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Zweischichtwicklung mit ungerader Leiterzahl Je Nut
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Die Erfindung betrifft eine Zweischichtwicklung nach dem Oberbegriff
des Hauptanspruche.
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Solche Zweischichtwicklungen sind z.B. aus der DT-AS 10 18 975 und
der DT-OS 15 63 032 bekannt. Aus der erstgenannten Druckschrift ist es bekannt,
zwei Spulengruppen vorzusehen, von denen die eine Spulengruppe - - Leiter und die
andere Spulengruppe n-i 2 2 Leiter enthält, und die Leiter dieser beiden Spulengruppen
eo in die Nuten einzulegen, daß abwechselnd in der einen Nut in der Unterschicht
n+1 Leiter und in der Oberschicht n-1 Leiter, in der 2 2 nächsten Nut in der Unterschicht
-r- Leiter und in der Oberschicht n+1 Leiter usw. liegen, so daB pro Nut stets n
(n .... ungerade 2 ganze Zahl) Leiter insgesamt eingelegt sind.
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Aus der sweitgenannten Druckschrift ist es bekannt, innerhalb eine
jeden Wicklungsstranges jedem Pol konzentrische Spulengruppen mit unterschiedlichen
Einzelwindungszahlen zuzuordnen, so daß alle Nuten ebenfalls wieder gleiche Füllung
haben.
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Ein Nachteil dieser bekannten Zweischichtwicklungen ist es, daß sich
bei gleicher Nutfüllung nicht beliebige Spulenweiten ausführen lassen. So sind nach
DT-OS 15 63 032 nur Ganilochwicklungen mit um Jeweils zwei Nutteilungen unterschiedlichen
Spulenschrittweiten ausführbar (ungerader Nutschritt). Bei Wicklungen mit konzentrischen
Spulengruppen müssen unterschiedliche Mehrfachspulen benutzt werden, wobei auch
nur bestimmte Sehnungen
möglich sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beliebig gesehnte Zweischichtwicklungen
der eingangs genannten Art zu schaffen, die -unabhängig davon, ob die Wicklung aus
Spulen gleicher Weite oder konzentrischen bzw. teilkonzentrischen Spulengruppen
zusammengesetzt ist - mit allen geforderten Spulenschrittweiten realisiert werden
können.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die kennzeichnenden
Merkmale des Hauptanspruchs.
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Auf diese Weise ergeben sich -7- Leiter im einen und -r- Leiter 2
im anderen Spulenschenkel und somit tatsächlich n "halbe Windungen" innerhalb einer
Spule, und nicht wie bekannt nur als rechnerischer Mittelwert zweier Spulen mit
- - und -7- vollen Windungen.
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Beim Aufbau der Zweischichtwicklung nach der Erfindung aus Einzelspulen
in gleicher Relativlage zueinander (bei der die Spulenseiten mit der größeren Leiterzahl
jeweils in der gleichen Nutschicht, z.B. Oberschicht liegen, ergibt sich bei jeder
Spulenschrittweite eine gleiche Nutfüllung. Es müssen Jedoch die Schaltverbindungen
auf beiden Stirnseiten von Pol zu Pol verlegt werden, was einen relativ großen und
räumlich ausgedehnten Schaltungsauftrag zur Folge hat.
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Wesentlich kürzere Schaltverbindungen lassen sich dadurch erreichen,
daß man an sich gleiche Einzelspulen mit "halben" Windungen in abwechselnder Relativlage
zueinander anordnet und gruppenweise zusammenfaßt. Bei einer geraden Anzahl von
zusammenhängenden Einzelepulen Je Spulengruppe kommen dann die beiden Anschlußenden
Jeweils auf der gleichen Stirnseite zu liegen und die Schaltverbindungen zwischen
den Spulengruppen verlaufen wie bei den bekannten Wicklungen.
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Bezeichnet 2K die (gerade) Spulenzahl Je Spulengruppe, dann liegen
von den (2K-1) gesamten übergängen von einer Einzelspule zur nächsten (K-1) auf
der Schaltseite und K auf der gegenüberliegenden Stirnseite. Bei Ausführung mit
konzentrischen oder teilkon-
zentrischen Spulengruppen lassen sich
alle ungeradzahligen Spulenschrittweiten, und mit Spulen gleicher Weite alle geradzahligen
Spulenschrittweiten ausführen, wobei keinerlei Beschränkungen hinsichtlich einer
Parallelschaltung der aus den Einzelspulen Je Pol und Strang gebildeten Spulengruppen
zu beachten sind.
