DE1812730A1

DE1812730A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE1812730A1
Application number: DE19681812730
Authority: DE
Inventors: Davies Evan John
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1967-12-05
Filing date: 1968-12-04
Publication date: 1969-07-10
Also published as: FR1594054A; GB1247344A; US3529192A

Description

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Augsburg, den 3ο Dezember 1968

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74- Victoria Street, London S.v7.1, England

Elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft dynamoelektrische Haschinen und findet insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf große Generatoren Anwendung.

Bei dynamoelektrischen Maschinen ist im allgemeinen die Ankerwicklung in Nuten angeordnet, welche in der Nachbarschaft des Luftspaltes am Stator- oder Rotorurifang verteilt sind. Bei großen Generatoren ist die magnetische Induktion in den zwischen den Nuten gelegenen Zähnen außerordentlich hoch und stellt einen

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begrenzenden Faktor für die Größe des in der Maschine nutzbaren Flusses und außerdem eine quelle holier Sis enve rl liste dar_ö Ein quer zur Hut verlaufender Streufluß erzeugt beträchtliche, in radialer Sichtung auf die Leiter wirkende Kräfte, welche durch eine Verkeilung der Leiter aufgenommen werden müssen, während ein Streuen des Hauptflusses längs der Nut in radialer Richtung zusätzliche Verluste und Kräfte in Umfangsrichtung verursacht* Weiter wird ein beachtlicher Teil des Querschnitts der Hut für die Isolation des Leiterkupfers gegenüber dem aktiven Eisen benötigt, so daß der Füllfaktor in der Nut ziemlich niedrig ist.

Um nun das Auftreten von durch, die Nuten und Zähne verursachten Verlusten zu verhindern, hat man bereits vorgesehlageη, einen nutlosen Anker zu verwenden und die Ankerwicklung im Luftspalt zwischen Ständer und Läufer anzuordnen.

Diese Konstruktion macht Nuten und Zähne entbehrlich und ist besonders für- große Generatoren geeignet _i bei welchen die Größe des Luftspaltes im Bereich von 100 mm und darüber liegt, so daß genügend Raum für die Ankerwicklung und die notwendige Isolation zur Verfügung steht» Die Ankerwicklung kann entweder am Innenunifang des Ständers "befestigt werden oder es können auch. Maschinen umgekehrter Konstruktion Anwendung finden, bei welchen die Ankerwicklung an dem Läufer befestigt ist„

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Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ie im Luftspalt solcher elektrischer Maschinen untergebrachte Ankerwicklung so zu gestalten, daß eine noch bessere Ausnutzung der Vorteile der an sich bekannten nutfreien Anordnung möglich wird.

Bei einer elektrischen Maschine mit nutlosem Anker und im Luftspalt angeordneter, mehrphasiger Ankerwicklung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ankerwicklung konzentrisch gewickelt ist.

Bei Maschinen mit in Nuten untergebrachten T/icklungen hat man bisher im allgemeinen keine konzentrisch gewickelten Wicklungen verwendet, da im Bereich der' Wickelköpfe eine beträchtliche Dicke der Wicklung in radialer Richtung erforderlich ist, um sämtliche Wickelköpfe der verschiedenen Phasen unterbringen zu können und außerdem war es nicht möglich, konzentrische "Wicklungen zu sehnen. Aufgrund der nutlosen Anordnung ist es jedoch nunmehr möglich, die radiale Dicke der Wickelkopfbereiche zu verringern und dadurch die Vorteile einer konzentrischen Wicklung auszunützen, welche im wesentlichen darin bestehen, daß der Axialabstand der Wickelköpfe gegenüber gebräuchlichen Zwe!schichtenwicklungeη bedeutend verringert wird.

