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Die vorliegende Erfindung betrifft ein induktives Bauelement. Insbesondere betrifft die Erfindung ein passives induktives Leistungselement.
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Ein induktives Element ist dazu eingerichtet, in einem Stromkreis eine vorbestimmte elektrische Induktivität zu repräsentieren. Das Element kann beispielsweise zur kurzfristigen Zwischenspeicherung von elektrischer Energie, zur Anpassung eines komplexen Widerstands oder zur Dämpfung von Störemissionen eingesetzt sein.
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Wird das induktive Element in einem Leistungskreis eingesetzt, in welchem größere Ströme fließen, so kann am induktiven Element so viel Wärme freigesetzt werden, dass diese abgeführt werden muss. Dazu kann ein Gehäuse des Elements mittels eines Wärmeleitelements thermisch an ein Kühlelement wie einen Kühlkörper oder einen Kühlkanal einer aktiven Kühlung angebunden werden.
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Das Gehäuse kann einen gut wärmeleitfähigen Werkstoff wie Aluminium umfassen. Im Gehäuse ist eine Wicklung mit der vorbestimmten Induktivität mittels einer Vergussmasse gehalten und elektrisch vom Gehäuse isoliert. Dazu muss beim Vergießen ein vorbestimmter Abstand zwischen der Wicklung und dem Gehäuse eingehalten werden. Das Vergießen erfolgt bevorzugt im Vakuum und kann aufwändig sein. Das Abbinden oder Aushärten der Vergussmasse kann zeitaufwändig sein. Der gesamte Prozess kann daher kostenintensiv sein.
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Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht in der Angabe eines verbesserten induktiven Bauelements sowie eines verbesserten Verfahrens zur Bereitstellung eines solchen Bauelements. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein induktives Bauelement eine Wicklung mit einer vorbestimmten Induktivität; einen weichmagnetischen Wicklungskern; und ein Gehäuse mit einer Kühlfläche zur Abführung von thermischer Energie des induktiven Bauelements. Dabei ist das Gehäuse an die Wicklung angespritzt.
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Das Gehäuse kann aus einem Material gebildet sein, das mittels Guss oder Spritzguss verarbeitet werden kann. Eine Außenschale nach Art eines Bechers, wie er im Stand der Technik verwendet wird, kann entfallen. Das Gehäusematerial kann in einer Gussform aushärten und zusammen mit der Wicklung aus dieser entfernt werden. Ein Einhalten einer vorbestimmten Wandstärke des Gehäuses kann vereinfacht sein. Das verwendete Gehäusematerial kann einen geringeren Wärmewiderstand als eine übliche Vergussmasse aufweisen. Das induktive Bauelement kann schneller und kostengünstiger hergestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gehäuse ein Duromer. Das Duromer, das gelegentlich auch Duroplast genannt wird, umfasst einen Kunststoff, der nach seiner Aushärtung durch Erwärmung oder andere Maßnahmen nicht mehr plastisch verformt werden kann. Dazu enthält das Duroplast harte, amorphe, unlösliche Polymere, die über kovalente Bindungen engmaschig vernetzt werden können. Vor dem Vernetzen kann das Duroplast als Kunstharz vorliegen und als flüssige oder pastöse Masse verarbeitet werden. Das Duromer kann insbesondere mittels Spritzgießen an der Wicklung angespritzt werden.
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In einer Ausführungsform ist der Wicklungskern ringförmig. Das induktive Bauelement kann als Toroidspule ausgeführt sein, die auch Kreisringspule, Ringspule oder Ringkernspule genannt werden kann. Ein magnetischer Fluss im Bereich der Wicklung kann dabei im Wicklungskern konzentriert sein, sodass Streuverluste gering sind. Der Wicklungskern kann allgemein aus Ferrit oder einem Pulvermaterial herstellbar sein.
