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Die vorliegende Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor.
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Bürstenlose Gleichstrommotoren der hier relevanten Bauart werden als Innenläufer bezeichnet und weisen einen Rotor auf, der mit einer Motorwelle verbunden ist und in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen. Um den Rotor herum ist ein Stator angeordnet, der auf einem Eisenkern eine Anzahl von Wicklungen trägt. Bei geeigneter Ansteuerung erzeugen die Wicklungen ein Magnetfeld, das den Rotor zur Rotation antreibt. Die Wicklungen werden üblicherweise dreiphasig gewickelt und werden dementsprechend mit drei elektrischen Anschlüssen versehen, über die die Wicklungen mit einer Steuereinheit (ECU) verbunden werden können. Die Wicklungsdrähte werden über Sammelschienen aus Kupferblech kontaktiert.
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Es ist bekannt, die Sammelschienen in Form einer Sammelschieneneinheit auszuführen. Die Sammelschieneneinheit umfasst die Sammelschienen, die mit ihren Endabschnitten auf einer Seite mit den Wicklungsdrähten der Spulengruppen jeweils verbunden sind und auf der anderen Seite jeweils einen Leistungsquellenverbindungsanschluss zur elektrischen Anbindung an eine Steuereinheit aufweisen.
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Die Druckschrift
CN 208986716 U zeigt eine Sammelschieneneinheit für einen bürstenlosen dreiphasigen Elektromotor, in der die Stromschienen im Wesentlichen in zwei Ebenen angeordnet sind. Die Anordnung erfordert insgesamt fünf Stromschienen, von denen zwei Stromschienen die Sternpunkt-Stromschienen darstellen und in verschiedenen Ebenen angeordnet sind. Diese Ausführungsform ist aufwändig.
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Aus der
US 2018/0097416 A1 ist eine Stromschienenanordnung bekannt, die in der Umfangsrichtung des Elektromotors kompakt ist, jedoch in vier Ebenen aufgebaut ist und eine entsprechend große axiale Höhe aufweist.
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Aus der
DE 10 2019 004 591 A1 ist eine Stromschieneneinheit für einen Elektromotor mit einer Vielzahl von Wicklungsanschlüssen bekannt. Diese weist eine Anzahl von baugleichen Stromschienen auf, die mit Stufen ausgebildet sind und in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind, so dass sie drei oder mehr Ebenen ausbilden. Diese Ausführung ist in Axialrichtung des Motors entsprechend ausgedehnt. Außerdem erstreckt sie sich an einer Stirnseite des Stators über dessen gesamten Umfang.
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Die
DE 10 2021 128 073 A1 zeigt einen Elektromotor mit einer neutralen Busschiene, die mehrfach gefaltet ist und insgesamt in vier Ebenen verläuft, um in einem U-förmigen Bereich eine Aufnahme für einen Temperatursensor auszubilden.
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Die nachveröffentlichte Patentschrift
DE 10 2021 103 787 B3 offenbart einen Elektromotor mit einer Sammelschieneneinheit, die hinsichtlich der elektrischen Widerstände so optimiert ist, dass alle Strompfade möglichst gleiche elektrische Widerstände aufweisen. Eine neutrale Stromschiene ist nicht vorgesehen.
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Schließlich zeigt die
US 2016/0036187 A1 eine Sammelschieneneinheit mit vier Stromschienen, die in drei Ebenen angeordnet sind. Dabei ist die neutrale Stromschiene ohne Stufen in einer Ebene verlaufend ausgebildet und erstreckt sich in Umfangsrichtung über etwa 270 Grad.
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Die Sammelschieneneinheit trägt zur Bauhöhe des Gleichstrommotors bei. Es ist daher wünschenswert die Höhe der Sammelschieneneinheit zu minimieren.
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Diese Aufgabe wird von einem bürstenlosen Gleichstrommotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach ist ein bürstenloser Gleichstrommotor mit
- - einem Rotor, der um eine Drehachse drehbar gelagert ist, und
- - einem dem Rotor zugeordneten Stator, wobei der Stator einen Statorkern und auf dem Statorkern gewickelte Spulen aufweist, und wobei die Wicklungen aus einem Wicklungsdraht mit Wicklungsdrahtenden gebildet sind, und
- - mit einer Sammelschieneneinheit, die einen Sammelschienenhalter sowie in dem Sammelschienenhalter gehaltene Sammelschienen aufweist, wobei die Sammelschienen Spulenverbindungsanschlusselemente zur elektrischen Kontaktierung des Stators aufweisen und wobei drei Sammelschienen jeweils einer Phase zugeordnet sind und ein Leistungsquellenverbindungsanschlusselement zur elektrischen Kontaktierung des Stators mit einer Leistungsquelle aufweisen, und wobei eine vierte Sammelschiene einen Neutralpunkt ausbildet, der in einer Sternschaltung verschalteten Spulen kontaktiert, wobei die vierte Sammelschiene einen teilkreisförmigen Basisabschnitt aufweist, von dem die Spulenverbindungsanschlusselemente abgehen, die jeweils einen Kontaktpunkt zur jeweiligen Kontaktierung eines Wicklungsdrahtendes ausbilden, vorgesehen.
