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Die Erfindung betrifft allgemein eine rotierende elektrische Maschine, bei welcher eine Umwandlung von elektrischer in mechanische Leistung (Elektromotor) oder von mechanischer in elektrische Leistung (elektrischer Generator) erfolgt und einen Rotor und Stator als wesentliche Bestandteile aufweisen. Die Erfindung betrifft ebenso einen Stator einer solchen rotierenden elektrischen Maschine.
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Die Erfindung betrifft insbesondere einen Elektromotor einer solchen Antriebseinheit, welche zur Fortbewegung von motorisierten Fahrzeugen verschiedener Art verwendet wird. Sie betrifft insbesondere eine Antriebseinheit mit einem Elektromotor, der als Radialflussmaschine ausgeführt ist, und deren Rotor eine Permanentmagnetanordnung aufweist.
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Die Erfindung betrifft ebenso einen elektrischen Generator, dessen Stator die Induktionsspulen aufweist. Die Erregung kann mittels im Rotor angeordneter Permanenten oder Elektromagneten erfolgen, wobei Erstes mit fortschreitender Entwicklung von Hochleistungsmagneten bereits auch für Generatoren im Megawattbereich verwendbar ist und weiter an Bedeutung gewinnt.
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Als Antriebseinheit zur Fortbewegung eines motorisierten Fahrzeugs sollen hier solche Vorrichtungen verstanden sein, die der Kraftübertragung dienen und dazu ausgangsseitig eine Rotation ausführen oder unterstützen. Die Kraftübertragung wird direkt, beispielsweise mittels Einzelradantrieb oder ähnlichem, oder indirekt, beispielsweise mittels geeignetem Übertragungsmittel wie Zugmittelgetriebe, Kardanwelle oder ähnlichem, realisiert. Derartige Antriebseinheiten sind zur Beförderung von Personen oder Gegenständen beispielsweise für verschiedene Landfahrzeuge, auch muskelkraftbetriebene Fortbewegungsmittel, als elektrische Antriebe oder Hilfsantriebe bekannt. Sie werden derzeit für verschiedene Elektrofahrzeuge verwendet, wie beispielsweise Fahrräder, Tretroller, Segway oder ähnlichem. Auch eine gesteuerte Kombination mehrerer Antriebseinheiten für größere Fahrzeuge ist bekannt. Mit voranschreitender Entwicklung und Diversifikation der Fortbewegung können sich weitere Anwendungsfelder ergeben.
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Solche Elektromotoren können mit Innenläufer- oder Außenläuferkonfiguration ausgeführt sein. Sie weisen einen Stator auf, welcher mit einem, relativ zum Rotor, fest stehendem Gestell oder Gehäuse oder ähnlichem verbunden ist. Der Stator ist als ein, die Innen- bzw. Außenkontur betrachtet, im Wesentlichen runder Statorkörper aus Metallblechen gebildet. Der Stator weist umfänglich angeordnete Statorzähne mit zwischenliegenden Statornuten auf, welche Pole zur Aufnahme von Spulenwicklungen, regelmäßig aus Kupfer, bilden. Die Statorzähne sind durch einen Statorrückschluss miteinander verbunden. Der Begriff „im Wesentlichen“ schließt solche Konturen ein, die beispielsweise aufgrund der Form der Statorzähne durch einen Polygonzug gebildet werden, wobei die Ecken der Statorzähne die Vielzahl der Eckpunkte des Polygonzugs sind und die runde Kontur durch den Kreis des Polygons wahrgenommen wird. Das Polygon eines solchen Stators ist regelmäßig ein reguläres Polygon mit gleichen Seitenlängen und gleichen Innenwinkeln.
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Der Rotor des Elektromotors ist im Fall der Außenläuferkonfiguration derart koaxial zum Stator angeordnet, dass der Rotor den Stator umfänglich umschließt und sich um den Stator drehen kann. Die den Statorzähnen gegenüberliegende (gegebenenfalls fiktive) Innenmantelfläche des Rotors weist eine Permanentmagnetanordnung dergestalt auf, dass zwischen der Innenmantelfläche der Permanentmagnetanordnung und der (gegebenenfalls fiktiven) Außenmantelfläche des Stators ein ringförmiger Luftspalt, als Arbeitsspalt bezeichnet, ausgebildet ist. Bei einer solchen Konfiguration ist der Stator häufig auf einer Achse oder einer Nabe feststehend montiert, während die Rotoranordnung drehbar gelagert ist.
