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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen gezogenen metallischen Draht mit einer Isolierschicht. Die Erfindung betrifft ferner einen Grund- bzw. Spulenkörper, auf welchem ein gezogener metallischer Draht mit einer Isolierschicht aufgewickelt ist.
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Stand der Technik
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Drähte werden in vielfältiger Form verwendet. Eine Anwendung für Drähte besteht darin, dass aus ihnen Seile gefertigt werden, bspw. für Kräne oder Seilbahnen. Diese sind besonders strapazierfähig und bestehen üblicherweise aus Stahl. Eine andere Anwendung besteht bspw. darin, dass die Drähte als elektrischer Leiter eingesetzt werden. Als Material kommen dann gut leitende Metalle, wie z.B. Kupfer in Frage. Ein Einsatzgebiet besteht dann darin die Drähte z.B. als Leiterkabel auszubilden, welche verlegt oder verspannt werden. In einem anderen Einsatzgebiet werden die Drähte in Spulenkörpern benutzt. Die Spulenkörper sind dann beispielsweise in Elektrogeneratoren bzw. Elektromotoren vorgesehen. Die Drähte sind für die Verwendung in Spulenkörpern isoliert. Im Fall von Kabeln werden die Drähte mit einer stark isolierenden Kunststoffhülle ummantelt. Bei Spulenkörpern werden die Leiterdrähte oft mit einer gut isolierenden Lackschicht isoliert. Die Lackschicht wird dabei aufgetragen, indem der Draht durch ein entsprechendes Bad mit flüssigem Lack gezogen wird. Bei Bedarf kann dieser Vorgang mehrfach wiederholt werden.
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Drähte werden bei der Herstellung aus einem Ausgangsdraht gezogen oder aus Metallbändern geschnitten. Geschnittene Drähte eignen sich nicht in Anwendungsgebieten, wo eine besonders lange und zusammenhängende Drahtlänge erforderlich ist. Für den Einsatz bei Spulenkörpern werden daher gezogene Drähte bevorzugt. Dies hat zudem den Vorteil, dass die gezogenen Drähte erheblich dünner gegenüber den geschnittenen Bändern bzw. Drähten ausgestaltet werden können.
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Aus der
DE 2008 053 586 A1 ist beispielhaft bekannt, wie ein Draht gezogen wird. Zur Herstellung dünner Drähte wird beispielsweise ein mittels Stranggießverfahren, typischerweise mit einem Drahtdurchmesser von einigen Millimetern, einem Ziehprozess unterzogen. Durch den Ziehprozess erfährt der Ausgangsdraht gleichzeitig sowohl eine Querschnittsreduzierung als auch eine Längenzunahme. Das Ziehen erfolgt üblicherweise in mehreren Stufen, wobei der Draht jeweils durch eine sich verjüngende Öffnung verschiedener Ziehsteine, die auch als Matrizen bezeichnet werden, gezogen wird. Typischerweise umfasst eine Drahtzieheinrichtung zudem eine so genannte Abhaspel sowie eine Spule, auf der der gezogene Draht schlussendlich aufgewickelt wird. Häufig werden die Drähte auf den Spulen gelagert sowie auch transportiert. Das so genannte Durchziehen eines Drahtes durch einen Ziehstein ordnet sich nach
DIN 8580 in die Gruppe der so genannten Zugdruckumformverfahren ein. Die zum Umformen benötigte Zugkraft muss auf der Auslaufseite des gezogenen Werkstoffstranges eingeleitet werden.
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Weiterhin ist sogenannter Pressdraht bekannt. Dabei wird das zu verarbeitende Metall durch eine Öffnung mit einem vorgegebenen Durchmesser gepresst. Das schließlich aus der Öffnung austretende Produkt ist ein Pressdraht mit definiertem Durchmesser. In der
DD 000000243815 A3 wird bspw. ein solcher Pressdraht erwähnt. Eine pneumatische Einrichtung wird dort am Beispiel einer Auslaufstrecke einer Drahtstrangpressanlage erläutert. Der Pressdraht läuft hier in einen als bewegliches Maschinenteil ausgebildeten Haspelkorb ein, in dem sein Haspelteller mit einer der Drahtgeschwindigkeit angepassten Drehzahl rotiert und der Draht um den Haspeldorn zu einem Bund aufgewickelt wird.
