DE2731295A1

DE2731295A1 - Laminierte wicklung fuer elektrische maschinen und geraete

Info

Publication number: DE2731295A1
Application number: DE19772731295
Authority: DE
Inventors: Adrianus Wilhelmus Van Gils
Original assignee: GILS ADRIANUS VAN
Current assignee: GILS ADRIANUS VAN
Priority date: 1976-07-12
Filing date: 1977-07-11
Publication date: 1978-01-19
Also published as: JPS5330703A; US4398112A; US4319152A; NL163075B; NL7607705A; GB1589582A; NL163075C

Description

DC³L-IMG. KLAUS ΒΞΗΝ

DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER PATENTANWÄLTE

WIDENMAYERSTRASSE 6 O BOOO MÜNCHEN 33 TEL (OSO) 33 3S 3O 3β 91 S3

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Uns.Zeichen: A 14177 11. Juli 1977

A 14277 Ml/P

Herr Adrianua W. VAN UlLS₉ Jacob Fronkstraat 2A₉ Den Haag.

Holland

Laminierte Wicklung für elektrische Maschinen und Geräte

Bankhaus Msrck. Fmck a Co, München. (BLZ 7003040O) Konto Nr 394649 Bankhaus H. Aufhausar. München. Nr 3«3OO Postscheck: Münchan 3O9O4 8OO

Die Erfindung betrifft laminierte Schichtwicklungen für elektrische Maschinen, wie Motoren, Generatoren, und Geräten, wie Transformatoren und dergleichen, und richtet eich auf derartige Wicklungen, die wirtschaftlich und mit wenig Arbeitsaufwand hergestellt werden können. Wicklungen, an denen sich die Erfindung manifestiert, sind besonders für Scheibenmotoren mit radialem Luftspalt geeignet, deren Rotor einen Kern haben kann oder auch nicht, für Linearmotoren mit geradlinigem Luftspalt und für zylindrische Motoren und Generatoren mit einem axial verlaufenden Luftspalt jedoch auch für Transformatoren und Meßinstrumente.

Sie erfindungsgemäße Wicklung zeichnet sich dadurch aus, daß sie aus einer Vielzahl τοη blatt- oder plattenförmigen Mustern besteht, die auf ihrer einen Seite isoliert sind, wobei jedes der Muster eine Art Wellenwicklung bildet, die um den Motorumfang herumläuft und jeden der Magnetpole auf dreien seiner Tier Seiten umschließt,und daß die Vielzahl dieser Muster so überelnandergestapelt 1st und miteinander verbunden ist, daß alle Magnetpole vollständig umschlossen werden. Die erfindungsgemäße Wicklung ist mechanisch und elektrisch überaus stabil und fest, während ihr Füllfaktor optimal und die Kühlung äußerst gut ist. Die einzelnen Musterplatten der Wicklung bestehen vorzugsweise aus gestanztem Blatt- oder Plattenmaterial, können aber auch aus gegossenem Plattenmaterial zusammengefügt werden.

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Bei einem Scheibenmotor, bei dem gewöhnlich eine feststehende Statorscheibe mitten zwischen zwei Rotorscheiben angeordnet ist, die mit Magneten entgegengesetzter Polarität bestückt sind, oder für die Ausbildung eines Motors, dessen in der Mitte angeordnete Scheibe als Rotor bei feststehend angeordneten Magneten arbeitet, kann die erfindungsgemäße Wicklung sowohl im Rotor als auch im Stator Verwendung finden.

Es sei an dieser Stelle vermerkt, daß aus einem Plattenmaterial hergestellte Wicklungen an sich z.B. aus der holländischen Patentschrift 6706453 bekannt sind. Diese Wicklungen sind jedoch nicht in der überaus einfachen Weise ausgeführt, wie es Gegenstand der Erfindung ist. Vielmehr sind diese bekannten Wicklungen weniger robust und für hohe Leistungen ungeeignet, so daß sie nur bei kleinen Motoren anwendbar sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wicklung sind radial verläufende Streifen vorgesehen, die abwechselnd am äußeren umfang und am inneren umfang aurch in Umfangsrichtung verlaufende Streifen miteinander verbunden sind, wobei dann zwei benachbarte Streifen zur Mitte hin verlängert sind und einer der inneren Umfangsstrelfen, der mit dem radial verlaufenden Streifen verbunden ist, lose den angrenzenden verlängerten Radialstreifen überlappt.

Die erfindungsgemäße Wicklung läßt sich auch bei Linearmotoren anwenden, die zum Bewegen von Fahrzeugen, Schlitten,

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Maschinen und dergleichen benutzt werden, die keine elektrische Verbindung mit einem Netz benötigen. Eine Wicklung eines derartigen Linearmotors hat die Eigenschaft, daß jede der Musterplatten aus parallelen flachen Streiten besteht, die in wechselnder Folge miteinander an ihren Enden auf der einen Seite durch Streifen von denselben Abmessungen verbunden sind/ und daß eine Vielzahl dieser Musterplatten übereinandergestapelt und immer wieder so gegeneinander verschoben ist, wobei die Enden miteinander elektrisch verbunden sind, daß sich eine Wicklung eines. Linearmotors ergibt. Auch zylindrische Maschinen können mit einer laminierten Wicklung nach der Erfindung auf einfache Weise und mit großem Vorteil hergestellt werden. Die Herstellung derartiger Wicklungen ist auch in diesem Fall äußerst arbeitssparend und einfach, während der Raumfaktor wiederum optimal ist.

Eine laminierte Wicklung für einen zylindrischen Motor zeichnet sich aus durch einen Zylinder, der aus gerolltem Leitermaterial In Streifenform gebildet ist, das auf einer Seite isoliert ist und aus welchem Zylinder abwechselnd von einem Ende her und vom anderen axial verlaufende Schlitze herausgearbeitet sind, und zwar so weit und in solcher Weise, daß eine Wellenwicklung entsteht, die bei Stromdurchgang Magnetpole bilden kann, wodurch jeder Magnetpol auf drei von vier Seiten umschlossen ist, während die Wicklung mit elektrischen Anschlüssen für die Zuführung des Stroms ausgestattet ist.

