WO1998018189A2 - Elektrische maschine mit einer einzelpolwicklung - Google Patents

Elektrische maschine mit einer einzelpolwicklung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an electrical machine with a single-pole winding according to the preamble of claims 1 and 5 and a method for their production.
  • Electrical machines especially low-power EC external rotors, advantageously have individually wound poles.
  • Single-pole windings avoid overlaps of conductors in different phases and can therefore be wound very compactly.
  • DE-AS 1 033 769 describes a rotor for a dynamoelectric machine, the individual poles of which are attached to the core by dovetail-shaped projections.
  • a brushless DC motor with an internal rotor is known in which the stator is composed of L-shaped segments which are inserted into a winding wound on a star-shaped plastic body.
  • the invention is therefore based on the object of further developing an electrical machine with a single pole winding and a method for its production in such a way that the losses are reduced for a given size and at the same time simple, inexpensive production is made possible.
  • the body that forms the individual poles is composed of soft magnetic segments, these segments preferably consisting of sheets which are layered in the axial direction and have grooves on the surfaces formed by the groove wall, which enable the conductor wire to be guided exactly when the pole coils are wound.
  • the first approach therefore consists in achieving a defined position of the turns by means of a structured surface of the pole core and only realizing thin insulating layers between the conductors and the pole core. This ensures good heat dissipation of the winding losses in the pole core and a high slot filling factor.
  • round or profile wires can be wound in defined positions without overlap by subsequent pressing into the desired shape.
  • a precisely working winding machine generates a reproducible coil surface and is therefore the prerequisite for the subsequent compression and space-saving assembly in the machine.
  • the second approach - described in claim 5 - enables good use of space in multi-phase machines with single-pole winding and at the same time leads to a reduction in losses and manufacturing costs.
  • the preferably ring-shaped soft magnetic body is composed of two segment designs, which are arranged alternately in the circumferential direction.
  • the pole pitch of the first segment designs - hereinafter referred to as the T-segment - roughly corresponds to the pole pitch of the body opposite at the air gap.
  • the pole pitch of the second segment design - hereinafter referred to as the X segment - is larger or smaller by the fraction of the pole pitch corresponding to the number of phases.
  • the X-segment realizes the phase shift on the circumference of successive T-segments and at the same time ensures a magnetically homogeneous air gap surface of the soft magnetic body. While the T-segment forms the coil core, the X-segment fills the space between two adjacent conductor coils and is preferably designed in such a way that cavities which increase the heat resistance are avoided.
  • the coils can preferably be wound directly onto the T-segment as wire coils or prefabricated in a device as profile wire coils solidified with baked enamel.
  • the T-segment conducts the magnetic flux mainly in the direction of the groove depth and can therefore advantageously be made from grain-oriented material.
  • the X segment also takes over the flow in the direction of the groove width and is therefore preferably made of low-loss electrical sheet with no preferred direction.
  • FIG. 2 shows the top view of a forehead element
  • 3 shows the cross section of a wound pole element before the pressing
  • FIG. 5 shows the cross section of a 10-pole, four-phase EC external rotor
  • FIG. 6 shows the cross section of a 10-pole, four-phase EC internal rotor
  • FIG. 8 shows components from FIG. 7 during assembly.
  • the stamped section of a pole segment 1 shown in FIG. 1 has the grooves 2 typical of the first approach to the invention in the edges towards the groove space.
  • the grooves of the slot surface 3 serve to guide the conductor wires 4.
  • the surface is structured in such a way that the first layer of the pole winding forms an optimal starting position for producing a trapezoidal coil 5.
  • plastic end-head elements 6, which also have grooves 7, are glued to the end faces of the pole segments 1 in order to guide the conductor wire 4 in a defined manner.
  • the first layer of the single pole coil 5 can be wound directly and precisely on the pole segment 1.
  • the grooves 2, 7 can be of different widths and depths, so that the wires 4 have different distances from one another in one position.
  • Fig. 3 shows a section through the pole segment 1 immediately after winding, with relatively thick round wire 4 being laid in a strictly predetermined pattern.
