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Die
Erfindung betrifft eine stromkompensierte Drossel gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen
stromkompensierten Drossel.
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Drosseln
sind induktive Bauteile in der Elektrotechnik und Elektronik, die
unter anderem Verwendung bei der Unterdrückung von Störpulsen
finden. Eine weit verbreitete Unterart von Entstördrosseln, beispielsweise zur
Unterdrückung
von Störströmen, die
gleichsinnig in Hin- und Rückleitung
auftreten, sind stromkompensierte Drosseln, die auch unter der Bezeichnung „Gleichtaktdrosseln” (Common
Mode Chokes) bekannt sind. Stromkompensierte Drosseln zeichnen sich
durch mehrere, mindestens aber zwei Wicklungen aus, die gegensinnig
vom Arbeitsstrom durchflossen werden, aus. Als Konsequenz heben sich
bei idealen, d. h. zueinander völlig
symmetrischen Wicklungen mit gleicher Windungszahl, gleichem Sektor
und gleicher Drahtführung
die magnetischen Felder der Wicklungen im Kern der Drossel auf,
so dass die Drossel für
den Arbeitsstrom eine geringe Induktivität aufweist, während die
Induktivität der
Drossel für
die gleichsinnig auftretenden Störströme hoch
ist. Abweichungen von einer idealen, völlig symmetrischen Wicklung
führen
mit steigender Frequenz des Arbeitsstroms zu Verlusten, die möglichst
gering zu halten sind.
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Die
Auslegung stromkompensierter Drosseln unterliegt einer Vielzahl
von Randbedingungen. Um die ohmschen Verluste gering zu halten,
wählt man die
für die
Wicklung verwendeten Drähte
möglichst dick.
Um hohe Induktivitäten
für gleichsinnige
Störströme zu erreichen,
erfolgt die Wicklung in der Regel auf ei nem ringförmigen Magnetkern,
der aber wegen verschiedenster Einbaubedingungen möglichst
klein sein sollte. Dabei sollte die einzelne Wicklung aber zugleich
möglichst
viele Windungen umfassen. Wesentlich ist weiterhin die galvanische
Trennung zwischen den Wicklungen. Es muss also verhindert werden,
dass sich Drähte
der einzelnen Wicklungen, deren Windungen sämtlich durch das Innenloch
des ringförmigen
Magnetkerns geführt
werden müssen, berühren.
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Diese
Randbedingungen erzwingen im Regelfall die Bewicklung stromkompensierter
Drosseln von Hand oder unter Verwendung handbetriebener mechanischer
Zugeinrichtungen und ähnlicher
mechanischer Hilfsmittel, z. B. von Häkelnadeln. Mit einer derartigen
manuellen Wickeltechnik ist es aber praktisch unmöglich, exakt
symmetrische Wicklungen zu erreichen. In der Regel kommt es trotz
des hohen Herstellungsaufwandes zu Überkreuzungen zwischen den
Drähten
einzelner Windungen und Ungenauigkeiten in der Führung der Drähte.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Symmetrie der Wicklungen bei einer stromkompensierten
Drossel zu verbessern ohne den Aufwand zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine stromkompensierte Drossel mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und ein Verfahren zur Herstellung einer stromkompensierten Drossel
mit den Merkmalen des Anspruchs 21. Vorteilhafte Ausführungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Eine
erfindungsgemäße stromkompensierte Drossel
weist einen Ringkern und eine gerade Anzahl, mindestens jedoch zwei
jeweils aus derselben Anzahl von Windungen bestehenden Wicklungen auf,
wobei ferner im Inneren des Ringkerns ein nicht leitender Körper mit
paarweise spiegelsymmetrisch zu einer Symme trieachse des Ringkerns
ausgeführten
Löchern
angeordnet ist. Dabei ist durch jedes Loch zumindest einiger der
Paare symmetrischer Löcher
jeweils eine Windung geführt,
und durch die beiden zu einem Paar gehörenden Löcher sind einander entsprechende
Windungen einander zugeordneter Wicklungen geführt sind.
