DE2156921A1 - Magnetspule - Google Patents

Description

410-17.823P 16. 11. I97I

Commissariat ä !'Energie Atomique, Paris (Prankreich)

Magnetspule

Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetspule aus einem Stapel leitender Bleche und Isolierfolien, bei dem die Bleche derart lokal miteinander in Kontakt sind, daß eine elektrisch leitende Spirale bzw. Spule gebildet wird.

Man kennt Spulen, die allgemein als Bitter-Spulen bezeichnet und durch Aufstapelung von elektrisch leitenden Blechen aus Kupfer mit dazwischen angeordneten isolierenden Folien gebildet werden. Letztere sind von geringer Dicke (beispielsweise 50 u) und derart ausgeschnitten, daß sie einen örtlich begrenzten Kontakt zwischen den Kupferblechen und damit die Erzeugung einer Spule ermöglichen, deren Windungen durch diese Bleche gebildet werden, indem die Ränder des

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Stapels mit Klemmbacken zusammengepreßt werden,. Die gesamte Anordnung wird durch entionisiertes Wasser gekühlt, das durch senkrecht zur Stapelung gebohrte Kanäle innerhalb der Spule bzw. quer zur Spule zirkuliert.

Ziel der Erfindung ist die Konzeption einer Spule, die insbesondere bei einem sehr speziellen Beispiel der Verwirklichung einer Anlage für Impulsbetrieb angemessen ist, bei ) der die Stärke der Induktion längs eines Kreisumfanges von 2 m Durchmesser 6 T und die gespeicherte magnetische Energie 40 MJ erreicht, während die in einem Satz von 24 Spulen während eines Impulses verteilte bzw. abgegebene thermische Energie 150 MJ betragen wird und der Arbeitsrhythmus bei einem Impuls je 4 Minuten liegt; in Anbetracht der sehr kurzen Impulsdauer ist die Aufheizung praktisch adiabatisch. Das erforderliche hohe Magnetfeld sollte durch einen torischen Solenoid von 24 Spulen erzeugt werden» Diese Spulen können auch zur Erzeugung eines geradlinigen Feldes einer Intensität, die 6 T oder mehr erreichen kann, verwendet werden.

t Spulen der genannten Art scheinen insbesondere der

Resistenz gegenüber hohen mechanischen Beanspruchungen angepaßt. Bs wurde indessen festgestellt, daß diese Spulen, so wie sie gebildet werden, nicht zur Lösung der auf verschiedenen Ursachen fussenden Probleme beitragen können; insbesondere ist:

- die Fläche für den Wärmeaustausch zwischen Kupfer und Wasser ungenügend, da sie auf den Querschnitt der Kupferfolien beschränkt ist. Das macht die Erzeugung einer sehr großen Zahl von Kühlkanälen notwendig, deren Herstellung heikel und mit sehr hohen Kosten verbunden ist.

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- Die Lecklinien bzw. Kriechwege zwischen den Windungen sind zu kurz; die Stärke der Isolierung liegt in der Gegend von 50 bis 100 μ und die geringste Verunreinigung im Kühlwasser führt zu !Durchschlägen.

Ziel der Erfindung ist eine solche Abwandlung des Aufbaus von Spulen dieser Art, daß die vorstehend angegebenen Nachteile vermieden und insbesondere Anwendungen für die weiter oben angegebenen Anlagen ermöglicht werden.

Die zu diesem Zweck entwickelte erfindungsgemäße Magnetspule aus einem Stapel von mit isolierenden Pollen abwechselnden elektrisch leitenden Blechen, die lokal derart miteinander in Kontakt sind, daß sie eine Leiterspirale bilden, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche lokale Ausschnitte in einer über zwei liegenden Anzahl aufweisen, die von einem Blech zum folgenden versetzt sind und Mittel zur Begrenzung eines Kreislaufs für ein Kühlmittel längs der Ausschnitte in der Yfeise, daß das Kühlmittel mit den Seitenflächen der Bleche in Kontakt kommt.

