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Die Erfindung betrifft einen Spulenkörper.
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Es ist bekannt, den Wickeldraht einer Spule um einen Spulenkörper mit einem Eisenkern zu wickeln, um die magnetische Flussdichte in der Spule zu erhöhen. Dabei umfasst der Spulenkörper typischerweise einen Eisenkern, der aus lackisolierten, zu einem Paket gestapelten Elektroblechen besteht, um auftretende Wirbelströme zu minimieren.
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Zum Wickeln der Spulen des Stators von Hochleistungs-Elektromotoren ist es bekannt, dass ein - typischerweise als Flachdraht ausgebildeter - Wickeldraht auf einen geblechten Einzelzahn gewickelt wird. Ein geblechter Einzelzahn umfasst einen quaderförmigen Hauptkörper, der aus einem Stapel von rechteckigen, lackisolierten Elektroblechen besteht. Dabei ist es erforderlich, die einzelnen Windungen des Wickeldrahts an den stirnseitigen Enden des quaderförmigen Hauptkörpers jeweils um 180° herum zu führen. Hierfür ist es vorteilhaft, eine Rundung bereitzustellen, damit der Wickeldraht nicht geknickt wird. Die einzelnen rechteckigen Elektrobleche des Hauptkörpers können die erforderliche Rundung für die Biegung des Wickeldrahtes allerdings nicht bereitstellen.
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Daher ist es bekannt, dass auf die Enden des geblechten Einzelzahns jeweils ein aus einem Kunststoff bestehender Wickelkopfträger aufgesetzt ist, der die erforderliche Rundung für den Wickeldraht bereitstellt. Im Bereich der Wickelkopfträger besteht der Spulenkörper aus einem Material, das nicht zur magnetischen Flussdichte der Spule beiträgt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spulenkörper zur Verfügung zu stellen, der die Bereitstellung einer Spule mit hoher magnetischer Flussdichte ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Spulenkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach betrachtet die vorliegende Erfindung einen Spulenkörper, der eine Blech-Vorderplatte und eine Blech-Hinterplatte umfasst. Es sind eine Mehrzahl von isolierten Metallstiften vorgesehen, die sich zwischen der Blech-Vorderplatte und der Blech-Hinterplatte erstrecken. Dabei bilden die Metallstifte einen Wickelträger und sind derart angeordnet, dass sie einen ersten abgerundeten Endbereich, einen zweiten abgerundeten Endbereich und einen zwischen den abgerundeten Endbereichen ausgebildeten Mittelbereich des Wickelträgers bilden, wobei ein Wickeldraht um den ersten abgerundeten Endbereich und den zweiten abgerundeten Endbereich herum legbar ist. Die Metallstifte bilden dabei zusammen mit der Blech-Vorderplatte und der Blech-Hinterplatte einen Eisenkern des Spulenkörpers.
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Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Gedanken, den Eisenkern eines Spulenkörpers nicht mehr komplett aus gestapelten Elektroblechen auszubilden, sondern nur noch eine Blech-Vorderplatte und eine Blech-Hinterplatte vorzusehen, zwischen denen Metallstifte angeordnet sind, die den Wickelträger bilden. Die Metallstifte erlauben es dabei, auch die Endbereiche des Wickelträgers, entlang denen der Wickeldraht knickfrei umgelenkt und gebogen wird, durch die Metallstifte auszubilden, so dass der gesamte, von dem Wickeldraht umwickelte Wickelkörper aus Metall besteht. Dementsprechend kann die magnetische Flussdichte einer Spule mit einem erfindungsgemäßen Spulenkörper gegenüber Spulen, bei denen die Endbereiche der Spulenkörper durch Wickelkopfträger aus einem nichtmetallischen Material gebildet sind, erhöht werden. Damit kann insgesamt die Effizienz einer elektrischen Maschine, die Spulen mit erfindungsgemäßen Spulenkörpern einsetzt, erhöht werden.
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Lediglich die Blech-Vorderplatte und die Blech-Hinterplatte, die die äußere Struktur des Spulenkörpers definieren, sind weiterhin als lackisolierte Elektrobleche ausgebildet, wobei - je nach Dicke der Blech-Hinterplatte und der Blech-Vorderplatte - diese aus einem einzelnen Elektroblech oder aus einem Elektroblechpaket mit reduzierter Dicke bestehen können.
