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Dreischenkliger ebener Magnetkern für dreiphasige Induktionsgeräte
Die Erfindung betrifft Magnetkerne für ortsfeste elektrische Induktionsgeräte, insbesondere
geschichtete und geschlitzte Dreiphasenmagnetkerne.
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Die Schichten für Magnetkerne ortsfester elektrischer Induktionsgeräte
werden oft aus Blechen von magnetischem Material gestanzt oder geschnitten, die
aus Stangen oder Knüppeln" eines ferromagnetischen Materials gewälzt wurden. Durch
das Walzen bildet sich in den Blechen eine Kornstruktur aus, die gewöhnlich in der
Walzrichtung verläuft. Der Weg des geringsten magnetischen Widerstandes für den
Magnetfluß durch die Bleche geht parallel zur Kornrichtung. In dieser Richtung treten
auch die geringsten Kernverluste auf. Um daher einen Magnetkern mit geringstem magnetischem
Widerstand und geringsten Kernverlusten bei gegebener Größe herzustellen, ist es
vorteilhaft, die Teile des Kerns so zusammenzusetzen, daß der magnetische Fluß kontinuierlich
der Richtung des Korns der ferromagnetischen Kernschichten folgen kann.
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Bei der normalen überlappenden Kernkonstruktion muß der magnetische
Fluß diese günstigste Richtung an den Enden der Bleche beim Übergang von einem Kernschenkel
zum nächsten kreuzen. Wegen dieses kreuzweisen Magnetflusses an den Ecken des Kerns
treten hier verhältnismäßig hohe Verluste auf. Ein Weg, um diese Schwierigkeiten
zu überwinden, besteht darin, an den Ecken benachbarter Schichten von Joch und Schenkeln
des Kerns Gehrungsstöße vorzusehen.
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Bei solchen Gehrungsstößen an den Ecken des Kerns verlaufen die Magnetlinien
des magnetischen Flusses in allen Teilen des Kerns im wesentlichen
parallel
zur Kornorientierung der Bleche. Auf diese Weise lassen sich Kernverluste und Erregung
verringern.
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Eine weitere Verminderung der Kernverluste kann durch geschlitzte
Bleche erzielt werden, wie sie in der amerikanischen Patentschrift Nr. 2 467 823
beschrieben sind. Gemäß dieser Ausführung sind sämtliche Schichten eines jeden Schenkels
und des Jochs längs in zwei oder mehr parallele, in einer Ebene liegende Streifen
aufgeteilt. Durch diese Bauweise werden die Herstellungskosten größer Kerne herabgesetzt,
da die Schenkel und das Joch aus typenmäßigen verhältnismäßig schmalen Streifen
aus ferromagnetischem Material hergestellt werden können und die Notwendigkeit der
Vorratshaltung teuerer überbreiter Bleche für große Kerne damit entfällt. Weiterhin
wird ein verbesserter Flußweg durch die geschlitzte Konstruktion erreicht, da der
magnetische Fluß in den einzelnen laminaren Streifen verbleibt und somit eine bessere
Verteilung des magnetischen Flusses durch die Länge der Streifen sowie an den Ecken
des Kerns erzielt wird. Schließlich werden bei den geschlitzten Kernen wegen der
schmalen Abmessungen jeder Schicht die Wirbelstromverluste herabgesetzt.
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Geschlitzte Magnetkerne haben gewöhnlich große Abmessungen, und es
ist häufig erforderlich, sie zu kühlen. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß die
längs geschlitzten Schenkel- und Jochteile in Abstand so voneinander angeordnet
werden, daß zwischen den entsprechenden Schenkel- und Jochteilen Kühlkanäle entstehen.