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Die Lage des Arbeitsspaltes und damit unmittelbar verbunden dessen Wirkradius, beispielsweise der Mittelradius, ist ein Parameter, welcher wesentlichen Einfluss auf das Drehmoment der Maschine hat. Ein weiterer Parameter ist der magnetische Fluss der Permanentmagnetanordnung und der Statorwicklung. Letztere ist insbesondere durch den Füllgrad der Statornuten mit der Wicklung charakterisiert, wobei die Herstellung der Wicklung und deren Dichte besondere Herausforderungen darstellen.
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Der grundlegende Aufbau eines elektrischen Generators ist aufgrund des gleichen physikalischen Grundprinzips, der elektromagnetischen Induktion, vergleichbar dem eines Elektromotors, weshalb beide Maschinen zusammenfassend als rotierende elektrische Maschinen bezeichnet werden und ein Großteil der die Leistungsfähigkeit beeinflussenden Parameter auf beide Maschinentypen zutreffen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine rotierende elektrische Maschine anzugeben, mit welcher der Füllgrad und die erzeugbare mechanische oder elektrische Leistung gegenüber vergleichbaren Maschinen erhöht werden können, und dabei der erforderliche Bauraum sowie der Materialaufwand reduziert oder zumindest beibehalten werden können.
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Mit Bezug auf eine Antriebseinheit mit einem Elektromotor mit Radialflusskonfiguration sollen im Vergleich zum Stand der Technik insbesondere höhere Drehmomente und/oder kleinere Maschinen erzielbar sein. Dies ist insbesondere für die Außenläuferkonfiguration wünschenswert, welche für die oben angeführten Antriebe und Hilfsantriebe zur Personen- und Güterbeförderung verwendet werden.
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Die Aufgabe wird durch einen Stator gemäß Anspruch 1 gelöst, welcher in einer rotierenden elektrischen Maschine, d. h. in einem Elektromotor oder einem Generator, verwendet werden kann, Die Aufgabe wird auch durch eine rotierende elektrische Maschine gemäß Anspruch 6 gelöst. Die jeweils auf diese Ansprüche bezogenen abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
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Nachfolgend werden zur Realisierung der Erfindung verwendete Merkmale beschrieben. Diese wird der Fachmann in verschiedenen Ausführungsformen verschieden miteinander kombinieren, soweit ihm das für einen Anwendungsfall sinnvoll und geeignet erscheint.
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Erfindungsgemäß weisen die Statorzähne und Statornuten Geometrien derart auf, dass die Statorzähne eine Trapezform mit nach außen zunehmender Zahnbreite oder die Statornuten parallel verlaufende Flanken haben. Auch eine Kombination beider Merkmale ist möglich. Auf den Statorzähnen ist jeweils eine separate Spulenwicklung angeordnet. Die separaten Spulenwicklungen gestatten eine Optimierung des Füllgrades der Statornuten und reduzieren den Aufwand zur Herstellung im Vergleich zu den bekannten Statorwicklungen. Mittels der nach außen zunehmenden Breite der Statorzähne ist zudem eine gewissen Fixierung der Spulenwicklung möglich.
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Entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Spulenwicklungen mittels separater Spulen ausgebildet, welche einen Spulenkörper und eine eigene Spulenwicklung aufweisen. In Abhängigkeit von der Breitendifferenz des Trapezes der Statorzähne und der Ausführung des Spulenkörpers kann dessen Gestalt mit der Trapezform der Statorzähne korrespondieren.
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Der Spulenkörper weist einen zwischen Grund- und Deckfläche (üblicherweise dem innerem und äußeren Spulenflansch) liegenden Spulenkörper und einen durch zumindest den Spulenkörper und die Grundfläche verlaufenden Durchgang auf. Auf der Mantelfläche des Spulenkörpers ist eine Spulenwicklung angeordnet. Der Durchgang kann beispielsweise einen viereckigen Querschnitt aufweisen. Auch andere Gestaltungen des Querschnitts sind möglich. Optional können die Spulenflansche eine daran angepasste Form haben. Mit einer rechteckigen Form zumindest der äußeren Spulenflansche ist die Herstellung einer nahezu geschlossenen Außenmantelfläche des Stators möglich.