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Ein weiterer, mit der Erfindung verbundener Vorteil besteht darin, dass mittels des erfindungsgemäßen Spulenkörpers in einfacher Weise eine Vielzahl verschiedener Spulengeometrien realisierbar ist, wobei lediglich Länge, Anzahl und/oder Anordnung der Metallstifte zu variieren sind. Die Metallstifte können dabei für sämtliche, zu realisierende Spulengeometrien aus dem gleichen Strangpressprofil hergestellt sein.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Metallstifte derart ausgerichtet sind, dass die vorderen Stirnseiten der Metallstifte mit der Blech-Vorderplatte und die hinteren Stirnseiten der Metallstifte mit der Blech-Hinterplatte verbunden sind. Mit anderen Worten erstrecken sich die Metallstifte quer zur Wickelrichtung eines Wickeldrahts, der auf den Spulenkörper gewickelt ist, bzw. stimmt ihre Längserstreckung mit der Richtung des magnetischen Feldes überein, das ein auf den Spulenkörper gewickelter Wickeldraht erzeugt. Diese Ausrichtung der Metallstifte führt zu einer Minimierung von Wirbelströmen in den einzelnen Metallstiften.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Metallstifte im Querschnitt hexagonal ausgebildet sind. Sie sind dementsprechend ohne Hohlräume packbar, so dass der Eisenkern einen hohen Eisen-Füllfaktor aufweist. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Querschnitte der Metallstifte denkbar, beispielsweise ein rechteckiger Querschnitt, der ebenfalls einen hohen Eisen-Füllfaktor ermöglicht.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung bilden die Metallstifte ein Stiftpaket, das eine definierte Umfangsform aufweist. In dem Stiftpaket grenzen die Metallstifte unmittelbar aneinander an. Das Stiftpaket kann vorgefertigt sein und dann als Ganzes mit der Blech-Vorderplatte und der Blech-Hinterplatte verbunden werden. Hierfür ist beispielsweise vorgesehen, dass das Stiftpaket an seinen Stirnseiten, die durch die Stirnseiten der Metallstifte des Stiftpakets gebildet sind, in Aussparungen der Blech-Vorderplatte und der Blech-Hinterplatte befestigt ist.
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Dabei sehen Ausgestaltungen vor, dass das Stiftpaket formschlüssig mit der Blech-Vorderplatte und der Blech-Hinterplatte verbunden ist. Um eine formschlüssige Verbindung bereitzustellen, ist gemäß einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass das Stiftpaket Nuten ausbildet, die der formschlüssigen Verbindung mit der Blech-Vorderplatte und der Blech-Hinterplatte dienen.
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Zur Verbindung der einzelnen Metallstifte des Stiftpakets miteinander sieht eine Ausgestaltung vor, dass die Metallstifte des Stiftpakets miteinander verklebt sind. Hierzu kann vorgesehen sein, dass ein Isolierlack, der jeden Metallstift umgibt, durch Erwärmen angeschmolzen wird, wobei die benachbarten Metallstifte über ihren Isolierlack miteinander verkleben. Alternativ erfolgt eine Verbindung über einen gesonderten Kleber. Des Weiteren kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Metallstifte mit einer Bandage umwickelt sind und hierdurch eine definiertes Stiftpaket bereitgestellt wird.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Metallstifte aus dem gleichen Material wie die Blech-Vorderplatte und die Blech-Hinterplatte bestehen. Hierdurch weist der Eisenkern in sämtlichen Bereichen identische magnetische Eigenschaften auf. In anderen Ausgestaltungen bestehen die Metallstifte aus einem anderen Material als die Blech-Vorderplatte und die Blech-Hinterplatte.
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Der genannte Mittelbereich des Wickelkörpers, an den sich die abgerundeten Endbereiche anschließen, ist beispielsweise im Querschnitt rechteckig ausgebildet. Dabei ist der Wickeldraht um den ersten abgerundeten Endbereich und den zweiten abgerundeten Endbereich unter Ausbildung jeweils einer 180° Umlenkung stetig und ohne Knicken des Wickeldrahts herum legbar. Die abgerundeten Endbereiche des Wickelkörpers sind im Querschnitt beispielsweise halbkreisförmig ausgebildet.
