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Die Erfindung betrifft einen Induktor zur Induktionserwärmung mit einem Zuleiter und einem Rückleiter sowie einem Hauptwindungsteil, der zumindest eine Hauptwindung mit einem ersten Drehsinn aufweist.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Induktoranordnung mit zumindest zwei Induktoren zur Induktionserwärmung mit jeweils einem Zuleiter und einem Rückleiter sowie einem Hauptwindungsteil, der zumindest eine Hauptwindung mit einem ersten Drehsinn aufweist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur induktiven Erwärmung mehrerer Objekte mit mehreren jeweils an eine separate Anregungseinheit angeschlossenen Induktoren.
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Induktoren werden für unterschiedliche industrielle Anwendungen eingesetzt, z. B. zum Aufschmelzen, Verdampfen oder zum Betrieb eines Induktionsverdampfes. Der Betrieb von benachbarten Induktoren führt oftmals zu Störungen an den Generatoren, d. h. den Anregungseinheiten, da die Induktoren magnetisch verkoppelt sind. Dadurch kommt es zu einer gegenseitigen Beeinflussung der angeschlossenen Generatoren, deren Leistung dadurch nicht mehr beliebig geregelt werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Induktor und eine Induktoranordnung bereit zu stellen, so dass der einwandfreie Betrieb von zwei oder mehr Induktoren, welche in geringem Abstand zueinander angeordnet sind, ermöglicht wird.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Induktor zur Induktionserwärmung mit einem Zuleiter und einem Rückleiter sowie einem Hauptwindungsteil, der zumindest eine Hauptwindung mit einem ersten Drehsinn aufweist, wobei sich an den Hauptwindungsteil an beiden Enden ein Gegenwindungsabschnitt mit zum ersten Drehsinn entgegengesetzten Drehsinn anschließt. Dadurch wird dem magnetischen Feld des Hauptwindungsteils ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld überlagert. Die Ausbreitung des Magnetfelds des Hauptwindungsteils wird im Außenraum des Induktors verändert, insbesondere am Ort des Gegenwindungsabschnitts. Dadurch wird das Streufeld im Außenraum des Induktors deutlich geschwächt. Die Gegeninduktivität zwischen benachbarten Induktoren wird verringert.
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Der Hauptwindungsteil ist dabei vorzugsweise für die induktive Erwärmung eines Körpers geeignet, insbesondere entsprechend ausgestaltet. Vorzugsweise ist der Hauptwindungsteil so ausgestaltet, dass er einen ausreichend großen Innendurchmesser aufweist, so dass ein zur Erwärmung vorgesehener Körper darin angeordnet werden kann.
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Zumindest ein Gegenwindungsabschnitt kann eine oder mehrere teilweise oder vollständige Windungen aufweisen. Eine oder mehrere teilweise Windungen haben den Vorteil, dass Wirkungsbereiche des Gegenwindungsabschnitts einstellbar sind. Eine Ausführung mit mehreren Windungen ermöglicht eine Verstärkung der Wirkung des Gegenwindungsabschnitts. Insbesondere kann ein Gegenwindungsabschnitt ausgelegt sein, das Streufeld im Außenraum des Induktors herabzusetzen.
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Der Hauptwindungsteil, insbesondere der Hauptwindungsteil zusammen mit zumindest einem Gegenwindungsabschnitt, kann helixförmig ausgestaltet sein. Alternativ kann der Hauptwindungsteil oder können Hauptwindungsteil und Gegenwindungsabschnitt einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben. Sowie der Hauptwindungsteil als auch der Gegenwindungsabschnitt können auch kegelförmig oder ellipsenförmig sein oder eine andere Form aufweisen. Insbesondere können der Hauptwindungsteil und/oder der Gegenwindungsabschnitt so ausgebildet sein, dass sie geeignet sind zur Aufnahme eines Schmelz- oder Verdampfertiegels.
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Außerdem ist es möglich, rechteckige oder quadratische zu erwärmende Körper mit konstantem Koppelspalt aufzunehmen.
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Zumindest ein Gegenwindungsabschnitt kann wenigstens den gleichen oder einen größeren Durchmesser als der Hauptwindungsteil aufweisen. Durch einen größeren Durchmesser des Gegenwindungsabschnitts kann die Ausbreitung des Magnetfelds des Hauptwindungsteils im Außenraum des Induktors noch stärker verändert werden.
