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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen mit Statorwicklungen, insbesondere elektrische Maschinen mit Einzelzahnwicklungen.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen, insbesondere Synchronmotoren, weisen häufig Statoren mit Statorzähnen auf, auf die Statorwicklungen aufgesetzt sind. Wicklungen, die einzelne Statorzähne umgeben, werden Zahnspulen genannt. Für die Herstellung einer elektrischen Maschine werden solche Zahnspulen separat gefertigt, auf die Statorzähne aufgesetzt und zu Gruppen elektrisch verschaltet, die jeweils eine Phasenwicklung der elektrischen Maschine darstellen. Die Wicklung ist aus einem Leiter in Form eines Drahtes, insbesondere eines Kupferdrahtes, ausgeführt. Für Zahnspulen in elektrischen Maschinen höherer Leistung können Streifenleiter verwendet werden.
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Bei der elektrischen Ansteuerung der Phasenwicklungen werden magnetische Felder ausgebildet, die zum Antreiben der elektrischen Maschine dienen können. Ein erheblicher Teil der Verlustleistung einer derartigen elektrischen Maschine wird durch den ohmschen Widerstand der Leiter, mit denen die Zahnspulen ausgebildet sind, hervorgerufen.
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Bei Verwendung von Zahnspulen für Wicklungen einer elektrischen Maschine nehmen die Spulen aufgrund der oftmals rechteckigen Geometrie des umwickelten Querschnitts einen Querschnitt an, dessen Umriss abgerundete Kanten aufweist. So verbleibt jedoch zwischen benachbarten Zahnspulen im Wickelkopfbereich ungenutzter Raum, der nicht zu einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine beiträgt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine zu verbessern.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch den Streifenleiter für eine Zahnspule gemäß Anspruch 1, die Zahnspule, die elektrische Maschine, das Verfahren zum Herstellen einer Zahnspule sowie durch die Verwendung des Streifenleiters gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Streifenleiter zum Herstellen einer Zahnspule für eine elektrische Maschine vorgesehen, wobei der Streifenleiter bezüglich einer Längsrichtung mindestens einen Abschnitt aufweist, in der der Streifenleiter in Richtung einer Breite verbreitert ist, wobei durch die Breite des Streifenleiters zwei Ränder definiert werden, von denen nur ein Rand zur Verbreiterung des Streifenleiters eine Ausbuchtung aufweist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Zahnspule mit einer Wicklung des obigen Streifenleiters vorgesehen, so dass die Wicklung eine Wicklungsachse mit einer oder mehreren Windungen in einer Wicklungslage umgibt, wobei die Richtung der Breite des Streifenleiters in einer Windungsebene senkrecht zu der Wicklungsachse der Zahnspule ausgerichtet ist.
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Eine Idee des oben beschriebenen Streifenleiters und der Zahnspule besteht darin, dass der ungenutzte Raum zwischen den benachbarten Zahnspulen im Wickelkopfbereich durch eine Verbreiterung des Querschnitts des Streifenleiters der Zahnspule an den Positionen, an denen der Streifenleiter um eine Kante gewickelt wird, reduziert wird. Die Verbreiterung des Querschnitts des Streifenleiters wirkt so, dass dieser beim Wickeln eine im Wesentlichen gradlinige Außenfläche der Zahnspule bilden, die einander beim Anordnen an Statorzähnen eines Stators gegenüberliegen. Somit können die Zahnspulen dicht aneinander angeordnet werden und es treten keine Bauraumverluste durch das Führen von Streifenleitern gleichmäßigen Querschnitts um Kanten auf. Durch das Vergrößern des Querschnitts an den bestimmten Positionen des Leiters können der ohmsche Widerstand der gesamten Zahnspule und somit die Leistungsverluste der mit den Zahnspulen aufgebauten elektrischen Maschine reduziert werden.
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Weiterhin kann in dem Abschnitt die Verbreiterung mittig eine Kante, insbesondere eine 90°-Kante, in Längsrichtung in einem ersten Teilabschnitt aufweisen. Insbesondere kann der Streifenleiter in zweiten Teilabschnitten, die sich beidseitig an den ersten Teilabschnitt bis zum Ende des Abschnitts in Längsrichtung anschließen, eine bezüglich der Längsrichtung konkave Kontur aufweisen.