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Der
Ringkern dient dabei als Trägerstruktur, auf
die die Wicklungen direkt oder indirekt aufgebracht sind.
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Unter
einander zugeordneten Wicklungen sind dabei die Wicklungen zu verstehen,
deren Magnetfelder sich, wenn die Wicklungen mit dem Arbeitsstrom
durchflossen werden, jeweils kompensieren sollen, die also im Idealfall
zueinander völlig
symmetrisch aufgebaut sind. Diese Symmetrie legt auch fest, welche
Windungen der Wicklungen einander entsprechen; in der Regel wird
sich diese Entsprechnung aber auch durch gleichsinniges Abzählen der Windungen
einander entsprechender Wicklungen bestimmen lassen. Bei symmetrischen
Wicklungen mit N Windungen werden dabei die Windungen, die dieselbe
Ordnungszahl n mit 1 ≤ n ≤ N beim Abzählen zugewiesen
erhalten, einander entsprechen.
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Es
ist also erfindungsgemäß vorgesehen, den
Verlauf der einzelnen Windungen jeweils exakt vorzugeben, indem
ihr Anfangs- und
Endpunkt definiert festgelegt werden. Durch das Festziehen der einzelnen
Windungen im Verlauf des Herstellungsprozesses wird dann die kürzeste unter
Berücksich-tigung
der geometrischen Randbedingungen mögliche Verbindung hergestellt.
Bei paarweise symmetrischer Anordnung der Löcher und Vorgabe gleicher geometrischer
Randbedingungen für
diese Lochpaare, insbesondere durch die Geometrie des Ringkerns
und die geometrische Ausgestaltung des nicht leitenden Körpers, wird
dadurch die exakte Symmetrie der einzelnen einander zugeordneten Windungen
der einander kompensierenden Wicklungen und somit der gesamten Wicklungen
garantiert. Insbesondere ist ein ungewolltes Überkreuzen von Wicklungen ausgeschlossen.
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Eine
besonders einfache Ausgestaltung des nicht leitenden Körpers ist
eine im Innenraum des Ringkerns, also bei kleineren Radien als dem
Innenradius des Ringkerns, angeordnete Scheibe ist, deren Kreisflächen parallel
zur Richtung, in der sich ein Innenradiusvektor des Ringkerns erstreckt,
verlaufen.
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Es
hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn der Ringkern von
einem mindestens aus zwei Teilen zusammengesetzten Kunststoffkörper umschlossen
ist. Durch diese Maßnahme
lässt sich
auf einfache Weise eine verbesserte Stabilität des dann durch Ringkern und
Kunststoffkörper
gebildeten Drosselkörpers
gegenüber
den gerade bei Verwendung dicker Drähte für die Wicklungen bei der Herstellung
der Drossel eingesetzten hohen Zugkräften erzielen. Ferner wird
dadurch der Einfluss von Umgebungseinflüssen auf den Ringkern reduziert.
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In
diesem Fall ist eine besonders einfache Montage der stromkompensierten
Drossel möglich, wenn
der nicht leitende Körper
mit einem der Teile des zusammengesetzten Kunststoffkörpers verbunden
ist oder Bestandteil eines der Teile des zusammengesetzten Kunststoffkörpers ist.
Eine einfach herzustellende Ausgestaltung des Kunststoffkörpers liegt
insbesondere in einer Ausgestaltung als zwei ringförmige Halbschalen,
die den Ringkern aufnehmen bzw. umschließen.
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Der
Ringkern wird besonders effektiv vor Umgebungseinflüssen, die
bei lokaler Wechselwirkung mit Teilen des Ringkerns an den betroffenen Stellen
dessen magnetische Eigenschaften ändern und damit die Funktion
der stromkompensierten Drossel beeinträchtigen könnten, wenn die zwei Halbschalen
des Kunststoffkörpers
derart überlappen,
dass sie im inneren und äußeren Umfang
formschlüssig
geführt
sind.
