WO2014063673A2 - Elektrischer generator für die stromgewinnung in kraftwerken - Google Patents

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Definitions

  • Electric generators for power generation in power plants have a rotor.
  • This rotor initially has a shaft. On this shaft, the two poles of the rotor are arranged. These each have a winding of several coils, each coil in turn consists of several turns. These windings are formed by electrical conductors made of copper, which are embedded in grooves. The conductors between the two winding heads extend parallel to the shaft. In addition to these axial conductors, there are also the ends of the circular, curved, tangential conductors, in which the axis of the shaft defines the center of the circle.
  • the excitation winding of generator rotors is cooled with air or hydrogen to dissipate the heat generated by the excitation current loss heat and to avoid overheating of the insulation components.
  • air or hydrogen there are 3 important cooling principles, which are usually used (the following sequence corresponds to the increasing effectiveness of the cooling and thus the achievable power densities of the generator):
  • Variant 1 is an indirect cooling by passing the cooling gas past the narrow sides of the conductors of the winding.
  • Variant 2 is direct cooling with flow of the cooling gas across the conductor through corresponding radial bores.
  • Variant 3 is also a direct cooling with flow of the cooling gas along the conductor.
  • full copper profiles are used for the conductors of the windings.
  • the conductors are additionally provided with radial bores for flowing through the cooling gas.
  • mostly single or double hollow profiles are used.
  • rotor windings are cooled either according to variant 1 or according to variant 2 or according to a combination of variants 1 and 2.
  • the rotor winding is cooled according to variant 3. This allows the use of only one profile type (Volloder waveguide) and thus a minimum number of solder joints in the winding, since no different profile types must be connected together. A minimal number of solder joints is advantageous because solder joints are a mechanical weak point.
  • the invention is based on the invention to provide an electric generator for power generation in power plants, in which at a maximum cooling capacity, the conductors of the turns have as few solder joints as possible.
  • the generator according to the invention thus has a generator rotor winding, which can be cooled in accordance with the above-described variants 1 and / or 2 in combination with variant 3.
  • the windings are formed as half-turns, as stated, the number of solder joints per turn can be reduced to 2 solder joints. These two solder joints can be placed in a position with low load.
  • the ends of the two half-turns or the two half-conductors are soldered together. This method of mechanical and electrical connection has proven itself.
  • the two half-turns are C-shaped.
  • the interface with their solder joints lies between the two C-shaped half-turns in the longitudinal center plane of the rotor, d. H. on the apex of the circular tangential ladder.
  • solder joints it is conceivable to place the solder joints to other positions.
  • the conductors of the windings in the transverse direction extending cooling channels This concerns the axial conductors in which the cooling channels extend in bores with respect to the radial direction as bores. This passage of the cooling gas across the conductor in these axial conductor sections provides optimum cooling performance. In addition, the holes for flowing through the cooling gas are easy to introduce into the ladder.
  • the development according to claim 5 proposes a possibility for the direct cooling with flow through the cooling gas along through the conductor. These cooling channels are intended for the circular tangential conductor.
  • a preferred constructive solution for this suggests the development according to claim 6.
  • the basic idea is that it is assumed that a solid profile for the conductor.
  • initially open channels are milled, for example in U-shape.
  • one or more of these channels can be provided.
  • These channels are closed by applying a so-called intermediate insulation on the conductors at the top, so that thereby a cooling gas flow is realized longitudinally through the conductor.
  • This is similar to the previous waveguide.
  • a running in the longitudinal direction of the conductor cooling channel is created in a technically very simple manner, without having to use a special hollow profile. Because the cooling channels are created by milling out of the flat top of the ladder.
  • Claim 7 proposes as a further technical solution a method for producing a conductor for the rotor of an electric generator for power generation in power plants.
  • the core idea is that it is assumed that a conductor full profile, which has the same cross-sectional profile in the initial state over the entire length. It is thus assumed that a solid profile with the length of half a turn and with the cross-sectional dimensions of the largest necessary profile cross-section for the head. This is the wider profile of the previously commonly used profile (usually the hollow profile).
