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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kondensator.
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Ein selbstheilender metallisierter Folienkondensator, der für verschiedene Anwendungen verwendet werden kann, besteht typischerweise aus einem Wicklungselement, das in einem Kunststoff- oder Metallgehäuse untergebracht ist, das mit einem Isolationsmaterial imprägniert ist. Der metallisierte Folienkondensator ist typischerweise dazu gestaltet, in einer umliegenden Umgebung von -40°C bis maximal 125°C zu arbeiten. Unter den Effekten einer Anwendungsumgebung, der Umgebungsarbeitsbedingungen und eines angewandten elektrischen Feldes leidet der metallisierte Folienkondensator unter verschiedenen Kapazitätsverlustmechanismen. Die Kapazitätsverlustmechanismen liegen typischerweise in den Selbstheilungen begründet, die zu einem Verlust einer metallisierten Elektrodenfläche und Elektrodenoxidation führen.
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Schließlich versagt der metallisierte Folienkondensator aufgrund einer hohen Kapazitätsabweichung. Das Versagen sollte normalerweise nach dem erwarteten Ende der Lebenszeit des Kondensators auftreten. Eine Abweichung der Kapazität ist typischerweise mit einer Zunahme des Verlustfaktors assoziiert.
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Gegenwärtige Anwendungen fordern, dass Schlüsselkomponenten höheren Mengen von sowohl elektrischen als auch Umgebungsbelastungen standhalten. Von Kondensatoren wird gefordert, dass sie bei höheren Umgebungstemperaturen in der Anwesenheit von Bedingungen hoher relativer Luftfeuchtigkeit arbeiten, während eine höhere Lebenszeit und Zuverlässigkeit für die Produkte erzielt wird.
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Kapazitätsverlustmechanismen werden unter harschen Umgebungsarbeitsbedingungen beschleunigt. Insbesondere führt die Anwesenheit von Feuchtigkeit zu Korrosion auf dem metallisierten Film. Das Kapazitätsverlustphänomen beeinflusst entweder eine aktive Elektrodenoberfläche oder einen Elektrodenrand. Bei elektrochemischer Korrosion nimmt der Reihenwiderstand des Kondensators über eine Zeitperiode zu, was eine weitere Zunahme eines Verlustfaktors aufgrund der Entmetallisierung der metallisierten Elektrode bewirkt, was zu einer Zunahme von lokalen Hotspot-Temperaturen führt. Höhere Umgebungstemperaturen beschleunigen diesen Versagensmechanismus weiter.
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JP S61- 89 618 A ,
JP 2005- 332 875 A und
JP 2 877 364 B2 zeigen jeweils einen Kondensator, bei dem ein Wickelelement in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei in dem jeweiligen Gehäuse zwei Isolationsmaterialien angeordnet sind.
US 3 806 766 A zeigt einen Kondensator mit einem gebogenen Kontaktelement.
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Es gibt eine wachsende Nachfrage nach Kondensatoren, die dazu in der Lage sind, hohen Temperaturen von 85°C oder mehr unter einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85% oder mehr zu widerstehen. Wie oben besprochen, werden die Kapazitätsverlustmechanismen unter diesen strengen Umgebungsarbeitsbedingungen beschleunigt. Dementsprechend verlangt diese Situation nach neuen Gestaltungsüberlegungen, die in dem metallisierten Folienkondensator anzunehmen sind.
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Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Kondensator bereitzustellen, der mit geringerer Wahrscheinlichkeit unter Kapazitätsverlustmechanismen unter harschen Umgebungsbedingungen leidet.
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Das Ziel wird durch einen Kondensator nach Anspruch 1 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Kondensator ist bereitgestellt, der Folgendes aufweist: ein Wicklungselement, ein Gehäuse, in dem das Wicklungselement angeordnet ist, ein erstes Isolationsmaterial, das das Wicklungselement einkapselt, und ein zweites Isolationsmaterial, das eine Schicht bildet, die das erste Isolationsmaterial bedeckt.
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Die Kapazitätsverlustmechanismen wurden analysiert und es wurde herausgefunden, dass das Aussetzen eines Kondensators hinsichtlich hoher thermischer Beanspruchungen die folgenden Kapazitätsverlustmechanismen verstärken kann: Risse können auf der Gehäuseoberfläche erzeugt werden. Nanoporen und mikroskopische Risse können sich in dem Isolationsmaterial entwickeln, die ermöglichen können, dass Feuchtigkeit in das Isolationsmaterial eindringt. Es kann eine Nichthaftung zwischen dem Isolationsmaterial und der Gehäuseoberfläche und eine Nichthaftung zwischen dem Isolationsmaterial und elektrisch leitenden Anschlüssen oder Anschlussleitungen geben. Weiterhin kann das Isolationsmaterial von den elektrisch leitenden Anschlüssen oder Anschlussleitungen delaminiert werden.
