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Aus rundem Draht, ohne Isolierzwischenlagen und mit hoher Geschwindigkeit
gewickelte, viellagige elektrische Spule Die Erfindung bezieht sich auf eine aus
rundem Draht, ohne Isolierzwischenlagen und mit hoher Geschwindigkeit gewickelte,
viellagige elektrische Spule, deren Windungen je aus einem größeren Teil, der in
einer zur Spulenachse senkrechten Ebene liegt, und einem kleineren Übergangsteil
bestehen, der schräg zur Spulenachse liegt, wobei die Übergangsteile aneinander
anliegen und in durch das Wickeln erzwungener Verteilung schräg zur Spulenachse
gegeneinander verschoben sind.
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Eine derartige bekannte runde Spule bietet gegenüber den gewöhnlich
verwendeten, mit Papierschichten zwischen den Lagen gewickelten Spulen und auch
gegenüber den »wild«, d. h. unregelmäßig gewickelten Spulen den Vorteil eines wesentlich
höheren Kupferfüllfaktors. Dieser kann z. B. 801/o und mehr betragen, gegenüber
höchstens etwa 40 % bei der Wicklung mit Papierschichten. Ein weiterer Vorteil ist,
daß das Wickeln nahezu kontinuierlich erfolgen kann und daß bei der bekannten Spule
das Wickeln nicht nach jeder Lage zum Einlegen einer Papierschicht unterbrochen
zu werden braucht. Der höhere Kupferfüllfaktor wird dadurch erzielt, daß die benachbarten
Windungen in der ganzen Länge aneinander anliegen und die Windungen der zweiten
und jeder weiteren Lage -wenigstens diejenigen Teile dieser Windungen, die in zur
Spulenachse senkrechten Ebenen liegen - sich jeweils in die Nuten legen können,
die sich zwischen zwei benachbarten Windungen der vorhergehenden Lage bilden. Auf
diese Weise ist ein vollkommen regelmäßiges Wickeln ohne Papierschichten möglich.
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Bei der bekannten Spule wird der sich auf eine drehende Wickelschablone
mit rundem Wickeldorn aufwickelnde Draht von einem Wickelfinger so an die Schablonen
herangeführt, daß die Windungen sich zum größten Teil in zur Spulenachse senkrechte
Ebenen und in kleineren Übergangsteilen zwischen benachbarten Windungen schräg zur
Spulenachse legen. Die Windungen werden in ihrer ganzen Länge aneinander angelegt.
Es ergibt sich dabei zwangläufig, daß die aufeinanderfolgenden Übergangsteile zwischen
benachbarten Windungen - die Windungsübergänge - sich schräg zur Spulenachse längs
des Spulenumfanges verschieben.
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Das Wickeln jeder Lage endet an einer der Spulenstirnflächen. An dieser
erfolgt der Übergang auf die nächstfolgende Lage, deren Windungen dann in entgegengesetzter
Richtung, auf die gegenüberliegende Stirnfläche zu, nebeneinandergelegt werden.
Die Verschiebungsrichtung der Windungsübergänge verläuft dabei, nachdem diese beim
Übergang auf die nächstfolgende Lage - dem Lagenübergang-an der Stirn, fläche geknickt
wurde, ebenfalls schräg zur Spulenachse zur gegenüberliegenden Stirnfläche zurück.
ach dem Wickeln mehrerer Lagen weisen die Linien, N auf denen die Anfänge und Enden
der aufeinanderfolgenden Windungsübergänge liegen, dann einen zickzackförmigen Verlauf
auf, der sich zwischen den Spulenstirnflächen längs des Spulenumfanges verteilt.
Die an den Stirnflächen sichtbaren Lagenübergänge, die alle etwa gleich lang sind,
verschieben sich dabei mit unveränderbarer Richtung längs des Spulenumfanges.
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Dieses Wickelverfahren stößt auf Schwierigkeiten, wenn die Spule keinen
runden, sondern einen mehreckigen Querschnitt erhalten soll. Gelangen nämlich beim
Wickeln mehreckiger Spulen die Lagenübergänge, die sich von selbst gleichmäßig über
den Spulenumfang verteilen, in den Bereich einer Spulendiagonalen, so tritt eine
Störung in der Regelmäßigkeit der Wicklung auf, die ein gleichmäßiges Weiterwickeln
unmöglich macht bzw. zu einem hohen Ausschußprozentsatz führt. Wegen dieser Mängel
ist es deshalb nur möglich, mehreckige Spulen mit wenigen, z. B. kaum mehr als zehn
Lagen so zu wickeln, daß die Spulen eine regelmäßige Form aufweisen.
