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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Isolierprofil zur elektrischen Isolation mindestens einer Wicklungsnut eines magnetisch leitfähigen Blechpakets eines Elektromotors, wobei die Wicklungsnut zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme eines Wicklungsabschnitts einer dem Elektromotor zugeordneten Wicklung ausgebildet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Elektromotor mit mindestens einem magnetisch leitfähigen Blechpaket, das mindestens eine Wicklungsnut zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme eines Wicklungsabschnitts einer dem Elektromotor zugeordneten Wicklung aufweist, und mit einem Isolierprofil zur elektrischen Isolation der mindestens einen Wicklungsnut.
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Aus dem Stand der Technik sind Blechpakete für Statoren und Rotoren von Elektromotoren bekannt. Ein derartiges Blechpaket kann aus einer Vielzahl von Blechlamellen oder einem gesinterten Weicheisen hergestellt sein, sowie in segmentierter oder nicht-segmentierter Form, und weist im Allgemeinen radial einwärts oder auswärts gerichtete Zähne auf, die mit Wicklungsabschnitten einer Stator- oder Rotorwicklung belegt sind. Zur Gewährleistung einer zuverlässigen elektrischen Isolierung des Blechpakets gegenüber den Wicklungsabschnitten ist es weiterhin bekannt, Isolierpapier zwischen den Wicklungsabschnitten und den Zähnen vorzusehen bzw. Isolierpapierzuschnitte in entsprechende, zwischen benachbarten Zähnen ausgebildete Wicklungsnuten einzulegen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Isolierprofil zur elektrischen Isolation mindestens einer Wicklungsnut eines magnetisch leitfähigen Blechpakets eines Elektromotors, wobei die Wicklungsnut zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme eines Wicklungsabschnitts einer dem Elektromotor zugeordneten Wicklung ausgebildet ist. Das Isolierprofil ist mit einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial gebildet und weist Abmessungen auf, die zumindest innerhalb vorgegebener Fertigungstoleranzen zugeordneten Abmessungen der Wicklungsnut entsprechen, wobei das Isolierprofil eine durchgehende Längsöffnung zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme des Wicklungsabschnitts aufweist, und wobei das Isolierprofil eine Länge aufweist, die größer als eine Höhe des magnetisch leitfähigen Blechpakets ist.
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Die Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung einer neuartigen Nutisolation in der Form von Isolierprofilen, unter Einhaltung aller geforderten Isolationsabstände sowie Luft- und Kriechstrecken. Die Isolierprofile lassen sich darüber hinaus als Gleichteile mit einer verhältnismäßig einfachen Geometrie kostengünstig fertigen und montieren. Komplexe Werkzeuge zum Umspritzen des Blechpakets können ersatzlos entfallen. Das Isolierprofil lässt sich problemlos für unterschiedliche Motorlängen, d.h. insbesondere unterschiedliche Längenabmessungen des Blechpakets, durch Ablängen von einem endlos-extrudierten Isolierprofil konfektionieren, wobei die sonstigen Bauteile, z.B. End- und Anschlussplatten, unverändert bleiben können. Darüber hinaus ist eine verlässliche Lagesicherung der Isolierprofile im Blechpaket mittels einer Rastverbindung mit Zähnen des Blechpakets realisierbar.
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Bevorzugt weist das Isolierprofil zumindest näherungsweise eine Ω-förmige Querschnittsgeometrie auf.
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Infolgedessen ist im Fall einer Ausführung des Blechpakets als Statorblechpaket ein besonders zuverlässiger Sitz des Isolierprofils in der Wicklungsnut gegeben.
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Vorzugsweise ist das Isolierprofil im Wesentlichen formschlüssig in der Wicklungsnut aufnehmbar.
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Hierdurch werden luftgefüllte Kavitäten, die zu magnetischen Verlusten führen könnten, reduziert.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist das Isolierprofil zwei Schenkel auf, deren Schenkelenden zur umfangsseitigen Fixierung jeweils mit gegenüberliegenden Zahnvorderkanten zweier benachbarter Zähne des magnetisch leitfähigen Blechpakets verrastbar sind.
