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Die
Erfindung betrifft eine Magnetisierspule und ein Verfahren zur Herstellung
einer Magnetisierspule, insbesondere für die Magnetisierung von Ringmagneten
zur Verwendung in Rotoren elektrischer Maschinen.
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Für die Magnetisierung
von Ringmagneten für
elektrische Maschinen sind Magnetisierspulen bekannt, die auf einen
ferromagnetischen Kern oder Stahlkern aufgebracht sind. Solche Ma gnetisierspulen
sind häufig ähnlich wie
eine Statorspule auf einen Spulenkörper aufgebracht, der nach
Art eines Statorkörpers
eines Außenläufermotors
mit Nuten und Polen ausgebildet ist. Einzelne dicke Magnetisierdrähte der
Magnetisierspule sind in die Nuten eingelegt. Ein Beispiel für eine solche
Magnetisierspule ist in der
US
6,232,862 B1 gezeigt. Einen ähnlichen Aufbau für die Magnetisierung
von Rotormagneten zeigt auch die
US 6,519,833 B2 , wobei darin jeweils mehrere Wicklungen
der Magnetisierspule in die einzelnen Nuten eingebracht sind. Ein
weiteres Beispiel mit einem etwas anderen Aufbau des Spulenkörpers ist
in der
US 4,748,535 gezeigt.
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Bei
der Verwendung von Magnetisierspulen, die auf einen magnetischen
Kern aufgebracht oder in diesen eingebettet sind, ergibt sich das
Problem, daß die
Polgrenzen der damit magnetisierten Ringmagneten sehr stark ausgeprägt sind,
so daß die
Verwendung solcher Ringmagneten als Rotormagneten einer elektrischen
Maschine im Betrieb ein starkes Rastmoment erzeugt.
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Im
Stand der Technik ist es auch bekannt, eisenlose Magnetisierspulen
aufzubauen, also Magnetisierspulen, die auf einen Träger aufgebracht
oder in diesen eingebettet sind, der nicht magnetisch ist. Solche
Spulen werden im Stand der Technik auch als Luftspulen oder eisenlose
Spulen bezeichnet. Solche eisenlose Magnetisierspulen prägen dem
Ringmagneten eine Magnetisierung mit weniger stark ausgeprägten Polgrenzen
auf, so daß der Übergang
von einem Pol zu seinem Nachbarpol allmählich erfolgt. Dadurch kann
ein ausgeprägtes
Rastmoment im Betrieb der elektrischen Maschine vermieden werden.
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Die
Verwendung von eisenlosen Magnetisierspulen ermöglicht es, für den Aufbau
der Magnetisierspulen anstelle eines Eisen- oder Stahlkerns einen
Kunststoffkörper
zu verwenden. Bei der Verwendung von Kunststoffkörpern für Magnetisierspulen besteht
jedoch das Problem, daß der
Trägerkörper in der
Regel nicht ausreichend stabil ist, um den bei der Magnetisierung
erzeugten, auf die Magnetisierdrähte wirkenden
Kräfte
Stand zu halten und die Lagegenauigkeit der Magnetisierdrähte zu gewährleisten.
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Zur
Magnetisierung eines Ringmagneten für den Rotor einer elektrischen
Maschine wird in einem typischen Anwendungsfall an die Magnetisierspule eine
Spannung in der Größenordnung
von beispielsweise 1 kV angelegt, wobei ein Strom in der Größenordnung
von 10 kA und größer fließen kann.
Dadurch wirken auf die Magnetisierdrähte sehr starke Kräfte, in
der Größenordnung
von einigen kN, welche die Magnetisierdrähte radial nach außen drücken und strecken.