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Der Hauptwindungsteil kann mit zumindest einem Gegenwindungsabschnitt durch eine Reihenschaltung verbunden sein, d. h. der Gegenwindungsabschnitt und der Hauptwindungsteil können elektrisch in Reihe geschaltet sein. Dies hat den Vorteil, dass der im Hauptwindungsteil fließende Wechselstrom mit der gleichen Phasenlage auch in den Gegenwindungsabschnitt fließt, wodurch die Ausbreitung des Magnetfelds des Hauptwindungsteils im Außenraum des Induktors maximal verändert wird.
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Der Hauptwindungsteil kann mehr Windungen als zumindest ein Gegenwindungsabschnitt aufweisen. Somit ist der Induktor besonders geeignet, eine induktive Erwärmung durchzuführen.
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Der Zuleiter und der Rückleiter können parallel, insbesondere abschnittsweise mit einem Abstand kleiner 1 cm, geführt sein. Insbesondere kann der Abstand zwischen Zuleiter und Rückleiter möglichst klein ausgeführt sein. Zwischen dem Zuleiter und dem Rückleiter kann ein Isolator angeordnet sein. Allerdings ist ein anderer Isolator als Luft oder Vakuum nicht zwingend erforderlich.
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Durch die parallele Führung von Zuleiter und Rückleiter kann die Zuleitungslänge begrenzt werden. Dadurch entstehen weniger Streufelder und entsprechend weniger Verluste in der Zuleitung. Durch einen geringen Abstand zwischen Zuleiter und Rückleiter kann die Induktivität der Zuleitung minimiert werden. Das Streufeld kann verringert werden. Ebenfalls können die Spannungsverluste verringert werden. Weiterhin kann eine Begrenzung des unerwünschten Feldes der Zuleitungen auf einem möglichst kleinen Raum erfolgen. Durch die Verwendung eines Isolators können Überschläge vermieden werden. Insbesondere kann durch die Verwendung eines Isolators ein definierter Abstand zwischen Zuleiter und Rückleiter realisiert werden.
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Der Zuleiter und/oder der Rückleiter können mit einem Gegenwindungsabschnitt durch einen Induktorabschnitt verbunden sein, der sich parallel zur Längsachse des Hauptwindungsteils erstreckt.
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Insbesondere kann sich der Induktorabschnitt etwa rechtwinklig zu dem Zuleiter und/oder dem Rückleiter erstrecken.
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Dabei kann der Induktorabschnitt außerhalb des Hauptwindungsteils angeordnet sein. Somit kann der zu erwärmende Körper innerhalb des Hauptwindungsteils angeordnet werden, ohne dass der Induktorabschnitt stört.
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Der Induktor kann eine Beschichtung zur Vermeidung von Korrosion aufweisen. Insbesondere kann es sich bei der Beschichtung um ein Polymer handeln.
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Der Induktor kann aus einem Rohr ausgebildet sein. Dadurch ist er geeignet, von Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser, durchströmt zu werden. Joule'sche Verluste können in diesem Fall durch das Kühlwasser abgeführt werden.
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Der Induktor kann aus Kupfer ausgebildet sein. Der ohmsche Widerstand des Induktors wird dadurch minimiert. Die Joule'schen Verluste im Kühlwasser des Induktors können dadurch minimiert werden.
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An den Enden des Zuleiters und des Rückleiters kann jeweils ein Anschluss zur Verbindung mit einer Anregungseinheit vorgesehen sein. Dabei kann die Anregungseinheit auch eine Vorrichtung zum Zuführen von Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser, aufweisen. Entsprechend können die Anschlüsse zur Verbindung mit einer Anregungseinheit auch als Kühlflüssigkeitsanschlüsse ausgebildet sein.
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Über die Anschlüsse kann der Induktor an einen Generator, insbesondere eine Anregungseinheit, angeschlossen werden. Er kann somit über die Anschlüsse sowohl mit Wechselstrom als auch mit Kühlwasser versorgt werden.