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Der Spulenkörper ist in einer Ausgestaltung als Spulenkörper eines Einzelzahns eines Stators einer elektrischen Maschine ausgebildet ist. Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße Spulenkörper jedoch bei beliebigen Spulen in beliebigem Kontext Einsatz finden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Blech-Vorderplatte und die Blech-Hinterplatte eine unterschiedliche Breite aufweisen können. Dies ermöglicht es, eine Mehrzahl von Einzelzähnen zu einer kreisförmigen Stator-Einheit zusammenzuschließen, wobei die Blech-Hinterplatte eine größere Breite aufweist. Die Blech-Vorderplatte und die Blech-Hinterplatte können zusätzlich eine unterschiedliche Dicke aufweisen.
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In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Spule mit einem erfindungsgemäßen Spulenkörper, wobei ein Wickeldraht um die Metallstifte bzw. den Wickelkörper gewickelt ist und wobei die Metallstifte des Spulenkörpers senkrecht zur Blech-Vorderplatte und zur Blech-Hinterplatte verlaufen.
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Ein weiterer Erfindungsaspekt betrifft einen Stator mit einer Mehrzahl von miteinander verbundenen erfindungsgemäßen Spulenkörpern, wobei die miteinander verbundenen Blech-Vorderplatten der Spulenkörper einen inneren Statorring des Stators bilden und die miteinander verbundenen Blech-Hinterplatten der Spulenkörper einen äußeren Statorring des Stators bilden.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Einzelzahnspule, die eine Spule mit einem Spulenkörper und einem um den Spulenkörper gewickelten Wickeldraht aufweist;
- 2 in schematischer Darstellung den Spulenkörper der Einzelzahnspule der 1 in einer Ansicht von unten entlang des Pfeils A der 1, wobei der Spulenkörper eine Blech-Vorderplatte, eine Blech-Hinterplatte und einen Wickelkörper, der aus einer Mehrzahl von Metallstiften besteht, umfasst;
- 3 eine Schnittansicht des Spulenkörpers der 2 im Bereich der Metallstifte;
- 4 in Querschnittsansicht und Seitenansicht einen Metallstift des Spulenkörpers der 2 und 3; und
- 5 die Blech-Vorderplatte des Spulenkörpers der 2.
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Die 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Einzelzahnspule 100. Die Einzelzahnspule 10 umfasst einen Spulenkörper 10, auf den ein Wickeldraht 5 gewickelt ist. Der Spulenkörper 10 umfasst eine Blech-Vorderplatte 2, eine Blech-Hinterplatte 3 sowie einen in der 1 nicht erkennbaren Wickelträger, der sich zwischen der Blech-Vorderplatte 2 und der Blech-Hinterplatte erstreckt und um den der Wickeldraht 5 gewickelt ist. Zwischen dem Wickelträger und dem Wickeldraht 5 kann dabei ein Isolierpapier 7 angeordnet sein.
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Der Wickeldraht 5 ist durch einen Kupferflachleiter gebildet. Er ist auf den Wickelträger gewickelt und bildet eine Vielzahl von Windungen 50. Die beiden Enden 51, 52 des Wickeldrahts 5 stehen nach oben ab.
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Wie in der 1 dargestellt, weist die Blech-Vorderplatte 2 eine geringere Breite als die Blech-Hinterplatte 3 auf, die jedenfalls in einem mittigen Bereich 31 breiter als die Blech-Vorderplatte 2 ausgebildet ist. Dies erlaubt es, eine Mehrzahl von Spulenkörpern 10 bzw. Einzelzähnen 100 zu einem ringförmig ausgebildeten Stator einer elektrischen Maschine zusammenzusetzen, wobei die miteinander verbundenen Blech-Vorderplatten 2 einen inneren Statorring einen solchen Stators und die miteinander verbundenen Blech-Hinterplatten 3 einen äußeren Statorring eines solchen Stators bilden.