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Je
nach Anwendung kann es vorteilhaft sein, wenn die Halbschalen des
Kunststoffkörpers
mit einer Ultraschallschweißnaht
miteinander verbunden sind, was zu optimaler Abdichtung führt, wenn
die Halbschalen des Kunststoffkörpers
mittels beidseitig aufgebrachter Gewinde miteinander verschraubbar sind,
was ein nachträgliches Öffnen des
Kunststoffkörpers
erlaubt, oder wenn die zwei Halbschalen des Kunststoffkörpers durch
einen Rastmechanismus miteinander verbunden sind, was eine besonders einfache
und kostengünstige
Herstellung mit sich bringt.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind auf der Oberfläche des
Kunststoffkörpers Führungselemente
zur Führung
und Trennung der Windungen angeordnet und/oder in die Oberfläche des
Kunststoffkörpers
Führungselemente
eingebracht. Dadurch wird es möglich,
die geometrischen Randbedingungen und somit den Verlauf der Windungen
nach Wunsch zu beeinflussen, während ohne
derartige Führungselemente
stets die kürzeste Verbindung
auf der Oberfläche
des Drosselkörpers zwischen
der Ausgangsseite des Loches, an der die fragliche Windung beginnt
und der Eingangsseite des Loches, an der sie endet, den Verlauf
der Windung bestimmt. Die Führungselemente
können
insbesondere als Grate, Nuten oder eine Kombination von Graten und
Nuten realisiert werden.
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Bevorzugtes
Material für
den Kunststoffkörper
ist ein hochtemperaturbeständigen
Kunststoff, insbesondere Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyphenylensulfid
(PPS).
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Besonders
einfach wird die Herstellung der stromkompensierten Drossel, wenn
die Löcher
in dem nicht leitenden Körper
in mindestens einer Richtung eine sich von der Oberfläche des
nicht leitenden Körpers
aus in Erstreckungsrichtung des Loches konisch verjüngende Einführhilfe
aufweisen.
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Bevorzugtes
Material für
den Ringkern der stromkompensierten Drossel ist wegen der für die meisten
Anwendungen vorteilhaften magnetischen Eigenschaften ein weichmagnetisches
Band und insbesondere ein weichmagnetisches Band, das aus einer
amporphen oder nanokristallinen Legierung besteht. Der Ringkern
kann beispielsweise einen Außendurchmesser
von mindestens 20 mm besitzen.
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Als
Material für
die Wicklungen einer derartigen stromkompensierten Drossel hat sich
insbesondere wegen seiner guten Leitungseigenschaften Kupferdraht
bewährt,
der vorzugsweise lackiert ist und/oder eine hochtemperaturbeständige Isolierung, insbesondere
Polyesterimid (PEI) oder Polyimid (PI) besitzt. Um die in typischen
Anwendungsfällen
auftretenden Ströme
verlustarm leiten zu können,
kann der Kupferdraht einen Durchmesser von mehr als 2 mm haben.
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Zur
Isolierung der Stromkompensierten Drossel nach außen kan
insbesondere bei Verwendung von blankem Kupferdrahtdas Vorsehen
einer isolierenden Beschichtung einer Dicke von zwischen 5 und 200 μm (5 bis
50 μm oder
50 bis 200 μm)
von Vorteil sein, die beispielsweise durch Aufsprühen oder
Tauchbeschichtung bei der Herstellung der stromkompensierten Drossel
erhalten werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung einer stromkompensierten Drossel, weist zumindest
