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Spule und Verfahren zu ihrer Herstellung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spule gemäss dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Aus der US-PS 3 320 567, Fig. 1, ist bereits eine axial vorgespannte
Spulenanordnung für Transformatoren und Drosseln bekannt, bei welcher für die Uebertragung
der axialen Vorspannkräfte von der einen zur anderen Stirnseite der Spulenanordnung
aus Isolierbändern gewickelte elastische Schlaufen verwendet werden. Diese Schlaufen
weisen an jedem Ende eine, der Befestigung dienende elastische Oese auf. Diese Oesen
werden zusammengedrückt und jeweils so durch eine Bohrung in einem stirnseitigen
Halteflansch der Spulenanordnung hindurchgeschoben, dass auf der der Spulenanordnung
abgewendeten Seite des Halteflansches ein Befestigungsbolzen durch die Oese gesteckt
werden kann. Ueber in Gewindebohrungen des einen Halteflansches angebrachte Druckschrauben,
die über Druckzwischenlagen auf die Stirnseite der Spulen-
anordnung
einwirken, wird dieselbe mit Druck beaufschlagt.
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Die daraus resultierenden Reaktionskräfte werden direkt auf die zwischen
Bohrungskante und Befestigungsbolzen eingequetschten Schlaufen übertragen.
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Diese Schlaufen werden demnach stellenweise auf Scherung beansprucht,
was sich nachteilig auswirkt, da auf diese Art örtliche Ueberbelastungen und infolgedessen
mechanis-che Beschädigungen der Schlaufen auftreten können. Die Vorspannkraft, welche
auf die Spulenanordnung wirkt, kann nur indirekt über das für das Drehen der Druckschrauben
angewendete Drehmoment bestimmt werden. Dieses Verfahren birgt Unsicherheiten, so
dass entsprechende Sicherheitsfaktoren berücksichtigt werden müssen, welche zu einem
aufwendigeren Bau der Spulenanordnung führen.
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Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in
den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe eine Spule zu schaffen, bei
welcher die Aufrechterhaltung einer genau definierten axialen Vorspannung mit einfachen
Mitteln möglich ist, und die in einem kostengünstigen Verfahren hergestellt werden
kann.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin
zu sehen, dass mit relativ wenigen Gleichteilen eine grosse Variantenvielfalt von
Spulen herstellbar ist. Die verschiedenen Halterungsvarianten für die Schlaufen
können miteinander so kombiniert werden, dass für den jeweiligen Anwendungsfall
optimale Vorspannungsverhältnisse erzielt werden. Ferner lassen sich die Abmessungen
der Schlaufen und ihrer Halterungen vergleichsweise klein halten, so dass die Strömung
des Kühlmediums durch die Wicklung kaum beeinträchtigt und damit eine wirkungsvolle
Kühlung sichergestellt ist.
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Zudem ist es möglich, Spulen der unterschiedlichsten Wicklungsformen
herzustellen und so stets die für die jeweiligen Anforderungen günstigste Bauform
zu wählen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg
darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 im linken Teil einen
Schnitt durch eine erste Ausführungsform und im rechten Teil einen Schnitt durch
eine zweite Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt durch eine in Fig.
1 nur vereinfacht dargestellte erste Schlaufenhalterung, Fig. 3 einen Schnitt durch
eine zweite Ausführungsform der Schlaufenhalterung, Fig. 4 im linken Teil einen
Schnitt durch eine dritte Ausführungsform und im rechten Teil durch eine vierte
Ausführungsform der Erfindung, Fig. 5 einen Schnitt durch eine fünfte Ausführungsform
der Erfindung, Fig. 6 eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform der erfindungsgemässen
Spule, Fig. 7 eine Draufsicht auf ein Spulensegment einer siebten Ausführungsform
der Erfindung, Fig. 8 die Seitenansicht eines elektrischen Anschlusses der erfindungsgemässen
Spule im Schnitt, und Fig. 9 die Draufsicht auf den elektrischen Anschluss gemäss
Fig. 8.
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Bei allen Figuren sind gleich wirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In Figur 1 sind zwei Varianten einer erfindungsgemässen Spule dargestellt.
Diese Spule weist axial ausgebildete Wicklungen 1 auf, die mit Hilfe einer Vorspannvorrichtung
axial vorgespannt sind. Die Vorspannvorrichtung besteht aus auf den Stirnflächen
der Wicklungen 1 aufliegenden Halterungen und Schlaufen 2, welche diese einander
gegenüberliegenden Halterungen gegeneinander verspannen.
