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Die Erfindung betrifft eine Drehfeldmaschine mit Luftspaltwicklung für hohe Drehgeschwindigkeiten, insbesondere einen Hochgeschwindigkeitsmotor mit Luftspaltwicklung.
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Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Elektromotoren mit unterschiedlichster Ausführung von Ständern und Ständerpaketen mit Wicklungen bekannt. So ist z. B. bei bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) die sogenannte Luftspaltwicklung mit freitragenden Wickelkörpern bekannt.
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Typischerweise wird die Wicklung für einen derartigen Wickelkörper zuerst auf einen Dorn aufgebracht, welcher die Spulen während des Wickelvorgangs trägt und in Position hält. Dann wird die typischerweise aus Backlackdraht bestehende Wicklung durch Erhitzen und Verpressen in ihre endgültige Form gebracht, welche der Wickelkörper nach dem Erhitzen beibehält. Anschließend wird der Wickelkörper vom Dorn entformt und kann weiter verarbeitet werden.
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Häufig werden bei den Spulen auch sogenannte segmentierte Statorspulen eingesetzt. Diese finden Verwendung, wenn zu den Anforderungen des hohen Füllfaktors und der damit verbundenen orthozyklischen Wicklung noch eine hohe Windungszahl gefordert ist. Sie können vorzugsweise mit der Flyer-Wickeltechnik als auch mit der Linearwickeltechnik verarbeitet werden.
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Typische Ausführungen sind T-Segmente und gesteckte Spulen. Gesteckte Zahnspulen kommen häufig bei einem sternförmigen Statordesign zum Einsatz, bei dem nach der Montage der Spulen ein Joch montiert wird. Innen genutete Vollblechschnitte lassen sich ebenfalls mit gesteckten Zahnspulen versehen. Alternativ werden Polketten verwendet, die die Vorteile der niedrigen Kontaktzahl des nadelbewickelten Vollblechschnittes mit den Füllfaktor-Vorteilen des linearbewickelten Einzelzahnes kombinieren.
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Bei einer dreisträngigen, zweipoligen Wicklung eines BLDC-Motors werden bei der Herstellung drei separate Litzen verarbeitet, was die Handhabung sehr aufwändig macht und eine Automatisierung nur mit einem nicht zu rechtfertigenden Aufwand möglich ist. Üblicherweise sind die Wickelkörper derartiger BLDC-Motoren mit Luftspaltwicklung von Hand gefertigt. Aus diesem Grund werden derartige BLDC-Motoren mit Luftspaltwicklung nur für Anwendungen eingesetzt, die nur kleine Stückzahlen erfordern.
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Kleine permanentmagneterregte (PM) Synchronmotoren kommen zunehmend bei hochtourigen Antrieben zum Einsatz. Es handelt sich hier zum Beispiel um hochtourige Kompressor-, Schrauber- oder Textilspindelantriebe. Wegen der hohen Stückzahlen unterliegen diese Antriebe einem hohen Kostendruck. Ziel ist es daher ein Motorkonzept zu entwickeln, das eine möglichst einfache und automatisierfähige Fertigungstechnik ermöglicht.
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Wegen der hohen Drehzahlen ist eine schlanke „Trommelläuferbauform” wünschenswert, wobei neben den Dauermagneten der Ständer wesentlich die Kosten solcher Antriebe beeinflusst.
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Aktuell wird das Ständeraktivteil mit einem Ständerblechpaket ausgeführt, das aus gestanzten Blechen gestapelt und zum Beispiel durch Backlackverklebung paketiert wird. Alternativ dazu ist es auch möglich, Stanzprozess und Paketierung in Form einer so genannten Stanzpaketierung zu kombinieren. Anschließend wird das Ständerblechpaket mit einer Drehfeldwicklung bewickelt, geschaltet und imprägniert. Bei dieser Ausführung liegt die Drehfeldwicklung in den Nuten des Ständerblechpakets und kann als verteilte Wicklung oder als Zahnspulenwicklung ausgeführt sein. Nachteilig ist allerdings die große Menge an Stanzabfall, da die Blechpakete in der Regel aus gestanzten Blechen gebildet werden.
