DE9212889U1

DE9212889U1 - Wicklungsanordnung für eine mehrphasige elektrische Maschine

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Publication number: DE9212889U1
Application number: DE9212889U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-09-24
Filing date: 1992-09-24
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2002-09-25
Also published as: FI951342A; WO1994007296A1; FI951342A0; EP0662261A1; JPH08501679A

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

Wicklungsanordnung für eine mehrphasige elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für mehrphasige elektrische Maschinen.

Bei herkömmlich hergestellten, einer Zweischichtwicklung entsprechenden Wicklungsanordnungen für mehrphasige elektrische Maschinen werden bei den zuerst in die Ständernuten eingebrachten Spulen nur die zur Unterschicht gehörigen Spulenseiten eingelegt. Die zur Oberschicht gehörigen Spulenseiten dieser Spulen können noch nicht eingelegt werden. Die nicht eingelegten Spulenseiten behindern den weiteren Ablauf des Wickelvorganges. Sie werden daher in der den Läufer der elektrischen Maschine aufnehmenden Bohrung vorläufig befestigt, bevor sie in der Oberschicht verlegt werden können. Auch die provisorisch in der Bohrung befestigten Spulenseiten behindern den Wickelvorgang.

Dieses Problem wird in bekannter Weise dadurch gelöst, daß auch die zur Oberschicht gehörenden Spulenseiten der zuerst in die Ständernuten eingelegten Spulen auch in die Unterschicht eingelegt werden. Hierdurch müssen auch die zur Unterschicht gehörenden Spulenseiten der zuletzt in die Ständernuten eingelegten Spulen in die Oberschicht eingelegt werden. Die zuerst eingelegten Spulen liegen dann mit beiden Spulenseiten in der Unterschicht, die zuletzt eingelegten Spulen mit ihren beiden Spulenseiten in der Oberschicht, die im chronologischen Ablauf des

Gez /Th- 23.09.1992

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Wickelvorganges dazwischen eingelegten Spulen liegen dachziegelartig mit einer Spulenseite in der Ober- und mit der anderen Spulenseite in der Unterschicht. Da die nur in der Ober- und die nur in der Unterschicht liegenden Spulen nicht gleichmäßig auf die einzelnen Stränge und Zweige der Wicklung verteilt sind, ist die Streuinduktivität der einzelnen Stränge und Zweige der Wicklungsanordnung unterschiedlich. Diese Unsymmetrie hat insbesondere bei parallelen Zweigen eine unterschiedliche Stromverteilung in den Strängen und insbesondere in den parallelen Zweigen zur Folge, welche unterschiedliche Erwärmungen der einzelen Leiterabschnitte der Spulen bewirken. Die entstehenden lokalen HeiSpunkte gefährden die Wicklung in thermischer Hinsicht. Zur Lösung dieses Problemes sind verschiedene Wicklungsanordnungen bzw. Vorgehensweisen bekannt.

Bei kleinen Maschinen (bis Achshöhe 315 mm) wird auf parallele Zweige ganz verzichtet. Ein solches Vorgehen ist bei kleinen Maschinen deshalb möglich, weil auch ohne parallele Zweige eine befriedigende Durchflutung und damit Ausnutzung der elektrischen Maschine erzielt werden kann. Bei größeren elektrischen Maschinen (bis Achshöhe 400 mm) ist es nicht mehr möglich, eine befriedigende Durchflutung der elektrischen Maschine ohne parallele Zweige in der Wicklungsanordnung zu erzielen. Bei diesen Maschinen werden die entstehenden Heißpunkte in Kauf genommen und bedarfsweise die thermische Belastung durch entsprechend reduzierte elektrische Leistung vermindert. Bei elektrischen Maschinen mit noch größeren Achshöhen (Achshöhe größer 400 mm) und entsprechend vergrößerten Leistungsbedarf kann weder auf parallele Zweige in der Wicklungsanordnung verzichtet werden noch die entstehenden Heißpunkte toleriert werden. Eine entsprechende Reduktion der Leistung ist bei wirtschaftlichem Betrieb einer solchen Maschine

