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Gebläse mit Motor
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein kleines Gebläse mit Motorantrieb.
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Konventionelle Gebläse mit Motorantrieb verwenden als Antriebsquelle
zum Drehen der Propeller einen Wechselstrommotor mit Wicklungsabschirmung (shading
coil type induction motor). Diese Bauart besitzt Vorteile, wie einen einfachen Aufbau
und geringe Herstellungskosten; nachteilig ist jedoch, daß die Drehzahl auf einen
bestimmten Wert begrenzt ist, der durch die Frequenz der Stromquelle festgelegt
ist. Bis auf Sonderfälle ist es daher unmöglich, eine hohe Drehzahl zu erhalten.
Außerdem bitzt die Bauform einen geringen Wirkungsgrad, d.h.
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die Größe des Luftstroms, bezogen auf den Stromverbrauch, und der
statische Druck sind gering.
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Auf dem Markt gibt es weiterhin ein Gleichstrommotorgebläse, das als
Antriebsquelle eines Gleichstrommotors verwendet. Mit dem Fortschritt der Halbleitertechnologie
hat
die Dichte der Schaltkreise beträchtlich zugenommen, und die Größe der elektronischen
Bauteile ist mit einem daraus resultierenden wachsenden Bedarf nach Kleinmotoren
für örtliche Kühlung reduziert worden. Um diesen Bedürfnissen Rechnung zu tragen,
werden kleine, leichtgewichtige und starkmotorige Gebläse mit Gleichstrommotorantrieb
verwendet. Da der Gleichstrommotor jedoch mit einem Kommutator ausgerüstet ist,
treten üblicherweise Nachteile, wie eine begrenzte Lebensdauer und eine Geräuschentwicklung,
auf.
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Manche verwenden Gebläse, die von einem Gleichstrommotor ohne einen
Kommutator angetrieben werden, um diese Nachteile durch Ausnutzen der Vorteile der
Merkmale eines bürstenlosen Gleichstrommotors zu überwinden. Dieser Gebläsetyp weist
jedoch einen komplizierten Aufbau auf.
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Beispielsweise sind Einrichtungen wie Mehrphasenwicklungen auf dem
Stator, mehrfache Rotormagneten und der außerhalb des Motors angeordnete Stromsteuerschaltkreis
bei diesen Motoren vorgesehen worden. Der Motor führt daher zu einem Anstieg der
Herstellungskosten und der Baugröße.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein preiswertes kleines,
leichtgewichtiges, stark motorisiertes und effizientes motorgetriebenes Gebläse
zu schaffen, das einen Gleichstrommotor ohne einen Kommutator verwendet, um die
mit der Verwendung von einem Kommutator bei Gleichstrommotoren verbundenen Nachteile
zu überwinden.
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Erfindungsgemäß sind zur Lösung die in den Ansprüchen genannten Merkmale
vorgesehen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachf-land anhand von Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform
gemäß der Erfindung mit nur einem konventionellen Statorkern; Fig. 2 einen senkrechten
Schnitt durch die Ausführungsform der Erfindung gemäß=Fig. 1; Fig. 3 einen schematischen
Schnitt durch einen konventionr-ffilen bürstenlosen Zweiphasen-Gleichstrommotor;
Fig. 4 ein Diagramm, das die Drehmomentverläufe darstellt, die durch den Betrieb,
wie in Fig. 3 erläutert, gewonnen wurtien ; Fig. 5-1, 5-2, 5-3 und 5-4 schematische
senkrechte Schnittansichten eines konventionellen bürstenlosen Gleichstrommotors,
die die Rotation des Rotors darstellen; Fig. 6 ein Diagramm, das die durch den in
den Fig. 5-1, 5-2, 5-3 und 5-4 gezeigten Betrieb entstandenen Drehmomentverläufe
darstellt; Fig. 7-1, 7-2, 7-3, 7-4, 7-5, 7-6, 7-7 und 7-8 schematische Schnitte
durch eine bevorzugte Ausführungsform genuß der Erfindung, die die Rotation des
Rotors darstellen; Fig. 8 ein Diagramm, das die bei dem in den Fig. 7-1, 7-2, 7-3,
7-4, 7-5, 7-6, 7-7 und 7-8 dargestellten Betrieb ge-
wonnenen Drehmomelntverläufe
zeigt; Fig. 9 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung;
Fig. lo eine verkürzte perspektivische Explosionsansicht von Fig. 9; und Fig. 11
eine vergrößerte perspektivische Ansicht von Wicklungen, die das Bilden deren Hohlform
darstellt.
