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Die Erfindung beschreibt einen Stator für einen dreiphasigen Elektromotor mit mehreren Statorzähnen, auf denen jeweils eine Statorwicklung angeordnet ist.
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Solche Statoren sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. Die Statorwicklungen werden in der Regel maschinell auf die Statorzähne gewickelt, beispielsweise mit einem Nadelwickler. Um von dem gerade gewickelten Statorzahn zum nächsten Statorzahn zu gelangen, kreuzt der Wicklungsdraht oft andere Statorzähne. Dabei kreuzen sich die dort vorhandenen Wicklungsdrähte am Boden der Statornuten. Die Drähte haben je nach Motor einen recht großen Durchmesser, um die benötigten hohen Ströme leiten zu können. Kreuzen sich nun zwei dieser Drähte, nimmt diese Drahtkreuzung einen großen Teil des vorhandenen Wicklungsraums ein. Dadurch können die Wicklungen der benachbarten Statorzähne nicht bis an den Boden der Statornuten geführt werden. Je nach Motor kann die Kreuzung 20% und mehr des Wicklungsraumes blockieren. Dadurch können weniger Windungen pro Statorzahn gewickelt werden, was die Leistung des Motors reduziert.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Stator zu schaffen, der eine optimale Raumausnutzung des Wickelraums aufweist und damit eine optimale Leistung des Motors bietet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
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Um die erfindungsgemäße Wirkung zu erzielen weist der Stator an einer ersten Stirnseite eine Nutisolation auf, wobei dort an einem Außenumfang der Nutisolation eine Drahtführung angeordnet ist. Vorzugsweise sind an einer zweiten Stirnseite des Stators die Anschlusskontakte angeordnet, beispielsweise ebenfalls an einer dort angeordneten Nutisolation. Die an den beiden Stirnseiten angeordneten Teile der Nutisolation können auch miteinander verbunden sein. Dadurch ist es möglich, dass die Wicklungen aller Statorpole fortlaufend und ohne Unterbrechung des Drahtes gewickelt sind. Die Anschlusskontakte können dann im Vorbeigehen ohne Unterbrechung kontaktiert werden. Weiterhin ist der Wicklungsdraht auf der Drahtführung in mehreren Ebenen geführt. Dabei ist der Wicklungsdraht zum Wechsel zwischen zwei Statorpolen nur auf der Außenseite der Nutisolation entlang der Drahtführung geführt. Dabei ist der Draht derart geführt, dass er immer in einer freien Ebene der Drahtführung liegt. Dadurch sind keine Drahtkreuzungen auf der Drahtführung vorhanden. Darüber hinaus liegen die Wechsel zwischen den Ebenen der Drahtführung vorzugsweise immer auf der Innenseite der Drahtführung und der Wicklungsdraht ist innerhalb der Statornuten in axialer Richtung geführt.
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Dadurch sind auch innerhalb der Statornuten keine Drahtkreuzungen vorhanden. Mit diesen Maßnahmen sind die Statorwicklungen ohne Drahtunterbrechung wickelbar und der Wickelraum ist optimal nutzbar, da keine Drahtkreuzungen vorhanden sind. Die Statorzähne können daher bis an den Boden der Statornuten bewickelt werden, und erzielen somit einen maximalen Füllgrad.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Drahtführung drei Ebenen auf, in denen der Wicklungsdraht kreuzungsfrei geführt ist. Drei Ebenen sind ausreichend, um bei einem 12-poligen Motor alle Wicklungen durchgehend zu wickeln, ohne dass Drahtkreuzungen notwendig sind. Dadurch ist der Stator in axialer Richtung möglichst kompakt baubar.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung, sind die Drahtführungen in axialer Richtung durch Stege voneinander getrennt. Dadurch wird das Wickeln im Wesentlichen vereinfacht und die Drähte verrutschen nicht zwischen den Ebenen.
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Ein weiterer Vorteil des Verzichts auf Drahtkreuzungen liegt in der Vermeidung von Kurzschlüssen, beispielsweise aufgrund einer defekten elektrischen Isolation des Wicklungsdrahts. Hierzu ist es vorteilhaft insbesondere Kreuzungen von Wicklungsdrähten unterschiedlicher Phasen zu vermeiden, weshalb das erfindungsgemäße Wickelschema einen zusätzlichen Schutz des Motors vor einer Zerstörung durch Kurzschlüsse mit sich bringt.
