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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Spulenanordnung für einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine mittels eines solchen Verfahrens hergestellte Spulenanordnung gemäß Anspruch 10.
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Dabei geht es vorliegend insbesondere um die Herstellung einer Spulenanordnung aus einem von einer Isolationsschicht umgebenen Draht, wobei die Spulenanordnung außerdem (zusätzlich zu der Isolationsschicht der einzelnen Drähte) eine äußere, isolierende Hülle (Schutzhülle) aufweist.
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Derartige Spulenanordnungen werden zum Beispiel in Form vorgeformter Spulen bereitgestellt. Das heißt, der zur Bildung der Spulenanordnung verwendete (mit einer Isolationsschicht versehene) Draht wird nicht unmittelbar auf einen Kern gewickelt, sondern vielmehr ohne Kern gewickelt und sodann in einen Elektromotor eingebaut. Hierbei kann ein Aufsetzen der kernlosen Spulenanordnung auf einen in den Elektromotor integrierten Eisenkern erfolgen; es kann aber auch vorgesehen sein, die Spulenanordnung als so genannte „Luftspule“ in dem Elektromotor ohne zugehörigen Kern zu betreiben.
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Insbesondere, wenn ein Elektromotor, zum Beispiel in Form eines Linearmotors, für eine hochgenaue und gegebenenfalls auch schnelle Positionierung von Objekten, wie zum Beispiel eines Maschinenteiles einer Werkzeugmaschine, eingesetzt werden soll, ist ein geringes Gewicht der verwendeten Spulenanordnung vorteilhaft. Hierzu kann der Verzicht auf einen Eisenkern einen wesentlichen Beitrag liefern. Andererseits sind dann entsprechend größere Spulenströme erforderlich, um auch ohne Eisenkern hinreichend große Kräfte am Motor erzeugen zu können. Dies erfordert wiederum eine besonders gute Kühlung der Spulenanordnung. In der
EP 2 808 986 A1 sind diesbezüglich mehrere Einzelspulen dargestellt, die zur Kühlung auf einem großflächigen Kühlkörper angeordnet sind.
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Selbst bei Verwendung eines optimierten Kühlkörpers lässt sich aber eine effektive Kühlung einer Spulenanordnung nur dann gewährleisten, wenn ein hinreichend guter Wärmeübergang zwischen dem Spulendraht und dem Kühlkörper sichergestellt ist. Dieser ist insbesondere dann nicht ohne weiteres erreichbar, wenn eine Spulenanordnung, wie eingangs dargestellt, zusätzlich zu einer Isolationsschicht des Spulendrahtes eine äußere, isolierende Hülle aufweist.
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Unter einer Spulenanordnung wird dabei vorliegend mindestens eine aus mit einer Isolationsschicht versehenem Draht gewickelte Spule verstanden, einschließlich einer die Spule(n) umgebenden äußeren Hülle.
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Aus der
US 2008/0001485 A1 ist eine Spulenanordnung bekannt, bei der eine Spule mit einer zusätzlichen äußeren, isolierenden Hülle versehen ist. Um zu erreichen, dass sich diese Hülle möglichst eng an die äußere Oberfläche der gewickelten Spule anlegt, wird – nach dem Aufbringen der isolierenden Hülle auf die Spule – die gesamte Anordnung in eine dichtend verschließbare Tasche eingebracht und der Raum innerhalb der Tasche zur Erzeugung eines Vakuums evakuiert. Hierbei legt sich die isolierende Hülle eng an die Oberfläche der gewickelten Spule an und durch Erwärmung jener Oberfläche sowie ein Anschmelzen der isolierenden Hülle kommt es zu einer dauerhaften Verbindung zwischen der isolierenden Hülle und der Oberfläche der Spule. Anschließend wird die Vakuumtasche wieder entfernt. Um ein zuverlässiges und zerstörungsfreies Abnehmen der Tasche von der Spulenanordnung zu gewährleisten, wird zwischen der isolierenden Hülle der Spulenanordnung und der Vakuumtasche mindestens eine zusätzliche Schicht („Löseschicht“) aufgebracht.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Herstellung einer Spulenanordnung aus mit einer Isolationsschicht versehenem Draht zu schaffen, das einfach und kostengünstig ausgeführt werden kann.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach wird zur Herstellung der Spulenanordnung eine aus mit einer Isolationsschicht versehenem Draht gewickelte Spule (insbesondere ohne Spulenkern) bereitgestellt und diese mit einer dichtend verschlossenen, äußeren Hülle (Schutzhülle) versehen, wobei durch die Schutzhülle z.B. eine Anschlussleitung hindurchgeführt ist, um den zwischen der Schutzhülle und der Spule bzw. deren der äußerer Oberfläche befindlichen Raum (mittels einer Vakuumpumpe) evakuieren zu können. Hierbei legt sich die Schutzhülle eng an die Spule bzw. deren äußere Oberfläche an. Sodann wird die Spule einschließlich der Schutzhülle erwärmt, so dass das Material der Isolationsschicht des Spulendrahtes und/oder das Material der Schutzhülle angeschmolzen wird. Hierdurch wird die Schutzhülle mit (der äußeren Oberfläche) der Spule in einem Zustand (stoffschlüssig) verbunden, in welchem die Schutzhülle eng an der Oberfläche der Spule anliegt und deren Topologie folgt. Dies ermöglicht einen verbesserten Wärmeübergang zwischen der Spulenanordnung (gebildet durch die Spule sowie die eng an ihrer äußeren Oberfläche anliegenden Schutzhülle) einerseits und einem Kühlkörper andererseits. Abschließend wird noch die Anschlussleitung von der resultierenden Anordnung abgenommen.
