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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Steckwicklung einer elektrischen Maschine, wobei Stabenden von Leiterstäben der Steckwicklung durch eine Positioniereinrichtung zum Verschweißen positioniert werden. Die Erfindung betrifft auch diese Positioniereinrichtung.
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Stand der Technik
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Das Dokument
US 6,903,478 B2 ein Verfahren zur Herstellung einer Steckwicklung einer elektrisch rotierenden Maschine. Die Steckwicklung weist wenigstens zweifach gebogene beziehungsweise verschränkte Leiterstäbe mit abisolierten Stabenden auf, welche verschweißt werden.
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US 2022/0247285 A1 offenbart eine Herstellungsmethode für die Steckwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine und ein Spannwerkzeug, wobei die Leiterstäbe einfach verschränkt sind, wodurch sich die Höhe des Wickelkopfes oberhalb des Stators reduziert.
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DE 10 2016 120 208 B4 offenbart eine andere Herstellungsmethode für die Steckwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Positioniereinrichtung zur Herstellung einer Steckwicklung mit einmal gebogenen beziehungsweise verschränkten Leiterstäben beziehungsweise mit einer reduzierten Wickelkopfhöhe zu verbessern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend der unabhängigen Ansprüche 1 und 2 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer Steckwicklung einer elektrischen Maschine, wobei in einem ersten Schritt ein Stator der elektrischen Maschine bereitgestellt wird. Die bereitgestellte elektrische Maschine weist eine Axialrichtung beziehungsweise axiale Richtung auf, um welche vorzugsweise der Rotor im Betrieb rotiert. Der bereitgestellte Stator umfasst eine Vielzahl von Leiterstäben der Steckwicklung, wobei jeweils zwei Stabenden unterschiedlicher Leiterstäbe zueinander zumindest vorgeschränkt oder geschränkt sind. Vorgeschränkt bedeutet, dass die Biegung beziehungsweise das Maß der Verschränkung der jeweiligen zu verschweißenden Leiterstäbe zueinander vorteilhafterweise noch nicht bis zur vorgegebenen Zielformung beziehungsweise Zielposition erfolgt ist. Anschließend wird der bereitgestellte Stator an beziehungsweise in einer Positioniereinrichtung angeordnet. Vorzugsweise wird der Stator dabei von unten in die Positioniereinrichtung eingefahren. Alternativ kann die Positioniereinrichtung beispielsweise von oben nach unten auf den Stator zu bewegt werden. Die Positionierungselemente der Positioniereinrichtung sind dazu eingerichtet, in axialer Richtung des Stators auf den Stator zu beziehungsweise zum Stator bewegt zu werden, wobei die Positionierungselemente insbesondere an einem gemeinsamen Ringelement fixiert sind und durch eine Bewegung des Ringelements bewegt werden. Bei dieser Bewegung in axialer Richtung zum Stator werden mittels einer gegenüber der axialen Richtung des Stators schrägen ersten Anschlagsfläche der Positionierungselemente die zumindest vorgeschränkten Stabenden der Leiterstäbe in axialer Richtung kontaktiert und an eine vorgegebene axiale Position relativ zum Stator bewegt beziehungsweise positioniert. Diese vorgegebene axiale Position entspricht beziehungsweise ist beispielsweise die Ziel- oder Endposition beziehungsweise resultiert in der Zielformung der Leiterstäbe nach dem Schweißen beziehungsweise im Betrieb. Die Positionierungselemente weisen an der größeren Seitenfläche entlang der radialen Richtung jeweils eine weitere zweite Anschlagsfläche auf, wobei die zweite Anschlagsfläche dazu eingerichtet ist, bei dieser Bewegung in axialer Richtung zum Stator ein Stabende eines anderen benachbarten Leiterstabes in tangentialer Richtung an einer vorgegebenen tangenialen Position zu positionieren. Anschließend