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Die
Erfindung geht aus von einer Windkraftanlage nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Derartige
Windkraftanlagen werden auch als Windkraftwerke oder Windräder bezeichnet.
Es handelt sich dabei um eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer
Energie aus der natürlichen
Strömungsenergie
des Windes. Wesentliches Bauelement einer Windkraftanlage ist der
Rotor, der auch als Windrad oder Windturbine bezeichnet wird. Der
Rotor ist an einer Welle befestigt und weist geeignet geformte und positionierte
Angriffsflächen
in Form von Rotorblättern
auf, welche auch als Flügel
bezeichnet werden. Durch die strömende
Luft wird der Rotor in Drehung versetzt. Über die Welle und gegebenenfalls
ein Getriebe wird die Drehung auf einen Generator übertragen,
der elektrischen Strom erzeugt. Häufigste Bauart von Windkraftanlagen
sind Anlagen mit schnelllaufenden Rotoren mit waagrecht angeordneter
Welle und zwei oder drei senkrecht dazu stehenden aerodynamisch
gestalteten Rotorblättern.
Die Welle wird entsprechend der Windrichtung ausgerichtet. Bei kleinen
Windkraftanlagen sind die Blattanstellwinkel der Rotorblätter fest
vorgegeben. Bei größeren Windkraftanlagen
wird der Blattanstellwinkel der Rotorblätter in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit
verstellt, damit die Rotordrehzahl auf einen konstanten Wert geregelt
werden kann.
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Aus
der
DE 602 03 804
T2 ist ein als Windturbinenblatt bezeichnetes Rotorblatt
einer Windkraftanlage bekannt, dessen in Drehrichtung weisende vordere
Kante und in Drehrichtung weisende hintere Kante über nahezu
ihre gesamte Länge
einen geradlinigen Verlauf aufweisen. Derartige Windkraftanlagen
weisen den Nachteil auf, dass sich beim Drehen des Rotors bei hohen
Drehzahlen ein als störend
empfundenes Geräusch
entwickelt. Ferner werden derartige Rotoren zwar durch schwache
Luftströme
in Rotation versetzt jedoch erzeugen sie in diesem Drehzahlbereich
keine nutzbare Leistung. Das Erzeugen nutzbarer elektrischer Energie
ist daher bei geringen Windstärken
nicht möglich.
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Die Erfindung
und ihre Vorteile
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Demgegenüber weist
die erfindungsgemäße Windkraftanlage
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil auf, dass beim Drehen
des Rotors keine oder lediglich eine geringe Geräuschemission erfolgt. Hierzu
weist die vordere Kante der Rotorblätter im Unterschied zum Stand
der Technik einen gebogenen oder runden Verlauf auf, der sich zumindest über die
Hälfte
der Länge
des Rotorblattes von der Befestigung nahe der Welle bis zur Spitze
des Rotorblattes erstreckt. Dabei ist die vordere Kante in Richtung
der hinteren Kante gebogen. Vordere und hintere Kante der Rotorblätter schließen an der
Rotorblattspitze einen spitzen Winkel ein. Bedingt durch diese Form
der Rotorblätter
wird die Luft nicht durch eine gerade Kante wie bei einem Beil getroffen,
sondern das Rotorblatt vollzieht mit seiner vorderen Kante einen geradlinigen
Schnitt durch die auf den Rotor auftreffenden Luftmassen. Dabei
ergeben sich in weit geringerem Umfang Verwirbelungen als bei Rotorblättern mit gerader
vorderer Kante. Da derartige Verwirbelungen die unangenehmen Geräusche verursachen,
treten bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage
Geräusche
in wesentlich geringerem Umfang auf als bei bekannten Anlagen. Dies
gilt sowohl bei geringen Drehzahlen des Rotors als auch bei hohen
Drehzahlen.
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Die
vordere Kante ist mit einem über
die gesamte Länge
konstanten oder sich über
die Länge verändernden
Radius nach hinten in Richtung der hinteren Kante gebogen. Der runde,
gekrümmte
oder gebogene Abschnitt erstreckt sich zumindest über die
Hälfte
der Länge
der vorderen Kante und betrifft den der Rotorblattspitze zugewandten
Abschnitt der vorderen Kante.
