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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem mehrteiligen Stator, der aus einer Vielzahl von einzelnen Statorsegmenten gebildet ist, die mit Wicklungen versehen sind, und der in ein Gehäuse der elektrischen Maschine mit seiner Mantelaußenwand gegen eine Gehäuseinnenwand eingepresst gehalten ist, und mit mindestens einem Stanzgitter zur elektrischen Verschaltung der Wicklungen im Gehäuse.
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Ferner betriff die Erfindung ein Statorsegment für einen mehrteiligen Stator einer elektrischen Maschine, wie sie oben stehend beschrieben wurde.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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In heutigen Elektromotoren wird der Stator häufig in Form eines mehrteiligen Stators, der durch mehrere in Umfangsrichtung gesehen miteinander fest verbundene Statorsegmente gebildet wird, in ein Gehäuse der elektrischen Maschine axial eingeschoben, wobei die Mantelaußenwand des Stators, sowie die Gehäuseinnenwand des Gehäuses derart gestaltet sind, dass eine radiale Presspassung beim axialen Einschieben des Stators in das Gehäuse erfolgt, so dass die Mantelaußenwand und die Gehäuseinnenwand radial miteinander verpresst werden. Dies erlaubt eine einfache und schnelle Montage des Stators. Um die Wicklungen beziehungsweise Einzelspulen anschließend miteinander zu verschalten, können entweder manuell Einzeldrähte zum Verbinden der Wicklungen verlegt und beispielweise durch Löten/Verschweißen miteinander verknüpft werden, oder es können separate Körper mit einer integrierten Verschaltung, beispielsweise in der Form von Stanzgittern, hinzugefügt werden, welche mit den Wicklungsenden der Wicklungen durch Verlöten oder Verschweißen verbunden werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Montage des Stators dadurch weiter erleichtert wird, dass die Wicklungen beim Einpressen des Stators automatisch mit der Verschaltung beziehungsweise mit dem Stanzgitter verbunden werden. Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest einige der Statorsegmente in dem von ihnen jeweils gebildeten Mantelaußenwandabschnitt der Mantelaußenwand jeweils mindestens eine Öffnung aufweisen, durch welche jeweils ein Wicklungsende einer der Wicklungen nach außen geführt ist, so dass es zwischen der Mantelaußenwand und einem an der Gehäuseinnenwand freiliegenden Stanzgitterkontaktabschnitt des Stanzgitters verpresst ist. Die Erfindung sieht also vor, dass zum einen in dem Gehäuse das Stanzgitter vor der Montage des Stators bereits installiert ist. Dabei liegen mehrere Stanzgitterkontaktabschnitte an der Gehäuseinnenwand des Gehäuses frei, werden also in diesem Bereich nicht vom Material des Gehäuses umschlossen. Weiterhin wird vor Einführen des Stators an den jeweiligen Statorsegmenten das jeweilige Wicklungsende durch die, insbesondere stirnseitig offenen Öffnungen radial nach außen geführt. Beim axialen Einschieben beziehungsweise Einpressen des Stators in das Gehäuse werden die über die Mantelaußenwand hinausstehenden Wicklungsenden gegen die Gehäuseinnenwand und damit, bei einer entsprechenden Ausrichtung des Stators zu der Gehäuseinnenwand, gegen die Stanzgitterkontaktabschnitte verpresst. Somit werden die Wicklungsenden zwischen der Mantelaußenwand des Stators und den Stanzgitterkontaktabschnitten verquetscht, wodurch eine sichere elektrische Kontaktierung der Wicklungen mit der durch das Stanzgitter gebildeten Verschaltung gewährleistet wird.