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Die Erfindung umfasst weiterhin einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, der gegenüber dem Stator drehbar gelagert ist und der einen erfindungsgemäßen Stator aufweist. Ein solcher Elektromotor weist einen optimalen Füllgrad des Wickelraums auf und damit einen optimalen Wirkungsgrad.
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Die Erfindung ist mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt
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1 Ein Schema der Verschaltung der Wicklungen in einer Dreiecksschaltung,
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2 Eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Stators,
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3 eine Draufsicht des Stators mit skiziierter Drahtführung und
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4 Eine schematische Darstellung des Wicklungsschemas.
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Die Erfindung ist im Wesentlichen für dreiphasige Motoren mit einer Dreiecksschaltung der Motorphasen verwendbar. Die 1 zeigt eine solche Dreiecksschaltung für die Motorphasen U, V, W. Dabei sind jeweils zwei Enden zweier Phasenwicklungen miteinander verbunden. Im Beispiel sind das V1 mit U2, U1 mit W2 und W1 mit V2.
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In 2 ist beispielhaft ein erfindungsgemäßer Stator 13 gezeigt. Der Stator 13 weist einen Statorkörper 14 auf, der aus einzelnen Statorblechen 15 gestapelt ist. An einer ersten Stirnseite 18 des Statorköpers ist eine Drahtführung 16 und an der zweiten Stirnseite 19 sind die Anschlusskontakte Ua, Va, Wa zur Kontaktierung der Wicklungen angeordnet. Die Anschlusskontakte Ua, Va, Wa sind in einem Kunststoff eingebettet, der einstückig mit der Drahtführung in einem Spritzgussprozess hergestellt ist. Der Wickeldraht 17 ist auf der Drahtführung 16 in mehreren Ebenen geführt, so dass keine Drahtkreuzungen auf der Drahtführung 16 vorhanden sind.
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Die Erfindung ist dabei in keiner Weise auf die gezeigte Ausführung beschränkt. Änderungen im Durchmesser, der Länge oder anderer Parameter sind ohne Einfluss auf die Erfindung jederzeit möglich. So kann der Stator auch vollständig mit einem Kunststoff umspritzt sein.
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In der Drahtführung 16 sind in Umfangsrichtung zwischen den Statorzähnen 1–12 jeweils Durchführöffnungen 101–112 angeordnet, durch die der Wickeldraht 17 jeweils von der Innenseite der Statornuten 1'–12' auf den Außenumfang der Drahtführung 16 geführt ist. In der Ausführung der 2 sind zudem Stege 20 gezeigt, die die einzelnen Ebenen E1–E3 der Drahtführung 16 in axialer Richtung begrenzen. Diese sind jedoch nicht unbedingt notwendig. Die Stege können daher beispielsweise in Umfangsrichtung auch unterbrochen sein oder nur abschnittsweise vorhanden sein.
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Die Anschlusskontakte U, V, W sind dabei jeweils mit einem Verbindungspunkt zwischen zwei Phasenwicklungsenden verbunden, das heißt mit einem Eckpunkt der Dreiecksschaltung.
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Im Beispiel sind die Drahtführung 16 und die Halterung, in der die Anschlusskontakte Ua, Va, Wa gehalten sind aus einem Kunststoff spritzgegossen. Dies ist jedoch für die Erfindung nicht relevant und somit nicht beschränkend.
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Die 3 zeigt eine Draufsicht der ersten Stirnseite 18 einer vorteilhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Stators 13. In 4 ist das Wickelschema an dem das Wickelschema der 4 realisiert ist. Dabei stellt die in 3 und 4 gezeigte Ausführung nur eine mögliche Realisierung der Erfindung dar. Durch eine andere Anordnung der Anschlusskontakte kann sich beispielsweise das Wickelschema, insbesondere Start und Endpunkte verändern, ohne dass sich an der Grundidee der Erfindung etwas verändert. Solche alternative Ausführungen sind daher explizit in der Erfindung mit eingeschlossen, das heißt die Erfindung ist in keiner Weise auf die dargestellte Ausführung beschränkt.
