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Die Erfindung betrifft eine elektrische Drossel, insbesondere für Leistungselektronikanwendungen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer in einem metallischen, insbesondere aus einem Pulververbundwerkstoff oder Sintermetall ausgebildeten Schalenkern aufgenommenen Spulenwicklung, welcher innerhalb des Schalenkerns ein Kunststoff-Spulenkörper zugeordnet ist.
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Drosseln sind induktive, passive Bauelemente, die im Bereich der Leistungselektronik und insbesondere auch im Bereich der Stromversorgung elektrischer und elektronischer Geräte eingesetzt werden. Es handelt sich um Spulen, die beispielsweise zur Dämpfung, Funkentstörung, Kommutierung, Strombegrenzung, Unterdrückung unerwünschter Frequenzen oder zur Energiespeicherung in Schaltreglern und Schaltnetzteilen eingesetzt werden. Elektrische Drosseln umfassen eine Spulenwicklung, bestehend aus einem gewickelten Stromleiter, durch den der volle Laststrom einer Schaltung fließt, wobei bei bekannten Drosseln ein im Regelfall aus Kunststoff ausgebildeter Spulenkörper (Spulenträger) zur Aufnahme der Spulenwicklung trägt. Häufig sind die Drosseln mit einem weichmagnetischen Kern versehen, der sich axial innerhalb des Spulenkörpers erstreckt. Die Windungsanordnung, ihre Form und der Drahtdurchmesser, das Wickel- und Kernmaterial legen den Wert der Induktivität und weitere Eigenschaften der Drossel fest.
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Für viele elektrische und elektronische Geräte ist die Temperaturentwicklung der Einzelbauteile kritisch. Zu einer unerwünschten Temperaturerhöhung tragen häufig auch elektrische Drosseln in Leistungselektronikanwendungen bei, da es trotz des Vergießens der Spulenwicklung innerhalb des Schalenkerns zu Kriechströmen zwischen der bestromten Spulenwicklung und dem im Regelfall auf Masse liegenden Schalenkern kommt.
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Neben einer unerwünschten Temperaturentwicklung sind derartige Kriechströme auch kritisch im Hinblick auf zwangsläufig resultierende Leistungsverluste.
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein im Hinblick auf ihre Wärmeentwicklung verbesserte elektrische Drossel, insbesondere für Leistungselektronikanwendungen anzugeben, bei welcher unzulässige Erwärmungen aufgrund von Kriechströmen zumindest weitgehend vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird mit einer elektrischen Drossel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und bei einer gattungsgemäßen Drossel insbesondere dadurch, dass der Spulenkörper als elektrischer Isolator gegenüber dem metallischen Schalenkern ausgebildet ist, der den Spulenkörper an seinem Außenumfang, zumindest näherungsweise vollständig, bevorzugt vollständig, umhüllt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den im Stand der Technik ausschließlich als Spulenträger dienenden Spulenkörper als Isolator auszubilden, der die Spulenwicklung, zumindest weitgehend elektrisch gegenüber dem Schalenkern isoliert. Hierzu umgibt der Spulenkörper erfindungsgemäß die Spulenwicklung an ihrem Außenumfang, und dient somit als Barriere für Kriechströme zwischen dem Außenumfang, d.h. der äußeren Mantelfläche der bevorzugt hohlzylindrischen Hüllkontur der Spulenwicklung und dem metallischen Schalenkern.
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Bevorzugt ist dazu der Spulenkörper koaxial zur Spulenwicklung angeordnet in einem Bereich radial zwischen dem Außenumfang, d.h. der äußeren Mantelfläche einer Hüllkontur der Spulenwicklung und dem Innenumfang des Schalenkerns. Der Spulenkörper muss bei der erfindungsgemäßen elektrischen Drossel nicht zwingend die Aufgabe haben, die Spulenwicklung zu tragen, was jedoch bevorzugt ist, – wesentlich ist es, dass der Spulenkörper als elektrisch isolierende Kapselung für die Spulenwicklung ausgebildet ist, derart, dass Kriechströme zwischen Spulenwicklung und Schalenkern zumindest weitgehend vermieden werden. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Spulenkörper zusätzlich zu seiner Isolatorfunktion auch die Aufgabe eines Spulenträgers hat, wobei bevorzugt, wie später noch erläutert werden wird, die Spulenwicklung nicht wie im Stand der Technik um den Spulenkörper, bevorzugt zumindest als Luftspule, gewickelt, sondern separat von dem Spulenkörper gewickelt und später auf diesen auf bzw. in diesen eingeschoben wird.
