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Die
Erfindung betrifft einen Schneidbrenner, vorzugsweise einen Maschinenschneidbrenner,
mit einer elektrischen Innenzündeinrichtung,
die mit einer Hochspannungsquelle verbunden ist.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung eine für
den Schneidbrenner geeignete Hochspannungsquelle.
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In
der
DE 35 27 955 C2 wird
ein Schneidbrenner mit innen angeordneter Zündeinrichtung beschrieben,
wobei die Zündeinrichtung
eine im Schneidbrennerkörper
angeordnete Zündkerze
oder Zündelektrode
darstellt, die auch „Innenzündeinrichtung" genannt wird. Diese
Innenzündeinrichtung
ist über
ein sogenanntes Zündkabel
mit einem außerhalb
des Schneidbrenners angeordneten Zündtransformator als Hochspannungsquelle
verbunden.
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Ein
Maschinenschneidbrenner mit Innenzündung wird auch in der
DE 41 43 144 C2 beschrieben. Auch
hier wird eine innen liegende elektrische Zündeinrichtung, bevorzugt eine
Glühkerze,
eingesetzt.
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Die
bekannten Schneidbrenner mit innen liegender elektrischer Zündeinrichtung
sind durch eine außerhalb
des Schneidbrenners angeordnete Spannungsquelle gekennzeichnet,
die verschiedene zusätzliche
Teile außerhalb
des Schneidbrenners erfordert. Das die Spannungsquelle mit dem Schneidbrenner
verbindende Kabel muss vor thermischer und mechanischer Beschädigung geschützt werden und
stellt aufgrund der Spannung ein Sicherheitsrisiko dar. Außerdem erzeugt
das lange Spannungskabel EMV-Störungen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten
Schneidbrenner, insbesondere einen Maschinenschneidbrenner, bereitzustellen,
der diese Nachteile vermeidet.
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Außerdem liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine hierfür geeignete Hochspannungsquelle
anzugeben, die einen geringen Platzbedarf und eine hohe Temperaturstabilität aufweist.
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Hinsichtlich
des Schneidbrenners wird diese Aufgabe ausgehend von einem Schneidbrenner
der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
die Spannungsquelle als innerhalb des Schneidbrenners angeordnete
Hochspannungsquelle ausgebildet ist.
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Beim
erfindungsgemäßen Schneidbrenner ist
nicht nur die elektrische Innenzündeinrichtung, sondern
auch die Hochspannungsquelle innerhalb des Schneidbrenners angeordnet.
Alternativ, aber weniger bevorzugt, kann die Hochspannungsquelle auch
unmittelbar am Schneidbrenner in direkter Verbindung mit diesem
vorgesehen sein.
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In
jedem Fall weist der Schneidbrenner mit innen liegender elektrischer
Zündeinrichtung
eine Hochspannungsquelle in unmittelbarer Nähe des Schneidbrenner-Führungsrohres
auf. Vorzugsweise ist die Hochspannungsquelle im Inneren des Schneidbrenners
angeordnet, insbesondere in einem Hohlraum innerhalb des Schneidbrenner-Führungsrohres,
oder (weniger bevorzugt) in direktem räumlichen Anschluss am Schneidbrenner,
zum Beispiel als am Schneidbrenner aufgesetztes oder aufgestecktes
Bauteil. Aufgrund dieser Anordnung der Hochspannungsquelle werden
ein Hochspannungskabel zur Verbindung mit der Innenzündeinrichtung oder
andere Hochspannung führende
Teile im Bereich außerhalb
des Schneidbrenners vermieden.
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Der
Schneidbrenner ist ein Handschneidbrenner oder – vorzugsweise – ein Maschinenschneidbrenner.
Der Maschinenschneidbrenner ist Teil einer Brennschneidmaschine.
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Als
Zündeinheit
wird hier die Kombination aus der Innenzündeinrichtung (zum Beispiel
einer Zündelektrode)
und der Hochspannungsquelle (Zündgerät) bezeichnet.
Die Zündeinheit
enthält Zündeinrichtung
und Hochspannungsquelle vorzugsweise als eigenständige Teile.