Bei dreiphasigen Ankerwicklungen wird die Verringerung der Wicklungsdicke in radialer Richtung erfindungsgemäß dadurch

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erreicht, daß eine der Phasenwicklungen in zwei Teile aufgespalten ist, welche im Wickelkopfbereich.jeweils in unterschiedlichen, mit radialem Abstand voneinander angeordneten Hüllflächenbereichen gelegen sind, während die übrigen Phasenwicklungen jeweils einzelne Hüllflächenbereiche einnehmen, die zwischen diesem mit radialem Abstand voneinander aufweisenden Hüllflächenbereichen der beiden Teile der einen Phasenwicklung angeordnet sind« Diese Anordnung ermöglicht es, den Durchmesser der Wicklung im Wickelkopfbereich im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Wicklung im aktiven Bereich des Ständers zu machen, so daß eine vorgefertigte Ankerwicklung in die Ständerbohrung eingeschoben werden kann«,

Die nutlose Konstruktion kann mit Torteil nach der Erfindung auch so ausgebildet werden, daß man eine konzentrische, gesehnte Wicklung erhält und dies wird dadurch erreicht, daß die genannte, in zwei Teile aufgespaltene Wicklung im Bereich des aktiven Eisens des Ankers sowohl in Umfangsrichtung als auch in Radialrichtung voneinander getrennte Räume einnimmt« Die übrigen Phasenwicklungen nehmen im aktiven Änkerbereich dann jeweils im Querschnitt T-förmige Räume ein_$ die mit Bezug aufeinander jeweils umgekehrt und ineinandergreifend zwischen den "beiden Teilen der einen Phasenwicklung angeordnet sind₀

Es sei darauf hingewiesen, daß bei sämtlichen,, oben kurz beschriebenen Anordnungen nur um jede vollständige Phasen-

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wicklung herum eine Isolationsphase gegen Erde notwendig ist, während um jeden einzelnen Leiter herum eine solche Isolation im Gegensatz zu bisher verwendeten Anordnungen mit in Nuten gelegenen Wicklungen nicht notwendig ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig« 1 einen schematischen Axial-Längsschnitt durch eine elektrische Maschine nach der Erfindung,

Ja¹Ig· 2a verschiedene mögliche Anordnungen von in elektri-

bis 2d

sehen Maschinen nach der Erfindung zu verwendenden Wicklungen,

Fig. 3 einen 'Querschnitt durch sämtliche Wicklungen längs einer Radialebene,

Fig. ¹Va Abbildungen der Phasenwicklungen bzw. von

bis 4d

Teilen von Phasenwicklungen jeweils in gesonderter Darstellung, und

Fig. 5a jeweils aufeinanderfolgende Phasen des Zu-

bis 5c

sammenbaues der in Fig« 3 dargestellten Gesamtwicklung.

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In .Figo "1 der Zeichnungen ist eine dynamoelektrische Maschine dargestellt, welche einen Läufer "i SHt]IaIt₁ welcher irgendeiner geeigneten Bauart angehören kann* Außerdem ist ein Ständer 2 vorgesehen, der aus magnetisierbaren Blechen aufgebaut ist, jedoch, an seinem. Innemunfang keine etwa für die aufnahme von 7/icklungen bestimmte Muten aufweist₀ Abi Innenumfang des Ständers!; ist eine aus Zupfer oder einem anderen geeigneten Leitermaterial₃ beispielsweise aus Aluminium, bestehende Wicklung 3 befestigt.. Ferner ist eine Isolationsschicht M zur elektrischen Trennung des Leitermaterials vom Ständer vorgesehen, 'welch letzterer sich auf Erdpotential befindet. Eine verhältnismäßig dünne, aus Isolationswerkstoff bestehende Röhre 5 ist am Innenumfang der Wicklung befestigt und schließlich ist zwischen der Kantelfläche des Läufers 1 und der Isolationsröhre 5 noch ein entsprechender Luftspalt 6 vorgesehenj welcher ein ausreichendes mechanisches Spiel und die erforderliche magnetische Stabilität sicherstellte Die Isolationsröhre 5 kann über die Wicklung hinaus verlängert und am Stäiidergeliäuse befestigt sein_;, so d?.fi sich eine Trennung des Stäaderbereichas von: Lauferbersieh erzielen IaBt₃ In diesen beiden Bereichen können dann unterschiedliehe Drücke aufrechterhalten werden«