  • the solid profile according to the invention is correspondingly reduced in the area in which a narrower profile is required (the earlier narrower profile) by machining in the width. There is thus an adaptation to the desired profile or cross-sectional profile by removing material.
  • the conductor is now transformed by suitable methods into a 90 ° bend.
  • the cooling according to the above-described variant 3 in the region of the tangential conductor is - as stated - realized by milling one or more, open at the top channels along the Volleiters.
  • overall a tangential conductor is created, more or less in the manner of a waveguide, which starts from a standard conductor full profile.
  • Claim 8 proposes, as a further technical solution, a method for refurbishing the conductors for the rotor of an electric generator for generating electricity in power plants.
  • FIG. 2 shows a detail of the end region of the generator in FIG.
  • FIG. 3a is a side view of a half-conductor of the half-turn;
  • Fig. 3b is a plan view of the half-conductor of the half-turn in Fig.
  • Fig. 4a is a perspective view of the winding consisting of two half-turns before the brazing of these half-turns;
  • Fig. 4b shows the situation in Fig. 4a after the brazing of the two
  • Fig. 5 is a schematic sectional view through the winding.
  • the electric generator for power generation in power plants has a shaft 1 with rotor 2 located thereon.
  • This rotor 2 is formed by a field winding 3, which define the two poles.
  • the excitation winding 3 consists of several turns 4, these turns 4 each consist of several electrical conductors 5.
  • the conductors 5 of the windings 4 are designed as C-shaped half-conductors 5 '(FIGS. 3a and 3b). These two half conductors 5 'are joined together to form the overall conductor 5 and are connected to each other at the end via a solder joint 6.
  • the interface between the two half-conductors 5 'of the conductor 5 lies on the longitudinal center plane of the shaft 1. The interface can also be elsewhere.
  • the half-conductors 5 ' form in their entirety the half turns 4', which are then connected to the full turn 4.
  • the special feature is the formation of the conductor 5 or half-conductor 5 'for the windings 4:
  • the half-conductors 5 ' have cooling channels 7 in the straight axial region. These are introduced through slot-like holes in the material.
  • a second type of cooling channels 8 is provided in the arcuate tangential region of the semiconductors 5 '.
  • the basic principle here is that in the upper-side flat side of the half-conductor 5 'channels are milled, for example, in a U-shape. This can be a or more of these channels may be provided.
  • these cooling channels 8 are realized in such a way that the flat sides of the conductors 5 are stacked with the interposition of a flat insulator 9. However, this means that the milled-in channels are closed at the top by the interposed insulator 9, so that a cooling gas flow is realized longitudinally through the conductor 5 in the form of a cooling channel 8.

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Abstract

Ein elektrischer Generator für die Stromgewinnung in Kraftwerken weist eine auf der Welle (1) angeordnete Erregerwicklung (3) auf. Die Windungen (4) der Erregerwicklung (3) sind jeweils aus zwei Halb-Windungen (4') gebildet, die an ihren beiden Enden miteinander verlötet sind.

Description

Elektrischer Generator für die Stromgewinnung in Kraftwerken
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator für die Stromgewinnung in Kraftwerken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ; die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Leiters für den Rotor eines elektrischen Generators; die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zum Sanieren der Leiter für den Rotor eines elektrischen Generators.
Elektrische Generatoren für die Stromgewinnung in Kraftwerken weisen einen Rotor auf. Dieser Rotor besitzt zunächst eine Welle. Auf dieser Welle sind die beiden Pole des Rotors angeordnet. Diese besitzen jeweils eine Wicklung aus mehreren Spulen, wobei jede Spule wiederum aus mehreren Windungen besteht. Diese Windungen sind durch elektrische Leiter aus Kupfer gebildet, die in Nuten eingebettet sind. Dabei erstrecken sich die Leiter zwischen den beiden Wickelköpfen parallel zur Welle. Neben diesen axialen Leitern gibt es noch end- seitig die kreisförmig gekrümmten, tangentialen Leiter, bei denen die Achse der Welle den Kreismittelpunkt definiert.