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Es ist zwar eine mehreckige Spule bekannt, bei der die Lagenübergänge
nicht in den Bereich der Spulendiagonalen gelangen. Bei dieser Spule, die windungsweise
gewickelt ist und aus-Draht besteht, der dick im
Vergleich zur Spulengröße
ist, weisen die Lagenübergänge aber unterschiedliche Längen auf; auch liegen die
Windungen - bedingt durch Führungsrillen einer verwendeten Wickelschablone - zu
einem erheblichen Teil in zur Spulenachse schrägen Ebenen. Eine derartige Wicklungsart
ist für das Wickeln mit hohen Geschwindigkeiten nicht geeignet, da die Erzeugung
unterschiedlich langer Lagenübergänge bei schnellem Wickeln kaum möglich ist und
die dafür nötige Beeinflussung des Wickelvorganges sich auf diesen störend auswirkt.
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Die bisher aufgetretenen Schwierigkeiten sind behoben, wenn gemäß
der Erfindung bei einer Spule der eingangs beschriebenen Art mit jedoch mehreckigem,
vorzugsweise rechteckigem Kernquerschnitt erfindungsgemäß der an den Spulenstirnflächen
sichtbare Verlauf der in den Stirnwindungen der verschiedenen Lagen vorhandenen
Lagenübergänge, die etwa gleich lang sind und sich von Lage zu Lage längs des Spulenumfangs
verschieben, nach jeweils mehreren Lagen einen Knick aufweist und sich in an sich
bekannter Weise innerhalb eines zwischen zwei benachbarten Diagonalen liegenden
Spulensektors befindet.
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Die Spule gemäß der Erfindung wird innerhalb eines von einem Dorn
und an diesem angeordneten Flanschen gebildeten Wickelraumes gewickelt, wobei die
Verschiebungsrichtung der sich beim Wickeln zwarigläufig schräg zur Spulenachse
verschiebenden Windungsübergänge, die beim Übergang auf jede folgende Windungslage
in an sich bekannter Weise an den Flanschen geknickt wird und einen zickzackförmigen
Verlauf erhält, nach dem Wickeln von jeweils mehreren Lagen einmal oder mehrmals
zwischen zwei einen Spulensektor einschließenden benachbarten Diagonalen umgekehrt
wird, indem für die Zeitdauer der anfänglichen und der umgekehrten Verschiebungsrichtung
unterschiedliche Verhältnisse zwischen der Breite des Wickelraumes und dem parallel
zur Spulenachse liegenden Drahtdurchmesser gewählt werden.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich die beim Wickeln
ergebende zickzackförmige Laufrichtung von Anfängen und Enden der Windungsübergänge
von selbst umkehrt, wenn die bis dahin in bekannter Weise in ganzer Länge aneinander
anliegenden Windungen sich etwa vom Zeitpunkt der Umkehr an nur noch an den Windungsübergängen
berühren. Das dafür erforderliche Abrücken der Windungen voneinander kann entweder
dadurch erfolgen, daß der während der Umkehr aufgewickelte Draht in Richtung des
zur Spulenachse parallelen Durchmessers deformiert oder indem die Breite des Wickelraumes
erweitert wird.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den
Fig. 1, 2 und 3 ist zunächst das bekannte, eingangs bereits geschilderte Wickelverfahren
dargestellt, dessen Prinzip auch bei der Erfindung angewendet wird; Fig.4 dient
zur Illustrierung der beim Wickeln rechteckiger Spulen auftretenden Schwierigkeiten;
Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Spule nach der Erfindung; Fig. 6 dient
zur Erläuterung des Wickelverfahrens dieser Spute; Fig.7 zeigt eine Wickelschablone,
auf der die Spule nach der Erfindung gewickelt werden kann, und Fig. 8 stellt ein
zweites Ausführungsbeispiel einer Spule nach der Erfindung dar. Fig. 1 zeigt in
der Seitenansicht eine Wickelvorrichtung mit einer Welle 21, die einen als Wickeldorn
dienenden zylindrischen Teil 23 von größerem Durchmesser besitzt. Der Wickelron
23 bildet mit einem festen Flansch 25 und einem über den Wickeldorn axial verschiebbaren
Flansch 27 eine Wickelschablone, auf der einige Windungen isolierten Drahtes von
kreisförmigem Querschnitt aufgewickelt sind. Der Anfang 29 des Drahtes ist durch
einen sich schräg durch den festen Flansch 25 erstreckenden Kanal 31 hindurchführt,
dessen Mündung an der Innenseite des Flansches 25 an die Oberfläche des Wickeldornes
23 grenzt.