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Der Schalenkern der erfindungsgemäßen elektrischen Drossel hat in erster Linie die Aufgabe, einen vorgegebenen Induktionswert zu erzielen und in zweiter Linie, die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der elektrischen Drossel zu verbessern. Dem Schalenkern ist also im weitesten Sinne eine metallische, insbesondere pulverbundwerkstoffliche oder sintermetallische Abschirmung, insbesondere Umhüllung der Spulenwicklung, d.h. eine Art Drosselgehäuse zu verstehen, welches weiterbildungsgemäß zur Ausbildung eines Weicheisenkerns innerhalb der Spulenwicklung über Innenbutzen in letztere axial hineinragen kann.
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Die erfindungsgemäße elektrische Drossel eignet sich insbesondere für Leistungselektronikanwendungen, bei welchen elektrische Energie umgeformt wird und zeichnet sich durch eine minimierte Selbsterwärmung aus, was auf die erfindungsgemäße Unterdrückung von Kriechströmen zurückzuführen ist, die aus der Ausbildung des Spulenkörpers als elektrischer Isolator resultiert.
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Ganz besonders bevorzugt umfasst der, noch weiter bevorzugt wie später noch erläutert werden wird, mehrteilige Spulenkörper zwei axial beabstandete Stirnseitenabschnitte, die sich bezogen auf eine Axialerstreckung der Spulenwicklung in radialer Richtung erstrecken, insbesondere bis über die Radialerstreckung der Spulenwicklung hinaus. Ferner umfasst der Spulenkörper weiterbildungsgemäß einen äußeren Mantelflächenabschnitt, der bevorzugt axial über die Axialerstreckung der Spulenwicklung durchgehend, radial zwischen einem äußeren Mantelflächenabschnitt einer zumindest näherungsweise hohlzylindrischen Hüllkontur der Spulenwicklung und einem Schalenkernmantelflächenabschnitt angeordnet ist. Anders ausgedrückt ist es bevorzugt, wenn ein äußerer Mantelflächenabschnitt des Spulenkörpers, insbesondere vollumfänglich, die beiden Stirnseitenabschnitt axial miteinander verbindet und somit die Spulenwicklung an ihrem Außenumfang, insbesondere zumindest näherungsweise vollständig kapselt. Wie später noch erläutert werden wird, ist es bevorzugt, wenn der Spulenkörper die Spulenwicklung nicht nur an ihrem Außenumfang kapselt, sondern die Spulenwicklung auch in ihrem Inneren axial durchsetzt und dabei elektrisch kapselt bzw. isoliert, wobei es bevorzugt ist, wenn diese innere Kapsel mit Hilfe eines inneren, vorzugsweise hohlzylindrischen Mantelflächenabschnitts realisiert ist, der weiterbildungsgemäß ebenfalls die beiden Stirnseitenabschnitte, die noch weiter bevorzugt ringscheibenförmig ausgebildet sind, axial miteinander verbindet.
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Wie bereits angedeutet ist es besonders zweckmäßig, wenn der Spulenkörper mehrteilig ausgebildet ist, und insbesondere aus mindestens zwei, bevorzugt ausschließlich zwei, Kunststoffspritzgussteilen montiert ist, wobei ganz besonders bevorzugt zumindest eines der Spritzgussteile als Schalenkörper ausgebildet ist, der sowohl eine Stirnseite der Spulenwicklung als auch, zumindest abschnittsweise, eine Mantelfläche der Spulenwicklung umhüllt. Bevorzugt ist der Schalenkörper auch derart ausgebildet, dass er sich mit einem axialen inneren, insbesondere hohlzylindrischen Fortsatz in die Spulenwicklung hinein erstreckt. Besonders zweckmäßig ist es, wie erwähnt, zwei derartige Schalenkörper axial zusammenzustecken, um den Spulenkörper zu bilden. Denkbar ist es alternativ, lediglich einen Schalenkörper vorzusehen, der sich zumindest näherungsweise über die gesamte Axialerstreckung der Spulenwicklung erstreckt und diesen mit einem z.B. flachen Deckelelement zu verschließen.