die Schritte
- a) Fixieren eines Ringkerns, der
in seinem Inneren einen nicht leitenden Körper mit paarweise spiegelsymmetrisch
zu einer Symmetrieachse des Ringkerns ausgeführte Löcher aufweist, wobei die auf
der einen Seite der Symmetrieachse liegenden Löcher eine erste Gruppe und
die auf der zweiten Seite der Symmetrieachse liegenden Löcher eine
zweite Gruppe bilden,
- b) Führen
eines Drahtabschnitts durch eines der Löcher einer der Gruppen,
- c) Führen
mindestens eines der Enden des Drahtabschnittes in einer den Ringkern
umschließenden
Schlaufe durch ein weiteres Loch derselben Gruppe, wobei das erste
Ende des Drahtabschnitts in entgegengesetzter Richtung durch Löcher geführt wird
wie das zweite Ende und
- d) Wiederholen der Schritte b) und c) für die andere Gruppe mit einem
weiteren Drahtabschnitt,
wobei ferner entweder nach der
Durchführung
der Schritte c) und d) an jedem der Drahtabschnitte ein Zug ausgeübt wird
oder nach Ausführung
des Schritts c) an dem entsprechenden Drahtabschnitt ein Zug ausgeübt wird.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wird auf sichere und reproduzierbare Weise eine stromkompensierte
Drossel hergestellt, bei der sichergestellt ist, dass diese nahezu
identische, in sehr guter Näherung
symmetrische Wicklungen aufweist, so dass die Verluste in der stromkompensierten
Drossel auch und gerade bei Verwendung von hochfrequentem Arbeitsstrom
signifikant verringert werden. Dies geschieht dadurch, dass bei
Vorgabe der Löcher
in dem nichtleitenden Körper,
durch die eine gegebene Windung geführt wird, durch geometrische
Zwangsbedingungen der Verlauf der Wicklung, den sie bei Zug am Draht
einnimmt, eindeutig vorbestimmt ist. Eine symmetrische Anordnung
der Löcher,
durch die die Windungen der einen bzw. der anderen Wicklung geführt werden,
führt bei
identischen geometrischen Randbedingungen für die einzelnen Windungen,
die durch den Ringkern und die Form des nichtleitenden Körpers sichergestellt
werden, damit automatisch zu identischen Wicklungen, solange die
gegebene Wicklung in beiden Fällen
durch korrespondierende Lochpaare geführt sind. Insbesondere kann
eine Ü berkreuzung
von Windungen nur bewusst durch Wahl entsprechender Lochkombinationen
für den Verlauf
der einander kreuzenden Windungen herbeigeführt werden und ist andernfalls
ausgeschlossen.
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Sehr
vorteilhaft ist die Verwendung eines beidseitigen Zuges, da bei
diesem sichergestellt ist, dass alle Windungen, die dem Zug ausgesetzt
werden, in etwa gleich stark gespannt werden. Dies ist insbesondere
deshalb relevant, weil ein hinreichender Zug ausgeübt werden
muss, um dem Windungsmaterial aller Windungen den durch die geometrischen
Zwangsbedingungen vorgegebenen Verlauf aufzuprägen. Bei sehr inhomogener Spannung
an den einzelnen Windungen bedeutet dies, dass eine deutlich höhere Belastung
als der hinreichende Zug an einigen Stellen des Ringkörpers auftritt,
was zu dessen Bruch an den fraglichen Stellen führen kann.
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Ein
Verfahren mit besonders wenigen Schritten erhält man, wenn der Zug ausgeübt wird,
nachdem der Drahtabschnitt durch alle zu einer Gruppe gehörenden Löcher oder
durch alle zu beiden Gruppen gehörenden
Löcher
geführt
wurde. Allerdings sind dafür
hohe Zugkräfte
notwendig.
