EP0053686B1 - Tauchkernspule mit einem Tauchkern - Google Patents

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EP0053686B1
EP0053686B1 EP81108653A EP81108653A EP0053686B1 EP 0053686 B1 EP0053686 B1 EP 0053686B1 EP 81108653 A EP81108653 A EP 81108653A EP 81108653 A EP81108653 A EP 81108653A EP 0053686 B1 EP0053686 B1 EP 0053686B1
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EP
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plunger
winding
reactance
iron circuit
yokes
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EP81108653A
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Günter Lubnau
Wolfgang Dr. Matthes
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Transformatoren Union AG
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Transformatoren Union AG
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/08—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with core, coil, winding, or shield movable to offset variation of voltage or phase shift, e.g. induction regulators
    • H01F29/10—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with core, coil, winding, or shield movable to offset variation of voltage or phase shift, e.g. induction regulators having movable part of magnetic circuit

Definitions

  • the invention relates to a plunger core coil for use as an earth fault quenching coil in supply networks, with only one plunger core arranged axially on one side, which is adjustable in the axial direction in a winding having an annular cross section and encased on its outer sides by yoke legs and yokes of an iron circle, with a winding made of insulating material in the immovable part of the iron circle firmly clamped winding cylinder, the inside of which serves as a slideway and guide for the free end of the plunger immersed in the winding and with a spindle mounted on one side coaxially to the plunger for driving the plunger (DE-A-1 488 841).
  • earth fault quenching coils The destructive effects of earth faults between live conductors and earth in electrical supply networks on components and devices that are only indirectly involved are usually mitigated or completely avoided through the use of inductors, so-called earth fault quenching coils.
  • the earth fault cancellation coils are matched to the earth capacities of the electrical supply network to be protected in such a way that the capacitive earth fault current is compensated by the inductive current at the earth fault point. If the arc at the fault location does not go out due to the compensation, there are only relatively easily manageable residual currents, consisting of the active current component of the earth leakage current, the leakage losses via the insulation against earth and the harmonic currents.
  • Supply networks with variable expansion and therefore with different earth leakage currents are expediently equipped with continuously variable inductors in a plunger core design. Controlled by a corresponding additional circuit, the inductance of the plunger core coil is set to the compensation current corresponding to the respective network state.
  • the built-in plunger protrudes into the winding regardless of the respective setting and thus causes an unfavorable magnetic field distribution, especially in the plunger settings for low currents, which has an unfavorable effect on the iron core.
  • the invention is therefore based on the object of providing an arrangement for plunger core coils of the type mentioned which works reliably despite a very simple construction and on the one hand largely uniformly loads the electromagnetically utilized material quantity of the active part on as many plunger core positions as possible and largely avoids eddy current losses in construction parts.
  • this object is achieved by an arrangement in which all the boundary surfaces of the immovable part of the iron circuit opposite the end face of the end of the plunger immersed in the winding lie outside the space encompassed by the winding, and the spindle made of metallic material does not enter the space between the plunger core and Jochen protrudes and the end of the plunger protruding from the winding and from the immovable part of the iron circle is guided by spring-loaded rollers.
  • the arrangement of the immovable parts of the iron circuit outside the space enclosed by the winding ensures uniform loading of the winding regardless of the plunger position with a simple construction of the plunger coil.
  • the design of the spindle made of metallic material and the mounting of the free end of the plunger between spring-loaded rollers make a decisive contribution to the operational safety of the arrangement.
  • the use of metallic material for the spindle is permissible because, due to its arrangement outside the iron circle, it remains free of eddy currents.
  • partial cross sections of the winding conductor of each turn are distributed at least approximately uniformly over the entire winding length, that the plunger slides with synthetic resin runners on the inside of the winding cylinder and that the winding cylinder is guided through holding plates fitted onto its outer jacket, which are at the same time pressure plates for the axial pressing of the winding and are supported on the core pressing device in the axial and radial directions.
