewöhnlich einen Trägerzahn, auf dem eine Spulenwicklung montiert wird. Die Statorsegmente werden zum Herstellen des Stators in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet und miteinander verbunden.
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Im Betrieb des Stators kommt es zur Erzeugung von Abwärme, welche eine Kühlung des Stators erforderlich machen kann. Zum Kühlen des Stators können entsprechende Kühler am Stator angebracht werden. Um eine verbesserte Kühlung zu erreichen, ist es vorstellbar, ein Kühlfluid einzusetzen, welches im Betrieb vom Stator Wärme aufnimmt. Dies erfordert aber üblicherweise die Montage entsprechender Kühlkanäle, welche zu einer aufwändigen Herstellung der Spule mit erhöhten Herstellungskosten führen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für ein Verfahren zum Herstellen eines zumindest zwei miteinander verbundene Statorsegmente aufweisenden Stators sowie für einen solchen Stator verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, welche sich durch eine vereinfachte Herstellung und eine erhöhte Leistungsdichte auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem segmentiert aufgebauten Stator zumindest zwei der Statorsegmente vor dem Zusammensetzen der Statorsegmente mit zugehörigen Abschnitten zu versehen, welche im zusammengesetzten und verbundenen Zustand der Statorsegmente einen Kanal ausbilden, wobei der Kanal im Betrieb des Stators zum Kühlen des Stators eingesetzt werden kann. In der Folge ist ein Kühlsystem zum Kühlen des Stators zumindest teilweise in der Herstellung der Spulensegmente integriert. Daraus resultiert eine vereinfachte Realisierung des Kühlsystems, insbesondere weil das nachträgliche Einbringen der Kanäle im oder am fertig hergestellten Stator entfallen oder zumindest reduziert ist. Durch die Integration des Kühlsystems in der Herstellung der Statorsegmente sind die Kanäle ferner näher an zugehörigen Spulenwicklungen angeordnet und/oder haben die Kanäle eine verbesserte wärmeübertragende Verbindung mit den Spulenwicklungen. Daraus resultiert eine verbesserte Kühlung der Spulenwicklungen und somit eine erhöhte Leistungsdichte des Stators.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist der Stator also zumindest zwei in einer Umfangsrichtung aufeinanderfolgende und miteinander verbundene Statorsegmente auf. Vorzugsweise weist der Stator drei oder mehr, also mehrere solche Statorsegmente auf. Das jeweilige Statorsegment umfasst hierbei einen Trägerzahn, auf welchem eine Spulenwicklung montiert wird. Somit weist die jeweilige Spulenwicklung zwei in Umfangsrichtung voneinander abgewandte Außenseiten auf. Zum Herstellen der Spule werden dabei die Spulensegmente in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet, sodass die Außenseiten aufeinanderfolgender Spulenwicklungen in Umfangsrichtung gegenüberliegend angeordnet sind. Erfindungsgemäß wird vor dem Anordnen der Statorsegmente in Umfangsrichtung und somit vor dem Herstellen des Stators, auf der vom zugehörigen Trägerzahn in Umfangsrichtung abgewandten Seite von zumindest zwei im späteren Stator einander in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Spulenwicklungen jeweils eine elektrisch isolierende Wandung angebracht, sodass im späteren Stator zwischen den gegenüberliegenden Außenseiten zwei zugehörige Wandungen gegenüberliegend angeordnet sind. Anschließend werden die Statorsegmente in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet, sodass die zugehörigen Wandungen jeweils einen Kanal begrenzen. Zu diesem Zweck ist zumindest eine der Wandungen entsprechend geformt. Danach werden die Statorsegmente zum Herstellen des Stators miteinander verbunden, sodass der jeweilige Kanal gegenüber den Spulenwicklungen fluidisch abgedichtet ist.