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Will
man die benötigten
Zugkräfte
minimieren, was besonders bei Verwendung sehr dicker Drähte als
Material für
die Wicklungen der Fall ist, ist es vorteilhaft, wenn der Zug jedesmal
ausgeübt
wird, wenn der Drahtabschnitt durch ein weiteres Loch geführt wurde.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert, gleiche
Bauteile, soweit nichts anderes erwähnt ist, in allen Figuren mit gleichen
Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigt:
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1 einen
Drosselkörper
einer erfindungsgemäßen stromkompensierten
Drossel in Frontalansicht,
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2 einen
Schnitt durch den Drosselkörper aus 1 entlang
der Schnittlinie A-A,
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3 einen
Schnitt durch den Drosselkörper aus 1 entlang
der Schnittlinie B-B und
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4 den
mit Wicklungen versehenen Drosselkörper aus 1 in
Frontalansicht.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Drosselkörper 10,
also die unbewickelte Drossel, in Frontalansicht. Es ist eine erste
Halbschale 11 eines Kunststoffkörpers gezeigt, die Grate 12 und
Vertiefungen 13 aufweist. Mit der Halbschale 11 ist
ein als Scheibe ausgeführter
nichtleitender Körper 14 einstückig verbunden,
dessen sichtbare obere Kreisfläche
parallel zu einem nicht dargestellten Innenradiusvektor eines in 1 durch
die erste Halbschale 11 verdeckten, aber in 2 und 3 erkennbaren Ringkerns 23 verläuft. Der
nichtleitende Körper 14 wird
von Löchern 15.1, 15.2, 15.3, 15.4, 15.5 und 15.6 in
Blickrichtung durchsetzt. Die Löcher 15.1 bis 15.3 bilden
eine erste Gruppe von Löchern,
die Löcher 15.4 bis 15.6 eine
zweite Gruppe von Löchern, die
zur ersten Gruppen von Löchern 15.1 bis 15.3 symmetrisch
bezüglich
der Symmetrieachse A-A angeordnet sind. Dabei sind die Löcher 15.1 und 15.4, 15.2 und 15.5 und 15.3 und 15.6 jeweils
paarweise symmetrisch zueinander bzw. bilden Paare von symmetrischen
Löchern.
Außer
der Symmetrieachse A-A ist noch eine Schnittachse B-B dargestellt,
die den in 3 dargestellten Schnitt verdeutlicht.
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2 zeigt
einen Schnitt durch den Drosselkörper 10 aus 1 entlang
der Symmetrieachse A-A. Es ist wiederum die erste Halbschale 11 gezeigt, deren
Schnittfläche
hier durch Schraffur von links oben nach rechts unten erkennbar
ist, sowie die Grate 12 der ersten Halbschale sowie die
einstückig
mit der ersten Halbschale 11 und als Scheibe ausgeführte und
daher ebenso schraffierte nichtleitende Körper 14. Ferner ist
gezeigt eine zweite Halbschale 21, deren Schnittfläche hier
durch Schraffur von rechts oben nach links unten dargestellt ist,
und Graten 22 aufweist. Erste und zweite Halbschale 21, 22 umschließen den
Ringkern 23, und zwar derart, dass sie am inneren Umfang 24 und
am äußeren Umfang 25 jeweils
formschlüssig
geführt
sind.
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3 zeigt
einen Schnitt durch den Drosselkörper 10 aus 1 entlang
der Symmetrieachse B-B. Es ist zu erkennen wie in 2 die
erste Halbschale 11, deren Schnittfläche auch hier durch Schraffur
von links oben nach rechts unten dargestellt ist, sowie der einstückig mit
der ersten Halbschale 11 als Scheibe ausgeführte und
daher ebenso schraffierte nichtleitende Körper 14 und die zweite Halbschale 21,
deren Schnittfläche
hier durch Schraffur von rechts oben nach links unten dargestellt
ist. Erste und zweite Halbschale 21,22 umschließen den
Ringkern 23 derart, dass sie am inneren Umfang 24 und
am äußeren Umfang 25 jeweils formschlüssig geführt sind.
Zusätzlich
sind in 3 auch die Löcher 15.2 und 15.5 zu
erkennen, den als Scheibe ausgeführten
nichtleitenden Körper 14 durchsetzen.
An Eingang und Ausgang der Löcher weisen
diese jeweils sich von der Oberfläche des nichtleitenden Körpers 14 aus
in Erstreckungsrichtung des Loches konisch verjüngende Einführhilfen 31, 32, 33, 34 auf.
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Anhand
der 1 bis 3 wird das erfindungsgemäße Verfahren
beispielhaft erläutert.
Zunächst
wird ein Drosselkörper 10,
wie er in den 1 bis 3 dargestellt
ist, und damit der in diesem enthaltene Ringkern 23 fixiert.
Dann wird ein Drahtabschnitt entgegen der Blickrichtung der 1 durch das
Loch 15.2 geführt.
Der Einführvorgang
wird dabei durch die Einführhilfe 31 erleichtert.