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nicht möglich. Bei diesen Maschinen werden die in Form einer Zweischichtwicklung angeordneten Wicklungen symmetrisch eingeträufelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und billig herzustellende Wicklungsanordnung zu schaffen, die eine einer beliebigen Zweischichtwicklung entsprechende Feldverteilung im Luftspalt der elektrischen Maschine erzeugt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einer gemäß Anspruch 1 ausgeführten Wicklungsanordnung. Diese Wicklungsanordnung besteht aus zwei nacheinander eingebrachten Einschichtwicklungen. Einschichtwicklungen sind in besonders einfacher Weise einlegbar, da sie überlappungsfrei eingelegt werden können. Damit kann eine solche Wicklungsanordnung kostengünstig hergestellt werden. Durch entsprechendes Schalten und gegeneinander Versetzen der Ober- und Unterschichtspulen werden, wie bei einer Zweischichtwicklung, störende Oberschwingungen im Feldverlauf des Luftspaltfeldes der elektrischen Maschine reduziert bzw. beseitigt. Hierdurch ist eine bessere Ausnutzung der elektrischen Maschine gegeben.

Die für die Heißpunkte verantwortliche Stromunsymmetrie läßt sich bei einer dem Anspruch 2 entsprechenden Schaltung der einzelnen Schichten vermeiden, da bei den parallelen Zweigen Streuungsgleichheit erzielt wird. Die so eingelegte Wicklungsanordnung ist bezüglich der drei Stränge und der einzelnen parallelen Zweige symmetrisch. Die Vorteile der überlappungsfreien Einlegbarkeit bleiben davon unberührt.

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Eine erfindungsgemäße Wicklungsanordnung ist in besonders einfacher Weise mit konzentrischen Spulen herzustellen. Die Wicklungsanordnung kann sowohl mit gerader als auch ungerader Lochzahl ausgeführt werden.

Gemäß Anspruch 5 ist auch eine Ausführung entweder mit geteiltem Spulenkopf oder angeteiltem Spulenkopf je nach Anforderungen ausführbar.

Wenn die Leiterzahl pro Ständernut gerade ist, können die Oberschicht- und die Unterschichtspulen in gleicher Weise ausgeführt sein. Bei einer derart in einfacher Weise herzustellenden Wicklungsanordnung werden im Luftspalt der elektrischen Maschine einer beliebig gesehnten Zweischichtwicklung entsprechende Feldverläufe erzielt.

Bei einer ungeraden Leiterzahl pro Nut ist es nur schwer möglich, die Oberschicht- und die Unterschichtspulen in gleicher Weise herzustellen. Bei einer gemäß Anspruch 8 ausgeführten Wicklungsanordnung werden dennoch einer beliebig gesehnten Zweischichtwicklung annähernd identische Feldverläufe im Luftspalt der elektrischen Maschine erzielt. Die erzeugten Feldkurven sind deshalb etwas ungünstiger als bei einer entsprechend gesehnten Zweischichtwicklung, da die Wicklungsanordnung nicht in jeder als Zone bezeichneten Gruppe von Nuten symmetrisch ist. Keinesfalls treten jedoch geradzahlige Feldharmonische auf.

Eine konkrete Ausführungsmöglichkeit zu einer solchen Wicklungsanordnung ist in Anspruch 9 gegeben.

Die in Anspruch 10 offenbarte Wicklungsanordnung ist wiederum von so hoher Symmetrie, daß sich keine Unterschiede mehr im Feldverlauf der elektrischen Maschine gegenüber einer her-35

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kömmlich hergestellten Zweischichtwicklung ergeben. Damit ist auch für eine ungerade Leiterzahl pro Nut eine Zweischichtwicklung geschaffen, die die Vorteile des überlappungsfreien Einlegens eine Einschichtwicklung mit den Vorteilen einer gesehnten Zweischichtwicklung verbindet.