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In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Induktoranordnung mit zumindest zwei Induktoren zur Induktionserwärmung mit jeweils einem Zuleiter und einem Rückleiter sowie einem Hauptwindungsteil, der zumindest eine Hauptwindung mit einem ersten Drehsinn aufweist, an den sich an zumindest einem Ende ein Gegenwindungsabschnitt mit zum ersten Drehsinn entgegengesetzten Drehsinn anschließt, wobei die Induktoren jeweils an eine Anregungseinheit angeschlossen sind und ihre Achsen vorzugsweise einen Abstand zueinander von weniger als den 5-fachen Wert des Durchmessers oder der Länge eines Induktors aufweisen, je nachdem, welcher Wert größer ist. Mit dem Durchmesser ist der Durchmesser des Hauptwindungsteils gemeint. Bei der Länge des Induktors handelt es sich um die axiale Länge des Induktors einschließlich des Gegenwindungsabschnitts und einschließlich der Länge des Hauptwindungsteils in axialer Richtung Mit einer solchen Induktoranordnung ist es möglich, die Induktoren relativ nahe beieinander anzuordnen, ohne dass die Anregungseinheiten, die an die Induktoren angeschlossen sind, wesentlich beeinflusst werden. Die Leistung der Anregungseinheiten bleibt dadurch regelbar.
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Wenigstens einer der Induktoren kann als erfindungsgemäßer Induktor ausgebildet sein, d. h. an beiden Enden des Hauptwindungsteils einen Gegenwindungsabschnitt aufweisen.
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Die Zu- und Rückleiter der zumindest zwei Induktoren können parallel zueinander verlaufen. Dadurch können die Vorteile erzielt werden, die auch erzielt werden, wenn die Zu- und Rückleitung eines Induktors parallel zueinander verlaufen.
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Die Anschlüsse von zumindest zwei Induktoren können in einer Anschlussebene angeordnet sein. Insbesondere können die Hauptwindungsteile von zumindest zwei Induktoren mit dem gleichen Abstand zur Anschlussebene angeordnet sein. Eine Anschlussebene ist eine gedachte Fläche, die sich am Beginn der Zuleitung oder am Ende der Rückleitung eines Induktors befindet. Der Abstand von der Anschlussebene zum Hauptwindungsteil des Induktors kann gleich oder kleiner als die Länge der Zuleitung oder Rückleitung sein.
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Alternativ oder zusätzlich können die Hauptwindungsteile von zumindest zwei Induktoren mit unterschiedlichem Abstand zur Anschlussebene angeordnet sein.
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Zumindest eine Anregungseinheit kann einen Außenkreis aufweisen, der zumindest einen Kondensator aufweist und derart ausgestaltet ist, dass der Kondensator zusammen mit dem an die Anregungseinheit angeschlossenen Induktor zumindest einen Teil eines Schwingkreises, insbesondere eines Parallelschwingkreises, bildet. Der Betrieb des Induktors in einem Schwingkreis, insbesondere in einem Parallelschwingkreis, ermöglicht es, dass die Anregungseinheit einen kleineren Strom als den Induktorstrom liefern muss.
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Die Anregungseinheiten, die benachbarten Induktoren zugeordnet sind, können derart ausgestaltet sein, dass die benachbarten Induktoren bei verschiedenen Frequenzen arbeiten. Dabei kann die Frequenz der einen Anregungseinheit etwa das Doppelte der Frequenz der anderen Anregungseinheit betragen. Alternativ kann die Frequenz der einen Anregungseinheit mehr als das Doppelte der Frequenz der anderen Anregungseinheit betragen, insbesondere mehr als das 2,5-fache, oder vorteilhafterweise mehr als das Dreifache der Frequenz der anderen Anregungseinheit betragen
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Die Anregungseinheit kann so ausgestaltet sein, bei einer Anregungsfrequenz zu arbeiten, die der Resonanzfrequenz des Schwingkreises entspricht. Die Frequenz kann dabei typischerweise im Bereich zwischen 2 kHz und 50 kHz liegen, insbesondere zwischen 5 kHz und 25 kHz. Besonders bevorzugt kann die Frequenz bei exakt 8,2 kHz oder 22 kHz liegen.
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Wenn die Anregungsfrequenz der Resonanzfrequenz des Schwingkreises entspricht, muss die Anregungseinheit bei der Resonanzfrequenz nur die Wirkleistung liefern, die zur Erwärmung erforderlich ist. Die Blindleistung zum Aufbau des elektromagnetischen Feldes liefert der Schwingkreis selbst.
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Innerhalb der Induktoren, insbesondere innerhalb des Hauptwindungsteils, können Tiegel zum Aufschmelzen und insbesondere zum Verdampfen von Metall angeordnet sein.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die erfindungsgemäße Induktoranordnung in einem Induktionsverdampfer zur Beschichtung, insbesondere Metallisierung, von Folien, verwendet wird.
