DE2542169A1

DE2542169A1 - Supraleitende erregerwicklung fuer den laeufer einer elektrischen maschine

Info

Publication number: DE2542169A1
Application number: DE19752542169
Authority: DE
Inventors: Guenther Dr Bogner; Dieter Dipl Ing Kullmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-22
Filing date: 1975-09-22
Publication date: 1977-03-24
Also published as: JPS5240701A; CH607411A5; US4339681A; FR2325226A1; DE2542169B2; DE2542169C3; FR2325226B1; GB1504238A

Description

Supraleitende Erregerwicklung für den Läufer einer elektrischen Maschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine supraleitende Erregerwicklung für den Läufer einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, die in mehrere, jeweils einen Pol ausbildende Teilwicklungen mit jeweils parallel zur Längsachse des Läufers verlaufenden Seitenteilen und gewölbten Wickelköpfen unterteilt ist und deren Leiter mindestens teilweise in Nuten des Läufers angeordnet sind und jeweils einen vorbestimmten, zulässigen Biegeradius haben, der größer ist als der an den Wickelköpfen vorgesehene Biegeradius.

Die Verwendung von supraleitenden Erregerwicklungen in elektrischen Maschinen ermöglicht eine wesentliche Erhöhung der Induktion im Luftspalt zwischen einem rotierenden Maschinenteil, Rotor oder Läufer genannt, und einem feststehenden Maschinenteil, dem Stator oder Ständer. Insbesondere können mit sogenannten Hochfeldsupraleitern bei praktisch verlustfreier Erregung der Feldwicklung hohe Induktionen auch ohne Verwendung von magnetischem Eisen im Läufer erzeugt werden, da diese Leiter mit sehr hohen Stromdichten betrieben werden können. Ferner läßt sich wegen des Fortfalls des magnetischen Eisens im Ständer auch der Strombelag in der normalleitenden Ständerwicklung bei gleichbleibenden Maschinenabmessungen beträchtlich erhöhen. Bei solchen Maschinen mit supraleitenden Erregerwicklungen liegt deshalb das Verhältnis von Leistung zu Volumen und Gewicht wesentlich über dem einer Maschine herkömmlicher Bauart. Ihr Läufer enthält im allgemeinen einen hohlzylindrischen Trägerkörper aus einem nichtmagnetischen Material, der mit Nuten auf seiner Innen- oder Außenseite versehen

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sein kann, in denen die Leiter der supraleitenden Erregerwicklung angeordnet werden (Deutsche Offenlegungsschrift 2 117 192). Die Erregerwicklung kann als Dipol- oder Quadrupolspule gewickelt sein und ist dann in zwei bzw. vier jeweils einen Pol ausbildende Teilwicklungen unterteilt. Jede dieser Teilwicklungen hat zwei parallel zur Längsachse verlaufende Seitenteile und zwei gewölbte Wickelköpfe. Zumindest die Seitenteile der Teilwicklungen können im Läuferkörper in Nuten eingebettet sein.

Während im allgemeinen als Leiter für mittelgroße Maschinen, deren Leistung bis etwa 1000 MVA reicht, Niob-Titan-Vielkernleiter mit Kupferstabilisierung bevorzugt werden, sind bei Maschinen mit noch größerer Leistung Vielkernleiter aus den intermetallischen Verbindungen Vanadium-Gallium oder Niob-Zinn, vorzusehen, die beispielsweise mit Kupfer-Zinn-Bronze oder Kupfer stabilisiert sind. Für die supraleitenden Erregerwicklungen derartiger Turbogeneratoren mit großen Leistungen sind nämlich Supraleiter erforderlich, die Ströme von 10 bis 50 kA bei maximalen Flußdichten bis über 7_f5 Tesla führen können. Die Stromdichten dieser Supraleiter einschließlich ihres Stabilisierungsmaterials liegen bei

4 2 solchen Flußdichten beispielsweise bei 10 A pro cm , so daß sich für diese Leiter Querschnitte in der Größenanordnung von 1 bis

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5 cm ergeben.

