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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Einrückrelais bekannt, die bei bzw. in Startvorrichtungen dazu dienen, ein Ritzel in einen Zahnkranz einer Brennkraftmaschine einzuspuren. Diese Einrückrelais umfassen typischer Weise zwei konzentrisch zueinander liegende Wicklungen bzw. Spulen gleicher Windungszahl für unterschiedliche Aufgaben. Die eine Wicklung bzw. Spule wird als Einzugswicklung bezeichnet und dient dazu, beim so genannten Einspurvorgang das Ritzel in den Zahnkranz einzuspuren. Eine Haltewicklung dient dazu, dass eingespurte Ritzel in der eingespurten Position zu halten. Aufgrund des unterschiedlichen Kraftbedarfs der beiden beschriebenen Funktionen unterscheiden sich die Drahtdurchmesser für Einzugs- und Haltewicklung. Dies gilt typischer Weise ganz besonders, wenn für die beiden Drähte der Einzugs- und Haltewicklung das gleiche Material, typischer Weise Kupfer, verwendet wird. Bei einem bekannten Serienprodukt mit der Teilenummer 1334210282 (im Handel bekannt) aus der Fertigung des Anmelders dieser Anmeldung, hat die Einzugswicklung einen Draht mit 0,95 mm Durchmesser und die Haltewicklung einen Draht mit dem Durchmesser 0,55 mm.
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Bei der Auslegung des Relais sind mehrere funktionstechnische und fertigungsprozesstechnische Vorgaben zu beachten. Z. B. müssen aus funktionstechnischer Sicht die Windungszahlen von Einzugs- und Haltewicklung gleich groß bzw. annähernd gleich groß sein, damit das Relais abgeschaltet werden kann. Dies ergibt sich daraus, dass beim Abschaltvorgang Einzugs- und Haltewicklung vom selben Strom in unterschiedlicher Richtung durchflossen werden, damit sich die magnetische Durchflutung beider Spulen aufhebt. Über eine Federkraft, aufgebracht von einer Rückstellfeder, wird der Magnetanker des Einrückrelais zurückbewegt.
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Die beiden unterschiedlichen Drahtdurchmesser der beiden Wicklungen ermöglichen es nicht, die äußere Wicklung, welche typischer Weise die so genannte Haltewicklung ist, in sich orthozyklisch zu wickeln. Eine orthozyklisch angeordnete Wicklung weist das Merkmal auf, dass in ihrer einfachsten Form auf eine erste Lage der Wicklung, welche zylindrisch angeordnet ist, eine zweite Lage folgt, wobei der Draht der zweiten Lage gleichmäßig zwischen zwei Drahtquerschnitten der ersten Lage zu liegen kommt. Dies bedeutet für einen gleichen Drahtdurchmesser bei einer ersten und einer zweiten Lage, dass bei runden Drahtquerschnitten die Mittelpunkte der drei Drahtquerschnitte aus der ersten und der zweiten Lage ein gleichseitiges Dreieck bilden. Die radial innenliegende Wicklung, typischer Weise die Einzugswicklung, kann orthozyklisch gewickelt werden, da die Grundlage ein typischer Weise zylindrischer Wicklungsträger ist. Die radial außenliegende Wicklung würde sich beim Wickelvorgang in die Zwischenräume zwischen zwei benachbarten Drähten der radial innenliegenden Wicklung legen. Dabei entstünde eine so genannte „wilde“ Wicklung mit ungleichmäßigen Außendurchmesser. Um dies zu vermeiden bzw. zu verhindern, wird oftmals auf die radial innen liegende Wicklung ein Klebestreifen als Zwischenlage zwischen den beiden Wicklungen aufgebracht. Dieser Klebestreifen dient dazu eine annähernd glatte Unterlage mit einer annähernd zylindrischen Außenkontur für die radial äußere Wicklung darzustellen. Bedauerlicher Weise führt diese nur angenähert glatte Unterlage nur teilweise zu einer orthozyklisch gewickelten äußeren Wicklung.