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Die
Hochspannungsquelle umfasst in der Regel einen Zündtransformator (Hochspannungstransformator)
und eine elektronische Ansteuerungseinheit.
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Der
Schneidbrenner weist einen Brennerkopf oder Brennerkörper und
in der Regel einen rohrförmigen
Abschnitt auf, der als Gehäuseteil
dient. Ein solcher Schneidbrenner ist beispielsweise in der
DE 35 27 955 C2 ,
dort insbesondere in
1, beschrieben, worauf hiermit
Bezug genommen wird. Bei diesem Schneidbrenner ist zwischen Brennerkopf
und Ventilkörper
der rohrförmige
Abschnitt als Führungsrohr
ausgebildet.
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Der
rohrförmige
Abschnitt (Führungsrohr) weist
auch beim erfindungsgemäßen Schneidbrenner
einen Hohlraum auf. In diesem ist die Hochspannungsquelle, auch
Zündgerät genannt,
vorzugsweise angeordnet.
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Vorteilhaft
ist die Hochspannungsquelle (Zündgerät) als modulartiges
Bauteil ausgebildet, dessen Größe den Einbau
in diesen Hohlraum erlaubt.
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Vorzugsweise
ist die Hochspannungsquelle in der Nähe der Zündelektrode angeordnet. Die
Entfernung der Hochspannungsquelle, insbesondere des Hochspannungs-
oder Zündtransformators,
von der Zündvorrichtung,
insbesondere der Zündelektrode,
liegt in der Regel im Bereich von 0,1 bis 20 cm, vorzugsweise im
Bereich von 0,1 bis 15 cm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,1
bis 10 cm, insbesondere im Bereich von 0,1 bis 5 cm. Somit hat die hochspannungsführende Leitung,
zum Beispiel ein Hochspannungskabel, vom Ausgang der Hochspannungsquelle
zum Eingang der Zündelektrode
in der Regel eine dementsprechende Länge.
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Der
Kern des Zündtransformators
ist vorzugsweise gerade, das heißt stabförmig, ausgebildet. Der stabförmige Zündtransformator-Kern
besteht vorteilhafterweise aus Ferrit.
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Die
Hochspannungsquelle erzeugt aus einer Versorgungsspannung, in der
Regel eine Gleich- oder Wechselspannung mit niedriger Spannung,
eine Hochspannung mit mehreren tausend Volt. Die Versorgungsspannung
ist im allgemeinen eine Spannung unter 100 V, zum Beispiel im Bereich
von 10 bis 50 V, insbesondere im Bereich von 10 bis 30 V, typisch
24 V. Die Versorgungsspannung ist vorzugsweise eine Gleichspannung,
besonders bevorzugt eine Gleichspannung von 24 V. Die erzeugte Hochspannung
liegt im allgemeinen im Bereich von 5000 bis 25000 V, insbesondere
im Bereich von 10000 bis 20000 V. Die zur Zündvorrichtung geführte Hochspannung
ist in der Regel eine hochfrequente Wechselspannung.
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Die
Anordnung der gesamten Zündeinheit, das
heißt
Zündvorrichtung
und Hochspannungsquelle, in den Innenraum des Schneidbrenners bietet
viele Vorteile. So ist die Betriebssicherheit des Schneidbrenners
wesentlich größer als
bei herkömmlichen Schneidbrennern.
Alle hochspannungsführenden Teile
und Leitungen sind im Innenraum des Schneidbrenners und sind vor
Beschädigung
oder Manipulation geschützt.
Es entstehen weniger EMV-Störungen,
da alle hochspannungsführenden
Teile und Leitungen durch die metallische Außenwandung, insbesondere des
Führungsrohres,
des Schneidbrenners abgeschirmt werden. Durch ein eigenes Gehäuse der
Hochspannungsquelle besteht sogar doppelter Schutz von Hochspannungstransformator
und elektronischen Bauteilen. Ferner entfallen die bisherigen externen
Anbauteile und der bisherige Verdrahtungsaufwand. Auch ist das Unfallrisiko
reduziert. Aufgrund der kompakten und in der Größe angepassten Bauweise können herkömmliche
Schneidbrenner ohne großen
Aufwand umgerüstet
werden.