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Die Wickelschablone wird gemäß dem Pfeil 33 gedreht, und der aufzuwickelnde
Draht 35 wird von einem (nicht dargestellten) Wickelfinger in axialer Richtung derart
geführt, daß der Draht immer ungefähr parallel zum Flansch 25 bleibt und die erste
Windung (mit 1 numeriert) nahe am Flanschen 25 - also in einer zur Welle 21 senkrechten
Ebene -zu liegen kommt. An der Eintrittsstelle des Drahtes in die Wickelschablone
wird am Ende der ersten Windung der Draht um ein dem Durchmesser d des Drahtes entsprechendes
Stück in axialer Richtung verschoben, so daß an dieser Stelle ein schräger Teil
1' entsteht, der also nicht in der obenerwähnten Ebene liegt. Die nächsten Windungen
2, 3, 4 und 5, die zusammen mit der Windung 1 die erste Lage darstellen, haben einen
ähnlichen Verlauf.
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Der Flansch 27 ist - z. B. mittels einer Schraube 37 - in einer Lage
fixiert, in der der Abstand zwischen dem Flansch und der letzten Windung 5 der ersten
Lage gleich der halben Drahtstärke d/2 ist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird
der Draht beim Weiterwickeln an der Stelle der axialen Verschiebung der Windungen
(in Fig. 1 etwa in der Höhe der Mittellinie des Wickeldornes) die erste Lage verlassen
und auf die Höhe der zweiten Lage (Windung 6) übergehen. Dieser Übergang ist auch
aus Fig. 2 gut ersichtlich, die in axialer Ansicht gemäß dem Pfeil 39 eine auf der
dargestellten Schablone gewickelte Spule mit vier Lagen darstellt.
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Die Windungen der zweiten Lage - und die sämtlicher folgenden Lagen
- liegen je gleichfalls im wesentlichen in einer zur Welle senkrechten Ebene, was
dadurch erleichtert wird, daß jede Windung sich in eine Nut legt, die von je zwei
benachbarten Windungen der vorhergehenden Lage gebildet wird (s. auch Fig. 3, die
einen Axialschnitt der Spule nach Fig. 2 darstellt).
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In Fig. 1 sind die schrägen Übergangsteile i', 2' usw. gegenüber den
»senkrechten« Windungsteilen 1, 2 usw. der ersten Lage scharf geknickt dargestellt
(in Wirklichkeit sind die Übergänge gebogen), um zu illustrieren, daß die Übergangspunkte
(Knickpunkte) auf gegenüber der Wickelachse schrägen, untereinander parallelen Linien
r11, Bi bzw. f12, B2 liegen. Wenn angenommen wird, daß die Windungen völlig aneinander
anliegen und nicht zusammendrückbar sind, kann leicht eingesehen werden, daß der
Winkei ß, den z. B. die Linie Al-B1 mit dem Flansch 25 einschließt, gleich 180,
2 a ist, wobei a den Winkel zwischen dem schrägen Teilt' (oder 2' usw.) und
dem Flansch 25 darstellt.
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Der Übergang 5' von der fünften auf die sechste Windung und auch der
Übergang von der ersten auf die zweite Lage ist daher, wie auch aus Fig. 1 ersichtlich
ist, längs dem Umfang gegenüber dem ersten Übergang 1' verschoben. Ebenso ist der
Übergang
von der Windung 10 (Lage 2, übersichtlichkeitshalber nicht
vollständig dargestellt) auf die Windung 11 (Lage 3) in gleicher Richtung am Umfang
entlang verschoben (Punkte Cl und C2) usw. Fig. 2 illustriert deutlich die gegenseitige
Verschiebung der übergänge 5' und 15'. Aus dieser Figur ist auch ersichtlich, daß
an den Übergangsstellen (z. B. 6') in der zweiten und den nächsten Lagen ein Buckel
(örtliche Durchmesservergrößerung der Windungen) entsteht, da jede Windung hier
über zwei darunterliegende schräge Drahtteile hinweglaufen muß. Dies ist ein zusätzlicher
Grund für das Verschieben der Windungsübergänge längs des Umfangs; diese Übergänge
»suchen« sich gleichsam einen Platz neben dem Buckel, wo die Unterschicht weniger
»hoch« ist als auf dem Buckel selbst.
