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Die Erfindung betrifft einen Induktor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Zur Förderung von Hydrokarbonen aus einer Lagerstätte, beispielsweise zur Förderung von Schwerstölen oder Bitumen aus Ölsand oder Ölschiefervorkommen, ist es notwendig, eine möglichst große Fließfähigkeit der zu fördernden Hydrokarbone zu erreichen. Eine Möglichkeit die Fließfähigkeit der Hydrokarbone bei ihrer Förderung zu verbessern ist, die in der Lagerstätte vorherrschende Temperatur zu erhöhen.
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Eine angewendete Methode zur Erhöhung der Temperatur der Lagerstätte ist das induktive Heizen mittels eines Induktors, welcher in die Lagerstätte (Erdreich) eingebracht wird. Mittels des Induktors werden in elektrisch leitfähigen Lagerstätten Wirbelströme induziert, welche die Lagerstätte aufheizen, so dass es folglich zu einer Verbesserung der Fließfähigkeit der in der Lagerstätte vorliegenden Hydrokarbone kommt.
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Um eine zur geforderten Temperaturerhöhung ausreichende Heizleistung in der Umgebung des Induktors zu erreichen, sind typischerweise große Wechselstromstärken von einigen 100 A nötig, da das den Induktor umgebende Reservoir meist nur gering elektrisch leitfähig ist. Durch einen Betrieb des Induktors mit einer hohen Wechselstromstärke ergibt sich ein hoher induktiver Spannungsabfall entlang des Induktors, wobei der induktive Spannungsabfall in der Größenordnung von einigen 100 kV liegen kann. Solch hohe Spannungen lassen sich nur unschwer praktisch handhaben, so dass es erforderlich ist, diese zu kompensieren.
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Eine Kompensation des induktiven Spannungsabfalls wird, wie in der Patentschrift
DE 10 2007 040 605 beschrieben, beispielsweise durch in Serie geschaltete Kondensatoren ermöglicht (Blindleistungskompensation). In der dort vorgestellten Lösung werden die stromführenden Leiter des Induktors zur Ausbildung der Kondensatoren unterbrochen und weisen somit Unterbrechungsstellen auf.
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Nachteilig an der Serienschaltung von Kondensatoren ist, dass die Unterbrechungsstelle Schwachstellen des Induktors ausbilden. An den Unterbrechungsstellen treten Teilentladungen auf, die zur teilweisen oder vollständigen Zerstörung des Induktors führen können. Aufgrund der Unzugänglichkeit eines tief in die Lagerstätte eingebrachten Induktors sind besonders hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Induktors zu stellen. Insbesondere wird ein kontinuierlicher und wartungsfreier Betrieb über zehn bis zwanzig Jahre angestrebt. Bei Ausfall eines Kondensators des Induktors wird aufgrund der Reihenschaltung der Kondensatoren der gesamte Induktor funktionsuntüchtig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, die Zuverlässigkeit eines Induktors zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch einen Induktor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 13 gelöst. In den abhängigen Patenansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Induktor zur induktiven Heizung von Ölsand-, Ölschiefer- oder Schwerstöllagerstätten umfasst wenigstens einen Leiter mit einer den Leiter umgebenden Isolierschicht, wobei der Leiter wenigstens eine Unterbrechungsstelle aufweist. Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Endbereich des Leiters an der Unterbrechungsstelle unduloidartig ausgebildet.
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Bevorzugt sind beide Endbereiche der Unterbrechungsstelle unduloidartig ausgebildet.
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Erfindungsgemäß wird durch die unduloidartige Ausbildung des wenigstens einen Endbereiches des Leiters des Induktors ein Verrutschen oder Verschieben der Isolierschicht behindert oder verhindert. Durch die Verhinderung des Verschiebens der Isolierschicht wird die Teilentladungsfestigkeit des Leiters an der Unterbrechungsstelle an Enden des Leiters, die sich durch die Unterbrechungsstelle ausbilden, erhöht. Das ist deshalb der Fall, da durch eine Verhinderung des Verschiebens der Isolierschicht eine Bildung von Gas- oder Lufteinschlüssen verhindert wird, wobei die Gas- oder Lufteinschlüsse beispielsweise aufgrund der mechanischen Zugbelastung bei der Kabelherstellung – Verseilung, Umspulen und Weitere – entstehen. Erfindungsgemäß wird die Zuverlässigkeit der Isolierschicht des Leiters und folglich die Zuverlässigkeit des gesamten Induktors verbessert.