Es sei darauf MngsTtLaseiij daß die "icklung 3 so befestigt sein eü£ _s daß sie das gesamte Drehmoment der !Maschine aufnehmen kar_n·, Dieses I'PehinoEisnt hat zwar beispielsweise bei großen Generatoren einen sehr großes. ¥srt_s doch ist die jeweilige Kraft pro

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Flächeneinheit nicht sehr groß und die entstehenden Scherr Innungen liegen durchaus innerhalb der Werte, die mit bekannten Verbindungswerkstoffen aufgenommen werden können. Die Innenfläche des Ständers kann mit einer Nutung versehen sein, die zur Aufnahme des Drehmomentes der Maschine dient. Im allgemeinen ist axe Wicklung 3 eine mehrphasige Wicklung und die einzelnen Leiter müssen ausreichend fest aneinander gebunden sein, um den zwischen den Phasen wirksamen Kräften standzuhalten, was beispielsweise durch verstärkte Harze erreicht wird.

Es läßt sich zeigen, daß der magnetische Luftspalt, welcher bei großen Maschinen zwischen dem Läufer 1 und dem Ständer 2 vorzusehen ist, genügend Raum für die Unterbringung der Wicklung 5 und der notwendigen Isolation bietet, wobei immer noch ein ausreichend großer freibleibender Luftspalt 6 übrigbleibt. Darüberhinaus braucht die Hauptisolation nur um jede Phasenwicklung herum vorgesehen und nicht, wie dies bei in Nuten untergebrachten Wicklungen der Fall ist, um jede kleine Leitergruppe herum gebildet zu sein.

Die Wicklung 3 ist eine konzentrische V/icklung. Fig. 2a zeigt ein Beispiel einer solchen V/icklung, und zwar die Phasenstränge einer dreiphasigen Wicklung mit den Phasen A, B und C, welche jeweils über einen Sektor von 60 verteilt sind. Die Wicklungen überspannen jeweils weniger als die volle Polteilung und jeder Phasenstrang nimmt im Querschnitt einen im wesentlichen parallelogrammförmigen Rau mein. Zweckmäßig sind die Ecken der Parallelogramme abgeschnitten, wie in Fig. 2a durch ge-

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strichelte Linien angedeutet ist. Anstelle der Wicklungsform gemäß Figo 2a kann auch eine Wicklung nach FIg₀ 2b verwendet werden, bei welcher die Phasenstränge im Querschnitt trapezförmige Gestalt besitzen. Auch hier können gegebenenfalls die Ecken abgeschnitten sein. Obwohl die Wicklungen nach Fig.2a und 2b der Zeichnungen konzentrisch gewickelte, einschichtige Wicklungen sind, haben sie doch den Vorteil einer gesehnten Ausführung.

Die Grenzen zwischen den verschiedenen Phasensträngen der in Figo 2a und Fig. 2b gezeigten Wicklungen können praktisch auch abgesetzt ausgeführt werden, wie in Fig. 2c der Zeichnungen dargestellt ist. Sine weitere, besonders vorteilhafte Ausführungsform der Wicklung ist jedoch in Fig. 2d der Zeichnungen dargestellt. Man sieht, daß die Gestalt des Phasenstranges der Phase A der abgesetzten Wicklungsform nach Figo 2c entspricht, während die Phasenstränge der Phasen B und G im Querschnitt T-förmige Gestalt haben und damit sich der Trapezform der Wicklung nach Fig« 2b annähern,, Elektrisch sind beide Formen einander gleichwertig. Man sieht ferner, daß die verschiedenen Phasenstränge ineinandergreifen, während die Phasenstränge jeder Phase in beiden Richtungen (d.h. A und -A, B und -B, C und -G) jeweils identische Gestalt haben, so daß sich keine Schwierigkeiten beim Überkreuzen der Leiter im 7/ickelkopfbereich ergeben. Die Wicklung nach Fig. 2d weist eine Sehnung von 3/6 der Polteilung auf, doch kann die Sehnung durch Veränderung der Dicke des Längsteiles der T-Querschnittsform verändert werden.

