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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Spulenhalter zum Halten einer Spule für eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Stators für eine elektrische Maschine.
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Die Montage von Spulen an einem ringförmigen Statorkern mit mindestens einem Statorzahn wird derzeit mit einer Isolationshülle aus einem Kompositmaterial realisiert, das auch Isolationspapier genannt wird.
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EP 0 938 181 A1 zeigt einen Drehstrommotor mit einem Stator, der in Umfangsrichtung und/oder in axialer Richtung des Motors segmentiertes Teilblechpaket aufweist, das mindestens einen Statorzahn und Mittel zur Befestigung in einer eine zylindrische oder polygonförmige Innenkontur aufweisende Aufnahme hat.
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Ein mit einer Wicklung oder Spule bewickelter Stator einer elektrischen Maschine weist einen Wärmeübergangswiderstand auf, der maßgeblich durch die verwendeten Isolationsmaterialien bestimmt wird. Die heute verwendeten Isolationsmaterialien haben in der Regel Wärmeleitwerte in der Größenordnung von 0,25 W/(m·K). Auch wenn solche Wärmeleitwerte relativ gering sind, so ist doch der Wärmeübergangswiderstand der Isolationsmaterialien weiter optimierbar.
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Auch durch Grenzschichten und luftgefüllte Hohlräume, die im Fertigungsprozess der Statoren entstehen, ergeben sich hohe Wärmeübergangswiderstände. Die Grenzschichten und luftgefüllten Hohlräume reduzieren zudem die Teilentladungsbeständigkeit der Statoren.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spulenhalter zum Halten einer Spule für eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Stators für eine elektrische Maschine bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere soll ein Spulenhalter zum Halten einer Spule für eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Stators für eine elektrische Maschine bereitgestellt werden, bei welchen eine einfache und damit schnelle und kostengünstige Montage der Spule an dem Stator möglich ist und die Verbesserung der Wärmeübergangswiderstände durch eine kostengünstige und einfach zu erzielende Maßnahme realisiert wird, so dass es zu einer Erhöhung der Leistung der elektrischen Maschine kommt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Spulenhalter zum Halten einer Spule für eine elektrische Maschine nach Patentanspruch 1 gelöst.
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Der Spulenhalter ermöglicht durch seine Form sowohl eine einfache und damit schnelle und kostengünstige Montage der Spule an dem Stator. Dies wird insbesondere auch durch die zweiteilige Form des Spulenhalters ermöglicht. Zudem ermöglicht der Spulenhalter die Verbesserung der Wärmeübergangswiderstände durch eine kostengünstige und einfach zu erzielende Maßnahme. Dadurch kommt es außerdem zu einer Erhöhung der Leistung der elektrischen Maschine, die mit dem Stator ausgestattet ist.
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Durch den in den Patentansprüchen beschriebenen Spulenhalter wird keine klassische Isolationshülle aus einem Kompositmaterial benötigt, das auch Isolationspapier genannt wird. Dadurch kann ein anderes Isolationsmaterial zum Einsatz kommen, dessen Wärmeleitwert von der Spule auf den Stator der elektrischen Maschine größer als bei der Verwendung des Kompositmaterials ist. Der Entfall von Isolationspapier ist außerdem von Vorteil, da die Einbringung von Isolationspapier sehr aufwändig und damit sehr kostenintensiv und fehleranfällig ist. Es kann nicht zu einem Verrutschen des Papiers beim Einbringen der Vergussmasse kommen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine gleichmäßige Verteilung des Füllmaterials ohne Lufteinschluss möglich ist. Dadurch ergibt sich eine sehr gute Wärmeableitung, was eine Erhöhung der Leistung der elektrischen Maschine zur Folge hat.
