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Die Erfindung betrifft einen Stator für einen mehrphasigen Elektromotor, mit einem Statorkörper, der eine Vielzahl (bspw. 18 oder 36) von in Axialrichtung ausgerichteten Nuten besitzt, in denen Leiter zum Leiten von elektrischem Strom eingesetzt sind und so angeordnet sind, dass sie k Phasen erzwingen, wobei die Nuten über den Umfang des Stators verteilt sind, wobei pro Phase wenigstens ein Leiter eingesetzt ist, um Strom von einem Eingangsanschluss zu einem Ausgangsanschluss zu verbringen/transportieren/leiten und dabei eine Wicklung ausbildet, wobei der einer bestimmten Phase zugeordnete Leiter durch wenigstens zwei Nuten geführt ist.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Elektromotoren unterschiedlichster Ausprägung bekannt. So offenbart die
DE 18 1817 103 181.4 einen Stator für einen Elektromotor, mit einem Statorkörper, der eine Vielzahl von Längsnuten besitzt, in denen je ein Leitungsstab zum Leiten von elektrischen Strom eingesetzt ist, wobei zumindest immer zwei Leitungsstäbe über ein Verbindungsstück miteinander verbunden sind, wobei es als Besonders herausgestellt ist, dass das Verbindungsstück als von den Leitungsstäben separate Verbindungsklammer ausgebildet ist.
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Dieser Stator ist aber in puncto Drehmoment, einfache Fertigbarkeit und Herstellkosten zu optimieren. Die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile sollen vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Stator erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein Leiter der gleichen Phase mehrmals durch dieselbe Nut geführt ist.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht.
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Es ist bevorzugt, wenn der Leiter einer Wicklung durch zumindest drei unterschiedliche Nuten geführt ist oder die Leiter unterschiedlicher Wicklungen durch k-fach unterschiedliche Nuten geführt sind.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl n der Nuten gleich 18 oder 36 ist und/oder die Anzahl k der Phasen gleich drei oder sechs ist. Dadurch kann der Stator flexibel an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden, ohne dass die Fertigbarkeit verkompliziert wird.
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Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn bei Betrachtung in Radialrichtung in jeder Nut je ein Leiter in unterschiedlichen, vorzugsweise drei Schichten angeordnet ist.
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In diesem Zusammenhang ist es zudem zweckmäßig, wenn der Leiter einer Phase durch eine Nut k-mal oder 2*k-mal geführt ist oder der Leiter einer Phase durch zumindest oder exakt so viele Nuten geführt ist, wie es Phasen gibt.
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Es ist bevorzugt, wenn der eine Leiter einer Wicklung aus über Verbindungsabschnitte miteinander verbundene Leiterabschnitte aufgebaut ist, wobei die Verbindungsabschnitte als Verlötungen ausgebildet sind. Zudem ist es von Vorteil, wenn die Verbindungsabschnitte haarnadelähnlich ausgebildet sind. Dies erleichtert die Fertigung und optimiert die Herstellkosten. Des Weiteren ist diese Art der Verbindungsabschnitte platz-/bauraumsparend.
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Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn den k aufeinanderfolgenden Nuten der magnetische Nordpol zugeordnet ist und die auf diese jeweils k folgenden Nuten der magnetische Südpol zugeordnet ist.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Wicklungen enthaltend einen Leiter sich dachziegelartig mit der Wicklung enthaltend einen anderen Leiter überdecken und/oder ineinander verschachtelt sind.