Bei gewöhnlich gewickelten Spulen wird mehr Kupfer gewöhnlich

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außerhalb der wirksamen Nuten verwendet als innerhalb, so daß herkömmliche Motoren unnötigerweise schwer werden, und das Material, das keine sinnvolle Punktion hat, muß als verloren betrachtet werden.

Statt Kupfer kann bei der erfindungsgemäßen Wicklung ebenso Aluminium eingesetzt werden.

Es sei hervorgehoben, daß Gleichstrommaschinen mit einem Kommutator der umrichtertype versehen werden sollten, der den zugeführten Gleichstrom in Ein-, Zweit- oder Dreiphasenwechselstrom umwandelt je nach der Art der verwendeten Wicklung. Dies läßt sich mit der Tatsache erklären, daß bei laminierten Wicklungen mit sogenannten Breiviertelwindungen alle Spulen einer Wicklung automatisch in Reihe geschaltet sind und nur die Enden der Wicklung an den Kommutator-Umrichter angeschlossen werden können.

Wicklungen gemäß der Erfindung können z.B. in Motoren verwendet werden, die für den Einsatz in der Nabe von Zw3!radfahrzeugen geeignet sind, bei denen dann der Motor ein Drehmoment von 5 kpm aufzubringen hat, damit eine 10#ige Steigung mit iiner Geschwindigkeit von 10 km/h durchfahren werden kann. Die Gesamtzahl der Magnete beträgt dabei 32, 16 Magnete auf jeder Rotorscheibe· In diesem Fall sind für eine Zweiphasenwicklung 32 Spulen auf jeder Seite der Statorscheibe erforderlich, was insgesamt 64 Spulen ergibt. Wenn diese Spulen

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durch Wickeln eines 2mm -Drahtes und gegenseitiges Verbinden hergestellt werden, wäre dies wegen der kleinen Abmessungen kaum durchführbar, insbesondere wenn man bedenkt, daß jede Spule 25 Windungen haben sollte. Auf jeden Fall wären die Arbeitskosten bei der Herstellung der Wicklung und der Verbindungen dieser Spulen mit herkömmlichen Motoren so hoch, daß die Herstellungskosten den Motor als unbrauchbar ausweisen würden·

Die Erfindung soll anschließend in Verbindung mit der Zeichnung an einigen Ausführungsformen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die perspektivische Ansicht einer gestanzten Musterplatte für eine laminierte Schichtwicklung mit Dreiviertelwindungen;

Fig. 2 eine Ansicht der vollständigen Wicklung, die aus einer Vielzahl der Dreiviertelwindungen gemäß Fig. 1 hergestellt ist;

Fig. 3 eine Ansicht, die auf der linken Seite 8 Elektromagnet e zeigt, über die die in Fig. 2 gezeigten Muster hinübergeschoben werden können, während die rechtsseitigen Polkerne ebenfalls geeignet sind, daß die Spulen übergeschoben werden;

Fig. 4 eine zum Teil aufgebrochene Draufsicht auf einen Scheibenmotor mit erfindungsgemäßer Wicklung;

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Fig. 5 eine Schnittdarstellung des Motors aus Fig. 4;

Fig. 6 einen Kommutatorinverter für einen gweiphasigen selbstanlaufenden Gleichstrommotor mit radialem Luftspalt;

Fig* 7 eine Draufsicht auf eine Musterplatte für eine erfindungsgemäße Wicklung zum Einbau in einen Linearmotor;

Fig. 8 eine Draufsicht auf eine ähnliche Musterplatte für die gleiche Wicklung wie in Fig. 7;

Fig. 9 eine Draufsicht auf eine vollständige Wicklung eines Linearmotors aus mehreren Musterplatten mit einem Aufbau gemäß Fig. 7 und 8;

Fig. 10 eine Seitenansicht der Wicklung aus Fig. 9 für den Linearmotor;

Fig. 11

und 12 die Verbindungs- und Anschlußpunkte der Wicklungsenden der Wicklung aus Fig. 10;

Fig. 13 eine Draufsicht auf eine Doppelphasen-Linearwicklung für einen Linearmotor;

Fig. 14 die Anfangsphase bei der Herstellung einer zylindrischen Rotorwicklung;

Fig. 15 die Anfangsphase bei der Herstellung einer zylindrischen Statorwicklung, die mit der Rotorwicklung nach Fig. 14 zusammengefügt werden kann;

Fig. 16 einen Rotor für eine Rotorwicklung nach Fig.14,

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der zwei feststehende Polschuhe und zwei abnehmbare Polschuhe hat;

Pig. 17 die fertige Rotorwicklung, die über den Rotor nach Fig. 16 hinübergeschoben werden kann;

Pig. 18 die fertige Statorwicklung, die in das Statorpaket nach Fig. 19 einschiebbar ist;

Fig. 19 das Statorpaket eines zylindrischen Motors;

Fig. 20 eine Stirnansicht einer Dreiphasen-Statorwicklung mit Dreiviertelwindung;

Fig. 21 eine Draufsicht auf eine Rotorwicklung für einen Motor mit niedrigem Rotorschwungmoment;

Pig. 22 eine Schemadarstellung eines Kommutatorwlnverters für einen Zweiphasen-Gleichstrommotor mit 8poligem Rotor und 4poligem Stator;

Fig. 23 Ansichten von Teilen eines Transformators, bei ^s dem zylindrische Wicklungen in erfindungsgemässer Gestaltung verwendet werden können.