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Jede der Halterungen setzt sich aus einem Tragstern 3 mit Armen 4
und an den Armen 4 in axial erstreckten Langlöchern 5 befestigten Schlaufenhalterungen
6a ... 6d, 6a' ... 6d' zusammen. Die nicht detailliert dargestellten Schlaufenhalterungen
6a ... 6d, 6a' ... 6d' weisen halbkreisförmige Auflagen auf, auf welche die Schlaufen
2 aufgeschoben sind. Die Schlaufen 2 sind aus mit aushärtbarem Kunstharz getränkten,
elastischen Isolierbändern mehrlagig gewickelt und sind in definitiver Form ausgehärtet
und passen formschlüssig auf die halbkreisförmigen Auflagen der Schlaufenhalterungen
6a ... 6d, 6a' ... 6d'.
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Figur 2 zeigt eine der Schlaufenhalterungen 6a ... 6d, 6a' ... 6d'
im Schnitt. Die Schlaufen 2 werden in der Regel paarweise von der jeweiligen Schlaufenhalterung
6a ... 6d, 6a' ... 6d' gehalten. Die Schlaufen 2 liegen jeweils in einer Rille auf
einem Bandhalter 7 auf. Der Bandhalter 7 bildet zusammen mit dem Arm 4 des Tragsterns
3 die Rille mit rechteckigem Profil, deren Boden teilweise halbkreisförmig ausgebildet
ist. Eine Flanke 8 dieser Rille ist Teil des Bandhalters 7, die zweite Flanke wird
durch eine Seite des Armes 4 gebildet. Der Schnitt in Figur 2 ist genau durch den
Scheitel des halbkreisförmigen Abschnitts der Rille gelegt. Der obere halbkreisförmige
Abschnitt der Rille geht stetig in zwei einander
gegenüberliegende,
parallele gerade Rillenabschnitte des Bandhalters 7 über, wobei deren Flanke 8 mit
zunehmendem Abstand vom halbkreisförmigen Abschnitt niedriger wird. Die beiden parallelen
geraden, einander gegenüberliegenden Rillenabschnitte liegen auf je einem Schenkel
7' des Bandhalters 7. Die beiden Schenkel begrenzen eine rechteckige Aussparung
im Bandhalter 7, wobei die Längsflanken der Aussparung parallel zum Boden der geraden
Rillenabschnitte erstreckt sind. Jeder der beiden Schenkel weist unten stirnseitig
eine rechteckige Auflagefläche 12 auf. Im Zentrum des halbkreisförmigen Abschnitts
des Bandhalters 7 ist eine Bohrung 9 für eine Schraube 10 vorgesehen. Diese Schraube
10 verbindet den einen Bandhalter 7 mit einem zweiten auf der anderen Seite des
Armes 4. Die Schraube 10 weist im Bereich innerhalb des Langloches 5 eine einseitige
Abflachung 11 auf. Diese Abflachung 11 ruht auf einem quaderförmigen Distanzstück
13, welches sich auf eine Angleichszwischenlage 17, die auf einem Spannkeil 14 aufliegt,
abstützt. Der Spannkeil 14 weist seitlich und auf der Unterseite eine dem Langloch
5 angepasste Kontur auf.
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Er wird durch zwei, von der Schraube 10 gehaltene Unterlegscheiben
15 gesichert und in der rechteckigen Aussparung der Bandhalter 7 seitlich geführt.
Der Arm 4 ruht auf isolierenden Zwischenplatten 16, die sich auf die Wicklungen
1 abstützen.
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In Figur 3 ist eine weitere mögliche Ausführungsform der Schlaufenhalterung
6a ... 6d, 6a' ... 6d' im Schnitt dargestellt. Sie unterscheidet sich von der in
Figur 3 dargestellten lediglich dadurch, dass die Schraube 10 keine Abflachung aufweist,
und dass die Bandhalter 7 direkt auf der Ausgleichszwischenlage 17 aufliegen, die
von dem Spannkeil 14 gestützt wird.
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In Figur 4 sind zwei weitere Varianten einer erfindungs-
gemässen
Spule zu sehen. Die Wicklungen 1 werden durch einzelne, gleichmässig über den Umfang
der Spule verteilte Vorspannvorrichtungen axial vorgespannt. Die Halterungen dieser
Vorspannvorrichtungen bestehen aus einem radial ausgerichteten Stab 30, der auf
einer Distanzierungsplatte 31 aufliegt, die sich auf eine Zwischenplatte 16 abstützt.