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Bei aus einer ungeraden Anzahl von Einzelspulen bestehenden Spulengruppen
ergeben sich unabhängig von der Wicklungsart mit Spulen gleicher Weite oder konzentrischen
Mehrfachspulen jeweils gleiche Spulenseitenfolgen und die beiden Anschlußenden einer
jeden Spulengruppe liegen auf verschiedenen Stirnseiten.
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Durch spiegelbildliches Umklappen jeder zweiten Spulengruppe oder
einer Drehung um 1800 lassen sich alle geradzahligen Spulenschrittweiten ausführen.
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Wenn man solche aus einer ungeraden Zahl von Einzelspulen beste-+
1 n- 1 henden Spulengruppen aus üblichen Einzelspulen mit r und 2 vollen und Einzelspulen
mit "halben" Windungen nach der Erfindung zusammensetzt (gemischte Spulengruppen),
dann lassen sich unabhängig von der Wicklungsart beliebige Spulenschr.tttweiten
uneingeschränkt ausführen.
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Mit allen Schaltungsvarianten nach der Erfindung können bei jeder
Wicklungsart wesentlich mehr effektive Windungszahlen erreicht werden, was insbesondere
die Bemessung größerer Niederspannungsmaschinen mit Drahtwicklungen, die relativ
wenig Leiter je Nut aufweisen, merklich erleichtert.
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Weitere Einzelheiten werden anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt sind, nachfolgend näher erläutert. Es zeigen hierbei Fig.
1 eine erfindungsgemäße Einzelapule mit n2 Windungen, Fig. 2 die Schaltverbindungen
für eine aus Einzelspulen nach Fig. 1 in gleicher Relativlage zusammengesetzte Wicklung,
Fig. 3a eine zusammenhängende (geradzahlige) Zweifach-Spulengruppe für eine konzentrische
oder teilkonzentrische Wicklung, wobei alle ungeraden Spulenschrittweiten möglich
sind,
Fig. 3b eine zusammenhängende (garadzahlige) Zweifach-Spulengruppe
für eine Wicklung mit Spulen gleicher Weite, wobei alle geraden Spulenschrittweiten
möglich sind, Fig. 4a eine zusammenhängende (ungeradzahlige) Dreifach-Spulengruppe
für eine Wicklung mit teilkonzentrischen oder konzentrischen Spulen, Fig. 4b eine
zusammenhängende (ungeradzahlige) Dreifach-Spulengruppe für eine Wicklung mit Spulen
gleicher Weite, Fig. 5a eine Wicklungsanordnung mit (ungeradzahligen) Spulengruppen
nach Fig. 4a, bei der jede zweite Spulengruppe spiegelbildlich umgeklappt ist, Fig.
5b eine Wicklungsanordnung mit (ungeradzahligen) Spulengruppen nach Fig. 4a, bei
der jede zweite Spulengruppe um 180° gedreht ist, Fig. 5c die Phasenlage beider
Spulengruppen nach Fig. 5a oder 5b, Fig. 6a eine "gemischte", aus zwei konventioniDen
und einer Spule nach Fig. 1 zusammengesetzte Spulengruppe mit drei konzentrischen
Spulen, Fig. 6b eine "gemischte" Spulengruppe mit drei Spulen gleicher Weite, Fig.
7 die Spulenanordnung für eine gemischte teilkonzentrische Fünffach-Spulengruppe,
bestehend aus Je einer konzentrischen Zwetfach- und Dreifachspule, Fig. 8a den vollständigen
Wicklungsplan mit den einzelnen Schaltverbindungen, Fig. 8b das schematische Schaltbild
und Fig. 8c die Spulenausbildung für eine mit n =9Leitern pro Nut ausgeführte 6/4polig
umschaltbare Zweischichtwicklung für N = 72 Nuten, Fig. 9 eine spektrogrammartige
Gegenüberstellung der in konventioneller und erfindungsgemäßer Weise erreichbaren
effektiven Strangwindungszahlen für teilkonzentrische Zweischichtwicklungen mit
q = 4 bis 7 Nuten Je Pol und Strang bei verschiedenen Leiterzahlen Je Nut und verschiedenen
Spulensehnungen.
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Tabelle I zeigt anhand der Spulenseitenverteilung, wie für eine Wicklung
mit q = 3 Nuten je Pol und Strang die gemischten Spulen nach Fig. 6a oder b bei
den verschiedenen Sehnungen gruppiert werden müssen.
