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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Stator für eine elektrische Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Es ist schon ein Stator für eine elektrische Doppelrotor-Maschine aus der
DE 4023791 A1 und der
JP2001136606 A2 bekannt, umfassend einen Statorkörper, der sowohl an einer Statoraußenseite als auch an einer Statorinnenseite mehrere in Umfangsrichtung bezüglich einer Statorachse mit Abstand hintereinander angeordnete Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildete Zahnzwischenräume zur Aufnahme von elektrischen Leitern einer Statorwicklung aufweist. Die Statorwicklung ist als Joch- bzw. Ringwicklung ausgebildet, die um das Statorjoch des Statorkörpers gewickelt ist und an einer Stirnseite des Statorkörpers freien Bauraum aufweist zum Vorsehen der Tragbolzen zur Befestigung des Statorkörpers an dem Lagerschild der elektrischen Maschine. Dabei durchragen die Tragbolzen das Statorjoch des Statorkörpers in axialer Richtung bezüglich der Drehachse und ziehen den Statorkörper an bestimmten Lagerstellen gegen das Lagerschild. Das Statorjoch, das für die Jochwicklung als Rückschluss für den jeweiligen Magnetkreis erforderlich ist, muss für den Magnetfluss und für das Durchführen der Tragbolzen eine vergleichsweise große Jochhöhe aufweisen, was zu einem hohen Gewicht des Statorkörpers führt und den notwendigen Bauraum für den Stator erhöht. Außerdem treten vergleichsweise hohe Magnetverluste in dem Statorjoch auf.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Stator für eine elektrische Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass der Stator ohne Statorjoch, also jochlos, ausgebildet werden kann, wodurch der Bauraum für den Stator und damit das Gewicht des Stators verringert werden kann. Alternativ kann der freigewordene Bauraum des Statorjochs zur Vergrößerung des Zahnzwischenraums für die Aufnahme von zusätzlichem Leitermaterial der Statorwicklung, insbesondere von Leitern mit vergrößertem Leiterquerschnitt, genutzt werden, wodurch die Leistung bzw. der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erhöht werden kann. Weiterhin kann durch das Weglassen des Statorjochs Blechmaterial eingespart werden, wodurch die Herstellungskosten für den Stator verringert werden.
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Der erfindungsgemäße Stator ist für eine Doppelrotor-Maschine vorgesehen, deren Magnetfluss der Magnetkreise den Statorkörper jeweils ausschließlich in radialer Richtung durchsetzt, so dass hinsichtlich des Magnetkreises kein Statorjoch erforderlich ist.
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Die genannten Vorteile der Erfindung werden erfindungsgemäß erreicht, indem die Statorzähne als separate Einzelzähne ausgebildet sind, die durch ein oder mehrere magnetisch nichtleitende Verbindungsmittel zu dem Statorkörper verbunden sind, und dass die Verbindungsmittel am Innenumfang und am Außenumfang des Stators angeordnet oder ausgebildet sind.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Stators möglich.
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Nach einem vorteilhaften ersten Ausführungsbeispiel können die Verbindungsmittel durch zwei Statorhülsen gebildet sein, zwischen denen die Einzelzähne angeordnet sind, insbesondere unter radialer Vorspannung oder Abstützung, wobei sich die Einzelzähne jeweils mit einem radial inneren Zahnende an einer inneren der beiden Statorhülsen und jeweils mit einem radial äußeren Zahnende an einer äußeren der beiden Statorhülsen abstützen. Die Statorhülsen können vorgefertigte Hülsen, beispielsweise Prepregs, sein oder als Bandage direkt auf den Statorkörper gewickelt sein. Durch die Statorhülsen werden die Einzelzähne und die Statorwicklung zu einer stabilen Baueinheit zusammengefasst.
