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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Vakuumschalter und
insbesondere auf eine verbesserte Elektrodenstruktur für einen
Vakuumschalter. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf einen verbesserten,
rohrförmigen Spulenleiter, der einen Teil der Elektroden für einen
Vakuumschalter bildet.
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Ein Vakuumschalter zur Handhabung eines hohen Stroms umfaßt allgemein
(siehe zum Beispiel EP0062186A) ein Paar Hauptelektroden, die in einem
Vakuumbehälter angeordnet sind, so daß mindestens eine des Paars zu dem
anderen hin und davon weg bewegbar ist, wobei die Spulenleiter an den
hinteren Oberflächen der Hauptelektroden gebildet sind, und Leiterstäbe,
die sich zu dem Äußeren des Vakuumbehälters von den hinteren Oberflächen
der Spulenleiter erstreckt. Strom fließt von einem der Leiterstäbe zu dem
anderen durch die Spulenleiter und Hauptelektroden. Wenn einer der
Leiterstäbe durch eine Betätigungseinrichtung zum Zweck einer Unterbrechung
des Stroms gedrückt wird, wird mindestens eine der Hauptelektroden von
der anderen wegbewegt und ein Lichtbogenstrom wird verursacht, der
zwischen den beabstandeten Elektroden fließt. Dieser Lichtbogenstrom wird in
einer Mehrzahl von filamentähnlichen Bogenströmen durch ein magnetisches
Feld zerlegt, das durch den Stromfluß durch die Spulenleiter erzeugt wird.
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Das US-Patent No. 3,946,179 offenbart einen Spulenleiter, der eine
Mehrzahl leitender Arme aufweist, die mit gebogenen Abschnitten verbunden
sind. Die Arme verbinden sich an einem Ende mit einem Leiterstab und
laufen in einer allgemein radialen Richtung davon auseinander, um sich mit
einem gebogenen Abschnitt an dem anderen Ende zu verbinden. Die gebogenen
Abschnitte erstrecken sich umfangsmäßig von den Armen und verbinden sich
mit einer Hauptelektrode. Eine Mehrzahl von Armen und zugeordneter,
gebogener Abschnitte mit frei räumen, die zwischen benachbarten, gebogenen
Abschnitten gebildet sind, bilden eine imaginäre Spule mit einer Windung.
Strom fließt von dem Stab zu der Hauptelektrode durch die beabstandeten
Arme und die zugeordneten, gebogenen Abschnitte. Der Strom der einen
Windung erzeugt ein gleichförmiges, axiales, magnetisches Feld, das die
diffusen, filamentartigen Lichtbogenströme zwischen den Hauptelektroden
erzeugt.
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Die Verwendung des Freiraums in dem US-Patent 3,946,179, um den
Spuleneffekt in dem Spulenleiter zu erzeugen, fuhrt zu einem schwachen,
axialen, magnetischen Feld in dem Bereich der Freiräume. Lichtbögenströme
besitzen eine Tendenz, von einem Bereich niedriger Intensität zu einem
Bereich hoher Intensität eines axialen, magnetischen Felds zu wandern.
Demzufolge wandert der Lichtbogenstrom, der in der Hauptelektrode fließt,
von dem Bereich der Freiräume weg, was eine lokale Überhitzung in der
Hauptelektrode verursacht. Zusätzlich wird es, da der gesamte
Flächenbereich der Hauptelektrode nicht effektiv für die Stromunterbrechung
verwendet werden kann, notwendig, die Größe der Hauptelektrode zu erhöhen.
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In unserer Europäischen Patentanmeldung Nr. 89301436.5
(Veröffentlichungs-Nr. 0329410A) wird ein gleichförmiges, axiales, magnetisches
Feld durch Bildung paralleler Schlitze in den Spulenleitern erzeugt.
Allerdings stellt die Konfiguration der Spulenleiter noch bestimmte
Beschränkungen in der Größe des axialen, magnetischen Felds dar, das
erzeugt werden kann. Das axiale, magnetische Feld wird teilweise durch ein
radiales, magnetisches Feld aufgehoben, das durch einen Stromfluß durch
den Boden der auseinanderlaufenden Spulenverbinder erzeugt wird.