Das Wicklungemuster 1 der Fig. 1 wird vorzugsweise aus einer Aluminiumschicht aus Kosten- und Gewichtsgründen ausgestanzt und bildet einen Teil einer Statorwicklung mit Dreiviertelwindungen des Mptors mit einem linearen Luftspalt, der im weiteren Verlauf der Beschreibung noch erläutert wird. Das Huster 1 ist symmetrisch ausgestanzt. Der Anschluß 3 ist etwas länger als die anderen vergleichbaren Verbindungsleiter 7, und zwar steht der Anschluß 3 um die Breite des Streifens weiter

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vor. Der Grund dafür ist der, daß, wenn die Musterplatte 1 in Fig. 1 auf eine Musterplatte 13 in Pig. 2 aufgelegt wird, die Fahne 3 auf der darunterliegenden Fahne 8 zu liegen kommt und damit Kontakt herstellt. Vor oder während des Stanzens sind die Musterplatten mit einer Isolierschicht auf einer Seite versehen. Unter der Annahme, daß die Fahnen 3 und 8 in Fig. 1 nicht miteinander in Berührung sind und vielmehr dazwischen eine Spannung angelegt wird, fließt, wenn bei 8 die positive Klemme ist, ein Strom durch die Wicklung nach dem mit Pfeilen 4 und 11 angedeuteten Muster. Der Strom umfließt Öffnungen 5 zu einem Dreiviertel, weshalb daraus der Begriff der Dreiviertelwindung abgeleitet ist.

Es sei bemerkt, daß die Enden der Fahnen 8 nicht isoliert sind, während dagegen die Fahnen 3 auf ihrer Oberseite eine Isolierschicht tragen. Zur Bildung einer Wicklung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, wird die Hälfte der insgesamt benötigten Musterplatten mit der Isolierbeschichtung nach oben und die andere Hälfte der gesamt benötigten Anzahl der Husterplatten mit der Isolierschicht nach unten ausgestanzt. Wenn dann alle Platten mit der Isolierschicht nach oben aufeinandergestapelt sind, dann ist die eine Hälfte der gesamten Plattenanzahl das Spiegelbild der anderen Hälfte, Wenn ein Stapelpaket der Musterplatten 6 durch abwechselndes Aufeinanderfügen einer positiven Musterplatte 1 und einer negativen Musterplatte 3 hergestellt wird und die Fahne 3 unter die Fahne 8 derselben Musterplatte geschoben ist, wird der Strom an die darunterliegende Musterplatte weitergeleitet; mit anderen Worten, Fahne 3, die

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nicht isoliert ist, drückt auf die Joanne 8 der Musterplatte 13, wenn die Musterplatten 1 und 13 übereinanderliegen. Wenn angenommen wird, daß eine positive Spannung an die Oberseite der F_ahne 8 der Musterplatte 1 angeschlossen wird, während der negative Pol der Spannungsquelle mit der Unterseite der Fahne 3 der Musterplatte 13 in Berührung ist, dann fließt ein Strom in den Musterplatten 1 im Uhrzeigersinn und in den Musterplatten 13 im Gegenuhrzeigersinn· Die beiden Ströme zusammen bilden eine geschlossene Schleife um die öffnung 5. Sie Ströme, die mit den Pfeilen 11 und 12 angedeutet sind, fließen in allen untereinanderliegenden Schichten in derselben Richtung.

Sie Gesamtdurchflutung bei N Schichten ist N · I pro wirksamer Spulenseite, während an den nur halbbesetzten Spulenseiten innen and aufien 6 bzw. 14 bei H Musterplatten nur eine Durchflutung von 1/2 · H · I vorhanden ist. Die Ströme auf den Seiten 6 und 14 sind abwechselnd entgegengesetzt den Strömen 9 und 10.

Zur Verdeutlichung ist rechts von der Fig. 2 eine Vergrösserung der Verbindungsstellen der Fahnen 8 und 3 von aufeinander liegenden Musterplatten wiedergegeben. Es ist verständlich und ein erfindungsgemäßes Merkmal, daß der Raumfaktor des Leitermaterials abgesehen von der dünnen Isolierschicht auf der Oberseite der Musterplatten an lOOjC herankommt und nicht verbessert werden kann. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß aufgrund der Luftzwischenräume 24, die sich auf beiden Seiten jedes Leiters im inneren und äußeren Kreis befinden, sehr

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gute Kühlungsbedingungen erzielen lassen. Die Fahnen 3 und 8 des laminierten Wicklungsstapels der Dreiviertelwindung können fest zusammengepresst werden, so daß guter Kontakt hergestellt wird, indem durch sämtliche Fahnen ein Loch gemacht und die Fahnen dann mit einem isolierten Bolzen oder einem Bolzen aus Isoliermaterial zusammengeklemmt werden können.

Es empfiehlt sich, die oberste und die unterste Musterplatte des Stapels aus Kupfer zu fertigen, da an diesen die Kabelanschlüsse und zu dem Zweck Anschlußklemmen angelötet werden müssen. Ferner empfiehlt es sich, die Anschlüsse nach Anbringen der Verbindung mit einer dicken Epoxydharzschicht zu umgeben, um Korrosion zu verhindern.

Wenn die aufgestapelten Musterplatten auf die Polkerne

17, die in der Fig. 3 links dargestellt sind, aufgeschoben worden sind und Strom 9 und 10 durchfließt, entstehen Magnetpole

18, wodurch die Permanentmagnete eines Scheibenmotors ersetzt werden, so daß durch Änderung der Induktion oder des Flusses das Drehmoment und die Drehzahl verändert werden können. Wird der Musterplattenstapel 6 über die Polkerne 19 und 20 der Fig. 3 auf der rechten Seite geschoben, dann werden stets zwei Kerne 19 und 20 gleichzeitig umschlossen und haben damit dieselbe Polarität, wenn Strom durch die Wicklung fließt. Die Kerne 19 und 20 sind dann Südpole, wenn die Wicklung 6 nicht verdreht wird.

Um eine Zweiphasenwicklung in Bezug zu den Magneten 18

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des Rotors oder Stators des Scheibenmotors zu bekommen, werden die Nuten 21 nun mit demselben Paketstapel 6 gefüllt. Diese Wicklung ist dann elektrisch um 90° versetzt. In derselben Weise kann eine Dreiphasenwicklung hergestellt werden, solange berücksichtigt wird, daß die Teilung zwischen den drei Spulenschenkeln gleich einem Drittel der Teilung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Magneten ist. Der Magnetpol muß dann eine aus drei Polkernen 19» 20 und 23 bestehende Oberfläche haben, und die Spulenöffnung 5 muß dann drei Polkerne umfassen, damit für alle Magnete und Polkerne dieselben Musterplatten verwendet werden können. Es empfiehlt sich, die aufeinanderliegenden Schenkel der Musterplatten beim Stapeln mit einem geeigneten Kleber zusammenzukleben, um ein festes Paket zu erhalten.