Wenn die Magnetisierspule auf einen Stahlkern aufgebracht ist, kann
dieser Stahlkern den genannten Kräften entgegenwirken. Wird sie
jedoch mit einem Trägerkörper aus
Kunststoff aufgebaut, so verformt sich der Kunststoffkörper schon
nach sehr wenigen Magnetisierimpulsen (z. B. 10 "Schüsse") derart, daß die Lagegenauigkeit
der Magnetisierdrähte
und somit eine reproduzierbare Magnetisierung der Ringmagnete nicht
mehr gewährleistet
ist. Dies geht bis zur vollständigen
Zerstörung
der Magnetisierspule nach nur wenigen Magnetisierimpulsen, beispielsweise
nach 20 bis 50 "Schüssen".
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Magnetisierspule
und ein Verfahren zur Herstellung einer Magnetisierspule anzugeben,
welche die oben beschriebenen Nachteile vermeidet. Insbesondere
soll eine eisenlose Magnetisierspule hergestellt werden, die auch
bei vielfacher Verwendung die Lagegenauigkeit der Windungen der
Magnetisierdrähte
gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch
1 sowie durch eine Magnetisierspule gemäß Anspruch 13 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine
Magnetisierspule, insbesondere eine Magnetisierspule für die Magnetisierung
von Ringmagneten zur Verwendung in Rotoren elektrischer Maschinen
hergestellt, indem wenigstens eine Armierung in Form eines Zylindermantels
bereitgestellt wird und an dem Innenumfang der Armierung Drähte angeordnet
werden, die sich in axialer Richtung erstrecken. Diese Drähte werden vorzugsweise
auf demselben Radius und in tangentialer Richtung mit gleichen Winkelabständen angeordnet.
Die Anordnung aus der Armierung und den Drähten wird vergossen, z. B.
mit einem Epoxidharz, um einen Spulenkörper der Magnetisierspule zu
bilden. Die in diesen Spulenkörper
eingebetteten Drähte
können
unmittelbar als Magnetisierdrähte
der Magnetisierspule verwendet werden, oder sie werden nach Art
von Stiften eingesetzt, die während
des Gießvorgangs
Drahtdurchführungen
in dem Spulenkörper
freihalten und nach dem Vergießen
aus dem Spulenkörper
gezogen und durch die eigentlichen Magnetisierdrähte ersetzt werden.
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In
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung sind mehrere zylinderförmige Armierungen koaxial zueinander
angeordnet, und die Drähte
werden zwischen die Armierungen derart eingelegt, daß jeweils
zwischen zwei benachbarte Armierungen in radialer Richtung genau
eine Lage der Drähte
einlegt wird und die Drähte
der einzelnen Lagen in tangentialer Richtung gleiche Winkelabstände haben.
In radialer Richtung sollten jeweils die einzelnen Drähte der Drahtlagen
miteinander fluchten.
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Die
Armierung erzielt trotz Verwendung eines Kunststoffes, wie eines
Epoxidharzes, für
den Spulenkörper
einen äußerst stabilen
Aufbau der Magnetisierspule, wobei sich die Lagegenauigkeit der Magnetisierdrähte innerhalb
des Spulenkörpers
auch bei wiederholtem Einsatz der Magnetisierspule und entsprechender
Belastung nicht verändert.
Erste Versuche haben gezeigt, daß mit der erfindungsgemäßen Magnetisierspule
bis zu 250.000 und mehr Magnetisierungsimpulse ohne Beeinträchtigung
der Lagegenauigkeit der Magnetisierdrähte erzeugt werden können. Die
Stabilität
des Spulenkörpers
wird dabei maßgeblich
durch die Festigkeit der Armierung bestimmt.
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In
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung entspricht die Anzahl der armierten Zylindermäntel der
Anzahl der Drahtlagen in radialer Richtung. D. h, daß jede Drahtlage
in radialer Richtung von einer zugeordneten Armierung in Position
gehalten wird, wenn während
der Magnetisierimpulse entsprechende Kräfte die Magnetisierdrähte nach
radial außen
drücken
bzw. strecken. Diesen Kräften
wirkt die Armierung entgegen und hält die Magnetisierdrähte in ihrer
ursprünglichen
Position.
