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Die Erfindung betrifft eine Sternscheibe für einen Rotor einer fremderregten Synchronmaschine, mit einem mittigen Scheibenkörper, von dem aus sich mehrere Stege radial erstrecken, an deren Enden jeweils eine Endplatte vorgesehen ist, so dass sich zwischen dem Scheibenkörper und der jeweiligen Endplatte eine Wickelnut bildet, die über den den Nutgrund bildenden Steg und seitlich über, Nutflanken bildendend, den Scheibenkörper und die Endplatten begrenzt ist und die der Aufnahme einer um den Steg geführten Leiterwicklung, gebildet aus einem in mehreren Lagen gewickelten Leiterdraht, dient, wobei der Steg mit in Wickelrichtung verlaufenden und der Aufnahme jeweils eines Leiterdrahtabschnitts dienenden Rillen versehen ist.
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Eine elektrische Maschine besteht grundsätzlich aus einem ortsfesten Teil, dem Stator, und einem sich bewegenden Teil, dem Rotor. Der Rotor selbst besteht üblicherweise aus einer Rotorwelle, auf der ein Blechpaket bestehend aus einer Vielzahl separater Bleche sitzt. Bei einer fremderregten Synchronmaschine weist der Rotor darüber hinaus eine der Anzahl an einzelnen Phasen entsprechende Anzahl an Leiterwicklungen auf, wobei eine solche Synchronmaschine zumeist eine drei-phasige Maschine ist. Die Leiterwicklungen verlaufen axial und sind an den Rotorenden umgeführt, sodass sich entsprechende Wicklungsstrukturen ergeben. Um den Leiterdraht an den beiden Rotorenden umzuführen, ist endseitig das Blechpaket über jeweils eine sogenannte Sternscheibe abgeschlossen, an der entsprechende Wickelnuten ausgebildet sind, in die der jeweilige Leiterdraht in mehreren übereinander liegenden Lagen eingewickelt ist, sodass er von der einen Sternscheibe zu anderen, dabei durch das Blechpaket geführt, verläuft.
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Jede Sternscheibe weist hierzu einen mittigen Scheibenkörper auf, mit dem sie auf der Rotorwelle sitzt. Von diesem erstrecken sich, der Anzahl an Polen des Rotors entsprechend, eine Anzahl an Stegen radial nach außen, wobei jeder Steg über eine Endplatte abgeschlossen ist. Der mittige Scheibenkörper sowie die Endplatten bilden jeweils Nutflanken, die die jeweilige Wickelnut radial nach innen und außen begrenzen, während der Steg respektive die vom Blechpaket jeweils wegweisende Stegseite den Nutgrund bildet.
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Um eine exakte Führung des Leiterdrahts mit einer ortsgesicherten Positionierung des Leiterdrahts in der ersten, auf den Steg aufgewickelten Lage zu erhalten, ist es bekannt, den Steg mit in Wickelrichtung verlaufenden Rillen zu versehen, wobei jede Rille der Aufnahme eines eingelegten Leiterdrahtabschnitts dient. Über diese Rillierung ist es demzufolge möglich, jeden Leiterdrahtabschnitt quasi zu fixieren, sodass er nicht zur Seite rutscht und sich eine definierte erste Lage ergibt, die das Aufwickeln weiterer Lage ermöglicht. Werden jedoch mehrere Lagen übereinander gewickelt, so ist ein lagengenauer Aufbau über alle Lagen aufgrund des schwankenden Drahtdurchmessers und der etwaigen Fertigungstoleranzen der Sternscheibe nicht immer möglich.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Sternscheibe anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Sternscheibe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass an wenigstens einer Seite des Stegs an einer Nutflanke wenigstens eine zusätzliche Rille vorgesehen ist.
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Die erfindungsgemäße Sternscheibe ist nicht nur am Steg, also am Nutgrund mit einer Rillierung versehen, sondern auch an wenigstens einer der beiden Nutflanken, indem an dieser Nutflanke wenigstens eine zusätzliche Rille, vorzugsweise natürlich mehrere höhenversetzte zusätzliche Rillen vorgesehen sind. Dies ermöglicht, neben der Führung respektive Stützung des Leiterdrahts bzw. der Leiterdrahtabschnitte am Nutgrund, abhängig von der Anzahl an zusätzlichen Rillen auch eine zusätzliche Stützung in einer oder mehreren weiteren, über der ersten Drahtlage liegenden Drahtlagen. Hierdurch wird eine zusätzliche Seitenführung in wenigstens einer, vorzugsweise mehreren weiteren Drahtlagen sichergestellt, da auch an der Seite eine definierte Wickelgeometrie mit einer definierten Leiterführung erreicht werden kann, sodass ein besserer Lagenaufbau und damit ein höherer Kupferfüllfaktor erreicht werden kann, wobei ein erhöhter Kupferfüllfaktor wiederum zu einer höheren Effizienz der Maschine führt.