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Vorzugsweise weisen die Statorsegmente den Öffnungen zugeordnete Nuten auf der Mantelaußenwand auf, in welchen die Wicklungsenden geführt sind. Durch die Nuten wird die Längserstreckung der Wicklungsenden auf der Mantelaußenwand ausgerichtet. Zweckmäßigerweise erfolgt dabei eine Ausrichtung parallel zur Rotationsachse beziehungsweise axial, so dass mit den vorzugsweise ebenfalls axial an der Gehäuseinnenwand verlaufenden freiliegenden Stanzgitterkontaktabschnitten eine größtmögliche Kontaktfläche gewährleistet wird. Um die Ausrichtung des Stators in dem Gehäuse dahingehend zu gewährleisten, dass die Wicklungsenden mit den Stanzgitterkontaktabschnitten in Berührung kommen, weisen Stator und Gehäuse vorzugsweise Führungselemente auf, die eine eindeutige Winkellage des Stators in dem Gehäuse vorgeben, so dass gewährleistet wird, dass beim Einpressen die Wicklungsenden auf die Stanzgitterkontaktabschnitte treffen. Bei den Führungselementen kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere an der Gehäuseinnenwand ausgebildeten Führungsnuten handeln, die mit entsprechenden Führungsvorsprüngen oder Stegen des Stators zusammen wirken. Alternativ können selbstverständlich auch die Führungsnuten an dem Stator und die Führungsvorsprünge/-Stege an der Gehäuseinnenwand vorgesehen sein. Ebenso ist es denkbar, eine eindeutige Ausrichtung durch das Montagewerkzeug zu gewährleisten.
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Vorzugsweise ist die Tiefe der Nuten derart gewählt, dass die Wicklungsenden nur bereichsweise darin einliegen. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass die Wicklungsenden bereichsweise über die Mantelaußenwand des Stators vorstehen, so dass eine sichere Kontaktierung mit den Stanzgitterkontaktabschnitten durch ein radiales Verpressen gewährleistet ist.
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Vorzugsweise ist das Stanzgitter in das Gehäuse, das insbesondere aus Kunststoff gefertigt ist, eingespritzt. Das Stanzgitter ist somit sicher formschlüssig in dem Gehäuse gehalten, wodurch eine sichere elektrische Kontaktierung der Stanzgitterkontaktabschnitte gewährleistet wird. Im Bereich der Stanzgitterkontaktabschnitte, sowie der durch das Stanzgitter gebildeten Verschaltungskontakte oder Kontaktanschlüsse liegen die Stanzgitterelemente zweckmäßigerweise frei zugängig vor.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse freiliegende Kontaktanschlüsse, insbesondere des Stanzgitters und/oder von Kontaktleiterbahnen, aufweist. Die Kontaktanschlüsse dienen insbesondere zur elektrischen Kontaktierung der elektrischen Maschine beispielsweise durch ein Steuergerät. Die Kontaktanschlüsse der Kontaktleiterbahnen münden insbesondere in einen außen an dem Gehäuse angebrachten Steckkontakt, wodurch diese leicht mit anderen Einrichtungen elektrisch verbindbar sind.
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Vorzugsweise weist das Gehäuse eine Vertiefung zur Aufnahme eine Leiterplatte auf, wobei in der Vertiefung Kontaktabschnitte der Kontaktanschlüsse sowie des Stanzgitters freiliegen. Die Schaltungskomponenten der Leiterplatte können auf einfache Art und Weise mit den Kontaktanschlüssen verbunden werden, beispielsweise durch Verschweißen oder Verlöten.
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Besonders bevorzugt sind die Kontaktanschlüsse parallel zueinander als Steckkontakte ausgerichtet, auf welche die Leiterplatte aufsteckbar ist. Dadurch dass die Kontaktanschlüsse parallel zueinander ausgerichtet sind, können diese gleichzeitig in entsprechende Öffnungen an der Leiterplatte eingeschoben werden, was die Montagezeit weiter verkürzt und die Herstellungskosten verringert. Besonders bevorzugt weist die Leiterplatte bereits Steckaufnahmen für die Steckkontakte auf, so dass ein anschließendes Verschweißen oder Verlöten nicht unbedingt notwendig ist.