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Nach Abschluss des Pressvorganges und Aufhaspeln des Drahtbundes muss der Haspelteller mit der Oberfläche der Haspel auf gleichem Niveau stehen, damit das aufgewickelte Drahtbund durch einen Abstreifer vom Haspelteller horizontal abgestreift und nachfolgenden Aggregaten zugeführt werden kann.
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In der Regel werden zum Ziehen von Drähten so genannte Trommelziehmaschinen eingesetzt, bei denen die zum Ziehen notwendige Krafteinleitung über eine Trommel, auch als Antriebsrad bezeichnet, erfolgt und um die der Draht nach dem Ziehstein geschlungen wird. Über die Trommel wird auch die Ziehgeschwindigkeit eingestellt.
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Daneben existieren weitere Ziehmaschinentypen, wie beispielsweise Geradeaus-Ziehbänke, bei denen die Krafteinleitung am Anfang des Werkstücks erfolgt, oder Kontinuierliche Ziehmaschinen, bei denen die Krafteinleitung auf der Ausgangsseite des Ziehsteins durch Klemmeinrichtungen erfolgt.
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Die Querschnittabnahme eines Drahtes während des Ziehvorganges sowie der diese verursachende Durchmesserabnahme der Ziehsteinöffnung müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass die Zugfestigkeit beziehungsweise die Streckgrenze des gezogenes Drahtmaterials durch die Ziehkraft nicht überschritten wird. Zur Erreichung eines gewünschten Enddurchmessers, der typischerweise zwischen 0.005 und 20 mm liegt, erfolgt das Ziehen in mehreren aufeinander folgenden Ziehschritten, bei denen jeweils immer kleinere Ziehsteine eingesetzt werden, solange bis das gewünschte Endmaß erreicht ist. Die während des Ziehprozesses auf den Draht einwirkende Deformation erfolgt weitgehend plastisch, d.h. die Materialdeformation erfolgt außerhalb des elastischen Bereiches, dem Hooke'schen Bereich, des jeweiligen Drahtmaterials, so dass der Draht nach Durchführen durch einen Ziehstein seine Querschnittsreduzierte Form weitgehend beibehält. Ein erwünschter Enddurchmesser des Drahtes entspricht somit dem geringsten Durchmessers eines Ziehsteins. Jedoch können aufgrund von teilelastischen Effekten geringfügige Querschnittszunahmen nach Durchtritt durch den Ziehstein im Draht auftreten. Derartige teilelastische Effekte können jedoch, sofern sie zu nicht tolerablen Drahtquerschnittsvergrößerungen führen, kompensiert werden, indem ein entsprechend geringer gewählter Ziehsteindurchmesser gewählt wird. Kaltumformung, die in der Regel bei Zimmertemperatur durchgeführt wird, kommt insbesondere bei weicheren Metallen, wie z. B. Stählen, in Betracht. Wohingegen die Warm- oder Heissumformung bei spröden Werkstoffen oder hochschmelzenden Metallen, wie Wolfram oder Molybdän, eingesetzt wird, wobei hierbei Prozesstemperaturen vorzusehen sind, die etwa bei 45 bis 95% der Rekristallisationstemperatur in Kelvin von den jeweiligen Metallen liegen. Typische Temperatur-Werte während der ersten Ziehschritte sind 1000°C bei Wolfram, 600°C bei Molybdän etc. Die Deformation während eines Ziehschrittes erfolgt nicht vollständig homogen, so dass im querschnittsreduzierten Draht Eigenspannungen auftreten, die wiederum in entscheidender Weise die Eigenschaften des Endprodukts beeinflussen, insbesondere die mechanischen Eigenschaften, die Lebensdauer sowie die Neigung des Drahtes zu Brechen. Gezogene Drähte weisen daher ein typisches Eigenspannungsprofil auf, das durch an der Drahtoberfläche auftretenden, jeweils in axialer Richtung orientierte Zugspannungen und in der Drahtmitte durch Druckspannungen charakterisierbar ist. In Umfangsrichtung ist ein ähnliches Profil, jedoch mit geringeren Spannungswerten zu beobachten. In radialer Richtung treten in der Drahtmitte Druckspannungen auf; an der Drahtoberfläche sinken diese auf Null ab.