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Dabei ist bevorzugt nicht nur an einer Seite des Steges, also an einer Nutflanke, wenigstens eine zusätzliche Rille vorgesehen, sondern an beiden Nutflanken, also beidseits des Steges, wobei an jeder Nutflanke wenigstens eine, vorzugsweise jedoch mehrere höhenmäßig gestaffelte zusätzliche Rillen vorgesehen sind, sodass ein Führung nicht nur in eine zusätzlichen, sondern in mehreren zusätzlichen Drahtlagen möglich ist.
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Die zusätzliche Rille an der einen oder an beiden Nutflanken ist zweckmäßigerweise in Höhe der nächst folgenden Lage der Leiterwicklung vorgesehen, das heißt, dass ein direkt höhenmäßiger Anschluss an die erste Wickelebene auf dem Steg respektive in der Rillierung des Steges gegeben ist. Ist nur eine zusätzliche Rille vorgesehen, so wäre es auch denkbar, diese in einer höheren Ebene vorzusehen. Unabhängig davon ist natürlich der höhenmäßige Abstand dieser zusätzlichen Rille zur Stegebene respektive zur Stegrillierung in Abhängigkeit des Drahtdurchmessers gewählt, sodass sichergestellt ist, dass die jeweilige zusätzliche Rille in genau der sich beim Wickeln ergebenden Drahtlage positioniert ist.
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Wie bereits vorstehend angedeutet, ist es natürlich besonders zweckmäßig, wenn an der oder jeder Nutflanke mehrere zusätzliche, höhenmäßig versetzte Rillen vorgesehen sind, die also in verschiedenen Höhenlagen angeordnet sind, wobei die Höhenlagen natürlich entsprechenden Drahtlagen oder Drahtebenen entsprechen. Die zusätzlichen Rillen müssen nicht unmittelbar an die Stegebene respektive die Stegrillierung anschließen, sondern können auch höhenmäßig versetzt zueinander sein, wobei in der Rillenabfolge der zusätzlichen Rillen auch nicht eine unmittelbare Abfolge gegeben sein muss, sondern auch dort ein entsprechender Versatz um mehrere Drahtlagen gegeben sein kann.
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Bevorzugt jedoch sind die mehreren Rillen in fortlaufenden Höhen der Leiterwicklungen vorgesehen, sodass jede der ersten Drahtlage nachfolgende Wicklungslage oder -ebene ein- oder bevorzugt beidseits auch exakt seitlich geführt ist.
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Die mehreren Rillen sind wenigstens über ein Viertel der Höhe der jeweiligen Nutflanke vorgesehen, bevorzugt aber auch höher, wenn die Höhe des gesamten Wicklungsaufbaus dies erfordert. Bevorzugt erstrecken sich die Rillen an beiden Nutflanken über die gleiche Höhe, sodass beidseits eine gleiche, symmetrische Drahtführung gegeben ist.