Während des Betriebs des Generators fließt durch die Leiter ein elektrischer Strom. Diese elektrischen Ströme sind vergleichsweise hoch und verursachen eine entsprechend starke Erwärmung. Dies vermindert die Lebensdauer sowie die Laufleistung. Aus diesem Grunde werden die Leiter im Rotor gekühlt.
Konkret wird die Erregerwicklung von Generatorrotoren mit Luft oder Wasserstoff gekühlt, um die durch den Erregerstrom entstehende Verlustwärme abzuführen und eine Überhitzung der Isolationskomponenten zu vermeiden. Dabei gibt es 3 wichtige Kühlungsprinzipien, welche üblicherweise eingesetzt werden (dabei entspricht die nachfolgende Reihenfolge der steigenden Effektivität der Kühlung und damit den zu erreichenden Leistungsdichten des Generators):
Die Variante 1 ist eine indirekte Kühlung durch Vorbeiströmen des Kühlgases an den schmalen Seiten der Leiter der Wicklung.
Die Variante 2 ist eine direkte Kühlung mit Durchströmen des Kühlgases quer durch den Leiter durch entsprechende radiale Bohrungen hindurch.
Die Variante 3 ist ebenfalls eine direkte Kühlung mit Durchströmen des Kühlgases längs durch den Leiter. Für die Varianten 1 und 2 werden für die Leiter der Windungen Kupfervollprofile verwendet. Für die Variante 2 werden dabei zusätzlich die Leiter mit radialen Bohrungen zum Durchströmen des Kühlgases versehen. Für die Variante 3 werden meistens Einfach- oder Doppelhohlprofile verwendet.
Vorzugsweise werden Rotorwicklungen entweder gemäß Variante 1 oder gemäß Variante 2 oder gemäß einer Kombination der Varianten 1 und 2 gekühlt. Alternativ wird die Rotorwicklung auch gemäß Variante 3 gekühlt. Dies ermöglicht den Einsatz nur eines Profiltyps (Volloder Hohlleiter) und damit eine minimale Anzahl von Lötstellen in der Wicklung, da keine unterschiedlichen Profiltypen miteinander verbunden werden müssen. Eine minimale Anzahl von Lötstellen ist von Vorteil, da Lötstellen einen mechanischen Schwachpunkt darstellen.
Es gibt jedoch auch Generatorrotoren, bei denen der gerade, axiale Teil des Leiters einer Windung als Vollprofil ausgeführt ist und überwiegend gemäß Variante 1 oder gemäß Variante 2 oder gemäß einer Kombination dieser Varianten gekühlt wird. Der gebogene, tangentiale Teil des Leiters hingegen ist als Hohlleiter ausgebildet, und zwar unter Verwendung einer Kühlung gemäß der Variante 3. Die beiden Profiltypen können dabei auch unterschiedliche Breiten aufweisen. Dieses Konzept erfordert pro Windung allerdings insgesamt 4 Lötstellen, nämlich je 2 auf der Antriebs- und Nichtantriebsseite des Rotors, um je 2 Hohl- und Vollprofile miteinander zu einer Windung zu verbinden. Diese Lötstellen sind aufgrund ihrer geometrischen Position am Übergang zwischen Axial- und Tangentialleiter sehr hohen mechanischen und thermisch induzierten Kräften ausgesetzt und bilden daher einen besondere Schwachstelle.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die A u f g a b e zugrunde, einen elektrischen Generator für die Stromgewinnung in Kraftwerken zu schaffen, bei dem bei einer maximalen Kühlleistung die Leiter der Windungen so wenig Lötstellen wie möglich aufweisen.