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Um eine optimale elektrische Isolierung und weitere Minimierung der Kriechströme zu erreichen, ist weiterbildungsgemäß vorgesehen, dass sich die Spritzgussteile, insbesondere zwei Schalenkörper, die gemeinsam den Spulenkörper bilden, in axialer Richtung überlappen, insbesondere mit den einander zugewandten Mantelseitenabschnitten, also mit Hohlzylinderabschnitten. Bevorzugt überlappen sich die Schalenkörper über mindestens 1mm, insbesondere über mindestens 5mm, noch weiter bevorzugt über mindestens 10mm.
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Wie bereits angedeutet, ist es besonders zweckmäßig, wenn der Spulenkörper die Spulenwicklung nicht nur an ihrem Außenumfang kapselt, sondern auch an ihrem Innenumfang. Hierzu durchsetzt der Spulenkörper weiterbildungsgemäß, insbesondere mit einem inneren Mantelflächenabschnitt, die Spulenwicklung, wobei der gesamte innere Mantelflächenabschnitt bevorzugt von zwei, noch weiter bevorzugt schalkörperförmigen Spritzgussteilen gebildet sind, die sich noch weiter bevorzugt axial in einem Bereich innerhalb der Spulenwicklung überlappen, um hierdurch die Barrierewirkung für Kriechströme weiter zu erhöhen.
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Wie eingangs erläutert, handelt es sich bei dem Schalenkern in erster Line um eine äußere Schale bzw. Hülle, d.h. ein metallisches Gehäuse für die Spulenwicklung, wobei sich der Spulenkörper bevorzugt sowohl axial als auch radial, insbesondere überall in einem Bereich zwischen dem Schalenkern und der Spulenwicklung erstreckt. Zur Beeinflussung der Induktivität der Drossel kann ein Weichmagnetkern vorgesehen werden, der weiterbildungsgemäß von dem Schalenkern gebildet ist, der sich in diesem Fall zumindest auf einer Seite, vorzugsweise auf beiden Seiten, axial mit Hilfe von Innenbutzen in die Spulenwicklung erstreckt, wobei bevorzugt radial zwischen dem mindestens einen Innenbutzen und der Spulenwicklung ein innerer Mantelflächenabschnitt des Spulenkörpers vorgesehen ist.
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Um eine besonders optimierte Barriere gegen Kriechströme zu bilden, ist weiterbildungsgemäß vorgesehen, dass der Spulenkörper einen Wicklungsdrahtaustrittskanal bildet, durch den der Wicklungsdraht aus dem Schalenkern herausgeführt ist. Bevorzugt durchsetzt der Wicklungsdrahtaustrittskanal hierzu einen äußeren Mantelfächenabschnitt des Schalenkerns, bei einer mehrteiligen, bevorzugten Ausführungsform des Spulenkörpers, insbesondere aus zwei schalenkörperförmigen Spritzgussteilen ist es bevorzugt, wenn diese Spritzgussteile gemeinsam den Wicklungsdrahtaustrittskanal bilden und sich noch weiter bevorzugt im Bereich des Wicklungsdrahtaustrittskanals axial in Richtung der Längserstreckung bzw. Axialerstreckung des Spulenkörpers überlappen.
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Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Drossel, bei der der, bevorzugt mehrteilige Schalenkern aus einem Pulververbundwerkstoff oder Sintermetall ausgebildet ist. Der Schalenkern umfasst dabei bevorzugt mindestens ein Schalenbauteil, welches radial außerhalb des Spulenkörpers angeordnet ist. Bevorzugt ist einteilig mit dem Schalenteil zumindest eine Stirnseite des Schalenkerns ausgebildet und kann auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Stirnseitendeckel verschlossen sein und somit die Spulenwicklung in sich aufnehmen.