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Hinsichtlich
der Hochspannungsquelle wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass sie mit einem Hochspannungstransformator mit stabförmigem Kern
ausgebildet ist.
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Übliche externe
Hochspannungsquellen sind für
den Einsatz in oder an einem Schneidbrenner, insbesondere für den Einbau
in einen Schneidbrenner, nicht geeignet. Denn sie sind zu groß und sie sind
auch nicht den thermischen Anforderungen gewachsen. Zudem verfügen sie
auch nicht über
die für einen
Einbau in einen Schneidbrenner erforderliche Leistungsdichte.
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Die
Hochspannungsquelle gemäß der Erfindung
enthält
einen Hochspannungs- oder
Zündtransformator
aus einem thermisch beständigen
Werkstoff, der stabförmig
ausgebildet ist, wodurch sich ein vergleichsweise geringer Platzbedarf
ergibt.
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Geeignete
thermisch beständige
Kunststoffe sind beispielsweise modifizierte Polyesterimide, Polyamidimide
oder aromatische Polyimide. Der Kern des Zündtransformators ist gerade,
das heißt
stabförmig.
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Der
Zündtransformator
wie auch die gesamte Hochspannungsquelle und die übrigen darin
enthaltenen Bauteile weisen in der Regel eine Temperaturbeständigkeit
(Wärmebeständigkeit)
von mindestens 150° C,
vorzugsweise von mindestens 180° C, besonders
bevorzugt von mindestens 200° C,
auf. Hier unterscheiden sie sich deutlich von herkömmlicher
Technik bei Schneidbrennern.
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Die
Temperaturbeständigkeit
des Zündtransformators
wird erreicht durch temperaturbeständige Spulenkörper für die Transformatorspulen
und einer temperaturbeständigen
Isolation der Transformatorwicklungen und der Kabel. Die Spulenkörper sind beispielsweise
aus Keramik oder einem temperaturbeständigen Kunststoff, vorzugsweise
aus einem temperaturbeständigen
thermoplastischen Kunststoff, zum Beispiel Polyetheretherketon (PEEK).
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Für die Transformatorwicklungen
wird vorzugsweise ein Kupferlackdraht mit temperaturbeständiger Isolierung
verwendet. Die Isolierschicht des Kupferlackdrahtes besteht vorteilhaft
aus einem thermisch beständigen
Kunststoff, vorzugsweise beständig
bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 250° C.
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Der
bevorzugte Zündtransformator
ist ein Hochspannungstransformator mit einem stabförmigen Ferritkern.
Ein stabförmiger
Ferritkern ist ein offener magnetischer Kreis und wird normalerweise
für Transformatoren
oder Übertrager
nicht verwendet. Ein stabförmiger
Ferritkern ist jedoch besonders vorteilhaft für den Einbau in einen Schneidbrenner.
Zur Erzeugung einer hohen Leistungsdichte. eignen sich weichmagnetische
oxidkeramische Ferritwerkstoffe mit einem Basismaterial MnZn. Bevorzugt
wird ein gerader Ferritkern aus einem MnZn-Basismaterial. Ein gut geeignetes Ferrit-Material
ist beispielsweise unter der Bezeichnung SIFERRIT N92 (Hersteller: EPCOS
AG,) erhältlich.
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Dem
Zündtransformator
wird in der Regel eine hochfrequente Spannung zugeführt, die
zum Beispiel im Frequenzbereich von 20 bis 25 kHz liegt. Diese hochfrequente
Spannung wird vorzugsweise aus einer Gleichspannung im Niederspannungsbereich,
beispielsweise eine Gleichspannung von 24 V, in einer elektronischen
Baugruppe erzeugt. Diese elektronische Baugruppe wird als Ansteuerung
bezeichnet. Die in der Ansteuerung verwendeten Bauteile, insbesondere
die elektronischen Bauteile, sind ebenfalls wärmebeständig.