wird vorteilhafterweise ein Schweißprozesses zum Verschweißen des abisolierten Bereiches der Stabenden eines jeweiligen Paares der zu verschweißenden Stabenden durchgeführt. Vorzugsweise werden durch dieses Verfahren eine Vielzahl von Stabenden der Leiterstäbe gleichzeitig in axialer und tangentialer Richtung positioniert und vorzugsweise verschweißt. Die radiale Verspannung der zu verschweißenden Stabenden der Leiterstäbe erfolgt insbesondere mittels einer in dieser Erfindung unberücksichtigten, weiteren Spannvorrichtung, welche in der Lage ist zwischen den Positionierelementen angeordnet zu sein. Das Verfahren ermöglicht somit eine gleichzeitige oder unmittelbar nachgeschaltete Verspannung der zu verschweißenden Stabenden in radialer Richtung. Das Verfahren weist außerdem den Vorteil auf, dass keine separaten Schieber oder Bewegungen für die axiale und tangentiale Positionierung der zu verschweißenden Stabenden benötigt wird. Dadurch wird die Taktzeit reduziert und die Prozesssicherheit erhöht.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren die Positioniereinrichtung für Leiterstäbe eines Stators. Die Positioniereinrichtung umfasst ein Ringelement mit einer Vielzahl an Aufnahmepositionen für Positionierungselemente. Die Positioniereinrichtung weist außerdem eine Vielzahl an den Positionierungselementen auf, wobei die Positionierungselemente jeweils an einer der Aufnahmepositionen des Ringelements fixiert werden. Die Positionierungselemente weisen jeweils eine gegenüber der axialen Richtung schräge erste Anschlagsfläche an der Unterseite auf, wobei die erste Anschlagsfläche an der Unterseite dazu eingerichtet ist, bei axialer Bewegung der Positionierungselemente in Richtung des Stators die vorgeschränkten Stabenden der Leiterstäbe des Stators zu kontaktieren und zu führen beziehungsweise zu bewegen beziehungsweise zu positionieren. Des Weiteren weisen die Positionierungselemente jeweils eine zweite Anschlagsfläche an der größeren Seitenfläche entlang der radialen Richtung auf, wobei die Positionierungselemente mittels der zweiten Anschlagsfläche dazu eingerichtet sind, bei der Bewegung der Positionierungselemente in axialer Richtung des Stators jeweils ein Stabende eines benachbarten Leiterstabes in tangentialer Richtung an einer vorgegebenen tangenialen Position zu kontaktieren und zu führen beziehungsweise zu positionieren. Die Positioniereinrichtung weist den Vorteil auf, dass Toleranzen in der Verschränkung und in der Lage der Leiterstäbe in axialer Richtung und in tangentialer Richtung ausgeglichen werden. Mit anderen Worten werden die Stabenden der Leiterstäbe vorteilhaferweise durch die Positioniereinrichtung zuverlässig an einer vorgegebenen Position positioniert, so dass nach einer zusätzlich notwendigen Verspannung der Stabenden der Leiterstäbe ein Schweißprozess durchgeführt werden kann, wobei durch die hohe Positionsgenauigkeit in axialer und tangentialer Richtung eine hohe Qualität der Schweißnähte resultiert. Die Positioniereinrichtung weist außerdem den Vorteil auf, dass keine separaten Schieber oder Bewegungen für die axiale und tangentiale Positionierung der zu verschweißenden Stabenden benötigt werden. Die Positioniereinrichtung ermöglicht des Weiteren eine gleichzeitige oder unmittelbar nachgeschaltete Verspannung der zu verschweißenden Stabenden in radialer Richtung mittels einer Vielzahl von Spannvorrichtungen, welche jeweils zwischen den einzelnen Positionierungselementen angeordnet und dazu eingerichtet sind, die in axialer und tangentialer Richtung zwischen zwei Positionierungselementen positionierten Stabenden paarweise in radialer Richtung zu verspannen, wobei insbesondere zusätzliche Abstandselemente zwischen den zu verschweißenden Paaren von Stabenden angeordnet werden. Durch diese Positioniereinrichtung wird die Taktzeit und der Verschleiß reduziert, wodurch die Prozesssicherheit erhöht wird.