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Durch die erfindungsgemäße Erzeugung eines Unterdrucks bzw. eines Vakuums in dem Raum zwischen der Schutzhülle und der gewickelten Spule bzw. deren äußerer Oberfläche, bevor die Spulenanordnung erwärmt wird, enthält die resultierende Spulenanordnung in jenem Raum keine bzw. nur vernachlässigbar wenige Lufteinschüsse. Die Oberfläche der resultierenden Spulenanordnung besteht aus dem Material der Isolationsschicht des Spulendrahtes sowie dem Material der Schutzhülle, welche miteinander verschmolzen sind.
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Dabei ist eine kostengünstige Herstellung der Spulenanordnung mit geringem Materialeinsatz möglich, da die Schutzhülle der fertigen Spulenanordnung während des Herstellungsprozesses gleichzeitig eine Vakuumtasche bildet, in welcher ein Unterdruck bzw. Vakuum erzeugt wird, um ein enges Anliegen der Schutzhülle an der äußeren Oberfläche der Spule zu erreichen. Die Schutzhülle wird hierfür durch eine flexible Hülle, insbesondere in Form von Folie (Kaptonfolie) gebildet.
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Die Schutzhülle kann insbesondere mehrteilig ausgeführt sein. Sie umfasst beispielsweise ein erstes Schutzhüllenteil mit einer Öffnung, durch die hindurch eine Spule in das erste Schutzhüllenteil eingefügt werden kann, sowie ein zweites Schutzhüllenteil zum gasdichten Verschließen der Öffnung, zum Beispiel, indem die beiden Schutzhüllenteile an einem gemeinsamen Rand miteinander verschmolzen werden.
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Die Form und Größe der Schutzhülle bzw. der einzelnen Schutzhüllenteile ist vorteilhaft so gewählt, dass die resultierende Schutzhülle bereits vor der Erzeugung eines Unterdrucks bzw. Vakuums möglichst dicht an der äußeren Oberfläche der hierin aufgenommenen Spule anliegt.
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Die Isolationsschicht des Spulendrahtes und/oder die Schutzhülle können jeweils aus einem thermoplastischen Material bestehen, etwa Polyimiden, Polyesterimiden oder Polyamiden (im Fall der Isolationsschicht) bzw. Polyamiden oder Polyaramiden (im Fall der Schutzhülle).
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Vor dem Einbringen der Spule in die Schutzhülle kann erstere bereits mit einem Halter versehen sein, über den die Spulenanordnung z.B. an einem Elektromotor festgelegt werden kann. Konkret kann als Halter ein Befestigungsblock dienen, der (anstelle eines Spulenkerns) in eine Öffnung eingebracht wird, um welche die Spule gewickelt ist. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass in dem Befestigungsblock – durch die Schutzhülle hindurch – mindestens eine Befestigungsstelle, insbesondere in Form einer Befestigungsöffnung, hergestellt wird, nachdem die Isolationsschicht des zur Spule gewickelten Drahtes und die Schutzhülle durch Anschmelzen stoffschlüssig miteinander verbunden worden sind. Der Befestigungsblock besteht bevorzugt aus Kunststoff und/oder Leichtmetall, wie z.B. Aluminium.