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Bei dreiphasigen geschlitzten Magnetkernen müssen Mittel vorgesehen.
werden, um durch eine gemeinsame Kontaktstelle für die verschiedenen durch die Dreiphasenwicklungen
hervorgerufenen Wege des magnetischen Flusses eine übertragung des vollen Flusses
zwischen jeweils zwei Wegen zu sichern. Eine solche Kontaktstelle soll vorzugsweise
so viel als möglich von den durch die Kornorientierung bedingten Eigenschaften des
den Kern bildenden magnetischen Materials ausnutzen, wobei allerdings zu beachten
ist, daß sich die Richtung des durch diese gemeinsame Kontaktstelle gehenden Flusses
von einem Augenblick zum anderen wegen der Phasenverschiebung des magnetischen Flusses
in den entsprechenden Windungsschenkeln ändert.
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Die Erfindung betrifft eine neue Art der magnetischen Verbindung der
drei Windungsschenkel eines dreiphasigen Magnetkerns unter Ausnutzung der durch
die Kornorientierung bedingten Eigenschaften des den Kern bildenden magnetischen
Materials sowie eine neue, verbesserte Konstruktion für einen geschlitzten Magnetkern
mit Durchgängen für eine Kühlflüssigkeit.
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Der dreischenklige, ebene Magnetkern für dreiphasige Induktionsgeräte
besteht aus einer Mehrzahl von überei-nandergelegten, in parallele Streifen unterteilten
Schichten von in der Längsrichtung kornorientiertem. magnetischem Material, bei
dem die mit Zwischenraum verlegten Streifen des mittleren Schenkels mit den ebenfalls
mit Zwischenraum verlegten Streifen-der äußeren Schenkel über ebenfalls mit Zwischenraum
verlegte, in ihrer Längsrichtung kornorientierte Jochstreifen verbunden sind. Erfindungsgemäß
sind die Streifen des inneren Kerns mit den Streifen des Jochs verbunden durch polygonale
Einsatzglieder aus übereinandergeschichtetem, orientiertem magnetischem Material
in stumpfem Stoß, die stumpfen Stoßkanten der Einsatzglieder schief angeordnet'
in bezug auf die Längsachsen der Streifen des inneren Kernschenkels und der Joche
und die Einsatzglieder benachbarter Schichten in ihrer Kornorientierung gegeneinander
gedreht.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Figuren beispielsweise
beschrieben.
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Fig. i ist eine perspektivische Ansicht eines dreiphasigen geschlitzten
Magnetkerns gemäß der Erfindung, Fig.2 eine perspektivische Ansicht der Anordnung
der Einsatzstücke in der T-förmigen Verbindung für eine Gruppe aufeinanderfolgender
Bleche des Magnetkerns nach Fig. i, bei der die magnetischen Flüsse der drei Phasen
in der gemeinsamen Verbindung zusammentreffen; Fig. 3 ist eine entsprechende perspektivische
Ansicht gemäß Fig. 2 mit anders ausgebildeten Einsatzstücken.
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In Fig. i ist ein dreiphasiger, flacher, geschlitzter Magnetkern dargestellt,
der mit i bezeichnet ist. Die äußerste Schicht des linken Schenkels besteht aus
zwei Streifen 2 und 3, die äußerste Schicht des mittleren Schenkels aus den _Streifen4
und 5, und die äußerste Schicht des rechten Schenkels aus den Streifen 6 und 7.
Die einzelnen Streifen jeder Schicht der Schenkel und des Jochs haben einen gewissen
Abstand voneinander, so daß zwischen sämtlichen Schichten jeweils ein Kühlkanal
gebildet wird. Auf diese Weise werden schichtweise innere und -äußere Kernteile
gebildet, die am mittleren Schenkel gemäß der Erfindung durch orientierte Einsatzglieder
vereinigt sind.
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In jeder Schicht des Kerns sind die entsprechenden geschlitzen Bleche
der einzelnen Schenkel mit den in gleicher Weise geschlitzten Blechen des Jochs
vereinigt. So ist in Fig. i der Blechstreifen :2 des linken Schenkels in der äußersten
Kernschicht an seinem oberen und unteren Ende mit den ebenfalls außen liegenden
Streifen 8 und 9 des Jochs durch Gehrungsstöße verbunden. Der Streifen 3 des linken
Schenkels ist in entsprechender Weise an seinem oberen und unteren Ende mit den
innen liegenden Streifen io und ii durch Gehrungsstöße verbunden.