Bei einer Wicklungsanordnung gemäß Anspruch 11 können die Windungszahlen der verwendeten Spulen feiner abgestimmt werden. Hierdurch ist auch die entsprechende Durchflutung der elektrischen Maschine besser auf die gewünschten Anforderungen abgestimmt.

Mit den gemäß Anspruch 12 und 13 hergestellten Wicklungsanordnungen können weitere, mit den bisher offenbarten Wicklungsanordnungen nicht mögliche, Sehnungen einer Zweischichtwicklung so nachvollzogen werden, daß diesen Zweischichtwicklungen entsprechende Feldverläufe im Luftspalt der elektrischen Maschine bewirkt werden.

Nachstehend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 ein Wickelschema einer Wicklungsanordnung mit einer geraden Lochzahl,
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Figur 2 ein Wickelschema einer Wicklungsanordnung mit ungerader Lochzahl,

Figur 3 ein Wickelschema einer Wicklungsanordnung mit gerader Lochzahl und ungeteilten Spulenköpfen,

Figur 4 eine schematische Darstellung der Anordnung der zu einem Pol und einem Strang gehörigen Spulenseiten,

35430E

Figur 5 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Spulenseiten für eine verbesserte Symmetrie der im Luftspalt der elektrischen Maschine erzeugten Feldverteilung,

Figur 6 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Spulenseiten bei Verwendung von gemischten Spulen,

Figur 7 die entsprechende Ausführung der in der Unterschicht befindlichen Spulen und dazu 10

Figur 8 die entsprechende Ausführung der in der Oberschicht befindlichen Spulen,

Figur 9 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Spulenseiten bei Verwendung von Spulen mit Halbwindungen in der Wicklungsanordnung und

Figur 10 die betreffende Ausführung der in der Unterschicht verwendeten Spulen und 20

Figur 11 die Ausführung der in der Oberschicht verwendeten Spulen.

In den Figuren 1 und 2 sind schematisch Wicklungsanordnungen dargestellt, die Spulen mit geteilten Spulenköpfen umfassen. Die in der Oberschicht 1 befindlichen Oberschichtspulen 2 sind allein in der Oberschicht 1 verlegt, ebenso wie die in der Unterschicht 3 befindlichen Unterschichtspulen 4 allein in der Unterschicht 3 verbleiben. 30

Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die mit Lochzahl bezeichnete Anzahl der Ständernuten je Pol und Strang der elektrischen Maschine gerade. Sie beträgt in diesem Beispiel genau 6. Die für einen Strang 35

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dargestellte Wicklungsanordnung der Spulen entspricht, wenn man jede Schicht für sich betrachtet, einer überlappungsfrei einlegbaren Einschichtwicklung. Um auch die Vorteile einer Zweischichtwicklung nutzen zu können, werden Teilspulengruppen 5 der Unterschicht 3 mit Teilspulengruppen 6 der Oberschicht 1 in Reihe geschaltet. Im vorliegenden Fall sind die Teilspulengruppen 5, 6 um drei Nuten gegeneinander versetzt angeordnet. Die Feldverläufe im Luftspalt der elektrischen Maschine, die von einer solchen Wicklungsanordnung bewirkt werden, entsprechen einer Zweischichtwicklung, deren Sehnungsfaktor mit -7 angegeben ist. Der Sehnungsfaktor ist ein Quotient aus der in einer Anzahl von Ständernuten angegebenen Spulenweite der durch Sehnung verkürzten Spule und der ebenfalls in Ständernuten angegebenen Spulenweite der unverkürzten Spule oder einer Polteilung. Alle hier möglichen effektiven Sehnungen können bei gleicher Spulenkopflänge ausgeführt werden. Die Wicklungsanordnung ist bezüglich aller Maschinenstränge und insbesondere be züglich der von parallel geschalteten Spulen gebildeten parallelen Zweige symmetrisch. Hierdurch werden Probleme mit der lokalen Erwärmung einzelner Leiterabschnitte bei Streuungsungleichheit in parallelen Zweigen vermieden. Die Wicklungsanordnung ist überlappungsfrei einlegbar. Die maximale Anzahl der parallelen Zweige ist bei dieser Wicklungsanordnung gleich der Polzahl der elektrischen Maschine.