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Für die Ansteuerung
wird vorteilhaft eine elektronische Schaltung verwendet, die ein
selbstanschwingender Oszillator ist. Dieser Schaltungstyp ist auch
als Meißner-Oszillator
bekannt und kommt mit einer geringen Anzahl an Bauteilen aus. Die
dafür notwendigen
Bauteile sind in wärmebeständiger Ausführung erhältlich,
was nicht bei allen elektronischen Bauteilen der Fall ist.
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Die
Hochspannungsquelle umfasst in der Regel ein Raumvolumen von weniger
als 100 cm3, vorzugsweise ein Raumvolumen
von weniger als 80 cm3, besonders bevorzugt
ein Raumvolumen von weniger als 75 cm3,
wobei das Raumvolumen vorzugsweise das Raumvolumen eines zylindrischen Raumes
ist. Der zylindrische Raum hat in der Regel eine Länge von
weniger als 25 cm, vorzugsweise eine Länge von weniger als 15 cm,
besonders bevorzugt eine Länge
von weniger als 10 cm oder weniger. Der zylindrische Raum hat in
der Regel einen Durchmesser von weniger als 5 cm, vorzugsweise einen Durchmesser
von weniger als 2,5 cm, besonders bevorzugt einen Durchmesser von
weniger als 1,5 cm oder weniger. Die Hochspannungsquelle nimmt beispielsweise
ein zylindrisches Raumvolumen von weniger als 100 cm3,
vorzugsweise weniger als 80 cm3, ein und
sie hat eine Länge
von weniger als 25, bevorzugt weniger als 20, 15, 10, 8 oder 6 cm.
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Die
Hochspannungsquelle ist in der Regel in einem eigenen Gehäuse angeordnet.
Das Gehäuse ist
vorzugsweise zylindrisch. Das zylindrische Gehäuse hat in der Regel eine Länge von
weniger als 25, bevorzugt weniger als 20, 15, 10, 8 oder 6 cm und einen
Durchmesser von weniger als 5, bevorzugt weniger als 4, 3, 2 oder
1 cm.
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Die
Hochspannungsquelle liefert beispielsweise einen Ausgangsstrom von
maximal 10 mA, vorzugsweise von maximal 5 mA, besonders bevorzugt
von maximal 3 mA.
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Die
Hochspannungsquelle hat beispielsweise eine Leistung von maximal
1000 mJ, vorzugsweise von maximal 500 mJ, besonders bevorzugt von maximal
350 mJ.
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Vorteilhaft
ist eine Speisung der Hochspannungsquelle mit einer Gleichspannung
von 24 V, die bei Industriemaschinen in der Regel angewendet wird.
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Vorteilhaft
wird im Schneidbrenner zwischen Führungsrohr und Hochspannungsquelle
ein Material oder eine Einrichtung zur thermischen Isolierung und/oder
zur elektrischen Isolierung angeordnet. Dies kann beispielsweise
durch Einsatz eines Gehäuses
für die
Hochspannungsquelle erfolgen, das eine Isolierschicht aufweist.
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Die
erfindungsgemäße Hochspannungsquelle
zeichnet sich durch einen geringen Platzbedarf und eine hohe Temperaturstabilität aus, so
dass auch ein Einbau in herkömmliche
Schneidbrenner ohne besondere Anpassung ermöglicht wird.
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung des unteren Teiles eines erfindungsgemäßen Schneidbrenners
mit der Zündeinheit,
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2 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Hochspannungsquelle als
Baueinheit, und
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3 eine
schematische Darstellung des Aufbaues einer erfindungsgemäßen Hochspannungsquelle
in einer Baueinheit.
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In 1 ist
im Querschnitt der untere Teil eines erfindungsgemäßen Schneidbrenners 1,
genauer eines Maschinenschneidbrenners, als Beispiel dargestellt,
der einen Brennerkopf 2 und ein Führungsrohr 8 aufweist, über das
der Brennerkopf 2 mit dem (in 1 nicht
gezeigten) Ventilkörper
verbunden ist.
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Der
Brennerkopf 2 enthält
die Brennschneiddüse 9,
die Heizdüse 10 und
die Haltekappe 11. Der Brennerkopf 2 wird über den
Kanal 12 mit dem Brenngasgemisch und über den Kanal 13 mit
dem Schneidsauerstoffgas versorgt.