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In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Verfahren zum induktiven Erwärmen mehrerer Objekte mit mehreren jeweils an eine separate Anregungseinheit angeschlossenen Induktoren, wobei die Induktoren jeweils einen Zuleiter und einen Rückleiter sowie einen Hauptwindungsteil aufweisen, der zumindest eine Hauptwindung mit einem ersten Drehsinn aufweist. Dabei wird eine erste Anregungseinheit bei einer Frequenz betrieben und eine zweite Anregungseinheit wird bei einer zweiten, von der ersten Frequenz abweichenden Frequenz betrieben. Die zweite Frequenz kann zumindest das Zweifache der ersten Frequenz sein. Insbesondere kann die erste Frequenz in einem Bereich 2 bis 15 kHz, vorzugsweise von 5 bis 10 kHz, ganz besonders bevorzugt exakt bei 8,2 kHz liegen. Die zweite Frequenz kann im Bereich 15 bis 50 kHz, insbesondere 18 bis 25 kHz, vorzugsweise exakt bei 22 kHz liegen.
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Es können zwei benachbarte Induktoren bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden. Wenn die Induktoren als erfindungsgemäße Induktoren ausgebildet sind, können die Induktoren bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden, ohne sich gegenseitig wesentlich zu beeinflussen.
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Zumindest zwei Induktoren können abwechselnd bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden.
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Induktoren, die mit dem gleichen Abstand zur Anschlussebene angeordnet sind, können bei der gleichen Frequenz betrieben werden.
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Induktoren, deren Hauptwindungsteile mit unterschiedlichem Abstand zur Anschlussebene angeordnet sind, können bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
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In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform eines Induktors in einer perspektivischen Darstellung;
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2 eine Draufsicht auf den Induktor gemäß der 1;
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3 eine Induktoranordnung.
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Die 1 zeigt einen Induktor 1 mit einem Hauptwindungsteil 2 und zwei Gegenwindungsabschnitten 3, 4. Der Hauptwindungsteil 2 weist Hauptwindungen 5 mit einem ersten Drehsinn auf. Die Gegenwindungsabschnitte 3, 4 weisen den entgegengesetzten Drehsinn auf. Die Gegenwindungsabschnitte 3, 4 befinden sich an den gegenüberliegenden Enden des Hauptwindungsteils 2. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Hauptwindungen 5 des Hauptwindungsteils 2 und die Gegenwindungsabschnitte 3, 4 denselben Durchmesser auf. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Gegenwindungsabschnitte 3, 4 einen größeren Durchmesser aufweisen als die Hauptwindung 5 des Hauptwindungsteils 2. Der Induktor 1 weist eine Länge l auf, die den Hauptwindungsteil 2 und die Gegenwindungsabschnitte 3, 4 umfasst.
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Die Gegenwindungsabschnitte 3, 4 weisen im gezeigten Ausführungsbeispiel eine nahezu vollständige Windung auf. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Gegenwindungsabschnitte 3, 4 nur einen Teil einer Windung aufweisen.
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Die Gegenwindungsabschnitte 3, 4 sind in einer elektrischen Reihenschaltung mit dem Hauptwindungsteil 2 verbunden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Gegenwindungsabschnitte 3, 4 mit dem Hauptwindungsteil 5 durch Induktorabschnitte 6, 7 verbunden sind, die eine Umlenkung um 180° bewirken.
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Der Gegenwindungsabschnitt 4 ist mit einem Zuleiter 8 und der Gegenwindungsabschnitt 3 ist über einen Induktorabschnitt 9 mit dem Rückleiter 10 verbunden. Der Induktorabschnitt 9 verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Rückleiters 10 und außerhalb des Hauptwindungsteils 5. Der Zuleiter 8 und der Rückleiter 10 sind an Anschlüsse 11, 12 angeschlossen, die zum Anschluss an eine Anregungseinheit aber auch zum Anschluss an einen Kühlmittelkreislauf dienen.
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Insbesondere aus der 2, die eine Draufsicht auf die 1 zeigt, ist zu erkennen, dass der Zuleiter 8 und der Rückleiter 10 nahe beieinander angeordnet sind und zu einem wesentlichen Teil parallel zueinander verlaufen. Außerdem ist zu erkennen, dass die Gegenwindungsabschnitte 3, 4 und der Hauptwindungsteil 2 konzentrisch zueinander angeordnet sind. In einem Innenraum 13 kann ein zu erwärmender Körper oder ein Schmelztiegel angeordnet werden.