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Alternativ kann ein Halter erst nach der Herstellung der Spulenanordnung angebracht werden, wobei dann die Schutzhülle abschnittsweise geöffnet werden muss.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird zwischen der Spule sowie der Schutzhülle eine wärmeleitende Klebeschicht angeordnet. Dies kann zum Beispiel in der Weise erfolgen, dass die äußere Oberfläche der Spule mit einer wärmeleitenden Klebeschicht versehen wird, bevor die Spule in die Schutzhülle eingebracht wird. Die zusätzliche Klebeschicht unterstützt eine dauerhafte (thermisch leitfähige) Verbindung zwischen der äußeren Oberfläche der Spule und der hierum gelegten Schutzhülle.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Figuren deutlich werden.
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Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch eine Spulenanordnung mit einer gewickelten Spule, die in einer Schutzhülle aufgenommen ist, vor einem Erwärmen der Spulenanordnung;
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2 die Spulenanordnung aus 1 nach einem Erwärmen, so dass die Schutzhülle und eine Isolationsschicht des Spulenddrahtes durch Anschmelzen miteinander verbunden sind;
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3a eine erste Variante zur Bildung einer Schutzhülle aus Hüllenteilen;
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3b eine zweite Variante zur Bildung einer Schutzhülle aus Hüllenteilen;
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4 eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers zusammen mit mehreren Spulen, zum Beispiel eines Primärteiles eines Linearmotors.
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4 zeigt zur Illustration des technischen Hintergrundes des nachfolgend anhand der 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispieles einen Kühlkörper (Kühlplatte K), an dem (beidseits, was jedoch nicht zwingend ist, oder aber nur einseitig) Spulen S1, S2, S3 bzw. S1‘, S2‘, S3‘ eines Primärteiles P eines Linearmotors angeordnet sind. Die beispielhaft dargestellten, flächigen Spulen S1, S2, S3; S1‘, S2‘, S3‘ bestehen jeweils aus einem Draht, zum Beispiel Kupferdraht, der von einer Isolationsschicht umgeben ist und der um eine zentrale Öffnung der jeweiligen Spule gewickelt ist. Die Wicklung der Spulen kann zum Beispiel in der Weise erfolgen, dass zwar viele Drähte flächig in einer Ebene nebeneinander liegen, aber nur eine oder wenige Lagen solcher Windungen senkrecht zur Spulenachse vorliegen. Eine solche Spulenform führt einerseits zu einem flachen Aufbau des Primärteiles und ermöglicht andererseits einem großflächigen Kontakt mit dem – ebenfalls flächigen – Kühlkörper K in Form einer Kühlplatte. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung, wie nachfolgend anhand der 1 und 2 beschrieben, ist dabei unabhängig von der konkret verwendeten Technik zur Wicklung einer Spule.
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Der Kühlkörper K weist in seinem Inneren Kühlkanäle auf, durch die hindurch beim Betrieb des entsprechenden Motors ein Kühlmittel, insbesondere in Form einer Kühlflüssigkeit, strömt, um die Spulen S1, S2, S3; S1‘, S2‘, S3‘ zu kühlen, also insbesondere eine zu starke Erwärmung der Spulen als Folge des im Motorbetrieb durch die Spule fließenden Stromes zu vermeiden. Da es sich bei dem in 6 dargestellten Primärteil um ein sogenanntes eisenloses Primärteil handelt, die Spulen S1, S2, S3; S1‘, S2‘, S3‘ also als sogenannte Luftspulen betrieben werden, übernimmt der Kühlkörper K weiterhin die Funktion der Aufnahme der Spulen.
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Vorliegend werden dabei Spulen des Typs betrachtet, die in einer isolierenden Hülle (flexible Schutzhülle), insbesondere gebildet durch Folie, untergebracht sind. Hierbei besteht das Problem, dass eine gute Wärmeableitung von der sich im Betrieb erwärmenden Spule in den zugehörigen Kühlkörper gewährleistet werden muss. Wie dies erreicht werden kann, wird nachfolgend anhand des Ausführungsbeispieles der 1 und 2 beschrieben. Dabei wird der Begriff „Spulenanordnung“ für mindestens eine in einer Schutzhülle angeordneten Spule verwendet.
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1 zeigt einen Querschnitt durch eine Spule 1, bei der es sich beispielsweise um eine der Spulen S1, S2, S3; S1‘, S2‘, S3‘ der vorstehend anhand 4 beschriebenen Art handeln kann. Die Spule 1 ist gewickelt aus Draht 15, zum Beispiel Kupferdraht. Der Draht 15 ist von einer Isolationsschicht 16 umgeben. Diese kann aus einem thermoplastischen Material, wie zum Beispiel Polyamid, bestehen.