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Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn der Leiter einer Wicklung vom Eingangsanschluss durch vier Nuten geführt ist, wobei die Wicklung eine erste Teilwicklung und eine zweite Teilwicklung aufweist, wobei die erste Teilwicklung durch eine (m)te Nut in n Schichten und eine (m+2*k)te Nut in n Schichten geführt ist und die zweite Teilwicklung durch die (m+1)te Nut in n Schichten und eine (m+2*k+1)te Nut (4) in n Schichten geführt ist, wobei m eine Menge natürlicher Zahlen von 1 bis 18 oder 1 bis 36 und n eine Menge natürliche Zahl von 1 bis 3 ist.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Leiter einer Wicklung vom Eingangsanschluss zuerst durch die (m)te Nut (4) in deren (n-2)ten Schicht geführt ist, danach in der (m+2*k)ten Nut in deren (n-2)ten Schicht geführt ist, danach zur (m)ten Nut in deren (n-1)ten Schicht zurückgeführt ist, danach in die (m+2*k)te Nut in deren (n-1)ten Schicht weitergeführt ist, danach wieder zur (m)ten Nut in deren (n)ten Schicht zurückgeführt ist, danach wieder in die (m+2*k)te Nut in deren (n)ten Schicht weitergeführt ist, um von dort in die (m+1)te Nut in deren (n-2)te Schicht zu gelangen, von dort in die (m+2*k+1)te Nut in deren (n-2)te Schicht, von dort in die (m+1)te Nut in deren (n-1)te Schicht, von dort in die (m+2*k+1)te Nut in deren (n-1)te Schicht, dann durch die (m+1)te Nut in deren (n)te Schicht und über die (m+2*k+1)te Nut in deren (n)te Schicht zum Ausgangsanschluss zu gelangen.
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Demnach ist es auch zweckmäßig, wenn der Leiter pro Nut erst radial innen, dann in der Mitte und dann radial außen die jeweilige Nut durchläuft. Dies hat wiederum den Vorteil eine platzsparende Bauweise zu gewährleisten.
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Es ist von Vorteil, wenn das Ende des Leiters der ersten Teilwicklung am Anfang des Leiters der zweiten Teilwicklung angeschlossen ist.
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Es ist zweckmäßig, wenn die Eingangsanschlüsse und Ausgangsanschlüsse der Leiter direkt mit der jeweiligen Phase verbunden sind.
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Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn jeder Leiter einen über seine Länge gesehen (annähernd) rechteckigen Querschnitt besitzt und vorzugsweise jeder Leiter denselben Querschnitt besitzt.
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Es ist bevorzugt, wenn jede Nut zu 70% ±7,5% seines Volumens durch Material der Leiter ausgefüllt ist, vorzugsweise zu 70%, 71,8% oder 72%.
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Ferner ist es bevorzugt, wenn es sechs Pole gibt.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Elektromotor mit einem Rotor, der bei Bestromung eines Stators nach einem der vorhergehenden Aspekte in Drehung versetzbar ist.
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Die Erfindung wird auch nachfolgend mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert, in der vier Ausführungsformen dargestellt sind. Es zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem Rotor, der 36 Nuten besitzt,
- 2 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem Rotor, der 18 Nuten besitzt,
- 3 eine Darstellung des Verlaufs der unterschiedliche Wicklungen ausprägenden Leiter, die in den Nuten des Stators der 1 oder 2 eingesetzt sind,
- 4 eine zu der Darstellung aus 3 vergleichbare Projektion in eine Radialebene nur jener durch erste Leiter, die einer ersten Phase zugeordnet sind, geschaffenen Wicklungen,
- 5 einen Querschnitt durch eine Nut mit darin eingelegten Leitern, bei elektrisch isolierender Unterteilung durch eine Rippe aus Statormaterial,
- 6 den Verlauf eines ersten Leiters, der eine erste Teilwicklung bildet, durch zwei Nuten / Slots, und eines zweiten Leiters, der eine zweite Teilwicklung bildet, durch zwei Nuten / Slots, bei der die zweite Teilwicklung die erste Teilwicklung überlappt.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden. In 1 ist ein mehrphasiger Elektromotor 1 dargestellt. Er weist einen Stator 2 und einen konzentrisch gelagerten Rotor 3 auf.
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1 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotors 1 mit einem Rotor 3, der 36 Nuten 4 besitzt. In 1 ist ein mehrphasiger Elektromotor 1 dargestellt. Der Elektromotor 1 weist einen Stator 2 und einen konzentrisch gelagerten Rotor 3 auf und der Stator 2 besitzt einen Statorkörper 5. Der Stator 2 weist auf seiner Innenumfangsfläche eine Vielzahl von in Axialrichtung ausgerichteten gleichmäßig über den Umfang verteilten Nuten 4 auf.