Zur Herstellung einer solchen Erregerwicklung müssen jeweils die Leiter eines Seitenteils einer Teilwicklung aus den Längsnuten des Läuferkörpers herausgeführt und in die entsprechenden Nuten des benachbarten Seitenteils der Teilwicklung zurückgeführt werden. Aus Platzgründen und insbesondere um eine möglichst dichte Packung dieser Leiter auch an den Wickelköpfen der Teilwicklungen zu erhalten, sind dabei kleine Krümmungsradien für die Leiter vorzusehen. Werden jedoch supraleitende Einzelleiter mit großen Leiterquerschnitten verwendet, so liegen im allgemeinen diese Krümmungsradien unter den zulässigen Biegeradien dieser Leiter. Bei Unterschreitung dieser Radien sind Beschädigungen, beispielsweise Schichtbrüche, des Supraleitermaterials zu erwarten. Außerdem werden bei Supraleitern im Falle zu hoher Biege- und Zugbean-

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spruchungen je nach Supraleitermaterial wichtige physikalische Eigenschaften, beispielsweise die hohe Stromtragfähigkeit, herabgesetzt. Aus diesem Grund sind für die bekannten Turbogeneratorkonstruktionen aufwendige Maßnahmen vorgesehen, um die einzelnen Teilwicklungen der Erregerwicklung mit tolerierbaren mechanischen Spannungen herstellen zu können.

Ferner ist es zwar bekannt, Erregerwicklungen aus supraleitenden Leiterwerkstoffen wie Niob-Zinn-Bändern, Niob-Titan-Drähten oder aus dünnen, zu Kabeln oder Bändern gewebten Drähten herzustellen. Solche Leiterwerkstoffe sind zwar flexibler als einzelne Drähte mit einem großen Leiterquerschnitt, man erhält mit ihnen aber wegen ihres kleineren Füllfaktors nur eine entsprechend geringere Stromdichte.

Bei einem kontinuierlichen Wickeln kompakter Leiter mit verhältnismäßig großem Querschnitt, beispielsweise mit einem Querschnitt über 1/2 cm , besteht somit, insbesondere im Bereich der Wickelköpfe der Teilwicklungen, die Gefahr einer Beschädigung der Supraleiter und somit einer entsprechenden Verringerung der Stromtragfähigkeit. Diese Gefahr ist besonders groß bei Verwendung von Vielkernleitern der intermetallischen Verbindungen Vanadium-Gallium oder Niob-Zinn.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine supraleitende Erregerwicklung für den Läufer einer elektrischen Maschine zu schaffen, bei der diese Gefahren nicht oder nur in geringerem Maße gegeben sind.

Diese Aufgabe wird für die Erregerwicklung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß jeweils zwei zusammengehörende Leiterstücke aus benachbarten Seitenteilen einer Teilwicklung zumindest an einem Wickelkopf mittels eines vorgefertigten, bügelartigen Leiterelementes elektrisch verbunden sind.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß für

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supraleitende Erregerwicklungen von Maschinen großer Leistung, deren Leiter dementsprechend große Querschnitte haben, die für die Wickelköpfe vorgesehenen Leiterelemente vor einem Zusammenbau der Erregerwicklung vorgeformt werden können, ohne daß sie dabei unzulässigen Zugbelastungen ausgesetzt sind, bei denen ihr supraleitendes Material beschädigt werden könnte. Die vorgeformten Leiterelemente brauchen dann nur mit den entsprechenden, in den Längsnuten des Läuferkörpers angeordneten Leiterstücken so verbunden zu werden, daß der Kontaktwiderstand zwischen diesen Leiterstücken und den Leiterelementen verhältnismäßig klein,