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Vorzugsweise umfasst jedes der Positionierungselemente der Positioniereinrichtung wenigstens vier erste Anschlagsflächen, insbesondere umfasst jedes der Positionierungselemente sechs oder acht Anschlagsflächen. Die wenigstens vier erste Anschlagsflächen des jeweiligen Positionierungselementes sind jeweils in zur axialen Richtung radialen Richtung zueinander verschoben. Jede der wenigstens vier ersten Anschlagsflächen ist mit anderen Worten vorteilhafterweise dazu eingerichtet, ein anderes Stabende eines Leiterstabes zu kontaktieren und zu führen beziehungsweise zu positionieren. Somit können alle zu verschweißenden Stabenden der Leiterstäbe des Stators vorteilhafterweise durch die Positioniereinrichtung mittels eines jeweiligen Positionierungselementes gleichzeitig in axialer und tangentialer Richtung geführt und positioniert werden. Für die Positioniereinrichtung resultiert dadurch der Vorteil, dass gleichzeitig, dass heißt schnell, eine Vielzahl an Stabenden der Leiterstäbe der Steckwicklung des Stators der elektrischen Maschine in axialer und tangentialer Richtung zuverlässig für einen Schweißprozess positioniert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Positioniereinrichtung ist zwischen den ersten Anschlagsflächen eines Positionierungselements in radialer Richtung jeweils ein Toleranzbereich beziehungsweise Steg ohne Anschlagsflächen angeordnet. Durch diesen Toleranzbereich werden vorteilhafterweise leichte Fehlstellungen beziehungsweise Verdrehungen der Leiterstäbe um die axiale Richtung toleriert, welche später durch eine Verspannung in radialer Richtung mittels einer weiteren Spannvorrichtung für die radiale Richtung ausgeglichen beziehungsweise korrigiert werden können.
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In einer vorteilhaften Weiterführung der Positioniereinrichtungen sind die erste Anschlagsfläche an der Unterseite der Positionierungselemente mit der kürzen Seitenfläche oder unmittelbar mit der Oberseite des Positionierungselements jeweils verbunden, insbesondere mittels einer abgerundeten Kante. Dadurch wird vorteilhafterweise eine Führung der Stabenden der Leiterstäbe bis zur vorgegebenen Zielposition ohne Beschädigung der Isolation der Leiterstäbe mittels der Positioniereinrichtung erreicht.
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Vorzugsweise ist die erste Anschlagsfläche des Weiteren jeweils an der Unterseite des Positionierungselements poliert und weist somit insbesondere eine niedrigere Rauigkeit (Ra- beziehungsweise Rz-Werte) als an beispielsweise der Oberseite oder der größeren Seitenfläche auf. Vorzugsweise liegen die Ra-Werte kleiner oder gleich 0,1 beziehungsweise die Rz-Werte kleiner oder gleich 1,0. Dadurch werden vorteilhafterweise Beschädigungen der Isolation der Leiterstäbe oder der abisolierten Stabenden reduziert und der Verschleiß der Positionierungselemente erhöht.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Positioniereinrichtung ist die zweite Anschlagsfläche an der größeren Seitenfläche des Positionierungselements schräg gegenüber der axialen Richtung ausgestaltet, wobei die zweite Anschlagsfläche und die axiale Richtung insbesondere einen Winkel kleiner 20° einschließen. Dadurch wird vorteilhafterweise eine Ausführschräge erzeugt, welche ein Verklemmen der Positioniereinrichtung mit den Stabenden der Leiterstäbe bei einer Ausführung beziehungsweise der Entfernung des Stators von der Positioniereinrichtung nach dem Schweißprozess vermeidet.
