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Stand der Technik
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Es sind elektrische Maschinen bekannt, die einen Stator aufweisen, auf dem Statorzähne angeordnet sind. Die Statorzähne sind Träger für elektrische Wicklungen. Die elektrischen Wicklungen sind auf die Statorzähne aufgewickelt. Die Wicklungen sind in der Weise miteinander verbunden, dass sie Schaltungsstränge ausbilden. Die Schaltungsstränge bilden insgesamt eine Wicklungsanordnung. In den elektrischen Maschinen des Stands der Technik ist lediglich ein Motor durch die Wicklungsanordnung bereitgestellt. Fällt diese Wicklungsanordnung aus, so kommt es zum Ausfall der gesamten elektrischen Maschine.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung gemäß der unabhängigen Ansprüche weist den Vorteil auf, dass wenigstens zwei Teilmotoren in der elektrischen Maschine ausgebildet sind. Die Teilmotoren werden durch die Wicklungsanordnung bereitgestellt. Beim Ausfall eines Teilmotors steht wenigstens ein zweiter Teilmotor für einen weiterführenden Betrieb der elektrischen Maschine bereit. Somit wird selbst bei solch einer Störung der Betrieb der elektrischen Maschinen durch einen Teilmotor aufrechterhalten. Der Statorkörper umfasst radiale Statorzähne. Auf den radialen Statorzähnen ist jeweils eine elektrische Wicklung angeordnet. Jeder Statorzahn trägt eine Wicklung. Die Wicklungen bilden die Wicklungsanordnung. Ein Teil der Wicklungen ist zu einem Teilmotor zusammengeschaltet, während der übrige Teil der Wicklungen zu wenigstens einem zweiten Teilmotor verschaltet ist. Dabei sind die Teilmotoren identisch, was bedeutet, dass für jeden Teilmotor gleich viele vorzugsweise identische Wicklungen, verwendet werden. Darüber hinaus sind die Wicklungen auf den Statorzähnen gleich verteilt. Da die Teilmotoren identisch zueinander sind, sind Wicklungen des einen Teilmotors zu Wicklungen des anderen Teilmotors zuordenbar. Zueinander zugeordnet sind Wicklungen, die innerhalb der Wicklungsanordnung in einem gleichen Schaltungsstrang verschaltet sind, wobei der Schaltungsstrang teil jedes Teilmotors ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Wicklungen eines Schaltungsstrangs um wenigstens drei Statorzähne zueinander versetzt angeordnet. So erreicht man eine optimale Energiedichteverteilung für jeden Teilmotor, da die Wicklungen einen idealen Abstand zueinander aufweisen.
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Vorteilhafter Weise sind die Teilmotoren der Wicklungsanordnung als Dreieckschaltung oder Sternschaltung ausgeführt. Eine Dreieckschaltung oder eine Sternschaltung zeichnet sich durch Schaltungsstränge aus, die zueinander parallel geschaltet sind. Die Schaltungsstränge weisen dabei wenigstens zwei Wicklung auf. Ein Schaltungsstrang mit Wicklungen weist einen Knoten mit einem weiteren Schaltungsstrang mit Wicklungen auf. Im Falle der Dreieckschaltung wird von diesem Knoten ausgehend die elektrische Energie zu- bzw. abgeführt. Bei der Sternschaltung laufen alle drei Schaltungsstränge in einem Knoten zusammen, während bei der Dreieckschaltung jeweils zwei benachbarte Schaltungsstränge einen Knoten haben. Daher weist eine Dreieckschaltung drei Knoten auf.
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Die vorteilhafte Weiterführung der vorliegenden Erfindung weist pro Schaltungsstrang zwei parallel geschaltete Schaltungspfade auf. Das bedeutet, dass ein Schaltungsstrang aus jeweils zwei parallel geschalteten Schaltungspfaden aufgebaut ist, in dem jeweils wenigstens eine Wicklung angeordnet ist. Die Wicklungen innerhalb eines Schaltungsstranges und daher auch eines Schaltungspfades sind zueinander um drei Statorzähne versetzt. Die Schaltungspfade laufen mit Schaltungspfaden eines benachbarten Schaltungsstranges in einem Knotenpunkt zusammen. Dadurch wird eine Dreiecksschaltung oder eine Sternschaltung gebildet, die zweifach ausgeführt ist. Die Dreiecksschaltung bzw. die Sternschaltung weist eine parallel geschaltete gleichartige bzw. identische Dreiecksschaltung oder Sternschaltung auf, die in den Knotenpunkten miteinander parallel geschaltet sind. Solch eine vorteilhafte Weiterführung hat den Vorteil, dass bei Ausfall eines parallel geschalteten Teilmotors in der Wicklungsanordnung die übrig gebliebenen parallel geschalteten Teilmotoren weiter betriebsbereit sind. Darüber hinaus ist es auch möglich, lediglich eine Wicklung auszuschalten, ohne dass ein nennenswerter Effizienzverlust der elektrischen Maschine spürbar ist.