Die technische L ö s u n g ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Dadurch ist ein elektrischer Generator für die Stromgewinnung in Kraftwerken geschaffen, bei dem die Leiter der Windungen nur 2 Lötstellen aufweisen. Dabei ist die Kühlleistung des Kühlgases in keinster Weise eingeschränkt. Die Grundidee besteht darin, daß die Windungen bzw. Leiter aus 2 Halb-Windungen bzw. 2 Halb-Leitern bestehen, die an ihren Enden sowohl mechanisch als auch elektrisch miteinander verbunden sind. Der erfindungsgemäße Generator besitzt somit eine Generatorrotorwicklung, welche gemäß den vorbeschriebenen Varianten 1 und/oder 2 in Kombination mit Variante 3 gekühlt werden kann. Es werden dabei 2 unterschiedliche Leiterprofile pro Windung eingesetzt, welche jedoch aus nur noch einem Leiterprofiltyp hergestellt werden können. Indem die Windungen als Halb-Windungen ausgebildet sind, kann - wie ausgeführt - die Anzahl der Lötstellen pro Windung auf 2 Lötstellen reduziert werden. Diese beiden Lötstellen können dabei an eine Position mit geringer Belastung gelegt werden.
Vorzugsweise sind gemäß der Weiterbildung in Anspruch 2 die Enden der beiden Halb- Windungen bzw. der beiden Halb-Leiter miteinander verlötet. Diese Methode der mechanischen und elektrischen Verbindung hat sich bewährt.
Gemäß der Weiterbildung in Anspruch 3 wird vorgeschlagen, daß die beiden Halb- Windungen C-förmig ausgebildet sind. Die Schnittstelle mit ihren Lötstellen liegt dabei zwischen den beiden C-förmigen Halb-Windungen in der Längsmittelebene des Rotors, d. h. auf dem Scheitel der kreisförmigen Tangentialleiter. Selbstverständlich ist es denkbar, die Lötstellen auch an andere Positionen zu legen.
Gemäß der Weiterbildung in Anspruch 4 weisen die Leiter der Windungen in Querrichtung verlaufende Kühlkanäle auf. Dies betrifft die Axialleiter, in denen sich die Kühlkanäle in bezüglich der Welle radialer Richtung als Bohrungen erstrecken. Dieses Durchströmen des Kühlgases quer durch den Leiter in diesen axialen Leiterabschnitten schafft eine optimale Kühlungsleistung. Darüber hinaus sind die Bohrungen zum Durchströmen des Kühlgases leicht in den Leiter einzubringen.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 5 schlägt eine Möglichkeit für die direkte Kühlung mit Durchströmen des Kühlgases längs durch den Leiter vor. Diese Kühlkanäle sind für den kreisförmigen Tangentialleiter gedacht.
Eine bevorzugte konstruktive Lösung hierfür schlägt die Weiterbildung gemäß Anspruch 6 vor. Der Grundgedanke besteht dabei darin, daß von einem Vollprofil für den Leiter ausgegangen wird. In dieses Vollprofil werden zunächst nach oben hin offene Kanäle beispielsweise in U-Form eingefräst. Dabei können ein oder mehrere dieser Kanäle vorgesehen sein. Diese Kanäle werden durch Aufbringen einer sogenannten Zwischenisolation auf den Leitern nach oben hin verschlossen, so daß dadurch eine Kühlgasströmung längs durch den Leiter realisiert wird. Dies ist ähnlich wie beim früheren Hohlleiter. Dadurch ist auf technisch überaus einfache Weise ein in Längsrichtung des Leiters verlaufender Kühlkanal geschaffen, ohne ein spezielles Hohlprofil verwenden zu müssen. Denn die Kühlkanäle werden durch Herausfräsen aus der flachen Oberseite des Leiters geschaffen. Der Anspruch 7 schlägt als weitere technische L ö s u n g ein Verfahren zum Herstellen eines Leiters für den Rotor eines elektrischen Generators für die Stromgewinnung in Kraftwerken vor.