Wenn ein Stapel von laminierten Wicklungen mit Dreiviertelwindung» auf gebaut wird, wie in Fig. 2 gezeigt, bei dem die Musterplatten 1 und 13 spiegelbildlich zueinander sind und diese dann abwechselnd aufeinander gestapelt werden, läßt sich eine feste Scheibe bilden, die keine Abstützungen benötigt und sich deshalb äußerst gut für eine Rotorscheibe eines Rotors mit niedrigem Trägheitsmoment eignet. Wenn die Windungen der Musterplatte 1 auf der Scheibe 33 in Fig. 3 aufliegen und Polkerne 17 und 23 vorhanden sind, werden keine spiegelbildlichen Musterplatten 13 benötigt, so daß für diesen Fall die Musterplatten 1 gewöhnlich aufeinandergestapelt werden können. Aber auch in diesem Fall müssen Fahnen 3 unter Fahnen 8 jeder Musterplatte geschoben werden, damit eine Reihenschaltung entsteht. Das Prinzip der Dreiviertelwindung bleibt erhalten, da

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jede Spule nur drei Seiten eines Magnetkerns umschließt.

Eine Beschreibung des Aufbaus eines Scheibenmotors, in der eine laminierte Wicklung mit DreiViertelwindungen verwendet wird, wird anhand der Fig. 4 und 5 vorgenommen. Ein solcher Motor besitzt eine Welle 31, in die im Mittelbereich lose ein Keil 32 eingesetzt ist'. Dieser Keil 32 sitzt in einer Keilnut, die auch in der Mitte einer runden Statorscheibe 33-ausgebildet ist. Die Statorscheibe ist nahe ihrem Außenumfang mit 32 keilförmigen Ferritkernen 23 bestückt, die in entsprechende keilförmige Ausnehmungen am Außenumfang der Scheibe 33 eingeklebt sind. Die Ferritkerne 23 stehen gleichmäßig auf beiden Seiten der Statorscheibe 33 vor. Die Statorscheibe 33 ist vorzugsweise aus einem starken Plastikmaterial hergestellt. Der Teil der Statorscheibe 33, der die Welle 31 umgibt, ist zwischen zwei Scheiben 35 und 36 mittels Nieten eingespannt, von denen in der Zeichnung nur die Mittellinien angedeutet sind. Die Naben 38 und 39 bilden einen integralen Teil der Scheiben 35 und 36. Das freie Ende der Nabe 39 weist zwei Löcher 40 auf, durch die Anschlußleitungen 41 hindurchgeführt sind, die dann in einer Aussparung 43 in der Welle 31 innen durch die Kugellager 42 und durch Bohrungen in einem Schutzteil 44 nach aussen geführt sind. Das Kugellager 42 wird in ein Lagergehäuse 45 gepresst. Die Lagergehäuse 45 und 48 sind mit einer Schulter 46 ausgestattet, die in entsprechende Bohrungen in den äußeren Scheiben 47 und 49 hineinpassen. Die äußeren Scheiben 47 und 49 weisen Schultern 50 auf, durch welche wiederum die Lagergehäuse oder Lagerschalen 45 und 48 ausgerichtet gehalten werden.

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Sechzehn Magnete 73 sind mit einem Kleber auf die äußeren Stahlscheiben 47 und 49 mit gleichem Abstand untereinander und aufeinanderfolgend entgegengesetzter Polarität aufgeklebt. Die Lagergehäuse 45 und 48 sind mit Nieten 41 mit den äußeren Scheiben 47 und 49 verbunden. Die laminierten Wieklungen mit ihren Dreiviertelwindungen, von denen lediglich eine Einphasenwicklung 88 in Fig. 4 gezeigt ist, sind um Kerne auf beiden Seiten aer Scheiben 30 herumgelegt und mit der Scheibe mit einem hochwertigen Xleber verbunden. Die zweite Phasenwicklung (nicht gezeigt) liegt in den Nuten 52, die zwischen den Kernen 23 ausgebildet sind.

Der Motor wird elektronisch gesteuert, wobei Frequenz, Drehzahl und Stromstärke das Drehmoment regeln. Eine Beschreibung dieser Regelung fällt nicht in den Rahmen der Erfindung.

Eine schematische Ansicht eines mechanischen Kommutator-Inverters ist der Klarheit wegen in Fig. 6 dargestellt. Die Bürsten 81 sind mit der Gleichetromquelle 83 verbunden und liegen auf den umlaufenden Schleifringen 80 auf. Zwei Drähte 84, die mit den Magneten 73 gemeinsam rotieren, sind mit dem Kommutator-Inverter 85 verbunden, der auf dem Rotor angebracht ist und folglich ebenfalls rotiert. Die Bürsten 86 und 87 sind auf der Welle befestigt und somit stationär. Wenn die Bürsten 86 sich im Zentrum der stromlosen Segmente befinden, dann umschließen die Windungen 89 der Reihenschaltung der Spulen, an die die Bürsten 86 angeschlossen sind, die Magnete 73,

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und es findet kein Stromdurchgang statt. Die Bürsten 87 befinden sich in diesem Augenblick im Zentrum der stromführenden Segmente, die mit der Reihe von Spulen verbunden sind,
deren Spulenseite 88 im Zentrum der Magnete 73 liegt.

In beiden Reihen von Spulen wird ein Wechselstrom erzeugt, und diese Wechselströme sind gegeneinander um 90
elektrisch phasenverschoben. Der Motor ist selbstanlaufend
und frei von Interferenz, da der Strom durch den Kommutator-Inverter nicht den kürzesten Augenblick unterbrochen ist,
sondern von einer Reihenschaltung von Spulen in die nächste fließt.