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In
dem Brennerkörper 7 des
Brennerkopfes 2 ist die Zündvorrichtung 3 (Zündkerze
oder Zündelektrode)
angeordnet, die mit dem Zündtransformator 4 elektrisch
verbunden ist.
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Der
Zündtransformator
(Hochspannungstransformator) 4 ist elektrisch mit der elektronischen Baugruppe 5 verbunden,
die Ansteuerung genannt wird und die den Zündtransformator 4 mit
Wechselspannung versorgt. Zündtransformator 4 und
Ansteuerung 5 bilden die Hochspannungsquelle.
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Die
Hochspannungsquelle ist vorteilhaft von einem eigenen (in 1 nicht
dargestellten) Gehäuse
aus nichtmetallischem Werkstoff umgeben. Zündvorrichtung 3 und
Hochspannungsquelle bilden das Zündgerät. Die Hochspannungsquelle,
insbesondere die Ansteuerung 5, wird über die Leitungen 6, 6' mit der Versorgungsspannung,
hier eine Gleichspannung von 24 V, versorgt.
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2 zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Hochspannungsquelle
als modulare Einheit. In dem Gehäuse 14 sind Hochspannungstransformator 4 und
Ansteuerung 5 (nicht gezeigt) eingebaut. Das Modul der
Hochspannungsquelle weist ferner ein Kabel 15 mit Stecker,
ein Erdungskabel 16 und ein Ausgangskabel 17 auf.
Das Kabel 15 enthält
die Leitungen 6, 6' (siehe 1)
und dient der Versorgung mit der Versorgungsspannung. Das Ausgangskabel 17 wird
mit der Zündvorrichtung 3 (siehe 1)
verbunden. Das Ausgangskabel 17 hat zum Beispiel eine Länge von
ca. 10 cm. Das Kabel 15 hat zum Beispiel eine Länge von
ca. 8 cm. Das Gehäuse 14 ist
zylindrisch und hat zum Beispiel eine Länge von 10 cm und einen Durchmesser
von 1,4 cm. Das Gehäuse 14 besteht
vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff.
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In 3 ist
die bevorzugte Ausführung
der Hochspannungsquelle 19 dargestellt. Von den Leitungen 6, 6' erhält die Ansteuerung 5 eine
Gleichspannung von 24 V als Versorgungsspannung. Am Ausgang 17 wird
eine Ausgangsspannung von 10 kV geliefert. Der Ausgangsstrom liegt
bei maximal 3 mA. Die Leistung der Hochspannungsquelle 19 beträgt maximal
350 mJ. Die Hochspannungsquelle 19 enthält den Zündtransformator (Hochspannungstransformator) 4 und
die elektronische Baugruppe 5 (Ansteuerung).
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Die
Ansteuerung 5 enthält
in der elektronischen Schaltung einen sogenannten Meißner-Oszillator 20.
Dieser Schaltungstyp erlaubt den Aufbau der Ansteuerung mit wenigen
elektronischen Bauteilen, die zudem als wärmebeständige Typen erhältlich sind.
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Der
Zündtransformator
(Hochspannungstransformator) 4 weist als Besonderheit einen
stabförmigen
Kern auf, der aus Ferritmaterial (Basismaterial MnZn) besteht. Die
besondere Form des Transformatorkernes und das besondere Material
erlauben eine schlanke Bauform mit hoher Leistungsdichte. Für die Transformatorwicklungen
wird ein Kupferlackdraht mit wärmebeständiger Isolierschicht
eingesetzt. Die Isolierschicht ist vorzugsweise aus einem thermisch
stabilen Kunststoff wie modifizierter Polyesterimid, Polyamidamid
oder aromatischem Polyamid. Solche Kunststoffe sind bei 200° C stabil.
Die Transformatorspulenkörper
sind vorzugsweise aus einem thermisch stabilen Kunststoff wie Polyetheretherketon
(PEEK). Die Hochspannungsquelle 19 ist vorteilhaft als
Modul wie in 2 aufgebaut.