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Der Spulenhalter ist vorzugsweise für elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren, Elektrogeneratoren, mit konzentrierter Polwicklung geeignet, bei welchen an einem Statorzahn des Stators nur eine Spule montiert ist. Die elektrische Maschine kann beispielsweise ein Rotationselektromotor oder ein Linearmotor sein. Alternativ kann die elektrische Maschine auch ein Rotationselektrogenerator oder ein Lineargenerator sein.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Spulenhalters sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Der Spulenhalter kann Teil eines Stators für einen Elektromotor sein, wobei der Stator zudem einen Statorkern zur Aufnahme mindestens einer Spule umfasst.
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Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Herstellen eines Stators für eine elektrische Maschine nach Patentanspruch 9 gelöst. Mit dem Verfahren, das den zuvor beschriebenen Spulenhalter verwendet, ist der Stator sehr einfach und damit schnell und kostengünstig montierbar. Das Ergebnis des Verfahrens ist ein Stator, welcher durch eine kostengünstige und einfach zu erzielende Maßnahme verbesserte Wärmeübergangswiderstände aufweist, so dass eine den Stator aufweisende elektrische Maschine eine erhöhte Leistung hat.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen.
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Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen Teil eines Stators für eine elektrische Maschine, an welchem Stator bereits zwei Spulen mit einem Spulenhalter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel montiert sind;
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2 einen Spulenträger für den Spulenhalter gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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3 einen Schnitt B-B durch den Spulenhalter gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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4 einen Schnitt A-A durch den Spulenhalter gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Stators für eine elektrische Maschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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6 einen Spulenträger für einen Spulenhalter gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
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7 einen Spulenträger für einen Spulenhalter gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Teil eines ringförmigen Statorkerns 10 für eine nicht dargestellte elektrische Maschine. Der Statorkern 10 hat eine Vielzahl von ersten Zähnen 11 und zweiten Zähnen 12, welche abwechselnd an der Innenseite des ringförmigen Statorkerns 10 angeordnet sind. Anders ausgedrückt, die ersten und zweiten Zähne 11, 12 kragen auf die Innenseite des Statorkerns 10 aus. Hierbei sind die ersten Zähne 11 an der Innenseite des ringförmigen Statorkerns 10 schmaler als an ihrem Fuß, an welchem die ersten Zähne 11 mit dem Statorkern 10 verbunden sind. Die zweiten Zähne 12 sind hingegen sowohl an der Innenseite des Statorkerns 10 als auch an ihrem Fuß gleich breit.
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In 1 ist bereits an zweien der zweiten Zähne 12 eine Spule 20 mit einem Spulenhalter 30 montiert, der einen ersten und zweiten Spulenträger 31, 32 aufweist. Eine weitere Spule 20, die auf einen weiteren Spulenhalter 30 gewickelt ist, kann an einem ersten Zahn 11 des Statorkerns 10 angeordnet werden, wie in 1 durch einen gebogenen Pfeil dargestellt. Von den Spulen 20 ist jeweils ein erstes Ende 21 und ein zweites Ende 22 des Wicklungsdrahts der Spule 20 herausgeführt, um die Spulen 20 an eine nicht dargestellte Spannungsquelle anzuschließen. Der Wicklungsdraht ist ein elektrisch leitfähiger Draht. Der Draht kann im Querschnitt rund, oval, eckig, usw. sein.
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2 zeigt den zweiten Spulenträger 32 genauer. Der zweite Spulenträger 32 hat eine Abdeckplatte 321 mit zwei Bereichen 322, die gegenüber der Ebene der Abdeckplatte 321 nach unten in 2 versetzt sind. Zudem hat der zweite Spulenträger 32 eine Bodenplatte 323, die in etwa die gleiche Form wie die Abdeckplatte 321 aufweist. Jedoch ist die Bodenplatte 323 ein planares Element. Demzufolge sind keine Teilbereiche der Bodenplatte 323 auf verschiedenen Ebenen angeordnet, wie bei der Abdeckplatte 321. Zwischen der Abdeckplatte 321 und der Bodenplatte 323 sind Verstrebungen 324 und 325 angeordnet, welche die Abdeckplatte 321 und die Bodenplatte 323 voneinander beabstanden. Die Verstrebungen 324, 325 sind in etwa so lang wie ein Statorzahn 11, 12 des Statorkerns 10. Wie später gezeigt und erläutert, sind die Verstrebungen 324, 325 etwas kürzer als ein Statorzahn 11, 12 des Statorkerns 10. An den Verstrebungen 324, 425 sind quer zu den Verstrebungen 324, 325 verlaufende Rippen 326, 327 angeordnet. Die Rippen 326, 327 können zum Fixieren der Spule 20 an dem zweiten Spulenträger 32 dienen. In 2 sind der Übersichtlichkeit halber nicht alle Rippen 326, 327 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Rippen 326, 327 sind insbesondere zum Fixieren von Spulen geeignet 20, die Wicklungsdrähte mit einem runden oder elliptischen Querschnitt haben.