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Der (ringförmige) Spule 1 wird begrenzt durch eine äußere Oberfläche, die zwei einander gegenüberliegende Deckflächen 10, 10‘ sowie eine innere Begrenzungswand 11 und eine äußere Begrenzungswand 12 bildet. Die innere Begrenzungswand 11 umschließt dabei ringförmig eine zentrale Öffnung O der Spule 1; und die äußere Begrenzungswand 12 verläuft ringförmig auf der der inneren Begrenzungswand 11 (und damit der zentralen Öffnung O) abgewandten Seite der Spule 1.
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In der zentralen Öffnung O der Spule 1 ist ein Befestigungsblock 3 angeordnet (in 2 nicht mit dargestellt), welcher einer Befestigung der Spule 1 an einer weiteren Baugruppe, wie z.B. dem Primärteil eines Elektromotors (insbesondere an einem Kühlkörper), dient und welcher beispielsweise aus Kunststoff und/oder Leichtmetall besteht. Der Befestigungsblock 3 kann dabei an der inneren Begrenzungswand 11 der Spule 1 anliegen.
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Die Spule 1 ist – zusammen mit dem Befestigungsblock 3 – aufgenommen in einer Schutzhülle 2 (isolierenden Hülle), die vorliegend flexibel ausgeführt ist und die beispielsweise durch Folie gebildet sein kann. Zur gasdichten Aufnahme der Spule 1 in der Schutzhülle 2 kann letztere mehrteilig ausgebildet sein. Die Spule 1 wird dann, gemeinsam mit dem hieran angeordneten Befestigungsblock 3, durch eine hierfür vorgesehene Öffnung eines ersten Hüllenteiles in dieses eingesetzt; und die Öffnung wird anschließend mit einem zweiten Hüllenteil gasdicht verschlossen.
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Zwei Möglichkeiten zur Herstellung einer die Spule 1 (und den Befestigungsblock 3) umschließenden Schutzhülle 2 aus zwei Hüllenteilen sind in den 3A und 3B dargestellt, die jeweils einen Querschnitt durch eine Spule 1 mit einem (in deren zentraler Öffnung O angeordneten) Befestigungsblock 3 sowie einen diese aufnehmenden Schutzhülle 2 im Querschnitt zeigen.
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Gemäß 3A werden zwei jeweils einseitig offene Hüllenteile 21, 22 derart von einander gegenüberliegenden Seiten auf die Spule 1 aufgeschoben, dass die offenen Seiten der Hüllenteile 21, 22 einander zugewandt sind und die beiden Hüllenteile 21, 22 nach dem Aufbringen auf die Spule 1 einander in einem Überlappungsbereich U überlappen. Ein Hüllenteil 22 bildet dabei zusätzlich einen Anschluss 22a, dessen Funktion nachfolgend noch näher erläutert werden wird.
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Bei dem in 3B dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst ein erstes Hüllenteil 23 die Spule (zusammen dem Befestigungsblock 3) nahezu vollständig; ein zweites Hüllenteil 24 dient dabei im Wesentlichen lediglich dazu, die resultierende Schutzhülle 2 im Bereich eines am ersten Hüllenteil 23 ausgebildeten Anschlusses 23a abzudichten, wenn die nachfolgend wiederum anhand der 1 und 2 beschriebenen weiteren Verarbeitungsschritte durchgeführt worden sind.
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Die resultierende Schutzhülle 2 aus den 1 und 2, die beispielsweise gemäß den 3A und 3B gebildet worden sein kann, umfasst die darin aufgenommene Spule 1 (sowie den Befestigungsblock 3) vollständig und im Wesentlichen gasdicht (bei gegebenenfalls noch abzudichtendem Anschluss 22a, 23a gemäß den 3A, 3B).
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Dabei befinden sich in dem Raum R zwischen der äußeren Oberfläche 10, 10‘, 12 der Spule 1 einerseits und der Schutzhülle 2 andererseits Gaseinschlüsse (Lufteinschlüsse). Dies gilt insbesondere für den Bereich zwischen einer jeweiligen Deckfläche 10, 10‘ der Spule 1 und dem jeweils gegenüberliegenden Teil der Schutzhülle 2, da ja die Deckfläche aufgrund der Geometrie der einzelnen Drähte 15, aus denen diese gebildet ist, nicht eben sein kann, was eine unmittelbare Anlage der Schutzhülle 2 an den Deckflächen 10, 10‘ erschwert. Zwischen der Schutzhülle 2 und der Spule 1 eingeschlossenes Gas beeinträchtigt jedoch den gewünschten Wärmeübergang, wenn eine Spule durch Anordnung auf einem Kühlkörper, wie in 3 dargestellt, gekühlt werden soll.