  • FIG. 4 shows the wound pole segment 1 from FIG. 3 after the coil 5 has been compressed to the desired outer dimensions in a pressing device.
  • the round wires 4 are deformed in order to achieve smooth surfaces 9.
  • the grooving factor is further increased by the pressing, thereby reducing the winding losses for the same size.
  • the pole segments are preferably made from grain-oriented electrical sheet.
  • the prefabricated electropoles 10 according to FIGS. 1 to 4 are components of a four-phase, 10-pole EC external rotor motor 11, the cross section of which is shown in FIG. 5.
  • the pole segments 1 use the space up to the center of the axis to guide the magnetic flux.
  • thin retaining pins are inserted axially into the cutouts 12 at the abutment points 13 of the pole segments and thus ensure stable cohesion of the segmented stator 14.
  • the rotating housing 15 also serves as a magnetic yoke for the permanent magnets 16.
  • prefabricated pole segments 17 can also be used radially outside the air gap.
  • 6 shows, by way of example, the cross section of a four-phase 10-pole EC internal rotor 18, a permanent magnet ring 20 which is magnetized radially with multiple poles being glued to the hollow shaft 19 made of silicon iron.
  • the pole segments 19 are stamped from high-frequency sheet metal and have a flux density close to the flux density in the ring-shaped magnet 20 (e.g. I T). Only the holes 21 for the retaining pins in the yoke area are areas in the cross-sectional drawing that are not used electromagnetically.
  • FIG. 7 shows an annular three-phase EC machine 22 in accordance with the second basic concept of the invention.
  • the fourteen identical permanent magnets 23, which are evenly distributed and glued into the rotor yoke 24, are located at the air gap 25 with twelve pole segments - six T-segments 26 and 6 X-segments 27 each.
  • the pole segments 26, 27 cover almost the entire surface at the air gap 25.
  • the striped hatched T-segments 26 preferably consist of transformer sheet and are inserted in the prefabricated profile wire winding 29.
  • the X-segments 27 punched out of dynamo sheet are cross-hatched.
  • stator ring 30 After the assembly of the pole segments 26, 27 and profile wire coils 29 - as shown in Fig. 8 - the stator ring 30 is placed on a polygonal support tube 31 and provided with a thin bandage 32 made of fiber-reinforced band. After impregnation, the stator is then sufficiently solidified and can be exposed to the magnetic forces of the rotor.
  • the X segments can also only cover two thirds of the rotor pole pitch at the air gap, as a result of which only 10 rotor poles lie opposite the 12 stator poles.
  • the invention can also be used for internal rotors, axial flow machines and linear motors as well as for machines with electrical excitation or according to the reluctance principle.

Abstract

Elektrische Maschinen mit radialem Luftspaltfeld, insbesondere EC-Außenläufer mit kleiner Leistung, weisen vorteilhaft einzeln bewickelte Pole auf. Der trapezförmige Nutquerschnitt und kleine Nutöffnungen zum Luftspalt erschweren die Realisierung einer kompakten Wicklung. Erfindungsgemäß wird der Einzelpole ausbildende Körper der elektrischen Maschine aus weichmagnetischen Segmenten zusammengesetzt, wobei die vorzugsweise aus in axiale Richtung geschichteten Blechen bestehenden Segmente an den die Nutwand bildenden Rändern Vertiefungen aufweisen, die eine exakte Führung des Leiterdrahtes beim Wickeln der Einzelpole ermöglicht. Die Polschuhe decken am Luftspalt nahezu den gesamten Umfang ab und am gegenüberliegenden Ende bilden benachbarte Polsegmente vorzugsweise Aussparungen, in die nach der Montage Haltestifte axial eingeführt werden und eine radiale Fixierung gewährleisten. In mehrphasigen Maschinen wechseln sich in Richtung der Nutbreite bewickelte T-Segmente mit unbewickelten X-Segmenten ab, wobei die X-Segmente eine um einen der Phasenanzahl entsprechenden Bruchteil vergrößerte Polfläche aufweisen. Die Erfindung ermöglicht die Realisierung kostengünstiger, hocheffizienter Elektroantriebe.