  • Advantageous embodiments of the invention also consist in the fact that the boundary surfaces of the immovable part of the iron circle opposite the end of the plunger immersed in the winding lie in a plane that at least the ends of the sheet metal fins are in the free end of the Plunger core opposite part of the immovable iron circle are glued together and that the plunger core is composed of radially arranged sheet metal plates.
  • the immovable part of the iron circle consists of several yoke legs and the upper and lower stumps connected to them, the lower stumps interlocking with coarse teeth.
  • the winding consists of a spirally wound film, the width of which is equal to the axial winding length, or the winding consists of winding groups which are arranged axially one above the other and are connected in parallel.
  • the arrangement and configuration of a plunger core coil according to the invention is very advantageous because it enables the material used to be used evenly and the individual components and assemblies to be designed in a manner which is economical in terms of rational production. This is ensured in particular by dispensing with a second, fixed plunger core.
  • the active part of a plunger coil is set up in an oil-filled boiler 1.
  • An iron circle of the active part consists of yoke legs 2, lower yokes 3, upper yokes 4 and an immersion core 5 and stands with feet 9 on the bottom of the boiler 1.
  • the immovable part of the iron circle from the yoke legs 2 and the yokes 3 and 4 spatially comprises a winding arrangement of winding groups 6, which are axially superimposed on a winding cylinder 7.
  • Four yoke legs 2 are evenly distributed over the circumference of the winding arrangement, the end faces of which are covered by the yokes 3 and 4 connected at right angles to the yoke legs 2.
  • Both the yoke legs 2 and the yokes 3 and 4 are composed of laminations laminated in axially parallel planes, which are held together by a pressing device, not shown. To relieve this pressing device and at the same time to suppress noise, the ends of the sheet metal fins are glued together in the free ends of the yokes 3 and 4.
  • the winding groups 6 enclosed by the immovable part of the iron circuit are electrically connected in parallel and all contain an equal number of turns. Due to the electrical parallel connection, the cross sections of the conductors in the individual winding groups 6 are practically only partial cross sections of a winding conductor divided according to the number of winding groups 6. Forces acting in the axial direction on the winding groups 6 are absorbed by holding plates 8, which in turn are held in a manner not shown by the pressing device for the immovable part of the iron circle.
  • winding groups 6 it is also possible to use a winding consisting of a spirally wound film, in which the film width is equal to the axial winding length.
  • This so-called film winding is particularly useful in cases in which there are relatively low nominal voltages of the winding, so that only relatively few turns are to be provided and thus the space required for isolating the turns from one another does not lead to uneconomically low occupancy of the winding space with winding conductor itself.
  • skids 10 made of synthetic resin which are inserted into recesses at the lower end of the plunger core 5 and are held in their installation position by a locking ring 11.
  • the runners 10 protrude slightly in the radial direction from the contour of the preferably radially laminated plunger core 5 and thereby prevent direct contact between the surface of the plunger core 5 and the winding cylinder 7, which is conventionally made of hard paper.
  • the plunger 5 passing through the opening between the free ends of the upper yokes 4 is guided above the yokes 4 between ball-bearing rollers 14, which are carried by guide bolts 13.
  • the guide bolts 13 are in turn mounted in bearing blocks 12 and press the ball-bearing rollers 14 against the plunger core 5 by means of appropriately preloaded disc springs 16.
  • the bearing blocks 12 are in a manner not shown, as are the holding plates 8 for the winding cylinder 7 with the pressing device for the immovable part connected to the iron circle.
  • the mechanical drive of the plunger 5 is carried out via a spindle 17 with a trapezoidal thread which is only supported at the top and does not protrude into the space between the plunger 5 and the lower yokes 3 in order to avoid eddy current losses intervenes.
  • the free end of the spindle 17 is guided over the lid of the boiler 1 and coupled there with a preferably electric motor drive, which brings the plunger 5 into the required position within the winding arrangement and the immovable part of the iron core by rotating the threaded spindle 17.
  • a preferably electric motor drive which brings the plunger 5 into the required position within the winding arrangement and the immovable part of the iron core by rotating the threaded spindle 17.