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Die Streifen 6 und 7 des rechten Schenkels und die Streifen q. und
5 des mittleren Schenkels sind in entsprechender Weise mit den Streifen 12 und
13
und 1q. und 15 bzw. io und zi und 1q. und 15 verbunden.
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Um eine gute magnetische Verbindung zwischen dem äußeren und dem inneren
Kernteil zu bewirken und um einen einwandfreien magnetischen Feldverlauf innerhalb
der drei- Schenkel zu schaffen, werden polygonäle Einsatzstücke 16 und 17 an den
oberen
und unteren Enden des Kerns (äußere Schicht) eingesetzt. Wie im einzelnen aus Fig.
2 hervorgeht, ist das polygonale Einsatzstück 16 mit den Jochstreifen 8 und 12 am
äußeren Kernteil, den Jochstreifen io und 14 am inneren Kernteil und mit den Streifen
4 und 5 des mittleren Kernschenkels verbunden. In entsprechender Weise ist das Einsatzstück
17 mit den Jochstreifen 9 und 13
des äußeren Kernteils, den Jochstreifen
ii und 15 des inneren Kernteils und mit den unteren Enden der Streifen 4 und 5 des
mittleren Kernschenkels verbunden.
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Jeder Schenkelstreifen in den äußeren Kernschenkeln ist mit den benachbarten
Jochstreifen vorzugsweise durch einen Gehrungsstoß verbunden, wie aus der Zeichnung
ersichtlich ist. Die einzelnen Gehrungsstöße der verschiedenen Schichten überlappen
sich gemäß Fig. i vorzugsweise. Jede Gehrungslinie ist versetzt zu der Diagonale
von den in der äußeren Ecke zusammentreffenden äußeren Schenkel- und Jochkanten
nach der inneren Ecke zu, die durch das Zusammentreffen der inneren Schenkel- und
Jochkanten der gleichen Schenkel-und Jochstreifen gebildet wird. So ist nach Fig.
i die Gehrungslinie 18 zwischen dem Streifen 2 des linken Schenkels und dem benachbarten
Streifen 8 des Jochs nach rechts von der Diagonale zwischen den Ecken i9 und 2o
versetzt. Durch diese Versetzung würde ein Teil des Jochstreifens 8 an der inneren
Ecke 20 weggeschnitten, wenn der Jochstreifen 8 im gleichen Gehrungswinkel von der
äußeren zur inneren Ecke abgeschnitten würde. Um dies zu vermeiden, endet die Gehrungslinie
des Jochstreifens 8, wenn sie einen Punkt erreicht, der in der Verlängerung der
inneren Kante des Jochstreifens 2 liegt; der Jochstreifen 8 weist dann eine einspringende
Kante 2i auf, die senkrecht zur Längsrichtung des Jochstreifens liegt. Die Gehrungsstöße
zwischen je einem Paar benachbarter Schenkel- und Jochstreifen in den linken und
rechten Schenkeln sind vorzugsweise in der gleichen Weise ausgebildet.
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Die Richtung der Versetzung der Gehrungsstöße benachbarter Schichten
ist entgegengesetzt gerichtet, um eine Überlappung der Stöße benachbarter Schichten
zu erhalten. So ist der Gehrungsstoß für die unmittelbar unter der äußersten Schicht
liegenden Schicht gegenüber der Diagonale von der Ecke i9 zur Ecke 2o nach links
versetzt.