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Zwischen dem Zuleiter 8 und dem Rückleiter 10 kann ein Isolator 14 angeordnet sein. Außerdem ist den 1 und 2 zu entnehmen, dass der Hauptwindungsteil 2 zylindrisch ausgestaltet ist. Der Hauptwindungsteil 2 weist mehr Windungen auf als die Gegenwindungsabschnitte 3, 4. Sowohl der Induktorabschnitt 9 als auch der Induktorabschnitt 15, über den der Zuleiter 8 mit dem Gegenwindungsabschnitt 4 verbunden ist, verlaufen parallel zur Längsachse des Hauptwindungsteils 2.
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Die 3 zeigt eine Induktoranordnung 100, die im gezeigten Ausführungsbeispiel drei Induktoren 1, 1a, 1b aufweist. Die Induktoren 1, 1a, 1b sind ausgebildet wie in der 1 dargestellt. Sie könnten jedoch auch so ausgebildet sein, dass lediglich ein Gegenwindungsabschnitt an einem Ende des Hauptwindungsteils 5 vorgesehen ist. Außerdem können die Induktoren 1, 1a, 1b unterschiedlich ausgebildet sein, d. h. es kann beispielsweise ein Induktor 1 vorgesehen sein, der zwei Gegenwindungsabschnitte an gegenüberliegenden Enden des Hauptwindungsteils aufweist. Weiterhin kann ein Induktor vorgesehen sein, der lediglich an einem Ende des Hauptwindungsteils einen Gegenwindungsabschnitt aufweist und es kann beispielsweise ein dritter Induktor vorgesehen sein, der keinen Gegenwindungsabschnitt aufweist. Hier sind beliebige Variationen möglich. Zumindest einer der Induktoren sollte jedoch zumindest einen Gegenwindungsabschnitt aufweisen, um das Streufeld zu reduzieren und die Induktoren 1 nahe beieinander anordnen zu können.
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Der Abstand d zwischen den Längsachsen der Hauptwindungsteile 2 zweier benachbarter Induktoren 1 und 1a bzw. 1a und 1b beträgt dabei vorzugsweise weniger als das Fünffache des Durchmessers D eines Hauptwindungsteils 2 eines Induktors 1, 1a, 1b oder der Länge l eines Induktors 1.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist zu sehen, dass die Zu- und Rückleiter 8, 10 der Induktoren 1, 1a, 1b parallel verlaufen, d. h. nicht nur der Zuleiter 8 und Rückleiter 10 eines Induktors 1 sondern auch sämtliche Zuleiter 8 und sämtliche Rückleiter 10 verlaufen parallel zueinander. Die Induktoren 1, 1a, 1b sind jeweils an eine Anregungseinheit 101, 102, 103 angeschlossen. Durch die Anregungseinheiten 101 bis 103 werden die Induktoren 1, 1a, 1b auch mit Kühlflüssigkeit versorgt. Die Anregungseinheiten 101 bis 103 arbeiten unabhängig voneinander und können einen Wechselstrom mit unterschiedlicher Anregungsfrequenz erzeugen. Dabei kann beispielsweise die Anregungseinheit 101 eine erste Anregungsfrequenz erzeugen und die Anregungseinheit 102 eine zweite Anregungsfrequenz erzeugen. Die zweite Anregungsfrequenz kann insbesondere etwa das Doppelte von der ersten Anregungsfrequenz sein. Insbesondere können die Anregungseinheiten 101 bis 103 unterschiedliche Anregungsfrequenzen erzeugen.
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Die Anregungseinheiten 101 bis 103 sind alle in derselben Anschlussebene e angeordnet Die Hauptwindungsteile 2 von benachbarten Induktoren 1 und 1a sowie 1a und 1b sind mit unterschiedlichem Abstand zur Anschlussebene e angeordnet. Die weiter entfernt voneinander angeordneten Hauptwindungsteile 2 der Induktoren 1 und 1b sind in gleichem Abstand zur Anschlussebene e angeordnet.
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Die Anregungseinheit 101 weist einen Außenkreis 104 auf, der einen Kondensator aufweist und derart ausgestaltet ist, dass der Kondensator zusammen mit dem an die Anregungseinheit 101 angeschlossenen Induktor 1 zumindest einen Teil eines Schwingkreises, insbesondere eines Parallelschwingkreises, bildet. Alle Anregungseinheiten 101 bis 103 können einen solchen Außenkreis aufweisen.
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Angedeutet ist in der 3, dass innerhalb der Induktoren 1, 1a, 1b Tiegel 110 bis 112 zum Aufschmelzen von Metall angeordnet sind.