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Diese Zwischenplatte 16 liegt auf den Stirnflächen der Wicklungen
1 auf. Die einander gegenüberliegenden Halterungen sind durch die Schlaufen 2 miteinander
verbunden.
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Die Schlaufen 2 werden auf den vorzugsweise rund ausgebildeten Stab
30 formschlüssig aufgeschoben. Der Stab 30 kann auch als Rohr oder als Halbrundmaterial
ausgebildet sein.
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In Figur 5 sind zwei verschiedene Halterungsvarianten zu einer gemeinsamen
Vorspannvorrichtung verknüpft dargestellt. Die obere Halterung besteht aus einem
Tragstern 3 mit Schlaufenhalterungen 6a, 6b, die untere Halterung aus tangential
zur Wicklung ausgerichteten Stäben 30, welche auf eine Distanzierungsplatte 31 und
eine Zwischenplatte 16 abgestützt sind. Sowohl die Zwischenplatte 16 als auch die
Distanzierungsplatte 31 weisen Ausschnitte 29 auf, durch welche die Schlaufen 2
berührungsfrei hindurchgeführt sind.
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In Figur 6 ist eine Spule dargestellt, die vierarmige Tragsterne 3
mit je einer Schlaufenhalterung 6a 6d pro Arm mit je zwei Schlaufen 2 im Innern
der Spule aufweist. Zusätzlich ist zwischen zwei Tragarmen eine Vorspannvorrichtung
mit einem radial ausgerichteten Stab 30 als Halterung für zwei Schlaufen 2 dargestellt.
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In jedem Spulensegment können zwischen den Tragarmen eine oder mehrere
dieser Vorspannvorrichtungen zusätzlich montiert werden. Auf diese Art können auch
bereits gelieferte Spulen mit geringem Aufwand nachträglich für höhere Belastungen
ertüchtigt werden.
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In Figur 7 ist ein Spulensegment einer viellagigen Spule zu sehen
mit zwei verschiedenen Einbauarten von Vorspanneinrichtungen mit radial ausgerichteten
Stäben 30 als Halterungen für die Schlaufen 2.
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In Figur 8 ist ein Schnitt durch die Befestigung einer Anschlussfahne
32 mit Hilfe des radial ausgerichteten Stabes 30 und zweier auf ihn aufgeschobenen
Schlaufen 2 zu sehen. Die Anschlussfahne 32 liegt auf der Distanzierungsplatte 31
und der isolierenden Zwischenplatte 16 auf. Nach oben ist die Anschlussfahne durch
eine Isolierplatte 33 abgedeckt, auf welche der Stab 30 drückt.
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Das nach dem Spuleninnern vorstehende Teil der Anschlussfahne 32 kann
mit einem Wicklungsende verbunden werden.
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Figur 9 stellt die Draufsicht auf die Befestigung der Anschlussfahne
nach Figur 8 dar. Die Schlaufen 2 führen berührungsfrei durch Ausschnitte 34 in
der Befestigung.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise seien die Figuren 1 und 2 gemeinsam
betrachtet. Die Schlaufen 2 sind in axialer Richtung elastisch und diese Elastizität
wird benutzt, um die Spule mit Vorspannung zu beaufschlagen.
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Für jeden Anwendungszweck werden die Schlaufen 2 speziell gefertigt,
sie werden aus mit aushärtbarem Kunstharz getränktem Isolierband auf einer Vorrichtung
mehrlagig gewickelt und in definitiver Form ausgehärtet. Die Schlaufen 2 sind deshalb
nur mit vergleichsweise kleinen Fertigungstoleranzen behaftet.
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Hier sei beispielsweise die Montage eines Schlaufenpaares zwischen
den Schlaufenhalterungen 6a und 6a' beschrieben.
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Die untere Schlaufenhalterung 6a' wird vollständig montiert, dabei
werden die beiden Schlaufen 2 formschlüssig auf die unteren Bandhalter 7 aufgeschoben.