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Es kann weiterhin mindestens ein weiterer Abschnitt vorgesehen sein, der keine Verbreiterung aufweist, wobei der weitere Abschnitt in Längsrichtung zwischen zwei Abschnitten angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein Hauptbestandteil des Streifenleiters Kupfer oder Aluminium sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Zahnspule kann die Wicklung um einen eckigen Innenquerschnitt vorgesehen sein, wobei der mindestens eine Abschnitt über eine Kante des eckigen Innenquerschnitts angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine mit einem Stator vorgesehen, der mindestens einen Statorzahn aufweist, der von der obigen Zahnspule umgeben ist. Insbesondere kann der Stator mit Blechlamellen aufgebaut sein, die eine Dicke aufweisen, die kleiner ist als die Dicke des Streifenleiters.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Verwendung des obigen Streifenleiters zum Herstellen einer Zahnspule für eine elektrische Maschine vorgesehen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen einer Zahnspule mit dem obigen Streifenleiter vorgesehen, wobei die Wicklung so ausgeführt wird, dass die Wicklung eine Wicklungsachse mit einer oder mehreren Windungen in einer Wicklungslage umgibt, wobei die Richtung der Breite des Streifenleiters in einer Windungsebene senkrecht zu der Wicklungsachse der Zahnspule ausgerichtet wird, wobei der mindestens eine Abschnitt über eine Kante des eckigen Innenquerschnitts angeordnet wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a–1c verschiedene Ansichten auf Zahnspulen an einem Stator einer axial langen elektrischen Maschine gemäß dem Stand der Technik;
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2a–2c Ansichten auf Zahnspulen einer elektrischen Maschine an einem Stator einer axial kurzen elektrischen Maschine gemäß dem Stand der Technik;
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3a–3c verschiedene Ansichten auf Zahnspulen an einem Stator einer axial langen elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform;
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4 eine Ansicht der Formgebung eines Streifenleiters zum Herstellen einer Zahnspule der 3;
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5a–5c verschiedene Ansichten auf Zahnspulen an einem Stator einer axial kurzen elektrischen Maschine gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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6 eine Draufsicht auf einen Streifenleiter zur Verwendung bei der Herstellung einer Zahnspule der 5a bis 5c;
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7 den Anstieg der durchschnittlichen Querschnittsfläche einer Windung in Funktion zur Breite des Streifenleiters bei einem Streifenleiter mit Verbreiterungen gegenüber einem Streifenleiter ohne Verbreiterungen; und
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8 den Verlauf des Widerstands einer Wicklung bei der Erfindung in Funktion zur Breite des Streifenleiters bei einem Streifenleiter mit Verbreiterungen gegenüber einem Streifenleiter ohne Verbreiterungen.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In den 1a, 1b und 1c sind verschiedene Ansichten einer herkömmlichen Zahnspule 1 dargestellt, der auf einem Statorzahn 2 eines Stators 3 aufgesetzt ist. Im vorliegenden Beispiel sind in 1a drei nebeneinander angeordnete Statorzähne mit jeweils darauf angebrachten Zahnspulen 1 dargestellt. 1b zeigt eine Ansicht auf die Anordnung der 1a in Richtung des Pfeils A. 1c zeigt eine Schnittansicht durch einer der mit einer entsprechenden Zahnspule umgebenen Statorzahn 2.
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Der Stator 3 umfasst einen Rückschlusskörper 4, an dem die Statorzähne 2 angeordnet sind. Die Zahnspulen 1 sind aus einem Streifenleiter 6 gefertigt, der im vorliegenden Fall einen konstanten rechteckigen Querschnitt aufweist. Der rechteckige Querschnitt des Streifenleiters 6 umfasst eine Dicke d und eine Breite b, wobei häufig die Breite b größer ist als die Dicke d.