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Außerdem vorteilhaft ist, wenn die jeweilige Statorhülse die Einzelzähne des Stators am Innenumfang oder am Außenumfang des Stators umschließt und insbesondere ein Faserverbund-Bauteil ist, das ein Matrixmaterial und in dem Matrixmaterial eingebettete Fasern, insbesondere Carbonfasern, umfasst. Auf diese Weise kann ein magnetisch nichtleitendes Verbindungsmittel erreicht werden, das ein geringes Gewicht aufweist.
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Nach einem vorteilhaften zweiten Ausführungsbeispiel können die Einzelzähne jeweils eine Anspritzung, insbesondere Umspritzung, aufweisen, die ein mittelbares oder unmittelbares Verbindungsmittel und/oder eine Nutisolation bildet. Wenn die Anspritzung ein Verbindungsmittel ist, kann sie vorteilhafterweise zusätzlich die Funktion der elektrischen Nutisolation übernehmen, so dass das Einlegen von Nutisolation in die Zahnzwischenräume des Stators entfallen kann. Die Anspritzung kann auch nur die Funktion der Nutisolation haben, so dass auch in diesem Fall das Einlegen von Nutisolation in die Zahnzwischenräume des Stators entfällt.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn benachbarte Einzelzähne des Statorkörpers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel durch Fügen, insbesondere Verschweißen oder Kleben, der jeweiligen Anspritzungen am Innenumfang und am Außenumfang miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Stoffschluss zwischen benachbarten Einzelzähnen erreicht werden. Alternativ oder ergänzend ist auch ein formschlüssiges Fügen möglich.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn zumindest einige der Anspritzungen der Einzelzähne gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung bezüglich der Statorachse vorstehende Fügekonturen zum Fügen mit dem benachbarten Einzelzahn aufweisen. Auf diese Weise kann besonders einfach eine Fügeverbindung zwischen benachbarten Einzelzähnen hergestellt werden.
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Sehr vorteilhaft ist es, wenn die Einzelzähne jeweils an einem oder beiden radialen Enden einen Zahnkopf aufweisen. Auf diese Weise kann die Leistung der elektrischen Maschine erhöht und das NVH-Verhalten verbessert werden.
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Auch vorteilhaft ist, wenn die Einzelzähne jeweils zwei Zahnsegmente aufweisen, die in radialer Richtung bezüglich der Statorachse mittels einer Fügeverbindung, insbesondere einer Pressverbindung, an einem Fügestoß zu dem jeweiligen Einzelzahn gefügt sind. Auf diese Weise können die Einzelzähne bzw. die Zahnsegmente in radialer Richtung montiert werden. Beispielsweise können die Einzelzähne an eine fertige bzw. fertig zusammengefügte Statorwicklung montiert werden.
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Desweiteren vorteilhaft ist, wenn die Einzelzähne bzw. die Zahnsegmente der Einzelzähne jeweils als Blechpaket ausgebildet sind. Auf diese Weise kann der Blechverschnitt bei der Herstellung des Statorkörpers gegenüber Statorkörpern mit Statorjoch deutlich verringert werden.
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Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn die Statorwicklung aus zusammengefügten, insbesondere elektrisch nicht-isolierten, Leiterelementen gebildet ist. Auf diese Weise ergeben sich mehrere Möglichkeiten der Montage der Komponenten des Stators. Die Leiterelemente können in axialer oder, sofern möglich, in radialer Richtung in die Zahnzwischenräume eingesteckt werden. Alternativ können die Einzelzähne in nutförmige Zwischenräume der fertigen Statorwicklung eingesteckt werden.