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein Gebläse mit einem Gleichstrommotorantrieb
ohne einen Kommutator, der den grundsätzlichen Aufbau einer Ausführungsform der
Erfindung zeigt. Wie nachfolgend noch beschrieben wird, wurde eine Verbesserung
an dem Statorkern vorgenommen, und Fig. 1 stellt den Zustand vordieser Verbesserung
dar.
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Innerhalb des Düsenkörpers 1 ist ein Aufnahmezylinder 3 angeordnet,
der durch stationäre Schaufeln 2 gehalten wird.
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Ein innerhalb des Zylinderbehälters 3 eingebauter Motor M ist mit
einem Propeller 5 versehen, der an der Spitze einer drehenden Antriebswelle 4 befestigt
ist. Beim Betrieb des Motors M dreht sich der Propeller 5, um Wind durch den Düsenkörper
1 zu ventilieren.
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Der detailliertere Aufbau des Motors 5 wird nachfolgend beschrieben.
Innerhalb des Aufnahmezylinders 3 ist ein Gehäuse 6 vorgesehen, in dem ein Statorkern
7 angeordnet ist, welcher eine Wicklung 8 besitzt, die an seiner inneren Oberfläche
angeklebt ist. Mit Lagern 11, 12 versehene Halter 9, 10 sind fest an jedem Ende
des Gehäuses 6 befestigt, wobei die Welle 4 drehbar in den entsprechen-
den
Lagern 11, 12 gehalten ist. Innerhalb der Wicklung 8 ist ein Permanentmagnetrotor
13 konzentrisch auf der drehenden Antriebswelle 4 befestigt, der einen schmalen
Spalt S zwischen dem Rotor 13 und der Wicklung 8 freiläßt. An dem hinteren Abschnitt
des rückseitigen Halters 1o ist eine gedruckte Schaltkreisplatine 14 für die Kommutation
fest montiert, die elektronische Teile 15 aufweist, welche ihrerseits an eine externe
Stromversorgung über ein Kabelpaar 16 verbunden sind. Die gedruckte Schaltkreisplatine
14 und die elektronischen Teile 15 sind durch eine Abdeckung 17 gesetzt.
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Innerhalb des rückseitigen Abschnittes des Gehäuses 6 ist ein Stellungsfühlerelement
18 (bei dieser Ausführungsform ein Hall-Element) angeordnet, das auf den Magnetroto
13 gerichtet ist.
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Anstelle eines aus einem Permanentmagneten bestehenden Rotors kann
auch ein Permanentmagnet-Stellungsfühler verwendet werden, der dieselbe Polzahl
wie der zuvor erwähnte besitzt.
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Um ein Motor kleinerer Größe und geringeren Gewichts mit dennoch erhöhter
Kraft zu erhalten, ist es natürlich erforderlich, daß der Motor einen kleinen Außendurchmesser,
ein leichtes Gewicht und einen hohen Wirkungsgrad haben muß. Die vorliegende Erfindung
wird allen zuvor erwähnten Erfordernissen gerecht. Das Ergebnis der Erprobungen
kann bezüglich dieser Ausfü.hrungsform wie folgt erklärt werden.
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Das Gebläse mit dem Düsenkörper von 36 mm Außendurchmesser und 46
mm Länge, mit dem Propeller 5 von 33 mm Außendurchmesser und dem Motorgehäuse 6
mit 20 mm Außendurchmesser vermag den maximalen Luftdurchstoß von 400 L/min., den
maximalen
statischen Druck von 20 mm Hg und den Wirkungsgrad von 40 % bei einer Leistungsaufnahme
von etwa 4 W zu erzielen. Ein derart großer Wirkungsgrad konnte zuvor noch nicht
durch ein von einem Wechselstrommotor angetriebenen Gebläse gleicher Größe und Abmessungen
wie das oben erwähnte Gebläse mit einem Gleichstrommotorantrieb erreicht werden.
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Um den Außendurchmesser des Gleichstrommotors ohne einen Kommutator
zu verringern, kann der in Fig. 3 dargestellte Aufbau verwendet werden, bei dem
die Mehrphasenwindungen und die mehrfachen Stellungsfühler 18a, 18b derart angeordnet
sind, daß eine gewisse magnetische Beziehung mit dem Permanentmagnetrotor 13 aufrechterhalten
wird.