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In 1b ist der Streifenleiter 6 in einer Draufsicht in Richtung des Pfeils A dargestellt. Man erkennt, dass der Stator 3 bzw. der Rückschlusskörper 4 des Stators 3 mit Blechlamellen 5 aufgebaut ist. In der Regel sind die Statorzähne 2 einstückig mit dem Rückschlusskörper 4 ausgebildet. Die Blechlamellen 5 können eine Dicke d aufweisen, die vorzugsweise geringer ist als die Dicke des Streifenleiters 6 des Wickelkopfs 1. In 1c ist ein Querschnitt durch einen Statorzahn 2 mit einer darauf befindlichen Windung des Streifenleiters 6 der Zahnspule 1 dargestellt. Alternativ kann der Stator auch mit einer weichmagnetischen Pulververbindung (SMC: soft magnetic powder composite) hergestellt sein.
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Der Streifenleiter 6 der Zahnspule 1 ist so um die Statorzähne 2 gelegt, dass die Ebene der Windungen im Wesentlichen in Richtung der Breite b ausgerichtet ist, während die Dicke des Streifenleiters 6 der Zahnspule 1 in Richtung der Wicklungsachse ausgerichtet ist.
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Wie aus den 1b und 1c entnehmbar, kann beim Wickeln des Streifenleiters der Zahnspule 1 dieser nicht Ecken bzw. Kanten des Statorzahns 2 folgen und bildet somit beim Umwickeln des Statorzahns 2 an diesen Stellen bogensegmentförmige Abschnitte 20 aus, die einen bestimmten Radius R aufweisen (Innenradius). Durch das nebeneinander Anordnen mehrerer Zahnspulen 1 an benachbarten Statorzähnen 2 entsteht in den Bereichen zwischen den Außenseiten der bogensegmentförmigen Abschnitten 20 der Windungen der Zahnspulen 1 ein Bereich B, der in 1b schraffiert dargestellt ist. Der Bereich B einer elektrischen Maschine verbleibt in der Regel ungenutzt und wird zur Verbesserung einer Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine nicht verwendet.
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In den 2a bis 2c sind den 1a bis 1c entsprechende Ansichten für eine elektrische Maschine dargestellt, die in axialer Richtung relativ kurz ist, so dass die Zahnspulen 1 im Wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wie es aus den 2b und 2c entnehmbar ist. Die Statorzähne 2 weisen im gezeigten Beispiel Abschnitte verschiedener Breite auf, um den Bereich im Inneren der Zahnspule 1 mit dem Statormaterial möglichst auszufüllen. Der Radius R, den der Streifenleiter 6 sowohl im Fall der 1a bis 1c als auch bei der Zahnspule der 2a bis 2c annimmt, stellt oftmals einen Mindestradius dar, der die mögliche Krümmung des Streifenleiters 6 der Zahnspule 1 begrenzt. Der Mindestradius ergibt sich aus Faktoren, wie z. B. Biegekraft, Brüchigkeit des Materials des Streifenleiters 6 und dergleichen.
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Zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften, insbesondere für eine Reduktion des ohmschen Widerstands der Zahnspule 1, ist nun eine Ausgestaltung der Zahnspule 1 vorgesehen, wie sie in den 3a bis 3c dargestellt ist. Die Ansichten der 3a bis 3c entsprechen den Ansichten der 1a bis 1c. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Insbesondere aus den 3b und 3c erkennt man, dass an den Bereichen, in denen der Streifenleiter 6 der Zahnspule 1 gekrümmt ist, dieser verbreitert ausgeführt ist, so dass die gesamte Zahnspule 1 in einer Ebene senkrecht zur Wicklungsachse einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Man erkennt, dass der in den 1b und 2b gekennzeichnete ungenutzte Bereich B bei einer derart ausgebildeten Zahnspule 1 nicht auftritt, da die Seiten der Zahnspule 1, die im montierten Zustand einer benachbarten Zahnspule zugeordnet sind, geradlinig sind. Durch die verdickte Ausführung des Streifenleiters 6 der Zahnspule 1 in den Bereichen, an denen der Streifenleiter 6, um eine Kante des Statorzahns verlaufen soll, wird der gesamte ohmsche Widerstand des für die Zahnspule 1 verwendeten Streifenleiters 6 reduziert und somit die Verlustleistung der elektrischen Maschine durch Reduzierung des ohmschen Widerstands der Zahnspule (Statorwicklungen) vermindert.