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Durch das Bereitstellen eines Kondensators mit zwei Isolationsmaterialien ist es möglich, das erste Isolationsmaterial auf eine solche Weise zu optimieren, dass die oben besprochenen Kapazitätsverlustmechanismen, die unter hoher thermischer Beanspruchung verstärkt werden können, verhindert oder zumindest erheblich reduziert werden können. Insbesondere kann das erste Isolationsmaterial dazu optimiert werden, die Erzeugung von Rissen auf der Gehäuseoberfläche und/oder die Entwicklung von Nanoporen und mikroskopischen Rissen in dem Isolationsmaterial und/oder die Nichthaftung zwischen dem Isolationsmaterial und der Gehäuseoberfläche und/oder die Nichthaftung zwischen dem Isolationsmaterial und elektrisch leitenden Anschlüssen oder Anschlussleitungen und/oder die Delaminierung zwischen dem Isolationsmaterial und elektrisch leitenden Anschlüssen oder Anschlussleitungen zu verhindern. Thermische Beanspruchungen resultieren zum Beispiel aus natürlichen Temperaturänderungen in einer Umgebung oder aus Wärme, die auf den Kondensator während eines Lötprozesses angewandt wird. Der Kondensator kann in einer Umgebung mit einer hohen Luftfeuchtigkeit, zum Beispiel einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85% oder mehr, verwendet werden.
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Abgesehen von dem Verhindern dieser Kapazitätsverlustmechanismen muss ein Isolationsmaterial auch andere Anforderungen in einem Kondensator erfüllen. Das zweite Isolationsmaterial kann bereitgestellt werden, um diese Anforderungen, zum Beispiel Bereitstellen einer geringen Entflammbarkeit, zu erfüllen. Da diese Anforderungen durch das zweite Isolationsmaterial erfüllt werden können, kann das erste Isolationsmaterial ohne Begrenzungen von den anderen Anforderungen gewählt werden. Zum Beispiel gibt es möglicherweise keinen Bedarf, dass das erste Isolationsmaterial eine geringe Entflammbarkeit hat, falls die geringe Entflammbarkeit des Kondensators durch das zweite Isolationsmaterial garantiert werden kann.
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Das erste Isolationsmaterial ist ein anderes Material als das zweite Isolationsmaterial. Das erste Isolationsmaterial kann eine erste Schicht bilden und das zweite Isolationsmaterial kann eine zweite Schicht bilden. Die Schichten vermischen sich möglicherweise nicht miteinander. Das zweite Isolationsmaterial kann eine geringere Dichte als das erste Isolationsmaterial haben. Dementsprechend kann die zweite Schicht auf der ersten Schicht gleiten.
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Das erste Isolationsmaterial bedeckt das Wicklungselement vollständig. Insbesondere ist die Außenoberfläche des Wicklungselements vollständig durch das erste Isolationsmaterial bedeckt. Weiterhin kann eine Öffnung, die sich durch das Wicklungselement hindurch erstreckt, vollständig mit dem ersten Isolationsmaterial gefüllt sein. Das zweite Isolationsmaterial befindet sich möglicherweise nicht in direktem Kontakt mit dem Wicklungselement.
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Das erste Isolationsmaterial stellt möglicherweise keinerlei direkten Pfad für Wasserdampf zu dem Wicklungselement bereit. Entsprechend werden möglicherweise in dem ersten Isolationsmaterial keine Risse oder Lücken gebildet und leidet das erste Isolationsmaterial nicht unter einer fehlenden Haftung zwischen den Grenzflächen. Ansonsten könnte Wasserdampf das Wicklungselement schnell beschädigen. Das zweite Isolationsmaterial kann eine Barriere gegenüber Wasserdampfdiffusion sein. Das erste Isolationsmaterial kann flexibler als das zweite Isolationsmaterial sein.
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Die Flexibilität eines Polymers mit nichtverzweigter Kette kann durch seine Persistenzlänge charakterisiert werden. Die Persistenzlänge ist eine grundlegende mechanische Eigenschaft, die die Steifigkeit eines Polymers quantifiziert. Zum Beispiel verhalten sich die Moleküle für Stücke eines Polymers, die kürzer als ihre jeweilige Persistenzlänge sind, eher wie ein flexibler elastischer Stab oder Balken, während für Stücke eines Polymers, die viel länger als die Persistenzlänge sind, die Eigenschaften nur statistisch, wie etwa ein dreidimensionaler Random-Walk, beschrieben werden können.
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Da das erste Isolationsmaterial sehr flexibel sein kann, kann es eine hohe Haftung zeigen. Daher haftet das erste Isolationsmaterial an dem Wicklungselement, an Drähten und an Innenoberflächen des Gehäuses auf eine solche Weise, dass eine Delaminierung oder Nichthaftung zwischen dem ersten Isolationsmaterial und diesen Elementen nicht auftritt, selbst unter hohen thermischen Beanspruchungen und/oder hoher Luftfeuchtigkeit. Dementsprechend werden möglicherweise keine Kanäle oder Lücken in dem ersten Isolationsmaterial gebildet, die durch Feuchtigkeit einfach durchdrungen werden könnten. Entsprechend kann das erste Isolationsmaterial aufgrund seiner hohen Flexibilität das Wicklungselement vor den oben besprochenen Kapazitätsverlustmechanismen schützen.
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Da sich das zweite Isolationsmaterial möglicherweise nicht in direktem Kontakt mit dem Wicklungselement befindet, muss es möglicherweise keine hohe Flexibilität aufweisen. Lücken und Kanäle in dem zweiten Isolationsmaterial stellen kein Problem dar, da Feuchtigkeit durch diese Lücken und Kanäle nicht zu dem Wicklungselement vordringen kann.
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Das erste Isolationsmaterial kann Polymerketten aufweisen und das zweite Isolationsmaterial weist Polymerketten auf. Eine durchschnittliche Länge der Polymerketten des zweiten Isolationsmaterials kann kürzer als eine durchschnittliche Länge der Polymerketten des ersten Isolationsmaterials sein. Eine kürzere durchschnittliche Länge kann zu einer geringeren Flexibilität führen.