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In
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung werden zur Herstellung des Spulenkörpers zunächst Drähte oder Stifte eingesetzt,
die nach dem Vergießen
der Anordnung entfernt werden, um Drahtdurchführungen freizugeben, in welche
die Magnetisierdrähte
eingezogen werden. Die Magnetisierdrähte der Magnetisierspule werden
anschließend
an wenigstens einem Stirnende der Anordnung beispielsweise über Steckkontakte
verbunden.
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In
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist die Armierung aus einer zugfesten Faser hergestellt,
wie eine Aramidfaser, d. h. eine organische Kunstfaser aus aromatischen
Polyamiden, die im Handel z. B. unter der Markenbezeichnung KevlarTM bekannt ist, oder aus einer hochfesten
Polyethylen-Faser, die unter der Bezeichnung Dyneema bekannt ist.
Dyneema ist eine Polyethylen-Faser, die bei gleichem Gewicht bis
zu 15 mal zugfester ist als Stahl (2500 bis 3000 N/mm2)
und 40% fester ist als Aramid. Verwendet wird Dyneema im Stand der Technik
unter anderem zur Herstellung von Angelschnüren und als sonstiges Leinenmaterial
im Wassersport. Beide Materialien werden ferner für kugelsichere
Schutzwesten, Motorradhelme, Schutzanzüge, Panzerung für Fahrzeuge
und ähnliches
verwendet.
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Der
Zylindermantel der Armierung kann aus einem Gewebe dieser Materialien
bestehen, oder er kann aus der Faser gewickelt werden, indem direkt aneinanderliegende
Lagen der Faser auf einen Zylinder aufgewickelt und verklebt werden.
Die Faser hat vorzugsweise einen Durchmesser in einem Bereich von
0,04 bis 0,2 mm, in zwei von dem Erfinder untersuchten Ausführungen
betrugen die Faserdurchmesser 0,06 und 0,15 mm. Da die Dicke der
Armierung den Abstand der Magnetisierdrähte in radialer Richtung bestimmt,
sollte eine möglichst
dünne,
gleichwohl zugfeste Faser gewählt
werden.
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In
der bevorzugten Ausführung
wird die Anordnung aus den Armierungen und den Magnetisierdrähten mit
einer Vergußmasse
vergossen, die Epoxide oder Polyurethane enthält. Dabei wird das Gußwerkzeug
vorzugsweise im Vakuum gefüllt
und unter Druck ausgehärtet,
um Lufteinschlüsse
sicher zu vermeiden. Die Vergußmasse
kann auch ein Keramikpulver, z. B.
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Aluminiumoxid,
enthalten, um die Festigkeit des Spulenkörpers noch weiter zu erhöhen. Abhängig von
den Abmessungen der Magnetisierspule und insbesondere der Dicke
der Armierung und somit den Abständen
der einzelnen Magnetisierdrähte
kann es jedoch zweckmäßig sein,
auf die Keramikkomponente zu verzichten, weil sie die Fließfähigkeit
des Vergußmaterials
verringert.
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In
einer weiteren Ausführung
der Erfindung kann der Spulenkörper
aus der Vergußmasse
mit einer Hülse
aus Edelstahl ummantelt werden, und/oder es kann ein Stahlkern im
Inneren des Spulenkörpers angeordnet
werden. Der Zweck der Edelstahlhülse ist
es, mechanischen Abrieb an der Außenwand des Spulenkörpers beim
Aufschieben von Ringmagneten, die magnetisiert werden sollen, zu
verringern bzw. vollständig
zu vermeiden. Für
die Stabilität
und Formhaltigkeit des Spulenkörpers
ist die Edelstahlhülse
nicht notwendig. Sie sollte möglichst
dünnwandig
sein, z. B. mit einer Wandstärke
ab etwa 0,1 mm. Der Stahlkern kann für die Kühlung der Magnetisierspule
eingesetzt werden und ein Thermoelement enthalten. Sowohl die Edelstahlhülse als
auch der Stahlkern im Inneren des Spulenkörpers sind nicht magnetisch.