  • essentially only the air gap between the lower end of the plunger 5 and the lower yoke 3 are flan Kenden winding groups 6 live, because the magnetic voltage drop occurs essentially in this area.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Tauchkernspule zum Einsatz als Erdschlußlöschspule in Versorgungsnetzen, mit nur einem axial einseitig angeordneten Tauchkern, der in Achsrichtung in einer auf ihren Außenseiten von Rückschlußschenkeln und Jochen eines Eisenkreises umfaßten Wicklung mit kreisringförmigem Querschnitt verstellbar ist, mit einem aus Isolierwerkstoff bestehenden, in den unbeweglichen Teil des Eisenkreises fest eingespannten Wickelzylinder, dessen Innenseite als Gleitbahn und Führung für das in die Wicklung eintauchende freie Ende des Tauchkernes dient und mit einer koaxial zum Tauchkern einseitig gelagerten Spindel zum Antrieb des Tauchkernes (DE-A-1 488 841).
  • Zerstörerische Auswirkungen von Erdschlüssen zwischen Spannung führenden Leitern und Erde in elektrischen Versorgungsnetzen auf nur mittelbar beteiligte Bauteile und Geräte werden üblicherweise durch den Einsatz von Induktivitäten, sogenannten Erdschlußlöschspulen gemildert oder ganz vermieden. Die Erdschlußlöschspulen werden auf die Erdkapazitäten des zu schützenden elektrischen Versorgungsnetzes so abgestimmt, daß an der Erdschlußstelle der kapazitive Erdschlußstrom durch den induktiven Strom kompensiert ist. Sofern der Lichtbogen an der Fehlerstelle durch die Kompensation nicht erlischt, fließen dort nur relativ leicht beherrschbare Hestströme, bestehend aus dem Wirkstromanteil des Erdschlußstromes, den Ableitungsverlusten über die Isolierung gegen Erde und den Oberschwingungsströmen.
  • Versorgungsnetze mit veränderlicher Ausdehnung und mit daher unterschiedlichem Erdschlußstrom werden zweckmäßigerweise mit stufenlos veränderbaren Induktivitäten in Tauchkernbauweise ausgerüstet. Gesteuert von einer entsprechenden zusätzlichen Beschaltung wird die Induktivität der Tauchkernspule auf den dem jeweiligen Netzzustand entsprechenden Kompensationsstrom eingestellt.
  • In der durch die DE-A-1 488 841 bekannten Bauweise für derartige Tauchkernspulen werden Anordnungen mit zwei Tauchkernen verwendet, von denen einer in einer mittleren Stellung fest eingebaut und der andere mittels einer koaxial zum Tauchkern einseitig gelagerten Spindel zwischen Grenzwerten in Achsrichtung verschiebbar ist. Durch Verschieben dieses Tauchkerns in einem Wickelzylinder, dessen Innenseite als Gleitbahn und Führung für das in die Wicklung eintauchende Ende des Tauchkerns dient, wird der Abstand der beiden Tauchkerne voneinander und damit der Größe der Induktivität der Tauchkernspule insgesamt verändert.
  • Bei dieser Anordnung ragt der fest eingebaute Tauchkern unabhängig von der jeweiligen Einstellung in die Wicklung hinein und ruft dadurch besonders in den Tauchkerneinstellungen für niedrige Ströme eine ungünstige magnetische Feldverteilung hervor, was eine ungünstige Beaufschlagung des Eisenkernes zur Folge hat.