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Vorteilhaft ist, wenn die Statorwicklung als Baueinheit elektrisch isoliert ist, insbesondere mittels einer Lackbeschichtung, Pulverbeschichtung oder einer Eloxierung. Im Stand der Technik sind die Leiterelemente elektrisch isoliert, wobei die Leiterenden der Leiterelemente zum Verbinden der Leiterelemente abisoliert werden müssen. Erfindungsgemäß können die Leiterelemente nicht-isoliert sein und zur Statorwicklung zusammengefügt, beispielsweise zusammengeschweißt, werden, wobei die Statorwicklung nach dem Fügen als ganzes elektrisch isoliert ist. Auf diese Weise kann der aufwendige Prozess des Abisolierens der Leiterelemente entfallen. Die erfindungsgemäßen Einzelzähne werden in diesem Fall in radialer Richtung nachträglich an die fertige Statorwicklung montiert. Eine Nutisolation kann bei dieser Ausführung entfallen, da kein axiales Einstecken der Leiterelemente erfolgt und somit keine Beschädigung der Leiterisolation beim Einstecken der Leiterelemente auftreten kann.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Stator und mit einem um die Statorachse drehbaren Rotor, der einen Außenrotor und einen mit dem Außenrotor gekoppelten Innenrotor aufweist. Der erfindungsgemäße Stator ist in radialer Richtung bezüglich der Statorachse zwischen dem Außenrotor und dem Innenrotor angeordnet.
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Die Erfindung betrifft im weiteren eine Antriebseinrichtung umfassend eine erfindungsgemäße elektrische Maschine und ein Lagerschild zur Lagerung des Rotors. Die Statorwicklung des Stators bildet an den beiden Stirnseiten des Statorkörpers jeweils einen Wickelkopf. Der erfindungsgemäße Statorkörper ist über zumindest ein Befestigungs- oder Halteelement an dem Lagerschild befestigt, indem die Statorwicklung, insbesondere der zwischen den Einzelzähnen liegende Teil der Statorwicklung und einer der beiden Wickelköpfe, als Befestigungs- oder Halteelement dient. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem einer der beiden Wickelköpfe der Statorwicklung in zumindest einer Wickelkopfaufnahme des Lagerschildes befestigt ist. Eine solche Antriebseinrichtung hat den Vorteil, dass zusätzliche Befestigungselemente zur Halterung des Stators entfallen, wodurch das Gewicht der Antriebseinrichtung verringert wird.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt im Schnitt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Stators nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 den Stator nach 1 ohne die elektrischen Leiter der Statorwicklung,
- 3 eine Teilansicht des Stators nach 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine Teilansicht des Stators nach 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 5 eine Doppelrotor-Maschine mit einem erfindungsgemäßen Stator nach 1 bis 4 und
- 6 eine Schnittansicht der Doppelrotor-Maschine nach 5 entlang einer Linie VI-VI.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt im Schnitt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Stators nach einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Der Stator 1 ist für die Anwendung in einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Doppelrotor-Maschine, vorgesehen und umfasst einen Statorkörper 2, der mehrere in Umfangsrichtung bezüglich einer Statorachse 3 mit Abstand hintereinander angeordnete Statorzähne 4 und zwischen den Statorzähnen 4 gebildete Zahnzwischenräume 5 zur Aufnahme von elektrischen Leitern 9 einer Statorwicklung 10 aufweist. Die Zahnzwischenräume 5 sind beispielsweise nutförmig, schlitzförmig oder kanalförmig ausgebildet. Die Zahnzwischenräume 5 sind beispielsweise nach radial innen und radial außen bezüglich der Statorachse 3 offen ausgeführt, indem in Umfangsrichtung jeweils ein Abstand bzw. Schlitz zwischen den jeweiligen Zahnenden benachbarter Einzelzähne 4 vorgesehen bzw. gebildet ist.
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Die Statorwicklung 10 ist als verteilte Wicklung bzw. als Wellenwicklung ausgebildet.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Statorzähne 4 als separate Einzelzähne ausgebildet sind, die durch ein oder mehrere magnetisch nichtleitende Verbindungsmittel 11 zu dem Statorkörper 2 verbunden sind, und dass die Verbindungsmittel 11 am Innenumfang und am Außenumfang des Stators 1 angeordnet bzw. ausgebildet sind. Auf diese Weise wird der Stator 1 ohne Statorjoch, also jochlos, ausgebildet, wodurch der Bauraum für den Stator 1 und damit das Gewicht des Stators 1 verringert werden kann. Alternativ kann der freigewordene Bauraum des Statorjochs zur Vergrößerung des Zahnzwischenraums 5 für die Aufnahme von zusätzlichem Leitermaterial der Statorwicklung 10, insbesondere von Leitern 9 mit vergrößertem Leiterquerschnitt, genutzt werden.