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Hierdurch ist eine zuverlässige Fixierung des Isolierprofils in der Wicklungsnut gegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Länge des Isolierprofils derart vorgegeben, dass das in der Wicklungsnut aufgenommene Isolierprofil über beide axiale Enden des Blechpakets herausragt.
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Hierdurch ist ein lückenloser Übergang der Isolierung auf eine Endplatte und/oder Anschlussplatte eines zugeordneten Elektromotors gegeben.
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Vorzugsweise ist das über beide axiale Enden des Blechpakets herausragende Isolierprofil zumindest mit mindestens einer elektrisch isolierenden axialen Endplatte des magnetisch leitfähigen Blechpakets überlappbar.
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Hierdurch ist eine umfassende elektrische Isolierung des Blechpakets realisierbar.
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Vorzugsweise ist das über beide axiale Enden des Blechpakets herausragende Isolierprofil mit mindestens einer elektrisch isolierenden Anschlussplatte zum elektrischen Anschluss der zugeordneten Wicklung des Elektromotors verbindbar.
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Hierdurch ist neben der Vervollständigung der elektrischen Isolation des Blechpakets zugleich ein externer elektrischer Anschluss der zugeordneten Wicklung des Elektromotors möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform ist eine Wandstärke des Isolierprofils zumindest im Wesentlichen konstant und liegt in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,5 mm.
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Hierdurch ergeben sich minimale magnetische Verluste und ein maximal verfügbarer Bauraum für die dem Elektromotor zugeordnete Wicklung in Verbindung mit einer hinreichenden elektrischen Isolationswirkung.
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Bevorzugt ist das Kunststoffmaterial ein Polyphenylensulfid oder ein flüssigkristallines Polymer.
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Hierdurch weist das Isolierprofil gemäß der s.g. "Underwriters Laboratories"-(UL)-Listung eine ausreichend schwierige bzw. schwere Entflammbarkeit und elektrische Isolationsklasse in dem für einen Elektromotor geforderten Temperaturbereich auf. Bei geringeren Anforderungen kann z.B. Polyamid 6 zum Einsatz kommen. Alternativ sind jedoch auch andere Materialien verwendbar, die bei einer entsprechend geforderten bzw. vorgegebenen Wandstärke des Isolierprofils ebenfalls die geforderte UL-Listung erfüllen.
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Nach Maßgabe einer technisch günstigen Fortentwicklung ist das Blechpaket nach Art eines Stator- oder Rotorblechpakets ausgebildet.
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Infolgedessen ist das Isolierprofil universell in einem Stator- und/oder Rotorblechpaket eines Elektromotors sowie unabhängig von der Auslegung des Elektromotors als Innen- oder als Außenläufer einsetzbar.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das Blechpaket nach Art eines lamellierten Blechpakets oder eines aus Weicheisen gesinterten Blechpakets ausgebildet.
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Hierdurch ist das Isolierprofil für unterschiedliche Bauarten von Blechpaketen für Elektromotoren universell einsetzbar.
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Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung einen Elektromotor mit mindestens einem magnetisch leitfähigen Blechpaket, das mindestens eine Wicklungsnut zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme eines Wicklungsabschnitts einer dem Elektromotor zugeordneten Wicklung aufweist, und mit einem Isolierprofil zur elektrischen Isolation der mindestens einen Wicklungsnut. Das Isolierprofil ist mit einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial gebildet und weist Abmessungen auf, die zumindest innerhalb vorgegebener Fertigungstoleranzen zugeordneten Abmessungen der Wicklungsnut entsprechen, wobei das Isolierprofil eine durchgehende Längsöffnung zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme des Wicklungsabschnitts aufweist, und wobei das Isolierprofil eine Länge aufweist, die größer als eine Höhe des magnetisch leitfähigen Blechpakets ist.