Hülse und
Kern können
auch aus anderen, unmagnetischen Materialien hergestellt sein.
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Die
Erfindung ist im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführung mit
Bezug auf die Figuren näher
erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1 eine
isometrische Darstellung einer Magnetisierspule gemäß der Erfindung;
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2 eine
Schnittdarstellung durch die Magnetisierspule der 1 entlang
der Linie A-A;
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3 eine
auseinandergezogene Darstellung der Magnetisierspule der 1;
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4 eine
isometrische Darstellung des Spulenkörpers der erfindungsgemäßen Magnetisierspule;
und
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5a und 5b eine
Schnittdarstellung sowie eine Draufsicht auf den Spulenkörper der 4.
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Eine
Ausführung
der Magnetisierspule gemäß der Erfindung
ist im folgenden mit Bezug auf die 1, 2 und 3 beschrieben.
In den Figuren werden entsprechende Komponenten mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet.
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Der
Kern der erfindungsgemäßen Magnetisierspule
ist ein Spulenkörper 10,
der aus einer oder mehreren Lagen aus Magnetisierdrähten 12 und
Armierungen 14 aufgebaut und mittels eines Epoxidharzes
oder anderen Verbundmaterials 16 zu einem Spulenkörper 10 vergossen
ist. In der gezeigten Ausführung
sind drei Armierungen 14, welche jeweils die Form eines
Zylindermantels haben, vorgesehen, wobei jeweils eine Lage aus Magnetisierdrähten 12 an dem
Innenumfang einer zugeordneten Armierung 14 anliegt. Die
Magnetisierdrähte
jeweils zwischen zwei Armierungen sind einlagig und mit gleichem
Winkelabstand angeordnet, so daß jeweils
drei Magnetisierdrähte
in radialer Richtung fluchten. In alternativen Ausgestaltungen könnte nur
eine Lage der Magnetisierdrähte 12,
zwei oder auch mehr als drei Lagen vorgesehen sein.
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Die
Magnetisierdrähte 12 sind
an einem Stirnende der Magnetisierspule in einer Abdeckkappe 18 in
ihrer Lage fixiert, und an dem gegenüberliegenden Stirnende sind
die Magnetisierdrähte 12 über Steckverbinder 20 (3)
derart miteinandergekoppelt, daß sich
ein gewünschtes
Wickelschema und damit ein bestimmter Stromfluß der Magnetisierspule ergibt.
Der Spulenkörper 10 ist
in einer Edelstahlhülse 22 aufgenommen,
die das Verbundmaterial 16 gegen mechanischen Abrieb schützt. In
das Innere des Spulenkörpers 10 ist
ein Stahlkern 24 in Form eines Hohlzylinders eingefügt, in dessen
Inneren sich ein Kühlrohr 26 mit
einem Thermoelement 28 befindet.
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Ein
aus zwei Teilen bestehendes Gehäuse 30 ist
vorzugsweise ebenfalls aus einem Verbundmaterial, wie Epoxide oder
Polyurethane, hergestellt und dient zur mechanischen Fixierung des
Spulenkörpers 10 sowie
zur elektrischen Verbindung der Magnetisierdrähte 12 mit einem Leitungsstecker 34. Der
Spulenkörper 10 ist
in dem Gehäuse 30 innerhalb
der Vergußmasse 32 aus
Epoxid oder Polyurethan 32 untergebracht. Ein Abstandshalter 36 ist
zwischen Magnet und Gehäuse 30 eingefügt, um einen gewünschten
Luftspalt einzustellen. Dadurch kann in dem Magneten ein besseres
Magnetisierprofil erzeugt werden. Ein elektrischer Anschlußbolzen
ist bei 38 dargestellt.
