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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine
Gleichstrommaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
WO 2005/076442 A ist ein elektrischer Motor mit einer symmetrisch
angeordneten Ankerwicklung bekannt. Die symmetrisch angeordnete
Ankerwicklung besteht aus einer ersten Spule, die zwischen zwei
beliebigen Ankernuten gewickelt ist und an benachbarten Kommutatorlamellen
elektrisch kontaktiert ist. Eine zweite Spule ist zwischen zwei Ankernuten
gewickelt, die zu den beiden Ankernuten der ersten Spule in Bezug
auf den Mittelpunkt der Ankerwelle in punktsymmetrischer Stellung
stehen und in entgegengesetzter Richtung gewickelt ist. Bei dem Motor
ist die Anzahl der Ankernuten gleich der Anzahl der Kommutatorlamellen.
Der Motor hat je eine Bürste
für hohe
und niedrige Geschwindigkeiten sowie eine gemeinsame Bürste. Die
erste und zweite Spule sind derart angeordnet, dass sie sich in
einer symmetrischen Stellung zu einer den Mittelpunkt der Bürste für hohe Geschwindigkeiten
und den Mittelpunkt der Drehwelle durchgehenden Achse befinden, wenn
die Bürste
für hohe
Geschwindigkeiten in Kontakt mit der benachbarten Kommutatorlamelle
kommt und dadurch die erste Spule mit der zweiten Spule kurzgeschlossen
wird.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße elektrische
Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist eine verbesserte
Geräuschreduzierung
sowie eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) auf. Dies wird
dadurch erreicht, dass die erfindungsgemäße elektrische Maschine eine
Ankerwicklung aus Ankerspulen aufweist, wobei wenigstens eine Ankerspule
aus zwei bezüglich
der Drehachse des Ankers symmetrisch angeordnete Teilspulen aufgebaut
ist. Dies bedeutet, dass die Ankerspulen so ausgebildet sind, dass
jeweils zwei Teilspulen bezuglich der Drehachse des Ankers symmetrisch
zueinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist dabei die Anzahl der
Kommutatorlamellen ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Ankernuten.
Die Anzahl der Kommutatorlamellen ist insbesondere mindestens doppelt
so groß wie
die Anzahl der Ankernuten. Bevorzugt ist die Anzahl der Kommutatorlamellen
doppelt so groß wie
die Anzahl der Ankernuten. Die Lamellenanzahl kann jedoch z.B. auch
das Dreifache der Ankernutenzahl betragen. Außerdem weist der Kommutator
bevorzugt eine gerade Anzahl an Kommutatorlamellen auf.
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Die
beiden Teilspulen sind erfindungsgemäß derart symmetrisch zueinander
angeordnet, dass bei Bestromung der Teilspulen in einem Magnetfeld
im Wesentlichen keine radialen Kräfte auf den Anker wirken. Die
beiden Teilspulen sind gleichzeitig kommutierbar, beispielsweise
indem sie an benachbarte Kommutatorlamellen angeschlossen sind.
Die resultierenden Radialkräfte
werden besonders gut dadurch kompensiert, dass die beiden Teilspulen
im Wesentlichen geometrisch parallel zueinander und in gleichem
Abstand zur Drehachse des Ankers angeordnet sind. Außerdem lassen
sich die Radialkräfte besonders
gut dadurch kompensieren, dass die beiden Teilspulen gleich viele
Windungen aufweisen. Die Radialkräfte lassen sich ferner besonders
gut kompensieren, indem die beiden Teilspulen in umgekehrtem Wickelsinn
zueinander gewickelt sind. Die beiden symmetrisch zueinander angeordneten
Teilspulen werden nachfolgend auch als ein Teilspulenpaar bezeichnet.
Insbesondere handelt es sich um eine zweipolige elektrische Wicklung.
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Die
beiden symmetrisch angeordneten Teilspulen sind vorzugsweise nach
Art der Sehnenwicklung gewickelt, können jedoch auch nach Art der Durchmesserwicklung
gewickelt sein.