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Das zweite Isolationsmaterial kann eine geringere Entflammbarkeit als das erste Isolationsmaterial haben. Weiterhin kann das zweite Isolationsmaterial auf dem ersten Isolationsmaterial gleiten und dadurch kann es eine Versiegelung auf dem ersten Isolationsmaterial bilden, wodurch verhindert wird, dass Sauerstoff das erste Isolationsmaterial kontaktiert. Aufgrund der geringen Entflammbarkeit des zweiten Isolationsmaterials und aufgrund der Versiegelung des ersten Isolationsmaterials kann eine Entzündung des ersten Isolationsmaterials verhindert werden. Dementsprechend können sehr geringe Anforderungen an die Entflammbarkeit des ersten Isolationsmaterials gestellt werden. Insbesondere kann ein hoch entflammbares Material als ein erstes Isolationsmaterial verwendet werden. Flexible Materialien weisen oft eine hohe Entflammbarkeit auf.
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Das erste Isolationsmaterial weist eine höhere Adhäsion als das zweite Isolationsmaterial auf. Die Adhäsion eines Materials kann die Tendenz beschreiben, dass Teilchen dieses Materials an ungleichen Teilchen oder Oberflächen haften. Die höhere Adhäsion des ersten Isolationsmaterials kann daraus resultieren, dass das erste Isolationsmaterial eine hohe freie Oberflächenenergie und einen ähnlichen polaren Charakter wie die zu bondende Oberfläche aufweist. Der polare Charakter verweist auf die Polarität des Materials. Polarität ist eine Separation elektrischer Ladung, die dazu führt, dass ein Molekül oder seine chemische Gruppe ein elektrisches Dipol- oder Multipolmoment aufweist. Polarität unterliegt einer Anzahl physikalischer Eigenschaften, einschließlich einer Oberflächenspannung.
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Da das erste Material eine hohe Haftung aufweisen kann, kann es mit dem Wicklungselement, der Innenoberfläche des Gehäuses und mit Drähten verbunden werden, ohne irgendwelche Lücken oder Kanäle zu bilden, selbst unter thermischer Beanspruchung und/oder hoher Luftfeuchtigkeit. Dadurch kann das erste Isolationsmaterial den Kapazitätsverlust des Wicklungselements aufgrund der Feuchtigkeit, die das Wicklungselement beeinflusst, verhindern.
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Das zweite Isolationsmaterial weist eine höhere Vernetzungsrate als das erste Isolationsmaterial auf. Eine Vernetzung ist eine Verbindung, die eine Polymerkette mit einer anderen verbindet. Die Vernetzungsrate gibt eine Anzahl an Verbindungen zwischen den Polymerketten des jeweiligen Materials an. Dass das erste Isolationsmaterial eine niedrigere Vernetzungsrate als das zweite Isolationsmaterial aufweist, kann weiterhin dazu beitragen, dass das erste Isolationsmaterial flexibler als das zweite Isolationsmaterial ist.
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Das erste Isolationsmaterial kann ein Polyurethan aufweisen. Insbesondere kann das erste Isolationsmaterial aus einem Polyurethan bestehen. Das zweite Isolationsmaterial kann ein Polyurethan oder ein Epoxidharz aufweisen. Insbesondere kann das zweite Isolationsmaterial aus einem Polyurethan oder einem Epoxidharz bestehen. Das Polyurethan des zweiten Isolationsmaterials kann verschieden von dem Polyurethan des ersten Isolationsmaterials sein.
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Der Kondensator weist weiterhin einen Draht auf, der einen elektrisch leitenden Anschluss bildet, der elektrisch mit dem Wicklungselement kontaktiert ist, wobei der Draht zumindest einen Knick aufweist.
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Der Knick kann dabei helfen, das Wicklungselement in dem Gehäuse zu zentrieren, so dass das Wicklungselement nicht an eine Innenoberfläche des Gehäuses anstößt. Der Knick kann dadurch sicherstellen, dass das Wicklungselement in einer Schicht des ersten Isolationsmaterials eingekapselt ist, wobei die Dicke dieser Schicht einer Breite einer Ausbuchtung, die durch den Knick gebildet wird, entspricht.
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Der zumindest eine Knick kann so angeordnet sein, dass er an eine Endfläche des Wicklungselements und an eine Innenoberfläche des Gehäuses anstößt. Dadurch kann der Knick sicherstellen, dass die Endfläche des Wicklungselements von der Innenoberfläche des Gehäuses zumindest um eine Breite des Knicks beabstandet ist.
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Der Draht weist einen zweiten Knick auf. Der zweite Knick ist so angeordnet, dass die Teile des Drahtes, die ohne den ersten Knick und den zweiten Knick sind, die Innenoberfläche des Gehäuses nicht kontaktieren. Dementsprechend könnte der zweite Knick sicherstellen, dass Feuchtigkeit nicht entlang eines Pfades, der durch ein Anstoßen des Drahtes und der Innenoberfläche des Gehäuses gebildet wird, in den Kondensator eindringen kann. Der zweite Knick kann mit dem ersten Isolationsmaterial und dem zweiten Isolationsmaterial bedeckt sein.
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Weiterhin können Vorsprünge an einer Innenoberfläche des Gehäuses angeordnet sein, die eine Führung für den Draht bilden. Die Vorsprünge können dabei helfen, den Draht an seiner Position zu fixieren, selbst wenn der Kondensator einer hohen thermischen Beanspruchung ausgesetzt wird.