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Fig.4 zeigt das Aussehen einer auf diese Weise gewickelten Spule -
in vorliegendem Falle einer Spule mit rechteckigem Kernquerschnitt -, auf eine der
beiden Stirnflächen (Flanken) gesehen. Darin ist deutlich die Linie (oder Zone)
41 erkennbar, auf der die in dieser Stirnfläche liegenden Übergänge zwischen je
zwei benachbarten Lagen liegen. In Wirklichkeit ist der Winkel a zwischen den Übergängen
zwischen je zwei Windungen einer Lage (»Windungsübergänge«, z. B. 1' in Fig. 1)
und die Stirnfläche viel kleiner als in Fig. 1, besonders in den ersten Schichten
einer rechteckigen Spule, so daß die Übergänge von Lage zu Lage sich anfänglich
praktisch nicht längs des Umfangs verschieben. Nach etwa zehn oder mehr Lagen tritt
die erwähnte Verschiebung auf; dies steht im Zusammenhang mit dem Umstand, daß die
anfänglich flachen Lagen an der Seite der rechteckigen Spule, an der die Kreuzungen
der Übergänge erfolgen, dann eine etwas gebogene Form erhalten.
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Ohne besondere Maßnahmen gelangen die Lagenübergänge schließlich -
und in der Praxis meist bereits nach einer kleineren Zahl von Lagen - in die Nähe
einer der Diagonalen der Spule, d. h. der Diagonale 43; dies erweist sich als schädlich
für die Regelmäßigkeit der Wicklung. Da die Lagenübergänge - naturgemäß die kritischsten
Teile der Spule, was das Wickeln anbelangt - in einem Bereich zustande kommen müssen,
in dem die Krümmung der Schichten stark wechselt - nämlich an der Stelle der Diagonale
viel stärker als in dem vorhergehenden und dem nachfolgenden Teil der Lage - tritt
eine Störung der Regelmäßigkeit der Wicklung auf, die ein gleichmäßiges Weiterwickeln
unmöglich macht. Auf die beschriebene Weise können daher rechteckige (im allgemeinen
viereckige) Spulen nur mit wenigen Windungen und Lagen gewickelt werden. Bereits
bei zehn Lagen oder weniger können Störungen auftreten, besonders wenn mit hoher
Geschwindigkeit, z. B. 1000 und mehr Umdrehungen/Min., gewickelt wird.
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Dieser Nachteil wird nach der Erfindung durch eine Spulenbauart vermieden,
von der Fig. 5 ein Beispiel illustriert. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, weist
die Linie 45 der Schichtübergänge einen scharfen Knick auf, so daß die ganze Linie
innerhalb des Spulensektors zwischen zwei benachbarten halben Diagonalen 43 und
47, also im »sicheren Bereich« verläuft. Nötigenfalls kann die Linie 45 mehr als
einen Knick aufweisen (s. Fig. 8).
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An Hand von Fig.6, die eine ähnliche Wickelvorrichtung wie Fig. 1
darstellt, wird erläutert, auf welche Weise die Richtungsänderung der Linie 45 erreicht
werden kann. Der Unterschied gegenüber Fig. 1 besteht darin, daß die Windungen hier
nicht aneinander anliegen. Allerdings liegen die Übergangsteile 1', 2' usw. aneinander
an; dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß der aufzuwickelnde Draht mittels
eines Wickelfingers geführt wird, der mit etwas größerer Geschwindigkeit hin und
her bewegt wird, als für das Wickeln aneinander anliegender Windungen erforderlich
ist. Aus Fig. 6 ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Windungsübergänge sich hier
in entgegengesetzter Richtung zu der nach Fig. 1 verschieben.
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Es kommt also darauf an, die Wicklungsverhältnisse nach dem Wickeln
einer (nicht kritischen) Lagenzahl derart zu beeinflussen, daß die Situation nach
Fig. 1 sich in diejenige nach Fig.6 (oder umgekehrt) ändert, d. h. in der Weise,
daß die Windungen anfänglich aneinander anliegen, nach einiger Zeit aber nicht mehr
aneinander anliegen. Der Zwischenraum zwischen den Windungen braucht nur sehr gering
(z. B. wenige Prozent des Drahtdurchmessers d) zu sein, da, wie bereits bemerkt
wurde, der Winkel a in Wirklichkeit sehr klein ist und z. B. nur 1° oder weniger
beträgt.
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Die erwähnte Änderung der Situation kann. in der Praxis verhältnismäßig
leicht erreicht werden und hat den Charakter eines plötzlichen Umschlags, so daß
also der in Fig.5 ersichtliche Knick entsteht. Um diesen Umschlag zu ermöglichen,
genügt es z. B., den Durchmesser des Drahtes etwas zu verkleinern, z. B. dadurch,
daß die Zugspannung beim Wickeln erhöht oder der Draht 35 zwischen zwei Druckrollen
mit zur Wickelwelle senkrechten Achsen durchgeführt wird. Wird die Zugspannung wieder
erniedrigt oder werden die Druckrollen wieder vom Draht entfernt, so erhält die
Linie 45 wieder die ursprüngliche Richtung, und es entsteht daher ein zweiter Knick.