Description

Elektrische Maschine mit einer Einzelpolwicklung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Einzelpolwicklung gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 und 5 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Elektrische Maschinen, insbesondere EC- Außenläufer mit kleiner Leistung, weisen vorteilhaft einzeln bewickelte Pole auf. Einzelpolwicklungen vermeiden Überschneidungen von Leitern unterschiedlicher Phasen und können so sehr kompakt gewickelt werden.
In der DE-AS 1 033 769 wird ein Rotor für eine dynamoelektrische Maschine beschrieben, dessen Einzelpole durch schwalbenschwanzförmige Vorsprünge am Kern befestigt werden.
Aus der DE 42 13 377 AI ist ein bürstenloser Gleichstrommotor mit Innenläufer bekannt in dem der Stator aus L-förmigen Segmenten zusammengesetzt wird, die in eine auf einen sternförmigen Kunststoffkörper gewickelte Wicklung eingesteckt werden.
In der DE 44 36 257 AI wird ein Schenkelpolläufer einer dynamoelektrische Maschine beschrieben, der durch Zusammenschieben und Verkeilen zweier klauenförmiger Hälften hergestellt wird. Durch das Fehlen jedes zweiten Pols in den Läuferhälften wird das direkte Bewickeln der in Schichtblechtechnik ausgeführten Erregerpole vereinfacht. Alle Pole sind symmetrisch über den Umfang verteilt und baugleich ausgeführt.
Weiterhin sind aus der DE 4004 019 AI Stapelspulen bekannt, die trotz der mit dem Radius abnehmenden Nutbreite einen hohen Nutfüllfaktor ermöglichen. Die Herstellung dieser Stapelspulen ist sehr aufwendig und für ihre Montage sind offene Nuten erforderlich, die wiederum Pulsationsverluste oder Kosten für die Herstellung und Montage von weichmagnetischen Nutkeilen verursachen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit einer Einzel polwicklung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung derart weiter zu bilden, daß bei vorgegebener Baugröße die Verluste gesenkt werden und gleichzeitig eine einfache kostengünstige Herstellung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1, 5, 10 und 12 aufgeführten Merkmale der Erfindung gelöst.
Erfindungsgemäß wird der die Einzelpole ausbildende Körper aus weichmagnetischen Segmenten zusammengesetzt, wobei diese vorzugsweise aus in axialer Richtung geschichteten Blechen bestehenden Segmente an den die Nutwand bildeten Oberflächen Rillen aufweisen, die eine exakte Führung des Leiterdrahtes beim Wickeln der Polspulen ermöglicht. Der erste Lösungsansatz besteht somit darin durch eine strukturierte Oberfläche des Polkerns eine definierte Lage der Windungen zu erreichen und dabei nur dünne Isolierschichten zwischen den Leitern und dem Polkern zu realisieren. Hierdurch wird eine gute Wärmeableitung der Wicklungsverluste in den Polkern und ein hoher Nutfüllfaktor erreicht.
Zusätzlich können in definierten Lagen überlappungsfrei aufgewickelzen Rund- oder Profildrähte durch anschließendes Pressen in die gewünschte Form weiter verdichtet werden. Ausgehend von einer in den Vertiefungen des Polkerns definiert verlegten ersten Spulenlage erzeugt eine präzise arbeitende Wickelmaschine eine reproduzierbare Spulenoberfläche und schaft damit die Voraussetzung für die nachfolgende Verdichtung und raumsparende Montage in der Maschine.
Ergänzend oder alternativ ermöglicht auch der zweite - im Anspruch 5 beschriebene - Lösungsansatz eine gute Raumausnutzung in mehrphasigen Maschinen mit Einzelpolwicklung und führt gleichzeitig zu einer Verminderung der Verluste und der Herstellungskosten. Hierbei wird der vorzugsweise ringförmige weichmagnetische Körper aus zwei Segmentbauformen zusammengesetzt, die in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind.