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Die bisherige Beschreibung bezog sich auf den Zweiphasenrotor. Bei
der zahlenmäßigen Vergrößerung der Wicklungsphasen, der Stellungsfühler und der
Schaltkreisphasen wird jedoch der Aufbau des obigen Ausführungsbeispiels komplexer.
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0 In Fig. 3 ist der Rotor bei 0° angeordnet, wobei nur die Phase
a in der dargestellten Richtung erregt ist, wodurch der magnetische Fluß des Magnetrotors
13 gezwungen wird, in die durch einen Pfeil angedeutete Richtung zu fließen. Entsprechend
der linken-Hand-Regel von Fleming wird daher auf den Rotor 13,wie durch einen Pfeil
dargestellt, eine im Uhrzeigersinn wirkende Kraft als Ergebnis des Zusammenwirkens
mit der Statorwicklung 8 ausgeübt. Während sich der Rotor dreht, treten in dem Stellungsfühler
18 elektrische Signale auf, die den elektronischen Schaltkreis steuern. Bei 900
beginnt die Erregung der Phase b, durch die dem Rotor 13 eine in dieselbe
Richtung
wirkende Kraft mitgeteilt wird. Diese Vorhänge werden nacheinander wiederholt, um
ein wie in Fia. t dargestelltes Drehmoment zu erzeugen,: das den Rotor veranlaßt,
sich fortwährend zu drehen.
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In Fig. 4 stellen die Kurven pa und pb Drehmomente dar, die entsprechend
durch die Phasen a und b erzeugt worden sind, und eine Kurve p (a + b) zeigt die
Summe der beiden zuvor erwähnten Drehmomente.
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In dem wie in Fig. 5-1 dargestellten Fall, in dem nur eine Einphasen-Wicklung
vorgesehen ist, während eine b-Phasenwicklung entfernt ist, ist die a-Phasenwicklung
8 über die innere Oberfläche des Statorkerns 7 über einen geeigneten Winkel verteilt.
Wenn das Magnetfeld, das durch den Nordpol des Permanentmagnetrotors 13 erzeugt
wird, auf den Ste'lungsfühler 18a einwirkt, und der Strom von dem elektronischen
Schaltkreis durch die a-Phasenwicklung 8 in der dargestellten Richtung fließt, wird
gemäß der linke-Hand-Regel von Fleming eine Kraft erzeugt, die den Rotor 13 in die
durch einen Pfeil angedeutete Richtung dreht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ergibt
sich der Winkel r wie folgt:
Wenn der Rotor 13,wie in Fig. 5-2 dargestellt, sich um 900 dreht, wirkt kein elektromagnetisches
Feld auf den Stellungsfühler 18, und es fließt kein Strom in der Wicklung 8, so
daß keine Kraft zum Drehen des Rotors 13 erzeugt wird. Wenn sich jedoch der Rotor
aufgrund der Trägheit soweit weiterdreht, wie in Fig. 5-1 beschrìelDen, wobei er
die 90°-Stellung passiert, um die Stellung wie in Fig. 5-3 zu erreichen, in der
die über
die Stellung des Stellungsfühlers 18 durch das Feld des
Südpols des aus einem Permanentmagneten bestehenden Rotors 13 erzeugte Spannung
dafür sorgt, daß der Strom durch die Wicklung 8 in der dargestellten Richtung fließt,
wodurch der Rotor t3 in die durch einen Pfeil angedeutete Richtung gedreht wird.
Der Rotor 13, dem ein Impuls verliehen wurde, fährt fort, sich zu drehen, wobei
er die Stellung wie in Fig. 5-4 aufgrund der Trägheit passiert und dann zu der in
Fig. 5-1 gezeigten Stellung zuruckkehrt.
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In dieser Weise fahrt der Rotor 13 wiederholt fort, sich zu drehen.