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Zweckmäßig weist der Stator eine hohlzylindrische Form auf. Das heißt, dass das Anordnen der Statorsegment in Umfangsrichtung und das Verbinden der Statorsegmente einen in Umfangsrichtung umlaufenden Stator ergibt.
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Das Verbinden der Spulensegmente miteinander kann prinzipiell beliebig erfolgen.
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Insbesondere werden die Spulensegmente stoffschlüssig, beispielsweise durch Schweißen, insbesondere durch Ultraschallschweißen, miteinander verbunden.
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Zweckmäßig begrenzen die zugehörigen, das heißt in der Spule gegenüberliegenden, Wandungen zum Ausbilden des Kanals einen Hohlraum. Der Hohlraum und somit der Kanal ist für ein Kühlfluid, insbesondere für eine Flüssigkeit, zum Kühlen der Spule durchströmbar.
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Prinzipiell können ein solcher Kanal und somit derartige Wandungen lediglich zwischen zwei einander zugewandten Außenseiten und somit zwischen zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Spulensegmenten vorgesehen werden.
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Bevorzugt ist es, wenn ein solcher Kanal durch das Anbringen von Wandungen zwischen zumindest zwei, vorteilhaft zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Statorsegmenten ausgebildet wird.
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Die jeweilige Wandung kann prinzipiell auf beliebige Art an das zugehörige Statorsegment angebracht werden.
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Als bevorzugt gelten Ausführungsformen, bei denen zumindest eine der Wandungen durch Spritzguss hergestellt und somit am zugehörigen Statorsegment angebracht wird. Insbesondere wird die Wandung am zugehörigen Statorsegment auf der vom zugehörigen Trägerzahn in Umfangsrichtung abgewandten Seite der zugehörigen Außenseite der Spulenwicklung angespritzt. Somit wird eine einfache und definierte Herstellung der Wandung bei zugleich vereinfachter Abdichtung gegenüber der zugehörigen Spulenwicklung erreicht.
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Der Werkstoff, aus dem die jeweilige Wandung hergestellt wird, kann prinzipiell beliebig sein, sofern die Wandung elektrisch isolierend ist.
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Bevorzugt sind hierbei Ausführungsformen, bei denen zumindest eine der Wandungen, vorteilhaft die jeweilige Wandung, aus einem Thermolast, insbesondere durch Spritzguss, hergestellt wird. Dies ermöglicht insbesondere ein schnelleres Anbringen der Wandung und ermöglicht somit eine höhere Taktung bei der Herstellung des zugehörigen Statorsegments.
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Prinzipiell kann zumindest eine der Wandungen unmittelbar auf der Außenseite der zugehörigen Spulenwicklung angebracht sein.
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Bevorzugt ist es, wenn zwischen der Wandung und der Spulenwicklung eine Schutzschicht aufgebracht wird. Mit der Schutzschicht kann insbesondere eine verbesserte Isolierung gegenüber der Spulenwicklung erreicht werden. Das heißt, dass auf der Außenseite zumindest einer der Spulenwicklungen, vorteilhaft der jeweiligen Spulenwicklung, eine Schutzschicht angebracht und die Wandung auf der Schutzschicht angebracht wird.
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Zweckmäßig ist die jeweilige Schutzschicht elektrisch isolierend.
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Prinzipiell kann die Schutzschicht lediglich auf der Außenseite oder den Außenseiten der zugehörigen Spulenwicklung angebracht sein.
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Vorteilhaft wird die Schutzschicht auf die gesamte Spulenwicklung angebracht. Somit erfolgt ein entsprechender Schutz der gesamten Spulenwicklung.
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Die jeweilige Schutzschicht kann prinzipiell auf beliebige Art an der zugehörigen Spulenwicklung angebracht werden.
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Vorteilhaft wird zumindest eine der wenigstens einen Schutzschichten, vorteilhaft die jeweilige Schutzschicht, durch Spritzguss an der Spulenwicklung angebracht.