Bei der Montage der oberen Schlaufenhalterung 6a werden die Schlau-
fen
2 ebenfalls formschlüssig auf die oberen Bandhalter 7 aufgeschoben. Das Distanzstück
13 wird nach der Montage der rechten Hälfte der Bandhalterung 6a mit der Abflachung
11 der Schraube 10 verklebt. Für den Einbau des Spannkeiles 14 bleibt zunächst zwischen
dem Distanzstück 13 und der unteren Flanke des Langloches 5 nicht genügend Raum.
Mit Hilfe einer Presse, die sich einerseits über den Arm 4 und die Zwischenplatte
16 auf die Stirnfläche der Wicklung abstützt und die andererseits an den Auflage
flächen 12 der oberen Bandhalter 7 angreift und diese nach oben drückt, werden die
Schlaufen 2 vorgespannt, sie dehnen sich dabei in axialer Richtung aus.
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Die Vorspannkraft wird etwas höher als der Sollwert gewählt. Der Spannkeil
14 kann jetzt eingebaut werden und, falls nötig, auch Ausgleichszwischenlagen 17.
Die von aussen aufgebrachte Vorspannkraft wird abgesenkt, der Spannkeil 14 wird
festgeklemmt und die Schlaufen 2 übernehmen frei von jeglicher Scherbelastung das
Aufrechterhalten des Sollwertes der Vorspannung. Erst jetzt werden die Schrauben
10 der Schlaufenhalterungen 6a, 6a' festgezogen und gesichert.
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Dieses Aufbringen der Vorspannung auf die Spule wird in der Regel
segmentweise durchgeführt, da so nur vergleichsweise kleine Vorspannkräfte aufgebracht
werden müssen. Zudem ist beim segmentweisen Vorspannen eine bessere Zugänglichkeit
zu den Montagestellen der Schlaufenhalterungen 6a ... 6d, 6a' ... 6d' gewährleistet.
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Die halbkreisförmige Auflage der Schlaufen 2 auf den Bandhaltern 7
stellt sicher, dass die Schlaufen 2 gleichmässig auf Zug belastet werden, ohne dass
Scherkräfte wirksam werden. Die pro Schlaufe 2 beherrschbare Vorspannkraft kann
mit zunehmender Anzahl der Lagen der gewickelten, glasfaserverstärkten Isolierbänder
gesteigert werden.
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Ferner ist es möglich die Vorspannkräfte zu steigern,
indem
die Anzahl der montierten Schlaufen 2 erhöht wird.
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Wie Fig. 1 zeigt ist es auch möglich die Schlaufen 2 verschieden,
und zwar jeweils auf die spezifischen Belastungsfälle abgestimmt, zu plazieren.
Statt des gemeinsamen Einbaus der Schlaufenhalterungen 6a, 6a' und 6b, 6b' könnte
z.B. bei schwächeren Belastungsvorgaben der Einbau der Schlaufen 2 zwischen den
Schlaufenhalterungen 6b, 6b' alleine genügen. Ebenso könnte bei der rechten Spulenvariante
die äussere Schlaufenhalterung 6d, 6d' entfallen. Eine Vielzahl von möglichen Einbauvarianten
stellt sicher, dass für jeden Anwendungsfall eine optimale und wirtschaftliche Vorspannvorrichtung
gestaltet werden kann.
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Die in Figur 3 dargestellte Schlaufenhalterung ist eine etwas vereinfachte
Ausführungsform der in Figur 2 gezeigten Schlaufenhalterung. Sie lässt sich vorteilhaft
für vergleichsweise schwächer vorgespannte Spulen einsetzen, da der aus Kunststoff
bestehende Spannkeil 14 auf Scherung beansprucht und deshalb weniger belastbar ist.
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Die Figur 4 zeigt besonders wirtschaftliche Spulenvarianten mit einzelnen
Vorspannvorrichtungen. Bei der Montage wird beispielsweise zuerst die untere Halterung
montiert, dabei werden die Schlaufen 2 formschlüssig auf den Stab 30 aufgeschoben
und die Zwischenplatte 16 wird zwischen Stab 30 und Stirnfläche der Wicklung eingelegt.
Danach werden die Schlaufen 2 auf den oberen Stab 30 formschlüssig aufgeschoben.