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Der erfindungsgemäße Stator 13 hat drei Motorphasen U, V, W und beispielsweise zwölf Statorzähne 1–12, auf denen die Statorwicklungen angeordnet sind, die jeweils zusammen einen Statorpol bilden. Der Stator 13 im Beispiel ist für einen Innenläufer ausgebildet, kann jedoch auch als entsprechender Außenläufer ausgebildet werden. Das erfindungsgemäße Wickelschema kann mit kleinen Änderungen auch für Statoren 13 mit mehr oder weniger Statorpolen angewandt werden.
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Die Statorzähne 1–12 bilden mit den dazwischen liegenden Statornuten 1'–12' jeweils den Wickelraum, der für den Wicklungsdraht 17 zur Verfügung steht. Ziel der Erfindung ist es nun, die Statorzähne so zu bewickeln, dass ein hoher Füllgrad des Wickelraums erzielt wird.
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Erfindungsgemäß ist am Außenumfang einer ersten Stirnseite (18) der Nutisolation eine Drahtführung angeordnet. Vorzugsweise sind am zweiten Stirnseite (19) der Nutisolation die Anschlusskontakte angeordnet. Weiterhin sind die Wicklungen aller Statorpole fortlaufend und ohne Unterbrechung des Wicklungsdrahtes 17 gewickelt. Dazu ist der Wicklungsdraht 17 auf der Drahtführung in mehreren Ebenen geführt. Zum Wechsel zwischen zwei Statorpolen ist der Wicklungsdraht 17 nur auf der Außenseite der Nutisolation, in einer freien Ebene E1–E3 der Drahtführung 16 geführt, so dass keine Drahtkreuzungen auf der Drahtführung vorhanden sind. Weiterhin liegen Wechsel zwischen den Ebenen der Drahtführung 16 vorzugsweise immer auf der Innenseite des Stators und der Wicklungsdraht ist innerhalb der Statornuten in axialer Richtung geführt, so dass innerhalb der Statornuten keine Drahtkreuzungen vorhanden sind.
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Insgesamt ist der Stator 13 mit optimalem Füllfaktor und durchgehend bewickelbar. Dadurch können Kosten bei der Herstellung gespart werden und ein Motor mit einem erfindungsgemäßen Stator weist einen optimalen Wirkungsgrad auf.
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Weiterhin ist in der 3 der Verlauf der Drahtwicklung gemäß dem Wickelschema der 4 dargestellt. Der Beginn der Wicklung ist beim Anschlusskontakt Ua, von wo der Wickeldraht 17 zum ersten Statorzahn 1 geführt ist. Die Pfeile entlang der Drahtlinie gibt die Richtung der Drahtwicklung an, wobei bei jedem Statorzahn zusätzlich die Ebene angegeben ist, in der der Draht am jeweiligen Zahn geführt ist. Die gebogenen Pfeile 13 an der Innenseite des Stators stehen symbolisch für die Wicklungen auf den Statorzähnen und zeigen an, wie der Wicklungsdraht unterbrechungsfrei geführt ist.
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Das Wickelschema des erfindungsgemäßen Stators 13 ist in 4 schematisch dargestellt. Senkrechte Linien entsprechen im Bild einer axialen Führung des Drahtes auf der Innenseite des Statornuten. Waagrechte Linien entsprechen einer Führung des Drahtes entlang des Umfangs auf der Außenseite der Drahtführung 16. Auch wenn die Linien in vier Höhen dargestellt sind, liegen an jeder Position nur jeweils maximal drei Linien übereinander. Das bedeutet der Wicklungsdraht ist auf drei Ebenen auf der Drahtführung 16 geführt.
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Die Ebene auf der der jeweilige Draht an einem Statorpol geführt ist, ist jeweils in der Zeichnung angegeben. Die Ebene wird von Statorpol zu Statorpol in der Regel beibehalten. Es ist jedoch genau ein Ebenenwechsel notwendig damit die drei Ebenen ausreichen. Dieser Ebenenwechsel kann entweder, wie in der 4 gezeigt, in der Motorphase W beim Wechsel vom neunten (Ebene zwei) zum zwölften Statorzahn (Ebene drei) oder in der Phase V vom elften Statorzahn (Ebene 1) zum zweiten Statorzahn (Ebene 2) stattfinden. In letzterem Fall bliebe Phase W am zwölften Zahn auf Ebene 2. Eventuell sind auch andere Postionen für den Ebenenwechsel möglich. Alternativ kann die Drahtführung auch vier Ebenen aufweisen.