Die Verwendung der laminierten Wicklung mit Dreiviertelwindungen für Maschinen mit einem geradlinigen Luftspalt wird nun anhand der Zeichnung beschrieben. Fig. 7 zeigt die Ansicht einer Musterplatte 100 für eine laminierte Wicklung mit Dreiviertelwindungen für einen Linearmotor. Die Musterplatte ist aus einer Materialplatte ausgestanzt oder unmittelbar in die gewünschte Form gegossen. Das verwendete Material ist vorzugsweise Aluminium oder Kupfer und ist auf
der oberen Seite mit einer Isolierschicht belegt. Die Enden der Musterplatte 100 sind mit ösen 104 und 110 versehen.
Pig. 8 zeigt eine Musterplatte 101, die das Spiegelbild der Musterplatte 100 ist und ebenfalls mit Anschlußösen 105 und 109 ausgestattet ist. Fig. 9 zeigt dann die Anordnung, bei
der die Musterplatte 100 auf die Musterplatte 101 aufgelegt ist. Die ösen 104, 109 sind nicht isoliert, während die Ösen

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105 und 110 auf der Oberseite inoliert sind wie auch das Übrige der Musterplatten 100 und 101. Die Ösen 109 und 110 sind zusammengepresst. Wenn Strom der Oberseite der Öse 104 und der Unterseite der öse 105 zugeführt wird und die öse 104 an der positiven Klemme liegt, dann fließt der Strom so, wie es mit den Pfeilen 106, 107 und 108 in der Zeichnung dargestellt ist, wobei ein vollständiger Schaltkreis gebildet ist. Während durch die Schenkel zwischen den Magneten die Ströme 106 und 108 fließen, fließt nur ein einfacher Strom 107 in stets zueinander entgegengesetzten Richtungen entlang den Magnetaußenseiten.

Pig. 10 ist eine Seitenansicht, in der vier Musterplatten 100 und 101 abwechselnd aufeinandergestapelt sind und bei denen die Ösen 104 und 105 an einem Ende und die Ösen 109 und 110 am anderen Ende mittels Bolzen aus Plastik 111 und Muttern

112 zusammengeschraubt sind. Dabei werden zugleich Kabelschuhe

113 und 114 der Zuleitungen mit festgeschraubt. Wenn in der dargestellten Weise Spannung über die Zuleitungskabel der Kabelschuhe 113, 114 zugeführt wird, dann fließt durch die zwischen den Magneten liegenden Leiterschehkel der vierfache Strom.

Die Fig. 11 und 12 sind vergrößerte Darstellungen der Anschlußösen 104 und 105 an einem Ende und der Anschlußösenverbindungen 109 und 110 am anderen Ende, hier wird wiederum der große Vorteil der Erfindung deutlich, da erkennbar ist, daß der Raumausnutzungsfaktor äußerst günstig ist, während zwischen den aufeinandergestapelten Musterplatten Kühlschlitze

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vorhanden sind.

Fig. 13 zeigt eine zweiphasige Linearwicklung, die aus zwei Stapeln 115 und 116 von Musterplatten zusammengefügt ist. Die beiden Spulenseiten liegen um 90° elektrisch zueinander verschoben. Wenn die Spulenseiten der Phasenwicklung 116 die Magnete 117 umschließen, die auf der Rückseite liegen, dann liegen die Spulenseiten der Phasenwicklung 115 in der Mitte der Magnete 117. In ähnlicher Weise kann eine dreiphasige laminierte Wicklung mit DreiViertelwindungen hergestellt werden, wie es bereits in Verbindung mit dem Dreiphasenwicklungsmotor in Scheibenform beschrieben wurde.

Wenn ein Linearmotor z.B. zum Antrieb eines Fahrzeugs verwendet wird, dann wird eine im Voraus bestimmte Frequenz verwendet, die vom Wechselrichter her reguliert wird.

Die erfindungsgemäße Wicklung soll nun beschrieben werden, wenn sie auf einen zylindrischen Elektromotor oder Generator mit einem axial verlaufenden Luftspalt angewendet wird. Es können damit sehr kleine Maschinen und Maschinen mit hoher Leistung gebaut werden, die dennoch vergleichsweise laut sind und sehr kompakte Abmessungen haben. Die erfindungsgemäße Wicklung ist außerdem sehr vorteilhaft für Motoren, die schnell auf Veränderungen reagieren sollen und deshalb ein geringes Schwungmoment benötigen.

Die Herstellung derartiger Motoren ist sehr einfach. Es sei dazu bemerkt, daß es für Maschinen mit einem axialen Luft-

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spalt nicht nötig ist, daß für den elektrischen Strom eine volle Windung besteht, und daß mit einer DreiViertelwindung dasselbe Ergebnis erzielt werden kann, da nur die effektiven Spulenseiten von Bedeutung sind.

Wie bereits an früheren Anwendungsfällen der Dreiviertelwindungen einer-laminierten Wicklung beschrieben, ist der Ausgang auch hier ein langes Band oder ein Polienmaterial mit leitenden Eigenschaften, wie etwa aus Aluminium oder Kupfer mit einer isolierenden Schicht, wie Papier oder dergleichen, auf

einer Seite. Das Bandmaterial hat eine Dicke von 0,2 mm und βίο ne Breite von 10 mm, was einen Querschnitt von 2 mm ausmacht. Der Raumfaktor der Wicklung ist nahezu 100$ und läßt sich nicht erhöhen. Das Eisen-Kupferverhältnis ist überaus gut, und die Maschine kann mit sehr kompakten Abmessungen und sehr geringem Aufwand an Aluminium oder Kupfer gebaut werden.

In den Fig. 14 und 19 ist der Herstellungsvorgang für einen derartigen Motor mit einer Wicklung nach der Erfindung beschrieben. Es sei dabei erwähnt, daß eine nahezu unbegrenzte Zahl von Rotor- oder Statorpolen erzielt werden kann. Der anrhand der Fig. 16 und 17 erläuterte Rotor ist ein vierpoliger Rotor, und auch der Staor ist mit vier Ständerpolen ausgerüstet. Die Polzahl in Rotor und Stator kann jedoch auch zwei, sechs, acht, zehn, zwölf usw. sein.