  • Wenn dabei die metallische Spindel zur Bewegung des oberen Tauchkernes bis in den Raum zwischen den Tauchkernen geführt ist, wird sie bei ausgezogenem oberen Tauchkern dem Hauptmagnetfeld ausgesetzt, wodurch hohe Wirbelstromverluste auftreten.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für Tauchkernspulen der eingangs genannten Art eine Anordnung zu schaffen, die trotz sehr einfachem Aufbau betriebssicher arbeitet und dabei einerseits die elektromagnetisch ausgenutzte Werkstoffmenge des Aktivteils auf möglichst vielen Tauchkernstellungen weitgehend gleichmäßig belastet und Wirbelstromverluste in Konstruktionsteilen weitgehend vermeidet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gelöst, bei der alle der Stirnseite des in die Wicklung eintauchenden Endes des Tauchkernes gegenüberliegenden Begrenzungsflächen des unbeweglichen Teiles des Eisenkreises außerhalb des von der Wicklung umfaßten Raumes liegen, die aus metallischem Werkstoff bestehende Spindel nicht in den Raum zwischen Tauchkern und Jochen hineinragt und das aus der Wicklung und aus dem unbeweglichen Teil des Eisenkreises herausragende Ende des Tauchkernes von federbelasteten Rollen geführt ist.
  • Durch die Anordnung der unbeweglichen Teile des Eisenkreises außerhalb des von der Wicklung umfaßten Raumes ist eine von der Tauchkernstellung unabhängige gleichmäßige Belastung der Wicklung bei einfachem Aufbau der Tauchkernspule gewährleistet. Die Ausführung der Spindel aus metallischem Werkstoff sowie die Lagerung des freien Endes des Tauchkernes zwischen federbelasteten Rollen tragen entscheidend zur Betriebssicherheit der Anordnung bei. Dabei ist die Verwendung metallischen Werkstoffes für die Spindel zulässig, weil diese infolge ihrer Anordnung außerhalb des Eisenkreises von Belastungen durch Wirbelströme frei bleibt.
  • Nach zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, daß Teilquerschnitte des Wickelleiters jeder Windung wenigstens annähernd gleichmäßig über die gesamte Wicklungslänge verteilt sind, daß der Tauchkern mit Kufen aus Kunstharz auf der Innenseite des Wickelzylinders gleitet und daß der Wickelzylinder durch auf seinen Außenmantel aufgepaßte Halteplatten geführt ist, die gleichzeitig Druckplatten für die axiale Pressung der Wicklung sind und sich in axialer und radialer Richtung an der Kernpreßeinrichtung abstützen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen auch darin, daß die dem in die Wicklung eintauchenden Ende des Tauchkernes gegenüberliegenden Begrenzungsflächen des unbeweglichen Teiles des Eisenkreises in einer Ebene liegen, daß mindestens die Enden der Blechlamellen in dem dem freien Ende des Tauchkernes gegenüberliegenden Teil des unbeweglichen Eisenkreises miteinander verklebt sind und daß der Tauchkern aus radial angeordneten Blechlamellen zusammengesetzt ist. Dabei besteht der unbewegliche Teil des Eisenkreises aus mehreren Ruckschlußschenkeln und mit diesen verbundenen oberen und unteren Jochstümpfen, wobei die unteren Jochstümpfe mit grober Verzahnung ineinandergreifen.
  • Nach anderen zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung besteht die Wicklung aus spiralig aufgewickelter Folie, deren Breite gleich der axialen Wicklungslänge ist oder besteht die Wicklung aus axial übereinander angeordneten elektrisch parallel geschalteten Wicklungsgruppen.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung und Ausgestaltung einer Tauchkernspule ist sehr vorteilhaft, denn sie ermöglicht eine gleichmäßige Ausnutzung des eingesetzten Werkstoffes und eine im Sinne einer rationellen Fertigung günstige Gestaltung der einzelnen Bauteile und Baugruppen. Dies ist insbesondere durch den Verzicht auf einen zweiten, feststehenden Tauchkern gewährleistet.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • In einem ölgefüllten Kessel 1 ist der Aktivteil einer Tauchkernspule aufgestellt. Ein Eisenkreis des Aktivteiles besteht aus Rückschlußschenkeln 2, unteren Jochen 3, oberen Jochen 4 sowie einem Tauchkern 5 und steht mit Füßen 9 auf dem Boden des Kessels 1.