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beispielsweise unter 10" Ohm ist. Zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen den Leiterstücken und den Leiterelementen können vorteilhaft die Kontaktflächen zwischen dem bügelartigen Leiterelement und den mit ihm verbundenen Leiterstücken größer als die Querschnittsflächen der Leiterstücke gewählt werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erregerwicklung gemäß der Erfindung können jeweils zwei zusammengehörende Leiterstücke aus benachbarten Seitenteilen einer Teilwicklung zusammen mit einem bügelartigen Leiterelement im Bereich eines Wickelkopfs zu einem gemeinsamen Teilleiter vorgefertigt sein und die freien Enden der Leiterstücke an dem anderen Wickelkopf mittels vorgefertigter, bügelartiger Leiterelemente mit zwei weiteren Leiterstückeiverbunden sein. Insbesondere bei Verwendung von Vanadium-Gallium- oder Niob-Zinn-Vielkernleitern, die nach dem Verfahren der sogenannten Feststoffdiffusion, das beispielsweise aus der Literaturstelle ".Zeitschrift für Naturforschung" Bd. 27a (1972), Seiten 1462 - 1467 bzw. aus "Appl. Phys. Lett.» 2£ (1974), Seiten 624 ~ 627 bekannt ist, hergestellt werden können, kann vorteilhaft der Teilleiter noch vor einer Diffuionsglühung mechanisch der Wickelkopfform und dem Nutenverlauf entsprechend geformt werden, solange das Material noch duktil ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die schematische Zeichnung bezug genommen, in deren Fig. 1 die Stirnseite eines

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bekannten Läufers mit einem Leiter einer Erregerwicklung teilweise veranschaulicht ist. In den Fig. 2 und 3 sind zwei Ausführungsbeispiele von bügelartigen Leiterelementen einer solchen Erregerwicklung gemäß der Erfindung dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Anordnung mehrerer dieser Leiterelemente an einem Wickelkopf, während in Fig. 5 eine weitere Ausbildungsmöglichkeit von Leitern und Leiterelementen einer Erregerwicklung gemäß der Erfindung angedeutet ist.

Der in Fig. 1 in einer Schrägansicht nur teilweise angedeutete zylindrische Läufer 2 einer mehrpoligen elektrischen Maschine, beispielsweise eines Turbogenerators, enthält als rotierende Erregerwicklung eine Supraleitungsmagnetspule, die in mehrere Teilwicklungen unterteilt ist. Die Teilwicklungen sind in Umfangsrichtung des Läufers 2 nebeneinander angeordnet und in Läuferlängsrichtung langgestreckt. Jede dieser Teilwicklungen bildet einen Pol der Magnetspule. Beispielsweise hat dann eine Dipolwicklung zwei und eine Quadrupolwicklung vier derartige Teilwicklungen. Diese Teilwicklungen sind jeweils in zwei parallel zur Längsachse 3 des Läufers 2 verlaufende Seitenteile und zwei gewölbte Wickelköpfe unterteilt. Die Leiter der Seitenteile der Teilwicklungen sind in entsprechenden Längsnuten im Läuferkörper 2 angeordnet, von denen in der Figur nur vier Nuten 4 bis 7 angedeutet sind. Die Nuten können beispielsweise in den Läuferkörper parallel und symmetrisch zu einem Polkern 8 von außen eingefräst sein.

In der Figur ist nur- ein einzelner Leiter einer Teilwicklung mit vorgegebenem, rechteckigen Querschnitt angedeutet. Dieser Leiter enthält zwei Leiterstücke 9 und 10, die in den Nuten 4 und 7 angeordnet sind. Der Läuferkörper ist an seiner Stirnseite im Bereich des Wickelkopfes der Teilwicklung auf einen geringeren Durchmesser abgedreht, der dem Durchmesser der Grundflächen in den Nuten 4 bis 7 entspricht. Auf diesem mit 12 bezeichneten Läuferkörperabschnitt ist das Leiterstück 9 aus der Nut 4 herausgeführt, zu einem in Umfangsrichtung auf dem Läuferkörperabschnitt

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12 verlaufenden Leiterelement 13 abgewinkelt und in Läuferlängsrichtung als Leiterstück 10 in die Nut 7 zurückgeführt.

