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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Transformator, insbesondere einen Mittelfrequenz-Transformator mit
galvanischer Trennung, wie er beispielsweise für Anwendungen im Bereich der
Schienenverkehrstechnik eingesetzt wird.
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Stand der
Technik
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Transformatoren
sind essentielle Bauteile in der Elektrotechnik, im Industrieanlagenbau,
im Schienenfahrzeugbau und allgemein in vielen Technologiebereichen
(u. a. auch bei Flugzeugen und Satelliten). Dennoch wurden die Leistungserdichtungen bei
der Konzeptionierung von Transformatoren und Drosseln in der Vergangenheit
in nur begrenztem Umfang verbessert. Bekannte Rechteck- und Zylinderkonstruktionen
beispielweise haben ein Leistungsgewichte von ca. 0,4–0,6 g/W
bei 6–12
KHz bei einer Übertragungsleistung
zwischen 30 und 50 KVA.
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Eine
deutliche Verbesserung bezüglich
Leistungsgewicht und Verdichtung stellt die Patentschrift
DE 102 03 246 B4 dar.
Gemäß dieser
Erfindung wird eine merkliche Verbesserung der Leistungsdichte von
MF-Trafos hier mit einer Wicklung erzielt.
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Trotz
der in der oben benannten Patentschrift aufgezeigten technischen
Fortschritte bei technischen Daten und der Einsatzmöglichkeiten sind
weitere erfinderische Fortschritte in Richtung markanter Leistungssteigerungen
und Verdichtungen unter Beibehaltung gleicher Bauformen und verbesserter
Herstellung möglich.
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Für viele
Anwendungen, insbesondere im mobilen Bereich, aber auch bei den
meisten industriellen Applikationen, besteht ein Bedarf an noch
höheren
Leistungen bei kompakten möglichst
jedoch gleichartigen Bauformen.
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MF-Trafos,
auch andere Trafos für
Industrie- und Schienenverkehr, werden traditionell nur an der Wicklung
oder an Spalten mit Luft oder anderen Medien gekühlt. Neuere Versuche, für die Wicklungen und
die magnetischen Kreise zusätzliche
Kühlflächen oder
indirekte Flüssigkeitskühleinrichtungen
zu installieren, bringen zwar eine gewisse Reduktion von Volumen
und Gewicht zustande, aber keinen grundsätzlichen Durchbruch.
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Aufgrund
der großen
Abmessungen und des relativ hohen spezifischen Gewichts sind die
bekannten MF-Transformatoren den MF-Modulen nachgeschaltet. Sie
werden im allgemeinen mit Luft und/oder Wasser gekühlt. Infolge
der Wärmeentwicklung
sind zum Teil Rückkühler erforderlich,
die zusätzlichen
Einbauraum im elektrischen Versorgungsschrank beanspruchen.
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Aber
selbst die bekannten, optimaleren MF-Transformatoren mit geringsten
Volumen und Gewicht sind noch nicht für merklich gesteigerte Leistungen
bei Beibehaltung gleicher Bauform geeignet.
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Nicht
nur der Einbau in unmittelbare Nähe
zu den Leistungshalbleitern setzt voraus, dass die Primär- und Sekundärwicklung
um Magnet- oder Ferritkern in den Kühlluftstrom des Modulkühlers eingebracht
werden können.
Dies erfordert kompakte Bauformen und direkte Anschlussmöglichkeiten
an IGBTs oder andere Leistungshalbeiter.
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Bei
herkömmlichen
MF-Trafos werden die Wicklungen zur Erzielung eines noch guten Wirkungsgrades
nahe um den geerdeten Kern platziert, wobei die Wicklungen mit Halte-
und Klemmteilen gestützt
oder gehalten werden. Deshalb besteht die Gefahr von Teilentladungen
in den Auflagespalten, die zwischen Wicklungen, Abstützteilen
und Kern entstehen.
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Im übrigen ist
nachteilig, dass die Anordnung von MF-Transformatoren außerhalb
elektrischer Versorgungsschränke
und Räume
in Atmosphärenluft zusätzlichen
Schutz gegen Verschmutzung erforderlich macht.