Weiterhin kann die Struktur der Spulenleiter gegen eine mechanische Ermüdung
empfindlich sein.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Vakuumschalter geschaffen, wie
er im Anspruch 1 angegeben ist.
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Demgemäß wird hier ein kleiner, kompakter Vakuumschalter geschaffen, der
mit einer verbesserten Stromunterbrechungseigenschaft arbeitet. Die
Elektrodenstruktur besitzt einen rohrförmigen Spulenleiter zur Erhöhung des
axialen, magnetischen Felds innerhalb des Vakuumbehälters. Der
Spulenleiter besltzt eine allgemein gleichförmige, zylindrische Konfiguration, die
an einem Ende durch eine Leiterscheibe umschlossen ist, die an einen
externen Leiterstab angrenzt. Die allgemein gleichförmige, zylindrische
Konfiguration verringert das radiale, magnetische Feld, das durch
Spulenverbinder nach dem Stand der Technik erzeugt wird, und eliminiert dadurch
eine unerwunschte Aufhebung des axialen, magnetischen Felds. Eine Anzahl
elektrischer Verbinder erstreckt sich von dem gegenüberliegenden Ende der
rohrförmigen Elektrodenstruktur zur Bildung eines Stroms zu der
Hauptelektrode. Der Spulenverbinder umfaßt eine Mehrzahl geneigter Schlitze,
mindestens zwei, die an einem zylindrischen Körper, der separate
Strompfade von ungefähr einer halben Umdrehung jeweils um den Umfang des
zylindrischen Spulenleiters herum festlegt. Strom fließt axial durch den
externen Leiterstab, radial durch die Leiterscheibe und dann axial durch
den Spulenleiter und verschiedene Strompfade, die daran festgelegt sind.
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Zwei im wesentlichen identische Elektrodenstrukturen sind in dem
Vakuumbehälter so vorgesehen, daß die geneigten Schlitze an jedem der
gegenüberliegenden Spulenverbinder allgemein parallel sind. Demzufolge fließt
Strom von einem ersten, externen Leiterstab, durch eine erste
Leiterscheibe und dann durch verschiedene Strompfade, die durch den
Spulenleiter festgelegt sind, zu einem elektrischen Verbinder. An dem Verbinder
führt der Strom von einer ersten Hauptelektrode zu der gegenüberliegenden
Elektrodenstruktur, die tatsächlich eine Spiegelabbildung der ersten
Elektrodenstruktur ist. Die Schlitze und die Strompfade an den zwei
gegenüberliegenden Leiterspulen sind so zueinander ausgerichtet, daß der
Strom effektiv über eine volle Umdrehung fließt, wenn er durch den
Vakuumbehälter hindurchführt. Demzufolge wird ein starkes, gleichförmiges,
axiales, magnetisches Feld auf die zwei Hauptelektroden beaufschlagt, und
Strom, der einen Lichtbogen zwischen den beabstandeten Hauptelektroden
bildet, kann gleichförmiger über die gesamten Oberflächen der
Hauptelektroden
verteilt werden.
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Die Elektrodenstrukturen des verbesserten Vakuumschalters umfassen auch
einen Strukturtragestab, der sich axial von der Hauptelektrode, durch den
rohrförmigen Spulenleiter und koaxial innerhalb des externen Leiterstabs
erstreckt. Der Leiterstab verringert eine mechanische Beanspruchung an
der rohrförmigen Spule und richtet konzentrisch die Elektrodenstruktur
aus, wodurch die Integrität der Strompfade um den Spulenleiter
beibehalten wird. Diese und verschiedene andere Charakteristika und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden leicht für den Fachmann auf dem
betreffenden Fachgebiet beim Lesen der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung
und der Anspruche und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
ersichtlich.