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Wie beschrieben wird der Leiterdraht in die Wickelnut eingewickelt. Um die Wickelnut über die gesamte Breite zu bewickeln, ist es erforderlich, den Draht radial von innen nach außen und zurück zu führen, um die einzelne Lage mit parallel verlaufenden Leiterabschnitten zu wickeln. Dabei ist zwangsläufig in jedem Umlauf ein Lagensprung erforderlich, mit dem der Leiterdraht um eine Drahtstärke respektive einen Drahtdurchmesser weiter radial nach außen oder innen versetzt wird. Ein solcher Lagensprung wird wickeltechnisch üblicherweise beim Umwickeln um die eine Sternscheibe realisiert, während an der anderen Sternscheibe ein einfacher, nicht springender Umlauf gegeben ist. Um bereit in der ersten Lage den Lagensprung zu definieren, gleichzeitig aber an der anderen Sternscheibe ebenfalls eine exakte Leiterführung zu realisieren, sieht eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass zumindest die Rillen am Steg entweder senkrecht zur Längsachse des Stegs verlaufen, oder unter einem Winkel ungleich 90° dazu, wobei der Winkel derart bemessen ist, dass der Auslauf einer Rille um eine Drahtstärke des Leiterdrahts versetzt zum Einlauf liegt. Das heißt, dass die beiden Sternscheiben sind erfindungsgemäß, was die Rillierung am Steg angeht, unterschiedlich ausgestaltet. Die eine Sternscheibe, an der kein Lagensprung gegeben ist, weist eine Rillierung auf, bei der die Rillen senkrecht zur Steglängsachse verlaufen. Sämtliche Rillen verlaufen, egal bei welcher Ausgestaltung, natürlich parallel, sind hier jedoch im Winkel nicht angestellt, sondern stehen orthogonal zur Steglängsachse. Hierüber ist ein geführtes, jedoch keinen Lagensprung vornehmendes Einwickeln möglich. Die andere Sternscheibe jedoch ist in ihrer Rillierung spezifisch für einen definierten Lagensprung ausgebildet. Die auch hier parallel zueinander verlaufenden Rillen der Rillierung stehen unter einem Winkel ungleich 90° zur Steglängsachse. Dabei ist der Winkel so bemessen, dass der Rilleneinlauf und der Rillenauslauf, radial gesehen, um eine Drahtstärke respektive einen Drahtdurchmesser versetzt zueinander angeordnet sind. Das heißt, dass der Draht eines Umlaufs um genau eine Drahtstärke respektive einen Drahtdurchmesser versetzt zum Draht des vorherigen Umlaufs geführt wird.
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Dabei ist grundsätzlich bevorzugt vorgesehen, dass der Steg einen rechteckigen Querschnitt mit zumindest an der Wickelnutseite gerundeten Kanten aufweist, wobei die Rillen über die Stegaußenseite und zumindest einen Teil der beiden Stegseiten verlaufen. Durch diese rechteckige Stegausführung und die Rillierung an der Stegaußenseite, die sich auch zumindest zum Teil auf die beiden Stegseiten, über die der Draht geführt ist, erstreckt, wird eine quasi großflächige Leiterführung in der Rillierung erreicht. Darüber hinaus kann insbesondere, wenn an der Sternscheibe über die Rillierung ein Lagensprung realisiert ist, eine sehr exakte Leiterführung und damit ein sehr stabiler Lagenbau erreicht werden, so dass sich der Lagensprung über eine relativ lange Wickelstrecke, beginnend vom Rilleneinlauf an einer Stegseite über die Rillenlänge an der Stegaußenseite bis zum Rillenauslauf an der anderen Stegseite ergibt.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, am Scheibenkörper eine den in die Wickelnut einlaufenden Leiter führende Nut auszubilden, die sich bis zum Steg erstreckt und in einer Ebene mit den stegseitigen Rillen mündet. Der erste Draht, von der Sternscheibe kommend, muss zwangsläufig in die Wickelnut eingeführt werden. Erfindungsgemäß wird dieser Draht nun über eine am Scheibenkörper ausgebildete Nut zugeführt, die sich bis zum Steg und in den Bereich der Rillierung erstreckt. Die Nut mündet in einer Ebene mit der ersten stegseitigen Rille, sodass der Leiter in dieser eingetieften Rillenebene zugeführt und weitergeführt wird. Dies führt dazu, dass der zugeführte Leiter bereits am Anlauf quasi um eine Drahtstärke versenkt zugeführt wird. Dies führt nun dazu, dass der Leiter am ersten Anlauf in der zweiten Wickelebene problemlos überwickelt werden kann und sich keine „Beule“ in der Wicklung ausbildet, was der Fall wäre, wenn der Draht am Anlauf quasi aus der Ebene der Rillierung vorspringen würde. Dies ist für einen exakten Lagenaufbau ebenfalls sehr vorteilhaft.
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Die Sternscheibe selbst ist bevorzugt aus Kunststoff gefertigt, das heißt, es handelt sich um eine Spritzgussbauteil, an dem die entsprechenden Geometrie und insbesondere die Rillierung über eine entsprechende Spritzform ausgebildet werden kann.
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Neben der Sternscheibe selbst betrifft die Erfindung ferner einen Rotor, umfassend eine Rotorachse sowie ein auf dieser angeordnetes Blechpaket und zwei das Blechpaket axial abschließende Sternscheiben der vorstehend beschriebenen Art, auf die die Leiterwicklungen gewickelt sind. Bevorzugt natürlich weist die eine Sternscheibe einen über die Rillierung ausgebildeten respektive definierten Lagensprung auf, während die Rillierung der anderen Sternscheibe einen einfachen, nicht springenden Umlauf definiert. Das heißt, dass die eine Sternscheibe mit dem Lagensprung unter einem Winkel ungleich 90° zur Längsachse verlaufende Rillen aufweist, während die andere Sternscheibe senkrecht zur Längsachse des Stegs verlaufende Rillen aufweist.