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Eine weitere fertigungsprozesstechnische Auslegungsvorgabe ist, dass die Lagen der Wicklungen, insbesondere bei der radial innenliegenden Wicklung, möglichst voll sind und eine gerade Anzahl haben. Das Bewickeln einer nicht voll ausgefüllten, darunter liegenden Lage, führt zu einer noch ungeordneteren Wicklung, wenn die Zwischenlage weggelassen wird. Da das Relais typischer Weise nur auf einer Seite kontaktiert wird bzw. kontaktierbar ist, wird ein Einrückrelais normaler Weise so gestaltet, dass eine gerade Anzahl von Lagen realisiert wird.
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Insofern wird immer hin- und zurückgewickelt, um den orthozyklischen Lagenaufbau zu gewährleisten.
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Es ist vorgesehen, prozessbedingte Auslegungsbeschränkungen zu verringern. Potential für eine weitere Bauteiloptimierung wird geschaffen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist vorgesehen, durch eine neue Drahtführung eine geordnete ungerade Anzahl von Lagen in einer Spulenanordnung eines Einrückrelais verwirklichen zu können.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Spulenzuleitungsabschnitt eines Drahtes entlang einer Linie angeordnet ist, die parallel zu der Längsachse eines Trägerraums der Spulenanordnung angeordnet ist. Es ist dabei vorgesehen, dass der Spulenzuleitungsabschnitt des Drahtes von zumindest eine Lage einer Spule des Drahtes umgeben ist oder der Spulenzuleitungsabschnitt die zumindest eine Lage einer Spule des Drahtes kreuzt. Der Spulenzuleitungsabschnitt, welcher gekreuzt ist, kann auch zwischen Lagen der Spule angeordnet sein. Ein weiterer Aspekt gemäß der ersten Alternative ist, dass die zumindest eine Lage des Drahtes der Spule so um den Zuleitungsabschnitt angeordnet ist, dass die einzelnen Windungen der Lage der Spule einander unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet sind. Des Weiteren soll gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung vorgesehen sein, dass zwischen dem Spulenzuleitungsabschnitt und der auf diesen folgenden ersten Windung der ersten Lage der Spule ein Umlenkelement, beispielsweise in Form eines Zapfens, angeordnet ist. Dies ermöglicht nicht nur gut definiertes Umlenken des Drahtes, sondern auch eine klare Lage des Drahtes. Ist der Zapfen von einer Nische umgeben, die in eine Wandung eines Wickelkörpers eingebracht ist, kann der Draht beim Umlenken von zwei verschiedenen Seiten gut in seiner Lage definiert werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und einem weiteren Aspekt ist vorgesehen, dass im Wickelkörper eine Nut vorgesehen ist, die zumindest teilweise zur Aufnahme des Spulenzuleitungsabschnitts vorgesehen ist, und ein Umlenkelement eine Ecke an einem Ausgang der Nut ist. Eine derartige Nut ermöglicht dabei auch eine gute Führung über die axiale Länge des Wickelkörpers. Das Integrieren des Umlenkelements in die Nut ermöglicht eine besonders einfache Ausführung des Umlenkelements. Ein Einrückrelais mit einer derartigen Spulenanordnung lässt sich bei geschickter Auslegung der ggf. nur einen aber typischer Weise zwei Spulen raumsparend auslegen und fertigen. Dadurch wird erreicht, dass ein Füllgrad in einem bereits vorhandenen Relaisgehäuse erhöht werden kann, da durch die vorgenannten und nachfolgend noch erwähnten Maßnahmen eine sehr geordnete, weitestgehend orthozyklische Wicklung realisiert wird und dadurch automatisch eine Wicklungsfüllung in dem Gehäuse gesteigert ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine vereinfachte Darstellung einer Startvorrichtung mit einem Starterrelais,
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2 eine schematische Ansicht einer Spulenanordnung, wie sie in einem Starterrelais Verwendung finden soll,
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3 bis 5 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Spulenanordnung,
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6 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Spulenanordnung,
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7 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Spulenanordnung,
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8 und 9 ein viertes Ausführungsbeispiel für eine Spulenanordnung.