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Für eine detailliertere Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird nun Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, worin:
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FIG. 1 eine Teilschnitt-, schematische Seitenaufrißansicht eines
Vakuumschalters zeigt, der gemaß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
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FIG. 2 eine perspektivische Ansicht einer der zwei Elektrodenstrukturen
zeigt, die in dem Vakuumschalter eingesetzt sind, der in FIG. 1
dargestellt ist.
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Der Vakuumschalter der vorliegenden Erfindung weist ein verbessertes
Design des Schalters auf, der in der EP-A-329410 offenbart ist.
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Wie nun die Figur 1 zeigt, umfaßt ein Vakuumschalter, der gemäß der
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, einen
Vakuumbehälter 15, eine bewegbare Elektrodenstruktur 25, die entlang der
Mittenachse des Behälters 15 verschoben ist, eine stationäre
Elektrodenstruktur 30, die entlang der Mittenachse des Vakuumbehälters 15
gegenüberliegend
der bewegbaren Elektrodenstruktur 25 angeordnet ist, und
einen Faltenbalg 28 zur Verschiebung der bewegbaren Elektrodenstruktur 25
axial innerhalb des Behälters 15. Eine Verschiebung der bewegbaren
Elektrodenstruktur 25 von der stationären Elektrodenstruktur 30 aus bewirkt,
daß Strom zwischen den zwei Elektrodenstrukturen fließt, um einen
Lichtbogen über den Spalt zwischen den Strukturen zu bilden, wie dies
vollständiger hier besprochen wird.
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Wie weiterhin die Figur 1 zeigt, weist der Vakuumbehälter 15 vorzugsweise
ein Paar Endplatten 8, 9 auf, die an beiden Enden eines zylindrischen
Teils 10 gebildet sind. Die Endplatten 8, 9 besitzen eine allgemein
kreisförmige Konfiguration mit einem Radius r und einer mittigen,
kreisförmigen Öffnung 14 dort hindurch. Das zylindrische Teil 10 besitzt auch
einen Radius r und ist aus einem elektrisch isolierenden Material
aufgebaut. Die Endplatten 8, 9 sind fest an beiden Enden des zylindrischen
Teils 10 befestigt und umschließen diese, um eine kontrollierte Umgebung
innerhalb des Behälters 15 zu bilden.
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Wie nun die Figuren 1 und 2 zeigen, weist die stationäre
Elektrodenstruktur 30, die gemäß der bevorzugten Ausführungsform aufgebaut ist, einen
externen Leiterstab 35, der sich durch die mittige Öffnung 14 der
Endplatte 9 erstreckt, eine Leiterscheibe 19, einen rohrförmigen
Spulenleiter 20, der elektrisch an einem Ende mit der Scheibe 19 verbunden ist,
eine Hauptelektrode 17, die elektrisch mit dem Spulenleiter 20 verbunden
ist, und einen strukturellen Tragstab 23, der sich entlang der
Mittenachse der Elektrodenstruktur 30 erstreckt, auf.
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Der externe Leiterstab 35 ist aus einem elektrisch leitenden Material
aufgebaut und umfaßt ein externes Ende 38, ein internes Ende 40, das
einen Außendurchmesser geringfügig geringer als derjenige des externen
Endes besitzt, und eine umfangsmäßige Lippe 39, die durch die Verbindung
des externen und internen Endes 38, 40 festgelegt wird. Der Leiterstab 35
umfaßt auch eine zentrale Bohrung 37, die sich axial durch den Stab 35
erstreckt. Beim Zusammenbau greift die Lippe 39 der Endplatte 9
benachbart der zentralen Öffnung 14 in das externe Ende 38 des Stabs 35, der
sich davon nach außen des Vakuumbehälters 15 erstreckt, und das innere
Ende 40 des Stabs 35, der durch die Öffnung 14 in das Innere des
Vakuumbehälters 15 entlang der zentralen Achse des Behälters vorsteht, ein. Die
zentrale Bohrung 37 nimmt ein Ende des strukturellen Tragstabs 23 auf, um
konzentrisch die Elektrodenstruktur auszurichten und sie mechanisch zu
halten.