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Insbesondere wird die Spulenwicklung mit der Schutzschicht umspritzt. Dies ermöglicht ein einfaches und zügiges Anbringen der Schutzschicht.
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Die Schutzschicht kann prinzipiell aus einem beliebigen Werkstoff hergestellt sein, sofern sie elektrisch isolierend ist.
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Bevorzugt ist die Schutzschicht ein Duroplast. Besonders bevorzugt wird die Schutzschicht ferner durch Spitzguss an der Spulenwicklung angebracht. Das heißt, dass zum Herstellen zumindest eine der Schutzschichten, vorteilhaft der jeweiligen Schutzschicht, ein Duroplast durch Spritzguss auf der Spulenwicklung angebracht, die Spulenwicklung insbesondere mit dem Duroplast umspritzt wird. Durch die geringe Viskosität und somit kleineren Einspritzgüsse kommt es hierbei zu einem Anbringen der Schutzschicht, insbesondere Umspritzen der Spulenwicklung mit der Schutzschicht, derart, dass Lufteinschlüsse in der Spulenwicklung vermieden oder zumindest reduziert sind. In der Folge kommt es zu einer verbesserten Wärmeübertragung von der Spulenwicklung auf das durch den zugehörigen Kanal strömende Kühlfluid. Darüber hinaus werden durch Lufteinschlüsse bedingte Störungen im Betrieb der Spulenwicklung verhindert oder zumindest reduziert.
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Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen wird zunächst ein Duroplast zum Herstellen der Schutzschicht an der Spulenwicklung durch Spritzguss angebracht. Somit ist die Spulenwicklung auch geometrisch definiert und festgelegt, das heißt, dass Verschiebungen der Spulenwicklung durch das anschließende Anbringen der Wandung verhindert oder zumindest reduziert sind.
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Anschließend wird als Wandung ein Thermoplast durch Spritzguss hergestellt. Das Vorhandensein der zuvor angebrachten Schutzschicht ermöglicht es hierbei, den Thermoplast mit erhöhten Drücken und/oder Geschwindigkeiten zu spritzen, insbesondere weil die Geometrie der Spulenwicklung durch die Schutzschicht fixiert ist und die Schutzschicht ferner Lufteinschlüsse in der Spulenwicklung verhindert. Insgesamt ist somit eine zuverlässige und definierte Herstellung des jeweiligen Statorsegments und somit des Stators bei einer erhöhten Taktung erzielt.
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Prinzipiell können die jeweiligen Statorsegmente unterschiedliche Formen aufweisen und/oder unterschiedlich hergestellt sein.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen zumindest zwei der zumindest zwei Statorsegmente, vorteilhaft sämtliche Statorsegmente, als Gleichteile bereitgestellt und somit hergestellt werden. Dies führt zu einer besonders einfachen und kostengünstigen Herstellung des Stators. Zugleich ist auf diese Weise zwischen den Spulenwicklungen der Statorsegmente jeweils ein solcher Kanal ausgebildet. Daraus resultiert eine verbesserte Kühlung und folglich eine erhöhte Leistungsdichte der Spule.
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Um die Fluidführung durch den zumindest einen Kanal zu ermöglichen, ist es bevorzugt, wenn der jeweilige Kanal in Axialrichtung zumindest einseitig offen hergestellt wird. Der jeweilige Kanal weist also vorteilhaft zumindest eine in Axialrichtung offen Öffnung zum Einströmen bzw. Ausströmen des Kühlfluids auf.
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Bei vorteilhaften Ausführungsformen wird axial am zumindest einen Kanal anschließend eine Kammer zum Einbringen bzw. Sammeln des Kühlfluids aus dem entsprechenden Kanal angeordnet, vorzugsweise ferner mit dem zumindest einen Statorsegment gefügt.
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Der Stator kann prinzipiell in beliebigen Anwendungen zum Einsatz kommen.