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Die in 1 dargestellte elektrische Maschine ist eine Startvorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine und weist ein Starterritzel 2 auf, das zum Starten der Brennkraftmaschine 4 in Eingriff mit einem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine gebracht wird. Das Starterritzel 2 ist auf einer Welle 5 wie mit dem Doppelpfeil gekennzeichnet axial verschieblich gelagert, wobei das Starterritzel 2 drehfest mit der Welle 5 gekoppelt ist.
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Das Starterritzel 2 wird zwischen einer zurückgezogenen Außerfunktionsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition mit dem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine 4 über ein Starterrelais 6 verstellt, das elektromagnetisch ausgebildet ist und eine bestrombare Spulenanordnung 7 sowie einen Anker 8 umfasst, der bei Bestromung der Spulenanordnung 7 in diese axial hineingezogen wird. Der Anker 8 ist über einen Einrückhebel 9 kinematisch mit dem Starterritzel 2 gekoppelt, so dass die axiale Verstellbewegung des Ankers 8 zwischen einer Ruheposition und einer Verstellposition in eine korrespondierende axiale Stellbewegung des Starterritzels 2 zwischen der Außerfunktionsposition und der Eingriffsposition eingesetzt wird.
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Die drehende Antriebsbewegung der Welle 5 bzw. des Starterritzels 2 wird mithilfe eines elektrischen Startermotors 11 erzeugt, der über ein Planetengetriebe 12 mit der Welle 5 gekoppelt ist. Bei einer Betätigung des elektrischen Startermotors 11 werden die Welle 5 und damit auch das Starterritzel 2 in Drehung versetzt.
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Der Startvorrichtung 1 ist ein Regel- bzw. Steuergerät 10 zugeordnet, über das die Funktionen des Starterrelais 6 sowie des Startermotors 11 gesteuert werden.
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Bei einer axialen Stellbewegung des Ankers 8 bei Betätigung des Starterrelais 6 wird bei Erreichen der Verstellposition durch die Stellbewegung des Ankers 8 der elektrische Stromkreis des Startermotors 11 geschlossen, so dass sich der Startermotor 11 in Bewegung setzt und die Welle 5 sowie das Starterritzel 2 drehend antreibt. Das Schließen des Stromkreises des Startermotors 11 wird dadurch bewirkt, dass der Anker 8 ein Schaltglied, das Träger einer elektrisch leitenden Kontaktbrücke ist, gegen zwei Gegenkontakte 13, 14 im Stromkreis verstellt, so dass die Gegenkontakte 13, 14 über die Kontaktbrücke elektrisch miteinander verbunden werden.
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In 2 ist schematisch die Spulenanordnung 7 dargestellt, wie sie für ein Starterrelais 6 vorgesehen ist. Die Spulen sind um einen Trägerraum 20 gewickelt, der von einer Hülse 23 umgeben ist. Dieser Trägerraum 20 ist prismatisch und weist eine Längsachse 26 auf, die senkrecht zu einer nicht näher bezeichneten Grundfläche des prismatischen Trägerraums angeordnet ist. Radial außerhalb der Hülse 23 befindet sich eine erste Spule 29, um die herum eine zweite Spule 32 gewickelt ist. Ein ebenso schematisch dargestelltes Gehäuse 35 umgibt die Spulenanordnung 7.
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In 3, 4 und 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Spulenanordnung 7 dargestellt.