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Die Leiterscheibe 19 weist eine allgemein zylindrische Platte aus
elektrisch leitendem Material auf, die einen ersten Außendurchmesser ungefähr
derselbe wie der Außendurchmesser des Spulenleiters 20 und einen zweiten
Außendurchmesser geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des
Spulenleiters 20 besitzt, um so eine Schulter 53 zum Eingreifen eines Endes der
Leiterspule 20 festzulegen. Die Leiterscheibe 19 umfaßt auch eine sich
axial erstreckende Öffnung 49 zur Aufnahme dort hindurch des inneren
Endes 40 des Leiterstabs 35.
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Die Leiterscheibe 19 befestigt sich fest an der Endplatte 9 mit der
Öffnung 49 davon koaxial zu der zentralen Öffnung 14 der Endplatte 9
ausgerichtet. Der innere Abschnitt 40 des Stabs 35 erstreckt sich durch die
Öffnung 49 der Leiterscheibe 19, um der Elektrodenstruktur 30 eine
strukturelle Stabilität zu geben.
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Wie noch die Figuren 1 und 2 zeigen, weist der rohrförmige
Spulenleiter 20, der gemäß der bevorzugten Ausführungsform aufgebaut ist, eine
gleichförmige, zylindrische Struktur 44 mit einem externen Ende 47, das
in die Schulter 53 der Leiterscheibe 19 eingreift, einem inneren Ende 51
und einer Vielzahl geneigter Schlitze 26, die in die zylindrische
Struktur 44 spanabhebend eingearbeitet sind, auf. Die zylindrische Struktur 44
ist aus einem elektrisch leitenden Material, das einen allgemein
festgelegten Radius besitzt, aufgebaut und verbindet elektrisch die
Leiterscheibe 19. Schlitze 26 erstrecken sich von dem inneren Ende 51 der
zylindrischen
Struktur 44 und winden sich ungefähr 180º entlang des Umfangs
der zylindrischen Struktur 44. Die Mehrzahl der Schlitze 26 ist im
wesentlichen gleich entlang der Oberfläche der zylindrischen Struktur 44
beabstandet, um eine Mehrzahl Strompfade 55 von ungefähr einer halben
Umdrehung jeweils um den Umfang des rohrförmigen Spulenleiters 20
festlegen. In der bevorzugten Ausführungsform der Figur 2 sind drei
Schlitze 26 vorgesehen, die drei Strompfade 55 bilden. Allerdings kann
irgendeine Anzahl Schlitze 26 (größer als zwei) vorgesehen werden. Der
Winkel der Neigung zwischen jedem Schlitz 26 und dem inneren Ende 51 der
Spule 20 kann willkürlich ausgewählt werden, allerdings beträgt er in der
bevorzugten Ausführungsform ungefähr 20 Grad.
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Das innere Ende 51 des rohrförmigen Spulenleiters 20 verbindet elektrisch
die Hauptelektrode 17 durch eine Mehrzahl elektrischer Verbinder 12,
wobei einer jeweils einem entsprechenden Strompfad 55 zugeordnet ist. Wie
in der bevorzugten Ausführungsform der Figur 2 dargestellt ist, können
die Verbinder 12 elektrisch leitende Klammern aufweisen, die permanent an
dem inneren Ende 51 des Spulenleiters 21 an dem Ende des Strompfads 55
benachbart dem Schlitz 26 befestigt sind. Alternativ können die
Verbinder 12 integrale Vorsprünge aufweisen, die an dem inneren Ende 51 des
Spulenleiters 20 oder an der angrenzenden Oberfläche der
Hauptelektrode 17 gebildet sind, wie dies in unserer früheren Anmeldung
beschrieben ist.
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Wie weiterhin die Figuren 1 und 2 zeigen, weist die Hauptelektrode 17
eine elektrisch leitende, kreisförmige Scheibe auf, die sich elektrisch
mit den elektrischen Verbindern 12 des Spulenleiters 20 verbindet. Die
Hauptelektrode 17 besitzt einen Durchmesser ungefähr gleich dem
Durchmesser des Spulenleiters 20 und legt eine innere Oberfläche 57 fest, die zu
der Hauptelektrode 17 der gegenüberliegenden Elektrodenstruktur hin
gerichtet ist, und eine hintere Oberfläche 28, die zu dem inneren Ende 51
des Spulenleiters 20 hin gerichtet ist und an die elektrischen
Verbinder 12 angrenzt.