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Daher ist vorliegend vorgesehen, den Raum R zwischen der Schutzhülle 2 und der Spule 1 zur Erzeugung eines Unterdrucks bzw. eines Vakuums zu evakuieren. Hierzu wird eine Gasleitung, zum Beispiel in Form eines Schlauches, derart angeordnet, dass dieser durch die Schutzhülle 2 hindurch in den Raum R zwischen der Schutzhülle 2 und der Spule 1 ragt. Dies kann einerseits derart erfolgen, dass die Gasleitung bzw. der Schlauch durch diejenige Öffnung der Schutzhülle 2 hindurchgeführt wird, durch die auch die Spule 1 in die Schutzhülle 2 eingefügt wurde, oder es ist ein separater Anschluss 22a, 23a für eine Gasleitung vorgesehen, wie in den 3A, 3B dargestellt. Das anschließende Abdichten der Schutzhülle 2 erfolgt dann um jene Leitung bzw. jenen Schlauch herum.
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Über die Gasleitung, zum Beispiel in Form eines Schlauches, wird sodann ein Unterdruck in dem Raum R zwischen der Spule 1 und der Schutzhülle 2 erzeugt, derart, dass sich die Schutzhülle 2 unmittelbar an die äußere Oberfläche 10, 10‘, 12 der Spule 1 sowie an den Befstigungsblock 3 anlegt. Zwischen der Spule 1 und der Schutzhülle 2 befindet sich dann im Wesentlichen kein Gas mehr – je nach Stärke des erzeugten Unterdrucks bzw. je nach der Nähe zu einem tatsächlichen Vakuum.
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Anschließend wird die Spule 1 zusammen mit der umgebenden Schutzhülle 2 (bei bestehendem Unterdruck) in eine Heizeinrichtung (Ofen) gegeben, in welcher eine solche Temperatur erzeugt wird, dass die Isolationsschicht 16 des Spulendrahtes 15 und/oder das Material der Schutzhülle 2 angeschmolzen werden. Hierdurch werden die äußere Oberfläche 10, 10‘, 12 der Spule 1 sowie der Befestigungsblock 3 einerseits und die Schutzhülle 2 andererseits (ohne Einschluss von Gas) stoffschlüssig miteinander verbunden. Gleichzeitig liegen sie, wegen des zuvor erzeugten Unterdrucks, flächig aneinander an. Das heißt, die Schutzhülle 2 folgt der (durch den Spulendraht erzeugten) Oberflächentopologie der Spule 1. Sodann kann die Gasleitung von der erzeugten Spulenanordnung abgenommen werden. Und der Befestigungsblock 3 kann durch die Schutzhülle 2 hindurch mit mindestens einer Befestigungsöffnung, z.B. in Form einer Bohrung, versehen werden.
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In einer Weiterbildung des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Herstellung einer Spulenanordnung wird zwischen der Spule 1 bzw. genauer deren äußere Oberfläche 10, 10‘, 12 sowie dem Befestigungsblock 3 einerseits und der Schutzhülle 2 andererseits zusätzlich eine thermisch leitfähige Klebeschicht angeordnet. Dies kann beispielsweise in der Weise erfolgen, dass eine Klebeschicht auf die äußere Oberfläche 10, 10‘, 12 der Spule 1 sowie den Befestigungsblock 3 aufgebracht wird, bevor die Spule 1 in der zugehörigen Schutzhülle 2 angeordnet und die Schutzhülle abgedichtet wird. Im Weiteren wird dann der Innenraum der Schutzhülle 2 mit Unterdruck beaufschlagt, wie bereits anhand der 1 und 2 beschrieben. Beim abschließenden Erwärmen der so gebildeten Spulenanordnung erfolgt sodann eine Verbindung der Schutzhülle 2 mit der Spule 1 bzw. deren äußere Oberfläche 10, 10‘, 12 sowie mit dem Befestigungsblock 3 über die thermisch leitende Klebeschicht. Diese kann insbesondere durch einen so genannten Wärmeleitkleber gebildet sein, der z.B. zusätzlich zu einer klebefähigen Komponente eine wärmeleitende (metallische) Komponente enthält.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2808986 A1 [0004]
- US 2008/0001485 A1 [0007]