Wie in Figur 2 gezeigt, kann eine solche Wicklungsanordnung auch für elektrische Maschinen mit einer ungeraden Lochzahl eingesetzt werden. Auch hier sind Teilspulengruppen 5 der Unterschicht 3 mit Teilspulengruppen 6 der Oberschicht 1 in Reihe geschaltet, um eine einer entsprechend gesehnten Zweischichtwicklung entsprechende 35

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Feldverteilung im Luftspalt der elektrischen Maschine zu erzielen. Die Vorteile der in Figur 1 gezeigten Wicklungsanordnung bleiben unberührt. Bei der Schaltung der einzelnen Spulen ist lediglich zu beachten, daß die Anzahl der parallelen Zweige infolge der ungeraden Lochzahl nicht beliebig variiert werden kann. Insbesondere ist eine der Polzahl der elektrischen Maschine entsprechende Anzahl der parallelen Zweige nicht möglich.

Eine Wicklungsanordnung gleicher Lochzahl, wie bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, ist in Figur 3 gezeigt. In dieser Wicklungsanordnung werden Spulen mit ungeteilten Spulenköpfen verwendet. Erfindungsgemäß verbleiben die Oberschichtspulen 2 in der Oberschicht 1 und die Unterschichtspulen 4 in der Unterschicht 3. Die Teilspulengruppen 5 der Unterschicht 3 sind mit den Teilspulengruppen 6 der Oberschicht 1 in Reihe geschaltet. Die Spulenkopflänge ist gegenüber einer Ausführung mit geteilten Spulenköpfen vergrößert. In radialer Richtung kann der Spulenkopf schmaler ausgeführt werden. Es gibt zu beachten, daß die Anzahl der parallelen Zweige nicht die Polpaarzahl der Maschine überschreitet.

Wenn die Anzahl der in einer Ständernut befindlichen Leiter, die Leiterzahl pro Nut ungerade ist, also die in der Oberschicht 1 befindlichen Oberschichtspulenseiten 7 und die in der Unterschicht 3 befindlichen Unterschichtspulenseiten 8 nicht mehr gleich ausgeführt sind, ist beispielsweise eine Wicklungsanordnung, wie in Figur 4 gezeigt, vorteilhaft. Hierdurch ergibt sich eine unterschiedliche Leiterzahl der Unterschichtspulenseiten 8 und der Oberschichtspulenseiten 7. Wenn die Leiterzahl pro Nut Z_n beträgt, so beträgt die Leiterzahl der einzelnen

G 3 5 4 3 DE

Unterschichtspulenseite 8

^ZN

2— » wobei z^ für die Leiterzahl pro Nut

steht, während die Leiterzahl einer ^ZN - ^&lgr; Oberschichtspulenseite 7 —*— beträgt. Grundsätzlich ist auch eine umgekehrte Zuordnung der betreffenden Leiterzahlen zu den jeweiligen Spulensätzen (7,8) in der Wicklungsanordnung möglich. Die Spulenseiten mit der größeren Leiterzahl sind in Figur 4 als ausgefüllte Punkte dargestellt. Es ist beispielhaft, nur ein Strang eines Poles der elektrischen Maschine der Wicklungsanordnung gezeigt. Es ergibt sich eine unsymmetrische Belegung der mit 9 bezeichneten Zonen der Wicklungsanordnung, gemäß Anspruch 9. Durch die Versetzung der Oberschichtspulenseiten 7 gegenüber den Unterschichtspulenseiten 8 um drei Nuten ergibt sich eine Wicklungsanordnung, die einer Zweischichtwicklung mit einem Sehnungsfaktor von entspricht.