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Eine Rippe kann an einer Innenoberfläche des Gehäuses angeordnet sein, wobei die Rippe an das Wicklungselement anstößt, wobei die Rippe so ausgelegt und angeordnet ist, dass die Rippe sicherstellt, dass das Wicklungselement durch das erste Isolationsmaterial mit einer minimalen Dicke umgeben ist.
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Ein Material des Gehäuses kann ein beliebiges Polymermaterial aufweisen, das eine elektrische Isolation, eine hohe Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeitseindringen bereitstellt und hohen Temperaturen und thermischen Beanspruchungen widersteht. Zum Beispiel kann das Material des Gehäuses ein Polypropylen, ein Polybutylenterephthalat, ein Poly(p-phenylensulfid) (PPS), ein Polycarbonat oder ein Polyphenylenoxid (PPO) aufweisen. Das Material des Gehäuses kann mit Glasfasern verstärkt sein.
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Der Kondensator ist dazu ausgestaltet, Temperaturen von 85°C unter einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85% zu widerstehen.
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Der Kondensator kann ein metallisierter Folienkondensator sein.
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Im Folgenden werden die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
- 1 zeigt ein Wicklungselement eines Kondensators.
- 2 zeigt einen Kondensator, der das Wicklungselement aufweist.
- 3 zeigt eine Draufsicht auf den in 2 gezeigten Kondensator.
- Jede von 4, 5 und 6 zeigt eine Querschnittsansicht des Kondensators.
- 7 zeigt eine ausführlichere Ansicht eines Teils aus 5.
- 8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Drahtes, der einen elektrisch leitenden Anschluss bildet.
- 9 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils des Drahtes.
- 10 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses des Kondensators.
- 11 zeigt eine Teilansicht eines Abteils des Gehäuses.
- 12 zeigt eine Querschnittsansicht der Abteilung.
- 13 und 14 zeigen Querschnittsansichten einer dritten Ausführungsform des Kondensators.
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1 zeigt ein Wicklungselement 1 eines Kondensators, insbesondere eines metallisierten Folienkondensators. Das Wicklungselement 1 weist eine zylindrische Form auf, insbesondere einen rechten kreisförmigen Zylinder.
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Das Wicklungselement 1 ist durch eine dielektrische Folie gebildet, die auf ihrer Oberfläche metallisiert ist. Ein dielektrisches Material der Folie ist ein Material, in dem elektrostatische Felder für eine lange Zeit bestehen können. Das dielektrische Material kann Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET) oder Polyethylennaphthalat beinhalten. Das Wicklungselement bildet einen Parallelplattenkondensator, wobei die Metallisierung durch das dielektrische Material separiert ist.
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Das Wicklungselement 1 weist zwei Endflächen 2, 3 auf, die einander gegenüberliegen. Eine Endfläche 2 entspricht einer unteren Fläche des Zylinders, der durch das Wicklungselement 1 gebildet ist, und die andere Endfläche 3 entspricht einer oberen Fläche des Zylinders. Das Wicklungselement 1 weist eine Öffnung 4 auf, die sich von einer Endfläche 2 durch das Wicklungselement 1 zu der anderen Endfläche 3 erstreckt. Die Öffnung 4 ist entlang einer Symmetrieachse des Zylinders angeordnet.
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Jede der Endflächen 2, 3 ist mit einer metallischen Kontaktschicht, der sogenannten Schoopierung 5, bedeckt. Die Schoopierung 5 ermöglicht den elektrischen Kontakt zu der Metallisierung der dielektrischen Folie.
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Die Schoopierung 5 auf jeder Endfläche 2, 3 ist durch einen Draht 6 kontaktiert, der einen elektrisch leitenden Anschluss bildet. Insbesondere zeigt 1 vier Drähte 6, wobei jeder Draht 6 einen elektrisch leitenden Anschluss bildet. Eine Spannung kann über die Drähte 6 an das Wicklungselement 1 angelegt werden. Jeder Draht 6 ist an einer der Endflächen 2, 3 des Wicklungselements 1 fixiert, z. B. durch Löten. Insbesondere sind zwei Drähte 6 an der unteren Fläche und zwei Drähte 6 an der oberen Fläche fixiert. Die Drähte 6 sind an den Endfläche 2, 3 an Positionen fixiert, die symmetrisch zueinander sind. Diese Anordnung der Fixierungspunkte der Drähte 6 an den Endflächen 2, 3 hilft dabei, das Wicklungselement 1 innerhalb eines Gehäuses 7 des Kondensators zu zentrieren. Bei einer alternativen Ausführungsform kann lediglich genau ein Draht 6 an jeder Endfläche 2, 3 des Wicklungselements 1 fixiert sein.
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Jeder der Drähte 6 weist zwei Knicke 8, 9 auf, die später ausführlicher besprochen werden.
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2 zeigt einen Kondensator, der das Wicklungselement 1 aufweist, in einer perspektivischen Ansicht. Der Kondensator weist weiterhin das oben erwähnte Gehäuse 7 auf. Das Gehäuse 7 bildet einen Kasten mit einer unteren Wand 7a und vier Seitenwänden 7b, 7c, 7d, 7e. Das Gehäuse 7 bildet einen Hohlraum, in dem das Wicklungselement 1 platziert ist. Der Hohlraum ist durch die untere Wand 7a und die Seitenwände 7b, 7c, 7d, 7e verschalt. Insbesondere sind zwei der Seitenwände 7b, 7c parallel zu den Endflächen 2, 3 des Wicklungselements. Diese zwei Seitenwände 7b, 7c grenzen jeweils direkt an eine Endfläche 2, 3 an und sind von der jeweiligen Endfläche 2, 3 um einen minimalen Abstand beabstandet. Die anderen zwei Seitenwände 7d, 7e sind senkrecht zu den Endflächen 2, 3.