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Bei PM Synchronmotoren mit Luftspaltwicklung besteht das Ständerblechpaket lediglich aus einem Ständerjoch und die Drehfeldwicklung liegt als feinverteilte Wicklung direkt zwischen Ständerjoch und Läufer im Luftspalt. Damit dabei kein über das Ständerjoch hinausragender Wickelkopf entsteht, wird die Luftspaltwicklung als so genannte Schrägwicklung ausgeführt. Es bestehen hierfür unterschiedliche Wicklungsvarianten.
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Nachteilig bei solchen Schrägwicklungen ist der Umstand, dass das Wicklungsvolumen allerdings nur teilweise an der Drehmomentbildung beteiligt und der daraus resultierende Grundfeld-Wicklungsfaktor in der Größenordnung zwischen 50 und 60% liegt.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, sind im Stand der Technik ungeschrägte Mehrschichtwicklungen bekannt, bei denen der Wicklungsaufbau mit Überlappungsbereichen der Stränge im Wickelkopfbereich einhergeht sowie entsprechenden Jochpaket-Überständen. Nachteilig ist hierbei, dass eine kostenintensive und aufwändige Phasenisolierung notwendig wird.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung vorbesagte Nachteile zu überwinden und ein Ständeraktivteil für einen Hochgeschwindigkeits-Elektromotor, vorzugsweise eine permanentmagneterregte Synchronmaschine vorzusehen, welches einfach und kostengünstig zu montieren ist sowie ein verbessertes und kostengünstiges System zum Verfahren zum Herstellen eines Ständeraktivteils.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 sowie einem System zum Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst.
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Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe wird vorgeschlagen, ein Ständeraktivteil des PM Synchronmotors aus einem Joch, das im Inneren die Luftspaltwicklung trägt, bereit zu stellen, wobei das Joch vorzugsweise aus gesintertem SMC-Werkstoff besteht sowie einem spezifisch geformten Spulenträger, in dessen hohlzylinderförmigen Innenraum ein Rotor antriebswirksam anbringbar ist.
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Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass die vorzugsweise 3-strängige Luftspaltwicklung ohne Überlappung im Wickelkopfbereich realisiert ist, indem eine feinverteilte Wicklung in Analogie zur Zahnspulentechnik ausgeführt ist.
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Die Luftspaltwicklung in der erfindungsgemäßen Form wird bevorzugt ungeschrägt in das Jochpaket eingebracht und weist im Wickelkopfbereich keine Phasenüberlappungen auf, so dass ein vergleichsweise einfaches Isoliersystem verwendet werden kann. Je nach Ausführungsform können für jeden Strang zwei feinverteilte Spulen verwendet werden.
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In einer allgemeinen Ausführung der Erfindung besteht der Ständer aus N Spulen, womit pro Strang beim 3-strängigen Ständer N/3 Spulen verwendet werden, vorliegend jeweils feinverteilte Spulen. Bei beispielsweise N = 6 würden zwei feinverteilte Spulen pro Strang verwendet werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand des zuvor genannten Beispiels mit N = 6 und damit N/3 = 2 feinverteilten Spulen als Spulenpaar näher erläutert, wobei die Erfindung auf andere Spulenanzahlen, so z. B. bei der 3-strängigen Variante auf N = 3, 6, 9, 12, ... Spulen anwendbar ist.
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Erfindungsgemäß wird demnach ein Ständeraktivteil für einen Hochgeschwindigkeits-Elektromotor, vorzugsweise eine permanenterregte Synchronmaschine bestehend aus einem hohlzylinderförmigen, einen Innenmantel aufweisendem Joch mit einem Aufnahmeraum vorgesehen, in dem ein zylinderförmiger Spulenträger eingeschoben ist, wobei der Spulenträger einstückig oder mehrstückig aus einer Mehrzahl von Spulenhalterungen gebildet wird.