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In 4 ist ein Streifenleiter 6 zum Herstellen einer Zahnspule 1 der Ausführungsform der 3a bis 3c dargestellt. Der Streifenleiter 6 der 4 ist ein länglicher Leiter mit einer vorzugsweise konstanten Dicke d und eine Länge in Längsrichtung, die zum Ausbilden der Wicklung der Zahnspule 1 ausreicht. Der Streifenleiter 6 weist einen ersten Rand 11 und einen zweiten, dem ersten gegenüberliegenden Rand 12 auf. Der Streifenleiter 6 umfasst einen ersten Abschnitt A1 entlang der Längsrichtung, in dem der Streifenleiter 6 eine konstante Breite b aufweist. In einem zweiten Abschnitt A2 entlang der Längsrichtung ist der Streifenleiter 6 mit einer Verdickung versehen, die eine rechtwinklige Spitze aufweist und die durch eine Ausbuchtung an dem zweiten Rand 12 gebildet ist. Die rechtwinklige Spitze bildet in einem zu einer Zahnspule 1 gewickelten Zustand des Streifenleiters 6 eine äußere Kante der Zahnspule 1 aus, so dass ein rechteckiger Querschnitt der Zahnspule 1 gebildet wird. Die Verbreiterung des Streifenleiters 6 hat einen höheren Querschnitt an dieser Stelle zur Folge, wodurch der ohmsche Widerstand des gesamten, für die Zahnspule 1 verwendeten Streifenleiters 6 reduziert ist.
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Die Verbreiterung im zweiten Abschnitt A2 des Streifenleiters 6 kann wie folgt vorgesehen sein: Die rechteckige Spitze befindet sich mittig im zweiten Abschnitt A2 an der zweiten Kante 12 und weist in einem ersten Teilabschnitt T1 eine Breite I1 auf. Seitlich an den ersten Teilabschnitt T1 schließen sich jeweils zweite Teilabschnitte T2 an, in denen eine konkave Kontur ausgebildet ist. Die konkave Kontur ist vorzugsweise kreisbogenförmig vorgesehen und reicht von einem Ende des zweiten Abschnitts A2 zum entsprechenden Ende des ersten Teilabschnitts T1.
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Insgesamt ist die Verbreiterung in dem zweiten Abschnitt A2 so geformt, dass beim Formen der Zahnspule durch Umwickeln eines Wicklungsträgers oder einer sonstigen Wicklungsform mit einer 90°-Kante sich der zweite Abschnitt A2 um die 90°-Kante biegt und eine Kante mit einem 90°-Winkel ausbildet, d. h. der entlang dem Streifenleiter 6 dem zweiten Abschnitt A2 vorangehende Abschnitt und der nachfolgende Abschnitt des Streifenleiters 6 weisen Ausrichtungen auf, die einen Winkel von 90° zueinander einschließen. Die Kante, um die der Streifenleiter 6 gebogen wird, kann auch einen von 90° verschiedenen Winkel haben. Die Länge des zweiten Abschnitts A2 entspricht einem Viertel des Umfangs eines Kreissegments mit einem Radius, der dem Mindestradius entspricht, mit dem der Streifenleiter 6 bezüglich seiner ersten Kante 11 um eine Kante des Wicklungskörpers oder der Wicklungsform gebogen werden kann, ohne dass der Streifenleiter 6 bricht oder sich in sonstiger unerwünschter Weise verformt.
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Im gezeigten Beispiel für den Streifenleiter 6 schließen jeweils zwei erste Abschnitte A1 zwei unmittelbar aneinander angeordnete zweite Abschnitte A2 ein, die dadurch eine 180°-Schlaufe einer Windung der Zahnspule 1 ausbilden.
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Die Verbreiterung des Streifenleiters 6 im zweiten Abschnitt A2 ist allgemein so ausgebildet, dass der Streifenleiter 6 in einem um eine Kante, insbesondere um eine 90°-Kante, gebogenen Zustand gegenüber einem Streifenleiter 6 ohne Verdickung in den zweiten Abschnitten A2 einen größeren Anteil des ungenutzten Bereichs B (siehe 2b) einnimmt, um so den Bereich B zwischen zwei an dem Stator 2 angeordneten Zahnspulen 1 zur Reduzierung des ohmschen Widerstands der Zahnspule 1 zu nutzen.