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Der
Spulenkörper 10 ist
in den 4, 5a und 5b nochmals
in größerem Maßstab dargestellt,
wobei die Magnetisierdrähte 12 weggelassen sind. 5a zeigt
die Drahtdurchführungen 40 in dem
Spulenkörper 10 lediglich
schematisch.
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Der
Spulenkörper 10 der
erfindungsgemäßen Magnetisierspule
wird wie folgt hergestellt. Zunächst
werden die Armierungen 14 bereitgestellt, wobei wenigstens
eine Armierung vorgesehen wird; die Anzahl der Armierungen entspricht
vorzugsweise der Anzahl der Magnetisierdrahtlagen in radialer Richtung,
welche die Magnetisierspule haben soll. Die Armierungen 14 sind
in der bevorzugten Ausführung aus
einem Gewebe oder einer Wicklung aus einer Polyamidfaser oder einer
Polyethylen-Faser hergestellt, vorzugsweise aus einer Dyneema-Faser.
In der bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird eine Dyneema-Faser mit einem Durchmesser zwischen
0,04 und 0,2 mm, insbesondere zwischen 0,06 und 0,15 mm verwendet.
In einer von dem Erfindung erprobten Ausführung wurde eine Dyneema-Faser
mit einem Durchmesser von 0,06 mm und einer Belastbarkeit von 10,6
kg gewählt.
Die Faser wird mit direkt aneinanderliegenden Lagen auf einen Zylinder
aufgewickelt und verklebt, so daß ein entsprechender Zylindermantel
entsteht. In der beschriebenen Ausführung werden drei solche Armierungen
mit zunehmend kleinerem Durchmesser bereitgestellt.
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Anschließend werden
die Magnetisierdrähte oder
entsprechende Drähte
oder Stifte zum Freihalten von Drahtführungen so angeordnet, daß jeweils eine
Lage der Drähte
an dem Innenumfang einer zugehörigen
Armierung zu liegen kommt. Die Drähte der einzelnen Drahtlagen
haben jeweils gleiche Winkelabstände,
so daß die
Drähte
zwischen den einzelnen Drahtlagen fluchten, wie am besten aus 5b erkennbar
ist.
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Die
Anordnung aus den Armierungen 14 und den Drähten 12 oder
Stiften wird in einem Werkzeug gehalten und in ihrer Position fixiert
und mit einer Vergußmasse 32,
beispielsweise Epoxide oder Polyurethane, vergossen. Der Vergußmasse 32 kann
optional ein Keramikpulver, beispielsweise Aluminiumoxid, beigemischt
sein. Die Wahl der Vergußmasse 32 ergibt
sich aus den Abmessungen des Spulenkörpers. Wird beispielsweise
eine Dyneema- oder Aramid-Faser mit einem Durchmesser von 0,06 mm
oder 0,15 mm für
die Herstellung der Armierungen 14 gewählt, so wird auch der radiale
Abstand zwischen benachbarten Magnetisierdrähte 12 bzw. ihren
Platzhaltern lediglich 0,06 oder 0,15 mm betragen, so daß bei diesen
Größenverhältnissen
vorzugsweise auf die Verwendung eines Keramikpulvers verzichtet wird,
weil dadurch die Fließfähigkeit
der Vergußmasse 32 zu
stark beeinträchtigt
würde.
In der bevorzugten Ausführung
wird das Gußwerkzeug
unter Vakuum gefüllt
und unter Druck ausgehärtet,
um sicherzustellen, daß die
Vergußmasse 32 den
Spulenkörper vollständig und
blasenfrei füllt.