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In einer ersten Variante liegt der Wicklungskern im Gehäuse. Dazu kann die Wicklung zunächst in einer gewünschten Weise am Wicklungskern angebracht werden, beispielsweise indem ein elektrisch leitfähiges Draht- oder Bandmaterial vorgewickelt am Wicklungskern angeordnet wird. Die Wicklung und der Wicklungskern können gemeinsam umspritzt werden, sodass sie beide im Gehäuse liegen. Diese Bauform kann vorteilhaft kompakt sein und die Wicklung verbessert am Wicklungskern fixieren. Eine Ableitung von Wärme von der Wicklung kann durch das Material des Gehäuses erfolgen. Mehrere Wicklungen mit zugeordneten Wicklungskernen können in ein gemeinsames Gehäuse eingespritzt sein.
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In einer zweiten Variante liegt der Wicklungskern außerhalb des Gehäuses. So kann der Kern erst nach dem Umspritzen der Wicklung mit dem Gehäuse angebracht werden. Diese Bauform kann vorteilhaft sein, wenn der Wicklungskern die Wicklung möglichst weitgehend oder vollständig umschließen soll. Der Wicklungskern kann im Bereich der Kühlfläche offen sein, sodass Wärme von der Wicklung direkter abgeleitet werden kann und nicht durch ein Material des Wicklungskerns passieren muss.
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In dieser Variante kann ein Wicklungskern auf mehrere individuell in Gehäusen angebrachte Wicklungen wirken. Der außen liegende Wicklungskern kann die Gehäuse mechanisch stabilisieren und eine Montage der Anordnung vereinfachen.
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Der Wicklungskern kann zwei Teile, Elemente oder Abschnitte umfassen. Einige Teile können an den Wicklungen angebracht sein, andere Teile können aneinander angebracht sein. Bevorzugt liegen zwei Teile einander bezüglich der Wicklung gegenüber. Umläuft die Wicklung einen Stabkern, so können die Teile einander bezüglich einer Achse des Stabkerns gegenüber liegen. Umläuft die Wicklung einen Ringkern, so können die Teile an entgegengesetzten Seiten einer durch den Ring verlaufenden Achse liegen. Die Teile können beispielsweise zwei Halbschalen oder eine Halbschale und einen Deckel umfassen.
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Das induktive Bauelement umfasst weiter bevorzugt eine Drossel. Diese weist allgemein nur eine Wicklung auf dem Wicklungskern auf und kann vielfältig eingesetzt werden. Insbesondere kann die Drossel zur Unterdrückung elektrischer Störungen oder zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit einer Schaltung verwendet werden.
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Das Bauelement ist weiter bevorzugt zum Einsatz in einem elektrischen Antriebsstrang eingerichtet. Beispielsweise kann das Bauelement als passives Leistungsbauteil in einem elektrischen Zwischenkreis eingesetzt sein, etwa zwischen einem elektrischen Energiespeicher und einem elektrischen Antriebsmotor. Weiter bevorzugt kann das Bauelement an einem elektrischen Stromrichter eingesetzt sein. Es ist besonders bevorzugt, dass das Bauelement zum Einsatz an Bord eines Kraftfahrzeugs eingerichtet ist.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein erstes Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements; Schritte des Bereitstellens eines weichmagnetischen Wicklungskerns; des Anbringens einer Wicklung am Wicklungskern; und des Umspritzens des Wicklungskerns und der Wicklung, um ein Gehäuse zu bilden.
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Mithilfe des ersten Verfahrens kann ein induktives Bauelement in einer hierin beschriebenen ersten Variante bereitgestellt werden.
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Nach noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein zweites Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements Schritte des Bereitstellens einer Wicklung; des Umspritzens der Wicklung, um ein Gehäuse zu bilden; und des Anbringens eines weichmagnetischen Wicklungskerns an dem Gehäuse.
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Mithilfe des zweiten Verfahrens kann ein induktives Bauelement in einer hierin beschriebenen zweiten Variante bereitgestellt werden.
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Beide Verfahren können zur kostengünstigen Herstellung von induktiven Bauelementen eingesetzt werden. Die Verfahren können mittels einer Spritzguss-Presse zur serienmäßigen Fertigung der Bauelemente angewandt werden.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 bis 3 ein induktives Bauelement in einer ersten Variante;
- 4 ein induktives Bauelement in einer zweiten Variante;
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens;
- 6 und 7 Schnittansichten eines induktiven Bauelements in der zweiten Variante;
- 8 bis 10 Ansichten einer mit einem Gehäuse umspritzten Wicklung eines induktiven Bauelements für die zweite Variante; und
- 11 bis 13 Ansichten mehrerer Wicklungen mit individuellen Gehäusen in einem außen liegenden Wicklungskern
darstellt.