Für die Teilwicklung einer sdbhen Erregerwicklung sind als Leiterstücke 9, 10 bzw. als Leiterelement 13 Stäbe aus stabilisiertem supraleitenden Material vorgesehen , die Ströme von beispielsweise 10 kA bis etwa 50 kA bei maximalen Flußdichten von 7,5 Tesla oder mehr führen können.

Die Stromdichten in den entsprechenden Supraleitern einschließlich

4 / 2 ihres Stabilisierungsmaterials betragen dann etwa 10 A/cm .

Die Leiter der Erregerwicklung müssen in einem solchen Fall Quer-

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schnitte von mindestens 1 cm haben.

Wird nun, wie in der Figur dargestellt, aus Platzgründen und um eine möglichst dichte Packung der einzelnen Leiter der Teilwicklungen an den Wickelköpfen zu erreichen, ein solcher Leiter mit verhältnismäßig großem Querschnitt, beispielsweise das Leiterstück 9, aus der Nut 4 auf den Läuferkörperabschnitt 12 herausgeführt und zu dem Leiterelement 13 in Umfangsrichtung abgewinkelt, so ergeben sich Krümmungsradien, die unter den mechanisch zulässigen Krümmungsradien der zur Verwendung kommenden Leiter mit großem Querschnitt liegen. Insbesondere bei Verwendung von stabilisierten Vielkernleitern der intermetallischen Verbindungen Vanadium-Gallium und Niob-Zinn besteht dann die Gefahr einer Beschädigung der Supraleiter.

Diese Gefahr wird bei Verwendung eines vorgefertigten und vorgeformten bügelartigen Leiterelementes für eine Erregerwicklung nach der Erfindung vermieden. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind nur die Enden von zwei Leiterstücken 15 und 16 veranschaulicht, die beispielsweise den Leiterstücken 9 und 10 nach Fig. 1 entsprechen und aus achsenpar.allel verlaufenden Nuten in einem Läuferkörper herausragen. Diese Leiterstücke haben rechteckige oder auch trapezförmige Querschnitte und sind mittels eines bügelartigen Leiterelementes 18 elektrisch leitend verbunden. Beispielsweise können die Leiterstücke 15 und 16 mit dem Leiter-

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element 18 verlötet, verschweißt oder auch verschraubt sein. Das Leiterelernent 18 besteht aus einem in Umfangsrichtung des Läufers verlaufenden und auf der Mantelfläche eines entsprechenden Läuferkörperabschnittes, beispielsweise des Läuferkörperabschnittes 12 nach Fig. 1, angeordneten Leiterstück mit ebenfalls rechteckigem oder trapezförmigem Querschnitt. Seine Endflächen 19 und 20 stehen formschlüssig auf den oberen Flachseiten der Leiterstücke 15 und 16.

Soweit der vorhandene Raum an den Wickelköpfen der Teilwicklungen es zuläßt, können die bügelartigen Leiterelemente sowohl vom Standpunkt der Stabilisierung als auch der Stromtragfähigkeit aus gesehen mit größeren Leiterquerschnitten als die entsprechenden angrenzenden Leiterstücke ausgelegt werden.

Gemäß der dargestellten Ausfuhrungsform des bügelartigen Leiterelementes 18 ist seine Querschnitts^lache im Vergleich zu den Querschnittsflächen der Leiterstücke 15 und 16 größer gewählt, so daß sich entsprechend kleine Kontaktwiderstände zwischen den Endflächen 19 und 20 des Leiterelementes 18 und den Leiterstücken 15 und 16 ergeben. Aufgrund genügend großer Kontaktflächen 19 bzw. 20 kann der Wert des Kontaktwiderstandes zwischen dem Leiterelement und den mit ihm verbundenen Leiterstücken so klein gehalten werden, daß die Gesamtzahl der für eine Teilwicklung der supraleitenden Erregerwicklung erforderlichen Kontakte nur eine verhältnismäßig geringe Wärmebelastung für die erforderliche Kühlung der Teilwicklung darstellt. Für einen Leiter mit 10 kA Stromtragfähigkeit läßt sich so beispielsweise ein Kontaktwider-