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Es ist in der 1 erkennbar, dass der Wickeldraht 5 Windungen 50 bildet, die jeweils geradlinig verlaufende Abschnitte 53 sowie an ihren Enden abgerundete Abschnitte 54, 55 bilden, in denen sie um 180° um den Wickelträger umgelegt sind. In den abgerundeten Abschnitten 54, 55 ist der Wickeldraht 5 dabei knickfrei und stetig geführt. Um den Wickeldraht 5 bzw. die Windungen 50 in den abgerundeten Abschnitten 54, 55 knickfrei um den Winkelträger herumlegen zu können, muss auch der Wickelträger an seinen Endbereichen entsprechend abgerundet ausgebildet sein. Dies wird durch eine Konstruktion erreicht, bei der der Wickelträger durch eine Mehrzahl von Metallstiften gebildet ist, wie im Folgenden anhand der 2-5 erläutert wird.
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Die 2 zeigt dabei den aus der Blech-Vorderplatte 2, der Blech-Hinterplatte 3 und dem Wickelträger 1 gebildeten Spulenkörper 10 einer Einzelzahnspule 100 gemäß der 1 in schematischer Darstellung, so dass unter anderem die unterschiedliche Ausgestaltung der Blech-Vorderplatte 2 und der Blech-Hinterplatte 3 in der 2 nicht dargestellt ist.
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Die 2 stellt dabei eine Ansicht von unten in Richtung des Pfeils A der 1 auf den Spulenkörper 10 dar. Die 2 stellt somit einen Blick von unten auf die Blech-Vorderplatte 2, die Blech-Hinterplatte 3 und den Wickelträger 1 dar.
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Der Wickelträger 1 wird durch eine Vielzahl von Metallstiften 4 gebildet, die zusammen ein Stiftpaket 40 bilden. Die Metallstifte 4 können aus dem gleichen Material bestehen wie die Blech-Vorderplatte 2 und die Blech-Hinterplatte 3. Die Metallstifte 4 sind dabei derart ausgerichtet, dass sie jeweils senkrecht zur Ebene der Blech-Vorderplatte 2 und der Blech-Hinterplatte 3 ausgerichtet sind und sich zwischen der Blech-Vorderplatte 2 und der Blech-Hinterplatte 3 erstrecken. Dabei sind ihre Stirnseiten 41, 42 in Aussparungen 21, 31 der Blech-Vorderplatte 2 und der Blech-Hinterplatte 3 angeordnet.
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Wie sich aus der Schnittdarstellung der 4 ergibt, sind die einzelnen Metallstifte 4 jeweils im Querschnitt hexagonal bzw. wabenförmigen ausgebildet. Dies ermöglicht es, dass sie ein Stiftpaket 40 bilden, das ohne Lehrräume zwischen den einzelnen Metallstifte 4 auskommt. Die einzelnen Metallstifte 4 sind gegeneinander isoliert und hierzu beispielsweise mit einer Lackisolierung (nicht dargestellt) versehen.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass eine solche Lackisolierung der Metallstifte 4 dazu verwendet wird, die Metallstifte 4 zu dem Stiftpaket 40 und damit zu einem vorgeformten Wickelträger 1 zu formen. So kann vorgesehen sein, dass zu einer Verbindung der Metallstifte 4 miteinander die Lackisolierung angeschmolzen wird, wobei beim Erkalten der Lackisolierung die einzelnen Metallstifte 4 automatisch miteinander verkleben. Diese Art der Verbindung der Metallstifte 4 ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen. In anderen Ausführungsvarianten werden die Metallstifte 4 mittels eines gesonderten Klebstoffs miteinander verklebt oder sind die Metallstifte 4 mit einer nicht dargestellten Bandage beispielsweise aus einer Glashülse oder einer Kohlefaserhülse umgeben.