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Das erfindungsgemäße Statorsegment mit den Merkmalen des Anspruchs 8 bietet die oben bereits beschriebene Möglichkeit, der automatischen Kontaktierung der Wicklungen mit einer im Gehäuse vorgesehenen Verschaltung. Das Statorsegment ist mit mindestens einer Wicklung versehen und weist an seinem Mantelaußenwandabschnitt zumindest eine Öffnung auf, durch welche ein Wicklungsende der Wicklung nach außen geführt ist, so dass es auf dem Mantelaußenwandabschnitt aufliegt. Werden mehrere derartige Statorsegmente zu dem Stator zusammengesetzt, lässt sich der Stator auf einfache Art und Weise in das Gehäuse axial einpressen, wodurch die Wicklungsenden automatisch mit denen an der Gehäuseinnenwand freiliegenden Stanzgitterkontaktabschnitten in Verbindung gebracht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine, wie sie oben stehend beschrieben wurde, zeichnet sich dadurch aus, dass die Statorsegmente in dem von ihnen jeweils gebildeten Mantelaußenwandabschnitt der Mantelaußenwand des Stators mit jeweils mindestens einer Öffnung versehen werden, durch welche jeweils ein Wicklungsende einer der Wicklungen nach außen derart geführt wird, dass es beim Einpressen des Stators in das Gehäuse zwischen der Mantelaußenwand und einem an der Gehäuseinnenwand freiliegenden Stanzgitterkontaktabschnitt des Stanzgitters verpresst wird. Dies führt zu den oben bereits genannten Vorteilen bezüglich der Vereinfachung der Montage und der dadurch verringerten Herstellungskosten. Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus dem oben Beschriebenen, sowie aus den Ansprüchen.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 eine elektrische Maschine in einer perspektivischen Darstellung,
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2 einen Stator der elektrischen Maschine in einer perspektivischen Darstellung,
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3 eine Detailansicht des Stators,
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4 eine Verschaltung der elektrischen Maschine,
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5 eine Querschnittdarstellung der elektrischen Maschine und
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6 eine weitere perspektivische Darstellung der elektrischen Maschine.
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine elektrische Maschine 1, die ein Gehäuse 2 aufweist, in welchem ein Stator 3 sowie ein hier nicht näher dargestellter Rotor angeordnet sind. Der Stator 3 ist dabei ortsfest in dem Gehäuse 2 angeordnet und wird von einer Vielzahl einzelner Statorsegmente 4 gebildet, von denen hier aus Übersichtlichkeitsgründen nur einige mit Bezugszeichen versehen sind. Der aus den einzelnen Statorsegmenten 4 gebildete Stator 3 ist axial in eine Gehäuseaufnahme des Gehäuses 4 eingepresst worden, die radial durch eine Gehäuseinnenwand 5 begrenzt ist. Die Statorsegmente 4 sind mit jeweils einer Wicklung 6, die beispielsweise auch als Zwillingswicklung ausgebildet sein kann, versehen, wobei die Wicklungen 6 in dem Gehäuse 2 miteinander verschaltet sind. Das Gehäuse 2 weist weiterhin einen angeformten Steckkontakt 7 auf, der zur elektrischen Kontaktierung der elektrischen Maschine 1 dient.
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2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung den Stator 3 der elektrischen Maschine 1. Wie aus 2 ersichtlich sind die Statorsegmente 4 umfangsseitig miteinander verbunden, wobei jedes der Statorsegmente 4 einen Mantelaußenwandabschnitt 8 bildet und die Mantelaußenwandabschnitte 8 zusammen die Mantelwandaußenwand 9 des Stators 3. Der Stator 3 wird zusätzlich von einem Rückschlussring 10 umschlossen, der die Statorsegmente 4 zueinander positioniert und fixiert.
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3 zeigt eine vergrößerte Detailansicht von zwei benachbarten Statorsegementen 4 des Stators 3 in einer perspektivischen Darstellung. Jedes Statorsegment 4 weist eine stirnseitig randoffene Öffnung 11 an einer der Stirnseiten auf. Durch die Öffnungen 11 ist jeweils ein Wicklungsende 12 der jeweiligen Wicklung 6 radial nach außen geführt. Dabei ist das jeweilige Wicklungsende 12 derart gebogen, dass es auf der Mantelaußenwand 9 beziehungsweise auf dem jeweiligen Mantelaußenwandabschnitt 8 aufliegt und axial ausgerichtet ist beziehungsweise parallel zur Längsache des Stators 3 verläuft.