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In einer weiteren Ausführung der Positioniereinrichtungen ist die zweite Anschlagsfläche an der größeren Seitenfläche des Positionierungselements in axialer und/oder radialer Richtung des Stators gebogen beziehungsweise weist eine Hohlwölbung auf. Dadurch wird vorteilhafterweise die Positionierung in tangentialer Richtung verbessert, insbesondere wird eine Bewegung der Stabenden der Leiterstäbe verbessert geführt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Figuren.
- 1: Ablaufdiagramm des Verfahrens als Blockschaltbild
- 2: Positioniereinrichtung mit bereitgestelltem Stator in seitlicher Ansicht
- 3: Ausschnitt einer Positioniereinrichtungen mit bereitgestelltem Stator im Querschnitt
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Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens als Blockschaltbild schematisch dargestellt. Das Verfahren umfasst eine Bereitstellung 110 eines Stators einer elektrischen Maschine. Der Stator weist eine Axialrichtung auf und umfasst eine Vielzahl von Leiterstäben der herzustellenden Steckwicklung, wobei jeweils zwei Stabenden unterschiedlicher Leiterstäben zueinander zumindest vorgeschränkt oder geschränkt sind. Die verschränkten Stabenden der Leiterstäbe sollen im Folgenden durch das erfindungsgemäße Verfahren möglichst genau, vorzugsweise exakt, in axialer und tangentialer Richtung positioniert und insbesondere anschließend in radialer Richtung jeweils paarweise gemäß eines vorgegeben Wickelungsschemas für die Steckwicklung miteinander verspannt werden, so dass sie zuverlässig miteinander verschweißt werden können. Das Wicklungsschema ist dabei durch die Verschränkung vor dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits vorgegeben. Nach der Bereitstellung wird der Stator im Schritt 120 an einer Positioniereinrichtung angeordnet. Die Positioniereinrichtung umfasst Positionierungselemente, welche dazu eingerichtet sind, in axialer Richtung des Stators zum Stator hin bewegt zu werden. Die Positionierungselemente werden bei dieser Bewegung vorteilhafterweise von einem gemeinsamen Ringelement der Positioniereinrichtung geführt, wobei die Positionierungselemente an dem Ringelement fixiert sind, beispielsweise durch Schraubverbindungen. Die Positionierungselemente weisen einer gegenüber der axialen Richtung schräge erste Anschlagsfläche an der Unterseite der Positionierungselemente auf, wobei die Unterseite bei der Anordnung der Positioniereinrichtung an den Stator in Richtung des Stators gerichtet ist. Dadurch sind die Positionierungselemente dazu eingerichtet, die zumindest vorgeschränkten oder geschränkten Stabenden der Leiterstäbe in axialer Richtung zu führen beziehungsweise zu bewegen und an einer vorgegebenen axialen Zielposition zu positionieren beziehungsweise anzuordnen. Zusätzlich weisen die Positionierungselemente an der größeren Seitenfläche jeweils eine weitere zweite Anschlagsfläche auf. Die zweite Anschlagsfläche ist dazu eingerichtet, während der axialen Bewegung der Positioniereinrichtung zum Stator ein Stabende eines benachbarten Leiterstabes zu kontaktieren und in tangentialer Richtung an einer vorgegebenen tangentialen Position zu positionieren. Zu diesem Zweck kann die zweite Anschlagsfläche in radialer Richtung des Stators gebogen ausgeführt sein beziehungsweise eine Hohlwölbung aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Anschlagsfläche in axialer Richtung gebogen sein beziehungsweise eine Hohlwölbung aufweisen. Zur Anordnung 120 des bereitgestellten Stators an die Positioniereinrichtung muss mittels eines Aktors eine relativ große Kraft aufgebracht werden, da die gleichzeitige axiale und tangentiale Positionierung aller zu verschweißenden Stabenden der Leiterstäbe des Stators zumindest teilweise in einer plastischen und/oder elastischen Verformung der Leiterstäbe resultiert, insbesondere der Stabenden der Leiterstäbe. Der Aktor kann beispielsweise hydraulisch oder elektrisch sein und an die benötigte Kraft in axialer Richtung zur Anordnung 120 auf das Ringelement aufbringen. Anschließend wird im optionalen Schritt 130 eine Verspannung der Stabenden der Leiterstäbe in radialer Richtung durchgeführt. In einem weiteren optionalen Schritt 140 wird ein Schweißprozess durchgeführt, so dass die zueinander geschränkten, in axialer und tangentialer Richtung positionierten sowie in radialer Richtung verspannten Stabenden zweier Leiterstäbe der Vielzahl an Leiterstäben zu einer Steckwicklung verschweißt werden.