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In Radialrichtung innerhalb der im Stator 2 angeordneten Nuten 4 sind magnetische Nordpole 11 und magnetische Südpole 12 vorgesehen. Die magnetischen Nordpole 11 und die magnetischen Südpole 12 sind in Umfangsrichtung abwechselnd zueinander angeordnet. Gemäß dem erfindungsgemäßen Elektromotor 1 sind sechs Pole ausgebildet - drei magnetische Nordpole 11 und drei magnetische Südpole 12.
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Folgende Betriebsparameter werden für den erfindungsgemäßen Elektromotor
1 bevorzugt:
| Betriebsspannung | 43.2 V DC / 30 V AC |
| Dauer- / Spitzenleistung | 25 kW /40 kW |
| Dauer- / Spitzendrehmoment | 59 / 95 Nm |
| Grund- / Höchstgeschwindigkeit | 4300 / 12000 Rqm |
| Grund- / Maximalstrom | 83 /133 A |
| Anzahl von Phasen | 18 |
| Anzahl von Polen | 6 |
| Anzahl von Nuten | 18 oder 36 |
| Stromdichte pro Leiter | 8 A / Sq.mm / 13.3 Sq.mm |
| Betriebsfrequenz | 650 Hz |
| Statorstahl Außendurchmesser | 115 mm |
| Rotorstahl Außendurchmesser | 82.4 mm |
| Magnetgröße | 15.5 x 14.5 x 3.5 (mm) |
| Magnettiefe V-Form | 9.1 mm |
| Brückenstärke | 1 mm |
| Barrierenstärke | 4.1 mm |
| Wellendurchmesser | 40 mm |
| Stapellänge | 140 mm |
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2 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotors 1 mit einem Rotor 3. In der Ausführungsform gemäß der 2, der auch einen Elektromotor 1 mit einem erfindungsgemäßen Stator 2 und einem Rotor 3 verwendet, sind jedoch nur 18 Nuten 4 vorhanden. In Radialrichtung innerhalb der im Stator 2 angeordneten Nuten 4 sind entsprechend der 1 magnetische Nordpole 11 und magnetische Südpole 12 vorgesehen. Die magnetischen Nordpole 11 und die magnetischen Südpole 12 sind ebenfalls in Umfangsrichtung abwechselnd zueinander angeordnet. Gemäß dem erfindungsgemäßen Elektromotor 1 sind wiederum insgesamt sechs Pole ausgebildet - drei magnetische Nordpole 11 und drei magnetische Südpole 12.
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3 eine Darstellung des Verlaufs der unterschiedliche Wicklungen ausprägenden Leiter, die in den Nuten des Stators der 1 oder 2 eingesetzt sind. Die Leiter 6 formen Wicklungen 7 aus. Die Leiter 6 sind so angeordnet, dass sie k Phasen 8, vorzugsweise drei Phasen 8, erzwingen. Pro Phase 8 wird wenigstens ein Leiter 6 eingesetzt, um Strom von einem Eingangsanschluss 9 zu einem Ausgangsanschluss 10 zu transportieren/leiten. Ein Leiter 6 beginnend am Eingangsanschluss 9 und endend am Ausgangsanschluss 10 bildet eine Wicklung 7 aus.
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In 3 sind 36 Nuten 4 gemäß 1 gezeigt und es ist zu erkennen, dass jeder einer Phase 8 zugeordnete Leiter 6 durch vier Nuten 4 geführt ist und dass jeder Leiter 6 der gleichen Phase 8 mehrmals durch dieselbe Nut 4 geführt ist. In anderen Worten ausgedrückt, besteht ein Leiter 6 aus mehreren Leiterabschnitten, welche über mehrere Verbindungsabschnitte miteinander verbunden sind. Eine detaillierte Beschreibung hierzu folgt zu 4 und 6.
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Eine erste und eine zweite Nut 4, welche zueinander benachbart sind, werden von einem ersten Leiter 6 durchlaufen, welcher einer ersten Phase 8 zugeordnet ist. Die darauffolgende dritte und vierte Nut 4, welche zueinander benachbart sind, werden von einem zweiten Leiter 6 durchlaufen, welcher einer zweiten zur ersten unterschiedlichen Phase 8 zugeordnet ist. Die darauffolgende fünfte und sechste Nut 4, welche zueinander benachbart sind, werden von einem dritten Leiter 6 durchlaufen, welcher einer dritten zur ersten und zweiten unterschiedlichen Phase 8 zugeordnet ist. Die darauffolgenden beiden Nuten 4 sind wiederum von dem ersten Leiter 6 belegt, usw.