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Die Form der Statorzähne kann so gewählt werden, dass die Statornuten Parallelnuten sind, so dass diese durch die Wicklungen der beiden benachbarten Spulen maximal gefüllt sein können.
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Die einzelnen Spulen können separat vorgefertigt werden. Durch die besondere Trapezform der Statorzähne können die Spulen allein durch ein Aufstecken auf dem Zahn fixiert werden. Ergänzende Haltemittel können, beispielsweise in Abhängigkeit von der zu realisierenden Drehzahl, angeordnet sein.
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Entsprechend einer Ausgestaltung können die Spulenkörper aus Kunststoff ausgebildet sein, wobei es sich im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten pilzförmigen Statorzähnen des Blechpakets als vorteilhaft erweist, dass die erfindungsgemäßen Spulenkörper keinen oder zumindest keinen signifikanten Einfluss auf das Rastmoment haben.
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Zudem kann das Aufstecken durch die Gestaltung der Spulenkörper aus Kunststoff unterstützt werden. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn der Spulenkörper vollständig oder abschnittsweise elastisch verformbar ausgeführt ist, so dass sich zumindest dessen Querschnittsfläche deformieren lässt. Auf diese Weise kann der Spulenkörper in einer Richtung gepresst und so die Ausdehnung des Durchganges in der anderen, rechtwinklig dazu stehenden Richtung vergrößert werden. So lässt er sich leicht auf den trapezförmigen Statorzahn führen und durch Entlastung auf diesem fixieren.
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Mittels des erfindungsgemäßen Stators können der Bauraum und/oder das Gewicht des Stators reduziert werden. Ergänzend oder alternativ ist damit eine Erhöhung der erzielbaren Drehmomente des Elektromotors möglich.
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Die Aufgabe der Erfindung wird darüber hinaus durch eine rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 6 gelöst. Wie oben zum Stand der Technik beschrieben schließt das sowohl einen Elektromotor als auch einen elektrischen Generator ein.
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Eine solche rotierende elektrische Maschine umfasst einen drehbar gelagerten Rotor, welcher eine aus mehreren Segmenten ausgebildete, hohlzylinderförmige Permanentmagnetanordnung aufweist. Regelmäßig hat die Permanentmagnetanordnung eine solche Gestalt, dass deren Innen- und Außendurchmesser deutlich größer sind, als die Höhe des Hohlzylinders der Magnetanordnung.
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Die Segmente der Permanentmagnetanordnung sind so angeordnet, dass sich deren Magnetisierungsrichtungen von Segment zu Segment in definierten Schritten ändern. Die Änderung erfolgt derart, dass der magnetische Fluss über der dem Stator zugewandten Innenmantelfläche des Hohlzylinders und damit im Luftspalt verstärkt und über der gegenüber liegenden Außenmantelfläche vermindert ist. Eine solche Beeinflussung des magnetischen Flusses wird durch das Drehen jedes der Segmente um eine parallel zur Mantelfläche liegende Achse des jeweiligen Segments in jeweils derselben Drehrichtung um einen definierten Winkel, beispielsweise 90°, erzielt. Bei einer Drehung der Segmente um jeweils 90° wechselt der Magnetpol von einem Segment zum nächsten an der dem Luftspalt abgewandten Außenmantelfläche der Permanentmagnetanordnung und bleibt der gleiche an der Innenmantelfläche der Permanentmagnetanordnung. Auch geringere und größere Winkel, bevorzugt im Bereich von 45° - 90°, sind möglich, soweit damit die beschriebene einseitige Verstärkung im Luftspalt realisierbar ist. Die in Frage kommenden Winkel können durch Versuche oder Simulationen ermittelt werden.
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Die rotierende elektrische Maschine umfasst weiter einen Stator, welcher mit einer, relativ zum Rotor, fest stehenden Komponente der Maschine verbunden ist. Die Verbindung zwischen Stator und der betreffenden Komponenten kann direkt oder über weitere Komponenten erfolgen. Der Stator weist zumindest eine Statorwicklung auf, mittels der ein Magnetfeld im nachfolgend beschriebenen Luftspalt zwischen Rotor und Stator zu erzeugen ist (Elektromotor) oder in welcher Strom mittels elektromagnetischer Induktion generierbar ist (Generator).