Die Kühlung wird auf diese Weise sehr viel wirksamer, da das beispielsweise in Kühlkreis zirkulierende Wasser im Bereich der gegeneinander versetzten Ausschnitte Anteile der Blechoberfläche umspulen kann und nicht nur die Schnittflächen bzw. -kanten. Der Stapel kann dann vorzugsweise durch Stifte oder Bolzen zusammengehalten werden, die durch die Bleche und die isolierenden Folien hindurchgehen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der jürfindung sind die elektrisch leitenden Bleche jeweils zu zweit bzw. paarweise zusammengefaßt und durch die Stärke zweier isolierender Folien

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getrennt, die sich in der Weise überlappend angeordnet sind, daß jeder Kriechweg um die Übergriffslänge erhöht bzw. verlängert ist.

Gemäß einer weiteren Besonderheit der Erfindung, die insbesondere den Impulsbetrieb betrifft, sind die Ränder der einzelnen leitenden Bleche gezahnt unter Bildung von Kühlrippen, die bei den verschiedenen Blechen versetzt angeordnet sind unter Bildung eines Kanals für die Zirkulation eines Kühlmittels am Umfang des Stapels über dessen gesamte Höhe.

Gemäß einer weiteren Besonderheit der Erfindung, die sich insbesondere auf den Permanentbetrieb bezieht, besitzen die Bleche Durchlaßöffnungen für ein Kühlmittel innerhalb der Masse des Stapels, die rund oder länglich sind und sich von einem Blech zum nächsten überlappen bzw. verschieben mit in jeder Öffnung (geringfügig) in das Blech vorragendem Isoliermittel.

Gemäß noch einem weiteren speziellen Merkmal der Erfindung kann jede Spule entweder für Impulsbetrieb oder für Permanentbetrieb oder für beides eingerichtet sein.

Im nachfolgenden wird vorausgesetzt, daß jede Spule von viereckiger Form ist und kreisförmigem zentralen Öffnungsquerschnitt hat, aber selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf eine solche Form beschränkt, sondern sie umfaßt vielmehr alle möglichen Varianten.

Eine solche Spule gemäß der Erfindung wird nachfolgend mehr im einzelnen beschrieben. Diese Beschreibung, aus der

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weitere Besonderheiten der Erfindung hervorgehen werden, bezieht sich auf die angefügten Zeichnungen; es zeigen

Pig. 1 eine Aufsicht auf die für Impulsbetrieb gedachte Spule;

Pig. 2 ein einzelnes Kupferblech des Stapels; Pig. 3 einen Schnitt längs IH-III der Pig. 1; Pig. 4 einen Schnitt längs 17-17 der Pig. 1;

Pig. 5 einen Schnitt durch einen Teil der Windungen der Spule längs der Ebene 7-7 der Pig. 1 (in vergrößertem Maßstab);

Pig. 6 einen Schnitt durch einen Teil des Stapels im Bereich der Kühlkanäle gemäß einer für Permanentbetrieb vorgesehenen 7ariante;

Pig. 7 eine Abwandlung der Ausführungsart von Pig. 6; und

Pig. 8 und 9 zwei weitere Möglichkeiten für die Ausführung des Stapels in Abwandlung der in Pig. 5 gezeigten Art.

7or der eigentlichen Beschreibung des Aufbaus der Spule seien einige Bemerkungen über die Konzeption solcher Spulen vorangestellt für den Pail einer Anlage mit im Impulsbetrieb arbeitendem hohen Magnetfeld, wie sie zu Beginn der Beschreibung angedeutet wurde.

Diese Spulen müssen erheblichen Beanspruchungen widerstehen, und zwars

- Durch Magnetkräfte bedingten mechanischen Beanspruchungen; dabei handelt es sich zum einen um statische Kräfte aufgrund des hohen Peldes und zum anderen um Ermüdungs-

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beanspruchungen infolge der kontinuierlichen Wiederholung der Krafteinwirkungen}

- und thermischen Beanspruchungen, die gekennzeichnet sind durch Zyklen rascher Aufheizung mit nachfolgender lang~ sanier Abkühlung.