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Aufgrund
des runden beziehungsweise gekrümmten
Verlaufes der vorderen Kante der Rotorblätter kann bei einem weniger
stark gekrümmten oder
geradlinigen Verlauf der hinteren Kante das Rotorblatt kürzer ausgebildet
sein, als beim Stand der Technik. Bedingt durch diese Form weisen
die Rotorblätter
eine relativ große
Fläche
auf. Durch die große Angriffsfläche und
den aufgrund der Form der vorderen Kante reduzierten Widerstand
wird ein höherer Wirkungsgrad
der Windkraftanlage erzielt.
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Aus
dem runden Verlauf der vorderen Kante der Rotorblätter und
der damit verbundenen geringeren Länge der Rotorblätter ergibt
sich außerdem
eine höhere
mechanische Belastbarkeit als bei bekannten Windkraftanlagen. Dies
sorgt für
einen geringeren Verschleiß und
eine reduzierte Anfälligkeit
gegen Beschädigungen.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Form
der Rotorblätter
wird der Rotor bereits bei geringen Windstärken in Drehung versetzt. Elektrische
Energie kann daher mit der erfindungsgemäßen Windkraftanlage bereits
bei geringen Windstärken
erzeugt werden.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist nicht nur die
Hälfte
der Länge
der vorderen Kante der Rotorblätter
rund ausgestaltet, sondern die gesamte Länge gegebenenfalls unter Ausnahme
eines Abschnittes nahe der Welle, welcher der Befestigung des Rotorblattes
an der Welle dient.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entspricht
der runde Verlauf der vorderen Kante einem Kreisabschnitt oder dem
Abschnitt einer Ellipse. Darüber
hinaus sind beliebige Krümmungen
der vorderen Kante möglich.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt die Tangente
an die vordere Kante der Rotorblätter
an der Rotorblattspitze mit der Tangente an die vordere Kante an
dem der Rotorblattspitze abgewandten Ende des in Richtung der hinteren
Kante gebogenen Bereichs einen Winkel von mindestens 90° gegebenenfalls
auch von mindestens 100° ein.
Daraus resultiert eine relativ starke Krümmung der vorderen Kante in
Richtung der hinteren Kante.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die
hintere Kante der Rotorblätter
in einem der Rotorblattspitze zugewandten Abschnitt einen geradlinigen
Verlauf auf. Dadurch ergibt sich bei einer entsprechend starken
Krümmung oder
Rundung der vorderen Kante der Rotorblätter eine große Rotorblattfläche. Der
geradlinige Abschnitt der hinteren Kante erstreckt sich besonders bevorzugt über ein
Drittel bis die Hälfte
der Länge
der hinteren Kante.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt sich
an den geraden oder geradlinigen Bereich der hinteren Kante ein
Bereich an, der entgegen der vorderen Kante gebogen ist.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt die Tangente
an die hintere Kante der Rotorblätter
an der Rotorblattspitze mit der Tangente an die hintere Kante an
dem der Rotorblattspitze abgewandten Ende des gebogenen Bereichs
einen Winkel von mindestens 130° gegebenenfalls
auch von mindestens 150° ein.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen
die Rotorblätter
nahe der vorderen Kante eine größere Dicke
auf, als nahe der hinteren Kante. Das daraus resultierende Profil
der Rotorblätter
sorgt für
ein besonders günstiges
Strömungsverhalten
und eine hohe Stabilität
der Rotorblätter.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Windkraftanlage mit einem Scheibengenerator ausgestattet. Dieser
weist eine erste runde Magnetträgerscheibe,
eine zweite Runde Magnetträgerscheibe
und eine runde Spulenträgerscheibe
auf. Die erste Magnetträgerscheibe
ist dabei mit der Welle verbunden. Die zweite Magnetträgerscheibe
ist fest mit der ersten Magnetträgerscheibe verbunden.
Beide Magnetträgerscheiben
sind mit mehreren Magneten ausgestattet. Auf der Spulenträgerscheibe
sind mehrere Spulen angeordnet. Es handelt sich dabei um Luftspulen
ohne Metallkern. Die Wicklungen der Spulen sind rund oder oval.