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Die Kontaktpunkte der vierten Sammelschiene verteilen sich dabei über einen Winkelbereich von mindestens 130° und höchsten 140°, wobei der Basisabschnitt der vierten Sammelschiene vollständig plan bis auf eine Stufe ausgebildet ist und die Stufe zwischen einem Endkontaktpunkt der vierten Sammelschiene, der an einem Ende der vierten Sammelschiene liegt und einem dazu unmittelbar benachbarten Kontaktpunkt der vierten Sammelschiene liegt. Dabei ist der Abstand zwischen dem Endkontaktpunkt und dem unmittelbar benachbarten Kontaktpunkt der vierten Sammelschiene geringer als der in etwa gleiche Abstand zwischen den übrigen unmittelbar benachbarten Kontaktpunkten der vierten Sammelschiene.
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Durch die Stufe kann die vierte Sammelschiene einfach mittels Stanzen hergestellt werden. Der Begriff „in etwa gleiche Abstand“ soll mögliche Fertigungstoleranzen mit einbeziehen. Im Idealfall ist der Abstand zwischen den übrigen Kontaktpunkten der vierten Sammelschiene gleich.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind 12 Spulen vorgesehen, die 6 Gruppen von jeweils zwei in Reihe geschaltete im Stator um 90° in Umfangsrichtung beabstandete Spulen bilden. Jeweils zwei Gruppen von Spulen werden dabei an eine Phase angeschlossen. Die Gruppen sind in Sternschaltung verschaltet, d. h. jede der Gruppe von Spulen ist mit einer der Phasen mit einem Anschluss und mit einem weiteren Anschluss mit einem gemeinsamen Sternpunkt verbunden. Die zwei Spulen einer Gruppe werden mit einem einzigen Wicklungsdraht durchgängig bewickelt. Vorzugsweise ist eine jede erste Spule einer Gruppe mit Blick in Radialrichtung von innen nach außen im Uhrzeigersinn bewickelt, der Wicklungsdraht ist von dort zum in Umfangsrichtung um 90° beabstandeten Statorzahn geführt und die zweite Spule einer Gruppe ist ebenfalls mit Blick in Radialrichtung von innen nach außen im Uhrzeigersinn bewickelt.
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Vorzugsweise weist die Stufe in dem Basisabschnitt der vierten Sammelschiene eine Stufenhöhe, gemessen von jeweils der Oberseite des an die Stufe anschließenden Bereichs des Basisabschnitts, auf, die etwa der zweifachen Dicke d des Basisabschnitts der vierten Sammelschiene entspricht. Dadurch wieder die Sammelschieneneinheit besonders kompakt.
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Es ist vorteilhaft, wenn der an die Stufe anschließende Bereich des Basisabschnitts des Endkontaktpunkts im montierten Zustand näher an einer Oberseite des Stators liegt, als der übrige Bereich des Basisabschnitts der vierten Sammelschiene.
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Vorzugsweise weisen die drei den Phasen zugeordneten Sammelschienen jeweils einen teilkreisförmigen Basisabschnitt auf, wobei die drei Sammelschienen der Phasen in Längsrichtung des Stators übereinander liegen und sich in Draufsicht im Bereich der Basisabschnitte zumindest teilweise überdecken.
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Damit die Sammelschieneneinheit besonders kompakt wird, ist die Stufe in der vierten Sammelschiene bevorzugt derart ausgebildet, dass die beiden Endkontaktpunkte der vierten Sammelschiene jeweils in etwa auf der gleichen Höhe im Sammelschienenhalter liegen, wie der unmittelbar benachbarte Kontaktpunkt der den Phasen zugeordneten Sammelschienen.