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Die Statorsegmente 4 weisen weiterhin jeweils ein aus Kunststoff gefertigtes Isolationselement 13 auf, welches die Mantelaußenwandabschnitte 8 mitbildet. Der jeweiligen Öffnung 11 zugeordnet weisen die Mantelaußenwandabschnitte 8 eine Nut 14 auf, in welcher das jeweilige Wicklungsende 12 einliegt. Vorliegend wird die jeweilige Nut 14 im Wesentlichen von den Isolationselementen 13 gebildet. Entsprechend der Ausrichtung der Wicklungsenden 12 verlaufen die Nuten axial beziehungsweise parallel zur Längsachse des Stators 3. Während sich in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Nuten 14 lediglich über einen Teilabschnitt der Statorsegmente 4 erstrecken, ist es natürlich auch denkbar, dass sich die Nuten 14 über die gesamte Länge des jeweiligen Statorsegments 4, insbesondere ausgehend von der jeweiligen Öffnung 11, erstrecken. Die Tiefe der Nut 14 ist dabei derart gewählt, dass die Wicklungsenden 12 radial über den jeweiligen Mantelaußenwandabschnitt 8 bereichsweise vorstehen.
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Zweckmäßigerweise sind die Öffnungen 11, wie in 3 und 2 dargestellt, alle an einer Stirnseite 15 des Stators 3 vorgesehen, so dass sich alle Wicklungsenden 12 in die gleiche Richtung, nämlich in Richtung der gegenüberliegenden Stirnseite 16 des Stators 3 erstrecken.
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Wie insbesondere aus 3 ersichtlich, weisen die Statorsegmente 4 auf der der Öffnung 4 gegenüberliegenden Seite jeweils eine weitere entsprechende Öffnung 17 auf, die zur Längsachse des jeweiligen Statorsegments 4 gespiegelt angeordnet ist, so dass es bei dem Anbringen der jeweiligen Wicklung 6 nicht auf die Ausrichtung des Statorsegements 4 ankommt. Erst wenn das jeweilige Wicklungsende 12 durch die entsprechende Öffnung 11 oder 17 geführt wurde, wird entschieden, wie das Statorsegment bezüglich der übrigen Statorsegmente des Stators 3 ausgerichtet wird. Vorteilhafterweise werden die Statorsegmente 4 derart ausgerichtet, dass, wie zuvor beschrieben, die Wicklungsenden 12 durch die Öffnungen 11 an nur einer der Stirnseiten 15, 16 des Stators 3 durchgeführt sind.
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4 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Verschaltung 17 für die Wicklungen 6 des Stators 3. Die Verschaltung 17 wird von einem Stanzgitter 18 gebildet. Das Stanzgitter 18 weist Stanzgitterenden auf, die der Gehäuseinnenwand 5 des Gehäuses 2 zugeordnet sind, sowie Kontaktanschlüsse 20, die ebenfalls von Stanzgitterenden gebildet werden und auf die später näher eingegangen werden soll. Die Stanzgitterenden 19 sind über den Umfang des Gehäuses 2 beziehungsweise des Stators 3 verteilt angeordnet, wobei die Anordnung der Stanzgitterenden 19 der Anordnung der Wicklungsdrahtenden 12 des Stators 3 entspricht.
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Wie insbesondere aus 5 ersichtlich, die eine Längsschnittdarstellung der elektrischen Maschine 1 im Bereich eines der Stanzgitterenden 19 zeigt, bilden die Stanzgitterenden 19 Stanzgitterkontaktabschnitte 21, die auf der Gehäuseinnenwand 5 frei liegen, während das übrige Stanzgitter 18 im Wesentlichen von dem Material des Gehäuses 2 umschlossen ist. Vorzugsweise wird bei der Herstellung das Stanzgitters 18 von dem Material des Gehäuses 2 umspritzt, wobei als Material vorzugsweise Kunststoff verwendet wird.
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Bei der Montage der elektrischen Maschine 1 wird der Stator 3 axial in das Gehäuse 2 eingepresst, wobei die Stirnseite 15 mit den Öffnungen 11, durch welche die Wicklungsenden 12 geführt sind, zuerst in das Gehäuse 2 eingeschoben wird, wie durch einen Pfeil 22 angedeutet. Da die Wicklungsenden 12 bereichsweise über die Mantelaußenwand 9 des Stators 3 vorstehen, werden diese zwischen dem Stator 3 und der Gehäuseinnenwand 5 verpresst. Zweckmäßigerweise wird die Winkellage des Stators 3 beziehungsweise des Gehäuses 2 derart gewählt, dass die Wicklungsenden 12 jeweils auf einen der freiliegenden Stanzgitterkontaktabschnitte 21 geschoben wird, wie in 5 dargestellt.