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Jede Spulenhalterung ist aus einem ersten und einem zweiten kreisbogenförmigen Teilzylindermantelsegment gebildet, welche jeweils über einen dazwischenliegenden Stegabschnitt einstückig miteinander verbunden sind.
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Die ersten (innenliegenden) Teilzylindermantelsegmente bilden einen umfangsgeschlossenen hohlzylinderförmigen inneren Rohrabschnitt zur Aufnahme eines Rotors aus.
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In dieser Anordnung spannen die zweiten kreisbogenförmigen Teilzylindermantelsegmente, über den Stegabschnitt mit den ersten Teilzylindermantelsegmenten Rohrabschnitte auf, wobei zwischen je zwei unmittelbar nebeneinander angeordneten Teilzylindermantelsegmenten ein Spalt ausgebildet ist. Die Ausbildung des Spaltes wird dadurch realisiert, dass die zweiten kreisbogenförmigen Teilzylindermantelsegmente in einer Breite ausgebildet sind, dass diese keinen vollständig umfangsgeschlossenen Rohrabschnitt ausbilden, sondern ein offener Spalt in Längsrichtung jeweils zwischen den sich gegenüberliegenden Kanten der Teilzylindermantelsegmente vorhanden ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Spulenträger einstückig aus der Mehrzahl der Spulenhalterungen gebildet ist.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Spulenträger mehrteilig aus der Mehrzahl der Spulenhalterungen zu einem zylinderförmigen Spulenträger zusammengesetzt ist, wobei die einzelnen Spulenhalterungen mit Vorteil alle die gleiche Form aufweisen. Das Zusammenfügen der einzelnen Spulenhalterungen zu einem zylinderförmigen Spulenträger kann dabei über herkömmliche Verbindungen erfolgen, wie z. B. einer Nut-Feder oder Schwalbenschwanzverbindung.
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Der erste Rohrabschnitt des Spulenträgers bildet mit Vorteil einen inneren Rohrabschnitt mit dem Außenradius R1 aus und der zweite geschlitzte Rohrabschnitt stellt einen um den ersten Rohrabschnitt herum verlaufenden Rohrabschnitt mit einem Außenradius R2 dar, der dem Innenradius des Jochs entspricht. Somit liegen im eingeschobenen Zustand des Spulenträgers die Außenflächen der zweiten d. h. außenliegenden Teilzylindermantelsegmente am Innenmantel des Jochs an.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der jeweilige Stegabschnitt, der die beiden Teilzylindermantelsegmente einer Spulenhalterung verbindet, jeweils radial nach außen erstreckt und weiter bevorzugt in der jeweiligen Mitte der Teilzylindersegmente in Umfangsrichtung betrachtet angeordnet ist. Hierdurch wird eine spiegelsymmetrische Spulenhalterung ausgebildet.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn das Joch und/oder der Spulenträger zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus SMC-Material ausgebildet sind. Dies kann weiter bevorzugt im Sinterverfahren erfolgen, so dass ein minimaler bis kein Materialabfall entsteht.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein System zum Verfahren zum Herstellen eines wie zuvor beschriebenen Ständeraktivteils für einen Motor mit einer Anzahl an P Wicklungssträngen mit den folgenden Schritten
- a. Bereitstellen eines hohlzylinderförmigen Jochs mit einem Aufnahmeraum;
- b. Bereitstellen eines Spulenträgers, der einteilig oder mehrteilig aus N Spulenhalterungen ausgebildet oder ausbildbar ist, wobei jede Spulenhalterung aus je einem ersten und einem zweiten kreisbogenförmigen Teilzylindermantelsegment gebildet wird, welche über einen dazwischenliegenden Stegabschnitt einstückig miteinander verbunden sind;
- c. Bewickeln der N Spulenhalterungen mit je einer feinverteilten Spule von welchen N/P zu jedem der P Wicklungsstränge gehören und
- d. Einschieben des Spulenträgers zusammen mit den montierten Spulen in den Aufnahmeraum des Jochs.