  • Der unbewegliche Teil des Eisenkreises aus den Rückschlußschenkeln 2 sowie den Jochen 3 und 4 umfaßt räumlich eine Wicklungsanordnung aus Wicklungsgruppen 6, die axial übereinander fest auf einen Wickelzylinder 7 aufgebracht sind. Dabei sind vier Rückschlußschenkel 2 gleichmäßig auf den Umfang der Wicklungsanordnung verteilt, deren Stirnseiten von den rechtwinkelig mit den Rückschlußschenkeln 2 verbundenen Jochen 3 und 4 überdeckt werden.
  • Die freien Enden der unteren Joche 3 sind stufenförmig ausgebildet und greifen mit grober Verzahnung ineinander. Sowohl die Rückschlußschenkel 2 als auch die Joche 3 und 4 sind aus in achsparallelen Ebenen geschichteten Blechlamellen zusammengesetzt, die durch eine nicht näher dargestellte Preßvorrichtung zusammengehalten sind. Zur Entlastung dieser Preßvorrichtung und gleichzeitig zur Unterdrückung von Geräuschen sind die Enden der Blechlamellen in den freien Enden der Joche 3 und 4 miteinander verklebt.
  • Die von dem unbeweglichen Teil des Eisenkreises umfaßten Wicklungsgruppen 6 sind elektrisch parallel geschaltet und enthalten alle eine gleiche Anzahl von Windungen. Durch die elektrische Parallelschaltung sind praktisch die Querschnitte der Leiter in den einzelnen Wicklungsgruppen 6 jeweils lediglich als Teilquerschnitte eines entsprechend der Anzahl von Wicklungsgruppen 6 aufgeteilten Wickelleiters. In Achsrichtung auf die Wicklungsgruppen 6 einwirkenden Kräfte werden von Halteplatten 8 aufgenommen, die ihrerseits in nicht dargestellter Weise von der Preßvorrichtung für den unbeweglichen Teil des Eisenkreises gehalten sind.
  • Anstelle der dargestellten Wicklungsanordnung aus Wicklungsgruppen 6 kann auch eine aus einer spiralig aufgewickelten Folie bestehende Wicklung eingesetzt werden, in der die Folienbreite gleich der axialen Wicklungslänge ist. Diese sogenannte Folienwicklung ist besonders in den Fällen zweckmäßig, in denen verhältnismäßig kleine Nennspannungen der Wicklung vorhanden sind, so daß nur relativ wenige Windungen vorzusehen sind und damit der zur Isolierung der Windungen voneinander erforderliche Raum nicht zu unwirtschaftlich niedriger Belegung des Wickelraumes mit Wickelleiter selbst führt.
  • Der in die beim dargestellten Ausführungsbeispiel in die Wicklungsanordnung aus den Wicklungsgruppen 6 eintauchende Tauchkern 5 ist an seinem unteren Ende unmittelbar von der Innenseite des Wickelzylinders 7 geführt. Dabei dienen zur Verminderung der Reibkräfte und der hierzu proportionalen Verschleißerscheinungen Kufen 10 aus Kunstharz, die in Aussparungen am unteren Ende des Tauchkernes 5 eingesetzt sind und durch einen Sicherungsring 11 in ihrer Einbaulage festgehalten sind. Die Kufen 10 ragen in radialer Richtung geringfügig aus der Kontur des vorzugsweise radial geblechten Tauchkernes 5 heraus und verhindern dadurch unmittelbare Berührungen zwischen der Oberfläche des Tauchkernes 5 und dem in üblicher Weise aus Hartpapier hergestellten Wickelzylinder 7.
  • Der die Öffnung zwischen den freien Enden der oberen Joche 4 durchsetzende Tauchkern 5 ist oberhalb der Joche 4 zwischen kugelgelagerten Rollen 14 geführt, die von Führungsbolzen 13 getragen sind. Die Führungsbolzen 13 ihrerseits sind in Lagerböcken 12 gelagert und drücken die kugelgelagerten Rollen 14 durch entsprechend vorgespannte Tellerfedern 16 gegen den Tauchkern 5. Die Lagerböcke 12 sind in nicht näher dargestellter Weise ebenso wie die Halteplatten 8 für den Wickelzylinder 7 mit der Preßvorrichtung für den unbeweglichen Teil des Eisenkreises verbunden.