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Zweckmäßiger Weise weist ein Schaltungsstrang insgesamt vier Wicklungen auf, wobei je Schaltungspfad zwei Wicklungen in Reihe geschaltet sind. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise.
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Weist der Stator 6 oder 12 oder 18 Statorzähne auf, ist es möglich, eine elektrische Maschine bereitzustellen, die ein geringes Wellenmoment ergibt. Unter dem Wellenmoment ist das periodische wellenartige Verhalten des Drehmoments der elektrischen Maschine während einer Drehung des Motors gemeint.
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Bezüglich des Bauraums ist es sehr effizient, einen Teil des Wickeldrahts am äußeren Umfang des Statorkörpers in Umfangsrichtung verlaufen zu lassen. Dabei sind die Teile des Wickeldrahtes an einem äußeren Umfang des Stators axial versetzt zueinander angeordnet. Somit können die Drähte axial benachbart zueinander am Außenumfang angeordnet werden, ohne dass sie in Radialrichtung mehr als eine Drahtstärke nach außen aufbauen, was zu einer Bauraumersparnis führt. Die Drähte werden nebeneinander geführt und kreuzen sich nicht.
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Der Stator weist auf dem Statorkörper eine Isoliermaske auf. Die Isoliermaske dient dazu, die Wicklungen gegenüber dem Statorkörper zu isolieren, so dass die Wicklungen nicht direkt auf den Wicklungszähnen sondern auf die Isoliermaske aufgewickelt werden. Die Isoliermaske ist auf den Statorzähnen angeordnet. Dadurch erreicht man eine mechanische und eine elektrische Trennung zwischen dem Statorkörper und der Wicklung. Dabei ist wenigstens eine Isoliermaske ausgebildet. Die Isoliermaske umfasst Führungen für die Wicklungsdrähte, um die Wicklungsdrähte von einer Wicklung innerhalb des Stators nach außen auf den äußeren Umfang des Stators zu führen. Insbesondere sind die Führungen zwischen Fortsätzen ausgebildet, die sich axial von dem Stator erstrecken, und einen Teil einer äußeren Umfangsfläche bilden. Vorzugsweise sind auf der äußeren Umfangsfläche zwei Wickeldrähte nebeneinander angeordnet. So können die Wicklungsdrähte an der äußeren Umfangsfläche entlang geführt werden. Dies führt zu einer robusten und bauraumsparenden Ausführungsform der Vorrichtung.
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Zweckmäßiger Weise sind die Wicklungen eines Schaltungspfads von einem Schaltungsstrang durchgängig mit einem gleichen Wickeldraht zu einem Teilmotor gewickelt. Wenn ein Teilmotor mit einem einzelnen Wickeldraht gewickelt wird, ist es möglich bei beispielsweise zwei Teilmotoren zwei Wickeldrähte für die Wicklungsanordnung zu verwenden. Somit ist ein Teilmotor aus jeweils einem Schaltungspfad aus jedem der Schaltungsstränge aufgebaut. In anderen Worten, es wird ein Schaltungspfad von jedem Schaltungsstrang herangezogen, um einen Teilmotor aufzubauen. Sind nun beispielsweise zwei Schaltungspfade je Schaltungsstrang ausgebildet, können zwei Teilmotoren ausgebildet werden.
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Die Teilmotoren sind mit Brücken parallel geschaltet. Dabei sind die Brücken an den Knotenpunkten ausgebildet. Die Brücken können dabei aus Stanzgitterteilen gefertigt werden. Die Stanzgitterteile weisen dabei Schneidklemmen auf, in die die Wickeldrähte eingeklemmt und gleichzeitig durch Schneiden kontaktiert werden. Die Schneidklemmen kontaktieren den Wickeldraht indem sie die Isolierschicht des Wickeldrahts durchtrennen.
