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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kältemittelverdichter mit Sauggaskühlung. Derartige Kältemittelverdichter werden insbesondere in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen eingesetzt, alternativ sind Einsatzfälle für die stationäre Klimatisierung vorteilhaft möglich. Die Sauggaskühlung des Elektromotors des Verdichters führt zur Verbesserung der Gesamtperformance des Systems und zur Erhöhung der Sicherheit des Verdichters gegenüber Flüssigkeitsschlägen.
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Es ist bekannt, dass Elektromotoren zur Verringerung der Störanfälligkeit und Verbesserung der Betriebseigenschaften gekühlt werden sollten, auch um letztlich Überhitzungen des Motors und daraus resultierenden Betriebsausfall zu vermeiden.
Im Stand der Technik ist aus der
US 7 888 828 B2 beispielsweise ein Starter-Generator bekannt, dessen Motorwicklungen durch Kühlluft gekühlt werden. Dabei wird die Kühlluft über Belüftungsöffnungen im Gehäuse auf die Motorwicklungen geleitet, wobei die Belüftungsöffnungen an den Einsatz zur Kühlung des Starter-Generators angepasst sind.
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Ein gattungsgemäßer elektrischer Verdichter für Kältemittelkreisläufe geht aus der
EP 2568580 A2 hervor. Dabei wird der elektrische Verdichter durch flüssiges Kältemittel gekühlt, wobei die Motorwicklungen teilweise von flüssigem Kältemittel benetzt sind und ein Leckagestrom bei der Kühlung vermieden werden soll.
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Bei der Sauggaskühlung von elektrischen Kältemittelverdichtern wird das gasförmige relativ kalte Kältemittel durch den Unterdruck im Verdichter durch den Elektromotor gesaugt. Der kalte Kältemitteldampf kühlt die Komponenten des Elektromotors, insbesondere die Motorwicklungen, welche sich im Betrieb des Motors stark erwärmen.
Die Kältemittelströmung des Gases wird durch eine Kunststoffabdeckung des Rotors, das sogenannte Cluster-end-cap, auf die Rotorwelle des Kältemittelverdichters gerichtet und strömt dann radial zu den Wicklungen des Stators nach außen.
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Nachteilig bei den Konstruktionen nach dem Stand der Technik ist, dass stromabwärts kurz hinter der Kunststoffabdeckung die Motorwicklungen nur unzureichend gekühlt werden, da sich Bereiche ungenügender Verteilung des Kältemittelgases bilden. Somit kommt es zu partiellen Überhitzungen an den Motorwicklungen. Die Kunststoffabdeckung als Verteilereinheit für den Kältemittelgasstrom führt aufgrund ihrer Konstruktion mit einer weitgehend geschlossenen Oberfläche zudem zu einem erhöhten Druckverlust für das Sauggas. Dies führt zwangsläufig zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades.
Eine homogene Kältemittelverteilung in Bezug auf die Wicklungen ist somit nicht gegeben und das Problem der Überhitzungen verschärft sich speziell bei niedrigen Drehzahlen des Verdichtermotors.
Der Kältemittelstrom wird nach dem Stand der Technik in radialer Richtung von der Rotorwelle auf die Wicklungen des Stators von innen nach außen verteilt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen elektrischen Kältemittelverdichter mit Sauggaskühlung zur Verfügung zu stellen, welcher eine gleichmäßigere und effizientere Kühlung der Motorwicklungen erreicht.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Gegenstand gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch einen elektrischen Kältemittelverdichter mit Sauggaskühlung gelöst, wobei eine Verteilereinheit für den Kältemittelgasstrom vor den Motorwicklungen eines Stators in Sauggasströmungsrichtung angeordnet ist. Die Verteilereinheit ist dabei derart ausgebildet, dass diese Kühlkanäle aufweist, die derart angeordnet sind, dass das Kältemittelgas aus den Kühlkanälen zur Kühlung direkt auf die Motorwicklungen geleitet wird.
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Die Kühlkanäle sind bevorzugt axial im Kältemittelverdichter angeordnet, sodass diese die Stirnfläche der Wicklungen besser kühlen. Ein weiterer Vorteil der Anordnung von Kühlkanälen zur örtlich gezielten Kühlung der Motorwicklungen besteht darin, dass die Verteilung des Kältemittels über die Wicklungen verbessert wird und somit die Kühlung der Wicklungen besser erfolgt. Dies erfolgt bei einer Verringerung des Druckverlustes durch die gleichmäßig über den Querschnitt verteilten Kühlkanäle des elektrischen Kältemittelverdichters.