Der Kerngedanke besteht darin, daß von einem Leitervollprofil ausgegangen wird, welches im Ausgangszustand über die gesamte Länge das gleiche Querschnittsprofil aufweist. Es wird somit von einem Vollprofil mit der Länge einer halben Windung und mit den Querschnittsmaßen des größten notwendigen Profilquerschnitts für den Leiter ausgegangen. Dies ist das breitere Profil des früher üblicherweise eingesetzten Profils (üblicherweise das Hohlprofil). Das Vollprofil gemäß der Erfindung wird in dem Bereich, in dem ein schmaleres Profil gefordert ist (das frühere schmalere Profil), durch Bearbeitung in der Breite entsprechend reduziert. Es erfolgt somit eine Anpassung an das gewünschte Profil bzw. Querschnittsprofil durch Materialabtrag. An der Stelle, an der früher die Lötverbindung zwischen den beiden verschiedenen Profilen einen rechten Winkel bildete, wird erfindungsgemäß der Leiter nun durch geeignete Verfahren zu einem 90°-Bogen umgeformt. Die Kühlung gemäß der vorbeschriebenen Variante 3 in dem Bereich des Tangentialleiters wird - wie ausgeführt - durch Einfräsen eines oder mehrerer, nach oben hin offener Kanäle längs des Volleiters realisiert. Dadurch ist insgesamt ein Tangentialleiter quasi in der Art eines Hohlleiters geschaffen, welcher von einem Standard-Leitervollprofil ausgeht.
Der Anspruch 8 schlägt als weitere technische L ö s u n g ein Verfahren zum Sanieren der Leiter für den Rotor eines elektrischen Generators für die Stromgewinnung in Kraftwerken vor. Somit ist es möglich, bestehende elektrische Generatoren für die Stromgewinnung in Kraftwerken, nämlich deren Leiter zu sanieren, indem die alten, vorbeschriebenen Leiter durch erfindungsgemäße Leiter bzw. Windungen ersetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Generators für die Stromgewinnung in Kraftwerken wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt: perspektivische Ansicht des elektrischen Generators
(jedoch ohne die endseitigen Kappen);
Fig. 2 ein Detailausschnitt aus den Endbereich des Generators in Fig.
1 , jedoch mit nur einer einzigen Windung;
Fig. 3a eine Seitenansicht eines Halb-Leiters der Halb-Windung; Fig. 3b eine Draufsicht auf den Halb-Leiter der Halb-Windung in Fig.
3a;
Fig. 4a eine perspektivische Darstellung der Windung bestehend aus zwei Halb-Windungen vor dem Zusammenlöten dieser Halb- Windungen;
Fig. 4b die Situation in Fig. 4a nach dem Zusammenlöten der beiden
Halb-Windungen;
Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung durch die Windung.
Der elektrische Generator für die Stromgewinnung in Kraftwerken, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, weist eine Welle 1 mit darauf befindlichem Rotor 2 auf. Dieser Rotor 2 ist durch eine Erregerwicklung 3 gebildet, welche die beiden Pole definieren. Die Erregerwicklung 3 besteht aus mehreren Windungen 4, wobei diese Windungen 4 jeweils aus mehreren elektrischen Leitern 5 bestehen.
Die Leiter 5 der Windungen 4 sind als C-förmige Halb-Leiter 5' ausgebildet (Fig. 3a und 3b). Diese beiden Halb-Leiter 5' sind zu dem Gesamt-Leiter 5 zusammengefügt und dabei end- seitig über eine Lötstelle 6 miteinander verbunden. Die Schnittstelle zwischen den beiden Halb-Leitern 5' des Leiters 5 liegt dabei auf der Längsmittelebene der Welle 1. Die Schnittstelle kann aber auch woanders liegen. Die Halb-Leiter 5' bilden in ihrer Gesamtheit die Halb-Windungen 4', welche dann zu der vollen Windung 4 verbunden sind.
Die Besonderheit ist die Ausbildung der Leiter 5 bzw. Halb-Leiter 5' für die Windungen 4:
Ausgegangen wird bei der Herstellung der Leiter 5 bzw. Halb-Leiter 5' von einem Vollprofil aus Kupfer insbesondere mit einem flachen, rechteckigen Querschnitt. Dieses Vollprofil wird durch entsprechende mechanische Maßnahmen zu einer C-Form gebogen, wie sie in den Fig. 3a und 3b dargestellt ist.
Die Halb-Leiter 5' weisen im gerade verlaufenden Axialbereich Kühlkanäle 7 auf. Diese sind durch schlitzartige Bohrungen in das Material eingebracht.