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In 3 ist zu erkennen, dass die ersten sechs Nuten 4, wobei die erste und zweite Nut 4 der ersten Phase 8, die dritte und vierte Nut 4 der zweiten Phase 8 und die fünfte und sechste Nut 4 der dritten Phase 8 zugeordnet ist, dem magnetischen Nordpol 11 zugeordnet sind und die sechs darauffolgenden Nuten 4, wobei die siebte und achte Nut 4 der ersten Phase 8, die neunte und zehnte Nut 4 der zweiten Phase 8 und die elfte und zwölfte Nut 4 der dritten Phase 8 zugeordnet ist, dem magnetischen Südpol 12 zugeordnet sind, etc.
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4 zeigt eine zu der Darstellung aus 3 vergleichbare Projektion in eine Radialebene nur jener durch erste Leiter 6, die einer ersten Phase 8 zugeordnet sind, geschaffenen Wicklungen 7.
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Gemäß 4 durchläuft ein erster Leiter 6 beginnend bei einem Eingangsanschluss 9, welcher direkten Kontakt zu einer ersten Phase 8 hat, eine erste Nut 4. Dieser erste Leiterabschnitt 21 ist über einen ersten Verbindungsabschnitt 18 mit einem zweiten Leiterabschnitt 22 verbunden und der zweite Leiterabschnitt 22 durchläuft eine zweite Nut 4, welche sechs Nuten von der ersten Nut 4 beabstandet ist. Dieser zweite Leiterabschnitt 22 ist wiederum mit einem dritten Leiterabschnitt 23 über einen zweiten Verbindungsabschnitt 19 verbunden. Der dritte Leiterabschnitt 23 durchläuft eine dritte Nut 4, welche eine Nut von der ersten Nut 4 beabstandet ist und zwischen der ersten und der zweiten Nut 4 liegt. Über einen dritten Verbindungsabschnitt 20 ist der dritte Leitabschnitt 23 mit einem vierten Leiterabschnitt 24 verbunden. Der vierte Leiterabschnitt 24 durchläuft eine vierte Nut 4, welche sechs Nuten von der zweiten Nut 4 und sieben Nuten von der ersten Nut 4 beabstandet ist. Der vierte Leiterabschnitt 24 endet in einem Ausgangsanschluss 10. Somit bilden der erste Leiterabschnitt 21, der erste Verbindungsabschnitt 18, der zweite Leiterabschnitt 22, der zweite Verbindungsabschnitt 19, der dritte Leiterabschnitt 23, der dritte Verbindungsabschnitt 20 und der vierte Leiterabschnitt 24 eine Wicklung 7.
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Der erste Leiterabschnitt 21 und der dritte Leiterabschnitt 23 sind dem magnetischen Nordpol 11 zugeordnet und der zweite Leiterabschnitt 22 und der vierte Leiterabschnitt 24 dem magnetischen Südpol 12.
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In der 5 einen Querschnitt durch eine Nut 4 mit darin eingelegten Leitern 6, bei elektrisch isolierender Unterteilung durch eine Rippe aus Statormaterial 13. Die 5 zeigt eine erste Nut 4 und eine zweite Nut 14. Sowohl in der ersten Nut 4 als auch in der zweiten Nut 4 sind die Leiter 6 in drei Schichten übereinander angeordnet. Das Material zwischen den Leitern 6 ist Statormaterial 13, welches elektrisch isolierend ausgebildet ist. Um die Leiter 6 herum ist ein Isolator 17 ebenfalls aus nicht leitendem Material vorgesehen. Der Isolator 17 hat eine Dicke von 0.35 mm zwischen den einzelnen Schichten und der Außenrand einer gesamten Nut 4 weist ebenfalls eine Dicke von 0.35 mm auf.