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ÖAO ORlQtNAL

Wenn bisher die Wicklungen im Wickelkopfbereich konzentrisch ausgeführt werden sollten, so mußte die Gesamtdicke der Wickelköpfe in radialer Richtung das Dreifache der Dicke jeder Phasenwicklung im aktiven Eisenbereich sein. Wie nachfolgend noch beschrieben und genauer dargestellt werden wird, ermöglicht die Anordnung der Phasenstränge nach Fig. 2d eine beträchtliche Verringerung der Wicklungsdicke der Wickelköpfe, wodurch sich eine konzentrische Anordnung der Wicklung im Wickelkopfbereich überhaupt erst praktisch verwerten läßt.

Die in Pig. 2d schematisch in Abwicklung wiedergegebene Anordnung der Phasenstränge läßt sich genauer aus Fig. 3 der Zeichnungen entnehmen, welche einen Querschnitt längs einer Radialebene durch den im aktiven Ankerbereich gelegenen Teil der Ankerwicklung wiedergibt. Wie aus dieser Darstellung zu erkennen ist, ist die Phasenwicklung der Phase A in zwei Teile aufgespalten, von denen jeder auf einem anderen mittleren Radius bzw. Hüllflächenbereich gelegen ist, während auch jeder Wicklungsteil in jedem Hüllflächenbereich seinerseits in zwei Teile unterteilt ist. Der aus dem inneren Radius gelegene Wicklungsteil enthält demgemäß die Unterabschnitte Al und A2 und der auf dem äußeren Radius bzw. Hüllflächenbereich gelegene Wicklungsteil enthält die Unterabschnitte A^ und A4. Die verbleibenden, im Querschnitt T-förmigen Phasenwicklungen der Phasen B und C sind durch Radiallinien in je zwei Teilstränge Bl und B2·

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bzw» 01 und 02 aufgespaltene Die Unterabschnitte A1 und A2 der Phasenwicklung A haben eine Form, welche genauer aus Fig.' ersichtlich ist, in welcher diese Teile der Phasenwicklung A perspektivisch wiedergegeben sind. Man sieht, daß die beiden Teilstränge A1 und A2 im Wickelkopfbereich jeweils in entgegengesetzten Richtungen abgebogen sind und dann zu dem, dem Strang A gegenüberliegenden Strang -A zurückkehren, so daß sich eine konzentrische Wicklung ergibt. Die Phasenwicklung C mit den beiden Teilsträngen 01 und 02 ist in Fig. 4b gesondert herausgezeichnet. Die Teilstränge enthalten jeweils eine Hälfte des Querbalkens und eine Hälfte des Schaftes der T-^uerschnittsform. Im Wickelkopfbereich liegt die gesamte Phasenwicklung C in einem Raum, welcher durch die radiale Dicke allein des Querbalkens der T-Querschnittsform bestimmt ist, während der dem Schaft der T-Querschnittsform entsprechende Wieklungsteil entweder bereits im Wickelkopfbereich oder unmittelbar davor so geführt und umgelenkt ist, daß er in derselben Ebene wie der übrige Wicklungsteil liegt. Diese Verschiedenheit der 7/icklungshöhe des Schaftes der T-Querschnittsform der Wicklung ist in Fig. 4b genauer bei 11 gezeigt.