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In 2 sind die Verstrebungen 324, 325 zudem durch mehrere Verbindungsteile 328 miteinander verbunden, die mit einem vorbestimmten Abstand übereinander angeordnet sind. Dadurch hat der zweite Spulenträger 32 im Querschnitt eine U-förmige Aufnahme für einen Statorzahn 12, wie in 3 gezeigt. Darüber hinaus hat der zweite Spulenträger 32 eine weitere U-förmige Aufnahme, die entgegengesetzt zu der U-förmigen Aufnahme für einen Statorzahn 12 angeordnet ist. Ferner hat der zweite Spulenträger 32 einen X-förmigen Querschnitt, von welchem die Verstrebungen 324, 325 in Richtung auf den Statorzahn 12 auskragen, um den Statorzahn 3 zu umgreifen, wie in 3 gezeigt. Hierbei kann der zweite Spulenträger 32 einen Formschluss mit dem Statorzahn 12 bilden. Wie ebenfalls aus 3 ersichtlich, ist der erste Spulenträger 31 auf die gleiche Weise aufgebaut wie der zweite Spulenträger 32.
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3 zeigt einen Schnitt B-B entlang einer in 4 gezeigten Schnittlinie durch den Statorkern 10. 4 zeigt einen Schnitt A-A entlang einer in 3 gezeigten Schnittlinie durch den Statorkern 10.
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Ist die Spule 20 auf den Spulenträgern 31, 32 angeordnet und auf dem Statorzahn 12 montiert, wie in 3 gezeigt, bildet sich ein erster Raum 41 und ein zweiter Raum 42. Der erste und zweite Raum 41, 42 werden jeweils von dem ersten und zweiten Spulenträger 31, 32, der Spule 20 und dem Statorzahn 12 begrenzt. Der erste und zweite Raum 41, 42 haben in 3 jeweils einen rechteckigen Querschnitt. Der rechteckige Raum 41, 42 kann jeweils mit einem gut wärmeleitenden Füllmaterial gefüllt, insbesondere ausgefüllt, werden. „Gut wärmeleitendes Füllmaterial” bedeutet, dass der Wärmeleitwert des Füllmaterials höher als der Wärmeleitwert des bisher verwendeten Kompositmaterials ist. Das gut wärmeleitende Füllmaterial ist vorzugsweise ein Kunststoff, insbesondere Epoxidharz, usw. Das Füllmaterial kann auch in die Räume 43 bis 46 gefüllt werden, welche zwischen dem ersten oder zweiten Spulenträger 31, 32 und der Spule 20 oder zwischen dem ersten oder zweiten Spulenträger 31, 32 dem Statorzahn 12 gebildet sind. In einem oder beiden der Räume 43 kann auch ein Sensor angeordnet sein, beispielsweise ein Temperatursensor, insbesondere ein PTC-Sensor (PTC = Positive Temperature Coefficient), bei welchem mit steigender Temperatur der elektrische Widerstand steigt, und/oder ein KTY-Sensor, usw. Mit einem Temperatursensor kann die Temperatur der Spule 20 und/oder des benachbart angeordneten Spulenträger 31, 32 gemessen werden.