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stand von 10 0hm erreichen, der zu einer verhältnismäßig geringen Wärmebelastung führt.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausbildungsmöglichkeit eines bügelartigen Leiterelementes 22 veranschaulicht. Das vorgefertigte und vorgeformte Leiterelement enthält nicht nur wie die Ausführungsform nach Fig. 2 ein bügelartiges Teil 23, das in Umlaufsrichtung verläuft, sondern ist an seinen Enden jeweils zu einem achsenparallelen Teil 25 bzw. 26 abgewinkelt. Diese achsenparallelen

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Teile sind mit entsprechenden Leiterstücken 28 und 29, die in achsenparallelen Nuten eines Läuferkörpers, beispielsweise des Läuferkörpers nach Fig. 1, angeordnet sein sollen, an Kontaktflächen 31 und 32 elektrisch leitend verbunden, beispielsweise verlötet oder verschweißt. Die achsenparallelen Teile 25 und 26 des Leiterelementes' 22 können auch so lang sein, daß sich die Kontaktflächen 31 und 32 in den Nuten des Läuferkörpers befinden.

In Fig. 4 sind stark schematisiert drei bügelartige Leiterelemente 33 bis 35 am Wickelkopf einer Teilwicklung einer Erregerwicklung veranschaulicht. Diese Leiterelemente entsprechen jeweils dem Leiterelement.22 nach Fig. 3. Die mit diesen Leiterelementen 33 bis 35 verbundenen, achsenparallel verlaufenden Leiterstücke sind in der Figur durch Striche teilweise angedeutet. Die zu ihrer Aufnahme erforderlichen Längsnuten im Läuferkörper sind jedoch nicht dargestellt. Die bügelartigen Leiterelemente werden im allgemeinen parallel zueinander auf einem zylindrischen Läuferkörperabschnitt 36 befestigt und im Wickelkopfbereich aus Raumgründen und zur Vermeidung von Feldspitzen in axialer Richtung untereinander versetzt angeordnet. Hierzu können beispielsweise entsprechend verlaufende Nuten auch an den Wickelköpfen vorgesehen sein. Man kann somit eine kühltechnisch günstige und mechanisch stabile Form der Teilwicklung auch an deren Wickelkopf erhalten.

Bei der Herstellung einer Teilwicklung einer supraleitenden Erregerwicklung gemäß den vorhergehenden Fig. 2 bis 4 ist davon ausgegangen, daß zunächst jeweils zwei gerade Leiterstücke in achsenparallel verlaufenden Nuten eines Läuferkörpers eingebettet werden, und daß sie dann an ihren beiden Enden im Bereich der beiden Wickelköpfe untereinander mittels vorgefertigter, bügelartiger Leiterelemente verbunden werden. Gemäß der Darstellung nach Fig. 5 ist es jedoch auch möglich, daß zunächst jeweils ein bügelartiges Leiterelement 40 eines Wickelkopfes zusammen mit den ihm zugeordneten geraden, in Nuten achsenparallel verlaufenden Leiterstücken 42 und 43 zu einem gemeinsamen Teilleiter vorgefertigt und vorgeformt werden und daß dann die noch freien Enden 44 und 45 der achsenparallel verlaufenden Leiterstücke