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In
der bevorzugten Ausführung
werden die Magnetisierdrähte 12 nicht
unmittelbar in den Spulenkörper 10 eingeformt,
sondern an ihrer Stelle werden Drähte oder Stifte zum Freihalten
von Drahtdurchführungen 40 in
das Gußwerkzeug
eingelegt und nach dem Gießen
und Aushärten
des Spulenkörpers 10 aus
dem Spulenkörper 10 herausgezogen. Dadurch
werden Drahtdurchführungen 40 gebildet,
in welche die Magnetisierdrähte 12 eingezogen
werden können.
Die Magnetisierdrähte 12 werden
an einem Stirnende der Spulenanordnung 10 vorzugsweise
jeweils paarweise verbunden, wie in 3 gezeigt,
wobei abhängig
von dem gewünschten
Wickelschema und Stromfluß verschiedene
Kopplungen vorgesehen werden können.
An dem gegenüberliegenden Stirnende
werden die Magnetisierdrähte 10,
wiederum abhängig
von dem gewünschten
Wickelschema, über
die Steckverbinder 20 verbunden und verlötet.
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Im
Betrieb der Magnetisierspule wird ein Magnetring über den
Spulenkörper 10,
bzw. über
die Stahlhülse 22 auf
den Abstandshalter 36, geschoben, wie man am besten mit
Bezug auf 1 verstehen wird. Der Spulenkörper 10 ist
durch die Edelstahlhülse 22 gegen
mechani schen Abrieb geschützt,
der beim Aufschieben des Magnetrings (in den Figuren nicht gezeigt)
entstehen könnte.
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In
das Innere des Spulenkörpers 10 wird
der Stahlkern 24 eingefügt,
der das Kühlrohr 26 und
das Thermoelement 28 enthält, um die Magnetisierspule im
Betrieb zu kühlen
und bei Erreichen einer kritischen Temperatur gegebenenfalls abschalten
zu können.
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Versuche
mit einer Magnetisierspule, die erfindungsgemäß aufgebaut war, haben ergeben,
daß damit
250.000 und mehr Magnetringe magnetisiert werden können, ohne
daß sich
irgendeine nachweisbare Änderung
der Lagegenauigkeit der Magnetisierdrähte ergibt. Dies ist möglich, obwohl
der Spulenkörper
mit einem Kunststoffkern aufgebaut ist, der sich ohne die Armierungen
schon nach wenigen Magnetisierungsimpulsen, beispielsweise 10 Magnetisierungsimpulse,
verformen würde.
Diese Formhaltigkeit ergäbe
sich auch ohne die Verwendung der Edelstahlhülse, die jedoch als Schutz
gegen Abrieb vorzugsweise gleichwohl vorgesehen wird.
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Die
Erfindung schafft somit eine Magnetisierspule und ein Verfahren
zur Herstellung einer Magnetisierspule, die auf der Grundlage eines
leichten Spulenkörpers
aus Kunststoff aufgebaut ist und gleichwohl eine hervorragende Formhaltigkeit
und Lagegenauigkeit der Magnetisierdrähte aufweist. Damit kann eine
eisenlose Magnetisierspule aufgebaut werden, die in ihrer mechanischen
Stabilität
und Lagegenauigkeit mit einer Magnetisierspule mit Eisenkern vergleichbar
ist, jedoch Rotormagnete mit deutlich geringerem Rastmoment erzeugen
kann. Auch das Verfahren zu ihrer Herstellung und die verwendeten
Materialien sind wirtschaftlicher als die der bekannten Magnetisierspulen.
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Die
in den vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten
Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination
für die
Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen
von Bedeutung.
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- 10
- Spulenkörper
- 12
- Magnetisierdrähte
- 14
- Armierungen
- 16
- Verbundmaterial
- 18
- Abdeckkappe
- 20
- Steckverbinder
- 22
- Edelstahlhülse
- 24
- Stahlkern
- 26
- Kühlrohr
- 28
- Thermoelement
- 30
- Gehäuse
- 32
- Vergußmasse
- 34
- Leitungsstecker
- 36
- Abstandshalter
- 38
- elektrischer
Anschlußbolzen
- 40
- Drahtdurchführungen