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1 zeigt ein induktives Bauelement 100 in einer ersten Variante. Das dargestellte Bauelement 100 ist als Drossel ausgeführt, die bevorzugt dazu eingerichtet ist, als passives Leistungsbauteil in einen Schaltkreis eingesetzt zu werden. Der Schaltkreis kann beispielsweise einen Stromrichter oder eine Motorsteuerung umfassen. In einer Ausführungsform ist der Schaltkreis von einem elektrischen Antriebsstrang umfasst. Der Schaltkreis kann insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden, beispielsweise eines Kraftrads, eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Omnibusses.
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Das Bauelement 100 umfasst einen elektrischen Leiter 105, der in mehreren Windungen zu einer Wicklung 110 geformt ist. Dazu kann der Leiter 105 auf einen nichtmagnetischen Träger 115 gewickelt sein. Windungen des Leiters 105 können wie dargestellt einlagig oder auch mehrlagig angeordnet sein. In der dargestellten Ausführungsform ist der elektrische Leiter 105 bandförmig; in einer Ausführungsform kann er auch einen anderen Querschnitt aufweisen, ins besondere einen runden.
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Enden des Leiters 105 können als Anschlüsse 120 aus der Wicklung 110 herausgeführt sein.
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Die Windungen des Leiters 105 umlaufen bevorzugt einen Wicklungskern 125, der einteilig oder wie dargestellt mehrteilig ausgeführt sein kann. Der Wicklungskern 125 kann beispielsweise aus Ferrit oder einem Pulvermaterial hergestellt sein. Weiter bevorzugt erstreckt sich der Wicklungskern 125 auch auf einer Außenseite der Wicklung 110.
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Die Wicklung 110 und der Wicklungskern 125 sind von einem Gehäuse 130 umschlossen, welches bevorzugt im Spritzgussverfahren an die Wicklung 110 und den Wicklungskern 125 angespritzt ist. Dabei umschließt das Gehäuse 130 die Wicklung 110 und den Wicklungskern 125 sowie den optionalen Träger 115, lässt aber die Anschlüsse 120 nach außen ragen. Am Gehäuse 130 kann eine Befestigungsgeometrie 135 ausgebildet sein, um das induktive Bauelement 100 mechanisch zu befestigen.
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Außerdem ist am Gehäuse 130 eine Kühlfläche 140 ausgebildet, an der Wärme des induktiven Bauelements an ein anliegendes Element abgegeben werden kann. Dafür ist das Gehäuse 130 bevorzugt aus einem wärmeleitfähigen Material ausgebildet. Dieses Element kann beispielsweise einen Kühlkörper oder einem Kühlkanal für ein Kühlfluid umfassen. Die Kühlfläche 140 kann mittels eines Wärmeleitelements 145 thermisch an das Kühlelement angebunden werden. Das Wärmeleitelement 145 kann beispielsweise ein Wärmeleitpad, eine Wärmeleitpaste, oder einen Wärmeleitklebstoff umfassen. Die in der Wicklung 110 entstehende Wärme wird dementsprechend über das wärmeleitfähige Gehäuse 130 und über das Wärmeleitelement 145 abgeleitet.
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2 zeigt, mehrere miteinander integrierte induktive Bauelemente 100 nach der Art von 1. Dazu sind beispielhaft drei Wicklungen 110 mit einem gemeinsamen, mehrteiligen Wicklungskern 125 versehen. Um die Anordnung von 2 um ein Gehäuse 130 zu ergänzen, kann die Anordnung in eine Spritzgussform eingelegt und mit dem Gehäuse 130 umspritzt werden. Zum Umspritzen wird bevorzugt ein Kunststoff verwendet, um insbesondere ein Duromer, welches nach dem Aushärten nicht mehr verformt werden kann. Vorzugsweise kann der Kunststoff als wärmeleitfähiger Kunststoff ausgebildet sein.