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Darstellung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator, insbesondere
einen MF-Transformator mit geringem Volumen und Gewicht und gleichartiger
Bauform von ca. 30 bis über
400 KVA zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
hermetisch umgossenen Zweischenkeltrafo mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und weitere bevorzugte Merkmale der Erfindung sind
in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Erfindungsgemäß weisen
die Spulendurchdringungen an mindestens einer ihrer Innenflächen mehrere
angeformte Rippen und/oder Auflagepunkte auf, an welchen der jeweilige
Kern befestigt ist.
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Dadurch
ist eine sehr gute thermische als auch elektrische Isolation der
Kerne zur Wicklung gegeben, jedoch mit dem wichtigen Unterschied
zu
DE 102 03 246 B4 ,
dass die Befestigung der Kerne innerhalb des Spulendurchbruchs sehr
stabil ist. Zusätzliche „Gießharz-Angußwinkel" die prinzipiell
nicht so stabil sein können,
sind nicht mehr erforderlich, was die Fertigung sehr vereinfacht
und die Qualitätssicherung
deutlich erhöht.
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Hinzu
kommt, dass der Wärmefluss
bei Temperaturunterschieden zwischen den Wicklungen und den Kernen
mit der freien Kern-Luftspaltdurchührung gemäß
DE 102 03 246 B4 vergleichbar,
dafür aber das
Gesamtkonzept für
kleine und vor allem aber hohe Leistungen deutlich ergiebiger ist.
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Die
relativ großen
Luftspalte zwischen Spulenum- und Einguss und den Kernen erlauben
eine effiziente Kühlung
des Kerns und der Wicklungen des Transformators, was mindestens
gleichrangig wichtig ist: Die Kopplungsinduktivität zwischen
Primär-
und Sekundärwicklung
erreicht Tiefstwerte, welche mit den bekannten Konstruktionen so
nicht mehr möglich sind.
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Im
Gegensatz zu voll eingegossenen MF-Trafos oder der
DE 102 03 246 B4 werden
die natürlichen
Kühlflächen verdoppelt
bis verdreifacht, wobei die Konstruktion außerhalb dieses sehr wichtigen Merkmales
noch weitere erfinderische Komponenten beinhaltet.
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Mit
dem erfindungsgemäß aufgezeigten Transformator
kann daher ein 1,5 bis 3-mal besseres Leistungsgewicht als mit herkömmlichen
MF-Transformatoren erreicht werden, wobei der untere Wert für Trafos
bis 150–220
KVA und der obere Wert für Trafos
von 200–400
KVA und höhere
Werte gilt, die bisher nicht mit Luftkühlung nicht realisiert werden konnten.
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Die
Rippen für
die Befestigung, vorzugsweise durch Kleben, sind planparallel und
in Richtung des Kerns konisch zulaufend ausgebildet. Dies hat unter
anderem fertigungstechnische Gründe,
da auf diese Weise nur einmal gespaltene Formeinsätze für die Spulendurchdringungen
nach dem Gießprozess wieder
leicht gelöst
werden können.
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Die
Kerne, vorzugsweise Ferrit oder nanokristalline Werkstoffe, sind
mit den Rippen und/oder Auflagepunkten verklebt, wobei die Kerne
und Joche außen
und/oder im Bereich der Klebefugen zu den Rippen/Auflagepunkten
des Umgußes
mit dünnem Isolationsmaterial,
vorzugsweise GfK, „zwischengeklebt" sind. Diese Maßnahme wird
insbesondere wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Materialien z. B. des Spulenumgußes, Epoxidharz, und der Kerne,
beispielsweise Ferrit, erforderlich. Somit werden thermische Spannungen und
deren Folgeerscheinungen auf ungefährliche Werte vermindert.
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Die
Primär-
und Sekundärwicklungen
des Transformators sind durch Zwischenisolationen und den hermetischen
Umguß voneinander
getrennt, wobei die Kerne thermisch und elektrisch isoliert in entsprechenden
Spulendurchdringungen im Spulenumguß gehalten sind.