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Das Gehäuse 7 weist weiterhin einen Deckel 10 auf, der in 2 nicht gezeigt ist. Bei einer alternativen Ausführungsform weist das Gehäuse 7 keinen Deckel 10 auf. Der Deckel 10 kann so platziert werden, dass er den Hohlraum, der durch das Gehäuse 7 gebildet ist, verschließt. Entsprechend kann der Deckel 10 gegenüberliegend zu der unteren Wand 7a angeordnet sein. Der Deckel 10 weist eine Öffnung für jeden der Drähte 6 auf, die die elektrisch leitenden Anschlüsse bilden. Jeder Draht 6 kann aus dem Hohlraum, der in dem Gehäuse 7 gebildet ist, durch die entsprechende Öffnung in dem Deckel 10 herausragen. Dadurch ermöglichen die Drähte 6 eine elektrische Kontaktierung des Wicklungselements 1 mit einem Schaltkreis außerhalb des Gehäuses 7.
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Das Gehäuse 7 ist so gestaltet, dass es eine hohe Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeitseindringen bereitstellt und hohen Temperaturen widersteht. Insbesondere ist das Material des Gehäuses 7 so gewählt, dass es eine hohe Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit und thermischer Beanspruchung bereitstellt. Das Material des Gehäuses 7 kann eines von Polypropylen (PP), Polybutylenterephthalat (PBT), P-Phenylensulfid (PPS) oder Nylon sein. Das Material des Gehäuses 7 kann mit Glasfasern verstärkt sein. Weiterhin ist eine Dicke der unteren Wand 7a, der Seitenwände 7b, 7c, 7d, 7e und des Deckels 10 so gewählt, dass sie eine hohe Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit und gegenüber thermischer Beanspruchung bereitstellen.
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Das Gehäuse 7 ist mit zwei Isolationsmaterialien 11, 12 gefüllt, wie später ausführlicher beschrieben wird. In 2 ist lediglich ein zweites Isolationsmaterial 12 sichtbar.
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3 zeigt eine Draufsicht auf den in 2 gezeigten Kondensator. In 3 sind Abschnitte AA, BB und CC markiert. Jede von 4, 5 und 6 zeigt eine Querschnittsansicht des in 3 gezeigten Kondensators. Die in 4 gezeigte Querschnittsansicht ist entlang des Abschnitts AA. Die Querschnittsansicht aus 5 ist entlang des Abschnitts CC. Die Querschnittsansicht aus 6 ist entlang des Abschnitts BB.
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Der Kondensator weist ein erstes Isolationsmaterial 11 und das zweite Isolationsmaterial 12 auf. Sowohl das erste als auch das zweite Isolationsmaterial 11, 12 bilden getrennte Schichten. Die Schichten vermischen sich nicht miteinander. Ein Volumen, das durch das erste Isolationsmaterial 11 eingenommen wird, ist größer als ein Volumen, das durch das zweite Isolationsmaterial 12 eingenommen wird.
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Das erste Isolationsmaterial 11 kapselt das Wicklungselement 1 vollständig ein. Die Öffnung 4, die sich von einer Endfläche 2 des Wicklungselements 1 zu der anderen Endfläche 3 des Wicklungselements 1 erstreckt, ist vollständig mit dem ersten Isolationsmaterial 11 gefüllt. Eine Höhe H des Hohlraums innerhalb des Gehäuses 7 kann als der Abstand von dem niedrigsten Punkt einer inneren Oberfläche der unteren Wand 7a zu dem Deckel 10 definiert werden. Die Schicht, die durch das Isolationsmaterial 11 gebildet wird, weist eine Dicke auf, die zumindest 90% der Höhe H des Hohlraums, bevorzugt zumindest 95% der Höhe H des Hohlraums entspricht.
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Das zweite Isolationsmaterial 12 ist auf dem ersten Isolationsmaterial 11 angeordnet. Insbesondere ist das zweite Isolationsmaterial 12 in einer Richtung von der unteren Wand 7a des Gehäuses 7 zu dem Deckel 10 auf dem ersten Isolationsmaterial 11 angeordnet.
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Jedes der zwei Isolationsmaterialien 11, 12 ist für einen unterschiedlichen Zweck optimiert. Insbesondere ist das erste Isolationsmaterial 11 zum Verhindern oder zumindest Reduzieren von Kapazitätsverlustmechanismen optimiert, die über die Lebenszeit des Kondensators hinweg zu einer Abweichung der Kapazität des Wicklungselements 1 führen. Das zweite Isolationsmaterial 12 ist zum Erfüllen anderer Aufgaben eines Isolationsmaterials in einem metallisierten Folienkondensator, insbesondere zum Bereitstellen einer geringen Entflammbarkeit, optimiert.
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Bei einem üblichen Kondensator mit lediglich einem Isolationsmaterial werden unterschiedliche und manchmal widersprüchliche Anforderungen von dem Isolationsmaterial gefordert. Da der Kondensator zwei Isolationsmaterialien aufweist, ist es möglich, manche Anforderungen durch das erste Isolationsmaterial 11 und manche Anforderungen durch das zweite Isolationsmaterial 12 zu erfüllen, wodurch Probleme aus widersprüchlichen Anforderungen verhindert werden.