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Aus der
DD 147798 A3 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Lackdrahtes aus Kupfer-Zinn-Knetielegierung offenbart. Dort wird ein Verfahren zur Herstellung von Draht aus Kupfer-Zinn-Knetlegierung hoher mechanischer Festigkeit beschrieben, der durch Lackisolierung als Trägerdraht anderer nichtisolierter Leiter in elektrischen Bauelementen, insbesondere in Potentiometern dient. Dort werden Lackdrähte als bekannt vorausgesetzt, deren Leitermaterialien hohe elektrischer Leitfähigkeit, wie Kupfer und Aluminium im weiten Abmessungsbereich von 0,012 bis 10 mm Durchmesser sowie Flachlackdrähte der verschiedensten Querschnitte. Diese Lackdrähte dienen der Leitung von elektrischem Strom in vielfältigen Ausführungen von Wicklungen für Elektromaschinen, Elektrogeräte oder Bauelemente der Elektronik. Charakteristisch für die Anwendung dieser lackisolierten Drähte ist das Bestreben, das Leistungsvermögen und die Zuverlässigkeit elektrischer Wicklungen durch eine hohe elektrische Festigkeit der Lackschicht, beschreibbar durch die Höhe ihrer elektrischen Durchschlagsfestigkeit, zu sichern. Erreichbar ist diese Eigenschaft durch das Auftragen einer möglichst dicken Lackschicht, aber vornehmlich durch die Verwendung von Drahtlacken mit sehr hohem Isolationswiderstand.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2008 044 097 A1 ist bekannt, bei Rückschlüssen für elektrische Maschinen, diese aus Blechpaketen oder auch aus Lamellenpaketen auszubilden. Die Bleche werden bisher aus einem Blechstreifen ausgestanzt und einzeln oder als Blechpaket verbunden weiterverarbeitet. Das Stanzen erfordert jedoch ein hohes Einsatzgewicht. Es ist nun vorgesehen, dieses Einsatzgewicht drastisch zu reduzieren. Es wird hierzu ein Rückschluss bzw. ein Statorblech, aufgebaut aus mehreren flachen Matalllagen, vorgeschlagen, bei dem zur Herstellung schraubenförmig gepackter Matalllagen ein Metallstreifen um einen Hilfskörper, insbesondere Dom, gewickelt wird, der dabei mittels Hochkantrollen in eine schraubenförmige Form gebracht wird, wonach der Hilfskörper entfernt wird und die Metalllagen schraubenförmig gepackt vorliegen. Ein Einsatz der Erfindung ist für jeden Motor mit Luftspaltwicklung, speziell für Gebläsemotoren, möglich.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 11 88 194 A beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Feldspulen aus Flachdraht für elektrische Maschinen mit einem runden Gehäuse, insbesondere Andrehmotoren für Brennkraftmaschinen, bestimmten Feldspulen aus Flachdraht, die zunächst in einer Ebene unter Beilage eines die einander zugekehrten Flächen der einzelnen Windungen gegeneinander isolierenden Streifens gewickelt, dann durch entsprechendes Biegen der Wölbung der Innenwandseite des Maschinengehäuses angepasst und schließlich in einen flüssigen Isolierstoff getaucht werden, um einen die Spule umschließenden Isoliermantel zu erzeugen.
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Auf der Internetseite "http://www.ruggaber.de/kupfer/flach.htm" der Firma Karl Ruggaber GmbH & Co. KG wird zum Zeitpunkt der Anmeldung ein Flachdraht mit Lackierung dargestellt.