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Dieser Aufbau, bei dem die Wicklung 8 auf der inneren Oberfläche des
Statorkerns 17 auf den Rotor gerichtet vorgesehen ist, erzeugt eine gleichförmige
Permeanz des magnetischen Kreises über den gesamten Spalt zwischen dem Statorkern
und dem Rotor, und bei der magnetischen Anziehung gibt es keinen Gradienten. Wenn
daher einmal bei der Position 00 bzw. 180°:, wie in den Fig. 5-1 bzw. 5-2 dargestellt,
eine Erregung vorgenommen wird, kann der Rotor 13 weiterdrehen. Ueberdies ist es
möglich, den Bereich, in dem, wie in Fig 5-2 und 5-4 gezeigt, keine Druckluft erzeugt
wird, auf einen schmalen Abschnitt zu begrenzen, indem die Verteilung des magnetischen
Flusses gesättigt oder in Tra-?form gebracht wird,indem die Wicklung über einen
bestimmten Bereich verteilt wird, und indem die Verstärkung des elektronischen Schaltkreises
auf einen geeigneten Wert gebracht wird, um dadurch eine fortwährende und gleichmäßige
Drehung des Rotors zu gewährleisten. In den in Fig. 5-2 und 5-4 gezeigten Stellungen,
in denen kein Strom fließt, ist der Rotor jedoch nicht in der Lage anzulaufen. Es
sind daher einige Einrichtungen erforderlich, um zu verhindern, daß der Rotor in
diesen Stellungen anhält.
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Wenn in Fig. 7-1 die Stromquelle abgeschaltet wird, wenn gerade kein
Strom durch den Leiter 8 fließt, stellt die Magnetkraft ein Gleichgewicht in einer
Stellung her, in der der Nordpol des Permanentrotors 13 e von dem Stellungsfühler
18 entfernt gehalten wird. Um diese stationäre Stellung zu bestimmen, muß wenigstens
eine Ausnehmung 19 an der inneren Oberfläche des Statorkerns 7 vorge-0 sehen werden,
die sich innerhalb des Winkels von ß° erstreckt, der von der «° entfernt von dem
Stellungsfühler 18 liegenden Linie gemessen wird. Der Winkel e kann wie folgt ausgedrückt
werden:
Der Vorteil der Ausnehmung 19 besteht darin, daß sie für einen Wechsel der Permeanz
in Drehrichtung sorgt, wodl--h der Drehmomentgradient in dem Stator erzeugt wird.
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Wenn der Strom eingeschaltet ist, während der Rotor 13 in der in Fig.
7-1 dargestellten Position ruht, wirkt das von dem Nordpol des Permanentmagnetrotors
13 erzeugte Feld auf den Stellungsfühler 18, der dafür sorgt, daß der Strom durch
die Wicklung in der dargestellten Richtung fließt. Nach der linken-Hand-Regel von
Fleming wird eine Drehkraft in Richtung des Pfeils erzeugt und der Rotor 13, wie
in den Fig. 7-2, 7-3 und 7-4 entsprechend dargestellt, gedreht.
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In der in Fig. 7-4 gezeigten Stellung wirkt kein magnetisches Feld
des Permanentmagnetrotors 13 auf den Stellungsfühler 18, wobei kein Strom durch
die Wicklung fließt und daher keine Drehkraft, we zuvor erläutert, erzeugt wird.
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Aufgrund des Permeanzgradienten, der durch die in der inneren
Oberfläche
des Statorkerns 7 gebildeten Ausnehmung 19 hergestellt wird, erzeugt jedoch der
Fluß des magnetischen Rotors 13, der den Statorkern 7 verbindet, eine Kraft, die
in dieselbe Richtung wie die Rotationsrichtung wirkt, so daß der Rotor 13 fortfährt,
sich zu drehen, bis er die in Fig. 7-5 gezeigte Stellung erreicht. Durch die Wirkung
des Südpols des Permanentmagnetrotors 13 schaltet in dieser Position in Fig. 5-7
der Stellungsfühler 18, wodurch er dafür sorgt, daß der Strom durch die Wicklung
8 in umgekehrter Richtung mit dem Ergebnis fließt, daß die Drehkraft in derselben
Richtung wie zuvor erzeugt wird.
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Auf diese Weise fährt der Rotor fort, sich zu drehen, wobei er nacheinander
die in den Fig. 7-6, 7-7 und 7-8 gezeigten Stellungen entsprechend passiert und
schließlich in seine in Fig. 7-1 dargestellte Ausgangsstellung zurückkehrt.
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In Abhängigkeit von dem Drehwinkel des Rotors wird das Drehmoment,
wie in Fig. 8 dargestellt, erzeugt, das den Motor veranlaßt, sich fortlaufend zu
drehen. In Fig. 8 stellt die Zahl 20-1 das Drehmoment dar, wenn der Strom abgeschaltet
ist, pa zeigt das Drehmoment, das von der a-Phase erzeugt wird, und die Zahl 20-2
stellt die Summe der beiden zuvor erwähnten Drehmomente dar. Wie aus Fig. 8 zu ersehen
ist, hält der Rotor 13 in der in Fig.