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Bei
einer vielfachen Kommutatorlamellenzahl ist entsprechend eine vielfache
Anzahl an Teilspulen in jeweils eine Ankernut gewickelt. So befinden
sich zum Beispiel bei der doppelten Anzahl an Lamellen zwei Teilspulen
(jeweils eine Teilspule eines Teilspulenpaares) bzw. bei der dreifachen
Anzahl an Lamellen drei Teilspulen (ebenfalls jeweils eine Teilspule
eines Teilspulenpaares) in einer Ankernut. Dies bedeutet, dass in
einer Ankernut zwei bzw. drei Teilspulen zweier bzw. dreier Teilspulenpaare
angeordnet sind. Bei einer gegebenen Nutfläche kann dies beispielsweise
durch eine entsprechend geringere Windungszahl pro Teilspule oder
einen geringeren Spulendrahtguerschnitt erreicht werden, wobei ersteres
mit einer Änderung
der Drehzahl, letzteres mit einer Änderung der Leistung verbunden
ist.
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Die
beiden Teilspulen eines Teilspulenpaares können entweder elektrisch in
Reihe oder parallel zueinander geschaltet sein. Bei der Reihenschaltung weisen
die beiden Teilspulen zwei Enden auf, die mit jeweils einer Kommutatorlamelle
elektrisch verbunden sind. Ist die doppelte Anzahl an Kommutatorlamellen
vorgesehen, so sind die beiden Enden der beiden in Reihe geschalteten
Teilspulen jeweils mit der übernächsten Kommutatorlamelle
elektrisch verbunden. So ist beispielsweise das erste Ende eines ersten
Teilspulenpaares mit einer ersten Kommutatorlamelle verbunden und
das zweite Ende des ersten Teilspulenpaares mit der übernächsten,
also der dritten, Kommutatorlamelle verbunden. Die dazwischen liegende,
zweite Kommutatorlamelle ist mit dem ersten Ende eines zweiten Teilspulenpaares verbunden,
während
das zweite Ende des zweiten Teilspulenpaares wiederum mit der übernächsten, hier
der vierten, Kommutatorlamelle verbunden ist. Diese Verknüpfung der
beiden Enden eines in Reihe geschalteten Teilspulenpaares setzt
sich entsprechend so lange fort, bis alle Ankernuten mit symmetrisch
angeordneten Teilspulen besetzt sind. Bei einer dreifachen Anzahl
an Kommutatorlamellen sind in analoger Weise die beiden Enden der
in Reihe geschalteten Teilspulen jeweils mit der dritten Kommutatorlamelle
elektrisch verbunden. Dies bedeutet, dass beispielsweise das erste
Ende eines ersten Teilspulenpaares mit einer ersten Kommutatorlamelle und
das zweite Ende des ersten Teilspulenpaares mit der vierten Kommutatorlamelle
verbunden ist. Das erste Ende eines zweiten Teilspulenpaares ist
demnach mit der zweiten Kommutatorlamelle, das zweite Ende des zweiten
Teilspulenpaares mit der fünften Kommutatorlamelle
verbunden. Ferner ist das erste Ende eines dritten Teilspulenpaares
mit der dritten Kommutatorlamelle, das zweite Ende des dritten Teilspulenpaares
mit der sechsten Kommutatorlamelle verbunden.
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Bei
der Parallelschaltung hingegen weist jede der beiden Teilspulen
eines Teilspulenpaares zwei Enden auf, so dass vier Enden pro Teilspulenpaar
mit den Kommutatorlamellen elektrisch leitend verbunden sind. Bei
einer doppelten Anzahl an Kommutatorlamellen sind die Enden der
beiden Teilspulen wechselweise mit benachbarten Kommutatorlamellen
verbunden. Dies bedeutet, dass das zweite Ende einer Teilspule jeweils
mit der übernächsten Kommutatorlamelle
verbunden ist. Demnach ist beispielsweise das erste Ende einer ersten
Teilspule mit einer ersten Kommutatorlamelle und das zweite Ende
der ersten Teilspule mit der übernächsten,
d.h. der dritten, Kommutatorlamelle verbunden, während das erste Ende der zweiten
Teilspule mit der zweiten Kommutatorlamelle und das zweite Ende
der zweiten Teilspule mit der vierten Kommutatorlamelle verbinden
ist.