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Der Rotor ist derart koaxial zum Stator angeordnet, dass der Rotor den Stator, unter Ausbildung eines ringförmigen Luftspalts zwischen Rotor und Stator, umfänglich umschließt und der Rotor sich um den Stator drehen kann.
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Die oben beschriebene Drehung der Magnetpole von Segment zu Segment erfolgt bevorzugt jeweils um 90°, wie nachfolgend im Ausführungsbeispiel näher erläutert. Auf diese Weise grenzen an der Innenmantelfläche des Rotors Pole gleicher Art aneinander und an der Außenmantelfläche Pole entgegengesetzter Art. Das hat zur Folge, dass der Magnetfluss sich vor der Innenmantelfläche signifikant verstärkt und an der Außenmantelfläche der Magnete des Rotors wesentlich reduziert.
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Die Reduzierung des Magnetflusses an der Außenmantelfläche des Rotors gestattet eine Reduzierung oder Vermeidung des Rückschlussringes am Rotor, wodurch sich der Bauraum des Rotors verringern lässt. Alternativ oder ergänzend kann ein den Rotor umfassender Ring für die Halterung und Stabilisierung des Rotors optimiert werden.
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Entsprechend eine Ausgestaltung der Erfindung kann die rotierende elektrische Maschine eine Antriebseinheit sein, welche für ein motorisiertes Fahrzeug ausgebildet, das der Fortbewegung von Personen und/oder Gütern dient und einen Elektromotor umfasst. Als Fahrzeug kommen nach derzeitigem Entwicklungsstand insbesondere Landfahrzeuge in Betracht. Aber auch für Wasser- und Luftfahrzeuge sind derartige Antriebe anwendbar, beispielsweise im Modellbau.
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In einer solchen Anwendung ist der Stator mit der Antriebseinheit und/oder mit einer, relativ zum Rotor, fest stehenden Komponente des Fahrzeugs verbindbar.
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Beispielhaft, aber nicht beschränkend soll ein elektrischer Fahrradhilfsantrieb als Anwendung der erfindungsgemäßen Antriebseinheit genannt werden. Bei diesem ist der Stator mit dem Fahrradrahmen verbunden und der Rotor mit dem drehbaren Teil des Tretlagers.
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Die oben beschriebene, mit der Permanentmagnetanordnung erzielbare Erhöhung des Magnetflusses im Luftspalt zwischen Rotor und Stator gestattet die Erzielung eines höheren Drehmoments der Antriebseinheit, welches durch die Wechselwirkung der beiden Magnetfelder im Luftspalt erzeugt wird. Dieser Effekt lässt sich ebenfalls für eine Erhöhung der Leistung der Antriebseinheit und/oder zur Reduzierung des Bauraums bzw. Gewichts nutzen.
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Sofern entsprechend einer Ausgestaltung der rotierenden elektrischen Maschine bzw. der Antriebseinheit ein Stator nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, lässt sich die Verbesserung bzw. Optimierung von Leistung und/oder Bauraum und Gewicht erweitern, da der mit den Statorzähnen und aufgesteckten Spulen vergrößerbare Füllgrad der Statornuten sich vergleichbar auf das mit dem Stator erzeugbare Magnetfeld und damit die Performance der Maschine auswirkt.
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Gleiches trifft auf eine optionale Ausgestaltung der Segmente der Permanentmagnetanordnung zu, in der die nach ihrer Magnetisierungsrichtung unterschiedenen Segmenttypen voneinander abweichende umfängliche Ausdehnung haben. Als „umfängliche“ Ausdehnung ist jene Länge der Magnetsegmente gemeint, welche den Anteil des jeweiligen Segments am Gesamtumfang der Permanentmagnetanordnung kennzeichnet. Über diese Ausdehnung kann eine weitere Optimierung des Laufs und der Performance des Rotors erzielt werden. Werden beispielsweise jene Segmente, deren Magnetpole radial ausgerichtet sind, breiter ausgeführt als jene mit dazu gedrehter Magnetausrichtung, kann die Verschiebung des Magnetflusses in Richtung Stator und damit Magnetfluss im Luftspalt weiter erhöht werden.