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Ein weiterer besonderer Vorteil des unduloidartig ausgebildeten Endbereiches des Leiters an der Unterbrechungsstelle ist, dass scharfe Kanten, die zu einer Feldstärkeüberhöhung (Überhöhung der elektrischen Feldstärke) an der Unterbrechungsstelle führen, mittels der unduloidartigen Ausbildung vermieden werden. Vorteilhafterweise wird durch die Vermeidung von Feldstärkeüberhöhungen, die über die Dauer des kontinuierlichen Betriebes des Induktors zu einer Zerstörung der Isolierschicht an der Unterbrechungsstelle und folglich zu einem Ausfall des Induktors führen können, die Zuverlässigkeit des Induktors weiter verbessert.
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Mit anderen Worten stellt die erfindungsgemäße unduloidartige Ausgestaltung des Endbereiches des Leiters an der Unterbrechungsstelle sowohl die elektrische als auch die mechanische Stabilität sicher. Durch die erfindungsgemäße und synergetische Kombination der elektrischen und mechanischen Stabilität, welche mittels der unduloidartigen Ausbildung des Endbereiches erreicht wird, wird insgesamt die Teilentladungsfestigkeit an der Unterbrechungsstelle des Leiters erhöht, so dass die Zuverlässigkeit des Induktors verbessert wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur induktiven Heizung von Ölsand-, Ölschiefer- oder Schwerstöllagerstätten wird ein Induktor mit wenigstens einem Leiter mit einer den Leiter umgebenden Isolierschicht verwendet, wobei der Leiter wenigstens eine Unterbrechungsstelle aufweist und ein Endbereich des Leiters an der Unterbrechungsstelle unduloidartig ausgebildet ist.
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Durch die unduloidartige Ausbildung des Endbereiches des Leiters an der Unterbrechungsstelle wird eine Verschiebung des Leiters gegenüber der Isolierschicht behindert oder verhindert. Dadurch werden Gas- oder Lufteinschlüsse an der Unterbrechungsstelle vermieden, die beispielsweise durch eine mechanische Zugbelastung während der Herstellung oder Verlegung des Induktors in der Lagerstätte auftreten können. Das Auftreten der genannten Gas- oder Lufteinschlüsse an der Unterbrechungsstelle würde zu einer Verringerung der Teilentladungsfestigkeit an der Unterbrechungsstelle führen. Durch den unduloidartigen Endbereich des Leiters an der Unterbrechungsstelle wird folglich die Teilentladungsfestigkeit erhöht. Erfindungsgemäß wird mittels des unduloidartigen Endbereiches die elektrische als auch die mechanische Zuverlässigkeit des Induktors verbessert. Es ergeben sich zum bereits genannten erfindungsgemäßen Induktor gleichartige und gleichwertige Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Besonders bevorzugt ist ein Induktor, bei dem wenigstens ein Ende des unduloidartigen Endbereiches des Leiters halbkugelförmig ausgebildet ist.
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Durch die halbkugelförmige Ausbildung des Endes des unduloidartigen Endbereiches werden vorteilhafterweise scharfe Kanten oder Ecken, die bei der Herstellung der Unterbrechungsstelle entstehen können, beispielsweise durch die Durchtrennung des Leiters mit einem Schneidewerkzeug, vermieden. Mit anderen Worten wird durch das halbkugelförmig ausgebildete Ende des unduloidartigen Endbereiches des Leiters die Teilentladungsfestigkeit an der Unterbrechungsstelle des Leiters weiter verbessert. Das ist deshalb der Fall, da die halbkugelförmige glatte Ausbildung des Endes Feldstärkeüberhöhungen, wie sie beispielsweise bei kantigen Formen auftreten, verhindert. Bevorzugt sind beide Enden der Unterbrechungstelle halbkugelförmig ausgestaltet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der wenigstens eine unduloidartige Endbereich wenigstens eine Einschnürung des Leiters auf.
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Mit anderen Worten wird die unduloidartige Ausgestaltung des Endbereiches mittels der wenigstens eine Einschnürung des Leiters gebildet.
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Hierbei ist als Einschnürung des Leiters eine Verringerung der Querschnittsfläche des Leiters anzusehen. Ist der Querschnitt des Leiters annähernd kreisförmig, so entspricht der Verringerung der Querschnittsfläche eine Verringerung des Radius oder Durchmessers des Querschnittes des Leiters.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der unduloidartige Endbereich des Leiters aus einer alternierenden Abfolge von Ausbeulungen und Einschnürungen des Leiters gebildet.