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Die
erfindungsgemäße elektrische
Maschine weist mindestens zwei Bürsten
auf welche gleitbar an dem Kommutator anliegen. Die beiden Bürsten liegen
z.B. einander gegenüber.
Um bei der Kommutierung einen möglichst
gleichmäßigen Stromfluss
zu gewährleisten,
ist die Bürstenbreite
derart gewählt, dass
bei der Drehung des Kommutators jeweils die Lamellen, mit denen
die beiden Teilspulen verbunden sind, kurzgeschlossen sind. Es kann
jedoch auch eine andere Bürstenbreite,
z.B. das 1,2 fache der Breite einer Kommutatorlamelle, gewählt werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine
kann zur Drehzahlstellung auch eine dritte Bürste vorgesehen sein, welche
radial zwischen den einander gegenüberliegenden Bürsten (nachfolgend auch
als die erste und zweite Bürste
bezeichnet) angeordnet ist. Demnach ist die dritte Bürste gegenüber der
ersten Bürste
in Drehrichtung um einen bestimmten Winkel kleiner als 180°, z.B. 70°, versetzt
angeordnet. Dabei werden in der niedrigen Drehzahlstufe die beiden
einander gegenüber
liegenden Bürsten, d.h.
die erste und zweite Bürste,
bestromt, während die
dritte Bürste
stromlos ist. In der hohen Drehzahlstufe werden die zweite und die
dritte Bürste
bestromt, wohingegen die erste Bürste
stromlos ist. Die zweite Bürste
bildet demnach die gemeinsame Bürste,
welche bei niedrigen Drehzahlen mit der ersten Bürste und bei hohen Drehzahlen
mit der dritten Bürste
zusammenwirkt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die symmetrisch angeordneten Teilspulen als Doppelwicklung
mit reduziertem, z.B. mit dem halben, Spulendrahtquerschnitt in
zwei Lagen ausgebildet. Dadurch kann ein erhöhter Nutfüllfaktor erzielt werden.
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Die
erfindungsgemäße elektrische
Maschine kann beispielsweise ein zweipoliger Gleichstrommotor zum
Verstellen bewegbarer Bauteile im Kraftfahrzeug sein, wie z.B. ein
Scheibenwischermotor, Fensterhebermotor, Sitzverstellmotor.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
elektrische Maschine mit zwei Bürsten
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2 eine
erste Ausführungsform
von Ankerspulen mit zwei symmetrischen Teilspulen mit Sehnenwicklung
in Reihenschaltung
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3 eine
zweite Ausführungsform
von Ankerspulen mit zwei symmetrischen Teilspulen mit Sehnenwicklung
in Parallelschaltung
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4 eine
dritte Ausführungsform
von Ankerspulen mit zwei symmetrischen Teilspulen mit Durchmesserwicklung
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5 eine
vierte Ausführungsform
mit der dreifachen Anzahl an Kommutatorlamellen.
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In 1 ist
eine elektrische Maschine 100 gezeigt, welche einen Anker 20,
zwei Magnetpole 30 und einen Kommutator 10 mit
Kommutatorlamellen 11 aufweist. Der Anker 20 und
der Kommutator 10 sind auf einer Ankerwelle 22 mit
einer Drehachse 21 drehfest gelagert. Eine erste und zweite
Bürste 14 liegen
einander gegenüber
gleitbar an dem Kommutator 10 an.
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In 2 ist
eine teilweise Abwicklung einer ersten Ausführungsform von Ankerspulen
mit jeweils zwei symmetrischen Teilspulen schematisch dargestellt.
In der dargestellten Ausführungsform
hat der Kommutator 10 24 Lamellen 11 und der Anker 20 zwölf Zähne 23 und
zwölf Ankernuten 24.