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Vorzugsweise liegt das jeweils mit einem Spulenverbindungsanschlusselement der vierten Sammelschiene zu kontaktierende Wicklungsdrahtende jeweils auf einer ersten Seite relativ zur jeweilige Mittelachse des entsprechenden Statorzahnes in Draufsicht und das mit einem Spulenverbindungsanschlusselement der den Phasen zugeordneten Sammelschienen zu kontaktierende Wicklungsdrahtende jeweils auf einer zweiten Seite relativ zur jeweilige Mittelachse des entsprechenden Statorzahnes in Draufsicht, wobei die zweite Seite zur jeweilige Mittelachse gegenüber der ersten Seite liegt.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Spulenverbindungsanschlusselemente aller Sammelschienen in Radialrichtung zur Längsachse des Stators vom Basisabschnitt nach außen zeigen.
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Vorzugsweise sind die Sammelschienen von Vergussmasse zumindest teilweise umgeben, wobei die Vergussmasse den Sammelschienenhalter ausbildet. Besonders kompakt ist die Sammelschieneneinheit, wenn der an die Stufe anschließende Bereich des Basisabschnitts der vierten Sammelschiene mit den fünf Kontaktpunkten sowie die auf gleicher Höhe liegende unmittelbar benachbarte den Phasen zugeordnete Sammelschiene nicht vollständig im Verguss liegen und mit einer Oberseite freiliegen.
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Der bürstenlose Gleichstrommotor weist bevorzugt 12 Spulen auf und jede der den Phasen zugeordneten Sammelschiene hat zwei Kontaktpunkte, die in Umfangsrichtung jeweils einen Abstand von 90° aufweisen und die vierte Sammelschiene hat sechs Kontaktpunkte, die bevorzugt in Umfangsrichtung einen Abstand von jeweils 30° aufweisen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
- 1: eine Draufsicht auf einen Stator,
- 2: eine räumliche Darstellung der Sammelschienen der 1
- 3: eine Detailansicht einer der Sammelschienen der 2,
- 4: eine Draufsicht auf eine Abwicklung der Sammelschiene der 3, sowie
- 5: eine räumliche Ansicht einer Sammelschieneneinheit.
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1 zeigt einen Stator 1 und einen Rotor 2, der von dem Stator 1 außenumfänglich umgeben ist. Der Stator 1 weist 12 Spulen auf. Die 12 Spulen bilden 6 Gruppen von jeweils zwei in Reihe geschaltete im Stator um 90° in Umfangsrichtung beabstandete Spulen, die über drei Phasen U, V, W elektrisch angesteuert werden. Jeweils zwei Gruppen von Spulen werden dabei an eine Phase angeschlossen. Die Gruppen sind in Sternschaltung verschaltet, d. h. jede der Gruppe von Spulen ist mit einer der Phasen U, V, W mit einem Anschluss und mit einem weiteren Anschluss mit einem gemeinsamen Sternpunkt verbunden. Die zwei Spulen einer Gruppe werden mit einem einzigen Wicklungsdraht durchgängig bewickelt. Eine jede erste Spule einer Gruppe wird mit Blick in Radialrichtung von innen nach außen im Uhrzeigersinn bewickelt, der Wicklungsdraht wird dann auf der Unterseite zum in Umfangsrichtung um 90° beabstandeten Statorzahn geführt und dieser wird ebenfalls mit Blick in Radialrichtung von innen nach außen im Uhrzeigersinn bewickelt.
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Auf der Oberseite des Stators 1 liegt eine Sammelschieneneinheit, wobei hier lediglich die vier Sammelschienen 3,4,5,6 der Sammelschieneneinheit dargestellt sind.
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Die Sammelschienen 3,4,5,6 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt, vorzugsweise Metall, insbesondere Kupfer. Drei der Sammelschienen 3,4,5 sind jeweils einer Phase U,V,W zugeordnet. Die weitere vierte Sammelschiene 6 bildet einen Neutralpunkt. Die Spulen sind in einer Sternschaltung verschaltet.