Eine verbesserte Symmetrie der Feldkurve zeigt sich bei der in Figur 5 dargestellten Ausführung. Auch hier ist die Leiterzahl pro Nut ungerade und es werden somit Spulenseiten 7, 8 mit unterschiedlicher Leiterzahl benutzt. Auch in dieser Figur stehen die ausgefüllten Punkte für Spulenseiten mit

^ZN ⁺ ^&lgr;

Leitern und die nicht ausgefüllten Punkte für Spulenseiten mit

^ZN -

Leitern.

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Bei dieser Ausführung sind Spulenseiten unterschiedlicher Leiterzahlen in beiden Schichten angeordnet. Es ist wiederum eine Maschine mit einer Lochzahl von 6 ausgewählt worden und die Teilspulengruppen 5 der Unterschicht sind gegenüber den Teilspulengruppen 6 der Oberschicht 1 so angeordnet, daß wiederum ein Sehnungsfaktor von allerdings bei verbesserter Symmetrie der Anordnung, gegeben ist. Hierdurch ist diese Wicklungsanordnung einer entsprechend gesehnten Zweischichtwicklung hinsichtlich der im Luftspalt der elektrischen Maschine erzeugten Feldkurven gleichwertig. Allerdings sind bei dieser Ausführung der Wicklungsanordnung nicht alle denkbaren Sehnungen durchführbar.

Erst der Einsatz von gemischten Spulen, wie bei der in Figur 6 gezeigten Ausführung der Wicklungsanordnung, läßt auch alle weiteren denkbaren Sehnungsformen zu. Die genaue Ausführung und Herstellung gemischter Spulen ist in der DE-PS 27 41 403 offenbart. Im vorliegenden Falle sind die Teilspulengruppen 5 der Unterschicht 3 gegenüber den Teilspulengruppen 6 der Oberschicht 1 um eine Nut verschoben. In diesem Fall ergibt sich eine Feldverteilung im Luftspalt der elektrischen Maschine der einer von einer Zweischichtwicklung mit einem Sehnungsfaktor von yg· erzeugten Feldverteilung gleicht.

Den dieser Wicklungsanordnung eingesetzten gemischten Spulen sind in Figur 7 und Figur 8 nach Unterschicht 3 und Oberschicht 1 geordnet schematisch dargestellt. Eine gemischte Spule umfaßt sowohl Spulen, deren Spulenseiten die gleiche Leiterzahl aufweist, also aus sogenannten ganzen Windungen bestehen, als auch Spulen, deren Spulenseiten unterschiedliche Leiterzahlen aufweisen, also halbe Windungen enthalten. Im vorliegenden Falle enthalten die

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mit 10 bezeichneten Spulenseiten

2
Leiter, während die mit 11 bezeichneten Spulenseiten

Leiter umfassen. Ihre genaue Anordnung ergibt sich aus der gewünschten Sehnung der Wicklungsanordnung. In Figur 9 ist eine Wicklungsanordnung gezeigt, die einen Sehnungsfaktor von -jg· aufweist. Entsprechend sind die Teilspulengruppen 5 der Unterschicht 3 gegenüber den Teilspulengruppen 6 der Oberschicht 1 um vier Nuten gegeneinander versetzt angeordnet. Eine solche Wicklungsanordnung ist nur bei Verwendung von Spulen mit Halbwindungen möglich.

Spulen mit Halbwindungen sind in den Figuren 10 und 11 dargestellt. Solche Spulen enthalten nur und nur Windungen deren Spulenseiten unterschiedlicher Leiterzahl sind. Spulen mit Halbwindungen sind im übrigen in der DE PS 2741 ausführlich erklärt. Im vorliegenden Falle beträgt erneut die Anzahl der Leiter der mit 10 bezeichneten Spulenseiten z_N + 1 , während die Anzahl der Leiter der mit 11 be 2
zeichneten Spulenseiten mit

angegeben ist.