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Besonders bevorzugt sind zwölf Kühlkanäle in der Verteilereinheit und im Stator ausgebildet.
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Besonders vorteilhaft ist die konstruktive Ausgestaltung der Kühlkanäle dergestalt, dass diese äquidistant auf einer Umfangslinie des Querschnitts des zylindrischen, elektrischen Kältemittelverdichters angeordnet sind.
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Vorteilhaft sind die Kühlkanäle selbst mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet.
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Alternativ sind die Kühlkanäle mit einem trapezförmigen Querschnitt ausgebildet, wobei die nichtparallelen Seiten radial ausgerichtet sind.
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Vorteilhaft sind die Kühlkanäle mit trapezförmigem Querschnitt mit abgerundeten Ecken ausgeführt, um strömungsmechanisch möglichst wenig Widerstand zu bieten.
Alternativ sind strömungsmechanisch vorteilhafte Ausgestaltungen der Kühlkanäle mit abweichendem Querschnitt und Form einsetzbar, je nach konkreten Einsatzbedingungen.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Verteilereinheit für das Kältemittelgas als eine Kunststoffabdeckung des Stators ausgeführt.
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Bevorzugt ist die Verteilereinheit ringartig aufgebaut. Weiterhin ist die Verteilereinheit derart gestaltet, dass sich nach der Anordnung der Verteilereinheit auf dem Stator des Kältemittelverdichters in axialer Richtung eine Kavität zur Aufnahme eines gießfähigen und aushärtenden Kunststoffes zur elektrischen Isolierung von Anschlüssen der Motorwicklungen ausbildet.
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Die Verteilereinheit weist vorteilhaft an ihrem äußeren Umfang Positionierungsschlitze für die Positionierung elektrischer Kontakte auf. Die Positionierungsschlitze positionieren die elektrischen Kontakte der Spulen zu den drei ringartigen Pins, welche die elektrische Kontaktierung zwischen Phase und Inverter realisieren und die nach der elektrischen Kontaktierung mit einem nicht elektrisch leitfähigen Kunststoff vergossen und dadurch fixiert und elektrisch isoliert werden.
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Bevorzugt weist die Verteilereinheit für die Ausbildung einer Kavität zur Aufnahme des gießfähigen Kunststoffes an ihrem inneren Umfang einen Gussrand auf. Der Gussrand ist dabei ringförmig als sich in axiale Richtung erstreckender Steg ausgebildet, welcher bis zu seinem oberen Abschluss mit dem gießfähigen Kunststoff ausgefüllt wird.
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Der gießfähige Kunststoff zur elektrischen Isolierung der Anschlüsse der Motorwicklungen und ringförmigen Stromzuführungen ist bevorzugt aus Epoxidharz ausgebildet. Im ausgehärteten Zustand wird dadurch ein Epoxidring ausgebildet.
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Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass Strömungspfade in Form von Kühlkanälen in die Verteilereinheit, die bevorzugt als Kunststoffabdeckung ausgeführt ist, eingebracht sind. Dabei ist jeweils ein Strömungspfad auf eine Wicklung des Stators gezielt gerichtet. Der Querschnitt und die Anzahl der Kühlkanäle werden an die benötigte Kühlleistung angepasst.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vielfältig. Beispielsweise ist eine homogenere Temperaturverteilung über die Wicklungen des Motors des elektrischen Kältemittelverdichters erreichbar. Weiterhin wird der Druckverlust über den elektrischen Verdichter reduziert. Es erfolgt zudem eine vorteilhafte Steuerung des Kältemittelflusses, um die hochbeanspruchten Wicklungen besser zu kühlen.
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Insgesamt und ökologisch von besonderer Bedeutung kann eine deutlich verbesserte Leistung und Performance durch die verbesserte Kühlung der Spulen auch in niedrigeren Drehzahlbereichen des elektrischen Kältemittelverdichters erreicht werden. Dies schlägt sich ökonomisch in einer längeren Haltbarkeit des elektrischen Kältemittelverdichters nieder.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: Querschnitt eines elektrischen Kältemittelverdichters
- 2: Detaillängsschnitt eines Kältemittelverdichters
- 3a: Stator mit Motorwicklungen
- 3b: Verteilereinheit
- 4a: Stator mit Motorwicklungen
- 4b: Verteilereinheit
- 5: Detaillängsschnitt Kältemittelverdichter
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In 1 ist ein Querschnitt eines Kältemittelverdichters 1 in einer Ebene oberhalb der Motorwicklungen 3 dargestellt. Das Verdichtergehäuse 2 des Kältemittelverdichters 1 ist als Kreisring in der Querschnittsansicht dargestellt. Die zentrale Lage der Rotorwelle 4 mit dem Rotor ist den Motorwicklungen 3 des Stators 11 gegenüberliegend als zentraler Kreis angedeutet. Die Motorwicklungen 3 sind in radialer Richtung gewickelt und bilden, radial ausgerichtet, zwölf äquidistant am Umfang verteilte Spulen. Weiterhin ist ein Schnitt D-D eingezeichnet, welcher nachfolgend in 2 und in 5 vergrößert und im Detail dargestellt ist.