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In einer bevorzugten Ausführung des Systems zum Verfahren bei dem der Spulenträger einstückig aus der Mehrzahl der Spulenhalterungen gebildet ist, ist vorgesehen, dass der Wickeldraht jeweils durch einen Spalt zwischen den außen liegenden kreisbogenförmigen Teilzylindermantelsegmenten jeweils unmittelbar benachbarter Spulenhalterungen geführt wird. Aufgrund der gewählten, außen geschlitzten Konstruktion des Spulenträgers, ist eine automatisierte Wicklung mit einer maschinellen Wickelvorrichtung möglich.
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In einer alternativen Ausgestaltung, wird der Spulenträger nach dem Bewickeln der Spulenhalterungen im zuvor genannten Schritt c) aus der Mehrzahl der Spulenhalterungen zu einem zylinderförmigen Spulenträger zusammengesetzt.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spulen eines jeden Wicklungsstranges im Wickelkopfbereich ohne Überlappungsbereiche ausgeführt sind.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Ständeraktivteils;
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2 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Ständeraktivteils;
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3 eine schematische Ansicht einer Abwicklung eines Spulenträgers mit Spulen und
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4 ein Zonenplan einer 2-poligen Luftspaltwicklung für drei Wicklungsstränge.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die 1 bis 4 näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hinweisen.
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Den Ausführungsbeispielen der Figuren gemeinsam ist ein Ständeraktivteil 1 für einen Elektromotor, vorzugsweise eine permanentmagneterregte Synchronmaschine bestehend aus einem hohlzylinderförmigen Joch 10 mit einem Aufnahmeraum 11. Der Aufnahmeraum 11 wird von einem Innenmantel 12 umgeben.
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In den Aufnahmeraum 11 ist ein Spulenträger 20 teilweise eingeschoben dargestellt. Der Spulenträger 20 besteht aus einer Mehrzahl von Spulenhalterungen 23a, 23b, die je aus einem ersten und einem zweiten kreisbogenförmigen Teilzylindermantelsegment 24a, 24b gebildet sind, welche über einen dazwischenliegenden Stegabschnitt 24c einstückig miteinander verbunden sind.
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Die jeweils innenliegenden Teilzylindermantelsegmente 24a bilden einen hohlzylinderförmigen Rohrabschnitt 24 zur Aufnahme eines Rotors aus.
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Die zweiten kreisbogenförmigen Teilzylindermantelsegmente 24b spannen einen Rohrabschnitt 25 auf, wobei zwischen je zwei unmittelbar nebeneinander angeordneten Teilzylindermantelsegmente 24b einen Spalt 27 ausbildet ist, die dies gut in den 1 und 2 zu erkennen ist.
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In der Ausführung nach 1 ist der Spulenträger 20 einstückig aus der Mehrzahl der Spulenhalterungen 23a, 23b gebildet.
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In der Ausführung nach 2 ist der Spulenträger 20 mehrteilig aus der Mehrzahl der Spulenhalterungen 23a, 23b zu einem zylinderförmigen Spulenträger 20 zusammengesetzt. Die Montage kann durch das Zusammenschieben von benachbarten Spulenhalterungen 23a, 23b mittels einer Nut- und Federverbindung erfolgen.