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3 zeigt die Anordnung von 2 zusammen mit dem umspritzten Gehäuse 130. Nach oben ragen Anschlüsse 120 der Wicklungen 110 aus dem Gehäuse 130 heraus und seitlich stehen Befestigungsgeometrien 135 ab.
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4 zeigt ein induktives Bauelement 100 in einer zweiten Variante. Auch hier sind beispielhaft mehrere Wicklungen 110 mit einem gemeinsamen mehrteiligen Wicklungskern 125 kombiniert. Im Unterschied zur ersten Variante hüllt hier ein Gehäuse 130 nur eine Wicklung 110 ein und der Wicklungskern 125 liegt außerhalb des Gehäuses 130.
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Ähnlich wie in den Ausführungsformen der 1 bis 3 sind die Wicklungen 110 beispielhaft als Zylinderwicklungen ausgeführt, wobei die Elemente des Wicklungskerns 125 bezüglich einer Zylinderachse aus einander gegenüberliegenden axialen Richtungen angebracht werden können. Der Wicklungskern 125 ist bevorzugt derart geformt, dass er eine Wicklung 110 innen möglichst ausfüllt und außen möglichst umhüllt. Anschlüsse 120 der Wicklung 110 können aus dem Gehäuse 130 hervorstehen. Elemente des Wicklungskerns 125 können beispielsweise mittels Verkleben aneinander oder an dem Gehäuse 130 fixiert sein.
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In der dargestellten Ausführungsform ist ein Halter 150 vorgesehen, um das induktive Element 100 zusammen zu halten und/oder an einem externen Gegenstand anbringen zu können. In der vorliegenden Ausführungsform weist der Halter 150 Aussparungen zum Durchtritt von Anschlüssen 120 der Wicklungen 110 auf. Eine Kühlfläche 140 eines Gehäuses 130 um eine Wicklung 110 liegt den Anschlüssen 120 bevorzugt gegenüber.
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Am Halter 150 können eine oder mehrere Befestigungsgeometrien 135 ausgebildet sein, die dazu verwendet werden können, eine Kühlfläche 140 eines Gehäuses 130 an ein anderes Element zu pressen. Es ist zu beachten, dass in der dargestellten Darstellungsform ein Abschnitt des Gehäuses 130 mit der Kühlfläche 140 aus dem Wicklungskern 125 ragt und dass die Kühlfläche 140 hier nicht eben ist, sondern der runden Form des Gehäuses 130 folgt.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zur Herstellung eines induktiven Elements 100. Das Verfahren 500 kann in einer ersten und einer zweiten Variante ausgeführt werden, um ein induktives Element 100 einer hierin beschriebenen ersten Variante oder einer hierin beschriebenen zweiten Variante bereit zu stellen.
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In der ersten Variante beginnt das Verfahren 500 mit einem Schritt 505, in welchem ein Wicklungskern 125 bereitgestellt wird. Der Wicklungskern 125 kann einteilig oder zweiteilig ausgeführt sein. In einem Schritt 510 kann eine Wicklung 110 am Wicklungskern 125 angebracht werden. Die Wicklung 110 wird bevorzugt vorher separat gewickelt und dann auf den bzw. den jeweiligen Wicklungskern 125 aufgezogen. Dann wird der Wicklungskern 125, der bevorzugt zweiteilig ausgebildet ist, verklebt. D.h. in diesem Fall, dass seine Teile zusammengeklebt werden. Auch eine außen an mehreren Wicklungskernen 125 angeordnete Platte 155, insbesondere eine Ferritplatte, kann mit diesen verklebt werden.
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In einem Schritt 515 können der Wicklungskern 125 oder die Wicklung 110 sowie optional der Träger 115 umspritzt werden, so dass sich ein Gehäuse 130 ergibt. Dazu kann die Anordnung aus Wicklungskern 125 und Wicklung in eine Gussform eingelegt und fixiert werden. Abstände zwischen der Anordnung und der Gussform können dabei in allen Richtungen vorbestimmt sein. Dann kann eine flüssige oder pastöse Masse in den Zwischenraum eingespritzt werden, sodass sich die Masse um die Anordnung legt. Nach dem Abbinden oder Aushärten bildet die Masse das Gehäuse 130.