Diese Erfordernisse führen zur bevorzugten Auswahl von Kupfer mit geringen Mengen an zulegiertem Zirkonium und Phos-P phor oder von Kupfer mit zulegiertem Silber als Leitermaterial, das außer einer ausgezeichneten elektrischen leitfähigkeit bemerkenswerte mechanische Eigenschaften besitzt und zwar insbesondere eine hohe Elastizitätsgrenze von zumindest 38 kg/mm bis zu höheren Temperaturen; die isolierenden folien können aus einem Material wie "Kapton" (Polyimid) bestehen.

Selbstverständlich ist die Erfindung jedoch keinesfalls auf diese Materialien beschränkt und die erfindungsgemäße Spule kann unter Verwendung anderer Materialien hergestellt werden, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Im übrigen hat man bei Impulsbetrieb zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen eine Ruhepause, in der die Wärme durch das Metall weitergeleitet werden kann, so daß eine Abführung der Wärme durch Kühlung am Umfang der Spulen ausreichen kann} in Anbetracht der Blechstärke der einzelnen leitenden Bleche in der Gegend von 0,7 mm kommt jedoch ein Anschweißen einer Kühlmittelleitung am Umfang der leitenden Bleche wie bei klassischen Systemen nicht in Frage.

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Die vom Anmelder vorgesehenen Anordnungen um zum gleichen Ziel zu gelangen, sind eigenartig, wirksam und nicht selbstverständlich, wie aus der nachfolgenden Beschreibung der Spule hervorgehen wird.

Wie in den Figo 1, 3, 4 und 5 gezeigt ist, wird der die Spule bildende Stapel aus elektrisch leitenden Blechen und isolierenden Folien durch viereckige Gerüstplatten bzw. Beschläge zusammengehalten. Jede Gerüstplatte umfaßt zwei Sektoren, von denen der eine (10) 270° und der andere (11) 90° umfaßt. An Ober- und Unterseite der Spule überdeckt der Sektor 11 jeweils eine der "Elektroden" 12 der Spule mit Anschlußlaschen 13. Bolzen 14 (oder Schrauben mit versenktem Kopf) mit Muttern 16 und Unterlegscheiben 17 gewährleisten eine energische Einspannung des Stapels mit den Elektroden zwischen den beiden Gerüstplatten. Die Köpfe von Bolzen und Schrauben und die Muttern sitzen in Ausnehmungen 18 der Gerüstplatten unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht oder -scheibe 19 unter den Köpfen. Der Schaft von Bolzen oder Schraube wird jeweils über die Gesamtlänge von einem isolierenden Rohr 20 umhüllt.

Fig. 2 zeigt eines der leitenden Bleche 21 des Stapels. Jedes Blech hat einen Schlitz 22, der innerhalb des Stapels abwechselnd in Richtung AA₁ oder AAp verläuft. Die Figur zeigt weiter die verschiedenen Bohrungen für den Durchtritt der Spannbolzen oder -schrauben. Die einzelnen Seiten des Blechs sind in der v/eise gezahnt, daß Rippen 23 bildende Vorsprünge mit Ausschnitten 24 abwechseln und der Stapel wird (aus solchen Blechen) in der Weise erzeugt, daß die Vorsprünge und Ausschnitte eines Blechs den Ausschnitten und ■Vorsprüngen eines benachbarten Blechs gegenüberstehen in einer

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versetzten bzw. Zick-Zack-Anordnung. Es ist zu bemerken, daß die Bleche (trotzdem) untereinander identisch sind; wie Fig. 2 zeigt, ist jedes Blech zur Mittelachse B-B^ nur partiell symmetrisch und für die versetzte Anordnung reicht es aus, wenn das folgende Blech gegenüber dem ihm vorhergehenden um besagte Achse um 180° gewendet wird»

Die Isolierfolien sind regulär viereckig, aber ihre Abmessungen bezogen auf diejenigen der leitenden Bleche fc sind derart, daß sie gleichmäßig um etwa 1 mm zum einen über die seitlichen Ausschnitte des Bleches uril zum anderen die kreisförmigen inneren Ränder 25 dieser Bleche hinausragen, was die Güte der Isolierung im Vergleich zu klassischen Bitter-Spulen verbessert. In den Zeichnungen ist dieses Vorragen der Isolierfolien zur besseren Veranschaulichung übertrieben dargestellt. Wie bereits angedeutet wurde, existieren für die Trennung zweier benachbarter leitender Bleche zwei isolierende Folien 26 die, um das Einsetzen zu ermöglichen wie weiter unten beschrieben wird, geschlitzt sind.