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2 zeigt den Detailschnitt D-D gemäß 1. Dabei wird in Längsrichtung axial eine der Motorwicklungen 3 geschnitten. Der Stator 11 mit den Motorwicklungen 3 wird mit einer Verteilereinheit 6 in axialer Richtung erweitert, wobei die Verteilereinheit 6 gleichfalls in axialer Richtung Kühlkanäle 7 aufweist. Die Kühlkanäle 7 enden stirnseitig an den Motorwicklungen 3. Damit ergibt sich ein Kältemittelbereich 5, der von gasförmigem kalten Kältemittel ausgefüllt ist, welches durch die Kühlkanäle 7 direkt zu den Motorwicklungen 3 strömt und diese gezielt stirnseitig kühlt. Der Außenring 8 ist ein Begrenzungselement, welches gemeinsam mit der Verteilereinheit 6 eine Kavität schafft, die durch ein gießfähiges elektrisches Isolationsmaterial ausgefüllt wird. Bei Verwendung von Epoxidharz entsteht nach Aushärtung ein Epoxidring 9, der die elektrische Kontaktierung der Spulen zu den leitenden Bus Bars elektrisch isoliert und mechanisch stabilisiert. Die Verteilereinheit 6 ist bevorzugt aus Kunststoff ausgeführt. Umgeben wird der Motor vom Verdichtergehäuse 2, welches in der Detaildarstellung am unteren Rand gezeigt ist. Der Rotormagnet 10 ist gegenüberliegend zum Spulenkern des Stators 11 angeordnet.
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In 3a ist ein Stator 11 mit den Motorwicklungen 3, den Kontaktzapfen 15 und der mit Epoxidharz vergossenen Verteilereinheit 6 perspektivisch dargestellt.
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Die Kühlkanäle 7 der Verteilereinheit 6 verlaufen in axialer Richtung und weisen direkt auf die Motorwicklungen 3 des Stators 11, um diese optimal stirnseitig mit kaltem Kältemittelgas zur Kühlung zu versorgen. Die Stirnflächen der Kühlkanäle 7 der Verteilereinheit 6 sind umgeben vom ausgehärtetem Epoxidring 9, welcher radial innen durch einen Gussrand 14 und außen durch den Außenring 8 begrenzt wird. Die Verteilereinheit 6 ist in 3b in der Ansicht gemäß 3a aber ohne den Epoxidring 9 und den Außenring 8 dargestellt. Die Verteilereinheit 6 ist geometrisch als eine Ringscheibe ausgeführt, welche am inneren Rand einen Gussrand 14 aufweist, der sich stegartig axial nach oben erstreckt und eine Begrenzung für die durch nicht elektrisch leitenden Kunststoff auszugießende Kavität darstellt. Die Kühlkanäle 7 sind auf einer Umfangslinie der Ringscheibe radial nach außen versetzt derart angeordnet, dass das untere Ende der Kühlkanäle direkt auf die darunterliegenden Motorwicklungen 3, dargestellt in 3a, weist. Zur Stabilisierung der Kreisringscheibe sind nicht näher bezeichnete Verstärkungselemente ausgeführt. Die Verteilereinheit 6 weist korrespondierend zu den Motorwicklungen 3 des Stators 11 Kühlkanäle 7 auf. In 3a und 3b sind jeweils Kühlkanäle 7 mit trapezförmigem Querschnitt in exakt gleicher Anzahl zu den Motorwicklungen 3 mit zwölf Stück gezeigt. Weiterhin sind am äußeren Umfang der Verteilereinheit 6 radial angeordnete Positionierungsschlitze 12 äquidistant am Umfang angeordnet, mit welchen die elektrischen Kontakte der Motorwicklungen 3 und der Zuführungen positioniert und mechanisch stabilisiert und gehaltert werden. Die Kühlkanäle 7 sind in der Verteilereinheit 6 aus Kunststoff bei der Herstellung durch Spritzguss beispielsweise erzeugbar. Alternativ kann die Verteilereinheit auch durch 3D-Druckverfahren hergestellt werden.