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Eine weitere Möglichkeit ist z. B. die Anwendung einer Wickelschablone
nach Fig. 7, bei der der Raum b zwischen den Flanschen oberhalb eines bestimmten
Abstandes zur Wickelachse ein wenig (um einen Betrag d b, z. B. etsv.a 109/o
des Drahtdurchmessers) größer ist als in dem zuerst bewickelnden Teil des Wickelraumes.
Der Umschlag der Wickelsituation erfolgt, nachdem bereits einige Lagen im weiteren
Teil gewickelt worden sind. Dies ist auf den Umstand zurückzuführen, daß jede Windung
in einer zwischen zwei benachbarten Windungen der Barunterliegenden Lage gebildeten
Nut zu ruhen kommt, so daß anfänglich trotz des erweiterten Wickelraumes die Windungen
nach wie vor aneinander anliegen. Nach einigen Lagen rücken die Windungen, infolge
der Zugspannung während des Wickelns, in hinreichendem Maße auseinander, um den
Umschlag der Wickelsituation - wobei die Übergänge plötzlich auf der anderen Seite
des erwähnten »Buckels« zu liegen kommen - zu bewirken.
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Es ist auch möglich, den Wickelraum in einem Sektor breiter zu wählen,
der etwa durch eine halbe Mittellinie (49 in Fig. 5) und die in der anfänglichen
Richtung der Linie 45 folgende halbe Diagonale 43 begrenzt wird. Die Lagenübergänge
liegen anfänglich größtenteils außerhalb dieses Sektors und werden durch Erweiterung
des Wickelraumes nicht beeinflußt. Sobald aber die Übergänge völlig oder größtenteils
innerhalb des Sektors größerer Weite zu liegen kommen, tritt schon bald das Umknicken
der Linie 45 auf.
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Noch eine weitere Möglichkeit bietet die Anwendung eines an sich bekannten
Andruckorgans, z. B. aus sehr biegsamem Leder, mit einer Breite gleich der des Wickelraumes
(der dann keinen erweiterten
Teil braucht). Dieses Organ ruht während
des Wickelns unter leichtem radialem Druck auf der Spule über der ganzen Breite
auf, und zwar insbesondere an der Stelle, an der der ankommende Draht die Spule
erreicht. Dabei schiebt es gleichsam den Draht in die richtige Lage immer neben
die vörhergehende Drahtwindung. Der vom biegsamen Leder auf den Draht ausgeübte
Druck hat offensichtlich, insbesondere bei den Übergängen 1', 2' usw., eine axiale
Komponente, welche die Drähte an diesen Stellen etwas zusammendrückt; durch beträchtliche
Erhöhung des Druckes des Lederstücks in einem bestimmten Augenblick kann erreicht
werden, daß die Situation nach Fig.6 eintritt.
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Alle diese Verfahren gehen darauf hinaus, daß das Verhältnis Drahtstärke
zu Breite des Wickelraumes während des Wickelvorganges wenigstens stellweise abgeändert
wird.
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Auf die beschriebene Weise hat es sich als möglich erwiesen, mit verhältnismäßig
großer Geschwindigkeit (z. B. 1000 Umdrehungen/Min.) rechteckige Spulen mit z. B.
hundert Lagen von je hundert Windungen von 0,1 mm Durchmesser mit einem geringen
Ausschußprozentsatz zu wickeln.
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Die Spulenseite, an der sich die Übergänge befinden (in Fig.8 die
Oberseite), ist naturgemäß in radialer Richtung dicker als die anderen Seiten. Bei
der Spule nach der Erfindung ist dies nur bei einer der Seiten, aber nicht bei zwei
aneinander angrenzenden Seiten, also z. B. nicht bei der Oberseite und der Seite
51 von Fig. 8 der Fall; dies wäre aber der Fall, wenn die Linie 45 nicht geknickt
wäre und bis in die Seite 51 reichte. Da dies nicht der Fall ist, können zwei einander
gegenüberliegende Seiten 51 und 53 der Spule mit hohem Füllfaktor und sehr geringer
Stärke gewickelt sein, was bei Verwendung von z. B. aus E- und I-förmigen Blechen
gestapelten Mantelkernen 55 (in Fig.8 gestrichelt dargestellt) von Bedeutung ist.