Die Spulenträgerscheibe
befindet sich zwischen den beiden Magnetträgerscheiben. Dabei sind die
beiden Magnetträgerscheiben
gegenüber
der Spulenträgerscheibe
drehbar gelagert. Magnetträgescheiben
und Spulenträgerscheibe
sowie die Welle sind koaxial zur Generatorachse angeordnet. Dadurch
dass die Spulen keinen Eisenkern aufweisen, treten zwischen der Spulenträgerscheibe
und den Magnetscheiben keine magnetischen Kräfte auf, solange der Rotor
ruht und sich beiden Magnetträgerscheiben
nicht drehen. Diese Kräfte
müssen
bei bekannten Scheibengeneratoren mit Eisenkern überwunden werden, um den Rotor in
Drehung zu versetzen. Bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit einem
Scheibengenerator mit Luftspulen entfällt dieser zu überwindende
Widerstand. Der Rotor kann daher leichter in Drehung versetzt werden
und erzeugt bereits bei geringen Windstärken eine nutzbare elektrische
Leistung. Ferner sorgt der Verzicht auf die Eisenkerne zu einer
Reduzierung des Gewichts der Windkraftanlage und für eine Kostenersparnis
bei deren Herstellung.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen zu entnehmen.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel für ein Rotorblatt
einer erfindungemäßen Windkraftanlage
sowie eines dazu gehörigen
Generators dargestellt. Es zeigen:
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1 Aufsicht
auf ein Rotorblatt,
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2a bis 2g Schnitte
durch das Rotorblatt gemäß 1 entlang
der durch Striche in 1 gekennzeichneten Ebenen,
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3 Generator
in Seitenansicht,
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4 Generator
gemäß 3 in
perspektivischer Darstellung,
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5 Magnetträgerscheibe
des Generators gemäß 3 und 4,
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6 erste
Magnetträgerscheibe
in einer Aufsicht, in der die Magnete erkennbar sind,
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7 zweite
Magnetträgerscheibe
in einer Aufsicht, in der die Magnete erkennbar sind,
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8 Spulenträgerscheibe
in einer Aufsicht, in der die Spulen erkennbar sind.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die 1 und 2 zeigen
ein Rotorblatt 1 einer Windkraftanlage in verschiedenen
Ansichten. Aus der Ansicht gemäß 1 ergibt
sich die Kontur des Rotorblattes, welche durch die vordere Kante 2 und
die hintere Kante 3 des Rotorblattes bestimmt wird. Vordere
Kante 2 und hintere Kante 3 schließen an der
Rotorblattspitze 4 einen spitzen Winkel α ein. Das
der Rotorblattspitze 4 gegenüber liegende Ende 5 des
Rotorblattes 1 ist einer in 3 dargestellten Welle
der Windkraftanlage zugewandt. Mit dem Ende 5 wird das
Rotorblatt mittelbar oder unmittelbar an der Weile befestigt. Die
vordere Kante 2 des Rotorblattes 1 weist einen
runden beziehungsweise gebogenen beziehungsweise gekrümmten Verlauf
auf, wobei sich die Krümmung
von der Rotorblattspitze 4 bis in den mit Profil 05 bezeichneten
Bereich des Rotorblattes 1 erstreckt. Die vordere Kante 2 ist
in Richtung der hinteren Kante 3 gebogen. Dadurch läuft die Rotorblattspitze 4 bei
der Drehung des Rotors dem Ende 5 des Rotorblattes hinterher.
Im Abschnitt zwischen dem Profil 05 und dem Profil 07 verläuft die vordere
Kante 2 des Rotorblattes 1 nahezu gerade. Zwischen
dem Profil 07 und dem Ende 5 weist die vordere Kante einen
Verlauf auf, der an die Befestigung des Endes 5 an eine
Welle angepasst ist. In diesem Abschnitt entfernen sich zunächst vordere
und hintere Kante voneinander, so dass das Rotorblatt eine Verbreiterung
aufweist, um sich anschließend wieder
aneinander anzunähern.