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Das erste Isolationsmaterial 11 ist ein Polyurethan. Das erste Isolationsmaterial 11 ist flexibler als das zweite Isolationsmaterial 12. Jedes der Isolationsmaterialien 11, 12 weist Polymerketten auf. Die Polymerketten des ersten Isolationsmaterials 11 sind länger als die Polymerketten des zweiten Isolationsmaterials 12.
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Das erste Isolationsmaterial 11 weist einen ähnlichen polaren Charakter wie das Gehäuse 7 auf. Dadurch wird sichergestellt, dass das erste Isolationsmaterial 11 eine gute Haftung an einer Innenoberfläche des Gehäuses 7, an den Drähten 6 und an dem Wicklungselement 1 zeigt. Dementsprechend werden keine Lücken oder Kanäle in dem ersten Isolationsmaterial 11 oder zwischen dem ersten Isolationsmaterial 11 und der Innenoberfläche des Gehäuses 7, den Drähten 6 oder dem Wicklungselement 1 gebildet. Ansonsten würde es ein signifikantes Risiko geben, dass Feuchtigkeit von außerhalb des Gehäuses 7 über die Lücken oder Kanäle zu dem Wicklungselement 1 vordringt, und es würde dadurch über eine eher kurze Zeit ein Kapazitätsverlust des Wicklungselements 1 und schließlich ein Versagen des Kondensators resultieren.
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Zudem ist das erste Isolationsmaterial 11 zum Verhindern von Rissen auf der Innenoberfläche des Gehäuses 7 aufgrund seiner geringen Expansion und Kontraktion mit Temperaturänderungen optimiert. Das erste Isolationsmaterial 11 ist zum Verhindern der Entwicklung von Nanoporen und mikroskopischen Rissen in dem ersten Isolationsmaterial 11 optimiert, da das erste Isolationsmaterial 11 sehr flexibel ist. Dementsprechend ist das erste Isolationsmaterial 11 zum Verhindern oder zumindest Reduzieren von Kapazitätsverlustmechanismen optimiert, die bei hohen thermischen Beanspruchungen und/oder hoher Feuchtigkeit auftreten können.
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Das zweite Isolationsmaterial 12 kann ein Polyurethan oder ein Epoxidharz sein. Das zweite Isolationsmaterial 12 ist starrer als das erste Isolationsmaterial 11. Das zweite Isolationsmaterial 12 kann einer externen Umgebung ausgesetzt werden, da es auf einem Hohlraum gebildet ist, der durch das Gehäuse 7 definiert ist. Das zweite Isolationsmaterial 12 zeigt eine geringe Entflammbarkeit. Insbesondere weist das zweite Isolationsmaterial 12 eine geringere Entflammbarkeit als das erste Isolationsmaterial 11 auf. Das zweite Isolationsmaterial 12 ist dazu optimiert, eine geringe Entflammbarkeit aufzuweisen und dadurch Anforderungen hinsichtlich der Entflammbarkeit des Kondensators zu erfüllen. Da diese Anforderungen durch das zweite Isolationsmaterial 12 erfüllt werden, kann das erste Isolationsmaterial 11 zum Verhindern von Leistungsfähigkeitsverlusten aufgrund der thermischen Beanspruchung und hoher Luftfeuchtigkeit optimiert werden.
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7 zeigt eine ausführlichere Ansicht eines Teils aus 5, der in 5 durch eine Linie X markiert ist. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht von einem der Drähte 6, der einen elektrisch leitenden Anschluss bildet. 9 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils des Drahtes 6.
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Der Draht 6 weist einen ersten Knick 8 und einen zweiten Knick 9 auf. Beide Knicke 8, 9 sind so angeordnet, dass sie innerhalb des Gehäuses 7 liegen, wenn der Draht 6 an der Endfläche 2, 3 des Wicklungselements 1 fixiert ist.
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Der Draht 6 bildet größtenteils eine gerade Linie. Jeder der Knicke 8, 9 definiert eine Abweichung von der geraden Linie. Beide Knicke 8, 9 zeigen in die gleiche Richtung, d.h. von dem Wicklungselement 1 weg und zu der Innenoberfläche des Gehäuses 7 hin. Der erste Knick 8 ist so angeordnet, dass er an eine Innenoberfläche des Gehäuses 7 und die Endfläche 2, 3 des Wicklungselements 1 anstößt. Der erste Knick 8 bildet eine Ausbuchtung, die um einen Abstand D zu der Innenoberfläche des Gehäuses 7 hin herausragt. Dadurch stellt der erste Knick 8 sicher, dass eine Schicht des ersten Isolationsmaterials 11 mit einer Dicke D zwischen der Innenoberfläche des Gehäuses 7 und der Endfläche 2, 3 des Wicklungselements 1 angeordnet ist. Entsprechend verhindert der erste Knick 8, dass die Endfläche 2, 3 des Wicklungselements 1 die Innenoberfläche des Gehäuses 7 direkt kontaktiert. Die Endfläche 2, 3 des Wicklungselements 1 ist durch die Schoopierung 5 bedeckt, die sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit ist. Da der erste Knick 8 einen direkten Kontakt der Schoopierung 5 und des Gehäuses 7 verhindert, wird verhindert, dass sich Feuchtigkeit direkt von der Innenoberfläche des Gehäuses 7 zu der Schoopierung 5 weiterbewegt.