Das aus dem Loch 15.2 in der Darstellung der 1 entgegen
der Blickrichtung austretende Ende des Drahtabschnitts wird dann
in einer den Ringkern umschließenden Schlaufe,
somit von der in 1 nicht sichtbaren Seite des
nichtleitenden Körpers 14 her
durch das Loch 15.1 hindurchgeführt. Das aus dem Loch 15.2 in
der Darstellung der 1 in Blickrichtung austretende Ende
des Drahtabschnitts wird in einer den Ringkern umschließenden Schlaufe,
somit von der in 1 sichtbaren Seite des nichtleitenden
Körpers 14 her, durch
das Loch 15.3 hindurchgeführt. Wird nun ein beidseitiger
Zug auf den Drahtabschnitt ausgeübt,
legen sich die Schlaufen, geführt
durch die Grate 12 und Vertiefungen 13, als Windungen
einer Wicklung um den Spulenkörper.
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Anschließend wird
ein zweiter Drahtabschnitt entgegen der Blickrichtung der 1 durch das
Loch 15.5 geführt.
Der Einführvorgang
wird dabei durch die Einführhilfe 33 erleichtert.
Das aus dem Loch 15.5 in der Darstellung der 1 entgegen
der Blickrichtung austretende Ende des Drahtabschnitts wird dann
in einer den Ringkern umschließenden Schlaufe,
somit von der in 1 nicht sichtbaren Seite des
nichtleitenden Körpers 14 her
durch das Loch 15.4 hindurchgeführt. Das aus dem Loch 15.5 in
der Darstellung der 1 in Blickrichtung austretende Ende
des Drahtabschnitts wird in einer den Ringkern umschließenden Schlaufe,
somit von der in 1 sichtbaren Seite des nichtleitenden
Körpers 14 her, durch
das Loch 15.6 hindurchgeführt. Wird nun ein beidseitiger
Zug auf den Drahtabschnitt ausgebt, legen sich die Schlaufen, geführt durch
die Grate 12 und Vertiefungen 13, als Windungen
einer Wicklung um den Spulenkörper.
Die Wicklungen mit drei Windungen können somit jeweils durch einen
einzigen Zugvorgang hergestellt werden.
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Natürlich könnte auch
ein einseitiger Zug ausgeübt
werden, der Zug könnte
bereits nach dem Legen einer einzigen Schlaufe aus geübt werden, oder
es könnte
nach dem Legen der Schlaufen für beide
Drahtabschnitte der Zug gleichzeitig oder nacheinander an diesen
Drahtabschnitten ausgeübt werden.
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4 zeigt
den umwickelten Drosselkörper 10 aus 1,
also die fertiggestellte stromkompensierte Drossel 1 in
verschiedenen Perspektive. Sichtbar sind die erste Halbschale 11 und
der einstückig dazu
ausgeführte
nichtleitende Körper 14.
Die Löcher 15.1 bis 15.6 des
nichtleitenden Körpers 14 sind in 4 nicht
mehr zu erkennen, da sie durch Draht gefüllt sind. Man erkennt weiter
die erste Wicklung 41 mit Windungen 42.1 und 42.2 sowie
die zweite Wicklung 43 mit Windungen 44.1 und 44.2.
Erste Wicklung 41 und zweite Wicklung 43 sind
exakt symmetrisch zueinander aufgebaut, dasselbe gilt dementsprechend
für die
jeweils einander entsprechenden Windungen 42.1 und 44.1 bzw. 42.2 und 44.2.
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- 1
- stromkompensierte
Drossel
- 10
- Drosselkörper
- 11
- erste
Halbschale
- 12
- Grat
- 13
- Vertiefung
- 14
- nicht
leitender Körper
- 15.1–15.6
- Löcher
- 21
- zweite
Halbschale
- 22
- Grat
- 23
- Ringkern
- 24
- innerer
Umfang
- 25
- äußerer Umfang
- 31,
32, 33, 34
- Einführhilfe
- 41
- erste
Wicklung
- 42.1,
42.2
- Windung
- 43
- zweite
Wicklung
- 44.1,
44.2
- Windung
- A-A
- Symmetrieachse
(und auch Schnittachse)
- B-B
- Schnittachse