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Zur Fixierung der Spulenwicklung innerhalb des Spulenkörpers ist es bevorzugt, wenn der Spulenkörper mit Vergussmasse, insbesondere einem Harz ausgegossen ist. Zur Fixierung des die Spulenwicklung aufnehmenden Spulenkörpers innerhalb des Schalenkerns ist es bevorzugt, wenn auch dieser in einem Bereich zwischen Schalenkern und Spulenkörper mit Vergussmasse, insbesondere einem Harz ausgegossen ist. Bevorzugt findet sich Vergussmasse auch innerhalb eines weiterbildungsgemäß vorgesehenen Wicklungsdrahtaustrittskanals des Spulenkörpers.
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Die Erfindung führt auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Drossel, welches im Rahmen einer Patentnachanmeldung beanspruchbar sein soll. Kern des Verfahrens ist es, dass eine Spulenwicklung mittels eines Spulenkörpers, zumindest weitgehend elektrisch gekapselt bzw. isoliert wird und in diesem Zustand in einem Schalenkörper aufgenommen wird. Weiterbildungsgemäß wird der Spulenkörper aus mehreren Spritzgussteilen zusammengesetzt. Ganz besonders bevorzugt wird die Spulenwicklung nicht unmittelbar auf den Spulenköper gewickelt, sondern separat von diesem, insbesondere als Luftspule mit entsprechend steifem Wicklungsdraht, und auf einen inneren Axialfortsatz eines Spritzgussteils aufgeschoben, bevor der Spulenkörper mittels eines weiteren Spritzgussteils komplettiert wird, indem es mit dem weiteren Spritzgussteil, insbesondere überlappend, verbunden wird. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen in dieser Anmeldung vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in:
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1 eine Längsschnittansicht durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Drossel,
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2 eine Querschnittansicht der Drossel gemäß 1 entlang der Schnittlinie A-A,
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3 eine perspektivische Darstellung eines Spulenkörpers,
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4 und 5 zwei ineinanderschiebbare, als Spritzgussteile ausgebildete Schalenkörper zur Ausbildung des Spulenkörpers gemäß 3.
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In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist in einer Längsschnittansicht eine elektrische Drossel 1 für Leistungselektronikanwendungen gezeigt. Die elektronische Drossel 1 umfasst einen Pulververbund-Schalenkern 2, der vollumfänglich eine Spulenwicklung 3 (allgemein: gewickelter, insbesondere mit Klarlack isolierter Wicklungsdraht) umschließt. Ferner umfasst die Drossel 1 einen aus Kunststoff ausgebildeten, mehrteiligen Spulenkörper 4, der innerhalb des Schalenkerns 2 angeordnet ist und Spulenwicklung 3 vollumfänglich umschließt und dadurch gegenüber dem Schalenkern 2 isoliert.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der Schalenkern 2 aus zwei Sintermetallteilen, nämlich einem in der Zeichnung links dargestellten Schalenteil 5, welches sich über eine Stirnseite der Spulenwicklung 3 erstreckt und zudem einen Schalenkernmantelflächenabschnitt 6 umfasst, der sich axial über die Axialerstreckung der Spulenwicklung 3 erstreckt und radial außerhalb eines Mantelflächenabschnitts 7 der Spulenwicklung 3 angeordnet ist. Das Schalenteil 5 ist verschlossen von einem stirnseitigen Deckelteil 8, welches die ansonsten noch freie Stirnseite des Spulenkörpers 4 überdeckt.
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Ferner ist zu erkennen, dass sich der Schalenkern 2, genauer das Schalenteil 5 mit Hilfe eines Innenbutzens 9 axial in die hohlzylindrisch konturierte Spulenwicklung 3 hineinerstreckt und axial an dem Deckelteil 8 anliegt und somit einen Weicheisenkern ausbildet. Der Innenbutzen 9 ist fakultativ und kann bei einem alternativen Ausführungsbeispiel auch von zwei entgegengesetzt orientierten Innenbutzen der Teile 6, 8 gebildet sein. Der Schalenkern kann auch aus zwei Schalenteilen, mit oder ohne Innenbahn, gebildet sein oder aus mehr als zwei Teilen.