Das Aufbringen der Vorspannung erfolgt auch hier mittels einer Presse, die sich
einerseits auf die obere Stirnfläche der Wicklungen abstützt und die andererseits
am Stab 30 angreift und diesen nach oben drückt. Die Vorspannkraft wird etwas grösser
als der Sollwert gewählt. Der Raum zwischen Stab 30 und Stirnfläche der Wicklungen
wird nun mit der Zwischenplatte 16 und Distanzierungsplatten 31 derart versehen,
dass nach
dem Absenken der von aussen mit der Presse aufgebrachten
Vorspannung, die Schlaufen 2 gerade mit dem Sollwert der Vorspannung belastet sind,
ohne jedoch Scherkräften ausgesetzt zu sein. Die Möglichkeit bei mehrlagigen Wicklungen
unter den unterschiedlichsten Einbauvarianten für die Schlaufen 2 optimal auswählen
zu können, besteht auch hier.
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Mit den in den Figuren 5, 6 und 7 angegebenen Varianten von Vorspannvorrichtungen,
die sich untereinander und mit den übrigen Varianten kombinieren lassen, sind längst
nicht alle möglichen Anordnungen aufgezeigt worden.
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Dieses Prinzip, mittels vorgeformter Schlaufen Teile, insbesondere
Halterungen von Vorspannvorrichtungen, mit den Spulen fest zu verbinden, kann auch
benutzt werden, um z.B. Tragösen oder Anschlussfahnen 32 verwindungssteif an Spulen
zu befestigen.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Befestigung einer Anschlussfahne 32
ist den Figuren 8 und 9 zu entnehmen.
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Bei der Montage werden Zwischenplatte 16, eventuell Distanzierungsplatten
31, Anschlussfahne 32 und Isolierplatte 33 passend auf die Stirnflächen der Wicklungen
aufgestapelt. Zwei Schlaufen 2, die formschlüssig auf den den Stapel haltenden Stab
30 aufgeschoben sind, werden berührungsfrei durch die Ausschnitte 34 geführt.
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Im Bereich der gegenüberliegenden Stirnfläche werden die beiden Schlaufen
2 auf einen weiteren Stab 30 aufgeschoben und scherkraftfrei vorgespannt wie bereits
beschrieben und damit ist die Anschlussfahne 32 festgespannt.
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Ferner ist es möglich, die Zwischenplatten 16 auf der Wicklungsseite
kammartig auszubilden, so dass eine zusätzliche, sichere Distanzierung der Endwindungen
bei hochbeanspruchten Spulen erreicht wird.
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Die gesamte Vorspannvorrichtung ist in der Regel aus antimagnetischem
Material aufgebaut, für besondere Anwendungsfälle kann sie auch völlig aus Kunststoff
hergestellt werden, wobei die höher beanspruchten Teile eine Glasfaserverstärkung
aufweisen müssten.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens
zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Spulen angegeben. Die Spule wird in
bekannter Art gewickelt, danach wird die Spule mittels Hilfsbandagen fixiert, mit
Giessharz getränkt und anschliessend wird das Giessharz ausgehärtet. Nach dem Aushärten
wird die Spule mit der Vorspannvorrichtung versehen. Dabei werden die Schlaufen
2 formschlüssig auf die Halterungen der Vorspannvorrichtung aufgeschoben. Mittels
einer einerseits gegen die Stirnflächen der Spule abgestützten Presse, welche andererseits
auf die Halterungen so einwirkt, dass die Schlaufen 2 in axialer Richtung vorgespannt
werden, werden die Schlaufen 2 mit einer etwas über dem Sollwert liegenden Vorspannkraft
beaufschlagt.
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Danach werden die Spannkeile 14 und Ausgleichszwischenlagen 17 so
in die Halterungen eingelegt, dass die Schlaufen 2 nach dem Absenken der von aussen
mit der Presse aufgebrachten Vorspannkraft, mit dem Sollwert der Vorspannung belastet
sind. Danach werden die Schlaufenhalterungen definitiv festgezogen, ferner werden
die Hilfsbandagen entfernt.
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Das Vorspannen der Schlaufen 2 lässt sich vorteilhaft mit einer vergleichsweise
kleinen und handlichen Presse durchführen, wenn es separat für jede einzelne Halterung
durchgeführt wird. Die Spule wird auf diese Art segmentweise vorgespannt. Ein weiterer
Vorteil dieses Vorgehens ist die stets gewährleistete gute Zugänglichkeit zu den
Schlaufenhalterungen 6a ... 6d, welche die Montage des Spannkeiles 14 erleichtert.
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Die endgültige Vorspannung beträgt mindestens 5 0/co der Spannlänge
der Schlaufen 2 und in der Mehrheit der Anwendungsfälle werden 12 °/oo nicht überschritten.