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Die Erfindung ist daher in keiner Weise auf die dargestellte Ausführung beschränkt.
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Ebenso existiert eine einzige Drahtkreuzung zwischen den Drahtenden W2 und V1 am Anschlusskontakt V. Diese Drahtkreuzung liegt jedoch außerhalb der Statornuten und behindert damit nicht die optimale Bewicklung des Wickelraums.
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Das Wickelschema der im Beispiel gezeigten Ausführung der Erfindung ist in den 3 und 4 ist nachfolgend im Detail beschrieben.
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Motorphase U:
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Der Start der Wicklung erfolgt am Anschlusskontakt Ua der Motorphase U. Der Wicklungsdraht 17 ist hier über den Anschlusskontakt Ua geführt und verlötet. Vom Anschlusskontakt Ua aus ist der Wickeldraht 17 zum ersten Statorzahn 1 geführt.
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Von der Wicklung um den ersten Statorzahn 1 führt der Wickeldraht 17 auf der Innenseite der Statornut 1 in axialer Richtung bis zur ersten Ebene E1 der Drahtführung 16, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 101 auf die Außenseite der Drahtführung 16 geführt ist. Hier führt der Wickeldraht 17 entlang des Außenumfangs auf der ersten Ebene E1 bis zum vierten Statorzahn 4, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 104 auf die Innenseite der Statornut 4' und zur Bildung der Wicklung mehrfach um den Statorzahn 4 geführt ist.
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Von der Wicklung um den vierten Statorzahn 4 führt der Wickeldraht 17 auf der Innenseite der Statornut 4' in axialer Richtung bis zur ersten Ebene E1 der Drahtführung 16, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 104 auf die Außenseite der Drahtführung 16 geführt ist. Hier führt der Wickeldraht 17 entlang des Außenumfangs auf der ersten Ebene E1 bis zum siebten Statorzahn 7, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 107 auf die Innenseite der Statornut 7' und zur Bildung der Wicklung mehrfach um den Statorzahn 7 geführt ist.
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Von der Wicklung um den siebten Statorzahn 7 führt der Wickeldraht 17 auf der Innenseite der Statornut 7' in axialer Richtung bis zur ersten Ebene E1 der Drahtführung 16, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 107 auf die Außenseite der Drahtführung 16 geführt ist. Hier führt der Wickeldraht 17 entlang des Außenumfangs auf der ersten Ebene E1 bis zum zehnten Statorzahn 10, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 110 auf die Innenseite der Statornuten 10' und zur Bildung der Wicklung mehrfach um den Statorzahn 10 geführt ist.
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Von der Wicklung um den zehnten Statorzahn 10 führt der Wickeldraht 17 auf der zweiten Stirnseite 19 des Stators 13 zum Anschlusskontakt Va, wo der Wickeldraht verlötet ist und ohne Unterbrechung weitergeführt ist.
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Motorphase V
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Vom Anschlusskontakt Va führt der Wickeldraht 17 direkt zum elften Statorzahn 11 und zur Bildung der Wicklung mehrfach um den Statorzahn 11 herum. Von der Wicklung des elften Statorzahns 11 führt der Wicklungsdraht 17 auf der Innenseite der Statornut 11' in axialer Richtung bis zur zweiten Ebene E2 der Drahtführung 16, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 111 auf die Außenseite der Drahtführung 16 geführt ist. Hier führt der Wickeldraht 17 entlang des Außenumfangs auf der zweiten Ebene E2 bis zum zweiten Statorzahn 2, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 102 auf die Innenseite der Statornut 2' und zur Bildung der Wicklung mehrfach um den Statorzahn 2 geführt ist.
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Von der Wicklung um den zweiten Statorzahn 2 führt der Wickeldraht 17 auf der Innenseite der Statornut 2' in axialer Richtung bis zur zweiten Ebene E2 der Drahtführung 16, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 102 auf die Außenseite der Drahtführung 16 geführt ist. Hier führt der Wickeldraht 17 entlang des Außenumfangs auf der zweiten Ebene E2 bis zum fünften Statorzahn 5, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 105 auf die Innenseite der Statornut 5' und zur Bildung der Wicklung mehrfach um den Statorzahn 5 geführt ist.