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Insbesondere kommt der Stator in einer elektrischen Maschine zum Einsatz, wo er mit einem entsprechenden Rotor zusammenwirkt.
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Es versteht sich ferner, dass neben dem Verfahren zum Herstellen des Stators auch ein derart hergestellter Stator zum Umfang dieser Erfindung gehört.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend 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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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine Draufsicht auf einen Stator,
- 2 eine isometrische Ansicht während der Herstellung des Stators,
- 3 den in 1 mit III bezeichneten Schnitt durch den Stator,
- 4 die Ansicht aus 3 bei einem anderen Ausführungsbeispiel.
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Ein Stator 1, wie er beispielsweise in den 1 bis 4 gezeigt ist, umfasst zumindest zwei Statorsegmente 2, welche in einer Umfangsrichtung 3 aufeinanderfolgend angeordnet und miteinander zum Ausbilden des Stators 1 verbunden sind. In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist der Stator 1 mehrere solche Statorsegmente 2 auf, welche in Umfangsrichtung 3 aufeinanderfolgend angeordnet und miteinander verbunden sind.
Hierzu werden, wie in 2 angedeutet, die einzelnen Statorsegmente 2 in Umfangsrichtung 3 aneinander angeordnet und anschließend miteinander, beispielsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Schweißen, verbunden. Wie insbesondere den 2 bis 4 entnommen werden kann, umfasst das jeweilige Statorsegment 2 eine Spulenwicklung 4, welche auf einem Träger 5 des Statorsegments 2 montiert ist, der nachfolgend auch als Trägerzahn 5 bezeichnet wird. Wie 2 entnommen werden kann, weist der Stator 1 somit insgesamt die Form eines Hohlzylinders auf, wobei die Spulenwicklungen 4 der Statorsegmente 2 zwischen einem inneren Joch 6 und einem äußeren Joch 7 angeordnet sind. Der jeweilige Trägerzahn 5 weist hierbei einen entsprechenden Abschnitt des inneren Jochs 6 und äußeren Jochs 7 auf. Der Stator 1 erstreckt sich also in Umfangsrichtung 3 sowie in einer Axialrichtung 9. Die jeweilige Spulenwicklung 4 weist in Umfangsrichtung 3 zwei voneinander abgewandte Außenseiten 8 auf. Im Stator 1 sind somit die Außenseiten 8 von in Umfangsrichtung 3 aufeinanderfolgenden Statorsegmenten 2 gegenüberliegend angeordnet.
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3 zeigt einen in Axialrichtung 9 verlaufenden Schnitt durch den Stator 1, der in 1 mit III bezeichnet ist.
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Wie 3 entnommen werden kann, werden zumindest zwei der Statorsegmente 2, vorteilhaft das jeweilige Statorsegment 2, vor dem Anordnen der Statorsegmente 2 aneinander in Umgangsrichtung 3 jeweils mit zumindest einer Wandung 10 versehen, derart, dass die Wandungen 10 von zumindest zwei in Umfangsrichtung 3 aufeinanderfolgenden Statorsegmenten 2 gemeinsam einen Hohlraum 11 zum Ausbilden eines durchströmbaren Kanals 12 begrenzen. Dabei wird auf der vom zugehörigen Trägerzahn 5 in Umfangsrichtung 3 abgewandten Seite von zumindest zwei einander im Stator 1 gegenüberliegenden Spulenwicklungen 4 jeweils eine solche Wandung 10 angebracht und die Statorsegmente 2 anschließend zum Herstellen des Stators 1 entsprechend in Umfangsrichtung 3 aufeinanderfolgend angeordnet und miteinander verbunden. Somit bildet die jeweilige Wandung 10 im Stator 1 eine Hälfte des zugehörigen Kanals 12. Das Herstellen des Stators 1, insbesondere die Verbindung der Statorsegmente 2, erfolgt dabei derart, dass der jeweilige Kanal 12 gegenüber den Spulenwicklungen 4 fluidisch abgedichtet ist. In den gezeigten Ausführungsbeispielen werden hierbei sämtliche Statorsegmente 2 mit einer solchen Wandung 10 vorgesehen. Wie den 3 und 4 entnommen werden kann, wird dabei am jeweiligen Statorsegment 2 an der jeweils in Umfangsrichtung vom zugehörigen Trägerzahn 5 abgewandten Seite der jeweiligen Spulenwicklung 4 eine solche Wandung 10 angebracht. Wie den 3 und 4 ferner entnommen werden kann, sind die Statorsegmente 2 in den gezeigten Ausführungsbeispielen als Gleichteile 13 hergestellt und ausgebildet. Hierbei sind die Wandungen 10 zum besseren Verständnis in den 1 und 2 nicht dargestellt.