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Die bekannten Flachdrähte bzw. im Querschnitt rechteckigen Drähte haben den Nachteil, dass sie herstellungsbedingt geschnitten und damit ihre Länge festgelegt ist. Weiterhin weisen die ausgeschnittenen Flachdrähte an den Schnittkanten einen Grat oder zumindest eine sehr scharfe Schnittkante auf, welche zunächst entfernt werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und einen Draht zu schaffen, der isoliert ist und sich extrem kompakt, wickeln lässt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung soll zudem sein, dass der Draht über eine bedarfsgerechte Länge verfügt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem gezogenen metallischen Draht mit einer Isolierschicht der eingangs genannten Art der Querschnitt des Drahtes mehreckig ausgebildet ist.
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Die Probleme, die sich aus dem Stand der Technik für den Fachmann ergeben, werden ferner durch einen Spulenkörper der eingangs genannten Art gelöst, die dem der Querschnitt des Drahtes mehreckig ausgebildet ist, wobei die Wicklung des Drahtes lückenlos vorgesehen ist.
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Runde Drähte mit Isolationsschicht lassen sich aus ihrer runden Geometrie heraus nicht so dicht und kompakt wickeln, dass keine Zwischenräume zwischen den benachbarten Drahtabschnitten entstehen. Es sind zwar isolierte und rechteckige geschnittene Bänder bekannt, die aber aufgrund des Schneidvorgangs aus einem Metallband einen Grat bzw. eine scharfkantige Schnittkante aufweisen. Diese unerwünschten Kanten müssen daher zunächst entfernt werden. Geschnittene Bänder können zudem nicht so schmal und lang hergestellt werden, wie es bei gezogenen Drähten der Fall ist. Die Länge der gezogenen Drähte ist zudem nicht auf die Ausdehnung eines Bandes beschränkt. Die Erfindung ermöglicht daher lange und sehr schmale, metallische Drähte mit einer Isolierschicht herzustellen, die aufgrund ihrer Mehreckigkeit sich extrem kompakt wickeln lassen. Die Kontaktflächen zwischen den Drahtabschnitten einer Wicklung können maximiert werden. Dadurch lässt sich ein Wärmeaustausch bspw. aus einem Spulenkörper heraus beschleunigen.
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Vorzugsweise ist Querschnitt des gezogenen metallischen Drahts rechteckig oder dreieckig ausgestaltet. Diese Formen lassen sich mit relativ geringem Aufwand herstellen und ermöglichen eine kompakte Bauweise, bspw. bei Spulenkörpern. Lücken oder Zwischenräume sind bei geeigneter Wicklung eines Spulenkörpers dann praktisch nicht mehr vorhanden. Die Drahtabschnitte einer jeden Wicklung liegen dann nämlich mit dem jeweils benachbarten Drahtabschnitt mit der größtmöglichen Fläche dicht und kompakt zusammen. Damit ist ein Wärmeaustausch bei einem solchen Spulenkörper optimal gewährleistet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drahts sind die Kantenlängen des mehreckigen Querschnitts gleich lang ausgestaltet. Damit lassen sich die Drahtabschnitte einer Wicklung besonders vorteilhaft neben- bzw. übereinander anordnen mit möglichst großen Kontaktflächen zu einem jeweils benachbarten Drahtabschnitt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drahtes besteht die Isolierschicht aus wenigstens einer Lackierung. Dabei wird der Draht mit einem isolierenden Lack beschichtet. Die Isolationsbeschichtung kann auf diese Weise sehr gering gehalten werden. Die Beschichtung von runden Drähten mit Isolationslack ist als solches dem Fachmann bekannt. Die Lackierung von gezogenen mehreckigen Drähten hat insbesondere den Vorteil, dass sich die so lackierten Drähte extrem kompakt zu Spulen wickeln lassen. Das Volumen der Spulenkörper lässt sich damit durch eine dünne Lackierung der gezogenen Drähte je nach Bedarf und Anforderung reduzieren.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen gezogenen metallischen Drähte besteht darin, dass durch die die Längskanten des Drahtes, welche durch die Ecken des mehreckigen Querschnitts gebildet sind, abgerundet vorgesehen sind. Dies ermöglicht ein verletzungsfreies Verarbeiten des Drahtes. Denn die Kanten eines mehreckigen Bandes sind naturgemäß sehr scharf und auch rauh. Eine Abrundung der Ecken entschärft diesen Sachverhalt.