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Zeichnungen der Erfindung
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Es zeigen:
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1a) ein Statorkörper mit darauf angeordneten Spulen in perspektivischer Ansicht,
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1b) eine Draufsicht eines Statorkörpers mit Spulen,
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2 eine Wicklungsanordnung mit zwei Teilmotoren, welche auf einem Stator angeordnet sind,
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3 eine schematische Wicklungsanordnung mit zwei Teilmotoren,
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4 eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Stator,
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5 ein Stanz-Biege-Teil als Schneidklemme für einen Draht.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1a) ist ein Stator 10 für eine elektrische Maschine 12 gezeigt. Die elektrische Maschine 12 ist in 4 aufgeführt, in der der Stator 10 angeordnet ist. Der Stator 10 umfasst einen Statorkörper 13, der ein Joch und sich vom Joch radial erstreckende Statorzähne 14 aufweist. Die Statorzähne 14 erstrecken sich dabei senkrecht bezüglich der Umfangsrichtung 1 radial nach innen. Auf den Statorzähnen 14 ist jeweils genau eine elektrische Wicklung 16 angeordnet. Die Wicklungen 16 bilden eine Wicklungsanordnung 20 mit zwei identischen Teilmotoren 30 aus. Dabei ist die Wicklungsanordnung 20 aus Wickeldraht 18 gewickelt. Die Teilmotoren 30 sind getrennt voneinander auf unterschiedlichen Statorzähnen 14 angeordnet.
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Vorzugsweise ist jeder Teilmotor 30 aus einem separaten Wickeldraht 18 gewickelt. Dabei sind die Wicklungen 16 der verschiedenen Teilmotoren 30, die jeweils zueinander zugeordnet sind, um wenigstens drei Statorzähne 14 versetzt zueinander angeordnet.
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Weiter zeigt 1a), dass die Wickeldrähte 18 am äußeren Umfang 15 in Umfangsrichtung 1 des Statorkörpers 13 geführt werden. Die Wickeldrähte 18 liegen auf der gleichen äußeren Umfangsfläche 23 des Statorkörpers 13 an. Auf diese Weise kann eine in Axialrichtung zueinander benachbarte Anordnung der Wickeldrähte 18 erfolgen.
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Darüber hinaus ist zu erkennen, dass die Wicklungen 16 auf einer Isoliermaske 26 angeordnet sind. Die Isoliermaske 26 ist zweiteilig ausgebildet und auf dem Statorkörper 13 des Stators 10 angeordnet. In 1a) ist nur eine Hälfte der Isoliermaske 26 auf dem Stator 10 gezeigt. Die zweite untere Hälfte ist nicht abgebildet. Die Isoliermaske 26 wird dabei axial auf den Stator 10 gesteckt. Die Isoliermaske 26 weist Führungen 28 für die Wickeldrähte 18 auf. Die Führungen 28 für die Wickeldrähte 18 sind im Bereich des äußeren Umfangs 15 der Isoliermaske 10 angeordnet.
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Der äußere Umfang 15 ist in zwei axial nebeneinanderliegende Abschnitte 17, 19 unterteilt, wobei ein Abschnitt 17 in geschlossener Weise um den Stator 10 umläuft und radial weiter außen liegt als der zweite Anschnitt 19. Der zweite Abschnitt 19 ist aus radial außen liegenden axialen Fortsätzen 21 gebildet. Die axialen Fortsätze 21 sind zwischen jeweils zwei Zähnen 14 angeordnet. Die Fortsätze 21 bilden eine radial nach außen gerichtete Umfangsfläche 23 im Bereich des äußeren Umfangs 15. Es sind Führungen 28 zwischen den Fortsätzen 21 ausgebildet. Die Wickeldrähte 18 werden durch die Führungen 28 vom inneren des Stators 10 auf die äußere Umfangsfläche 23 geführt, um dort bezüglich der Axialrichtung nebeneinander auf der Umfangsfläche 23 des zweiten Abschnitts 19 angeordnet zu werden. Dabei werden immer nur zwei Wickeldrähte 18 axial nebeneinander entlang der Umfangsfläche 23 in Umfangsrichtung 1 geführt. Einer dieser Wickeldrähte 18 gehört jeweils zu einem Teilmotor 30.