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Mit anderen Worten folgt auf eine Einschnürung des Leiters, das heißt auf eine Reduktion der Querschnittsfläche, eine Ausbeulung, das heißt eine gegenüber der reduzierten Querschnittsfläche vergrößerte Querschnittsfläche des Leiters. Besonders bevorzugt ist eine periodische oder gleichmäßige Abfolge von Ausbeulungen und Einschnürungen. Die Ausbeulungen können hierbei den ursprünglichen Querschnitt des Leiters wiederherstellen. Es ist folglich nicht erforderlich, die Querschnittsfläche oder den Radius des Querschnittes des Leiters über ihren oder seinen ursprünglichen oder durchschnittlichen Wert hinaus zu vergrößern.
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Mittels der Abfolge von Ausbeulungen und Einschnürungen des Leiters, die durch eine entsprechende Ausgestaltung der Querschnittsfläche des Leiters ermöglicht werden, wird vorteilhafterweise die unduloidartige Ausbildung des Endbereiches erreicht. Vorgesehen ist auch eine Ausbeulung des Leiters, die bezüglich ihres Radius oder Durchmessers über den ursprünglichen Radius oder Durchmesser des Querschnittes des Leiters hinausgeht.
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Durch die alternierende Abfolge der Ausbeulungen und Einschnürungen des Leiters wird vorteilhafterweise ein Verschieben des Leiters innerhalb der Isolierschicht behindert oder blockiert. Zusätzlich werden durch die abgerundete Ausgestaltung des unduloidartigen Endbereiches Feldstärkeüberhöhungen am Ende des Endbereiches vermindert, so dass die Teilentladungsfestigkeit an der Unterbrechungsstelle und folglich die Zuverlässigkeit des Induktors verbessert wird.
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Bevorzugt ist eine unduloidartige Ausgestaltung des Endbereiches, bei der die Krümmungsradien größer oder gleich einem Radius des Querschnittes (Querschnittsradius) des Leiters sind.
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Hierdurch werden Feldstärkeüberhöhungen weiter verringert, so dass die Teilentladungsfestigkeit des Leiters an der Unterbrechungsstelle zusätzlich vergrößert wird. Insbesondere ergibt sich dadurch ein unduloidartiger Endbereich, der einen besonders weichen oder glatten Übergang zwischen seinen Ausbeulungen und Einschnürungen aufweist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bildet der Leiter einen Leiter eines Multifilamentleiters aus.
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Hierbei ist vorgesehen, dass insbesondere alle Leiter des Multifilamentleiters eine Unterbrechungsstelle aufweisen, deren Endbereiche unduloidartig ausgebildet sind. Durch Gestaltung eines Multifilamentleiters aus einer Mehrzahl von Leitern mit unduloidartigen Endbereichen wird ein besonders vorteilhafter Induktor zur induktiven Heizung ermöglicht. Hierbei sind die Filamente des Multifilamentleiters mittels der Mehrzahl von Leitern gebildet. Bevorzugt umfasst ein Multifilamentleiter eine Mehrzahl von wenigstens 10 und höchstens 5000 Leitern. Hierdurch wird vorteilhafterweise die Heizleistung des Induktors erhöht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist am Ende des unduloidartigen Endbereiches ein keramischer und/oder mineralischer Isolierstoff angeordnet.
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Dadurch wird vorteilhafterweise die Teilentladungsfestigkeit der Unterbrechungsstelle beziehungsweise an den Enden der Unterbrechungsstelle weiter verbessert. Das ist deshalb der Fall, da keramische und/oder mineralische Isolierstoffe typischerweise eine hohe dielektrische Festigkeit aufweisen, so dass diese das Vermeiden von Teilentladungen an der Unterbrechungsstelle zusätzlich unterstützen. Besonders bevorzugt ist ein keramischer und/oder mineralischer Isolierstoff, der wenigstens ein Material aus der Glimmergruppe umfasst.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der wenigstens eine Endbereich des Leiters eine rutschfeste Beschichtung auf.
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Dadurch wird vorteilhafterweise die Teilentladungsfestigkeit an der Unterbrechungsstelle weiter verbessert, da die rutschfeste Beschichtung ein Verrutschen oder Verschieben der Isolierschicht gegenüber den von der Isolierschicht umgebenen Leiter verhindert. Mit anderen Worten ist eine Antirutschbeschichtung in den Endbereichen des Leiters vorgesehen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Unterbrechungsstelle des Leiters von einer elektrisch isolierenden Muffe umschlossen.