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Gemäß der Erfindung sind die inneren und äußeren Kernteile magnetisch
durch einen T-Stoß am mittleren Schenkel verbunden; gleichzeitig wird eine Verbindung
der Magnetlinien aller drei Schenkel durch polygonale Einsatzglieder aus orientiertem
magnetischem Material geschaffen, die derart eingesetzt sind, daß die aufeinanderfolgenden
kornorientierten Einsatzglieder mit ihrer Vorzugsrichtung gedreht sind, so daß innerhalb
praktischer Grenzen gleich günstige Wege für die verschiedenen Richtungen der magnetischen
Feldlinien erhalten werden. Weiterhin sind die Einsatzglieder im Winkel zu den horizontalen
und transversalen Achsen des Kernes ausgerichtet, so daß Gehrungsstöße zwischen
den Kanten der Einsatzglieder und den Schichten entstehen, mit denen die Einsatzglieder
benachbart sind.
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In Fig. 2 ist das Einsatzstück 16 gezeigt, das auch in der äußersten
Schicht des Kerns in der Fig. i dargestellt ist.
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Die Achse dieses Einsatzgliedes 16 ist unter einem Winkel von etwa
45° gegen die vertikale Achse des mittleren Schenkels gedreht, so daß die Kanten
22 und 23 des Einsatzstückes einen Gehrurngsstoß mit den Kanten der Jochstreifen
12 und 8 und die gegenüberliegenden Seiten des Einsatzstückes 16 auch einen Gehrungsstoß
mit den Jochstreifen io und 14 bilden. Die Ecken des Einsatzgliedes 16 sind derart
abgeschnitten, daß - die Schnittlinien in einer Linie mit den entsprechenden Kanten
der Joch- und Schenkelstreifen liegen; d. h. beispielsweise die rechte Kante 24
liegt in einer Linie mit,der rechten Kante des mittleren Schenkelstreifens 5, die
Bodenkante 25 des Einsatzgliedes 16 liegt in einer Linie mit der Bodenkante der
Jochstreifen io und 14, die linke Kante 26 des Einsatzgliedes liegt in einer Linie
mit der linken Kante des Schenkelstreifens 4, und die obere Kante 27 des Einsatzgliedes
liegt in einer Linie mit den oberen Kanten 8 und 12 des Jochstreifens. Mit anderen
Worten, die äußeren Abmessungen des Einsatzgliedes 16 stimmen sowohl mit der äußeren
Breite der beiden Streifen des mittleren Schenkels als auch mit der Gesamtbreite
der beiden Streifen B und io bzw. 12 und 14 des Jochs überein.
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Die sechs aufeinanderfolgenden benachbarten Blechschichten des Kerns
sind mit den Einsatzgliedern 28, 29, 30, 3 i und 32 versehen, und zwar in der besonderen
Anordnung, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist.
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Um gleich günstige Flußwege für den gesamten magnetischen Fluß zu
erhalten, der durch die Einsatzglieder in jedem Augenblick. geht, und unter Berücksichtigung
der wechselnden Richtung . des' magnetischen Flusses werden gemäß der Erfindung
Einsatzglieder verwendet, die in verschiedener Richtung orientiert sind. Die Richtung
der Kornorientierung der verschiedenen Einsatzglieder ist jeweils durch einen Pfeilangegeben,
der auf jedem Einsatzglied angebracht ist. So gibt der Pfeil für den Einsatz 16
an, daß die Kornorientierung dieses Einsatzes parallel zur Kornorientierung des
mittleren Schenkels ist und senkrecht zur Kornorientierung der Jochstreifen 12 und
14 verläuft.
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Der Pfeil auf dem Einsatzglied 28 zeigt an, daß die Kornorientierung
dieses Einsatzgliedes entgegen dem Uhrzeigersinn um 45° gegen die Kornorientierung
des Einsatzgliedes 16 gedreht ist. Der Pfeil am Einsatzglied 29 zeigt an, daß die
Kornorientierung dieses Einsatzgliedes etwa senkrecht zur Kornorientierung des Einsatzgliedes
16 und parallel zur Kornorientierung der Jochstreifen 37 und 39 verläuft. Der Pfeil
auf dem Einsatzglied 30 zeigt an, daß dessen Korn in der gleichen Richtung
wie das des Einsatzgliedes 29 orientiert ist und daß die Kornorientierung senkrecht
zu der des Einsatzgliedes 16 verläuft. Der Richtungspfeil am Einsatz 31
zeigt
an, daß dessen Kornorientierung in Uhrzeigerrichtung um 45q gegenüber der Kornorientierung
des Einsatzgliedes 16 gedreht ist, während der Richtungspfeil am Einsatz 32 anzeigt,
daß die Kornorientierung die gleiche wie im Einsatzglied 16 ist.