Es sei hier daran erinnert, daß sich die Schlitze der leitenden Bleche alternativ lediglich längs zweier Linien ™ überlagern. Um trotzdem zu einer leitenden Spirale zu gelangen, sind sie jeweils zu zweit ohne Zwischenschaltung isolierender Folien miteinander in Kontakt. Bei je zwei über 270° von einem Schlitz zum anderen durch isolierende Folien voneinander getrennten Blechpaaren findet der Kontakt über 90° hinweg zwischen den beiden Schlitzen jeweils durch ein Blech jedes Paares statt, wobei die isolierenden Folien derart durch die Schlitze hindurchgeführt sind, daß sie beim ersten um eine Blechstärke und beim zweiten Schlitz um die zweite Blechstärke versetzt weiterlaufen (siehe Fig. 5).

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Zur Bildung von peripheren Kanälen für die Zirkulation von Wasser zur Kühlung der gezahnten Ränder der leitenden Bleche insbesondere bei Impulsbetrieb werden die vier Seitenflächen der Spule jeweils durch eine erste isolierende Platte 27 abgeschlossen, die sich gegen die Vorsprünge der gezahnten Ränder der leitenden Bleche legen und an den Rändern durch eine Dichtung 28 auf der Basis eines in der Kälte polymerisierenden Elastomeren abgedichtet sind, Gegen diese erste Platte legt sich eine zweite isolierende Platte 29, die mit Schrauben 30 an den Seitenrändern der Gerüstplatten 10 bzw. 11 befestigt ist. In Fig. 1 sind bei 31 Speiserohre für Kühlwasser zu sehen, das über Rohre 32 abfließt.

In Anbetracht der weiter oben beschriebenen Anordnung der leitenden Bleche umspült das durch die Rohre 31 zutretende Kühlwasser die Seitenflächen der Spule innerhalb der Platten 27 längs von stufenförmigen Wegen längs der Kühlrippen 23 unter Übertritt von einer Spirale zur anderen vermittels der im Vergleich zu den Rippen größeren Breite der Ausschnitte 24. In Anbetracht der großen Berührungsfläche zwischen Wasser und Kühlrippen erfolgt die Kühlung wirksam und rasch durch wenig kostspielige Mittel.

Durch die Verdoppelung der Isolierfolien 26 zwischen den leitenden Blechen 21 kann durch eine Überlappung dieser Folien eine Verlängerung der Lecklinie bzw. des Kriechweges zwischen den beiden Kupferblechen erreicht werden, wie in Fig. 5 zu sehen ist. Jede Folie besitzt nämlich in bekannter Weise einen Schlitz, der das Einsetzen in den Stapel ermöglicht, wobei sie den Schlitz eines leitenden Bleches passiert und unter dem Blech entlanggleitet. Wie die Figur

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zeigt, sind nun die Schlitze der beiden benachbarten isolierenden Folien versetzt angeordnet, so daß der Verlauf der Lecklinie bzw. der Kriechweg zwischen den beiden durch diese getrennten leitenden Blechen um die Übergriffslänge verlängert ist.

Wenn man sich die Tatsach zunutze macht, daß die leitenden Bleche wie auch die Isolierfolien verdoppelt sind, ist eine besonders einfache kontage möglich, indem man die Schlitze der Isolierfolien mit denjenigen der leitenden Bleche gemäß der in Fig. 8 gezeigten Variante zusammenfallen läßt, wobei nun jede Folie lediglich einmal um eine Blechstärke verschoben wird und über 270° mit der einen benachbarten bzw. vorhergehenden Folie und über 90 mit der anderen benachbarten bzw. nächstfolgenden Folie gepaart ist.