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Die Erfindung soll nachfolgend beispielhaft, jedoch nicht beschränkend anhand von Zeichnungen einer Antriebseinheit näher erläutert werden. Die zugehörigen Figuren zeigen in
- 1 ein Segment der Rotor-Stator-Einheit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit in der Draufsicht und
- 2 eine Spule, welche auf eine Statorzahn aufsteckbar ist, in Schnittdarstellung.
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Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind nur schematisch in dem Umfang dargestellt, wie es zur Erläuterung der Erfindung erforderlich ist. Sie erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Maßstäblichkeit.
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Das Segment in 1 zeigt einen Stator 1, welcher trapezförmige Statorzähne 3 und rechteckige Statornuten 5 (gestrichelt dargestellt) aufweist. Auf jeden Statorzahn ist eine Spule 7 aufgesteckt. Die Spulen sind derart konstruiert und angeordnet, dass die Spulenflansche 77 unmittelbar aneinander grenzend den Außenmantelfläche 11 des Stators 1 mit dem Außenradius Ra des Stators 1 bilden.
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Konzentrisch zum Stator 1 ist der Rotor 13 derart angeordnet, dass zwischen der Außenmantelfläche 11 des Stators 1 und der Innenmantelfläche 15 des Rotors 13 ein Luftspalt 17 (auch als Arbeitsspalt bezeichnet) besteht. Die Breite des Luftspalts 17 ist durch die umlaufend gleichmäßige Differenz zwischen Innenradius Ri der Innenmantelfläche 15 des Rotors 13 und dem Außenradius Ra der Außenmantelfläche 11 des Stators 1 bestimmt.
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Der Rotor 13 umfasst eine Permanentmagnetanordnung, die aus einer Vielzahl von Permanentmagneten 19 gebildet ist. Die Magnete 19 weisen jeweils eine Magnetisierungsrichtung auf, die in 1 durch Nordpol „N“ und Südpol „S“ dargestellt ist. Die Magnete 19 sind derart ausgebildet und angeordnet, dass deren Magnetisierungsrichtung von einem zum nächsten, benachbarten Magnet stets um 90° dreht. Die umfängliche Länge Lu'' jener Magnete 19, welche eine radiale Magnetisierungsrichtung aufweisen beträgt ein Mehrfaches der umfänglichen Länger Lu' der Magnete 19 mit rechtwinklig dazu liegender Magnetisierungsrichtung.
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Die Magnete 19 sind an einem Ring 21 montiert, welcher als Rückschlussring des Rotors 13. und optional gleichzeitig der Stabilisierung dient. Rotor 13 und Stator 1 werden von einem Gehäuse 23 umhüllt, von dem nur der ringförmige Abschluss zu sehen ist.
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2 zeigt eine Spule 7, welche einen Spulenkörper 71 mit rechteckigem Querschnitt und einem zentralen Durchgang 73 aufweist. Auf dem Spulenkörper 71 ist eine mehrlagige, dichte Spulenwicklung 75 ausgebildet. Die Spulenwicklung 75 ist, radial betrachtet, innen und außen (1) durch jeweils einen Spulenflansch 77 begrenzt.
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Der Spulenkörper 71 besteht aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff und weist an zwei gegenüber liegenden Wandungen flexible Abschnitte 79 auf (dargestellt durch einen Knick in der Wandung). Zum Aufstecken der Spulen 7 auf die Statorzähne 3 kann der Abstand zwischen diesen beiden Wandungen vergrößert werden, indem auf die anderen beiden Wandungen eine Druckkraft (dargestellt durch einen Doppelpfeil) ausgeübt wird. Die Pressung bewirkt eine Verformung der flexiblen Abschnitte 79 nach außen (dargestellt durch gestrichelte Pfeile) und damit eine Vergrößerung des Innenquerschnitts in dieser Richtung, so dass die Spule über den äußeren, größeren Querschnitts eines trapezförmigen Statorzahns 3 geschoben werden kann. Nach Beendigung der Pressung nimmt der Spulenkörper 7 wieder seine ursprüngliche Form an und ist dadurch auf dem Statorzahn 3 fixiert.