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Die Befestigung des Stiftpakets 4 bzw. des Wickelträgers 1 an der Blech-Vorderplatte 2 und der Blech-Hinterplatte 3 erfolgt über eine formschlüssige Verbindung. In der 2 ist diese formschlüssige Verbindung beispielhaft derart ausgebildet, dass in dem Stiftpaket 40 angrenzend an die stirnseitigen Enden 401, 402 Nuten 403 ausgebildet sind, in die Fixierelemente 6 eingreifen. Dies wird ergänzend im Hinblick auf die 5 erläutert, die einen Schnitt durch die Blech-Vorderplatte 2 ohne die Metallstifte 4 zeigt. Danach umfasst die Blech-Vorderplatte 2 die bereits erwähnte Aussparung 21 zur Aufnahme der unteren Stirnseiten 41 der Metallstifte 4. Die Aussparung 21 bildet dabei einen Hinterschnitt 22 aus. Dieser dient der Aufnahme der Fixierelemente 6, die jeweils in eine Nut 403 des Stiftpakets 40 zu dessen formschlüssiger Fixierung ragen. In entsprechender Weise ist die Blech-Hinterplatte 3 ausgebildet und ist das Stiftpaket 4 mit der Blech-Hinterplatte 3 verbunden
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Die dargestellte Art der Verbindung zwischen dem Stiftpaket 40 und der Blech-Vorderplatte 2 bzw. Blech-Hinterplatte 3 ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen. Andere Arten des Formschlusses oder ein Kraftschluss oder ein Formschluss zum Beispiel durch Kleben können alternativ vorgesehen sein.
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Die 2 zeigt auch schematisch eine Windung 50 des Wickeldrahts 5. Es ist erkennbar, dass die Metallstifte 4 im Wesentlichen senkrecht zur Wickelrichtung ausgerichtet sind.
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Die Blech-Vorderplatte 2 und die Blech-Hinterplatte 3 bestehen beispielsweise aus einem einzelnen Elektroblech oder einer geringen Anzahl von gestapelten Elektroblechen.
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Das Bilden des Wickelträgers 1 durch eine Mehrzahl von Metallstiften 4 ermöglicht ist, dem Wickelträger 1 eine Form zu geben, die abgerundete Endbereiche ausbildet. Abgerundete Endbereiche des Wickelträgers 1 sind dabei erforderlich, um eine Wickelbasis für die abgerundeten Abschnitte 54, 55 des Wickeldrahts 5 gemäß der 1 bereitzustellen. Die abgerundeten Endbereiche des Wickelträgers 1 sind in der Darstellung der 2 nicht erkennbar, ergeben sich jedoch aus der Schnittdarstellung der 3. Die Ansicht von links auf die Schnittdarstellung der 3 ergibt dabei wiederum die Ansicht der 2.
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Die 3 zeigt einen Schnitt durch den Wickelträger 1 der 2 bzw. einen Schnitt durch den nicht sichtbaren, da durch den Wickeldraht 5 verdeckten Wickelträger der 1. Dabei bildet der Wickelträger 1 mittels der Metallstifte 4 einen ersten abgerundeten Endbereich 11, einen zweiten abgerundeten Endbereich 12 sowie einen zwischen den abgerundeten Endbereichen 11, 12 ausgebildeten, im Querschnitt rechteckigen Mittelbereich 13 aus. Zusammen bilden die Metallstifte 4 dabei, wie in Bezug auf die 2 erläutert, ein Stiftpaket 40, das den Wickelträger 1 bildet.
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Um den abgerundeten ersten Endbereich 11 der 3 ist in der 1 der abgerundete Abschnitt 54 des Wickeldrahts 5 gewickelt bzw. bogenförmig herumgelegt. Der erste Endbereich 11 ist somit der untere Endbereich in der Darstellung der 1. Um den abgerundeten zweiten Endbereich 12 ist in der 1 der abgerundete Abschnitt 55 des Wickeldrahts 5 gewickelt bzw. bogenförmig herum gelegt. Der zweite Endbereich 12 ist somit der obere Endbereich in der Darstellung der 1.
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Durch die Bereitstellung auch der gebogenen Endbereiche 11, 12 des Wickelträgers 1 durch die Metallstifte 4 sind auch die Endbereiche 11, 12 des Wickelträgers 1 mit einem metallischen Material gefüllt, so dass der Wickelträger 1 zusammen mit der Blech-Vorderplatte 2 und der Blech-Hinterplatte 3 einen Eisenkern mit hoher magnetischer Flussdichte bereitstellt.
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Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