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Die Sammelschienen 3,4,5,6 weisen jeweils einen sich entlang des Umfangs erstreckenden Basisabschnitt 30 auf, der teilkreisringförmig ausgebildet ist. Die Basisabschnitte 30 aller Sammelschienen 3,4,5,6 liegen dabei auf einem gemeinsamen Radius. Ausgehend von dem Basisabschnitt 30 erstrecken sich Spulenverbindungsanschlusselemente 7 in Radialrichtung nach außen. Die Spulenverbindungsanschlusselemente 7 der Sammelschienen 3,4,5,6 sind u- oder v-förmig ausgebildet und sind nach oben, von der Oberseite des Stators weg, aus der Ebene der Basisabschnitte 30 heraus abgewinkelt. Der u- oder v-förmig Kontaktbereich liegt in einer Ebene parallel zur Ebene der Basisabschnitte 30. Die Öffnungen der Kontaktbereiche der Spulenverbindungsanschlusselemente 7 zeigen alle in die gleiche Umfangsrichtung. Die drei den Phasen zugeordneten Sammelschienen 3,4,5 weisen jeweils ein Leistungsquellenverbindungsanschlusselement 8 auf, welches dazu eingerichtet ist, die jeweilige Sammelschiene 3,4,5 mit einer Leistungsquelle elektrisch zu verbinden. Die Leistungsquellenverbindungsanschlusselemente 8 liegen in Radialrichtung Innen von den Basisabschnitten 30. Sie sind ebenfalls ausgehend von den Basisabschnitten 30 abgewinkelt und erstrecken sich nach oben, weg von der Oberseite des Stators, parallel zur Rotationsachse des Gleichstrommotors.
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Die drei den Phasen zugeordneten Sammelschienen 3,4,5 weisen jeweils zwei Kontaktpunkte 9,10 auf, die jeweils mittels eines Spulenverbindungselementes 7 ausgebildet sind. Die beiden Kontaktpunkt 9,10 einer Sammelschiene 3,4,5 sind um in Umfangsrichtung jeweils 90° beabstandet. Die den Phasen zugeordneten Sammelschienen 3,4,5 sind dabei in Umfangsrichtung um 30° zueinander versetzt angeordnet, so dass die Kontaktpunkt der drei Sammelschienen 3,4,5 in Umfangsrichtung gleichmäßig um 30° über 150° beabstandet sind. Die sechs Spulen, die mit den drei den Phasen zugeordneten Sammelschienen 3,4,5 kontaktiert werden, weisen alle das gleiche Wickelschema auf. Dabei handelt es sich jeweils um eine der Spulen einer Gruppe. Das mit dem jeweiligen Spulenverbindungselement 7 der drei Sammelschienen 3,4,5 zu kontaktierende Wicklungsende 11 befindet sich in Radialrichtung von innen nach außen jeweils auf einer ersten Seite der Wicklung (hier links der Spulenmitte). Jede Spule weist nur ein Wicklungsdrahtende 11 auf, der verschweißt werden kann. Die Basisabschnitte 30 der drei den Phasen zugeordneten Sammelschienen 3,4,5 sind plan ausgebildet.
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Die vierte Sammelschiene 6 weist sechs Kontaktpunkte 12,13,14,15,16,17 auf, wobei fünf Kontaktpunkte 12,13,14,15,16 jeweils um 30° in Umfangsrichtung (hier im Uhrzeigersinn) aufeinanderfolgend zueinander beabstandet sind. Ein sechster Kontaktpunkt 17 liegt an einem Ende der vierten Sammelschiene 6 und ist zu dem in Umfangsrichtung vorhergehenden fünften Kontaktpunkt 16 der vierten Sammelschiene 6 um weniger als 25°, insbesondere etwa 15°, beabstandet. Die sechs mit den Spulenverbindungselementen 7 der vierten Sammelschiene 6 verbundenen Spulen weisen alle das gleiche Wickelschema auf. Jede Spule weist nur ein Wicklungsdrahtende 18 auf, da die zwei Spulen einer Gruppe durchgängig gewickelt werden. Das mit dem Spulenverbindungselement 7 zu kontaktierende Wicklungsende 18 befindet sich in Radialrichtung von innen nach außen jeweils auf einer zweiten Seite der dazugeordneten Wicklung (hier rechts der Spulenmitte), die der ersten Seite gegenüberliegt. Dadurch, dass die Wicklungsdrahtenden 18 der vierten Sammelschiene 6 auf einer anderen Seite der jeweiligen Wicklung liegen, als die Wicklungsdrahtenden 11 der den Phasen zugeordneten Sammelschienen 3,4,5, liegt der sechste Kontaktpunkt 17 der vierten Sammelschiene 6 sehr nah an dem unmittelbar darauffolgenden Kontaktpunkt einer der den Phasen zugeordneten Sammelschienen 3. Um genügend Platz für die Kontaktierung zu haben, wird der sechste Kontaktpunkt 17 und das dazugeordnete Wicklungsdrahtende 18 weiter zur Mitte des Statorzahnes hin (hier gegen den Uhrzeigersinn), um wenigstens 5°, insbesondere etwa um 10°, verschoben und kontaktiert. Die vierte Sammelschiene 6 ist, wie die übrigen auch, aus einem Blech gestanzt. Dadurch, dass der Abstand zwischen dem sechsten Kontaktpunkt 17 und fünften Kontaktpunkt 16 der vierten Sammelschiene 6 verringert werden muss, würde es bei Beibehaltung der sonstigen Geometrie der vierten Sammelschiene 6 in der Abwicklung zu einer Überschneidung auf dem Ausgangsblech kommen. Um dies zu vermeiden, weist die vierte Sammelschiene 6 zwischen dem fünften Kontaktpunkt 16 und sechsten Kontaktpunkt 17 eine Stufe 19 auf.