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Der zweite Knick 9 ist auf dem Draht 6 bei einer solchen Höhe angeordnet, dass er oberhalb des Wicklungselements 1 und unterhalb des zweiten Isolationsmaterials 12 in der Richtung von der unteren Wand 7a zu dem Deckel 10 liegt. Entsprechend ist der zweite Knick 9 durch das erste Isolationsmaterial 11 bedeckt. Der zweite Knick 9 stellt sicher, dass der Rest des Drahtes 6 von der Innenoberfläche des Gehäuses 7 weg um einen Abstand, der durch eine Länge L einer Ausbuchtung des zweiten Knicks 9 definiert ist, beabstandet ist. Entsprechend ist dieser Raum mit dem ersten Isolationsmaterial 11 gefüllt. Der zweite Knick 9 stellt sicher, dass kein Luftkanal zwischen den Drähten 6 und der Innenoberfläche des Gehäuses 7 erschaffen wird, weil die Drähte 6 und die Innenoberfläche des Gehäuses 7 durch eine minimale Dicke des Isolationsmaterials 11, 12 separiert sind.
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In dem Folgenden wird die Gestaltung des Drahtes 6 ausführlicher unter Bezugnahme auf 1, 8 und 9 beschrieben. Lediglich ein Draht 6 ist in dem Folgenden beschrieben. Jedoch ist jeder der Drähte 6 auf die gleiche Weise gestaltet. Bei der gezeigten Ausführungsform weist der Kondensator vier Drähte 6 auf. Jedoch kann der Kondensator auch eine andere Anzahl an Drähten, zum Beispiel zwei Drähte oder sechs Drähte, aufweisen.
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Der Draht 6 weist einen ersten geraden Abschnitt 13, einen ersten Knick 8, einen zweiten geraden Abschnitt 14, einen zweiten Knick 9 und einen dritten geraden Abschnitt 15 auf. In jedem der geraden Abschnitte 13, 14, 15 ist der Draht 6 vollständig gerade, d.h. frei von Kurven.
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Der erste gerade Abschnitt 13 des Drahtes 6 ist an der Schoopierung 5 auf der Endfläche 2, 3 des Wicklungselements 1 fixiert. Der erste gerade Abschnitt 13 erstreckt sich nicht jenseits der Endfläche 2, 3 des Wicklungselements 1. Der erste gerade Abschnitt 13 geht in den ersten Knick 8 über.
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Der erste Knick 8 grenzt an den ersten geraden Abschnitt 13 an. Der erste Knick 8 ist durch eine erste Biegung 16 des Drahtes 6, eine zweite Biegung 17 des Drahtes 6 und eine dritte Biegung 18 des Drahtes 6 gebildet. Die erste Biegung 16 ist in einer Richtung von dem Wicklungselement 1 weg und zu der Innenoberfläche des Gehäuses 7 hin. Die zweite Biegung 17 des Drahtes 6 grenzt direkt an die erste Biegung 16 an. Die zweite Biegung 17 ist zu dem Wicklungselement 1 hin gerichtet. Die zweite Biegung 17 ist an einer von dem Wicklungselement 1 am weitesten entfernten Position angeordnet. Die dritte Biegung 18 grenzt direkt an die zweite Biegung 17 an und ist so gebildet, dass der erste Knick 8 in den zweiten geraden Abschnitt 14 übergeht. Der erste Knick 8 ist so gebildet, dass der Abstand D von dem zweiten geraden Abschnitt 14 zu der Innenoberfläche des Gehäuses 7 identisch mit dem Abstand von dem ersten geraden Abschnitt 14 zu der Innenoberfläche ist.
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Der zweite gerade Abschnitt 14 ist so dimensioniert, dass er sich jenseits der Endfläche 2, 3 des Wicklungselements 1 erstreckt. Der zweite gerade Abschnitt 14 ist vollständig innerhalb der Schicht des ersten Isolationsmaterials 11 angeordnet. Der zweite gerade Abschnitt 14 geht in den zweiten Knick 9 über.
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Der zweite Knick 9 ist vollständig innerhalb der Schicht des ersten Isolationsmaterials 11 angeordnet. Der zweite Knick 9 ist ähnlich dem ersten Knick 8 durch drei Biegungen gebildet. Die erste und die zweite Biegung sind identisch gebildet. Die dritte Biegung des zweiten Knicks 9 ist an einer unterschiedlichen Position gebildet. Dementsprechend ist der Abstand L von dem dritten geraden Abschnitt 15 zu der Innenoberfläche des Gehäuses 7 kleiner als der Abstand D von dem zweiten geraden Abschnitt 14 zu der Innenoberfläche. Der zweite Knick 9 geht in den dritten geraden Abschnitt 15 über.
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Der dritte gerade Abschnitt 15 erstreckt sich durch die Schicht des zweiten Isolationsmaterials 12 hindurch und ragt aus dem Gehäuse 7 hervor.
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10 zeigt eine perspektivische Ansicht des Gehäuses 7 des Kondensators gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Gehäuse 7 weist mehrere Abteile 19 auf, wobei jedes Abteil 19 dazu konfiguriert ist, ein Wicklungselement 1 zu empfangen. 10 zeigt das Gehäuse 7 auf den Kopf gestellt. Es kann in 10 gesehen werden, dass die Unterseite jedes Abteils 19 gekrümmt ist.
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11 zeigt eine Teilansicht von einem der Abteile 19, wobei Teile des Gehäuses 7 nicht gezeigt sind. Das Abteil 19 weist keinen Deckel auf. Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Abteil 19 zusätzlich einen Deckel 10 aufweisen.