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2 zeigt den Stator 1 nach 1 ohne die elektrischen Leiter 9 der Statorwicklung 10.
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Nach dem ersten Ausführungsbeispiel sind die Verbindungsmittel 11 durch zwei Statorhülsen 12 gebildet, zwischen denen die Einzelzähne 4 angeordnet sind, insbesondere unter radialer Vorspannung und/oder Abstützung. Erfindungsgemäß stützen sich die Einzelzähne 4 jeweils mit einem radial inneren Zahnende 4.1 an einer inneren der beiden Statorhülsen 12 und jeweils mit einem radial äußeren Zahnende 4.2 an einer äußeren der beiden Statorhülsen 12 ab. Zwischen benachbarten Einzelzähnen 4 ist jeweils einer der Zahnzwischenräume 5 angeordnet. Die Einzelzähne 4 sind zwischen den Statorhülsen 12 in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet.
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Die jeweilige Statorhülse 12 umschließt die Einzelzähne 4 des Stators 1 am Innenumfang bzw. am Außenumfang des Stators 1 und ist beispielsweise ein magnetisch nichtleitendes Faserverbund-Bauteil, das ein Matrixmaterial und in dem Matrixmaterial eingebettete Fasern, insbesondere Carbonfasern oder Glasfasern, umfasst. Die Statorhülse 12 kann beispielsweise aus carbonfaser- oder glasfaserverstärktem Kunststoff (CFK, GFK) gefertigt sein.
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Die Einzelzähne 4 können jeweils an einem oder beiden radialen Zahnenden 4.1,4.2 einen Zahnkopf 6 aufweisen.
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Die Einzelzähne 4 können jeweils zwei radiale Zahnsegmente 7 umfassen, die in radialer Richtung bezüglich der Statorachse 3 mittels einer Fügeverbindung 14, insbesondere einer Pressverbindung, an einem Fügestoß 15 zu dem jeweiligen Einzelzahn 4 gefügt bzw. verbunden sind. Auf diese Weise können die Einzelzähne 4 in radialer Richtung bezüglich der Statorachse 3 an die beispielsweise fertig zusammengefügte Statorwicklung 10 montiert werden. Nach der radialen Montage der Zahnsegmente 7 werden die beiden Statorhülsen 12 montiert.
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Die Statorwicklung 10 ist beispielsweise aus zusammengefügten, insbesondere elektrisch nicht-isolierten, Leiterelementen 9 gebildet, kann aber auch aus Endlosdraht gefertigt sein. Die Montage der Einzelzähne 4 an die fertige, beispielsweise fertig zusammengefügte Statorwicklung 10 ermöglicht es, die Statorwicklung als Baueinheit in einem Prozessschritt elektrisch zu isolieren, beispielsweise mittels einer Lackbeschichtung, Pulverbeschichtung oder einer Eloxierung. Dadurch kann die Statorwicklung 10 zunächst aus einem elektrisch nicht isolierten Leitermaterial 9 hergestellt werden.
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Die Einzelzähne 4 bzw. die Zahnsegmente 7 der Einzelzähne 4 sind beispielsweise jeweils als Blechpaket ausgebildet.
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3 zeigt eine Teilansicht des Stators nach 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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In 3 ist eine alternative Ausführung des ersten Ausführungsbeispiels gezeigt, bei der die Einzelzähne 4 in radialer Richtung gesehen aus einem einzigen radialen Zahnsegment 7 gebildet sind.
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Die Einzelzähne 4 können an ihren den Zahnzwischenräumen 5 zugewandten Seiten jeweils eine elektrisch isolierende Anspritzung 16 zur Bildung einer sogenannten Nutisolation aufweisen. Auf diese Weise kann das Einlegen einer separaten Nutisolation, beispielsweise eines Nutisolationspapiers, entfallen.