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Wie den 3 und 4 entnommen werden kann, sind die Wandungen 10 der gezeigten Ausführungsbeispiele nicht unmittelbar auf der Außenseite 8 der zugehörigen Spulenwicklung 4 angebracht. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist zwischen der Außenseite 8 und der jeweiligen Wandung10 eine Schutzschicht 14 vorgesehen, wobei die Schutzschicht 14 in den gezeigten Ausführungsbeispielen die gesamte Spulenwicklung 4 umschließt. Die Wandung 10 ist auf der Schutzschicht 14 angebracht. Dabei werden die Schutzschicht 14 und die Wandung 10 jeweils durch ein Spritzgussverfahren angebracht. Vorteilhaft wird die Spulenwicklung 4 mit der Schutzschicht 14 umgossen. Vorteilhaft wird ferner die Wandung 10 an der Schutzschicht 14 angespritzt.
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Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Schutzschicht 14 um einen Duroplast. Das Umspritzen der Spulenwicklung 4 mit den die Schutzschicht 14 ausbildenden Duroplasten kann aufgrund der geringen Viskosität von Duroplasten mit kleineren Einspritzgüssen erfolgen, sodass Lufteinschlüsse in der Spulenwicklung 4 vermieden oder zumindest reduziert sind, wobei zugleich die Geometrie der Spulenwicklung 4 fixiert und definiert ist. Dies erlaubt es, die Wandung 10 mit größeren Spritzgüssen und höheren Drücken und somit schneller anzuspritzen, sodass die Herstellung des jeweiligen Statorsegments 2 insgesamt schneller und folglich mit einer höheren Taktung durchgeführt werden kann, ohne dass es zu Beeinträchtigungen der Spulenwicklung 4 kommt. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Wandung 10 um einen Thermoplast. Dies ermöglicht ein kostengünstiges, einfaches sowie schnelles Anbringen der Wandung 10.
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Wie den 3 und 4 entnommen werden kann, sind die Kanäle 12 in diesem Ausführungsbeispiel axial und somit in Axialrichtung 9 offen. In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Kanäle 12 dabei axial einseitig offen. Durch die somit ausgebildete axiale Öffnung 15 des jeweiligen Kanals 12 kann in den jeweiligen Kanal 12 ein nicht gezeigtes Kühlfluid eingebracht bzw. aus dem Kanal 12 abgeführt werden.
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Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Stator 1 mit einer Kammer 16 versehen, welche axial an den Kanälen 12angebracht und mit diesen fluidisch verbunden ist, sodass im Betrieb das Kühlfluid über die Kammer 16 in den jeweiligen Kanal 12 einströmen bzw. aus dem jeweiligen Kanal 12 ausströmen kann.
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Der Stator 1 somit ist einfach und kostengünstig herzustellen, wobei die Kühlung des Stators 1 in der Herstellung der Statorsegmente 2 integriert ist. Zudem kommt es auf diese Weise zu einer verbesserten Kühlung der Spulenwicklungen 4 und folglich einer erhöhten Leistungsdichte des Stators 1.