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In 3 ist ein Wickelkörper 38 dargestellt, der einen zentralen Wicklungsträger 23 aufweist. Dieser Wicklungsträger 23 umgibt einen prismatischen Trägerraum 20, der typischer Weise zylindrisch ausgebildet ist. Dieser Trägerraum 20 weist eine Längsachse 26 auf, die senkrecht zu einer Grundfläche des prismatischen Trägerraums 20 angeordnet ist. Der Wicklungsträger 23 ist hier beispielhaft durch zwei Ränder 48 und 49 begrenzt. Diese Ränder 48 und 49 dienen dazu, beim Wickeln auf dem Wicklungsträger 23 eine Begrenzung darzustellen und somit das Wickeln zu vereinfachen. Des Weiteren zeigt die 3 einen Draht 52, der beispielhaft als Runddraht ausgeführt ist. Der in 3 linke Rand 48 weist des Weiteren eine Mündung 55 auf, die dazu dient, einen Durchlass für den Draht 52 zu ermöglichen. Wie in 3 erkennbar ist, ist dort ein Spulenzuleitungsabschnitt 58 dargestellt, der von einem Drahtende 61 ausgeht, durch die Mündung 55 hindurchgeführt und entlang einer Linie angeordnet ist, die parallel zu der Längsachse 26 ist. Dieser Spulenzuleitungsabschnitt 58 erstreckt sich zwischen den beiden Rändern 48, 49, bevorzugt über die gesamte Breite zwischen den beiden Rändern 48, 49.
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An einem axialen Ende 64 des Wicklungsträgers 23, welches der Mündung 55 gegenüber liegt, ist vorgesehen, den Draht 52 einem Umfang des Wicklungsträgers 23 entlang zu wickeln. Dementsprechend weist der Draht 52 einen Umlenkbereich 67 auf, wo der Draht von der axialen Ausrichtung des Spulenzuleitungsabschnitts 58 in eine umfängliche Lage und damit in eine erste Spule 29 übergeht. Der Umlenkbereich 67 kann beispielsweise vor dem Einbringen zwischen die beiden Ränder 48 und 49 vorgeformt sein, oder der Umlenkbereich 67 kann auch beim Einlegen in den Wicklungsträger 23 an dem Umlenkbereich 67 mittels eines von außen zugeführten Werkzeugs gehalten sein, woraufhin im Anschluss durch eine Wicklungsmaschine eine erste Windung 73 der ersten Spule 29 gewickelt wird.
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In 4 ist dargestellt, wie das weitere Verfahren abläuft. Es wird dabei deutlich, dass zumindest eine Lage 76 des Drahtes 52 der ersten Spule 29 so um den Spulenzuleitungsabschnitt 58 angeordnet ist, dass die einzelnen Windungen 79 der ersten Lage 76 der ersten Spule 29 einander unmittelbar aufeinander folgend angeordnet sind. Nach dem Durchwickeln der ersten Lage bzw. Lage 76 über den Spulenzuleitungsabschnitt 58 hinweg bis zum linken Rand 48 wird der Draht 52 durch eine weitere, hier nicht erkennbare Mündung im Rand 48 hindurchgezogen bzw. geleitet. Nach dem Hindurchführen des Drahtes 52 durch diese Mündung wird dann der Draht 52 getrennt, so dass neben dem anfänglichen Ende 61 des Drahtes auch ein Ende 82 des Drahtes 52 nach dem Wickeln entsteht bzw. gebildet ist.
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Die Ausführungen und Darstellungen gemäß 3 bis 5 dienen dazu, diese Technik grundsätzlich zu beschreiben. Auf eine erste Lage 76 des Drahtes 52 bzw. der ersten Spule 29 kann bevor der Draht 52 durch die zweite Mündung hindurchgezogen wird, selbstverständlich auch eine zweite Lage und daraufhin eine dritte Lage gewickelt werden, bevor der Draht 52 durch die Mündung im Rand 48 hindurchgezogen wird. Dabei würde aufgrund der guten Vorbereitung der ordnungsgemäßen Lage der ersten Spule 29 ermöglicht werden, dass die zweite Lage und auch die dritte Lage so genannt orthozyklisch zueinander liegen. Orthozyklisch bedeutet, dass die erste Windung und die darauffolgende weitere Windung insgesamt drei zueinander nächstliegend angeordnete Drahtquerschnitte aufweisen, die zueinander derartig angeordnet sind, dass deren Drahtquerschnitte (runder Drahtquerschnitt) zueinander derartig beabstandet sind, dass die Mittelpunkte der runden Drahtquerschnitte ein gleichseitiges Dreieck bilden. Auf eine erste Spule 29, die derartig gewickelt wurde, ob mit einer, drei, fünf, sieben oder weiteren Lagen 76, die jedoch ungeradzahlig sind, kann eine weitere Spule, d. h. eine zweite Spule 32 gewickelt sein.