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Die Muffe dient zur mechanischen, kraftschlüssigen Verbindung der beiden Enden des Leiters, welche Enden durch die Unterbrechungsstelle des Leiters gebildet werden. Hierbei ist die Muffe zweckmäßigerweise zur Vermeidung eines Kurzschlusses an der Unterbrechungsstelle elektrisch isolierend ausgebildet. Bevorzugt ist eine aus Isolierstoff und/oder Isolierkunststoff gespritzte Muffe, die beide Enden der Unterbrechungsstelle umschließt. Hierbei ist eine Muffe vorgesehen, deren Außendurchmesser wesentlich größer als der Durchmesser des Querschnittes des Leiters ist.
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Bevorzugt ist ein Induktor mit einer Mehrzahl von Leitern, wobei die Unterbrechungsstellen der Leiter einen gegenseitigen Versatz entlang einer Längsachse des Induktors aufweisen.
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Dadurch wird vorteilhafterweise ein Induktor ausgebildet, dessen einzelne Leiter kapazitiv miteinander verkoppelt sind. Durch die Reihenschaltung der Kondensatoren, die durch die kapazitiv gekoppelten Leiter ausgebildet wird, wird vorteilhafterweise die Blindleistung des Induktors reduziert und/oder im Resonanzfall annähernd kompensiert.
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Besonders bevorzugt ist in Induktor aus einer Mehrzahl von Leitern, wobei sich die Leiter parallel entlang der Längsachse des Induktors erstrecken.
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Vorteilhafterweise wird durch den parallelen Verlauf der Leiter eine annähernd konstante Kapazität zwischen den Leitern ermöglicht, so dass eine gleichmäßige und gleich verteilte Belastung der Leiter des Induktors vorliegt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bilden die Leiter eine verflochtene und/oder verseilte Struktur aus, die sich entlang der Längsachse des Induktors erstreckt.
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Dadurch wird vorteilhafterweise eine Kabelanordnung der Leiter des Induktors ermöglicht, die durch eine Verflechtung und/oder Verseilung zum einen mechanisch stabilisiert wird und zum anderen zur Bildung von Kapazitäten zwischen den einzelnen Leitern besonders geeignet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der wenigstens eine Leiter mit einem Wechselstrom bestromt.
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Dadurch bildet sich vorteilhafterweise mittels der Induktivität des Leiter und den Kapazitäten, die durch die Unterbrechungsstelle und mittels benachbarter Leiter ausgebildet wird, ein elektrischer Schwingkreis mit einer dem Schwingkreis spezifischen Resonanzfrequenz aus. Vorteilhafterweise wird durch die Ausbildung eines Schwingkreises, insbesondere in der Resonanz des Schwingkreises, die Blindleistung, die für den Betrieb des Induktors zur Verfügung gestellt werden muss, verringert. Hierbei entspricht der Versatz der Unterbrechungsstellen, welcher Versatz sich entlang der Leiter oder des Induktors periodisch fortsetzt, der Resonanzlänge des Induktors.
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Zweckmäßig ist eine Bestromung mit einem Wechselstrom, dessen Frequenz im Bereich von 10 kHz bis 200 kHz liegt.
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Hierbei liegt vorteilhafterweise die Resonanzfrequenz des Schwingkreises im genannten Bereich von 10 kHz bis 200 kHz.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 einen Induktor, der einen Leiter mit unduloidartigen Endbereichen aufweist; und
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2 einen Induktor, der zwei Multifilamentleiter umfasst.
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Gleichartige Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt einen Induktor 1, wobei der Induktor 1 einen Leiter 2 mit einer Unterbrechungsstelle 4 umfasst. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Induktor 1 somit mittels des Leiters 2 ausgebildet, wobei eine Mehrzahl von gleichartig ausgebildeten Leitern 2 für den Induktor 1, beispielsweise zur Anpassung der Resonanzfrequenz, bevorzugt ist. Zur Bildung einer geeigneten Kapazität ist ein zweiter zum Leiter 2 parallel verlaufender Leiter vorgesehen. Hierbei kann der zweite Leiter eine gegenüber dem Leiter 2 versetzte Unterbrechungsstelle aufweisen, wobei der Versatz sich periodisch fortsetzt und der Resonanzlänge entspricht.
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An der Unterbrechungsstelle 4 weist der Leiter 2 zwei Endbereiche 6 auf, die jeweils unduloidartig ausgebildet sind. Hierbei wird die unduloidartige Ausgestaltung der Endbereiche 6 mittels einer Abfolge von Einschnürungen 10 und Ausbeulungen 12 des Querschnittes des Leiters 2 gebildet. Der Querschnitt des Leiters 2 verläuft senkrecht zu einer Längsachse A des Leiters 2 und ist annähernd kreisförmig ausgebildet. Die funktionale Form der Ausbeulungen und Einschnürungen kann dem Zweck angepasst werden. Beispielsweise ist eine cosinus- oder sinusförmige Profilkurve des unduloidartigen Endbereiches 6 vorgesehen. Die Profilkurve ergibt sich aus einem Längsschnitt des Leiters 2 entlang der Längsachse A in den Endbereichen 6.