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Die 2 zeigt die Sammelschienen 3,4,5,6 einzelnen ohne Sammelschienenhalter. Die drei den Phasen zugeordneten Sammelschienen 3,4,5 sind mit ihren Basisabschnitten 30 übereinander liegend auf demselben Radius liegend angeordnet. Die Stufe 19 in der vierten Sammelschiene 6 ist derart ausgebildet, dass die Kontaktpunkte 12,13,14,15,16 der vierten Sammelschiene 6 an ihren beiden Enden im Sammelschienenhalter jeweils auf der gleichen Höhe liegen, wie der unmittelbar benachbarte Kontaktpunkt der den Phasen zugeordneten Sammelschienen 3,4,5. Die Stufenhöhe a, gemessen von jeweils der Oberseite des Bereichs des Basisabschnitts, entspricht somit in etwa der zweifachen Dicke d des Basisabschnitts 30. Wie aus 3 ersichtlich, liegen der fünfte und der sechste Kontaktpunkt 16,17 der vierten Sammelschiene 6 (definiert durch die Spulenverbindungselementen 7) etwa auf der gleichen Höhe im montierten Zustand. Die Stufe 19 erstreckt sich ausgehend von dem Teil des Basisabschnitts 30 des ersten bis fünften Kontaktpunktes 12,13,14,15,16 weg von den Spulenverbindungselementen 7. Im eingebauten Zustand liegt der Teil des Basisabschnitts 30 der dem sechsten Kontaktpunkt 17 der vierten Sammelschiene 6 zugeordnet ist näher an der Oberseite des Stators, als der übrige Teil des Basisabschnitts 30 der vierten Sammelschiene 6.
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4 zeigt die Abwicklung der vierten Sammelschiene 6. Durch die Stufe 19 kann die Geometrie der Abwicklung auch im Bereich zwischen dem fünften und sechsten Spulenverbindungselement 16,17, wie bei den übrigen Spulenverbindungselementen 12,13,14,15 der vierten Sammelschiene 6, beibehalten werden. Die Stufe 19 gleicht das Einrücken des sechsten Kontaktpunktes 17 zum fünften Kontaktpunkt 16 hin aus.
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In der 5 ist der Sammelschienenhalter 20 dargestellt. Der Sammelschienenhalter 20 ist im Spritzgussverfahren ausgebildet. Er erstreckt sich über einen Großteil der vier Sammelschienen 3,4,5,6. Auf diese Weise kann eine feste und wohldefinierte physische Verbindung zwischen dem Sammelschienenhalter 20 und den Sammelschienen 3,4,5,6 bereitgestellt werden. In der dargestellten Ausführungsform liegt die Oberseite der vierten Sammelschiene im Bereich des ersten bis fünften Kontaktpunktes vom Spritzguss frei. Die auf der gleichen Höhe angeordnete den Phasen zugeordnete Sammelschiene 5 liegt ebenfalls mit ihrer Oberseite frei.
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Die mit ihren Oberseiten freiliegenden Sammelschienen sind nicht vollständig umspritzt, sondern werden in eine Vertiefung der Umspritzung eingelegt, eingepresst oder eingeclipst. Dadurch wird die Bauhöhe reduziert. Besonders kompakt ist die Anordnung, da die vierte Sammelschiene den Sternpunkt ausbildet und diese kein Leistungsquellenverbindungsanschlusselement zur Steuerung aufweist.
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Die Spulenverbindungselemente 12,13,14,15,16,17 ragen in Radialrichtung nach außen aus dem Spritzgussteil hervor. Die drei Leistungsquellenverbindungsanschlusselemente 8 ragen in Radialrichtung nach innen aus dem Spritzgussteil hervor.