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Somit
können
mechanisch-metallische Halterungen, wie Spannprofile, Verschraubungen
etc. herkömmlicher
Transformatoren zur Fixierung der Wicklungen, der Kerne und der
Anschlüsse
vollkommen entfallen, was im übrigen
den MF-Trafo gegenüber
herkömmlichen
Transformatoren besonders leise und rüttelfest (Bahn/Flugzeuganwendungen)
macht.
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Der
Spulenumguß ist
vorzugsweise eine Primär-
und Sekundärwicklung
hermetisch abschließende
und voneinander trennende Vergussmasse. Er bildet zusammen mit den
Wicklungen einen Block zur Aufnahme der Kerne. Die Vergußmasse ist
vorzugsweise aus einem Harz, vorzugsweise Epoxidharz mit wärmeleitfähigen Füllstoffen,
vorzugsweise Aluminiumnitrid und/oder silanisiertem Quarzmehl und/oder
isolierten Metallpartikeln zusammengesetzt, soweit die Guß-Isolationseigenschaften
dadurch nicht beeinträchtigt
werden. Zur Schaffung eines stabilen, dünnwandigen und hermetisch geschlossenen
und mechanisch stabilen Spulenumgußes werden die Wicklungen vorzugsweise
mit Fasern, insbesondere Glasseidengewebe, belegt.
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Die
Primär-
und Sekundärwicklungen
sind vorzugsweise Folienleiter, können aber auch Profil-Hohlleiter
für direkte
oder indirekte Flüssigkeitskühlung sein.
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Der
Trafo ist -wie schon angedeutet- als Zweischenkeltrafo ausgebildet,
wobei ein Kern/Jochpaar für
zwei Wicklungen des Trafos verwendet wird. Die Kernbefestigung erfolgt
innen am Einguß,
d.h. innerhalb der Wicklungen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1:
den Mittelfrequenztransformator in Frontansicht;
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2:
den MF-Transformator in Seitenansicht;
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3:
einen Querschnitt durch den MF-Transformator;
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4:
eine Draufsicht auf den MF-Transformator;
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5:
einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des MF-Transformators;
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6:
eine Draufsicht auf das weitere Ausführungsbeispiel eines MF-Transformators mit
herausgenommenen Kernen;
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7:
eine Darstellung des ersten Kerns des Transformators in Front- und Seitenansicht;
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8:
eine Darstellung des zweiten Kerns des Transformators in Frontal-
und Seitenansicht;
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9:
einen Schnitt durch eine Wicklung des Transformators;
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10:
eine Ansicht des Schichtaufbaus der Wicklung des Transformators.
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Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung
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Die 1 bis 4 zeigen
eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mittelfrequenz-Transformators
in verschiedenen Ansichten. Der MF-Transformator weist einen Spulenumguß 1 mit
einem im wesentlichen abgeschrägt-rechteckigen Querschnitt
auf. In dem Spulenumguß 1 sind
eine Primärwicklung 2a sowie
eine Sekundärwicklung 2b eingegossen.
Es ergibt sich so ein die Wicklungen 2a, 2b hermetisch
umschließender
Block. Die Front bzw. die Rückseite
bilden eine Stirnfläche 3,
die z. B. für
die Positionierung der Anschlüsse 13, 14 des MF-Transformators
verwendet werden können.
Am unteren Ende sind vorzugsweise Trafofüße 4 vorgesehen, die
eine Eingußarmatur 6 für Boden-
oder Wandbefestigungen aufweisen.
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Im
Spulenumguß 1 sind
beispielsweise zwei Dreilagenwicklungen 2a und 2b eingefügt, wobei
die Wicklungen nebeneinander liegend durch einen Isolierzwischenguß 19 voneinander
getrennt sind. Ferner können
auf der Front- und Rückseite 3 des
Spulenumgußes 1 Aushöhlungen 20 vorgesehen
sein, die für
eine bessere Abfuhr der Wärme
von den Spulen 2a, 2b nach außen in die Umgebung sorgen.
Die elektrische Verbindung der Wicklungen 2a und 2b erfolgt
in integrierten Verschalträumen 11 bzw. 12,
die auch vollständig
mit Vergußmasse
ausgefüllt
werden.