Claims

926 3 5 43OE • · 12 Schutzansprüche

1. Wicklungsanordnung für eine mehrphasige elektrische Maschine, die eine vorgebbare Zahl von Spulen umfaßt, wobei diese Spulen in zwei Schichten, einer Oberschicht (1) und einer Unterschicht (3), jede Schicht für sich allein, in den Ständernuten der elektrischen Maschine entsprechend einer Einschichtwicklung eingelegt sind, und die in der Unterschicht (3) befindlichen Unterschichtspulen (4) mit den in der Oberschicht (1) befindlichen Oberschichtspulen (2) derart geschaltet und gegeneinander versetzt angeordnet sind, daß eine einer beliebig gesehnten Zweischichtwicklung entsprechende Feldverteilung im Luftspalt der elektrischen Maschine bewirkt wird.

2. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Oberschicht (1) und die Unterschicht (3) jeweils in Teilspulengruppen (5, 6) unterteilt sind und wobei die in der Unterschicht (3) befindlichen Unterschichtteilspulengruppe

(5) jeweils mit einer in der Oberschicht (1) befindlichen Oberschichtteilspulengruppe (6) in Reihe geschaltet sind.

3. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, die konzentrische Spulen umfaßt.

4. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der eine mit Lochzahl bezeichnete Anzahl der Ständernuten je Pol und Strang der Maschine wahlweise gerade oder ungerade ist.

5. Wicklungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in der Wicklungsanordnung verwendeten Spulen wahlweise mit geteiltem oder ungeteilten Spulenkopf angeordnet sind.

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2M-09· 9:.:!

6. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die mit Leiterzahl pro Nut bezeichnete Anzahl der in einer Ständernut befindlichen Leiter gerade ist.

7. Wicklungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Leiterzahl pro Nut ungerade ist.

•

8. Wicklungsanordnung nach Anspruch 7, bei der sich eine Windungszahl aller zu einer Schicht gehörenden Spulen entweder nach der Formel

(Zk. + k)

oder nach der Formel

(&Zgr;, - k)

berechnet, wobei k = 1, 3, 5...ist und z,. für die Leiterzahl pro Nut steht und wobei, falls sich die

Windungszahl der Spulen einer Schicht nach einer der beiden Formeln bestimmen läßt, die Windungszahl der Spulen der anderen Schicht sich aus der jeweils anderen Formel ergibt.
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9. Wicklungsanordnung nach Anspruch 7, bei der sich bei Betrachtung der Leiterzahlen pro Nut nur für einen Strang pro Pol der elektrischen Maschine auf der einen Seite einer mit einer Leiterzahl pro Nut, die den Wert &khgr; hat, belegten ersten Gruppe von Ständernuten eine zweite Gruppe von Ständernuten angeordnet ist, deren Leiterzahl pro Nut sich aus der Formel

x+k 2

ergibt, wobei k = 1, 3, 5... ist und wobei auf der anderen Seite eine dritte Gruppe von Ständernuten

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angeordnet ist, deren Leiter zahl pro Nut sich nach der
Formel x-k berechnet.

10. Wicklungsanordnung nach Anspruch 7, bei der in beiden Schichten sowohl Spulen mit einer Windungszahl, die sich aus der Formel

²

ergibt, als auch Spulen, deren Windungszahl sich aus der Formel

(&Zgr;, - k)

ergibt, angeordnet sind, wobei k = 1, 3, 5... ist und z_N für die Leiterzahl pro Nut steht.

11. Wicklungsanspruch nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Windungszahlen der verwendeten Spulen verschiedene Leiterzahlen pro Nut für die
Ständernuten ergeben, wobei der Mittelwert aus der Addition aller Leiterzahlen pro Nut durch die Gesamtzahl der Nuten einen gebrochenen Wert ergibt.

12. Wicklungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wicklungsanordnung Spulen mit halben Windungen umfaßt.

13. Wicklungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wicklungsanordnung
gemischte Spulen mit sowohl halben Windungen als auch
ganzen Windungen umfaßt.