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4 zeigt eine Teilansicht des Stators nach 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass die Verbindungsmittel 11 nicht durch zwei Statorhülsen 12 gebildet sind, sondern zumindest mittelbar durch die magnetisch nichtleitenden Anspritzungen 16 an die Einzelzähne 4. Die Anspritzungen 16 stellen somit ein mittelbares oder unmittelbares Verbindungsmittel 11 dar, das beispielsweise aus einem Kunststoff hergestellt ist.
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Nach dem zweiten Ausführungsbeispiel in 4 ist die jeweilige Anspritzung 16 an den jeweiligen Einzelzahn 4 derart ausgebildet, dass der Einzelzahn 4 bezüglich eines Querschnitts umschlossen ist, so dass die Anspritzung 16 eine Umspritzung darstellt.
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Benachbarte Einzelzähne 4 des Statorkörpers 2 sind nach dem zweiten Ausführungsbeispiel durch Fügen, beispielsweise Verschweißen oder Kleben, der jeweiligen Anspritzungen 16 am Innenumfang und am Außenumfang miteinander verbunden. Nach der Ausführung in 4 sind die Anspritzungen 16 von zwei benachbarten Einzelzähnen 4 jeweils durch zumindest eine Schweißnaht 18 einer Kunststoffschweißung oder durch eine Klebenaht 18 einer Klebung verbunden. Dazu können zumindest einige der Anspritzungen 16 der Einzelzähne 4 in Umfangsrichtung bezüglich der Statorachse 3 vorstehende Fügekonturen 17 haben zum Fügen mit dem jeweils benachbarten Einzelzahn 4.
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Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stators 1 können beispielsweise folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- a) Fertigstellen der Statorwicklung 10 aus elektrisch nicht isolierten Leiterelementen 9 oder aus elektrisch nicht isoliertem Endlosdraht 9,
- b) Vollständiges elektrisches Isolieren der fertigen Statorwicklung 10,
- c) Montieren der Einzelzähne 4 in die Zahnzwischenräume 5 der Statorwicklung 10,
- d) Montieren der Statorhülsen 12 oder Fügen der Anspritzungen 16 von benachbarten Einzelzähnen 4 am Außen- und Innenumfang des Stators 1 zur Bildung eines stabilen Statorkörpers 2.
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5 zeigt eine Doppelrotor-Maschine mit einem erfindungsgemäßen Stator nach 1 bis 4.
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Die Doppelrotor-Maschine 30 umfasst einen erfindungsgemäßen Stator 1 und einen um die Statorachse 3 drehbaren Rotor 20, der einen Außenrotor 21 und einen mit dem Außenrotor 21 gekoppelten Innenrotor 22 aufweist. Der Stator 1 ist in radialer Richtung bezüglich der Statorachse 3 zwischen dem Außenrotor 21 und dem Innenrotor 22 angeordnet.
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Die Doppelrotor-Maschine 30 kann Teil einer Antriebseinrichtung 40 sein, die ein Lagerschild 41 zur Lagerung des Rotors 20 der Doppelrotor-Maschine 30 aufweist. Die Statorwicklung 10 des Stators 1 bildet an den beiden Stirnseiten des Statorkörpers 2 jeweils einen Wickelkopf 10.1. Der Statorkörper 2 ist über zumindest ein Befestigungs- oder Halteelement an dem Lagerschild 41 befestigt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Statorwicklung 10, insbesondere der zwischen den Einzelzähnen 4 liegende Teil der Statorwicklung 10 und einer der beiden Wickelköpfe 10.1, als Befestigungs- oder Halteelement dient und dass einer der beiden Wickelköpfe 10.1 der Statorwicklung 10 in zumindest einer Wickelkopfaufnahme 42 des Lagerschildes 41 befestigt ist.
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Die Antriebseinrichtung 40 kann die elektrische Maschine 30 selbst sein oder eine Getriebeeinrichtung für eine elektrische Achse, die die elektrische Maschine 30 umfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4023791 A1 [0002]
- JP 2001136606 A2 [0002]