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In 2 ist eine Positioniereinrichtung 300 mit bereitgestelltem Stator 200 in seitlicher dreidimensionaler Ansicht schematisch dargestellt. Der Stator 200 weist eine Axialrichtung 290 auf. Im Betrieb der elektrischen Maschine rotiert typischerweise der Rotor der elektrischen Maschine um diese Axialrichtung 290 des Stators. Der Stator 200 weist eine Steckwicklung auf. Die Steckwicklung umfasst eine Vielzahl an Leiterstäben 210, wobei in 2 zum leichter Verständnis nur zwei Leiterstäbe dargestellt sind. Die Leiterstäbe 210 sind in die parallel zur axialen Richtung verlaufenden Nuten 201 beziehungsweise die Hohlräume aufgenommen. Typischerweise umfassen die Leiterstäbe 210 Kupfer, wobei das Kupfer zur Vermeidung von Kurzschlüssen isoliert ist. Die Leiterstäbe 210 können als gerade Stäbe in die Nuten 201 aufgenommen sein oder beispielsweise U-förmig gebogen sein, wobei dann beide geraden Schenkel der U-förmig gebogenen Leiterstäbe 210 in unterschiedliche Nuten aufgenommen sind. An den Stabenden 220 weist jeder Leiterstab einen abisolierten Bereich auf. Nach der Aufnahme der Leiterstäbe in die Nuten 201 werden die Stabenden 220 zumindest an dem Wickelkopf 280 zueinander paarweise gemäß eines Wickelschemas verschränkt, wie für die in 2 dargestellten Leiterstäbe dargestellt. Die Verschränkung der Leiterstäbe mit einmaliger Biegung resultiert in einer niedrigeren Wickelköpfhöhe 280a in axialer Richtung 290, was Vorteile für den später benötigten Bauraum der elektrischen Maschine in axialer Richtung 290 aufweist. Allerdings sind die zueinander verschränkten Stabenden 220 der Leiterstäbe anschließend zu verschweißen, was durch die nur einmalige Biegung bei der Verschränkung erschwert wird. Um ein zuverlässiges Verschweißen zu gewährleisten, wird die erfindungsgemäße Positioniereinrichtung 300 im Schritt 120 an dem Wickelkopf 280 des Stators 200 angeordnet, wobei die Anordnung 120 durch eine Bewegung der Positioniereinrichtung 300 zum Stator 200 und/oder eine Bewegung des Stators 200 zur Positioniereinrichtung 300 in jeweils axialer Richtung 290 aufeinander zu erfolgt. Die Bewegung beziehungsweise Anordnung 120 wird mittels eines Aktors durchgeführt, welcher dazu eingerichtet ist, eine ausreichend große Kraft in der axialen Richtung 290 aufzubringen. Während der Anordnung 120 beziehungsweise der Bewegung in axialer Richtung 290 kontaktieren die Positionierungselemente 320 die Stabenden 220 der Leiterstäbe 210 mittels einer zur axialen Richtung 290 schrägen ersten Anschlagsfläche und bewegen beziehungsweise verbiegen die Stabenden 220 in axialer Richtung 290 bis zu einer Zielposition. Dadurch resultiert mit anderen Worten eine vorgegebene axiale Positionierung der Stabenden 220 der Leiterelemente 210. Die Positionierungselemente 320 sind jeweils an das Ringelement 310 der Positioniereinrichtung 300 fixiert. Dadurch können die Positionierungselemente 320 einzeln beziehungsweise separat bei Verschleiß ausgetauscht werden. Die