Die Ankerspule ist nach Art der Schleifenwicklung in Form einer Sehnenwicklung
gewickelt. Ein erstes Teilspulenpaar 25, 26 ist
wie folgt gewickelt: Die Wicklung einer ersten Teilspule 25 liegt
in einer ersten Ankernut 24 zwischen dem zwölften und
ersten Zahn 23 und der sechsten Ankernut 24 zwischen
dem fünften
und sechsten Zahn 23. Die Wicklung einer zweiten Teilspule 26 liegt
in der zwölften
Ankernut 24 zwischen dem elften und zwölften Zahn 23 und
der siebten Ankernut 24 zwischen dem sechsten und siebten
Zahn 23. Die beiden Enden der ersten und zweiten Teilspule 25, 26 sind
mit der jeweils übernächsten (hier
der dritten und fünften)
Kommutatorlamelle 11 elektrisch verbunden. Die beiden Teilspulen 25, 26 sind
demnach in Reihe geschaltet. Die erste und sechste Ankernut 24 sowie
die siebte und zwölfte
Ankernut 24 liegen einander gegenüber, so dass die beiden Teilspulen 25, 26 bezüglich der
Drehachse 13 des Ankers 20 symmetrisch zueinander
angeordnet sind. Die Teilspulen 25, 26 verlaufen
parallel zueinander, wobei die beiden Teilspulen 25, 26 in
umgekehrtem Wickel sinn gewickelt sind. In der dargestellten Ausführungsform
wird zunächst
die erste Teilspule 25 gewickelt, bevor die zweite Teilspule 26 gewickelt
wird. Alternativ können
jedoch auch die beiden Teilspulen 25, 26 wechselweise
gewickelt werden.
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Eine
erste Teilspule 25' eines
zweiten Teilspulenpaares 25', 26' liegt ebenfalls
in der ersten und sechsten Ankernut 24, die zweite Teilspule 26' des zweiten
Teilspulenpaares 25', 26' liegt in der
zwölften und
siebten Ankernut 24. Die beiden Enden sind wiederum mit
jeweils der übernächsten Kommutatorlamelle 11 verbunden,
wobei das erste Ende des zweiten Teilspulenpaares hier mit der vierten,
das zweite Ende mit der sechsten Kommutatorlamelle 11 verbunden
ist. Dementsprechend sind auch die weiteren Ankernuten 24 jeweils
mit zwei ersten Teilspulen 25 oder zweiten Teilspulen 26 zweier
Teilspulenpaare 25, 26 belegt, wobei die beiden
Enden eines Teilspulenpaares 25, 26 mit jeweils
der übernächsten Kommutatorlamelle 11 (z.B.
der dritten und fünften
sowie der vierten und sechsten) verbunden ist. Dies bedeutet, dass
die vier Enden zweier Teilspulenpaare 25, 26 und 25', 26', welche in
gleichen Ankernuten 24 liegen, wechselweise mit jeweils
einer Kommutatorlamelle 11 verbunden sind.
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In 3 ist
eine teilweise Abwicklung einer zweiten Ausführungsform von Ankerspulen
mit jeweils zwei symmetrischen Teilspulen 25, 26 sowie 25', 26' zweier Teilspulenpaare
schematisch dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform
hat wiederum der Kommutator 10 24 Lamellen 11 und
der Anker 20 zwölf
Zähne 23 und
zwölf Ankernuten 24. Die
Ankerspule ist ebenfalls nach Art der Schleifenwicklung in Form
einer Sehnenwicklung gewickelt. Die Wicklung einer ersten Teilspule 25 eines
ersten Teilspulenpaares 25, 26 liegt in der zweiten
Ankernut 24 zwischen dem ersten und zweiten Zahn 23 und der
siebten Ankernut 24 zwischen dem sechsten und siebten Zahn 23.