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Wie in den 3a bis 3c und 4 dargestellt, werden die Streifenleiter 6 der Zahnspulen 1 mit Verbreiterungen versehen, so dass diese den bei der herkömmlichen Zahnspule zwischen Zahnspulen 1 an benachbarten Statorzähnen entstehenden Bereich B weiter ausfüllen als bei der Verwendung von Streifenleitern ohne Verbreiterungen. Man erkennt, dass für Zahnspulen 1, deren Breite in Richtung benachbarter Statorzähne 2 über eine Richtung senkrecht zu der Anordnungsrichtung der mehreren Statorzähne 2 und senkrecht zur axialen Richtung der Wicklung konstant ist, die bestmögliche Ausnutzung des Zwischenraums zwischen benachbarten Zahnspulen 1 erreicht wird.
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In den 5a bis 5c ist die Anwendung des modifizierten Streifenleiters 6 zum Ausbilden von Zahnspulen 1 für eine weitere elektrische Maschine dargestellt. Ein Streifenleiter 6 zum Aufbau einer Zahnspule der 5a bis 5c ist in 6 dargestellt. Der Streifenleiter 6 der 6 umfasst lediglich Abschnitte, die wie die zweiten Abschnitte A2 aus der Ausführungsform der 4 ausgebildet sind. Die zweiten Abschnitte A2 sind im Wesentlichen identisch sind und schließen sich aneinander an. Jeder der zweiten Abschnitte A2 hat an seinen Enden in Längsrichtung die Breite b des Streifenleiters 6 und zwischen seinen beiden Enden eine Verbreiterung, die im Wesentlichen mittig eine vorzugsweise rechteckige Spitze aufweist. Die rechteckige Spitze der Verbreiterung liegt vorzugsweise in der Mitte zwischen den Begrenzungen des zweiten Abschnitts A2. Ebenso wie bei der Ausführungsform der 4 entspricht die Länge des zweiten Abschnitts A2 bei einer 90°-Kante des Wicklungsträgers oder der Wicklungsform einem Viertel des Umfangs eines Kreissegmentes, dessen Radius dem Radius entspricht, mit dem der Streifenleiter zum Bilden der Zahnspule gebogen wird bzw. gebogen werden kann. Das heißt, beim Biegen eines der zweiten Abschnitte A2 um die entsprechende Kante des Wicklungsträgers oder der Wicklungsform schließen die daran anschließenden zweiten Abschnitte A2 einen Winkel von 90° zueinander ein.
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Beim Herstellen einer Wicklung mit einem derartigen Streifenleiter 6, bei dem die Richtung der Breite b der Wicklungsebene entspricht, bildet sich so eine Wicklung mit quadratischem Querschnitt, wie sie in 5c dargestellt ist. Durch die Verbreiterung des Streifenleiters 6 in der Mitte der zweiten Abschnitte A2 wird der durchschnittliche Querschnitt des Streifenleiters 6 und damit der ohmsche Widerstand reduziert und es können so Zahnspulen 1 mit verringertem ohmschen Widerstand ausgebildet werden.
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In 7 ist ein Diagramm dargestellt, das bei gleichem Innenquerschnitt des Statorzahns 2 die Beziehung zwischen der Breite des Streifenleiters (an den Bereichen, an denen keine Verbreiterung vorgesehen ist) und der durchschnittlichen Querschnittsfläche einer Windung darstellt. Bei gleicher Breite b des Streifenleiters 6 kann der durchschnittliche Querschnitt der Wicklung um 30% erhöht werden. Wenn die Breite b dagegen auf 50% reduziert wird, kann die durchschnittliche Querschnittsfläche der Wicklung um ungefähr 60% vergrößert werden.
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8 zeigt den Widerstand der Wicklung bei Verwendung des Streifenleiters 6 mit Verbreiterungen in den zweiten Abschnitten über der Breite b des Streifenleiters. Bei einer Zahnspule mit ansonsten gleichen Abmessungen kann der Wicklungswiderstand auf 77% des elektrischen Widerstands einer herkömmlichen Zahnspule reduziert. Wenn die Breite b des Streifenleiters 6 nur 50% dieser Breite entspricht, beträgt der elektrische Widerstand der Wicklung sogar nur noch 63% des Widerstands einer Zahnspule mit einem herkömmlichen Streifenleiter ohne Verbreiterungen.