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Tabelle II gibt eine zu Tabelle I analoge Übersicht für eine Wicklung
mit q = 5 Nuten je Pol und Strang und teilkonzentrischen Spulen nach Fig. 7.
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Die in Fig. 1 gezeigte Einzelspule hat in beiden Spulenseiten eine
um Eins unterschiedliche Zahl von insgesamt n Spulenleitern, so daß die beiden Spulenenden
A (Anfang) und E (Ende) auf beiden Stirnseiten liegen und sich n Windungen ergeben.
Die Schaltverbindungen für einen aus solchen Einzelspulen in gleicher Relativlage
zusammengesetzte Wicklung sind nach Fig. 2 auf beiden Stirnseiten von Pol zu Pol
zu verlegen und es werden unabhängig von der gewählten Spulenschrittweite immer
gleiche Nutfüllungen mit n Leitern Je Nut erreicht. Die Einzelspulen liegen in relativ
gleicher Lage zueinander, d.h. die Spulenseiten mit der größeren Zahl von Spulenleitern
liegen z.B. alle in der Oberschicht.
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Lange und aufwendige Schaltverbindungen an beiden Stirnseiten kann
man aber vermeiden, wenn man Einzelspulen mit "halben" Windungen nach Fig. 1 in
abwechselnder Relativlage anordnung und gruppeiiweise zusammenfaßt, wie dies für
zweifache (geradzahlige) Spulengruppen in Fig. 3a, b und für dreifache (ungeradzahlige)
Spulengruppen in Fig. 4a, b angegeben ist.
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In Fig. 3a sind zwei zusammenhängende konzentrische Spulen und in
Fig. 3b zwei zusammenhängende Spulen gleicher Weite mit beiden Anschlußenden (A,
E) auf der gleichen Stirnseite und jeweils einer gegenüberliegenden Übergangsatelle
U zwischen den beiden Spulen gezeigt. Da bei derartigen Spulengruppen mit einer
geraden Spulenzahl 2K die Anschlußenden A und E auf der gleichen Stirnseite zu liegen
kommen, sind die Schaltverbindungen von einer der Jeweils dargestellten Spulengruppe
zur nächsten nicht dargestellten Spulengruppe wie bei einer herkömmlichen Wicklung
ausgeführt.
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Innerhalb jeder Spulengruppe liegen von den (2K-1) bergangsstellen
U abwechselnd (K-1) auf der Schaltseite und K auf der gegenüberliegenden Stirnseite.
Solche Spulengruppen können zusammenhängend gewickelt werden. Wegen durchwegs gleicher
Spulengruppen bestehen keine Einschränkungen bezüglich Parallel- oder Reihenschaltung.
Bei Spulen gleicher Weite sind geradzahlige Spulenschrittweiten und bei konzentrischen
bzw. teilkonzentrischen Spulen ungeradzahlige Spulenschrittweiten möglich, also
jeweils
Jene Schrittweiten, die bei der bekannten Ausbildungsform
von Zweischichtwicklungen mit ungerader Leiterzahl Je Nut nicht aueführbar sind.
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Wenn die Spulengruppen gemäß Fig. 4 aus einer ungeraden Anzahl von
zusammenhängend gewickelten Spulen bestehen, liegen beide Anschlußenden A, E Jeder
Spulengruppe auf verschiedenen Stirnseiten. Es ergibt sich eine gleiche Spulenseitenfolge
sowohl für konzentrische Spulen (Fig. 4a) als auch für Spulen gleicher Weite (Fig.
4b). Die Übergangastellen V liegen in beiden Fällen Jeweils hälftig auf beiden Stirnseiten.
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Wenn man gemäß Fig. 5a beim Einlegen solcher ungeradzahliger Spulengruppen
Jede zweite spiegelbildlich zur Jeweiligen ersten umklappt oder gemäß Fig. 5b um
1800 dreht, dann kann man bei gleicher Nutfüllung alle geradzahligen Spulenschrittweiten
ausführen. Bei konventioneller Lösung sind hingegen nur ungerade Schrittweiten möglich
und es werden zwei verschiedene Spulengruppen benötigt, von denen die eine mit -
- Windungen und die andere mit n-1 Windungen beginnen muB.
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2 dungen beginnen muß.