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Um eine Überlappung zwischen den Stößen des Jochs und der Schenkel,
zu erhalten, die sich am mittleren Schenkel treffen, sind die Stöße zwischen entsprechenden
Joch- und Schenkelstreifen benachbarter Schichten verschoben, wie nachstehend näher
beschrieben wird. Die das Einsatzglied 16 aufnehmenden Streifen 4 und 5 sind ausgenommen,
um die Jochstreifen io und 14 aufzunehmen, und der Gehrungsstoß zwischen dem Jochstreifen
io und dem Schenkelstreifen 4 ist an der linken Kante des Schenkelstreifens 4 ausgeschnitten;
in gleicher Weise ist der Gehrungsstoß zwischen dem Jochstreifen 14 und dem Schenkelstreifen
5 an der rechten Kante 'des Schenkelstreifens 5 nach innen verschoben. In der Schicht,
die das Einsatzglied a8 enthält, erstreckt sich der Gehrungsstoß zwischen dem Jochstreifen
33 und dem Schenkelstreifen 34 ebenso wie zwischen dem Jochstreifen 35 und dem Schenkelstreifen
36 direkt bis zur Ecke, die durch die Joch- und Schenkelstreifen gebildet wird.
In der das Einsatzglied 29 enthaltenden Schicht sind die entsprechenden Streifen
37 und 39 ausgenommen, um die Enden der Schenkelstreifen 38 und 40 aufzunehmen,
so daß sich auf diese Weise die Gehrungsstöße dieser Schicht mit den entsprechenden
Gehrungsstößen der Schichten, die die Einsatzglieder 16 und 28 enthalten, überlappen.
Die Gehrungsstöße für die Schichten, die die Einsatzglieder 30, 31 und 32
enthalten, sind entsprechend ausgebildet wie die Gehrungsstöße für die Schichten,
die die Einsatzglieder 16,:28, und 29 enthalten.
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Um eine überlappung der Gehrungsstöße zwischen den Einsatzgliedern
benachbarter Schichten zu erhalten, ist die Breite der entsprechenden Einsatzglieder
in einer Richtung senkrecht zu ihrer entsprechenden Längsachse gestaffelt, wie jetzt
näher beschrieben werden soll: Die aufeinanderfolgenden Einsatzglieder 16, 28 und
29 werden immer schmäler. Das Einsatzglied 16 ist breiter als die-Einsatzglieder
28 und 29, und das Einsatzglied 28 ist wiederum breiter als das Einsatzglied 29.
Diese veränderliche Breitenfolge wiederholt sich bei den Einsatzgliedern 30, 31
und 32.
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In der das Einsatzglied 16 enthaltenden Schicht sind die entsprechenden
Joch- und Schenkelstreifen, die mit dem Einsatzglied 16 verbunden sind, über eine
Gehrungskante mit dem Einsatzglied fast über die ganze Kontaktkante verbunden, außer
an einer kurzen Kante des Einsatzgliedes, die senkrecht zur Längskante des entsprechenden
Schenkel- oder Jochstreifens liegt. In der Schicht, die das Einsatzglied 28 enthält,
sind die entsprechenden Joch- und Schenkelstreifen entlang der gesamten Länge aller
Kanten, an denen sie mit dem Einsatzglied 28 zusammenstoßen, gegehrt. Das Einsatzglied
29, das schmäler als die Einsatzglieder 16 und 28 ist, ist mit den entsprechenden
Schenkel- und Jochstreifen über Gehrkanten verbunden, die gegenüber den äußeren
Umrissen des Einsatzgliedes nach innen verschoben sind. Die äußeren Kanten des Einsatzgliedes
29 stehen nach außen wie Ohren aus dem Hauptkörper des Einsatzgliedes hervor. Die
Einsatzglieder 30, 3i und 32 entsprechen den Einsatzgliedern 16,:28 und 29.