In dem Abschnitt nahe der Welle eines Rotors ist die Geschwindigkeit geringer
als an der Rotorblattspitze. Die Form des Rotorblattes in diesem
Abschnitt beeinflusst daher den Wirkungsgrad und die Reibung zwischen
den Rotorblättern
und der Luft in wesentlich geringerem Umfang als an der Rotorblattspitze 4.
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Die
Tangente 6 an die vordere Kante 2 an der Rotorblattspitze 4 schließt mit der
Tangente 7 an dem der Rotorblattspitze 4 abgewandten
Ende des in Richtung der hinteren Kante 3 gebogenen Verlaufs der
vorderen Kante 2 einen Winkel β ein. Dieser beträgt im Ausführungsbeispiel
gemäß 1 90°.
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Die
hintere Kante 3 weist von der Rotorblattspitze 4 bis
zum Profil 02 einen geradlinigen Verlauf auf. Daran schließt sich
ein Bereich an, in dem die hintere Kante 3 entgegen der
vorderen Kante 2 gebogen ist. Dieser Bereich erstreckt
sich von der Markierung Profil 02 bis zu dem mit 8 gekennzeichneten Punkt
an der hinteren Kante 3. Die Tangente 9 an die hintere
Kante 3 im Bereich der Rotorblattspitze 4 schließt mit der
Tangente 10 in dem mit 8 markierten Punkt einen
Winkel γ ein.
In dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 beträgt der Winkel γ 142°.
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In
den 2a bis 2g sind
an den mit Profil 01 bis Profil 07 in 1 gekennzeichneten
Ebenen die Querschnitte dargestellt. Dabei ist zu berücksichtigen,
dass die Länge
der Querschnitte quantitativ nicht mit denjenigen des Rotorblattes
gemäß 1 übereinstimmt.
Darüber
hinaus sind alle in den 2a bis 2g dargestellten Querschnitte gleich lang. 1 zeigt,
dass die Querschnitte an den unterschiedlichen Positionen Profil
01 bis Profil 07 verschiedene Längen
haben. Es ist daher zwischen den Querschnitten gemäß 2 und
dem Rotorblatt gemäß 1 lediglich
eine qualitative jedoch keine quantitative Übereinstimmung gegeben. Die 2a bis 2g verdeutlichen
daher lediglich, dass sich das Querschnittsprofil des Rotorblattes 1 von
der Rotorblattspitze 4 gemäß 2a bis
zu dem einer in 3 dargestellten Welle zugewandten
Ende des Rotorblattes gemäß 2g verändert.
Allen Querschnitten 2a bis 2g ist gemeinsam, dass
das Rotorblatt 1 nahe der vorderen Kante 2 eine
größere Dicke
aufweist als nahe der hinteren Kante 3. Über die
Länge des
Rotorblattes 1 nimmt die Dicke im Bereich der vorderen Kante
von der Rotorblattspitze bis zu dem einer Welle zugewandten Ende
des Rotorblattes 1 zu.
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Die 3 und 4 zeigen
den Generator einer Windkraftanlage, die mit mehreren Rotorblättern gemäß den 1 und 2 ausgestattet
sein kann. Die Rotorblätter
sind mittelbar oder unmittelbar an der Welle 11 befestigt.
Die Befestigung ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Die Welle 11 ist
in dem Gehäuse 12 drehbar
gelagert. Mit der Welle 11 ist eine erste Magnetträger scheiben 13 fest
verbunden. Die zweite Magnetträgerscheibe 14 ist
fest mit der ersten Magnetträgerscheibe 13 durch
Schrauben 16 verbunden. Eine Spulenträgerscheibe 15 befindet sich
zwischen den beiden Magnetträgerscheiben 13 und 14.
Die Magnetträgerscheiben 13 und 14 und
die Spulenträgerscheibe 15 haben
die Form von Kreisscheiben. Dies ist in den 4 bis 8 erkennbar. Alle
drei Scheiben sowie die Welle 11 sind koaxial zueinander
angeordnet. Die gedachte Achse, zu der alle drei Scheiben und die
Welle koaxial angeordnet sind, ist die Generatorachse. Die beiden
Magnetträgerscheiben 13 und 14 sind
relativ zu der Spulenträgerscheibe 15 drehbar.