  • Der mechanische Antrieb des Tauchkernes 5 erfolgt über eine nur oben gelagerte, zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten nicht in den Raum zwischen dem Tauchkern 5 und den unteren Jochen 3 hineinragende Spindel 17 mit Trapezgewinde, die in eine entsprechend gestaltete und fest in den Tauchkern 5 eingepaßte Mutter 18 eingreift. Das freie Ende der Spindel 17 ist bis über den Deckel des Kessels 1 geführt und dort mit einem vorzugsweise elektromotorischen Antrieb gekuppelt, der durch Drehen der Gewindespindel 17 den Tauchkern 5 in die jeweils erforderliche Stellung innerhalb der Wicklungsanordnung und dem unbeweglichen Teil des Eisenkernes bringt. Dabei sind im wesentlichen lediglich die den Luftspalt zwischen dem unteren Ende des Tauchkernes 5 und dem unteren Joch 3 flankierenden Wicklungsgruppen 6 stromführend, weil der magnetische Spannungsfall im wesentlichen in diesem Bereich auftritt.

Claims (7)

1. Tauchkernspule zum Einsatz als Erdschlußlöschspule in Versorgungsnetzen, mit nur einem axial einseitig angeordneten Tauchkern (5), der in Achsrichtung in einer auf ihren Außenseiten von Rückschlußschenkeln (2) und Jochen (3, 4) eines Eisenkreises umfaßten Wicklung (6) mit kreisringförmigem Querschnitt verstellbar ist, mit einem aus Isolierwerkstoff bestehenden, in den unbeweglichen Teil (2,3,4) des Eisenkreises fest eingespannten Wickelzylinder (7), dessen Innenseite als Gleitbahn und Führung für das in die Wicklung (6) eintauchende freie Ende des Tauchkernes (5) dient und mit einer koaxial zum Tauchkern (5) einseitig gelagerten Spindel (17) zum Antrieb des Tauchkernes (5), dadurch gekennzeichnet,
- daß alle der Stirnseite des in die Wicklung (6) eintauchenden Endes des Tauchkernes (5) gegenüberliegenden Begrenzungsflächen des unbeweglichen Teiles (3) des Eisenkreises außerhalb des von der Wicklung (6) umfaßten Raumes liegen,
- daß die aus metallischem Werkstoff bestehende Spindel (17) nicht in den Raum zwischen Tauchkern (5) und Jochen (2) hineinragt und
- daß das aus der Wicklung (6) und aus dem unbeweglichen Teil (2, 3,4) des Eisenkreises herausragende Ende des Tauchkernes (5) von federbelasteten Rollen (14) geführt ist.
2. Tauchkernspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Teilquerschnitte des Wikkelleiters jeder Windung wenigstens annähernd gleichmäßig über die gesamte Wicklungslänge verteilt sind.
3. Tauchkernspule nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkern (5) mit Kufen (10) aus Kunstharz auf der Innenseite des Wickelzylinders (7) gleitet.
4. Tauchkernspule nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelzylinder (7) durch auf seinen Außenmantel aufgepaßte Halteplatte (8) geführt ist, die gleichzeitig Druckplatten für die axiale Pressung der Wicklung (6) sind und sich in axialer und radialer Richtung an der Kernpreßeinrichtung abstützen.
5. Tauchkernspule nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem in die Wicklung (6) eintauchenden Ende des Tauchkernes (5) gegenüberliegenden Begrenzungsflächen des unbeweglichen Teiles (3) des Eisenkreises in einer Ebene liegen.
6. Tauchkernspule nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Enden der Blechlamellen in dem dem freien Ende des Tauchkerns (5) gegenüberliegenden Teil (3) des unbeweglichen Eisenteiles miteinander verklebt sind.
7. Tauchkernspule nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der unbewegliche Teil des Eisenkreises aus mehreren Rückschlußschenkeln (2) und mit diesen verbundenen oberen (4) und unteren (3) Jochen besteht und daß die freien Enden der unteren Joche (3) mit grober Verzahnung ineinandergreifen.
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