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Das Gehäuse 130 weist eine Kühlfläche 140 auf, die dazu eingerichtet ist, an einem Kühlelement anzuliegen. In einem Schritt 520 kann an der Kühlfläche 140 ein Wärmeleitelement 145 angebracht werden. Anschließend kann das Gehäuse 130 in einem Schritt 525 an einem Kühlelement angebracht werden.
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In der zweiten Variante beginnt das Verfahren 500 mit einem Schritt 530, in welchem eine Wicklung 110 bereitgestellt wird, die selbsttragend oder auf einem Träger 115 angeordnet sein kann. In einem Schritt 535 kann die Wicklung 110 mit einem Gehäuse 130 umspritzt werden. Dazu kann die Wicklung 110 in eine Form eingelegt und mit einer flüssigen oder pastösen Masse umspritzt werden. Ist die Masse ausreichend ausgehärtet, so kann die Form geöffnet und die mit einem Gehäuse 130 umspritzte Wicklung 110 entnommen werden. In einem Schritt 540 kann das Gehäuse 130 mit einem Wicklungskern 125 versehen werden, der außerhalb des Gehäuses liegt. Auch hier kann der Wicklungskern 125 einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Anschließend kann das Verfahren 500 mit den Schritten 520, 525 fortfahren.
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6 und 7 zeigen Schnittansichten durch ein induktives Bauelement 100 einer zweiten Variante. 6 zeigt bezüglich einer Wicklungsachse der Wicklung 110 einen Längsschnitt und 7 einen Querschnitt. Der Wicklungskern 125 ist beispielhaft vierteilig aufgebaut (vgl. 4). An der Kühlfläche 140 ist ein Wärmeleitelement 145 angebracht, welches an einem Kühlelement 605 anliegt. Mittels der Befestigungsgeometrien 135 des Halters 150 ist eine mechanische Befestigung des induktiven Elements 100 an einem Kühlelement 605 möglich.
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8, 9 und 10 zeigen verschiedene Ansichten einer mit einem Gehäuse 130 umspritzten Wicklung 110 nach Art einer hierin beschriebenen zweiten Variante. Der außenliegende Wicklungskern 125 des induktiven Bauelements 100 ist hier noch nicht angebracht.
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11, 12 und 13 zeigen unterschiedliche Ansichten jeweils mehrerer Wicklungen 110 mit individuellen Gehäusen 130 und einem außenliegenden 125 nach Art einer hierin beschriebenen zweiten Variante eines induktiven Element 100.
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In 11 ist der Wicklungskern125 mehrteilig ausgeführt. Dabei sind jeweils zwei Elemente einer Wicklung 110 individuell zugeordnet. Zwei weitere Elemente des Wicklungskerns 125 erstrecken sich über alle drei dargestellten Wicklungen 110. Zur Erläuterung des Aufbaus sind ein zugeordnetes und ein übergreifendes Element des Wicklungskerns 125 entfernt.
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In 12 ist die Anordnung von 11 mit sämtlichen Elementen des Wicklungskerns 125 sowie dem Halter 150 dargestellt.
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13 zeigt eine andere Perspektive auf das induktive Element 100 von 12.
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Bezugszeichen
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- 100
- Induktives Bauelement
- 105
- Leiter
- 110
- Wicklung
- 115
- Träger
- 120
- Anschluss
- 125
- Wicklungskern
- 130
- Gehäuse
- 135
- Befestigungsgeometrie
- 140
- Kühlfläche
- 145
- Wärmeleitelement
- 150
- Halter
- 155
- Platte
- 500
- Verfahren
- 505
- Wicklungskern bereitstellen
- 510
- Wicklung an Wicklungskern anbringen
- 515
- Wicklungskern und Wicklung umspritzen
- 520
- Gehäuse mit Wärmeleitelement versehen
- 525
- Gehäuse an Kühlelement montieren
- 530
- Wicklung bereitstellen
- 535
- Wicklung umspritzen
- 540
- Wicklungskern anbringen
- 605
- Kühlelement