Fig. 14 zeigt eine Welle 132, die denselben Durchmesser hat wie der Kern des Rotors 131. Um diese Welle 132 wird eine Schicht von Kupfer oder Aluminium 136 herumgelegt. Diese Windung 136 liegt mit ihrer isolierten Seite zur Welle 132 hin.

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Anschließend wird ein Streifen aus Aluminium oder Kupfer, dessen Dicke, Breite und Länge zuvor berechnet wurde und der auf einer Seite mit einer Isolierschicht versehen ist, mit der isolierten Seite nach oben auf die erste Schicht 136 und die Welle 132 gewickelt. Die Breite des Streifens 130 ist geringer als die der zuerst aufgebrachten Windung 136. Während des Aufwickeins wird zwischen die Schichten ein Kleber eingebracht. Es ist auch möglich, die erste Windung 136 wegzulassen, doch ist sie günstig, wenn nachher Anschlußfahnen 138 und 139 eingeschoben werden sollen.

Der fertige Wickel 130 wird nun von der Wellte 132 abgezogen. Nimmt man an, daß die Kontaktfahne 139 auf der Innenseite des Wickels 130 und die Kontaktfahne 138 außen mit einer Stromquelle verbunden sind, dann fließt im Wickel in Richtung der übereinanderliegenden Schichten ein Strom, der folglich einen spiraligen Weg durch den Wickel nimmt. Ein derartiger Strom hat für einen Motor keinen sinnvollen Zweck.

Aus diesem Grunde werden vier Schlitze 134 in der in Pig. 17 gezeigten Weise eingesägt, was zur Folge hat, daß der Strom nun nicht nur spiralig, sondern auch in Zick-Zack-Richtung über die Breite des Wickels fließt, wie es mit den Pfeilen 145 angedeutet ist. Dieser Zick-äack-Stromverlauf ist nützlich und kann als Strom in einer gewöhnlichen Wicklung mit herkömmlichen Spulen angesehen werden.

Die Schlitze können auf verschiedene Weise eingebracht werden. Es besteht die Möglichkeit, daß beim Fräsen oder Sägen

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der Schlitze aufgrund von Graten Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Schichten entstehen. Deswegen sollten dann die Innenflächen der Schlitze 135 mit einer Ätzflüssigkeit behandelt und mit einem Isolierlack verschlossen werden. Pig. 14 ist die Ansicht eines Wickels 130, der in Fig. 17 dann mit Schlitzen 134 versehen ist. Fig. 16 zeigt den Rotor mit zwei festangebrachten Polschuhen 14V, über die die laminierte Wicklung mit Dreiviertelwindungen Ί48 geschoben werden kann. Die losen Polschuhe 146 werden aufgepresst, nachdem die Wicklung 148 aufgeschoben ist. Die Wicklung 148 liegt dann zwischen aen Polschuhen 146 und 147 eingeschlossen.

Derselbe Produktionsvorgang wird auch beim Stator 142 durchgeführt, der aus einem wickel 143 hergestellt wird und nach seiner Fertigstellung wie eine laminierte Wicklung 140 mit Dreiviertelwindungen aussieht. Der Stator weist ebenfalls zwei festangebrachte Polschuhe 141 und zwei Schlitze 144 auf, in die die nicht gezeigten losen Polschuhe hineingepresst werden. Auch hier ist die Wicklung fest zwischen den Polschuhen 141 und den losen Polschuhen eingeschlossen.

Es versteht sich, daß eine Mehrphasenwicklung hergestellt werden kann, indem mehrere so hergestellte Zylinder ineinandergeschoben werden, wobei die wirksamen Spulenseiten um 90° oder 6D° elektrisch gegeneinander verdreht sind. Fig. 20 zeigt eine Stirnansicht eines zwölfpoligen Stators mit Dreiphasenwicklung.

Die laminierte Wicklung mit Dreiviertelwindungen gemäß der Erfindung kann auch bei Motoren angewendet werden, deren

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Trägheitsmoment gering sein soll, so daß folglich der Rotor eine möglichst geringe Masse haben sollte. Ein derartiger Rotor wird nun in Verbindung mit Fig. 21 beschrieben. Das Herstellungsverfahren geht so vor sich, daß auf die Welle I5I ein kleiner Zylinder 152 aus Plastikmaterial aufgebracht wird, auf dem wiederum die Wicklung 153 befestigt wird, in die Schlitze 154 eingebracht sind. Die Wicklung 153 ist in derselben Weise als Wickler hergestellt, wie die für den Rotor mit Polschuhen gemäß Fig. 14. Es wird jedoch nun eine Aluminiumfolie, die sehr dünn sein kann aber auch sehr breit, als Leiterband verwendet. Wenn der Zylinder 153 gewickelt und der Kleber getrocknet und ausgehärtet ist, werden die Schlitze 154 hergestellt, womit gleichzeitig die Anzahl der Spulenseiten bestimmt wird. In derselben Weise wird ein Stator ohne Polschuhe hergestellt, ebenfalls mit laminierter Wicklung mit Dreiviertelwindungen. Da die Spulen der Wicklung alle in Reihe liegen, ist es nötig, daß für Gleichstrom wiederum ein Kommutator-Inverter verwendet wird, der den Gleichptrom in einen Wechselstrom umwandelt.