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7-1 oder 7-5 dargestellten Stellung an, wenn der Strom abgestellt
wird. Wenn der Strom abgestellt ist, wirkt das magnetische Feld, das von dem Permanentmagnetrotor
13 erzeugt wird, auf den Stellungsfühler 18, was dazu führt, daß der Strom durch
die Wicklung 8 fließt, um dadurch den Rotor zu drehen.
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Die Kennlinie des Gebläses mit Motor ist so beschaffen, daß die Last
beim Anlauf nahezu auf Null reduziert, jedoch entsprechend der Zunahme der Drehzahl
des Motors vergrößert werden kann.
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Gemäß dieser Erfindung ist es möglich, ein kleines, leichtgewichtiges
Hochleistungsgebläse mit Motorantrieb ohne Kommutator zu schaffen, das ein einfachen
Aufbau aufweist und preiswert ist und die Durchführung eines gleichmäßigen, kontinuierlichen
Umlaufs erlaubt.
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Wahrend in den obigen Ausführungsformen ein zweipoliger Aufbau dargestellt
ist, bei dem der Rotor innerhalb des Stators angeordnet ist, ist es auch möglich,
den Rotor außerhalb des Stators anzuordnen. Weiterhin ist der Luftspalt oder das
Spiel, das zwischen dem Stator und dem rotor eingestellt ist, axial zu der Welle
vorgesehen; es ist jedoch auch möglich, den Luftspalt radial zu der Welle anzuordnen.
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Fig. 1o und 11 zeigen einen weiteren Aufbau eines bürstenlosen Gleichstrommotors,
der mit einem Flügelgebläse versehen ist.
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Innerhalb eines Gehäuses 21 ist ein Statorgehäuse 22 angeordnet, in
dem sich ein Vorderzylinder 23a befindet, der einstückig mit einem ruckseitigen
Halter 23 gebildet ist, welcher mit einem rückseitigen Kopf 23b versehen ist, der
einen größeren Durchmesser als der Zylinder 23a besitzt, dessen Gestalt einem Schachturm
ähnelt. Ein Wicklungspaar 24 ist fest auf dem Zylinderkopf 23a mit Hilfe
von
Klebemateria ien befestigt. Ein Permanentmagnetrotor 25 ist fest auf einer Welle
25a angeordnet, die drehbar von einem Lagerpaar 27, 28 gehalten wird, die entsprechend
innerhalb eines vorderen und eines rückseitigen Halters 26, 23 befestigt sind, wobei
zwischen dem Rotor 25 und'dem Zylinder 23a ein Luftspalt verbleibt.
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Eine Vielzahl von Anschlußstiften 29 ist in einer Reihe entlang des
Randes des rückseitigen Halters 23 eingesetzt. Die Zahl 30 zeigt einen Stellungsfühler
und 31 einen elektronischen Schaltkreis, der einen Kommutator ersetzt, während ein
rückseitiges Gehäuse 33 zum Abdecken der Ansch stifte 29 und des elektronischen
Schaltkreis es 31 vorgesehen ist. Soweit der elektronische Schaltkreis 31 mit Anschlußstiften
versehen ist, kann nur eine ge inge Zahl von Leitungsdrähten 32 für den Kabelan
schlu an die Stromquelle erforderlich sein.
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Ein Paar Wicklungen 24 kann, wie in den Fig. lo und 11 dargestellt,
mit Hilfe einer Formpresseinrichtung in Gestaltungen geber acht werden, die auf
dem Zylinder 23a anbringbare halbk reisförmige Hohlformen 34 besitzen, um sie für
einen Einhasenmotor der dargestellten Ausführungsform anzupas;en.
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Ein eine Wicklung 24 bildender Drahtstrang wird Stück für Stück mit
Hilfe von Klebemitteln zusammengeklebt oder zusammengeschweißt,während er entweder
in einer flachen quadratischen For oder in einer zylindrischen halbkreisförmigen
Form unter Verwendung von Wicklungseinrichtungen gewunden wird. Der Zylinder 23a
ist fest mit einem Paar Wicklungen 24 beschichtet, auf denen der Stator 22 angeordnet
wird.
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Wenn die derart geformten Wicklungen 24 zwischen dem Z-linder 23a
und dem Stator 22, wie zuvor erläutert, befestigt werden, wird die Effizienz bei
der Herstellung des Motors vergrößert und die Komplexitäten in dessen Aufbau eliminiert.
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