Die Polteilung der ersten Segmentbauformen - im folgenden als T-Segment bezeichnet - entspricht in etwa der Polteilung des am Luftspalt gegenüberliegenden Körpers. Die Polteilung der zweiten Segmentbauform - im folgenden als X-Segment bezeichnet - ist dagegen um den der Phasenanzahl entsprechenden Bruchteil der Polteilung größer oder kleiner. Das X-Segment realisiert den Phasenversatz am Umfang aufeinanderfolgender T-Segmente und gewährleistet gleichzeitig eine magnetisch homogen wirkende Luftspaltoberfläche des weichmagnetischen Körpers. Während das T-Segment den Spulenkern bildet, füllt das X-Segment den Raum zwischen zwei benachbarten Leiterspulen aus und ist vorzugsweise derart gestaltet, daß den Wärmewiderstand erhöhende Hohlräume vermieden werden.
Die Spulen können als Drahtspulen vorzugsweise direkt auf das T-Segment aufgewickelt oder als mit Backlack verfestigte Profildrahtspulen auch in einer Vorrichtung vorgefertigt werden. Das T-Segment leitet den magnetischen Fluß hauptsächlich in Richtung der Nuttiefe und kann daher vorteilhaft aus kornorientiertem Material hergestellt werden. Dagegen übernimmt das X- Segment auch die Flußführung in Richtung der Nutbreite und besteht daher vorzugsweise aus verlustarmen Elektroblech ohne Vorzugsrichtung.
In den Zeichnungen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 zeigt den Stanzschnitt eines Polsegments,
Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf ein Stirnkopfelement, Fig. 3 zeigt den Querschnitt eines bewickelten Polelementes vor dem Verpressen,
Fig. 4 zeigt den Querschnitt eines bewickelten Polelementes nach dem Verpressen,
Fig. 5 zeigt den Querschnitt eines 10-poligen, vierphasigen EC-Aussenläufers,
Fig. 6 zeigt den Querschnitt eines 10-poligen, vierphasigen EC-Innenläufers,
Fig. 7 zeigt den Querschnitt eines 14-poligen, dreiphasigen EC-Aussenläufers,
Fig. 8 zeigt Komponenten aus Fig. 7 bei der Montage.
Der in Fig. 1 dargestellte Stanzschnitt eines Polsegments 1, weist die für den ersten Lösungsansatz der Erfindung typische Rillen 2 in den Kanten zum Nutraum hin auf. Die Rillen der Nutoberfläche 3 dienen der Führung der Leiterdrähte 4. Die Oberfläche ist derart strukturiert, daß die erste Lage der Polwicklung eine optimale Ausgangslage zur Erzeugung einer trapezförmigen Spule 5 bildet.
Ergänzend zu dieser Führung der innersten Wicklungslage sind auf den Stirnseiten der Polsegmente 1 Stimkopfelemente 6 aus Kunststoff aufgeklebt, die ebenfalls Rillen 7 aufweisen, um den Leiterdraht 4 definiert zu führen.
In Fig. 2 eines der beiden zugehörigen Stirnkopfelemente 6 dargestellt, wobei unten die Drahtzuführung 8 erkennbar ist und die übrigen Rillen 7 einen definierten Spurwechsel des Drahtes 4 erzwingen. Das gegenüberliegende Stirnkopfelement führt den Draht in der gleichen radialen Höhe um das Polende.
Mit Hilfe der das Polsegment 1 schraubenförmig umschließenden Rillen 2, 7 kann die erste Lage der Einzelpolspule 5 sehr exakt und straff direkt auf dem Polsegment 1 gewickelt werden. Hierbei können die Rillen 2, 7 verschieden breit und tief ausgeführt sein, so daß die Drähte 4 in einer Lage unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch das Polsegment 1 unmittlbar nach dem Bewickeln, wobei relativ dicker Runddraht 4 in einem streng vorgegeben Muster verlegt ist.