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Vorzugsweise ist der Durchmesser des Querschnitts des Drahtes kleiner als 2 mm vorgesehen. Es hat sich erwiesen, dass das Ziehen und/oder Walzen von Drähten besonders bei geringen Breiten unter 4 mm sinnvoll ist. Denn bei der Herstellungstechnik des Ziehens wird der dünne Draht gleichmäßiger gebildet als beim Schneiden.
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Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Gegenstand der Unteransprüche. Einige Ausführungsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt in einer Prinzipskizze einen Schnitt einer Spule mit runden Drähten.
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2 zeigt in einer Prinzipskizze einen Schnitt eines rechteckigen Drahtes mit Lackierung
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3 zeigt in einer Prinzipskizze einen Schnitt einer Spule mit Drähten mit rechteckigem Querschnitt.
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4 zeigt in einer Prinzipskizze einen Schnitt einer Spule mit Drähten mit quadratischem Querschnitt.
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5 zeigt in einer Prinzipskizze einen Schnitt einer Spule mit Drähten mit sechseckigem Querschnitt.
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6 zeigt in einer Prinzipskizze einen Schnitt einer Spule mit Drähten mit dreieckigem Querschnitt.
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7 zeigt in einer Prinzipskizze die Lackierung eines im Querschnitt mehreckigen Drahtes.
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Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
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In 1 wird in einer Prinzipskizze ein Schnitt einer mehrlagigen Spule 10 mit runden Drähten 12 gezeigt, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der runde Draht ist nach bekannter Art gezogen. Der Draht 12 besteht üblicherweise aus einem gut leitenden metallischen Material 14, wie z.B. Kupfer. Um den Draht ist eine Isolierschicht 16 vorgesehen. Diese Isolierschicht 16 besteht bspw. aus einer Kunststoff-, Keramik oder Lackbeschichtung. Wie aus dieser Ausschnitt-Darstellung ersichtlich wird, entstehen bei der Wicklung des runden Drahtes 12 Lücken 18 zwischen benachbarten Drahtabschnitten 20. Diese Lücken 18 füllen sich im Normalfall mit isolierender Luft.
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Im Betrieb werden die Spulen 10 durch den hindurchfließenden Strom warm oder sogar heiß. Diese Wärme muss aus der Spule 10 nach Möglichkeit abgeführt werden, da die leitenden Eigenschaften des Drahtes 12 durch die Wärme in häufig unerwünschter Weise verändert wird. Die Wärme wird zum Teil über den Draht 12 selbst abgeführt. Die Wärmeabführung erfolgt dabei auch quer zur Wickelrichtung der Spule 10. Es ist bei den runden Drähten 12 nachteilig, dass Kontaktflächen 22 zwischen den Drähten 12 relativ gering sind. Die Luft in den Lücken 18 bildet ein Wärmeisolationspolster, so dass die Wärme nur sehr schlecht aus solchen Spulen 12 abgeführt werden kann.
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In 2 ist beispielhaft ein Schnitt eines im Querschnitt rechteckigen und isolierten Drahtes 24 dargestellt. Der Draht 24 ist gezogen und nicht geschnitten oder gestanzt. Dadurch lassen sich besonders gut dünne Drähte 24 herstellen, d.h. die Kantenlängen 26 des Drahtquerschnitts 28 sind kleiner oder gleich 2 mm. Der Draht 24 besteht ebenfalls aus einem gut leitenden, metallischen Material, wie z.B. Kupfer. Der rechteckige Draht 24 weist eine Isolierschicht auf. Diese Isolierschicht ist vorzugsweise eine elektrisch isolierende Lackschicht 30. Die Lackschicht 30 ummantelt den Draht vollständig. Lediglich die Enden sind zur Kontaktaufnahme mit jeweils einem entsprechenden Kontakt üblicherweise frei von der Lackschicht. Beispiele für Anwendungen solcher rechteckigen Drähte 24 mit der Lackschicht 30 wird in den 3 und 4 dargestellt.