Fixierung erfolgt insbesondere mittels Durchlassöffnungen in den Positionierungselementen 320 und Passstiften, welche insbesondere an dem Ringelement 310 fixiert sind. An der Oberseite der Positionierungselemente wird vorzugsweise eine Ringplatte zur Fixierung der Positionierungselemente 320 in axialer Richtung aufgelegt und fixiert (nicht dargestellt). Gleichzeitig zur axialen Positionierung der Stabenden 220 durch die Anordnung 120 werden durch die Positionierungselemente 320 die Stabenden 220 der Leiterstäbe 210 in tangentialer Richtung 295 mittels einer zweiten Anschlagsfläche positioniert. Zwischen den in 2 dargestellten Positionierungselementen 320 werden jeweils Spannvorrichtungen angeordnet, welche in 2 nicht dargestellt sind. Diese Spannvorrichtungen sind dazu eingerichtet, die Stabenden 220 der Leiterstäbe 210 in radialer Richtung 299 senkrecht zur axialen Richtung 290 zu positionieren und zu verspannen.
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In 3 ist Ausschnitt einer Positioniereinrichtungen 300 mit bereitgestelltem Stator 200 im Querschnitt schematisch dargestellt, wobei die Stabenden 220 durch die Anordnung 120 des Stators an der Positioniereinrichtung 300 an der Zielposition positioniert sind. Dadurch ist die zur axialen Richtung 290 schräge erste Anschlagsfläche 321 an der Unterseite 340 des Positionierungselements 320 in vollflächigem Kontakt mit der Isolation 225 am Stabende 220 des Leiterstabes 210. Die erste Anschlagsfläche 321 kann mittels einer abgerundeten Kante 329 unmittelbar mit der Oberseite 350 des Positionierungselements 320 verbunden sein. Alternativ ist die schräge erste Anschlagsfläche 321 mittels einer abgerundeten Kante 329 mit der kürzeren Seitenfläche 360 verbunden, wie in 3 dargestellt. Der abisolierte Bereich 221 des Stabendes 220 ist weiterhin in Kontakt mit einer zweiten Anschlagsfläche 322 an der größeren Seitenfläche 370 eines benachbarten Positionierungselements 320. Die zweite Anschlagsfläche 322 und die axiale Richtung 290 umfassen einen Winkel 390 kleiner oder gleich 10° beziehungsweise eine Ausführungsschrägung. Dadurch kann die Positionierungseinrichtung 300 nach dem Schweißen zuverlässiger von den Stabenden 220 des Stators 200 in axialer Richtung 290 getrennt werden. Die erste Anschlagsfläche 321 und/oder die zweite Anschlagsfläche 322 weisen vorzugsweise in radialer Richtung 299 und/oder axialer Richtung 290 eine Krümmung auf, wodurch die Führung und Positionierung der Stabenden 220 verbessert wird. Die erste Anschlagsfläche 321 ist darüber hinaus vorzugsweise besonders glatt beziehungsweise weist eine geringe Rauigkeit auf. Vorzugsweise ist die erste Anschlagsfläche 321 poliert, so dass die Rauigkeit der ersten Anschlagsfläche kleiner oder gleich Rz = 0,1 liegt. Dadurch werden vorteilhafterweise Beschädigungen an der Isolation der Stabenden 220 der Leiterstäbe 210 reduziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6903478 B2 [0002]
- US 20220247285 A1 [0003]
- DE 102016120208 B4 [0004]