Die Wicklung einer zweiten Teilspule 26 des ersten Teilspulenpaares 25, 26 liegt
in der ersten Ankernut 24 zwischen dem zwölften und
ersten Zahn 23 und der achten Ankernut 24 zwischen dem
siebten und achten Zahn 23. Die beiden Teilspulen 25, 26 sind
parallel geschaltet, indem die beiden Enden jeder Teilspule 25, 26 mit
jeweils der übernächsten Kommutatorlamelle 11 elektrisch
verbinden sind. Das heißt,
dass in 3 das erste Ende der ersten
Teilspule 25 mit der sechsten Lamelle 11, das zweite
Ende der ersten Teilspule 25 mit der achten Lamelle 11 und
das erste Ende der zweiten Teilspule 26 mit der siebten
Lamelle 11, das zweite Ende der zweiten Teilspule 26 mit
der neunten Lamelle 11 verbunden ist. Demnach sind die
vier Enden des Teilspulenpaares 25, 26 wechselweise
mit benachbarten Kommutatorlamellen 11 verbinden. Die erste
Teilspule 25' eines
zweiten Teilspulen paares 25', 26' liegt in denselben
Ankernuten 24 wie die erste Teilspule 25 des ersten
Teilspulenpaares 25, 26, jedoch sind die Spulenenden
gemäß 3 mit
der siebten und neunten Kommutatorlamelle 11 elektrisch
verbunden. Dementsprechend ist die zweite Teilspule 26' des zweiten
Teilspulenpaares 25', 26' in denselben Ankernuten 24 gewickelt
wie die zweite Teilpule 26 des ersten Teilspulenpaares 25, 26.
Deren erstes und zweites Ende ist mit der sechsten und achten Kommutatorlamelle 11 verbunden.
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In 4 ist
eine teilweise Abwicklung einer ersten Ausführungsform von Ankerspulen
mit jeweils zwei symmetrischen Teilspulen schematisch dargestellt.
In der dargestellten Ausführungsform
hat der Kommutator 10 24 Lamellen 11 und der Anker 20 zwölf Zähne 23 und
zwölf Ankernuten 24.
Die Ankerspule ist nach Art der Schleifenwicklung in Form einer Durchmesserwicklung
gewickelt. Ein erstes Teilspulenpaar 25, 26 ist
wie folgt gewickelt: Die Wicklung einer ersten Teilspule 25 liegt
in einer ersten Ankernut 24 zwischen dem zwölften und
ersten Zahn 23 und in der siebten Ankernut 24 zwischen
dem sechsten und siebten Zahn 23. Die Wicklung einer zweiten
Teilspule 26 liegt ebenfalls in der ersten Ankernut 24 zwischen
dem zwölften
und ersten Zahn 23 und der siebten Ankernut 24 zwischen
dem sechsten und siebten Zahn 23. Die beiden Enden der
ersten und zweiten Teilspule 25, 26 sind mit der
jeweils übernächsten (hier
der sechsten und achten) Kommutatorlamelle 11 elektrisch
verbunden. Die beiden Teilspulen 25, 26 sind demnach
in Reihe geschaltet. In der dargestellten Ausführungsform wird zunächst die erste
Teilspule 25 gewickelt, bevor die zweite Teilspule 26 gewickelt
wird. Alternativ können
jedoch auch die beiden Teilspulen 25, 26 wechselweise
gewickelt werden.
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Eine
erste Teilspule 25' sowie
die zweite Teilspule 26' eines
zweiten Teilspulenpaares 25', 26' liegen ebenfalls
in der ersten und siebten Ankernut 24. Die beiden Enden
sind wiederum mit jeweils der übernächsten Kommutatorlamelle 11 verbunden,
wobei das erste Ende des zweiten Teilspulenpaares 25', 26' mit der siebten,
das zweite Ende mit der neunten Kommutatorlamelle 11 verbunden
ist. Dementsprechend sind auch die weiteren Ankernuten 24 jeweils mit
zwei ersten Teilspulen 25 oder zweiten Teilspulen 26 zweier
Teilspulenpaare 25, 26 belegt, wobei die beiden
Enden eines Teilspulenpaares 25, 26 mit jeweils
der übernächsten Kommutatorlamelle 11 (z.B. der
dritten und fünften
sowie der vierten und sechsten) verbunden ist. Dies bedeutet, dass
die vier Enden zweier Teilspulenpaare 25, 26 und 25', 26', welche in
gleichen Ankernuten 24 liegen, wechselweise mit jeweils
einer Kommutatorlamelle 11 verbinden sind.