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Hierdurch werden die Wicklungen 6 beim Einpressen des Stators 3 automatisch in elektrischen Wirkkontakt mit der Verschaltung 17 gebracht. Ein zusätzliches Verschweißen, Verkleben oder Verlöten, ist somit nicht notwendig. Die Herstellungszeit und die Montagekosten werden dadurch verringert.
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Während in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 5 die Stanzgitterkontaktabschnitte 21 radial von der Gehäuseinnenwand nach innen vorstehen, ist es gemäß einem alternativen, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Stanzgitterkontaktabschnitte 21 bündig mit der Gehäuseinnenwand 5 abschließen, um das Einschieben des Stators 3 zu erleichtern. Die Drahtenden sind zweckmäßigerweise abisoliert und zum Korrusionsschutz verzinnt.
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Durch das Einpressen des Stators 3 axial in das Gehäuse 2 werden die Wicklungsenden 12 radial zwischen Stator 3 und Stanzgitterkontaktabschnitten 21 verpresst beziehungsweise gequetscht, so dass ein elektrischer Kontakt gewährleistet wird, gleichzeitig wird der Stator 3 durch das Verpressen in dem Gehäuse 2 arretiert beziehungsweise festgelegt.
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Wir aus 5 weiter ersichtlich, ragen die Kontaktanschlüsse 20 des Stanzgitters 18 in eine stirnseitige Vertiefung 23 des Gehäuses 2, wobei die Kontaktanschlüsse 20 dabei parallel zueinander, wie aus 6 ersichtlich, ausgerichtet sind.
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6 zeigt eine weitere perspektivische Darstellung der elektrischen Maschine 1 mit Blick auf die Vertiefung 23. Die Kontaktanschlüsse 20 sind senkrecht bezüglich des ebenen Bodens der Vertiefung 23 ausgerichtet.
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Ebenfalls ragen in die Vertiefung 23 Kontaktanschlüsse 24 von Kontaktleiterbahnen 25, die zu dem Steckkontakt 7 führen, um mittels eines entsprechenden Steckers elektrisch kontaktiert werden zu können. Die der Vertiefung 23 zugeordneten Kontaktanschlüsse 24 sind ebenfalls von dem Material des Gehäuses 2 umspritzt und in der Vertiefung 23 parallel zu den Kontaktanschlüssen 20 des Stanzgitters 18 ausgerichtet.
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Die Vertiefung 23 dient im Wesentlichen zur Aufnahme einer Leiterplatte, die beispielsweise mit Leistungs- und Steuerkomponenten für die elektrische Maschine 1 versehen ist. Die Leiterplatte weist Aufnahmeöffnungen für die Kontaktanschlüsse 20 und 24 auf, so dass die Leiterplatte durch einfaches Einsetzen in die Vertiefung 23 automatisch in elektrischen Wirkkontakt mit den Kontaktanschlüssen 20 und 24 gebracht wird. Anschließend können die Kontaktanschlüsse mit der Leiterplatte verlötet oder verschweißt werden. Ebenso ist es denkbar, dass die Öffnungen der Leiterplatte als Klemmanschluss ausgebildet sind, die die Kontaktanschlüsse 20 und 24 klemmend aufnehmen und sich insofern ein weiteres Verschweißen oder Verlöten erübrigt.
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Bei dem Einpressen des Stators 3 wird ebenfalls der Rückschlussring 10 zwischen dem Stator 3 und der Gehäuseinnenwand 5 verpresst, wobei gemäß einem weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, zusätzlich eine Ausführung mit Rändel oder Vergleichbarem denkbar ist.
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Die beschriebene elektrische Maschine 1 lässt sich somit auf einfache Art und Weise montieren, wobei insbesondere Löt- und/oder Schweißvorgänge zur Verschaltung der Wicklungen 6 entfallen. Die elektrische Maschine 1 eignet sich insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, beispielsweise als Lenkmotor, Motorraumsteller, Radnabenmotor, Zentralantrieb, Servoantrieb oder auch für Bremskraftverstärker. Ebenso kann sie bei Fahrradantrieben oder mobilen Arbeitsmaschinen als Antriebsaggregat eingesetzt werden.