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Die Erfindung ermöglicht somit eine signifikante Verbesserung des Fertigungsprozesses eines Elektromotors bei gleichzeitiger Einhaltung der notwendigen Isolationsabstände sowie Luft- und Kriechstrecken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt eines Elektromotors mit einem Statorkern und einem Rotorkern,
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2 eine perspektivische Ansicht des Statorkerns von 1 mit erfindungsgemäßen Isolierprofilen,
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3 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie III-III von 2,
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4 eine perspektivische Ansicht eines Isolierprofils von 2,
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5 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie V-V von 4,
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6 den Ausschnitt VI von 3 mit einer Wicklungsnut und darin eingelegtem Isolierprofil,
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7 die Wicklungsnut von 6 mit dem Isolierprofil sowie eingelegter Wicklung, und
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8 einen Teillängsschnitt durch den Statorkern von 7 entlang der Schnittlinie VIII-VIII mit einer Endplatte und einer Anschlussplatte.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt einen exemplarisch als Innenläufermotor ausgeführten Elektromotor 100 mit einem in etwa zylindrischen Rotorkern 150 und einer Rotorwelle 152. Der Rotorkern 150 ist koaxial in einem näherungsweise hohlzylindrischen Statorkern 200 positioniert. Die Rotorwelle 152 mit dem darauf drehfest angeordneten Rotorkern 150 ist in zwei beidseits des Rotorkerns 150 beispielhaft in einem Motorgehäuse 102 aufgenommenen Wälzlagern 110, 112 um eine Längsmittelachse 124 drehbeweglich gelagert. Der Statorkern 200 ist bevorzugt nach Art eines magnetisch leitfähigen, lamellierten oder gesinterten Blechpakets 202 aufgebaut, das funktionell ein Statorblechpaket 204 bildet. Der Rotorkern 150 ist illustrativ nach Art einer Permanentmagnetanordnung 156 aufgebaut. Alternativ hierzu kann jedoch auch der Rotorkern 150 als Blechpaket und der Statorkern 200 als Permanentmagnetanordnung ausgebildet sein.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der Elektromotor 100 in 1 lediglich schematisch dargestellt ist, da Aufbau und Funktionalität eines geeigneten Elektromotors hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt sind, sodass hier zwecks Knappheit und Einfachheit der Beschreibung auf eine eingehende Beschreibung des Elektromotors 100 verzichtet wird. Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass der Elektromotor 100 lediglich beispielhaft und nicht zur Einschränkung der Erfindung als Innenläufermotor dargestellt ist, da die Erfindung auch bei einem Außenläufermotor Anwendung finden kann.
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2 zeigt den Statorkern 200 von 1 mit dem das Statorblechpaket 204 bildenden Blechpaket 202, das hier lediglich exemplarisch sechs gleichartige, axial verlaufende und durchgehend ausgestaltete Wicklungsnuten 210 aufweist, in denen jeweils ein Isolierprofil 220 im Wesentlichen formschlüssig aufgenommen ist. Die sechs Isolierprofile 220 verfügen bevorzugt jeweils über eine axial durchgehende Längsöffnung 222.
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Die geometrischen Abmessungen, insbesondere eine Umfangskontur der Isolierprofile 220, sind jeweils so bemessen, dass sie zumindest innerhalb vorgegebener Fertigungstoleranzen mit zugeordneten Abmessungen, insbesondere einer Umfangsgeometrie bzw. einer Querschnittsgeometrie der Wicklungsnuten 210, des Statorblechpakets 204 korrespondieren. Hierdurch wird die Bildung von luftgefüllten Hohlräumen zwischen den Isolierprofilen 220 und den Wicklungsnuten 210, die zu einer Schwächung des magnetischen Flusses führen, weitgehend verhindert. Das magnetisch leitfähige Statorblechpaket 204 verfügt über eine Höhe 214 bzw. eine axiale Baulänge, die so dimensioniert ist, dass die in die Wicklungsnuten 210 eingelegten Isolierprofile 220 zumindest einseitig und bevorzugt jeweils beidseitig zumindest geringfügig über das Statorblechpaket 204 hinausragen.
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Die Isolierprofile 220 sind vorzugsweise mit einem elektrisch isolierenden und mechanisch hinreichend belastbaren Kunststoffmaterial, wie zum Beispiel einem Polyphenylensulfid oder mit einem flüssigkristallinen Polymer, gebildet und können fertigungstechnisch auf einfache Art und Weise durch kontinuierliche Extrusion des Kunststoffmaterials und das Ablängen entsprechend langer Abschnitte gefertigt werden. Alternativ hierzu können die Isolierprofile 220 auch als formgebundenes Spritzgussteil hergestellt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass auch andere mögliche Fertigungsverfahren zur Herstellung der Isolierprofile 220 Anwendung finden können. Darüber hinaus lassen sich die Isolierprofile 220 durch entsprechendes Ablängen auf einfache Art und Weise an Statorblechpakete mit unterschiedlichen Höhen bzw. axialen Baulängen anpassen, die zur Realisierung von Elektromotoren mit unterschiedlicher Leistung notwendig sind. Somit ist das Isolierprofil 220 universell für verschiedenste Elektromotortypen und Leistungsklassen verwendbar.