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Der Statorkörper 13 wird mit dem Wickeldraht 18 bewickelt, wie aus 1b) ersichtlich wird. Der Stator 10 ist aus Zahnsegmenten 27 aufgebaut, die die Statorzähne 14 für die Wicklungen 16 bereitstellen. Die Wicklungen 16 eines Teilmotors 30 sind mit einem durchgängigen Wickeldraht 18 ohne Unterbrechung durchgewickelt. Es sind zwei separate Wickeldrähte 18 in der Wicklungsanordnung 20 durchgewickelt, da zwei Teilmotoren 20 in der Wicklungsanordnung 20 enthalten sind.
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In der Ausführungsform der 1b) ist jeder Teilmotor als Dreieckschaltung 200 aufgebaut. Jede Dreieckschaltung 200 hat drei Knotenpunkte U, V, W, die durch jeweils ein Paar Schneidklemmen 34 bereitgestellt werden. Jede Schneidklemme 34 stellt einen Teilknotenpunkt U1, U2, V1, V2, W1, W2 dar. Der erste Teilmotor 30 umfasst die Teilknotenpunkte U1, V1, W1 und der zweite Teilmotor 30 umfasst die Teilknotenpunkte U2, V2, W2.
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Zum Teilknotenpunkt U1 des ersten Teilmotors 30 in 1b) ist die Wicklung 1.1 unmittelbar benachbart. Ein Drahtanfang 26 der Wicklung 1.1 wird in die Schneidklemme 34 des Teilknotenpunktes U1 geklemmt. Auf der anderen Seite der Wicklung 1.1 wird aus einem Teil des übrigen Wickeldrahts 18 die Wicklung 1.2 gewickelt, die im Uhrzeigersinn ausgehend von Wicklung 1.1 nach drei Statorzähne 14 folgt. Zwischen den direkt benachbarten Wicklungen 1.2 und 2.2 wird eine Schleife 25 ausgebildet, an der der Teilknotenpunkt V1 durch eine Schneidklemme 34 hergestellt wird. In 1b) ist die Schleife 25 schematisch abgebildet. Die Schleife 25 kann radial am Stator 10 herausragen oder so knapp bemessen sein, dass Sie direkt an der Schneidklemme 34 entlang läuft. Ebenso können in gleicher Weise die Drahtanfänge 26 radial am Stator 10 herausragen oder so knapp bemessen sein, dass sie nicht im Wesentlichen über die Schneidklemme 34 hinausragen. Nach dem Wickeln der Wicklung 2.2 wird der Wickeldraht 18 im Uhrzeigersinn unterbrechungsfrei drei Statorzähne 14 weitergeführt, um die Wicklung 2.3 zu wickeln. Von der Wicklung 2.3 aus wird eine weitere Schleife 25 ausgebildet, die zur direkt benachbarten Wicklung 3.3 führt. Von dieser Wicklung 3.3 wird der letzte Teil des Wickeldrahts 18 zur Wicklung 3.4 geführt, die wiederum direkt zur Wicklung 1.1 benachbart ist. Das Drahtende 26 wird wie der Drahtanfang 26 in eine gemeinsame Schneidklemme 34 eingeklemmt, sodass der erste Teilmotor 30 durch einen durchgängigen Wickeldraht 18 gewickelt ist. Dabei erstreckt sich der Teilmotor 30 über den gesamten Umfang des Stators 10.
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Dieses Wickelschema wird für den zweiten Teilmotor 30 in gleicher Weise durchgeführt, wobei der Startpunkt beim Teilknotenpunkt U2 liegt, der um 180° gegenüber U1 entlang der Umfangsrichtung 1 des Stators 10 verdreht ist. Dabei folgt ausgehende von der ersten Wicklung 1.3 nach drei Statorzähnen 14 die Wicklung 1.4. Ebenso folgt ausgehend von der Wicklung 2.4 nach drei Statorzähnen 14 die Wicklung 2.1. Für die Wicklungen 3.1 und 3.2 verhält es sich gleich. Die Wicklungen 16 können auch gegen den Uhrzeigersinn angebracht werden.
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In 2 ist ein Stator 10 abgebildet, der in schematischer Weise die Wicklungsanordnung 20 der 1a) und b) aufweist. Die Wicklungsanordnung 20 ist eine doppelte Dreiecksschaltung 200. Es sind somit zwei Dreiecksschaltungen 200 abgebildet, wobei jede ein Teilmotor 30 ist. Die Dreiecksschaltungen 200 sind um 180° zueinander in Umfangsrichtung 1 verdreht.