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Erfindungsgemäß hat jede
Spule eine Spulendurchdringung, wobei die Spulendurchdringung planparallel
zueinander angeordnet sind. Die Spulendurchdringungen haben beispielsweise
einen rechteckigen Querschnitt, mit abgeschrägten Partien an den Schmalseiten
der Durchdringung, wobei jeweils auf einer Längsseite des Rechteckes parallel
zueinander angeordnete Rippen 9 vorgesehen sind. Die Rippen 9 zu
den Flächen
der Spulendurchdringung sind planparallel angeordnet. Ferner sind
die Rippen 9 längsseitig
vorzugsweise konisch geformt, sowohl seitlich als auch in ihrer
Durchbruchbreite.
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Die
Kerne 21, 22 und Joche 18, wie sie in 7 und 8 angedeutet
sind, werden aus I-Kernen oder Schnittbandkernen zu Baugruppen gefügt. Die
Kerne 21, 22 bzw. Joche 18 werden dann
außen und
im Bereich der Klebefugen zu den Rippen 9 des Spulenumgußes 1 mit
einer thermischen Isolierschicht 5, vorzugsweise GfK beklebt.
Dadurch wird erreicht, dass die Kerne 21, 22 von
den Wicklungen 2a, 2b thermisch abgekoppelt werden
können.
Diese mit der Isolierschicht 5 beklebten Kerne 21, 22 werden
nun einseitig durch Verkleben an den Rippen 9 befestigt.
Die Kerne 21, 22 haben also nur im Bereich der
Rippen 9 Kontakt mit dem Spulenumguß 1. Somit sind erfindungsgemäß keinerlei
mechanische Trag- oder Spannelemente für die Kerne 21, 22 und
Joche 18 erforderlich, da die Kerne unmittelbar auf den
Rippen 9 innerhalb der Spulendurchdringungen aufgebracht
werden.
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Wie
bereits erwähnt
sind die Primär-
und Sekundäranschlüsse 13, 14 im
Bereich der Brückenverbindungen
bzw. Verschalträume 11, 12 angeordnet und
unmittelbar im Umgußkonzept
enthalten. Es werden weiter Anschlusstechniken verwendet, die -bei entsprechender
SR-Konstruktionelektrische Kriechwege oder Schlagweiten gegenstandslos
machen. An beiden Seiten ist bei den Kernen 21, 22 ein
Freiraum für
die Joche 18 sowie den Kühllufteintritt und -austritt
vorgesehen. Auf den Jochen 18 kann schließlich eine
Isolierungsplatte 17 aufgebracht werden.
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Außer den
gezeigten Ferritkernen und Jochen können auch Metalle als magnetische
Komponenten eingesetzt werden. Dies hat den Vorteil bei niedrigen
Frequenzen z. B. 4000 Hz fast die vollen Nennleistungen auch höherer Frequenzen 7.500–15.000
Hz (mit Ferrit) zu halten. Ein großer Vorteil ist auch, dass
mit nur wenigen Spulenquerschnitten bei variablen Breiten oder Höhen der
gesamte Leistungsbereich derzeitiger und künftiger SR-Trafos realisiert
werden kann.
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Die
primären
und sekundären
Anschlüsse 13, 14 sind
vorzugsweise kreisförmig
isoliert und um 180° oder
seitenversetzt oben und unten angeordnet. Durch die verbleibenden
Zwischenräume 10 zwischen
Kern und Spulenumguß bleiben
je nach Einbaulage des Transformators vertikale oder horizontale
Kamine oder Zwangsluftführungen
aktiv oder passiv von Kühlluft
durchströmt
werden.
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Wie
ausgeführt,
mit der vorgeschlagenen Zwei- oder Mehrschenkel-Bauform ist durch
Variation der Bauhöhe
und/oder Breite und Anpassung an unterschiedliche Kernquerschnitte
und Abstände
eine breite Variation der Übertragungsleistung
möglich. Die
Kerne 21, 22 sind allseits frei in den Wicklungen aufgehängt und
nur an einer Seite an den Rippen 9 befestigt. Dadurch werden
die Kerne 21, 22 aufgrund der Klebung „elastisch-fest" und sehr geräuscharm
in dem Spulenumguß 1 gehalten.