Pig. 22 gibt ein Schemabild eines Kommutator-Inverters für einen achtpoligen Rotor mit Zweiphasenwicklung und einen vierpoligen Stäor. Der Motor ist selbstanlaufend und interferenzfrei, da der Strom auch nicht für einen Augenblick unterbrochen wird, sondern von einer Phasenwicklung in die andere fließt. Der Kommutator 140 ist aus acht Kommutator-Segmenten Hl aufgebaut, die durch Mica-Isolationsschichten 142 voneinander isoliert sind. Die Kommutatorsegmente weisen einen hohen Kragen 143 auf, in den Löcher 144 gebohrt sind, in welche die

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Verbindungen 145 mit den um 180° versetzt liegenden Segmenten eingelötet sind. Die Kohlebürsten 146 und 147 stehen 90° gegeneinander versetzt. Wenn eine positive Spannung der Bürste 146 und eine negative Spannung der Bürste 147 zugeleitet wird, dann fließt durch die .Phasenwicklung 148 ein Strom von links nach rechts. Die Phasenwicklung 149 führt dann keinen Strom. Die A nbringung der Magnete im Stator ist zusammen mit der Stellung des in dieser Weise angeschlossenen Kommutators so hoch, daß die nicht Strom führenden Segmente 141 des Kommutators mit der Reihe der Spulen 149 verbunden sind, deren Kerne sich im Zentrum der Magnete befinden. Die stromführenden Spulen befinden sich mit ihren Kernen im Zentrum zwischen zwei Magneten. Wenn man annimmt, daß der Rotor nach rechts umläuft und dabei der Kommutator-Inverter sich ebenfalls nach rechts dreht, dann ruht einmal die Bürste 146 auf den beiden Segmenten 150 und 141 und zur gleichen Zeit die Bürste 147 auf den Segmenten 151 und 152. Ein Strom fließt dann ebenfalls von .links nach rechts durch die zweite Fhasenwicklung 149» was mit der Drehrichtung in Übereinstimmung ist. Wird ein wenig weitergedreht, so kommen die Kerne mit der Phasenwicklung 148 in die Mitte der Magnete und erhalten keine Stromzufuhr, da die Bürsten 146 und 147 ausschließlich Kontakt haben mit den Segmenten 141 und 152, so daß dann nur die Wicklung 149 Strom führt.

Wenn nun noch ein wenig weiter gedreht wird, ruhen die Bürsten 146 bzw. 147 nun auf den Kommutotor-Segmenten 141,151 und 152, 153. In diesem Zustand fließt ein Strom dann von linke nach rechts durch die Wicklung 149 und ein Strom von rechts

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~ af-

nach links durch die Wicklung H8.

Bei Weiterdrehen wieder um ein Stück wird die Wicklung 149 vom Strom abgetrennt, während der Stromfluß in der Wicklung 148 in Richtung von rechts nach links bestehen bleibt. Nach einem weiteren Schritt fließt dann wieder Strom von rechts nach links durch die Wicklung 149 usw. Wenn der Rotor sich in der falschen Richtung dreht, müssen die Anschlüsse an einer Phasenwicklung ausgetauscht werden.

Eine laminierte Wicklung mit Dreiviertelwindungen kann auch für Induktionsspulen oder Schutzreaktanzspulen mit und ohne Kern verwendet werden und ist äußerst nützlich bei Transformatoren, die damit sehr kompakt gebaut werden können. Fig. 23 zeigt die Primärwicklung 160. Diese Wicklung wird in eine Sekundärwicklung 161 (Fig. 24) hineingeschoben, und zwar in der Weise, daß die Spulenschenkel 162 und 163 genau übereinanderliegen. Das Blechpaket, das den Kern 164 (Fig. 25) bildet, wird in die Schlitze 165 der Spulen eingeschoben, wonach dann der gesamte Körper in das die umgebende Schale 166 bildende Ständerblechpaket eingeschoben wird. Dabei gleiten die Kernschuhe 167 des Ständerblechpakets in die Schlitze 168, und es wird eine derart kompakte Anordnung 169 gebildet, wie sie die Fig. 27 zeigt. Die Anschlußfahnen 170 werden an die Primärquelle angeschlossen, und von den Anschlußfahnen 171 kann die transformierte Spannung abgenommen werden. Der magnetische Fluß geht von den Kernschuhen 172 über das Joch 166 zu den

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Polschuhen 167 der äußeren Pahne. Die Kraftlinien sind dabei sehr kurz und folgen den abwechselnden Richtungen der Pfeile 173. Das Magnetfeld ist vollkommen eingeschlossen, so daß der Streufaktor überhaupt nicht verbessert werden kann.

In der Zeichnung nicht dargestellte elektrische Meßinstrumente können ebenfalls mit der laminierten Wicklung mit Dreiviertelwindungen versehen werden, wobei man an Spulen mit radial verlaufenden Luftspalten als auch an Spulen mit axialem Luftspalt denken kann. Leichte und sehr starke und stabile Spulen können auf diese Weise hergestellt werden.

Es soll noch eine rechnerische Angabe für zylindrische Maschinen gegeben werden. Die Anzahl der Spulenseiten Z ist gleich der Anzahl der Spulen S, d.h. Z=S (und nicht wie gewöhnlich 2S).

Die Anzahl der Spulen S ist gleich der Anzahl der Schlitze oder Ausnehmungen U, d.h. S=Z=U.

Die Anzahl der Windungen N je Spulenseite ist gleich der Anzahl der übereinander gewickelten Schichten N. Die Gesamtzahl der Leiter M ist gleich der Zahl der Spulenseiten Z multipliziert mit der Zahl der Schichten, d.h. M = Z · N.
Die Länge des Leiters einer Spule ist

J_{1 =} ft ! ί— · N + Z · N · Ip .

2 ^G '

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(Cl₁ + d₂)
Dabei ist fT der mittlere Umfang, N = Anzahl der

Schichten, Z = Anzahl der Spulenseiten und l_ß die Länge einer Spulenseite, gemessen zwischen den Mittellinien der Leiterbreite.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.J Laminierte Wicklung für elektrische Maschinen und Geräte wie Motoren, Generatoren und Transformatoren, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Musterplatten, die auf einer Seite isoliert sind und die eine umlaufende Wellenwicklung darstellen, die bei Stromdurchgang jeden Magnetpol auf drei seiner vier Seiten umschließt, und daß eine Vielzahl dieser Musterplatten gegeneinander verschoben aufeinander gestapelt und so untereinander verbunden ist, daß jeder Magnetpol vollständig umschlossen wird.

2. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Musterplatte aus ausgestanztem Platten- oder Folienmaterial besteht.

3. Wicklung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Musterplatte aus radial verlaufenden Streifen besteht, die abwechselnd am Außenumfang und am Innenumfang durch in Umfangsrichtung verlaufende Streifen miteinander verbunden sind, während zwei nebeneinanderliegende Streifen in Richtung zum Zentrum verlängert sind und einer der am inneren Umfang liegenden Streifen mit dem benachbarten, radial verlängerten,radialen Streifen, den er lose überlappt, verbunden ist.

4. Wicklung, bestehend aus einer Vielzahl von übereinandergestapelten Musterplatten entsprechend Anspruch 3, dadurch ge-

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0RtGlNAL INSPECTED

kennzeichnet, daß die gegeneinander isolierten Musterplatten

dazu
mit/spiegelbildlich geformten aufgestapelt sind und daß alle an einem Punkt überlappende, verlängerte Enden miteinander so verbunden sind, daß die aufgestapelten Musterplatten in Reihe geschaltet sind und bei Stromdurchgang durch alle Musterplatten vollständig stromumflossene Magnetpole gebildet werden.

5. Wicklung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Musterplatte aus parallelen flachen Streifen besteht, die an abwechselnden Seiten zu zweit miteinander verbunden sind mittels Streifen von denselben Abmessungen, und daß eine Vielzahl dieser Musterplatten gegeneinander verschoben derart übereinander gestapelt ist, wobei ihre Enden miteinander elektrisch verbunden sind, daß eine Wicklung für einen Linearmotor entsteht.

6. Laminierte Wicklung für elektrische Maschinen, gekennzeichnet durch einen Zylinder, der aus aufgewickeltem leitendem Material in Bandform hergestellt ist, das auf einer Seite isoliert ist, während von beiden Zylinderenden her axial verlaufende Schlitze aus dem Leitermaterial herausgenommen sind, die so tief eingreifen, daß eine Wellenwicklung entsteht, die bei Stromdurchgang Magnetpole hervorzurufen vermag, wobei jeder Magnetpol an drei seiner vier Seiten umschlossen ist, und daß die Wicklung für die Stromzuführung mit elektrischen Anschlüssen versehen ist.

7. Wicklung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung verlaufenden Streifen und die in Axialrichtung verlaufenden Streifen, die durch Herausarbeiten der Schlitze gebildet sind, sämtlich gleiche Breite haben.

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8. Verwendung einer Wicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Stator-und Rotorwicklung einer elektrischen Maschine.

9. Verwendung einer Wicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators.

10. Verwendung einer Wicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer Schutzreaktanzspule.

11. Wicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Gesamtleiterlänge von

Id₁ + d₂)

L = ff N + N.Z.l,,;

2 ^G

₁ + d₂)
IT = der mittlere Umfang,

N = Anzahl der Schichten, 1_ = die Länge der effektiven Seiten gemessen von Mitte zu Mitte

der Breite eines Leiters und Z = Anzahl der Spulenseiten ist.

12. Wicklung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrphasenwicklung durch Ineinanderschieben einer Mehrzahl von Zylindern mit ansteigendem Durchmesser gebildet wird, die dieselbe Anzahl von Schlitzen untereinander aufweisen, und daß die effektiven Spulenseiten, in denen die Ströme in derselben Richtung fließen, bei Verwendung von zwei Zylindern um 90° elektrisch gegeneinander verdreht sind, um eine Zweiphasenwicklung zu erhalten, und bei Verwendung von drei Zylindern um elektrisch zueinander verdreht sind, um eine Dreiphasenwicklung zu bekommen.

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13. Wicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem selbstanlaufenden, interferenzfreien Gleichstrommotor oder Generator verwendet wird, eine Zweiphasenwicklung in einen achtpoligen Rotor eingelegt ist, während der Stator mit vier Magneten ausgestattet und der Kommutatorinverter, der auf der Welle befestigt ist, aus acht Segmenten besteht, von denen die um 180° einander gegenüberliegenden Segmente miteinander verbunden sind,und daß zwei Bürsten zur Leitung des Stroms um 90° gegeneinander versetzt angebracht sind, während die beiden Verbindungsklemmen der Phasenwicklung, deren Kerne im Zentrum der Magnete liegen, mit den durchverbundenen Segmenten des Kommutatorinverters in Verbindung stehen, die keine Spannung von den Bürsten erhalten, und die Spulen, deren Kerne zwischen zwei Magneten liegen, mit den durchverbundenen Segmenten des Kommutatorinverters in Verbindung sind, deren Bürsten im Zentrum der stromführenden Segmente angeordnet sind.

14. Transformator mit einer Wicklung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung und die Sekundärwicklung mit Schlitzen versehen sind und die Dicke des Materials wie auch die Anzahl der Schichten sowohl der Primärwicklung als auch der Sekundärwicklung derart sind, daß die beiden Zylinder ineinander schiebbar sind und die effektiven Seiten der beiden Wicklungen miteinander ausgerichtet sind und sich vollständig überdecken, während der Kern aus Transformatorblechen zusammengesetzt ist, die Polschuhe haben, deren Höhe gleich der Dicke der durch die zusammengesetzte Primär- und Sekundärwicklung gebildeten Wand entspricht, daß der Kern in die nach oben gerichteten Schlitze eingedrückt und der mit den Wicklungen zusammen-

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gefügte Kern in eine Kernschale eingepreßt wird, die ebenfalls aus gestapelten Transformatorblechen besteht und auf ihrer Innenseite mit Polschuhen ausgestattet ist, die wie der Transformatorkern eine Höhe gleich der Gesamtdicke der beiden Spulenwicklungen hat und eine Breite, die etwas geringer als die Breite der verbliebenen Schlitze ist, wobei die Abmessungen so gewählt sind, daß der magnetische Gesamtfluß das Maß für Kern, Polschuhe und Jochring darstellt.

15. Verwendung der Wicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem elektrischen Meßinstrument.

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