Gemäß noch einer anderen Variante, die in Fig. 9 gezeigt ist, wird die Spule durch einfache Aufstapelung von Elementen erzeugt, die jeweils durch zwei leitende Bleche und zwei Isolierfolien gebildet werden, die derart deformiert werden, daß sie über 90° hinweg die einen über die anderen übergreifen, wie in der Figur angedeutet ist. (vVie man sieht, greifen hier bei einem Paket aus vier Lagen, von denen die beiden inneren durch leitende Bleche 21 gebildet werden, über den 90°-Sektor hinweg die beiden unteren Lagen über die beiden oberen Lagen, so daß bei Aufeinanderschichtung der Pakete jeweils die unteren Bleche des unteren Pakets mit den oberen Blechen des oberen Pakets in Kontakt kommen.)

Wenn die Spule im Permanentbetrieb arbeiten soll, wird eine Variante der erfindungsgemäßen Anordnungen bevorzugt, bei der Kühlkanäle innerhalb der gesamten Masse des Stapels von einer Seite der Spule zur anderen vorgesehen sind. Dabei

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wird eine die Fläche zur Blechkühlung vergrößernde Anordnung wie bei der peripheren Kühlung angewandt. Das Prinzip dieser Anordnung ist im Schnitt in den Figuren 6 und 7 für zwei Ausführungsvarianten gezeigt. Es besteht darin, daß für jeden Kühlkanal eine Folge von kreisförmigen Öffnungen oder besser Öffnungen von länglicher Form vorgesehen wird, die sich bei der in Fig. 6 gezeigten Variante untereinander von einem Blech zum folgenden (teilweise) überlappen bzw. verschoben sind. Die Isolierfolien haben entsprechende öffnungen, die jedoch länger bzw. größer sind als bei den Blechen und eine Verbindung zwischen den versetzten Öffnungen zweier aufeinanderfolgender Bleche ermöglichen. Sie reichen dabei allerdings um beispielsweise 1 mm über die (am weitesten zurückspringenden) Ränder (der angrenzenden Bleche) in die Öffnungen hinein. Der in der Figur (schematisch) gestrichelt angedeutete stufenförmige Kühlenweg folgt im wesentlichen den Überlappungs- bzw. Vorgriffshorizontalflächen der Bleche, wobei die Berührungsfläche mit dem Kühlmittel durch das (geringfügige) Vorragen der Isolierungen nicht wesentlich vermindert wird. Ebenso wird der Einfluß der Stärke der Einspannung bei dieser Kühlart unbedeutend. Die Zirkulation des Wassers erfolgt so schräg zum Stapel, wobei sie ausgehend von den Seitenrändern des Stapels erfolgen kann, wodurch dann die oberen und unteren Flächen (der Spule) für die Anordnung der Spannbolzen des Stapels verfügbar bleiben. Im Falle von Fig. 7 sind die Öffnungen zwischen zwei aneinanderliegenden leitenden Blechen (vollständig gegeneinander) versetzt und die Zirkulation findet praktisch parallel zu den Platten statt.

Zusammenfassend kann man sagen, daß durch die Erfindung insbesondere folgende Vorteile erzielt werden können:

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- Die Fläche für den Wärmeaustausch zwischen Kupfer und Wasser wird beträchtlich vergrößert;

- man kann die Isolierungen zwischen den Y/indungen übergreifen lassen, was die Qualität der Isolierung verbessert;

- der Stapel kann durch Bolzen zusammengehalten bzw. zusammengepreßt werden, was den elektrischen Kontakt verstärkt und die Resistenz gegenüber elektrodynamischen Kräften verbessert.