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12 zeigt eine Querschnittsansicht des in 11 gezeigten Abteils 19.
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Rippen 20, 21 sind auf der Innenoberfläche des Gehäuses 7 angeordnet.
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Die untere Wand 7a des Gehäuses ist als ein Halbrohr geformt. Das Halbrohr weist den Radius R auf. Zwei Rippen 20 sind an der unteren Wand 7a des Gehäuses 7 angeordnet. Bei der Position der Rippen 20 weist die untere Wand 7a einen reduzierten Radius r auf, der kleiner als der Radius R ist. Wenn das Wicklungselement 1 auf den Rippen 20 ruht, ist das Wicklungselement 1 vor dem Rest der unteren Wand 7a um zumindest einen minimalen Abstand beabstandet, der der Differenz zwischen dem Radius R und dem Radius r entspricht.
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Weiterhin sind die Rippen 21 an den Innenoberflächen der Seitenwände 7d, 7e des Gehäuses 7 angeordnet, die senkrecht zu den Endflächen 2, 3 des Wicklungselements 1 sind. Insbesondere sind drei Rippen 21 auf der Innenoberfläche einer der Seitenwände 7d, 7e angeordnet, die senkrecht zu den Endflächen 2, 3 sind, und sind ebenfalls drei Rippen 21 auf der Innenoberfläche der gegenüberliegenden Seitenwand 7b, 7e angeordnet.
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Die Rippen 21 auf der Seitenwand 7d, 7e stoßen an das Wicklungselement 1 an und stellen dadurch sicher, dass das Wicklungselement 1 innerhalb des Gehäuses 7 zentriert ist. Die Rippen 21 stellen weiterhin sicher, dass das Wicklungselement 1 von der Innenoberfläche des Gehäuses 7 beabstandet ist und die Innenoberfläche nicht direkt kontaktiert. Dementsprechend wird verhindert, dass Feuchtigkeit direkt von dem Gehäuse zu dem Wicklungselement 1 vordringen kann.
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Zudem sind auf der Innenoberfläche der Seitenflächen 7b, 7c, die angrenzend an die Endflächen 2, 3 des Wicklungselements 1 angeordnet sind, zwei Schienen 22 durch Vorsprünge auf der Innenoberfläche definiert. Diese Schienen 22 bilden Führungselemente für die Drähte 6, die als elektrisch leitende Anschlüsse verwendet werden. Die Schienen 22 helfen dabei, die Drähte 6 an ihrer jeweiligen Position zu halten, selbst, wenn eine thermische Beanspruchung auf den Kondensator ausgeübt wird. Jede Schiene 22 ist durch zwei Vorsprünge 22a, 22b gebildet, die so angeordnet sind, dass sie den entsprechenden Draht dazwischen einklemmen.
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13 und 14 zeigen Querschnittsansichten einer dritten Ausführungsform des Kondensators. Das Gehäuse 7 des Kondensators weist eine flache untere Wand 7a auf. Zwei Rippen 20 sind auf der unteren Wand 7a angeordnet. Jede der zwei Rippen 20 ragt in das Innere des Gehäuses 7 hervor. Das Wicklungselement 1 ruht auf den Rippen 20. Dementsprechend ist das Wicklungselement 1 von dem Rest der unteren Wand 7a um zumindest einen minimalen Abstand beabstandet, der eine Höhe der Rippen 20 entspricht.
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13 und 14 zeigen ein Gehäuse 7, das aus lediglich einem Abteil besteht. Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Gehäuse 7 mehrere Abteile aufweisen, wobei jedes Abteil eine flache untere Wand 7a aufweist.
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Das Gehäuse 7 kann zusätzlich Rippen 21 aufweisen, die, ähnlich der zweiten Ausführungsform, an den inneren Oberflächen der Seitenwände 7d, 7e des Gehäuses 7 angeordnet sind. Das Gehäuse 7 kann zusätzlich zwei Schienen 22 aufweisen, die, ähnlich der zweiten Ausführungsform, durch Vorsprünge der Innenoberfläche definiert sind. Diese Schienen 22 können Führungselemente für die Drähte 6 bilden, die als elektrisch leitende Anschlüsse verwendet werden.
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Bezugsziffern
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- 1
- Wicklungselement
- 2
- Endfläche
- 3
- Endfläche
- 4
- Öffnung
- 5
- Schoopierung
- 6
- Draht
- 7
- Gehäuse
- 7a
- untere Wand
- 7b
- Seitenwand (parallel zur Endfläche)
- 7c
- Seitenwand (parallel zur Endfläche)
- 7d
- Seitenwand
- 7e
- Seitenwand
- 8
- erster Knick
- 9
- zweiter Knick
- 10
- Deckel
- 11
- erstes Isolationsmaterial
- 12
- zweites Isolationsmaterial
- 13
- erster gerader Abschnitt
- 14
- zweiter gerader Abschnitt
- 15
- dritter gerader Abschnitt
- 16
- erste Biegung
- 17
- zweite Biegung
- 18
- dritte Biegung
- 19
- Abteil
- 20
- Rippe
- 21
- Rippe
- 22
- Schiene
- 22a
- Vorsprung
- 22b
- Vorsprung
- H
- Höhe des Hohlraums
- D
- Ausbuchtung des ersten Knicks
- L
- Ausbuchtung des zweiten Knicks
- R
- Radius der unteren Wand
- r
- Radius der Rippen