Die Phasenwicklung B hat ebenfalls T-förmige Gestalt, ist jedoch mit Bezug auf den von der Phasenwicklung C eingenommenen Quer schnitt sr aum umgekehrt· angeordnet, -"-uch die Phasenwicklung B ist durch eine durch die Mitte gehende Radiallinie in zwei

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Teil stränge B1 und B2 aufgespalten, die im Wickelkopfbereich, v/ie aus Fig. 4c zu ersehen ist, jeweils in entgegengesetzte Richtungen gebogen sind, so daß sich wieder eine konzentrische .Vicklung ergibt. Bei der Phasenwicklung B sind die dem Schaft de¹¹ T-Querschnittsform entsprechenden Teile, wie bei 12 angedeutet, nach auswärts geführt, so daß sie im Wickelkopfbereich in derselben Hüllfläche liegen, wieder Querbalken des T-juerschnittes,

3chlief:'lieh enthält der andere Teil der Phasenwicklung A die Teilstränge A3 und A4, welche genau so ausgebildet sind, wie der aus den Teilsträngen A1 und A2 aufgebaute Teil der Phasenwicklung, jedoch mit der Ausnahme, daß die Wickelkopfe der Teilstränge A3 und A4 in einer radialen Höhe liegen, welche einen bestimmten Radialabstand von den Hüllflächen hat, die von den Wickelköpfen der Teilstränge A1 und A2 eingenommen werden.

Zwischen den beiden jeweils einen bestimmten Radialbereich bestimmenden Hüllflächen, die einerseits von den Wicklungsteilen A1 und A2 und andererseits von den Wicklungsteilen A3 und A4 eingenommen werden, liegen die Wickelköpfe der Phasenwicklungen B und G. Dieses Ineinanderschachteln der Wickelköpfe ist in dem schrittweisen Aufbau gemäß der Figurenfolge 5a bis 5c wiedergegeben. Demgemäß zeigt Fig. 5a die Teilstränge A1 und A2 der Phasenwicklung A zusammen mit der gesamten Phasen-

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Al

Wicklung G und man sieht, daß die Wickelköpfe der Teilstränge A1 und A2 innerhalb des Wickelraumes liegen, der von C en Wickelköpfen der Phasenwicklung G eingenommen wird. Fig. 5b zeigt dann den Zustand, welcher durch Hinzugabe der Phasenwicklung B zu den bereis in Fig. 5a gezeigten Wicklungen erreicht wird_e Die Phasenwicklung B liegt in dem Wickelkopfbereich auf einer radialen Höhe bzw. auf einer Hüllfläche, die außerhalb des von der Phasenwicklung G eingenommenen Hüllflächenbereiches gelegen ist. Schließlich ist in Figo 5c eine Abbildung wiedergegeben, in welcher sämtliche drei Phasenwicklungen zusammengesetzt sindo Der Querschnitt dieser Anordnung im aktiven Ständerbereich ist identisch mit dem in Fig. 3 der Zeichnungen gezeigten Querschnitt. Man sieht, daß bei der Darstellung nach Figo 5c die Teilstränge A3 und A4 hinzugefügt worden sind, welche im Wickelkopfbereich radial außerhalb des von der Phasenwicklung B eingenommenen Raumes liegen.

Die Teilstränge A1 und A2 der Phasenwicklung A, die gesamte Phasenwicklung G, die gesamte Phasenwicklung B und die Teilsträne-e A3 und A4- der Phasenwicklung A im Wickelkopfbereich liegen also jeweils in Hüllflächenbereichen mit jeweils unterschiedlichem Radius und jeder dieser Hüllflächenbereiche weist jeweils eine Dicke auf, die halb so groß wie die Dicke der betreffenden Wicklung im aktiven Ankerbereich ist. Die Gesamtdicke der Wicklung im Bereich der Wickelköpfe ist daher nur

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zweimal so groß wie die Dicke der Wicklung im aktiven Ankerbereich, im Gegensatz zur dreifachen Dicke dieses Teiles der Wicklung bei in bekannter Weise konstruierten konzentrischen Wicklungen.