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Die 6 zeigt den Verlauf eines ersten Leiters 6, der eine erste Teilwicklung 15 bildet, durch zwei Nuten 4 / Slots, und eines zweiten Leiters 6, der eine zweite Teilwicklung 16 bildet, durch zwei Nuten 4 / Slots, bei der die zweite Teilwicklung 15 die erste Teilwicklung 16 überlappt. Der Leiter 6 einer Wicklung 7 ist vom Eingangsanschluss 9 durch vier Nuten 4 geführt. Die Wicklung 7 weist eine erste Teilwicklung 15 und eine zweite Teilwicklung 16 auf. Die erste Teilwicklung 15 ist durch eine erste Nut 4 in drei Schichten und eine zweite Nut 4 in drei Schichten geführt. Die zweite Teilwicklung 16 ist durch eine dritte Nut 4 in drei Schichten und eine vierte Nut 4 in drei Schichten geführt. Das Ende des Leiters 6 der ersten Teilwicklung 15 ist am Anfang des Leiters 6 der zweiten Teilwicklung 16 angeschlossen.
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Der Leiter 6 einer Wicklung 7 ist vom Eingangsanschluss 9 zuerst durch die erste Nut 4 in deren ersten Schicht geführt, danach in der zweiten Nut 4 in deren ersten Schicht geführt, danach zur ersten Nut 4 in deren zweiten Schicht zurückgeführt, danach in die zweite Nut 4 in deren zweiten Schicht weitergeführt, danach wieder zur ersten Nut 4 in deren dritten Schicht zurückgeführt, danach wieder in die zweite Nut 4 in deren dritten Schicht weitergeführt, um von dort in die dritte Nut 4 in deren erste Schicht zu gelangen, von dort in die vierte Nut 4 in deren erste Schicht, von dort in die dritte Nut 4 in deren zweite Schicht, von dort in die vierte Nut 4 in deren zweite Schicht, dann durch die dritte Nut 4 in deren dritten Schicht und über die vierte Nut 4 in deren dritte Schicht zum Ausgangsanschluss 10 zu gelangen. Hierbei wir als erste Nut 4 die erste Nut 4 gemäß 3 und 4 bezeichnet. Die zweite Nut 4 bezeichnet die siebte Nut 4 gemäß 3 und 4. Die dritte Nut 4 bezeichnet die zweite Nut 4 gemäß 3 und 4 und die vierte Nut 4 bezeichnet die achte Nut 4 gemäß 3 und 4.
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In anderen Worten bedeutet das, dass die erste Teilwicklung 15 die erste Nut 4 und die zweite Nut 4 (entsprechend der siebten Nut 4 in 3 und 4) dreimal schleifenartig durchläuft und anschließend die dritte Nut 4 (entsprechend der zweiten Nut 4 in 3 und 4) und die vierte Nut 4 (entsprechend der achten Nut 4) dreimal schleifenartig durchläuft. Letztendlich wird jede Nut 4 dreimal von einem Leiter 6 durchlaufen.
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Jeder Leiter
6 ist durch einen Draht
14 ausgebildet und es werden die nachfolgenden Eigenschaften bevorzugt:
| Nutfläche /-bereich | 46.06 Sq.mm (4.7 x 9.8) mm |
| Dauerstromdichte | 8A / Sq.mm |
| Spitzenstromdichte | 13.3 A / Sq.mm |
| Anzahl der Wicklungen | 3 Wicklungen pro Spule |
| Anzahl der parallelen Leiter | 0 |
| Anzahl der Leiter in Reihe | 2 |
| Gesamtanzahl an Wicklungen | 6 |
| Leitergröße | 4 × 2.8 (mm) |
| Effektive Leiterfläche | 10.625 Sq.mm |
| Leiterfläche mit Isolator | 11.2 Sq.mm |
| Füllfaktor | 70% |
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Nut
- 5
- Statorkörper
- 6
- Leiter
- 7
- Wicklung
- 8
- Phase
- 9
- Eingangsanschluss
- 10
- Ausgangsanschluss
- 11
- Magnetischer Nordpol
- 12
- Magnetischer Südpol
- 13
- Statormaterial
- 14
- Draht
- 15
- Erste Teilwicklung
- 16
- Zweite Teilwicklung
- 17
- Isolator
- 18
- Erster Verbindungsabschnitt
- 19
- Zweiter Verbindungsabschnitt
- 20
- Dritter Verbindungsabschnitt
- 21
- Erster Leiterabschnitt
- 22
- Zweiter Leiterabschnitt
- 23
- Dritter Leiterabschnitt
- 24
- Vierter Leiterabschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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