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Die Verteilereinheit 6 mit ihrem kreisringartigen Boden und dem am Innendurchmesser ausgebildeten kreiszylindrischen Gussrand 14 bildet zusammen mit dem am Außendurchmesser der Verteilereinheit 6 angeordneten Außenring 8 eine im Querschnitt U-profilartige Kavität, welche mit einem fließfähigen elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Epoxidharz, ausgegossen wird. Innerhalb der sich bildenden kreisringförmigen Kavität mit U-profilartigen Querschnitt ist der nicht näher bezeichnete Statorkontaktierungsbereich angeordnet. Dieser Statorkontaktierungsbereich wird mit Hilfe des fließ- und gießfähigen sowie aushärtenden elektrischen Isolators ausgefüllt, wodurch die Bereiche der elektrischen Kontaktierung nach außen hin und zueinander entsprechend isoliert und mechanisch fixiert werden. Die Kühlkanäle 7 führen vom Boden der Verteilereinheit 6 nach oben in axialer Richtung mit Bezug auf den Kältemittelverdichter 1 und schließen in gleicher Höhe mit dem Gussrand 14 und dem Außenring 8 ab. Somit bleiben die Kühlkanäle 7 im Inneren beim Vergießen der elektrischen Kontakte frei und bilden den Durchgang für das Kältemittelgas durch die Verteilereinheit. Die Kühlkanäle 7 sind somit in axialer Richtung so lang wie der sich beim Vergießen mit Epoxidharz bildende Epoxidring 9 hoch ist.
Die Kühlkanäle 7 sind auf der Kreisringscheibe des Bodens der Verteilereinheit 6 radial nach außen versetzt außerhalb des Anschlussbereichs der Spulen und direkt über den Spulen mit den Motorwicklungen 3 angeordnet.
Weiterhin sind an der Verteilereinheit 6 Mittel zur Aufnahme der Kontaktzapfen 15 des Stators 11 vorgesehen. Diese werden als Kontaktzapfenaufnahmen 16 bezeichnet. Die Kontaktzapfenaufnahmen 16 sind passgenau auf die Kontaktzapfen 15 abgestimmt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die drei Kontaktzapfen 15 des Stators 11 zylinderförmig ausgeführt. Korrespondierend zur kreiszylinderförmigen Ausgestaltung der Kontaktzapfen 15 sind die Kontaktzapfenaufnahmen 16 als kreisförmige Ausnehmungen im kreisringförmigen Boden der Verteilereinheit 6 ausgebildet, welche bei der Aufnahme der Verteilereinheit 6 im Stator 11 übergeschoben werden. Durch die exzentrische Lage der Kontaktzapfen 15 und der Kontaktzapfenaufnahmen 16 ist die Lage der Verteilereinheit 6 im Stator 11 exakt bestimmt und die Lage der Kühlkanäle 7 kann somit exakt auf die Lage der Motorwicklungen 3 des Stators 11 abgestimmt werden. Diese Art der Lagedefinition der Verteilereinheit 6 verhindert eine Fehlpositionierung der Kühlkanäle 7 zu den Motorwicklungen 3 bei der Montage, was sehr vorteilhaft für die reproduzierbare Erreichung der positiven Kühlwirkung der Sauggaskühlung für die Motorwicklungen 3 ist.
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In den 4a und 4b sind analog zu den Darstellungen in 3a und 3b ein Stator 11 mit Motorwicklungen 3 sowie eine Verteilereinheit 6 mit Kühlkanälen 7 dargestellt, wobei die Kühlkanäle 7 in der gezeigten Ausführungsform jeweils einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Analog zur Gestaltung der Verteilereinheit 6 in 3b sind auch in der Verteilereinheit 6 gemäß 4b Positionierungsschlitze 12 äquidistant am Umfang angeordnet und korrespondierende Kontaktzapfen 15 sowie Kontaktzapfenaufnahmen 16 ausgebildet.