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3 zeigt den Statorkern 200 von 2 mit dem das Statorblechpaket 204 bildenden Blechpaket 202 mit den sechs Wicklungsnuten 210 und den darin angeordneten Isolierprofilen 220, die bevorzugt eine jeweils im Wesentlichen Ωförmige Querschnittsgeometrie aufweisen. Der Statorkern 200 verfügt weiterhin über sechs radial einwärts gerichtete und umfangsseitig gleichmäßig zueinander beabstandete Zähne 230, an denen jeweils zwei voneinander weggerichtete Zahnvorderkanten 232, 234 mit einer jeweils näherungsweise kreisringsektorförmigen Querschnittsgeometrie integral ausgebildet sind, die der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht durchgehend mit Bezugsziffern versehen sind. Die Wicklungsnuten 210 sind jeweils mittig zwischen zwei benachbarten Zähnen 230 angeordnet und verlaufen jeweils senkrecht zur Zeichenebene.
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4 zeigt das Isolierprofil 220 von 3, bei dem die geometrische Abmessung, insbesondere die Ω-förmige Querschnittsgeometrie bzw. die Umfangskontur des Isolierprofils 220 unter anderem durch eine maximale Breite 250 und eine maximale Höhe 252 bei einer Länge 254 bzw. einer maximalen axialen Baulänge charakterisiert ist. Die Länge 254 ist hierbei so gewählt, dass das in einer zugeordneten Wicklungsnut aufgenommene Isolierprofil 220 vorzugsweise beidseits über diese geringfügig hinausragt. Eine Wandstärke 256 des Isolierprofils 220 ist annähernd konstant und liegt in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, einschließlich der Intervallgrenzen.
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5 zeigt das Isolierprofil 220 von 4, bei dem die näherungsweise Ωförmige Querschnittsgeometrie bzw. die Umfangskontur des Isolierprofils 220 über einen Kopfabschnitt 260 sowie einen Basisabschnitt 262 mit der Längsöffnung 222 verfügt. Der Kopfabschnitt 260 umfasst bevorzugt einen horizontal verlaufenden Grundabschnitt 264, an den sich beidseits unter einem Winkel von α jeweils eine entgegengesetzt geneigte Basiswand 266, 268 anschließt. An die beiden Basiswände 266, 268 schließen sich vorzugsweise zwei entgegengesetzt geneigte Seitenwände 270, 272 jeweils unter einem Winkel β an, der hier exemplarisch etwa 90° beträgt. An die beiden Seitenwände 270, 272 schließen sich bevorzugt zwei zumindest abschnittsweise horizontal verlaufende Schenkel 274, 276 des Basisabschnitts 262 an, deren hakenförmig gekrümmte Schenkelenden 278, 280 unter Freilassung der Längsöffnung 222 einander zugewandt sind. Die Basiswände 266, 268, die Seitenwände 270, 274 sowie die Schenkel 274, 276 mit ihren hakenförmig gestalteten Schenkelenden 278, 280 sind vorzugsweise jeweils spiegelbildlich zueinander ausgebildet. Die Ω-förmige Querschnittsgeometrie bzw. die Umfangskontur des Isolierprofils 220 ist bevorzugt so gestaltet, dass diese im Wesentlichen formschlüssig in einer Wicklungsnut des Statorblechpakets 204 von 2 aufnehmbar ist.