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Schließlich betrifft die Erfindung ferner eine Synchronmaschine, umfassend einen Rotor der vorstehend beschriebenen Art.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Rotors als Prinzipdarstellung,
- 2 eine Teilansicht einer Sternscheibe einer ersten Ausführungsform unter Darstellung eines Steges nebst Wickelnut,
- 3 eine Perspektivansicht eines Teils der Sternscheibe aus 2 unter Darstellung der Rillierung an der radial äußeren Nutflanke,
- 4 eine Perspektivansicht eines Teils der Sternscheibe aus 2 unter Darstellung der Rillierung an der radial innen liegenden Nutflanke,
- 5 eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Sternscheiben einer zweiten Ausführungsform mit schrägverlaufenden Rillen,
- 6 eine Perspektivansicht eines Teils der Sternscheibe aus 5 unter Darstellung der Rillierung an der radial außenliegenden Nutflanke, und
- 7 eine Perspektivansicht eines Teils der Sternscheibe aus 5 unter Darstellung der Rillierung an der radial innenliegenden Nutflanke.
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1 zeigt einen Rotor 1, umfassend eine Rotorachse 2, auf der ein Blechpaket 3 bestehend aus einer Vielzahl von axial hintereinander angeordneten Blechen angeordnet ist. Am Blechpaket 3 sind eine Reihe einzelner Pole 4 ausgebildet, denen jeweilige Leiterwicklungen 5 zugeordnet sind, die über einen Erregerstrom erregt werden können, um ein Magnetfeld über die Pole 4 zu erzeugen.
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Um diese Wicklungen ausbilden zu können, ist das Blechpaket 3 beidseits axial über jeweils eine Sternscheibe 6 abgeschlossen, wobei die Leiterwicklungen 5 über die Sternscheiben 6 gewickelt und dort in entsprechenden Wickelnuten eingewickelt sind. Die Sternscheiben 6 sind bevorzugt aus Kunststoff gefertigt und sind dazu ausgebildet, einen möglichst exakten Lagenaufbau über die mehreren übereinander gewickelten Leiterlagen zu ermöglichen.
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1 zeigt eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen ersten Sternscheibe 6a. Diese besteht aus einer mittigen Scheibenkörper 7a, siehe hierzu auch die 3 und 4, der eine zentrale Bohrung aufweist, durch die die Rotorwelle 2 läuft. Vom mittigen Scheibenkörper 7a stehen mehrere, im gezeigten Beispiel sechs Stege 8a radial ab, die wiederum mit endseitigen Endplatten 9a versehen sind, an denen wiederum flussführende Metallelemente 10a angeordnet sind. Die Ausgestaltung ist derart, dass sich eine Wickelnut 11a ausbildet, die über eine radial innenliegende Nutflanke 12a, gebildet vom Scheibenkörper 7a, und eine radial außenliegende Nutflanke 13a, gebildet von der Endplatte 9a, radial sowie über den Steg 8a, der den Nutgrund 14a definiert, begrenzt respektive definiert ist.
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Wie die 2-4 zeigen, sind am Steg 8a selbst eine Mehrzahl an Rillen 15a vorgesehen, die alle parallel zueinander verlaufen. Der Steg 8a selbst weist einen quasi rechteckigen Querschnitt mit gerundeten äußeren Kanten auf, wobei sich die Rillen 15a von der einen schmalen Stegseite über die Stegaußenseite zur anderen schmalen Stegseite erstrecken, wie insbesondere 3 und 4 zeigen.