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Wie in 4 gezeigt, ist die Spule 20 in den zweiten Spulenträger 32 vollständig eingelegt, zumindest wenn die Spule 20 mit dem Spulenhalter 30 an dem Statorkern 10 montiert ist. Das Gleiche gilt auch für den ersten Spulenträger 31, auch wenn dieser in 4 nicht gezeigt ist. Hierbei sind Räume 47 und 48 zwischen der Spule 20, dem ersten oder zweiten Spulenträger 31, 32 und dem Statorzahn 12 gebildet. Auch diese können mit dem Füllmaterial gefüllt, insbesondere ausgefüllt, werden.
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Gemäß dem in 5 gezeigten Verfahren zum Herstellen eines Statorkerns 10 für einen Elektromotor wird nach einem Beginn des Verfahrens bei einem Schritt 51 eine Spule 20 aus einem elektrisch leitfähigen Draht gewickelt. Hierbei werden ein erstes Ende 21 und ein zweites Ende 22 herausgeführt wie in 1 gezeigt. Danach geht der Fluss zu einem Schritt S2 weiter.
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Bei dem Schritt S2 werden der erste und zweite Spulenträger 31, 32 in die Spule 20 eingebracht, so dass der erste und zweite Spulenträger 31, 32 an sich in etwa gegenüberliegenden Enden der Spule 20 angeordnet sind, wie in 1 und 3 gezeigt. Danach geht der Fluss zu einem Schritt S3 weiter.
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Bei dem Schritt S3 wird die bei den vorangehenden Schritten hergestellte Anordnung an einem Statorabschnitt des Statorkerns 10 angeordnet. Der Statorabschnitt ist beispielsweise ein zweiter Statorzahn 12. Hierbei wird die Anordnung derart montiert, dass der erste und zweite Spulenträger 31, 32 zum Halten der Spule 20 an dem Statorabschnitt als Spulenhalter 30 dienen und insbesondere zusammenwirken. Zudem wird die Anordnung derart montiert, dass der erste und zweite Spulenträger 31, 32 zum Beabstanden der Spule 20 von dem Statorabschnitt, also dem zweiten Statorzahn 12, ausgestaltet sind, so dass die Spule 20 und der Statorabschnitt voneinander elektrisch isoliert werden können. Hierbei wird die Anordnung so angebracht, dass sich die Räume 41 bis 48 bilden, wie in 3 und 4 gezeigt. Durch die Räume 41, 42 wird ein beidseitiger Luftspalt für die Einbringung einer wärmeableitenden Masse, des Füllmaterials geschaffen. Danach geht der Fluss zu einem Schritt S4 weiter.
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Bei dem Schritt S4 wird das Füllmaterial in zumindest die Räume 41, 42 und gegebenenfalls auch in mindestens einen der Räume 43 bis 48 zwischen der Spule 20, dem Statorabschnitt, also dem zweiten Statorzahn 12, und den Spulenträgern 31, 32 gefüllt. Dadurch können Hohlräume zwischen der Spule 20 und dem Statorabschnitt vermieden werden. Danach geht der Fluss zu einem Schritt S5 weiter.
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Bei dem Schritt S5 wird geprüft, ob eine weitere Spule 20 an dem Statorkern 10 anzubringen ist oder nicht. Lautet die Antwort bei dem Schritt S5 JA, geht der Fluss zu dem Schritt S1 zurück. Ansonsten ist das Verfahren beendet.
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Bei dem zuvor beschriebenen Verfahren kann der Schritt S4 auch nach dem Schritt S5 durchgeführt werden. In diesem Fall kann das Füllmaterial in zumindest einen der Räume 41 bis 48 für alle Spulen 20 an dem Statorkern 10 in einem Verfahrensschritt ausgeführt werden.