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Um bei einer Wicklungsanordnung nach Fig. 5a und b die aufeinanderfolgenden
Spulengruppen im richtigen Wickelsinn zu durchlaufen, muß man für eine übliche Sechezonenwicklung
und bei Reihenschaltung der Spulengruppen die Schaltverbindungen auiwendigerweise
über das Joch von einer Stirnseite zur anderen verlegen (z.B. gemäß Fig. 5a von
A nach E'). Ohne solche Jochseitig geführten Schaltverbindungen können mit einer
Wicklungsanordnung nach Fig. 5a, b in Reihenschaltung nur Dreizonenwicklungen hergestellt
werden.
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Dagegen läßt eich mit Spulengruppen nach Fig. 5a, b bei Sechszonenwicklungen
eine Parallelschaltung ausführen (Verbindungen A-A' und E-E' nach Fig. 5a), die
im Vergleich mit der bei üblichen Wicklungen dieser Art maximal möglichen Parallelzweigzahl
a = Polpaarzahl p doppelt soviele Parallelzweige (a = 2p) aufweist. Die beiden Anschlußenden
Jedes Wicklungsstrangee bzw.
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die Anschlußklemmen und der Sternpunkt liegen dabei auf verschiedenen
Stirnseiten.
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In Fig. 5c ist hierfür der Spulenseitenstern dargestellt, aus dem
zu entnehmen ist, daß die parallelen Spulengruppen eine praktisch vernachlässigbare
Phasenabweichung aufweisen. Die Spulenseiten mit der um Eins höheren Windungszahl
n#1 sind mit Punkt, die mit um Eins niedrigeren Windungszahl 2 mit Kreis gekennzeichnet.
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Im Beispiel mit q 3 3 Nuten je Pol und Strang und 8/9-Sehnung haben
die beiden Spulengruppen in Y-Richtung eine resultierende Leiterzahl #Y1 = #Y2 =n
(2 cos 100 + cos 300) = n 3 . #1 mit t1 = 0,9452 als Wickelfaktor.
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Die Querkomponenten #X1 = - 2X2 = -2 sin 100 + sin 300 = 0,1522 sind
gegensinnig, so daß der resultierende Differenzwinkel beider SDuleneruDDen zur Y-Achse
beträgt. Dieser Differenzwinkel wird bereits bei einer relativ kleinen Leiterzahl
je Nut n = 5 mit 2= 37' verschwindend klein.
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Bei höheren Leiterzahlen n verringert sich g reziprok zu n, so daß
sich hierdurch praktisch keine störenden Ausgleichsströme ergeben können.
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In wesentlich einfacherer Weise als mit durchwegs aus Spulen halber
Windungszahl zusammengesetzten Spulengruppen nach Fig. 5 lassen sich Wicklungen
für beliebige Spulenschrittweiten und Reihenschaltung aller Spulen durch Verwendung
"gemischter" Spulengruppen erreichen. Solche gemischte Spulengruppen bestehen sowohl
n-1 n+1 aus Spulen mit 2 und 2 vollen Windungen und aus Spulen mit "halben" Windungen
nach der Erfindung. Alle Spulengruppen sind in gleicher Weise gruppiert und im Gegensatz
zu einer Wicklungsanordnung nach Fig. 5 auch in gleicher Relativlage zueinander
eingelegt. Mit solchen gemischten Spulengruppen kann man ohne Jochseitige Schaltverbindungen
auch Parallelschaltungen mit a Parallelzweigen gleich a = t erhalten, wobei t ein
ganzzahliger Teiler der Polpaarzahl p ist.
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Als Beispiel derartiger gemischter Spulengruppen sind eine konzentrische
Spulengruppe und in Fig. 6b eine Spulengruppe aus Spulen gleicher Weite mit jeweils
drei zusammenhängend gewickelten Einzelspulen gezeigt. Gemäß Fig. 6a weist die Außenspule
a eine Windur.g weniger als ie mittlere Spule m auf und die innere
Spule
i ist mit einer Halbwindung ausgeführt. Wie die zugehörige Tabelle I, 1. Zeile zeigt,
lassen sich damit für q = 3 Nuten Je Pol und Strang 11/9-, 8/9- und 5/9-Sehnungen
ausführen. Gleiches gilt für die in Pig. 6b dargestellte Spulengruppe mit Spulen
gleicher Weite, wobei Spule a die größere und Spule c die kleinere Windungszahl
aufweist und die mittlere Spule b mit einer halben Windung ausgeführt ist. Die für
andere Sehnungen erforderliche Spulenausbildung geht aus den Zeilen 2 und 3 der
Tabelle I hervor, wobei die Spulenseiten mit der größeren Windungszahl n+1 2 Jeweils
mit Punkt und die Spulenseiten mit der kleineren Windungezahl - - Jeweils mit Kreis
gekennzeichnet sind. Bei nicht- oder 2/3-gesehnten Spulen können die Spulengruppen
unabhängig von der Wicklungsart auch durchwegs aus Spulen mit " Windungen zusammengesetzt
werden, wie es in Tabelle I, letzte Zeile für Spulen nach Fig. 6b angedeutet ist,
ohne daß dabei ein Umklappen oder 180°-Drehen jeder zweiten Spulengruppe gemäß Fig.