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Von der Wicklung um den fünften Statorzahn 5 führt der Wickeldraht 17 auf der Innenseite der Statornut 5' in axialer Richtung bis zur zweiten Ebene E2 der Drahtführung 16, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 105 auf die Außenseite der Drahtführung 16 geführt ist. Hier führt der Wickeldraht 17 entlang des Außenumfangs auf der zweiten Ebene E2 bis zum achten Statorzahn 8, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 108 auf die Innenseite der Statornut 8' und zur Bildung der Wicklung mehrfach um den Statorzahn 8 geführt ist.
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Von der Wicklung um den achten Statorzahn 8 führt der Wickeldraht 17 auf der zweiten Stirnseite 19 des Stators 13 zum Anschlusskontakt Wa, wo der Wickeldraht verlötet ist und ohne Unterbrechung weitergeführt ist.
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Motorphase W
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Vom Anschlusskontakt Wa führt der Wickeldraht 17 direkt zum neunten Statorzahn 9 und zur Bildung der Wicklung mehrfach um den Statorzahn 11 herum. Von der Wicklung des neunten Statorzahns 9 führt der Wicklungsdraht 17 auf der Innenseite der Statornut 9' in axialer Richtung bis zur zweiten Ebene E2 der Drahtführung 16, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 109 auf die Außenseite der Drahtführung 16 geführt ist. Hier führt der Wickeldraht 17 entlang des Außenumfangs bis zum zwölften Statorzahn 2 mit einem Wechsel auf die dritte Ebene E3, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 112 auf die Innenseite der Statornut 12' und zur Bildung der Wicklung mehrfach um den Statorzahn 12 geführt ist.
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Von der Wicklung um den zwölften Statorzahn 12 führt der Wickeldraht 17 auf der Innenseite der Statornut 12' in axialer Richtung bis zur dritten Ebene E3 der Drahtführung 16, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 112 auf die Außenseite der Drahtführung 16 geführt ist. Hier führt der Wickeldraht 17 entlang des Außenumfangs auf der dritten Ebene E3 bis zum dritten Statorzahn 3, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 103 auf die Innenseite der Statornut 3' und zur Bildung der Wicklung mehrfach um den Statorzahn 3 geführt ist.
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Von der Wicklung um den dritten Statorzahn 3 führt der Wickeldraht 17 auf der Innenseite der Statornut 3 in axialer Richtung bis zur dritten Ebene E3 der Drahtführung 16, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 103 auf die Außenseite der Drahtführung 16 geführt ist. Hier führt der Wickeldraht 17 entlang des Außenumfangs auf der dritten Ebene E3 bis zum sechsten Statorzahn 6, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 106 auf die Innenseite der Statornut 6' und zur Bildung der Wicklung mehrfach um den Statorzahn 6 geführt ist.
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Von der Wicklung um den sechsten Statorzahn 6 führt der Wickeldraht 17 auf der Innenseite der Statornut 6' in axialer Richtung bis zur dritten Ebene E3 der Drahtführung 16, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 106 auf die Außenseite der Drahtführung 16 geführt ist. Hier führt der Wickeldraht 17 entlang des Außenumfangs auf der dritten Ebene E3 bis zum elften Statorzahn 11, wo der Wickeldraht 17 durch die Durchführöffnung 111 auf die Innenseite der Statornut 11' und dort in axialer Richtung bis zum Anschlusskontakt Ua geführt ist, wo der Wickeldraht verlötet und die Wicklung beendet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1–12
- Statorzähne
- 1'–12'
- Statornuten
- 13
- Stator
- 14
- Statorkörper
- 15
- Statorblech
- 16
- Drahtführung
- 17
- Wickeldraht
- 18
- erste Stirnseite
- 19
- zweite Stirnseite
- 20
- Stege zwischen den Ebenen der Drahtführung
- 101–112
- Durchführöffnungen zwischen den Statorzähnen
- E1–E3
- Ebenen der Drahtführung
- U, V, W
- Motorphasen
- Ua, Va, Wa
- Anschlusskontakte der Motorphasen
- U1, U2, V1, V2, W1, W2
- Enden der Wicklungen der einzelnen Motorphasen