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Es ist demgemäß eine Spulenanordnung 7 offenbart, die mit einem Draht 52 in zumindest einer Lage 76 einer Spule 29 um einen prismatischen Trägerraum 20 wobei der Trägerraum 20 eine Längsachse 26 aufweist, die senkrecht zu einer Grundfläche des prismatischen Trägerraums 20 angeordnet ist, mit einem ersten Ende 64 des Drahtes 52 und einem zweiten Ende 82 des Drahtes 52, wobei ein Spulenzuleitungsabschnitt 58 des Drahtes 52 entlang einer Linie angeordnet ist, die parallel zu der Längsachse 26 angeordnet ist und der durch zumindest eine Lage 76 des Drahtes 52 der Spule 29 den Spulenzuleitungsabschnitt 58 umgeben ist.
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In 6 ist dargestellt, wie ein Umlenken des Drahtes 52 aus der geraden Anordnung des Spulenzuleitungsabschnitts 58 in eine erste Windung 73 vorgenommen werden kann. Der Spulenzuleitungsabschnitt 58 ist über die gesamte axiale Länge der Hülse 23 geführt. Am Ende 64 der Hülse 23, und damit kurz vor dem Rand 49, ist ein Zapfen 85 ausgebildet, der sich nach radial außen einstückig von der Hülse 23 ausgehend erstreckt. Dieser Zapfen 85 hat dabei bevorzugt eine radiale Länge von maximal einem Durchmessermaß des Drahtes 52. Darüber hinaus ist in dem Rand 49 des Wickelkörpers 38 eine Nische 88 eingebracht, die den Zapfen 85 umgibt. Es ist somit sowohl vorgesehen, dass zwischen dem Zuleitungsabschnitt 58 und der auf diesen folgenden ersten Windung 73 der ersten Lage 76 ein Umlenkelement 91 angeordnet ist, als auch, dass das Umlenkelement 91 ein Zapfen 85 ist. Des Weiteren ist der Zapfen 85 von einer Nische 88 umgeben, die in einen Rand 49 des Wickelkörpers 38 eingebracht ist. In der Nische 88 liegt der Draht 52 mit einem Umlenkabschnitt bzw. Umlenkbereich 67 ein.
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Das weitere Verfahren, ausgehend von der zu 6 geschilderten Situation ist analog dem weiteren Verfahren gemäß den Beschreibungen zu 4 und 5.
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Mit Bezug zu 7 ist eine weitere Alternative eines Umlenkelements 91 gezeigt. Bei diesem Umlenkelement 91 handelt es sich um eine Ecke 94, die hier ein Ende einer Nut 97 ist, die in die Hülse 23 eingearbeitet ist. Diese Nut 97 ermöglicht dabei einen geringen radialen Auftrag des Spulenzuleitungsabschnitts 58, in dem ein Teil des Querschnitts des Drahtes 52 in diesem Bereich bzw. Abschnitt in die Hülse 23 versenkt ist. Am Ende 64 der Hülse 23 tritt der Draht 52 aus der Nut 97 aus, ist an der Ecke 94 umgelenkt und geht in eine erste Windung 73 der ersten Spule 29 und damit in die erste Lage 76 der ersten Spule 29 über. Das weitere Verfahren des Wickelns des Drahtes 52 ist dabei wie bereits zu den 3 bis 5 beschrieben. Es ist demzufolge offenbart, dass eine erste Lage 76 des Drahtes 52 der ersten Spule 29 auf die Hülse 23 des Wickelkörpers 38 gewickelt ist, wobei die Hülse 23 eine Nut 97 zur mindestens teilweisen Aufnahme des Spulenzuleitungsabschnitts 58 aufweist. Das Umlenkelement 91 ist eine Ecke 94 an einem Ausgang der Nut 97.