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Die 3 und 4 zeigen in einer Prinzipskizze einen Schnitt der Spule 10, bei der die gezogenen Drähte 24 jeweils einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Im Gegensatz zu 3 ist der Querschnitt des Drahtes 24 von 4 jedoch quadratisch. Mit diesen Ausschnitt-Darstellungen lässt zeigen, dass sich Drähte 24 mit rechteckigen Querschnitt so auf die Spule aufgewickelt werden können, dass die Kontaktflächen 22 von benachbarten Drahtabschnitte 20 möglichst groß sind. Dadurch kann die Wärme erheblich besser nach außen transportiert werden, als es bei herkömmlichen runden Drähten 12 der Fall wäre. Durch den im Querschnitt rechteckigen Draht 24 wird die Kontaktfläche 22 zwischen benachbarten Drahtabschnitten 20 erheblich vergrößert. Da zwischen den Drahtabschnitten 20 bei der Wicklung des runden Drahtes 12 Lücken 18 entstehen, steigt entsprechend auch das Volumen bei diesen Spulen 10. Durch die rechteckigen Drähte können die gewickelten Drahtabschnitte 20 so dicht aneinandergelegt werden, dass die Spule 10 erheblich kompakter, also mit kleinerem Volumen, bei ansonsten gleichen elektrischen Eigenschaften zu einer herkömmlichen Spule 10 gemäß 1, produzierbar ist.
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Die 5 und 6 zeigen zwei weiter Beispiele für lackierte und mehreckige Drähte 24. In 5 hat der Draht 24 einen sechseckigen Querschnitt. Die Drahtabschnitte 20 der Spule 10 sind dabei so angeordnet, dass die Querschnitte des Drahtes 24 wabenförmig aneinander anliegen. Dadurch wird wiederum ein Optimum an Kontaktfläche 22 erzeugt. In 6 zeigt in einer Prinzipskizze ein Schnitt der Spule 10 gezeigt, bei der der Draht 24 einen dreieckigen Querschnitt aufweist. Auch hier ist die Wicklung des Drahtes 24 so vorgesehen, dass die Kontaktflächen 22 vollständig aneinander berühren. Die Mehreckigen Drähte 24 eignen sich nicht nur um Wärme gut abzuführen, sondern auch um Kälte gut in die Spule 10 eindringen zu lassen, wie es bspw. bei supraleitenden Magneten wünschenswert ist.
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7 zeigt in einer Prinzipskizze die Lackierung eines im Querschnitt mehreckigen Drahtes 24. Der nicht lackierte Draht 24 befindet sich auf einer Rolle 32. Von dieser wird der mehreckige Draht 24 abgezogen und durch einen flüssigen Isolationslack 34 gezogen, der sich in einem Behälter 36 befindet. Der Isolationslack 34 bleibt an dem mehreckigen Draht 24 haften und kann im einfachsten Fall an der Luft trocknen. Und auf einer weiteren Rolle 38 wieder aufgerollt werden. Bei Bedarf kann der Lackiervorgang mehrfach vorgenommen werden. Hierbei können auch unterschiedliche Isolationslacke 34 mit unterschiedlichen Eigenschaften verwendet werden. Unter Umständen ist ein nicht dargestelltes Bad mit Härter für den Isolationslack 34 vorgesehen, um die Aushärtung des Lacks 30 zu beeinflussen. Auch eine hier nicht dargestellte Trockenvorrichtung kann vorgesehen sein, welche durch Backen oder Heißluft den Trockenvorgang des Isolationslacks 34 an dem mehreckigen Draht 24 beschleunigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2008053586 A1 [0004]
- DD 000000243815 A3 [0005]
- DD 147798 A3 [0010]
- DE 102008044097 A1 [0011]
- DE 1188194 A [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 8580 [0004]
- http://www.ruggaber.de/kupfer/flach.htm [0013]