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Die Rillen 15a erstrecken sich jedoch nicht nur über den Steg 8a selbst. Vielmehr sind, siehe die 3 und 4, mehrere zusätzliche Rillen 16a an der radial äußeren Nutflanke 13a, also der Endplatte 9a, sowie mehrere zusätzliche Rillen 17a an der inneren Nutflanke 12a, also an dem Scheibenkörper 7a ausgebildet. Die zusätzlichen Rillen 16a und 17a an jeder Nutflanke 12a und 13a sind auf gleiche Höhe angeordnet, also in gleichen Wickelebenen, wobei die einzelnen zusätzlichen Rillen 16a bzw. 17a jeweils höhenmäßig aneinander anschließen, mithin also letztlich um einen definierten, ca. der Drahtstärke entsprechenden Abstand höhenmäßig voneinander beabstandet sind. Auch sie erstrecken sich von der Geometrie her ähnlich gebogen wie die Rillen 14a. Das heißt, dass die gesamte Rillierung über die zusätzlichen Rillen 16a, 17a an den Nutflanken 12a, 13a hochgezogen ist, sodass sich neben einer exakten Führung und Stützung der eingewickelten Leiterdrahtabschnitte im Nutgrund 14a, also den Rillen 15a, auch eine Stützung radial gesehen über die zusätzlichen Rillen 16a, 17a an den Nutflanken 12a, 13a ergibt, mithin also der Leiterdraht nicht nur in der ersten Wickellage unmittelbar auf dem Steg 8a sauber geführt und gestützt ist, sondern auch in mehreren darüber gewickelten weiteren Lagen. Wenngleich beispielsweise an der äußeren Nutflanke 13a nur einige wenige Rillen 16a vorgesehen sind, ist es selbstverständlich denkbar, diese auch noch weiter hochzuziehen, also noch mehr Rillen 16a auszubilden.
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Das heißt, dass hierüber eine sehr genaue Leiterführung und Leiterstützung erreicht wird, was für einen sehr exakten Lagenaufbau zweckmäßig ist.
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Ersichtlich verlaufen die Rillen 15a orthogonal zur Längsachse des Steges 8a. Über diesen Steg 8a erfolgt demzufolge kein Lagensprung, das heißt, dass der Leiterdraht in derselben Ebene aus der jeweiligen Rille 15a ausläuft, in der er einläuft.
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Da beim Wickeln der Leiterwicklung 5 der Draht jedoch radial nach außen und innen in entsprechender Wechselfrequenz geführt wird, ist es erforderlich, ihn in einer Umlaufposition definiert radial nach außen oder innen um quasi eine Drahtstärke weiterzuführen. Dies wird erfindungsgemäß über eine entsprechende Rillenführung am Steg selbst vorgenommen, wie die 5-7 zeigen.
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Diese zeigen eine zweite Ausführungsform einer Sternscheibe 6b, mit einem Scheibenkörper 7b und einem Steg 8b, der wiederum eine Endplatte 9b mit einem flussführenden Metallelement 10b aufweist. Auch hier wird demzufolge eine Wickelnut 11b ausgebildet, wiederum definiert über eine radial innenliegende Nutflanke 12b am Scheibenkörper 7b und eine radial außenliegende Nutflanke 13b an der Endplatte 9b.
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Vorgesehen ist auch hier wiederum eine Rillierung 14b am Steg 8b selbst, gebildet über mehrere parallel laufende Rillen 15b, die jedoch, siehe 5, unter einem Winkel α zur Steglängsachse verlaufen. Das heißt, dass der jeweilige Rilleneinlauf und Rillenauslauf radial gesehen zueinander versetzt sind, und zwar exakt um eine Drahtstärke respektive einen Drahtdurchmesser, sodass der Drahtauslauf eine Drahtstärke radial weiter außen als der Drahteinlauf liegt. Hierüber wird in der ersten Lage ein definierter Lagensprung realisiert, wobei sich auch hier die Rillen 15b, siehe die 6 und 7, ebenfalls nicht nur über die Stegaußenseite, sondern auch über die schmalen Stegseiten erstrecken.
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Auch hier sind, siehe die 6 und 7, an den Nutflanken 12b, 13b entsprechende zusätzliche Rillen 16b, 17b vorgesehen, ähnlich wie bei der Ausgestaltung der 2-4. Das heißt, dass auch hier eine exakte Drahtführung auch an den beiden Nutflanken 12b, 13b in höheren Wickellagen gegeben ist. Wiederum schließen sich auch hier die zusätzlichen Rillen 16b, 17b von der Höhe her der ersten Rillenebene an, wobei auch hier noch mehre zusätzliche Rillen 16b, 17b vorgesehen werden können, diese sich also noch weiter über die Nutflanken höher erstrecken können.
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5 zeigt schließlich eine Nut 18, die am Scheibenkörper 7b ausgebildet ist, und über die der Leiterdraht erstmals in die Wickelnut 11b eingeführt wird. Diese Nut 18 führt bis zum Nutgrund, also bis zur Rillierung 14b und mündet in einer Nut 15b, sodass der zugeführte Leiterdraht quasi versenkt wird und in der Rillierungsebene einläuft. Dies führt dazu, dass er über die nachfolgende zweite Wickellage und die Folgenden problemlos überwickelt werden kann, ohne dass sich eine „Beule“ in der Wicklung ergibt, die nachteilig für den Lagenaufbau wäre.