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In 8 ist ein letztes Ausführungsbeispiel für eine Spulenanordnung 7 dargestellt. Offensichtliche Gleichheiten sind dabei mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und, wo nicht besonders erforderlich, auch nicht speziell erwähnt. Die Anordnung gemäß 8 beginnt mit einem Ende 61 des Drahtes 52, der nach dem Hindurchtreten durch die Mündung 55 – in diesem Fall hinter der sichtbaren Seite der Hülse 23 angeordnet – gleich nach dem Rand 48 umgelenkt wird und in die erste Windung 73 übergeht. Es wird hierbei im Gegensatz zu den zuvor erläuterten Beispielen nicht von „rechts nach links“ sondern von „links nach rechts“ gewickelt. Dies bedeutet, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel zunächst eine erste Lage 76 vollständig zwischen den beiden Rändern 48 und 49 gewickelt wird. Schließlich wird nach dem Wickeln der letzten Windung 79 der Draht 52 aus einer Position in der ersten Lage 76 der ersten Spule 29 angehoben, 9, und nach dem Erreichen der radialen Position einer zweiten Lage so gestaltet bzw. umgeformt, dass ein Umlenkbereich 67 entsteht und vorhanden ist. Dieser Umlenkbereich 67 führt dabei an seinem Ausgang zu einem Spulenzuleitungsabschnitt 58, der in diesem Fall nicht unter der ersten Lage 76 der Spule 29 angeordnet ist, wie dies bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen der Fall ist, sondern dieser Spulenzuleitungsabschnitt 58 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf der ersten Lage 76 der ersten Spule 29 zu der entsprechenden Mündung 55 geradlinig geführt. Alternativ kann nach der ersten Lage 76 auch beispielhaft eine zweite und dritte Lage aufgewickelt werden, indem nach dem Fertigwickeln der ersten Windung 73 von links nach rechts (9), danach eine zweite Lage 76 von rechts nach links und wiederum danach eine dritte Lage 76 von links nach rechts aufgewickelt wird. Nach dem Fertigwickeln der dritten Lage 76 kann dann entsprechend nach dem Ausbilden eines Umlenkbereichs 6, wie beispielsweise durch die 9 gezeigt, der Draht 52 wiederum nach links zur Mündung 55 geführt werden, wobei hierbei wieder ein Spulenzuleitungsabschnitt 58 ausgebildet ist. Nach dem Wickeln der ersten Spule 29 kann dann danach eine zweite Spule 32 über die erste Spule übergewickelt werden und angeordnet sein.
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Entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach 8 und 9 ist eine Spulenanordnung 7 offenbart, die mit einem Draht 52 in zumindest einer Lage 76 einer Spule 29 um einen prismatischen Trägerraum 20 gewickelt ist. Der Trägerraum 20 weist eine Längsachse 26 auf, die senkrecht zu einer Grundfläche des prismatischen Trägerraums 20 angeordnet ist. Die Spule 29 weist ein erstes Ende 61 des Drahtes 52 und ein zweites Ende 82 des Drahtes 52 auf. Ein Spulenzuleitungsabschnitt 58 des Drahtes 52 ist auch hier entlang einer Linie angeordnet, die parallel zu der Längsachse 26 angeordnet ist. Der Spulenzuleitungsabschnitt 58 umgibt die zumindest eine Lage 76 des Drahtes 52 der Spule 29.
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Entsprechend allen vorgenannten Ausführungsbeispielen ist die Anzahl der Lagen 76 der Spule 29 größer eins und ungerade. Zudem befinden sich die Enden 61, 28 des Drahtes 52 an einem axialen Ende der Spulenanordnung 7. Es ist vorgesehen, dass auf eine erste Spule 29 eine weitere Spule 32 gewickelt ist.