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42 bzw. 43 an dem gegenüberliegenden Wickelkopf mittels vorgefertigter Leiterelemente 47 bzw. 48 gemäß den Fig. 2 und 3 mit ihnen zugeordneten, weiteren achsenparallel verlaufenden Leiterstücken verbunden werden. In der Figur sind nur ein mit dem Leiterelement 47 verbundenes weiteres Leiterstück 50 sowie drei Kontakte 51 bis 53 angedeutet. Bei dieser Ausbildung der Leiter einer Teilwicklung einer Magnetspule benötigt man deshalb nur an einem Wickelkopf Kontakte zwischen bügelartigen Leiterelementen und achsenparallel verlaufenden Leiterstücken. Die Kontaktzahl und die entsprechende Arbeitszeit zuffi Verbinden der bügelartigen Leiterelemente mit den achsenparällel verlaufenden Leiterstücken werden somit entsprechend vermindert. Insbesondere bei Verwendung von stabilisierten Vielkernleitern der intermetallischen Verbindungen Vanadium-Gallium und Niob-Zinn, die mit Hilfe eines Diffusionsverfahrens in einem Festkörper hergestellt werden können, läßt sich vorteilhaft eine Supraleitungsmagnetspule mit mehreren Teilwicklungen gemäß der Darstellung nach Fig. 5 aufbauen. Das bügelartige Leiterelement 40 und seine mit ihm verbundenen Leiterstücke 42 und 43 können nämlich noch vor einer Diffu&ionsglühung mechanisch der Wickelkopfform bzw. dem Nutenverlauf entsprechend geformt werden, solange das Material noch duktil ist. Der fertige Teilleiter aus Leiterstücken 42 und 43 und bügelartigem Leiterelement 40 kann dann nach der Diffuionsglühung auf dem Läuferkörper angeordnet werden.

Gemäß den Ausführungsbeiqpielen nach den Figuren ist die supraleitende Erregerwicklung nach der Erfindung für Läufer von elektrischen Maschinen, insbesondere Turbogeneratoren, geeignet. Entsprechende Wicklungen können jedoch allgemein für solche Anordnungen vorgesehen werden, bei denen im Bereich der Wickölköpfe große Krümmungsradien an den Leitern auftreten und deshalb die Gefahr einer Beschädigung des supraleitenden Materials der Leiter gegeben ist.

5 Patentansprüche
;^: Figuren

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Claims

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Patentansprüche

/i.»Supraleitende Erregerwicklung für den Läufer einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, die in mehrere, jeweils einen Pol ausbildende Teilwicklungen mit jeweils parallel zur Längsachse des Läufers verlaufenden Seitenteilen und gewölbten Wickelköpfen unterteilt ist und deren Leiter mindestens teilweise in Nuten des Läufers angeordnet sind und jeweils einen vorbestimmten, zulässigen Biegeradius haben, der größer ist als der an den Wickelköpfen vorgesehene Biegeradius, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei zusammengehörende Leiterstücke (15, 16 oder 28, 29) aus benachbarten Seitenteilen einer Teilwicklung zumindest an einem Wickelkopf mittels eines vorgefertigten, bügelartigen Leiterelementes (18 bzw. 22) elektrisch verbunden sind.
2. Supraleitende Erregerwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zusammengehörenden Leiterstücke (15, 16 oder 28, 29) mit dem bügelartigen Leiterelement (18 bzw. 22) verlötet, verschweißt oder verschraubt sind.
3. Supraleitende Erregerwicklung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitirfläche des bügelartigen Leiterelementes (18) vergleichsweise größer als die Querschnittsfläche der mit ihm verbundenen Leiterstücke (15, 16) ist.
4. Supraleitende Erregerwicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (19, 20) zwischen dem bügelartigen Leiterelement (18) und den mit ihm verbundenen Leiterstücken (15, 16) größer als die Querschnittsflache der Leiterstücke (15, 16) sind.
5. Supraleitende ErregerwidcLung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei zusammengehörende Leiterstücke (42, 43) aus benachbarten Seitenteilen einer Teilwicklung zusammen mit einem bügelartigen Leiterelement (40) im Bereich eines

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Wickelkopfs zu einem gemeinsamen Teilleiter vorgefertigt sind und die freien Enden (44, 45) der Leiterstücke (42, 43) an dem anderen Wickelkopf mittels vorgefertigter, bügelartiger Leiterelemente (47, 48) mit entsprechenden zugeordneten Leiterstücken verbunden sind (Fig. 5).

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