Sämtliche
Teile zur Fixierung der Kerne 21, 22 bestehen
aus nichtleitenden Materialien, so dass die Kerne potentialmäßig frei
floaten können.
Die Kerne sind im Gegensatz zu herkömmlichen Transformatoren nicht
geerdet. Bevorzugt werden Ferritkerne oder nanokristalline oder amorphe
Kerne verwendet.
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Der
erfindungsgemäße Transformator
kann aufgrund seines kleinen Volumens bzw. seiner kleinen Baugröße und seines
geringen Gewichtes beispielsweise unmittelbar in Kühlerströme unterschiedliche
Stromrichter- oder Module angeordnet werden. Aufgrund seiner hermetischen
Bauweise benötigt
er auch keine weiteren Maßnahmen
für einen
mechanischen oder dichtungsmäßigen Schutz
vor Umwelteinflüssen.
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Die 5 und 6 zeigen
ein leicht abgewandeltes Ausführungsbeispiel
eines MF-Transformators gemäß der Erfindung,
wobei hier etwas schmalere Rippen 9 zur Befestigung der
Kerne 21, 22 verwendet werden. Je nach Ausgestaltung
der Spulendurchbrüche
und der Rippen kann der Trafo entweder in bezug auf seine Streuinduktivität oder aber
seine Geräuschemission
optimiert werden.
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Die 9 und 10 zeigen
beispielhaft einen Querschnitt bzw. eine Draufsicht auf eine der
beiden Wicklungen 2a bzw. 2b. Die Leiter sind
Kupferfolienleiter 23, die unter Zwischenlage einer Zwischenisolation 24 im
wesentlichen quadratisch gewickelt sind. Die Cu-Leiter 23 sind
extern in den Anschlüssen 13, 14 des
Spulenumgußes 1 verschaltet.
Sämtliche Wicklungen
sind mit einer Vergussmasse aus einem Harz, vorzugsweise Epoxidharz,
mit wärmeleitfähigen Füllstoffen
fest und hermetisch umschlossen. Die Wicklungen sind ferner mit
einem grobmaschigen Glasseideband umwickelt, damit der Wicklungsumguß hochstabil,
wärme-
und kälteschockfest
wird. Die konventionelle Glimmerisolation wird erfindungsgemäß durch
Wärmebrücken 25 und
gießharzgegossene
Zwischenisolationen ersetzt. Die Magnetkerne sind mit dünnen GfK-Platten
für den
Spannungsausgleich und als Klebevermittler versehen. Es verbleiben
ferner Seitenaussparungen 16 für den Luftblasenaufstieg zur
Mittel bzw. außen
für die
Prozessverbesserung während
des Vergußprozesses
der Wicklungen.
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- 1
- Spulenumguß (Trafo)
- 2a
- Eingegossene
Wicklung
- 2b
- Eingegossene
Wicklung
- 3
- Stirnfläche (f.
Anschlüsse)
- 4
- Trafofuß
- 5
- Isolierungsplatte
(auf Kern)
- 6
- Eingußarmatur
(Trafofuß)
- 7
- Zwischenisolation
(Spulen)
- 8
- I-Kerne
Parallelklebung
- 9
- Rippen
- 10
- Zwischenraum
(Kaminlüftung)
- 11
- Verschaltraum
(Primärwicklung)
- 12
- Verschaltraum
(Sekundärwicklung)
- 13
- Anschluss
(Sekundär)
- 14
- Anschluss
(Primär)
- 15
- Gußverbindung
(Spulen)
- 16
- Seitaussparung
(Kerne)
- 17
- Isolierungsplatte
(Joch)
- 18
- Joch
- 19
- Spulen-Isolierschicht
- 20
- Aushöhlung
- 21
- Kern
- 22
- Kern
- 23
- Cu-Wicklung
- 24
- Zwischenisolation
(Spulen)
- 25
- Vergussmasse
- 26
- nanokristalline
Kerne (Bild im Anhang)