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In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform gemäß der Erfindung beschrieben,
nach der die Einsatzglieder gegenüber der in Fig.2 dargestellten etwas anders geformt
sind. Fig. 3 zeigt sechs aufeinanderfolgende Schichten mit den Einsatzgliedern 41,
42, 43, 44, 45 und 46. Jedes dieser Einsatzglieder ist so angeordnet, daß seine
Längs-und Querachsen im spitzen Winkel zu den Längsachsen der Joch- und Schenkelstreifen
verlaufen, die sich mit den entsprechenden Einsatzgliedern treffen. Auf diese Weise
werden Gehrungsstöße zwischen den verschiedenen Einsatzgliedern und den Joch-und
Schenkelstreifen an den aneinanderstoßenden Kanten erzielt. Die in Fig. 3 dargestellten
Einsatzglieder bestehen aus orientiertem magnetischem Material. Die Kornorientierung
dieser Einsatzglieder für benachbarte Schichten ist derart, daß sie wenigstens teilweise
mit der wechselnden Richtung des magnetischen Flusses über die entsprechenden Einsatzglieder
erfolgt. Fig. 3 zeigt eine Ausführung der Erfindung unter Ausnutzung von zwei verschiedenen
Richtungen der Kornorientierung. So ist die Kornorientierung des Einsatzgliedes
41 entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn gegenüber der Richtung der Kornorientierung
in den Streifen 47 und 48 um 45° gedreht. Die Richtung der Kornorientierung des
Einsatzgliedes 42 verläuft senkrecht zur Kornorientierung des Einsatzgliedes 41
und ist in Richtung des Uhrzeigers gegenüber der Kornorientierung der Schenkelglieder
49 und 5o um 45° gedreht. Benachbarte Einsatzglieder in der Ausführung nach Fig.
3 haben Kornorientierungen, die gegeneinander senkrecht aufeinanderstehen, wobei
jedes zweite Einsatzglied die gleiche Kornorientierung hat. So stimmen die Richtungen
der Kornorientierungen in den Einsatzgliedern 41, 43 und 45 einerseits und 42, 44
und 46 andererseits überein. .
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Die Einsatzglieder nach Fig. 3 entsprechen in ihrer Breite denen der
Fig. 2 insofern, als aufeinanderfolgende Einsatzglieder aufeinander abgestimmt sind.
So werden die Einsatzglieder 41, 42 ' und 43 fortschreitend schmäler, wie es oben
für die Einsatzglieder 16, 28 und 29 in Fig. 2 bereits beschrieben ist. Der grundsätzliche
Unterschied in der Form der Einsatzglieder nach Fig. 3 gegenüber denen nach Fig.
2 besteht darin, daß die Einsatzglieder 42 und 43 rechteckig sind. Dadurch stehen
die Ecken des Einsatzgliedes 42 über die Kanten der entsprechenden Joch- und Schenkelstreifen
hervor; diese Ecken sind also nicht abgeschnitten wie beim Einsatzglied 41. In entsprechender
Weise liegen die Ecken des Einsatzgliedes 43 innerhalb der äußeren Begrenzungskanten
der Joch- und Schenkelstreifen, mit denen sie sich vereinigen, und es sind keine
ohrförmigen Ansätze vorgesehen, wie
beim Einsatzglied 29 der Ausführungsform
nach Fig. 2.
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Die Kreuzungsstellen für die vielfältigen Wege des Magnetflusses,
hervorgerufen durch die Dreiphasenwicklungen, ermöglichen einen ungehemmten Fluß
zwischen j e zwei Magnetwegen durch Verwendung von orientiertem magnetischem Material,
aus dem der Kern gebildet ist.