Man kann getrennt Spulen erzeugen, von denen die einen insbesondere für den Impulsbetrieb und die anderen für den Permanentbetrieb geeignet sind. Selbstverständlich wird dadurch die Erzeugung von Spulen nicht ausgeschlossen, die die charakteristischen Merkmale dieser beiden Varianten in sich vereinigen und dann nach Wunsch mit den gleichen Vorteilen für die eine oder andere Betriebsweise verwendet werden können. Durch die beiden entsprechenden Kühlkreise kann man im übrigen bei der einen oder anderen Betriebsweise auf die Geschwindigkeit der Wärmeabführung Einfluß nehmen.

Zur Veranschaulichung werden nachfolgend einige Kenndaten für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Spule als Beispiel angegeben:

Zahl der Windungen» 71

Stärke eines Kupferblechs: 0,7 mm

Stärke der Isolierung» 0,075 χ 2 = 0,15 mm

Stärke einer Windung: 1,4mm+O,15mm= 1,55 mm

Durchmesser der Innenbohrung: 600 mm

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Claims (8)

Patentansprüche

1. Magnetspule aus einem Stapel leitender Bleche und Isolierfolien, bei dem die Bleche derart lokal miteinander in Kontakt sind, daß eine elektrisch leitende Spirale bzw. Spule gebildet wird, dadurch gekennzeich net, daß die Bleche (21) lokale Ausschnitte (24 bzw. 33) in einer über zwei liegenden Anzahl aufweisen, die von einem Blech zum folgenden versetzt sind und Mittel (wie 27-29) zur Begrenzung eines Kreislaufs für ein Kühlmittel längs der Ausschnitte in der Weise, daß das Kühlmittel mit den Seitenflächen der Bleche in Kontakt kommt.

2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die einzelnen leitenden Bleche (21) gezahnte Händer (23,24) unter Bildung von Kühlrippen (23) aufweisen, die mit dem Kühlmittel in Kontakt kommen, wobei die Zahnung von einem Blech zum anderen versetzt angeordnet ist und mit dem äußeren Eand mit einer einen Kühlkreis begrenzenden Hülle (27-29) an Umfang des Stapels in Kontakt sind.

3. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (21) Öffnungen (33) für den Durchtritt von Kühlmittel längs der Masse des Stapels aufweisen, die vorzugsweise von länglicher Form und von einem Blech zum andern teilversetzt bzw. vorspringend derart angeordnet sind, daß die einzelnen Bleche vom Kühlmittel längs eines Teils der Seitenfläche, die vom benachbarten Blech nicht abgedeckt wird, umspült werden.

4. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreis vom Hand des Stapels her gespeist wird und dieser

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durch mechanische Mittel (15-17) zusammengehalten bzw. eingespannt wird, die durch die leitenden Bleche (21) und Isolierfolien (26) hindurchgehen.

5 β Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 4_} dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierfolien (26) derart dimensioniert sind, daß sie an allen Händern zumindest das eine der direkt benachbarten leitenden Bleche (21) überragen.

6. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Bleche (21) Schlitze (22) aufweisen, die abwechselnd längs zweier Radialebenen (AA. bzw. AA₂) des Stapels angeordnet sind und daß die Bleche jeweils paarweise in Kontakt sind, und zwar abwechselnd mit dem vorangehenden bzw. dem nachfolgenden Blech und daß zwei aufeinanderfolgende leitende Bleche durch zwei benachbarte Isolierfolien (26) voneinander getrennt sind, die versetzte Schlitze haben.

7. Spule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Paare aufeinanderfolgender leitender Bleche (21) durch zwei benachbarte isolierende Folien (26) getrennt sind, die nacheinander durch die Schlitze der beiden aufeinanderfolgenden Bleche hindurchgehen und jenseits der Schlitze der leitenden Bleche untereinander versetzte Schlitze aufweisen (Pig. 5).

8. Spule nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Stapelaufbau aus aufeinanderfolgenden Paketen von je vier Lagen, von denen die beiden äußeren durch Isolierfolien (26) und die beiden inneren durch leitende Bleche (21) gebildet werden und die über einen gleichbleibenden Sektor von 90° (11) hinweg derart deformiert sind, daß die beiden unteren lagen über die beiden oberen Lagen übergreifen (Fig.9).

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