5 erforderlich ist.
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Mit gemischten Spulengruppen einheitlicher Art lassen sich bei ungerader
Leiterzahl Je Nut n erstmals beliebige Sehnungen und/ oder Wicklungsanordnungen
realisieren, wie z.B. die in Fig. 7 angegebene teilkonzentrische Wicklung für q
= 5 Nuten Je Pol und Strang, deren Spulengruppen aus einer Doppelspule und einer
Dreifachapule bestehen. Eine gleichartige Spulenanordnung mit abwechselnden Doppel-
und Dreifachepulen liegt auch bei einer Bruchlochwicklung für 2,5 Nuten Je Pol und
Strang vor.
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In Tabelle II ist für q = 5 Nuten Je Pol und Strang anhand der Spulenseitenverteilugen
angegeben, wie die Spulen für verschiedene Sehnungen auszuführen sind, um ungerade
Leiterzahlen Je Nut zu ermöglichen.
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Schließlich ist in Fig. 8 eine polumschaltbare Wicklung nach DT-AS
25 06 573, Tabelle IV, Variante b/4 für N = 72 Nuten und einem Spulenschritt 1 -11
gezeigt. Jeder Wicklungszweig der gemäß Fig. 8b in Vierfachstern (2p1 = 4)/Dreifachstern
(2p2 = 6) 6/4polig umschaltbaren Wicklung ist aus Je zwei Doppelspulen (Fig. 8c
rechts) und zwei Einfachspulen (Fig. 8c links) zusammengesetzt.
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Auch diese relativ komplizierte Wicklung ist mit ungerader Leiterzahl,
z.B. n = 9 = 4 + 5 Leitern Je Nut ausführbar, wozu nach Fig. 8c die Einzelspulen
Jeweils mit 4 1/2 und die Doppelspulen abwechselnd mit 2 x 4 (linke Teilgruppe und
2 x 5 Windungen (rechte Teilgruppe) gewickelt sind. Im vollständigen Wicklungsplan
Fig. 8a sind die stirnseitigen Schaltverbindungen eingezeichnet.
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Durch Verwendung zumindest einzelner erfindungsgemäßer Spulen mit
halben Windungen innerhalb einer Jeden Spulengruppe lassen sich für Jede Spulenkonfiguration
und bei beliebigen Spulenschrittweiten ungerade Leiterzahlen je Nut erreichen. Als
charakteristische Besonderheit weisen solche Wicklungen auf beiden Stirnseiten Schaltverbindungen
bzw. Spulenübergänge Ü auf.
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Die praktische Bedeutung solcher Wicklungen ist vor allem darin zu
sehen, daß sich hiermit bei festliegender Wicklungsart erheblich mehr effektive
Windungszahlen erreichen lassen, wodurch insbesondere die Bemessung größerer Niederspannungsmaschinen
mit Drahtwicklung erleichtert wird, die im allgemeinen nur wenige Leiter pro Nut
aufweisen.
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Zur Verdeutlichung dieses Sachverhalts enthält Fig. 9 eine spektrogrammartige
Gegenüberstellung der bei einer Wicklungsausführung mit teilkonzentrischen Spulengruppen
erreichbaren effektiven Strangwindungszahlen für q = 4 ... 7 Nuten Je Pol und Strang.
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Alle Mehrfachspulengruppen eines Stranges sind dabei parallelgeschaltet
angenommen. Mit vollen und gestrichelten Linien sind konventionell ausgebildete
Wicklungen und solche mit erfindungsgemäßen Halbwindungen (Spulen) unterechieden.
Die einzelnen Linien geben die bei verschiedenen Sehnungen im Bereich zwischen 2/3
und 1 erreichten Windungszahlen an, wobei die zulässige Leiterzahl Je Nut für jede
Liniengruppe als umkreiste Zahl angegeben ist. Um eine vollständige Ubersicht zu
geben, wurden dabei auch gerade Leiterzahlen Je Nut berücksichtigt, bei denen die
Spulen durchwegs konventionell ausgeführt sind.
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10 Patentansprüche 9 Figuren