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In
der Ausführungsform
gemäß 5 ist eine
teilweise Abwicklung von Ankerspulen mit jeweils zwei symmetrischen
Teilspulen schematisch dargestellt, in der der Kommutator 10 24
Lamellen 11 und der Anker 20 acht Zähne 23 und
acht Ankernuten 24 hat. Die Anzahl der Kommutatorlamellen 11 beträgt demnach
das Dreifache der Anzahl an Ankernuten 24. Die Ankerspule
ist nach Art der Schleifenwicklung in Form einer Sehnenwicklung
gewickelt. Ein erstes Teilspulenpaar 25, 26 ist
wie folgt gewickelt: Die Wicklung einer ersten Teilspule 25 liegt
in einer ersten Ankernut 24 zwischen dem achten und ersten Zahn 23 und
der vierten Ankernut 24 zwischen dem dritten und vierten
Zahn 23. Die Wicklung einer zweiten Teilspule 26 liegt
in der achten Ankernut 24 zwischen dem siebten und achten
Zahn 23 und der fünften
Ankernut 24 zwischen dem vierten und fünften Zahn 23. Die
beiden Enden der ersten und zweiten Teilspule 25, 26 sind
mit der jeweils dritten (hier der dritten und sechsten) Kommutatorlamelle 11 elektrisch
verbunden. Die beiden Teilspulen 25, 26 sind demnach
in Reihe geschaltet. Analog zu der in 2 dargestellten
Ausführungsform
liegen die Ankernuten 24, in die die erste Teilspule 25 gewickelt
ist, und die Ankernuten 24, in die die zweite Teilspule 26 gewickelt
ist, einander gegenüber.
Die beiden Teilspulen 25, 26 sind bezüglich der
Drehachse 13 des Ankers 20 symmetrisch zueinander
angeordnet, indem sie parallel zueinander verlaufen, wobei die beiden Teilspulen 25, 26 in
umgekehrtem Wickelsinn gewickelt sind. In der dargestellten Ausführungsform
wird zunächst
die erste Teilspule 25 gewickelt, bevor die zweite Teilspule 26 gewickelt
wird. Alternativ können jedoch
auch die beiden Teilspulen 25, 26 wechselweise
gewickelt werden.
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Eine
erste Teilspule 25' eines
zweiten Teilspulenpaares 25', 26' liegt ebenfalls
in der ersten und vierten Ankernut 24, die zweite Teilspule 26' des zweiten
Teilspulenpaares 25', 26' liegt ebenfalls
in der achten und fünften
Ankernut 24. Die beiden Enden sind wiederum mit jeweils
der dritten Kommutatorlamelle 11 verbunden, wobei das erste
Ende des zweiten Teilspulenpaares 25', 26' hier mit der vierten, das zweite
Ende mit der siebten Kommutatorlamelle 11 verbunden ist.
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Eine
erste Teilspule 25' eines
dritten Teilspulenpaares 25'', 26'' liegt ebenfalls in der ersten
und vierten Ankernut 24, die zweite Teilspule 26' des dritten
Teilspulenpaares 25'', 26'' liegt ebenfalls in der achten
und fünften
Ankernut 24. Die beiden Enden sind wiederum mit jeweils
der dritten Kommutatorlamelle 11 verbunden, wobei das erste
Ende des dritten Teilspulenpaares 25'', 26'' hier mit der fünften, das zweite Ende mit
der achten Kommutatorlamelle 11 verbunden ist.
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Dementsprechend
sind auch die weiteren Ankernuten 24 jeweils mit drei ersten
Teilspulen 25, 25', 25'' oder zweiten Teilspulen 26, 26', 26'' dreier Teilspulenpaare 25, 26, 25', 26' und 25'', 26'' belegt, wobei
die beiden Enden eines Teilspulenpaares 25, 26, 25', 26' oder 25'', 26'' mit
jeweils der übernächsten Kommutatorlamelle 11 (z.B.
der dritten und sechsten, der vierten und siebten sowie der fünften und
achten) verbunden ist. Dies bedeutet, dass die vier Enden zweier
Teilspulenpaare 25, 26 und 25', 26', welche in
gleichen Ankernuten 24 liegen, wechselweise mit jeweils
einer Kommutatorlamelle 11 verbinden sind.
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2, 3, 4 und 5 zeigen
jeweils eine Ausführungsform
einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung der beiden Teilspulen 25, 26.
Nach dem dargestellten Prinzip der Wicklung zweier symmetrisch angeordneter
Teilspulen 25, 26 sind viele weitere Wicklungsschemata
realisierbar.