Anstelle der beschriebenen Konstruktion der Wickelköpfe können diese auch in anderer V/eise ausgebildet werden und es kann bei jeder Wickelkopfkonstruktion zweckmäßig sein, den in der Ständerbohrung verlaufenden Teil und einen Wickelkopfteil vorzufertigen und die Wicklung dann in die Maschine einzusetzen, wonach der andere Teil der Wickelköpfe im eingebauten Zustand hergestellt wird. Die Wicklungen können jedoch auch vollständig vorgefertigt werden, so daß jeweils eine Wicklung mit fertigen Wickelköpfen und den aktiven Leitern durch die Ständerbohrung geschoben werden kann. Da jeweils nur ein Wickelkopf durch die Ständerbohrung hindurchgeschoben werden muß, kann der andere Wickelkopf jeweils so ausgebildet sein, daß Kühlrohre und dergl. angebracht werden können. Damit ist die Möglichkeit vorgefertigter Ständerwicklungen geschaffen, welche sowohl bei der Herstellung als auch bei späteren Reparaturen eingesetzt werden können, so daß Ersatzwicklungen in Reserve gehalten werden können. Jeder Phasenstrang oder Teile davon können getrennt hergestellt und an der Innenfläche des Ständers befestigt werden.

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Ist eine Kühlung mittels Gas oaer Flüssigkeit erforderlich, so kann ohne Schwierigkeiten ein entsprechendes Kühlsystem geschaffen werden, indem beispielsweise in die Wicklungen dünne Röhren eingebaut werden oder indem Künlröhren am Innenumfang und am Außenumfang der Wicklung angeordnet werden oder indem Kühlröhren in die Phasenstränge miteingegossen werden. Auch können Kühlleitungen zwischen dem Ständer und der gegen Erde wirksamen Hauptisolation 4 angeordnet sein.

Anstelle der bei den oben beschriebenen Wicklungen gezeigten und vorgeschlagenen Überlappung der Phasenstränge gibt es noch eine weitere Möglichkeit zur Erzielung einer Sehnung bei einschichtigen konzentrischen Wicklungen, welche darin besteht, die betreffende Wicklung im aktiven Bereich der Leiter zu schrägen.

Da am Ständer keine Zänne mehr benötigt werden, ergibt sich, daß der Außendurchmesser des Ständers bedeutend verringert werden kann, und da das Joch einen im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden magnetischen Fluß führt, ist es jetzt möglich, kornorientierten Stahl bzw. Bleche mit in geeigneter Weise orientierter Textur vorteilhaft einzusetzen.

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Claims

Patentansprüche

1. Elektrische Maschine mit nutlosem Anker und im Luftspalt angeordneter, mehrphasiger Ankerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung (3) konzentrisch gewickelt ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 mit dreiphasiger Ankerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Phasenwicklungen (A, B, G) in zwei Teile (A,,, A₂; A₇, A^) aufgespalten ist, welche im Wickelkopfbereich jeweils in unterschiedlichen, mit radialem Abstand voneinander angeordneten Hüllflächenbereichen gelegen sind, während die übrigen Phasenwicklungen (B, C) jeweils einzelne Hüllflachenbereiche einnehmen, die zwischen diesen, mit radialem Abstand voneinander angeordneten Hüllflächenbereichen der beiden Teile der einen Phasenwicklung angeordnet sind.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (A,,, A₂; A,» A^) der einen Phasenwicklung (A) im aktiven Ankerbereich (1, 2) sowohl in Umfangsrichtung als auch in Radialrichtung voneinander getrennte Räume einnehmen.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurchgpkenn-

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zeichnet, daß die übrigen Phasenwicklungen (B, C) im aktiven Ankerbereich jeweils im Querschnitt T-förmige Räume einnehmen, die mit Bezug aufeinander jeweils umgekehrt und ineinandergreifend zwischen den beiden Teilen der einen Phasenwicklung angeordnet sind.

5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation zwischen den Wicklungsphasen (A, B, C) ausschließlich von einer einzigen, diese Wicklungsphasen umgebenden Isolation gebildet ist.

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