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Die Teilmotoren 30, die als Dreiecksschaltungen 200 abgebildet sind, sind identisch zueinander aufgebaut. Dabei stellt jeder Teilmotor 30 in 2 ein gleichseitiges Dreieck dar, wobei die beiden gleichseitigen Dreiecke zueinander um 180° verdreht sind.
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Jeweils vier Wicklungen 16 bilden einen Schaltungsstrang 22. Dabei sind die Wicklungen 1.1, 1.2, 1.3 sowie 1.4 in einem Schaltungsstrang 22 und die Wicklungen 2.1, 2.2, 2.3 sowie 2.4 in einem weiteren parallelgeschalteten Schaltungsstrang 22 verschaltet. Die Wicklungen 3.1, 3.2, 3.3 sowie 3.4 sind in einem dritten zu den beiden vorherigen parallelgeschalteten Schaltungssträngen 22 angeordnet.
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Ein Schaltungsstrang 22 besteht aus zwei Schaltungspfaden 24, die parallel zueinander geschaltet sind. Ein Schaltungspfad 24 umfasst zwei in Reihe geschaltete Wicklungen 16. Jeder dieser Schaltungspfade 24 eines Schaltungsstranges 22 gehört zu einem der beiden Teilmotoren 30. Die parallel geschalteten Schaltungspfade 24 bilden somit jeweils einen Schaltungsstrang 22, die wiederum mit weiteren Schaltungssträngen 22 parallel geschaltet sind, und somit die gesamte Wicklungsanordnung 20 bilden. Benachbarte Wicklungen 16 innerhalb eines Schaltungsstrangs 22 sind zueinander um drei Statorzähne 14 versetzt. Damit sind auch Wicklungen 16 innerhalb eines Schaltungspfads 24 um jeweils drei Statorzähne 14 zueinander versetzt. Das bedeutet, dass beispielsweise von dem Statorzahn 14 der Wicklung 1.1 ausgehend nach drei Statorzähnen 14 die Wicklung 1.2 folgt, und darauffolgend nach drei Statorzähnen die Wicklung 1.3 angeordnet ist, und abschließend ebenfalls nach drei Statorzähnen 14 die Wicklung 1.4 gewickelt ist. Dies kann auf jeden Schaltungsstrang 22 analog übertragen werden.
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In 3 ist eine schematische Wicklungsanordnung 20 der Wicklungen 16 in Dreieckschaltung 200 gezeigt. Durch die Schaltungsstränge 22 mit zwei Schaltungspfaden 24 ist eine doppelte Dreieckschaltung realisiert. Das Schaltungsschema aus 3 weist dabei die zwei Teilmotoren 30 auf, die durch eine schematische dreieckige Linie 31 voneinander getrennt sind. Jeder Teilmotor 30 ist durch die Schaltungspfade 24 der Schaltungsstränge 22 aufgebaut. An den Knotenpunkte U, V und W sind die Schaltungsstränge 22 miteinander durch Brücken 32 verbunden. Die Brücken werden durch stanzgebogene Schneidklemmen 34 bereitgestellt, wie sie in 5 dargestellt ist.
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Die elektrische Maschine 12 aus 4 beinhaltet den erfindungsgemäßen Statorkörper 10. Dabei ist der Statorkörper von einem Gehäuse der elektrischen Maschine 12 umschlossen.
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In 5 sind Stanzbiegeteile 36 gezeigt, welche an dem Stator 10 befestigt sind und Schneidklemmen 34 aufweisen, in die die Wickeldrähte 18 eingeklemmt werden. Dadurch können die Teilkontenpunkte U1, U2, V1, V2, W1, W2 erzeugt werden. Diese Stanzbiegeteile 36 sind Brücken 32, und bilden eine Brücke 32 zwischen benachbarten Schaltungssträngen 22. Die Brücke 32 weist dabei zwei Schneidklemmen 34 auf, in die Wickeldrähte 18 eingelegt sind. Die Schneidklemmen 34 kontaktieren dabei das leitfähige Material der Wickeldrähte 18. Dies erfolgt auch wenn die Wickeldrähte 18 mit einer Isolierbeschichtung versehen sind, denn die Schneidklemme 36 weist Schneiden 38 auf, die durch die Isolierschicht schneiden.