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Das
Gehäuse 12 ist
typischerweise an einem in der Zeichnung nicht dargestellten Sockel
befestigt, welcher auf einem Untergrund aufgestellt wird.
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5 zeigt
die erste Magnetträgerscheibe 13 in
einer Aufsicht. Die in dieser Darstellung erkennbare Seite der Magnetträgerscheibe 13 ist
dem Gehäuse 12 zugewandt.
Entlang der äußeren Kante weist
die Magnetträgerscheibe 13 mehrere
Bohrungen 17 zur Aufnahme der in den 3 und 4 dargestellten
Schrauben 16 auf. Außerdem
sind zusätzliche
Bohrungen 18 vorgesehen. Das Element 19 in der
Mitte der Magnetträgerscheibe
wird mit der Welle 11 verbunden.
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6 zeigt
die erste Magnetträgerscheibe 13 in
der Aufsicht auf die der Darstellung gemäß 5 gegenüber liegenden
Seite. Die in 6 dargestellte Seite der Magnetträgerscheibe 13 ist
der Spulenträgerscheibe 15 und
der zweiten Magnetträgerscheibe 14 zugewandt.
Die in 7 dargestellte Seite der zweiten Magnetträgerscheibe 14 ist
wiederum der Spulenträgerscheibe 15 und
der ersten Magnetträgerscheibe 13 zugewandt.
Auf den einander zugewandten Seiten der beiden Magnetträgerscheiben 13 und 14 gemäß den 6 und 7 sind mehrere
Magnete aus Neodym auf einem zur Generatorachse konzentrischen Kreis
angeordnet.
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Während die
beiden Magnetträgerscheiben 13 und 14 denselben
Durchmesser haben, weist die Spulenträgerscheibe 15 einen
kleineren Durchmesser auf. Dies ist notwendig, damit die Drehung
der Magnetträgerscheiben 13 und 14 nicht
durch die Schrauben 16 und die Spulenträgerscheibe 15 behindert
wird. Nahe der äußeren Kante
der Spulenträgerscheibe 15 sind
mehrere Spulen 21 auf einem Kreis angeordnet. Dieser Kreis
verläuft
konzentrisch zur Generatorachse. Im zusammengefügten Zustand des Generators
gemäß 3 und 4 sind
die Magnete 20 und die Spulen 21 im gleichen radialen
Abstand zur Generatorachse und in unmittelbarer Nähe zueinander
angeordnet. Bei einer Drehung der beiden Magnetträgerscheiben 13 und 14 relativ
zur Spulenträgerscheibe 15 bewegen
sich die Magnete 20 zwischen den Spulen 21 und
erzeugen dabei in einem an die Spulen angeschlossenen Stromkreis
einen elektrischen Strom. Bei den Spulen 21 wird auf einen
Eisenkern verzichtet.
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Sämtliche
Merkmale der Erfindung können sowohl
einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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- 1
- Rotorblatt
- 2
- vordere
Kante des Rotorblatts
- 3
- hintere
Kante des Rotorblatts
- 4
- Rotorblattspitze
- 5
- der
Rotorblattspitze abgewandtes Ende des Rotorblattes
- 6
- Tangente
an die vordere Kante an der Rotorblattspitze
- 7
- Tangente
an die vordere Kante an dem der Rotorblattspitze abgewandten Ende
des in Richtung der hinteren Kante gebogenen Abschnitts der vorderen
Kante
- 8
- der
Rotorblattspitze abgewandtes Ende des entgegen der vorderen Kante
gebogenen Abschnitts der hinteren Kante
- 9
- Tangente
an die hintere Kante an der Rotorblattspitze
- 10
- Tangente
an die hintere Kante an dem der Rotorblattspitze abgewandten Ende
des entgegen der vorderen Kante gebogenen Abschnitts der hinteren
Kante
- 11
- Welle
- 12
- Gehäuse
- 13
- erste
Magnetträgerscheibe
- 14
- zweite
Magnetträgerscheibe
- 15
- Spulenträgerscheibe
- 16
- Schraube
- 17
- Bohrung
- 18
- Bohrung
- 19
- Element
- 20
- Magnet
- 21
- Spule