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Die unduloidartigen Endbereiche 6 sind an ihren jeweiligen Enden 8 halbkugelförmig ausgebildet. Durch die halbkugelförmige Ausgestaltung oder Ausbildung der Enden 8 werden Feldstärkeüberhöhungen an den Enden 8 und folglich an der Unterbrechungsstelle 4 vermieden, so dass hierdurch die Teilentladungsfestigkeit an der Unterbrechungsstelle 4 erhöht wird.
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Die Ausbeulungen 12 der unduloidartigen Endbereiche 6 weisen im Querschnitt einen Radius auf, der dem Radius eines ursprünglichen Querschnittes des Leiters 2 entspricht. Hierbei ist als ursprünglicher Querschnitt des Leiters 2 ein mittlerer Querschnitt außerhalb der Endbereiche 6 zu verstehen. Mit anderen Worten stellen die Ausbeulungen 12 nur gegenüber den Einschnürungen 10 Ausbeulungen 12 des Leiters 2 dar. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die unduloidartigen Endbereiche 6 des Leiters 2 jeweils drei Ausbeulungen 12 und drei Einschnürungen 10 auf.
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Der sich entlang der Längsachse A erstreckende Leiter 2 ist von einer Isolierschicht 3 umgeben, die den Leiter 2 umschließt. Durch die unduloidartigen Endbereiche 6 des Leiters 2 an der Unterbrechungsstelle 4 werden die Feldstärkeüberhöhungen und folglich die Teilentladungen an der Unterbrechungsstelle 4 verringert, so dass die Isolierschicht 3 an der Unterbrechungsstelle 4 zum einen durch die Verringerung der Teilentladungen entlastet und zum anderen mechanisch durch die Abfolge von Ausbeulungen und Einschnürungen der Endbereiche 6 kraftschlüssig fixiert wird. Eine kraft- und formschlüssige Fixierung kann vorgesehen sein. Folglich ermöglicht die unduloidartige Ausbildung der Endbereiche 6 eine synergetische und vorteilhafte Kombination von mechanischer und elektrischer Festigkeit der Isolierschicht 3 an der Unterbrechungsstelle 4 des Leiters 2.
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Eine Aufbringung der Isolierschicht 3 auf die Oberfläche des Leiters 2 kann mittels Extrusion erfolgen.
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2 zeigt einen Induktor 1, der wenigstens zwei Multifilamentleiter 21, 22 umfasst, wobei die Multifilamentleiter 21, 22 jeweils aus einer Mehrzahl von Leitern 2 gebildet sind.
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Jeder Leiter 2 der Multifilamentleiter 21, 22 weist folglich Unterbrechungsstellen 4 auf, wobei die nicht dargestellten Endbereiche 6 der Leiter 2 an den Unterbrechungsstellen 4 unduloidartig ausgebildet sind. Mit anderen Worten setzen sich die Multifilamentleiter 21, 22 aus einer Mehrzahl von Leitern 2 gemäß 1 zusammen.
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Die Leiter 2 der Multifilamentleiter 21, 22 verlaufen im Wesentlichen zueinander parallel. Durch die Unterbrechungsstellen 4 und einen Versatz 14 der Unterbrechungsstellen 4 des ersten Multifilamentleiters 21 gegenüber den Unterbrechungsstellen 4 des zweiten Multifilamentleiters 22 werden vorteilhafterweise die Leiter 2 des ersten Multifilamentleiters 21 kapazitiv mit den Leitern 2 des zweiten Multifilamentleiters 22 gekoppelt. Hierbei entspricht der Versatz 14 im Wesentlichen einer Resonanzlänge, wobei sich der Versatz 14 entlang der Leiter 2 periodisch fortsetzt. Hierbei weist jeder Leiter 2 eine Mehrzahl von Unterbrechungsstellen 4 auf, wobei die Unterbrechungsstellen 4 eines jeden Leiters 2 einen konstanten Abstand zueinander aufweisen.
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Vorteilhafterweise wird durch die nicht dargestellten unduloidartigen Endbereiche 6 der Leiter 2 der Multifilamentleiter 21, 22 die Teilentladungsfestigkeit des Induktors 1 gegenüber nach dem Stand der Technik bekannte Induktoren verbessert. Zudem wird gegenüber dem Stand der Technik die mechanische Festigkeit an den Unterbrechungsstellen 4 durch die unduloidartigen Endbereiche 6 vergrößert.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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