Eine zweite Art von Kühlkanälen 8 ist im kreisbogenförmigen Tangentialbereich der Halb- Leiter 5' vorgesehen. Das Grundprinzip hier besteht darin, daß in die oberseitige Flachseite des Halb-Leiters 5' Kanäle beispielsweise in U-Form eingefräst werden. Dabei können ein oder mehrere dieser Kanäle vorgesehen sein. Diese eingefrästen Kanäle definieren die Kühlkanäle 8. Konkret sind diese Kühlkanäle 8 dergestalt realisiert, daß die Flachseiten der Leiter 5 unter Zwischenanordnung eines flächigen Isolators 9 aufeinandergelegt werden. Dies bedeutet aber, daß durch den dazwischen befindlichen Isolator 9 die eingefrästen Kanäle nach oben hin verschlossen werden, so daß eine Kühlgasströmung längs durch den Leiter 5 in Form eines Kühlkanals 8 realisiert ist.
Wie ausgeführt, wird bei der Herstellung des Leiters 5 bzw. Halb-Leiters 5' von einem Vollprofil ausgegangen, welches im Ausgangszustand über die gesamte Länge einen gleichen Querschnitt aufweist. In den Bereichen, in denen dieser Querschnitt zu groß ist, erfolgt eine entsprechende Abtragung von Material, so daß der gewünschte Querschnitt bzw. das gewünschte Profil geschaffen wird.
Welle
Rotor
Erregerwindung Windung ' Halb-Windung
Leiter
' Halb-Leiter
Lötstelle Kühlkanal Kühlkanal Isolator

Claims

A n s p r ü c h e
1. Elektrischer Generator für die Stromgewinnung in Kraftwerken,
mit einem, eine Welle (1) aufweisenden Rotor (2) sowie
mit einer, auf der Welle (1 ) angeordneten Erregerwicklung (3),
wobei die Erregerwicklung (3) aus mehreren Windungen (4) und die Windungen (4) jeweils aus mehreren Leitern (5) bestehen,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
daß die Windungen (4) jeweils aus zwei Halb-Windungen (4') bestehen, die an ihren beiden korrespondierenden freien Enden elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind.
2. Elektrischer Generator nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Enden der beiden Halb-Windungen (4') miteinander verlötet sind.
3. Elektrischer Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Halb-Windungen (4') C-förmig ausgebildet sind.
4. Elektrischer Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die axialen Leiterabschnitte der Leiter (5) der Windungen (4) in Querrichtung verlaufende Kühlkanäle (7) in Form von Bohrungen aufweisen.
5. Elektrischer Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die kreisförmigen Tangentialleiter der Leiter (5) der Windungen (4) in Längsrichtung des Leiters (5) sich erstreckende Kühlkanäle (8) aufweisen.
6. Elektrischer Generator nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leiter (5) der Windungen (4) als flache Vollprofile ausgebildet sind,
daß auf der Flachseite dieser Vollprofile offene Kanäle ausgebildet sind und
daß unter Zwischenanordnung eines flächigen Isolators (9) die Leiter (5) mit ihren
Flachseiten aneinanderliegen und dabei die Kühlkanäle (8) dazwischen definieren.
7. Verfahren zum Herstellen eines Leiters (5) für den Rotor (2) eines elektrischen Generators für die Stromgewinnung in Kraftwerken nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß von einem Leitervollprofil ausgegangen wird, welches über die gesamte Länge das gleiche Querschnittsprofil aufweist, und
daß zur Schaffung des vorgegebenen Querschnittsprofils bereichsweise das Leitervollprofil durch Materialentfernung bearbeitet wird,
wobei diese Bearbeitung nach oder vor einem Zurechtbiegen des Leiters (5) in die gewünschte Form durchgeführt wird.
8. Verfahren zum Sanieren der Leiter (5) für den Rotor (2) eines elektrischen Generators für die Stromgewinnung in Kraftwerken,
dadurch gekennzeichnet,
daß die bestehenden Leiter oder Windungen
durch Leiter (5) oder Windungen (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ersetzt werden oder
durch Leiter (5) oder Windungen (4) ersetzt werden, welche nach Anspruch 7 hergestellt sind.
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