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Wie sich aus den Schnittdarstellungen gemäß den 1 und 2 ergibt, kapselt der Spulenkörper 4 die Spulenwicklung 3 nicht nur an ihrem Außenumfang, d.h. außerhalb ihres Mantelflächenabschnittes 7, sondern auch auf beiden Stirnseiten sowie im Inneren des Spulenkörpers. Hierzu umfasst der Spulenkörper 4 zwei einander gegenüberliegende kreisringscheibenförmige Stirnseiten 10, 11, die radial außen über einen äußeren Mantelflächenabschnitt 12 des Spulenkörpers 4 miteinander verbunden sind und radial innen von einem inneren Mantelflächenabschnitt 13. Der äußere Mantelflächenabschnitt 12 befindet sich radial zwischen dem Mantelflächenabschnitt 7 der Spulenwicklung 3 und dem Schalenkernmantelflächenabschnitt 6, wohingegen sich der innere Mantelflächenabschnitt 13 radial zwischen dem Innenumfang, d.h. einem inneren Mantelflächenabschnitt der Spulenwicklung 3 und dem Innenbutzen 9 des Schalenkerns 2 befindet. Die Stirnseitenabschnitte 10, 11 des Spulenkörpers befinden sich zwischen jeweils einer Stirnseite der Spulenwicklung 3 und einer dazu benachbarten Stirnseite des Schalenkerns 2.
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Interessant ist, dass an den äußeren Mantelflächenabschnitt 12 des Spulenkörpers 4 ein Wicklungsdrahtaustrittskanal 14 angeformt ist, der den Schalenkern 2, hier radial im Bereich seines Schalenkernmantelflächenabschnittes 6 durchsetzt, so dass ein Wicklungsdraht 15 der Spulenwicklung 3 elektrisch isoliert aus dem Schalenkern 2 herausgeführt werden kann, wie dies aus den 1 und 2 eindeutig ersichtlich ist.
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Insbesondere zur Fixierung der Spulenwicklung 3 ist der Spulenkörper 4 bzw. dessen ansonsten vorhandene Hohlräume ausgegossen mit einer Vergussmasse 16, ebenso wie der Bereich zwischen dem Schalenkern 2 und dem Spulenkörper 4.
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Wie sich aus einer Zusammenschau der 3 bis 5 mit den 1 und 2 ergibt, ist der Spulenkörper 4 nicht einteilig ausgebildet, sondern besteht aus zwei schalenförmigen Spritzgussteilen 17, 18, die sich axial, unter anderem auch in einem Bereich des Wicklungsdrahtaustrittskanals überlappen. Hierzu weisen die Spritzgussteile 17, 18 jeweils einen axialen Überlappungsabschnitt 19, 20 auf, die im Vergleich zum sonstigen Spritzgussteil 17, 18 eine bevorzugt hälftig reduzierte Wandstärke aufweisen, so dass die Spritzgussteile 17, 18 problemlos ineinander gefügt werden können.
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Die Überlappungsabschnitte 19, 20 weisen eine Axialerstreckung a in dem gezeigten Ausführungsbeispiel von 12mm auf, wobei die Überlappung so bemessen sein sollte, dass Kriechströme zumindest weitgehend vermieden werden.
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Wie sich aus den Figuren ergibt, wird die einzige Öffnung des Spulenkörpers 4 von dem Wicklungsdrahtaustrittskanal 14 gebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drossel
- 2
- Schalenkern
- 3
- Spulenwicklung
- 4
- Spulenkörper
- 5
- Schalenteil
- 6
- Schalenkernmantelflächenabschnitt
- 7
- Mantelflächenabschnitt der Spulenwicklung
- 8
- Deckelteil
- 9
- Innenbutzen
- 10
- Stirnseitenabschnitt des Spulenkörpers
- 11
- Stirnseitenabschnitt des Spulenkörpers
- 12
- äußerer Mantelflächenabschnitt des Spulenkörpers
- 13
- innerer Mantelflächenabschnitt des Spulenkörpers
- 14
- Wicklungsdrahtaustrittskanal
- 15
- Wicklungsdraht
- 16
- Vergussmasse
- 17
- Spritzgussteil
- 18
- Spritzgussteil
- 19
- Überlappungsabschnitt
- 20
- Überlappungsabschnitt
- a
- Überlappungsstrecke