Fig. 4 zeigt das bewickelte Polsegment 1 aus Fig. 3 nachdem die Spule 5 in einer Preßvorrichtung auf die gewünschten Außenabmessungen verdichtet wurde. Hierbei werden die Runddrähte 4 verformt, um glatte Oberflächen 9 zu erreichen. Zusätzlich zum exakten Verlegen des Drahtes wird durch das Verpressen eine weiter Steigerung des Nutfüllfaktors erreicht und dadurch die Wicklungsverluste bei gleicher Baugröße reduziert. Die Polsegmente werden vorzugsweise aus kornorientiertem Elektroblech hergestellt.
Die entsprechend Fig. 1 bis 4 vorgefertigten Elektropole 10 sind Bauteile eines vierphasigen, 10-poligen EC-Aussenläufermotors 11, dessen Querschnitt in Fig. 5 dargestellt wird. Die Polsegmente 1 nutzen den Raum bis zur Achsmitte zur Führung des magnetischen Flusses. Nach der Montage werden dünne Haltestifte in die Aussparungen 12 an den Stoßsstellen 13 der Polsegmente axial eingesteckt und gewährleisten so einen stabilen Zusammenhalt des segmen- tierten Stators 14. Das rotierende Gehäuse 15 dient gleichzeitig als magnetischer Rückschluß für die Permanentmagnete 16.
Alternativ können vorgefertigte Polsegmente 17 auch radial außerhalb des Luftspaltes eingesetzt werden. Fig. 6 zeigt beispielhaft den Querschnitt eines vierphasigen 10-poligen EC-Innen- läufers 18, wobei auf der Hohlwelle 19 aus Siliziumeisen ein radial- vielpolig magnetisierter Permanetmagnetring 20 aufgeklebt ist. Für hohe Drehzahlen werden die Polsegmente 19 aus Hochfrequenzblech gestanzt und weisen eine Flußdichte nahe der Flußdichte im ringförmigen Magneten 20 (z.B. I T) auf. Nur die Löcher 21 für die Haltestifte im Jochbereich sind in der Querschnittszeichnung Bereiche, die nicht elektromagnetisch genutzt werden.
In Fig. 7 ist ein ringförmige dreiphasiger EC-Maschine 22 entsprechend dem zweiten Grundgedanken der Erfindung dargestellt. Den vierzehn baugleichen Permanentmagneten 23, die gleichmäßig verteilt in das Rotorjoch 24 eingeklebt sind, liegen am Luftspalt 25 zwölf Polsegmente - jeweils sechs T-Segmente 26 und 6 X-Segmente 27 - gegenüber. Die Polsegmente 26, 27 decken am Luftspalt 25 nahezu die gesamte Oberfläche ab. Die gestreift schraffierten T-Segmente 26 bestehen vorzugsweise aus Trafoblech und stecken in der vorgefertigten Profildrahtwicklung 29. Die aus Dynamoblech gestanzten X-Segmente 27 sind gekreuzt schraffiert. Sie erzeugen durch ihre größere tangentiale Breite den Phasenversatz und sind an den Nutflächen 28 derart ausgestaltet, daß sie bei der Montage die Profildrahtspulen 29 in einer definierten Lage drücken und durch flächiges Anliegen einen gute Wärmeableitung sowie geringe Wicklungsgeräusche gewährleisten.
Nach der Montage der Polsegmente 26, 27 und Profildrahtspulen 29 - wie in Fig. 8 dargestellt - wird der Statorring 30 auf ein mehreckiges Trägerrohr 31 gesteckt und mit einer dünnen Bandage 32 aus faserverstärktem Band versehen. Nach dem Imprägnieren ist der Stator dann ausreichend verfestigt und kann den magnetischen Kräften des Rotors ausgesetzt werden.
Alternativ zu Fig. 7 können die X-Segmente auch nur Zweidrittel der Rotorpolteilung am Luftspalt abdecken, wodurch den 12 Statorpolen nur 10 Rotorpole gegenüberliegen. Die Erfindung ist auch für Innenläufer, Axialflußmaschinen und Linearmotoren sowie für Maschinen mit elektrischer Erregung oder nach dem Reluktanzprinzip anwendbar.