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6 zeigt einen zweiten Spulenträger 52 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der zweite Spulenträger 52 ist in weiten Teilen auf die gleiche Weise ausgeführt wie der zweite Spulenträger 32 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum zweiten Spulenträger 32 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hat der zweite Spulenträger 52 gemäß diesem Ausführungsbeispiel jedoch eine anders geformte Abdeckung 521, 522. Auch hier ist die Abdeckung 521 versetzt zu der Abdeckung 522 angeordnet. Zudem hat die Abdeckung 522 zwei entgegengesetzt zueinander angeordnete U-förmige Aufnahmen, wie die Abdeckplatte 322 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die eine der U-förmige Aufnahmen, die zu der aufzunehmenden Spule 20 hin angeordnet ist, ist zangenförmig ausgebildet, wie in 6 dargestellt. Außerdem hat die Bodenplatte 523 eine andere Form als die Abdeckungen 521, 522. Dadurch wird beispielsweise die Befüllung der Räume 41 bis 47 mit dem Füllmaterial einfacher als bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Verstrebungen 524, 525 in 6 entsprechen den Verstrebungen 324, 325 in 2. Die Rippen 526, 527 in 6 entsprechen den Rippen 326, 327 in 2. Die Verbindungsteile 528 in 6 entsprechen den Verbindungsteilen 328 in 2. Auch in 6 sind der Übersichtlichkeit halber nicht alle Rippen 526, 527 und Verbindungsteile 528 mit einem Bezugszeichen versehen.
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7 zeigt einen zweiten Spulenträger 62 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Auch der zweite Spulenträger 62 ist in weiten Teilen auf die gleiche Weise ausgeführt wie der zweite Spulenträger 32 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Der zweite Spulenträger 62 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat eine Abdeckung 621, die parallel zu der Bodenplatte 623 angeordnet ist. Zudem weist der zweite Spulenträger 62 Verstrebungen 624, 625 und Verbindungsteile 628, die den Verstrebungen 324, 325 und Verbindungsteilen 328 in 2 entsprechen. Der zweite Spulenträger 62 hat im Unterschied zu den Spulenträgern 32, 52 gemäß den vorangehenden Ausführungsbeispielen keine Rippen. Damit können bei einer Spule 20, die Wicklungsdrähte mit einem runden Querschnitt hat, die Wicklungsdrähte in horizontaler Richtung nicht so gut geführt werden, wie bei den Spulenträgern 32, 53 gemäß den vorangehenden Ausführungsbeispielen. Jedoch ist auch dieser Spulenträger für Spulen 20, die Wicklungsdrähte mit einem rechteckigen Querschnitt hat, gut geeignet. Zudem wird mit dem zweiten Spulenträger 62 gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Befüllung der Räume 41 bis 48 noch weiter erleichtert als bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen.
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Bei allen vorangehenden Ausführungsbeispielen erzeugt die Spule 20 zusammen mit anderen Statorelementen der elektrischen Maschine eine konstante kleine Spalte bzw. Raum 41, 42, allseitig zu weiteren Elementen, wie in 3 und 4 gezeigt. Damit wird um die Spule 20 ein Raum erzeugt, der in dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung des Stators für die elektrische Maschine mit einem gut wärmeleitenden Füllmaterial oder Füllmasse befüllt wird. Das gut wärmeleitende Füllmaterial ist vorzugsweise eine gut wärmeleitendes Kunststoffmaterial, insbesondere Epoxidharz, usw.
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Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen des Spulenhalters 30 und seiner Spulenträger 31, 32 und des Verfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
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Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
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Die Schritte S2 und S3 des Verfahrens können auch in einem einzigen Verfahrensschritt ausgeführt werden.
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Der Spulenhalter 30 und damit seine Spulenträger 31, 32 sind vorzugsweise ebenfalls aus einem gut wärmeleitfähigen Kunststoff gefertigt. Hierfür kann auch das gleiche Material wie das Füllmaterial zum Füllen der Räume 41 bis 48 Verwendung finden. Alternativ kann auch nur einer der Spulenträger 31, 32 aus dem gut wärmeleitfähigen Kunststoff gefertigt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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