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6 zeigt die Wicklungsnut 210 des Statorblechpakets 204 von 2, in die das Isolierprofil 220 von 2 mit seiner radial einwärts offenen Längsöffnung 222 eingesetzt ist. Um eine verlässliche Lagefixierung des Isolierprofils 220 in der Wicklungsnut 210 zu gewährleisten, sind die hakenförmigen Schenkelenden 278, 280 mit den jeweils einander zugewandten Zahnvorderkanten 232, 234 der beiden benachbarten Zähne 230 verrastbar. Zu diesem Zweck weisen die Zahnvorderkanten 232, 234 bevorzugt jeweils einen kleinen Hinterschnitt 240, 242 auf, den die hakenförmigen Schenkelenden 278, 280 des Isolierprofils 220 rastend hintergreifen. Die beiden Hinterschnitte 240, 242 sind bevorzugt jeweils mit einer kleinen radial auswärts gerichteten Aufdickung realisiert.
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Um einen möglichst bündigen Abschluss des Isolierprofils 220 mit einer zylindrischen Öffnung 206 für den sich drehenden Rotorkern 154 von 1 im Statorblechpaket 204 zu erzielen, ist im Bereich der Zahnvorderkanten 232, 234 bevorzugt jeweils eine radial einwärts weisende, einseitig leicht angeschrägte, nutartige Vertiefung 244, 246 vorgesehen, in denen angefaste Längskanten 282, 284 der Schenkelenden 278, 280 vorzugsweise gleichfalls mittels einer geringfügigen Hinterschneidung rastend haltbar sind, so dass ein bündiger Abschluss der Schenkelenden 278, 280 des Isolierprofils 220 mit der Öffnung 206 gewährleistet ist und im Zusammenwirken mit den Hinterschnitten 240, 242 ein besonders zuverlässiger Sitz des Isolierprofils 220 in der Wicklungsnut 210 des Statorblechpakets 204 gegeben ist.
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7 zeigt die Wicklungsnut 210 von 6 des Statorblechpakets 204 des Statorkerns 200, in der das Isolierprofil 220 aufgenommen ist, in das illustrativ seinerseits zwei Wicklungsabschnitte 300, 302 als Teil einer Wicklung 350 des Statorkerns 200 eingelegt sind. Beidseits der Längsöffnung 222 des Isolierprofils 220 besteht zwischen dem Statorblechpaket 204 und den beiden Wicklungsabschnitten 300, 302 der Wicklung 350 bevorzugt jeweils ein besonders langer Isolationsabstand 400, 402, der einen dauerhaft zuverlässigen, insbesondere kriechstromfreien und durchschlagfreien Betrieb des Elektromotors auch bei hohen Betriebstemperaturen und/oder Drehzahlen gestattet.
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8 zeigt das Blechpaket 202 des Statorblechpakets 204 des Statorkerns 200 von 2 mit dem Wicklungsabschnitt 300, das die Höhe 214 bzw. eine axiale Baulänge aufweist, die bevorzugt geringfügig kleiner als die Länge 254 des Isolierprofils 220 von 2 ist. Eine axiale Ausrichtung des Isolierprofils 220 in Relation zu der Wicklungsnut 210 des Statorblechpakets 204 ist bevorzugt so bemessen, dass ein erstes und ein zweites axiales Ende 286, 288 des Isolierprofils 220 jeweils um einen ungefähren, in etwa gleich großen Überstand 290, 292 über ein erstes und ein zweites axiales Ende 216, 218 des Statorblechpakets 204 hinausragen.
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Weiterhin ist vorzugsweise eine elektrisch isolierende Endplatte 130 vorgesehen, die mit dem ersten axialen Ende 286 des Isolierprofils 220 überlappbar bzw. auf dieses axial aufsteckbar ist. Entsprechend ist bevorzugt eine elektrisch isolierende Anschlussplatte 140 mit dem zweiten axialen Ende 288 des Isolierprofils 220 überlappbar.
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Die Endplatte 130 dient bevorzugt unter anderem zum stirnseitigen Abschluss des Statorkerns 200, während mittels der hinteren Anschlussplatte 140 vorzugsweise neben dem rückseitigen Abschluss des Statorkerns 200 zugleich dessen elektrische Kontaktierung bzw. dessen elektrische Anbindung an eine externe Stromquelle erfolgt. Darüber hinaus dienen die Endplatte 130 und die Anschlussplatte 140 zur Lagesicherung der freien axialen Enden 286, 288 des Isolierprofils 220 und der Führung des Wicklungsabschnitts 300.