Claims

Patentansprüche
1 ) Elektrische Maschine mit einer Einzelpol wicklung, und einem aus Polsegmenten ( 1 , 19, 26, 27) zusammengesetzten weichmagnetischen Körper, dadurch gekennzeichnet, daß die den Nutraum begrenzenden Oberflächen (3) der Polsegmente (1, 19) Rillen aufweisen und in diesen Rillen (2, 28) dieser Rillen Leiterdrähte (4) angeordnet sind.
2) Elektrische Maschine mit einer Einzelpolwicklung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Polsegmente (1, 19, 26) aus geschichteten, kornorientierten Blechen bestehen.
3) Elektrische Maschine mit einer Einzelpolwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stirnseiten der Polsegmente (1 , 19, 26) Stimkopfelemente (6) mit Vertiefungen (7) angebracht sind und diese Vertiefungen den Draht (4) führen.
4) Elektrische Maschine mit einer Einzelpolwicklung nach Anspruch 1, wobei die Polsegmente (1) radial innerhalb des Luftspaltes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Polsegmente (1) an ihren radial inneren Enden zusammenstoßen und dabei an den Stoßstellen (13) Kontaktflächen (12) aufweisen in denen Haltestifte eingesteckt sind.
5) Elektrische Maschine mit einer Einzelpolwicklung, und einem aus Polsegmenten zusammengesetzten weichmagnetischen Körper, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Polsegmenten (26, 27) mit unterschiedlicher Polschuhbreite ausgeführt sind, wobei die Polschuhbreite von einem dieser beiden Polsegmente (27) in etwa der Polteilung des am Luftspalt gegenüberliegenden Körpers entspricht und die Polschuhbreite des benachbarten Polsegmentes (26) kleiner ist.
6) Elektrische Maschine mit einer Einzelpolwicklung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, die Breite des Polschuhes jedes zweiten Polsegments (26) um den der Phasenanzahl entsprechenden Bruchteil der Polteilung des gegenüberliegenden Körpers kleiner ist, als die Breite des Polschuhes des jeweils ersten Polsegments (27). 7) Elektrische Maschine mit einer Einzelpolwicklung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur eines von zwei benachbarten Polsegmenten (26, 27) von einer Spule umschlossen wird.
8) Elektrische Maschine mit einer Einzelpolwicklung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Spule umschlossene Polsegment (26) aus kornorientierten Blechen besteht und am Luftspalt eine Fläche ausbildet, die der Fläche der Pole des gegenüberliegenden Körpers entspricht.
9) Elektrische Maschine mit einer Einzelpolwicklung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Polteilung des am Luftspalt gegenüberliegenden Körpers abweichenden Polsegmente (27) den Raum zwischen zwei benachbarten Spulen ausfüllen und einen Großteil des Joches bilden.
10) Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine mit einer Einzelpolwicklung und einem aus Polsegmenten (1) zusammengesetzten weichmagnetischen Körper, dadurch gekennzeichnet, daß die Polspule nach dem Aufwickeln des Leiterdrahtes in einer Vorrichtung in eine definierte Form gepreßt wird, wobei die anschleißend im Nutraum liegenden Leiterdrähte verdichtet werden.
11) Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine mit einer Einzelpolwicklung und einem aus Polsegmenten (1) zusammengesetzten weichmagnetischen Körper, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht beim Wickeln der ersten Lage einer Polspule von Rillen im Polkern geführt wird.
12) Verfahren zur Herstellung elektrische Maschine mit einer Einzelpolwicklung und einem aus Polsegmenten (1) zusammengesetzten weichmagnetischen Körper, dadurch gekennzeichnet, daß bewickelte Polsegmente (26) mit unbewickelten Polsegmenten (27) zu einem kompakten ringförmigen Körper zusammengesteckt werden.
13) Verfahren zur Herstellung elektrische Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das unbewickelte Polsegment (27) beim Aufstecken die Spule (29) in eine definierte Form preßt.
14) Verfahren zur Herstellung elektrische Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Körper durch ein dünnes faserverstärktes Band (32) vor dem Imprägnieren bandagiert wird.
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