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In 5 ist schließlich ein Detail des Längsschnittes der Komponenten des Kältemittelverdichters 1 gezeigt. Der Rotormagnet 10 liegt dem Spulenkern 13 der Motorwicklungen 3 gegenüber. Der Kältemittelbereich 5 im Kühlkanal 7 versorgt die Motorwicklungen 3 stirnseitig von rechts mit Kältemittelgas. Die Verteilereinheit 6 weist an ihrem äußeren Umfang einen Außenring 8 auf, wobei der Außenring 8 und der Gussrand 14 den Epoxidring 9 in radialer Richtung außen und innen begrenzen. Horizontal nach unten wird der Epoxidring 9 durch den kreisringscheibenförmigen Boden der Verteilereinheit 6 begrenzt.
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Bei der Sauggaskühlung strömt das von der Verdichtereinheit des Kältemittelverdichters 1 angesaugte kalte Kältemittelgas entlang der zu kühlenden elektrischen Komponenten. Insbesondere werden die Motorwicklungen 3 der einzelnen Spulen des Elektromotors gekühlt, um eine Überhitzung und eine damit verbundene Schädigung des Antriebs des Kältemittelverdichters 1 zu verhindern. In der Darstellung gemäß 2 strömt das Kältemittelgas im Kältemittelbereich 5 in axialer Richtung des Kältemittelverdichters 1 von links kommend in der Art einer Kreisringströmung auf die Verteilereinheit 6 des Stators 11 zu. Der Stator 11 bildet in Strömungsrichtung des Kältemittels zunächst ein Strömungshindernis. Konzeptionsgemäß wird nun die Verteilereinheit 6 derart konstruiert, dass die in Strömungsrichtung des Kältemittels darunter liegenden Motorwicklungen 3 effizient stirnseitig angeströmt und dadurch direkt und intensiv gekühlt werden. Dazu sind in der Verteilereinheit 6 Kühlkanäle 7 ausgebildet, welche die Verteilereinheit 6 axial durchdringen und den Kältemittelgasstrom kanalisieren.
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Das Kältemittelgas strömt auf der linken Seite des Kühlkanals 7 in diesen ein, durchströmt den Kanal der Verteilereinheit 6 und auf der rechten Seite strömt es direkt auf die in verlängerter Kanalrichtung angeordneten Motorwicklungen 3. Jeder Kühlkanal 7 ist einer Motorwicklung 3 zugeordnet. Durch die äquidistante Verteilung der Kühlkanäle 7 auf einer Umfangslinie des Querschnittes des Stators 11 ist eine gleichmäßige Verteilung des Kältemittelgases auf alle Spulen gewährleistet. Nachdem das Kältemittel auf die Motorwicklungen 3 auftrifft und diese kühlt, strömt es beidseits der Spule in axialer Richtung weiter. Dies erfolgt im Wesentlichen in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Spulen, welche in der Darstellung gemäß 1 als Zwischenräume zwischen den Motorwicklungen 3 gut erkennbar sind. Auf dem Weg zwischen den Motorwicklungen 3 nimmt das Kältemittelgas weiter Abwärme auf und strömt zur Saugseite der nicht dargestellten Verdichterelemente.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Statorkontaktierungsbereiches besteht im Wesentlichen aus den folgenden Schritten:
- Einbringen der Verteilereinheit 6 und des Außenrings 8 in das Verdichtergehäuse 2 unter
- Positionierung der Kontaktzapfenaufnahmen 16 der Verteilereinheit 6 auf den Kontaktzapfen 15 des Stators 11, wobei die Kühlkanäle 7 der Verteilereinheit 6 auf die Motorwicklungen 3 ausgerichtet sind und
- Positionieren von Kontakten der Motorwicklungen 3 mittels der Positionierungsschlitze 12 der Verteilereinheit 6 und Positionierung der elektrischen Kontaktierung,
- Ausgießen der sich durch die Verteilereinheit 6 und den Außenring 8 ausbildenden Kavität mit einem fließfähigen und aushärtenden elektrischen Isolator.
- Nach dem Aushärten des Isolators sind die stromführenden unisolierten Teile elektrisch voneinander isoliert und im ausgehärteten Ring des Isolators mechanisch stabilisiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kältemittelverdichter
- 2
- Verdichtergehäuse
- 3
- Motorwicklungen
- 4
- Rotorwelle
- 5
- Kältemittelbereich
- 6
- Verteilereinheit
- 7
- Kühlkanal
- 8
- Außenring
- 9
- Epoxidring
- 10
- Rotormagnet
- 11
- Stator
- 12
- Positionierungsschlitze
- 13
- Spulenkern
- 14
- Gussrand
- 15
- Kontaktzapfen
- 16
- Kontaktzapfenaufnahmen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7888828 B2 [0002]
- EP 2568580 A2 [0003]