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Die Mehrzahl der Spulenhalterungen 23a, 23b des gezeigent Ausführungsbeispiels mit N = 6 und P = 3 sind jeweils aus Paaren aus je zwei diametral gegenüberliegenden Spulenhalterungen 23a, 23b ausgebildet, wobei auf jeder Spulenhalterungen 23a, 23b eines Paars aus Spulenhalterungen 23a, 23b jeweils eine feinverteilte in Luftspaltwicklungstechnik gewickelte Spule 30 eines Wicklungsstrangs aus zwei Spulen 30 montiert ist.
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Die jeweiligen Spulen 30 sind um den jeweiligen Stegabschnitt 24c der entsprechenden Spulenhalterung 23a, 23b herum gewickelt, wie dies schematisch in der 3 gezeigt ist.
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Auf Paare aus je zwei diametral gegenüberliegende Spulenhalterungen werden jeweils eine feinverteilte in Luftspaltwicklungstechnik gewickelte Spule eines Wicklungsstrangs aus zwei Spulen montiert. Die jeweiligen Spulen werden um den jeweiligen Stegabschnitt der entsprechenden Spulenhalterung herum gewickelt.
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In der 3 ist hierzu eine schematische Ansicht einer Abwicklung eines Spulenträgers 20 mit Spulen 30 für drei Wicklungsstränge U, V, W dargestellt und in der 4 ein entsprechender Zonenplan einer 2-poligen Luftspaltwicklung für die drei Wicklungsstränge. Die Wicklungsrichtung der Spulen ergibt sich durch die Symbole „X” und „Punkt”, wobei der Zonenplan für den gesamten Umfangswinkel von 360° (bzw. 2π) angegeben ist. Wie aus dem Zonenplan zu erkennen ist, sind jeweils zwei Spulen 30 den jeweils diametral gegenüberliegenden Spulenhalterungen 23a, 23b eines Paars aus Spulenhalterungen 23a, 23b zugeordnet.
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Die Windungen der Spulen 30 eines jeden Wicklungsstranges U, V, W sind im Wickelkopfbereich auf diese Weise ohne Überlappungsbereiche ausgeführt.
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Der erste Rohrabschnitt 24 stellt einen inneren Rohrabschnitt mit dem Außenradius R1 dar.
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Der zweite, geschlitzte Rohrabschnitt 25 stellt einen um den ersten Rohrabschnitt 24 herum ausgebildeter Rohrabschnitt mit einem Außenradius R2 dar. Der Innenradius des Jochs 10 entspricht dem Außenradius R2.
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Die Herstellung eines Ständeraktivteils 1 gemäß den 1 und 2 erfolgt im Wesentlichen durch die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen des hohlzylinderförmigen Jochs 10 mit einem Aufnahmeraum 11;
- – Bereitstellen eines Spulenträgers 20, der einteilig (wie in 1) oder mehrteilig aus Spulenhalterungen 23a, 23b (wie in 2) ausgebildet oder ausbildbar ist, wobei jede Spulenhalterung aus je aus einem ersten und einem zweiten kreisbogenförmigen Teilzylindermantelsegment 24a, 24b gebildet wird, welche über einen dazwischenliegenden Stegabschnitt 24c einstückig miteinander verbunden sind;
- – Bewickeln der Spulenhalterungen mit je einer feinverteilten Spule 30 für jede Motor-Phase U, V, W aus einem Wicklungsstrang eines Wickeldrahtes und
- – Einschieben des Spulenträgers 20 zusammen mit den montierten Spulen 30 in den Aufnahmeraum 11 des Jochs 10.
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In der Ausführung nach 1 wird der Wickeldraht jeweils durch den Spalt 27 zwischen den kreisbogenförmigen Teilzylindermantelsegmenten 24b benachbarter Spulenträger 20 geführt. In der Ausführung nach 2 erfolgt zunächst das Bewickeln der Spulenhalterungen 23a, 23b mit Spulen 30 und der Spulenträger 20 wird danach aus der Mehrzahl der Spulenhalterungen 23a, 23b zu einem, wie in 2 dargestellten zylinderförmigen Spulenträger 20 zusammengesetzt.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