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Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, ist der strukturelle Tragstab 23 aus
einem hoch dielektrischen Material aufgebaut und umfaßt eine Kappe 42, die
fest an der hinteren Oberfläche 48 der Hauptelektrode 17 befestigt ist,
und einen Stababschnitt 46, der sich durch die Elektrodenstruktur 30
entlang der zentralen Achse des Kessels 15 erstreckt. Die Kappe 42 besitzt
einen Durchmesser etwas geringer als derjenige des Spulenleiters 20 und
der Hauptelektrode 17. Der Stababschnitt 46 des Tragstabs 23 besitzt
einen Durchmesser geringfügig kleiner als der innere Durchmesser der
Bohrung 37 in dem Leiterstab 35. Der Stababschnitt 46 erstreckt sich
durch den Spulenleiter 20, die Leiterscheibe 19, die Endplatte 9 und in
eine Bohrung 37 in dem externen Leiterstab 35, wodurch koaxial die
Elektrodenstruktur 30 ausgerichtet wird und eine Beanspruchung an dem
Spulenleiter 20 und der Hauptelektrode 17 vermindert wird.
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Wie nun die Figur 1 zeigt, ist die bewegbare Elektrodenstruktur 25 in
einer Art und Weise im wesentlichen gleich wie die stationäre
Elektrodenstruktur 30 aufgebaut, die oben beschrieben ist. Ein Unterschied bezieht
sich allerdings auf die Struktur der Leiterscheibe und des
Spulenleiters 20. Die bewegbare Elektrodenstruktur 25 weist einen externen
Leiterstab 35', der sich durch die zentrale Öffnung 14 der Endplatte 8
erstreckt, eine Leiterscheibe 21, einen rohrförmigen Spulenleiter 60, der
elektrisch mit der Scheibe 21 verbunden ist, eine Hauptelektrode 17', die
elektrisch mit dem Spulenleiter 60 verbunden ist, und einen strukturellen
Tragstab 23', der sich durch die Mittenachse der Elektrodenstruktur 25
erstreckt, auf. Der externe Leiterstab 35', die Hauptelektrode 17' und
der strukturelle Tragstab 23' sind gemäß der vorstehenden Beschreibung
der stationären Elektrodenstruktur 30 aufgebaut.
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Wie noch die Figur 1 zeigt, sind die Leiterscheibe 21 und der rohrförmige
Spulenlelter 60 auch entsprechend der vorstehenden Beschreibung der
Elektrodenstruktur 30 aufgebaut, mit der Ausnahme, daß die Leiterscheibe 21
von einem gleichförmigen Durchmesser ist (ohne die Schulter 23 an der
Scheibe 19) und das äußere Ende des Spulenleiters 60 umfaßt einen
Innendurchmesser geringfügig größer als der Außendurchmesser der
Leiterscheibe 21 und etwas größer als der Innendurchmesser des inneren Endes des
Leiters 60, wodurch eine umfangsmäßige Schulter 58 an der inneren
Oberfläche des Leiters 60 ungefähr auf halbem Weg zwischen dem äußeren und
dem inneren Ende des Leiters 60 gebildet wird. Die Leiterscheibe 21 der
bewegbaren Elektrodenstruktur 25 weist weiterhin eine innere Fläche 64,
eine äußere Fläche 66, eine Öffnung 59, die sich axial dort hindurch
erstreckt, und eine umfangsmäßige Lippe 63, die sich von der äußeren
Fläche 66 um die Öffnung 59 zum Eingreifen mit dem Faltenbalg 28
vorspringt, auf. Die Öffnung 59 nimmt dort hindurch den Leiterstab 35' auf,
wobei die umfangsmäßige Lippe 36 in den Stab 35' eingreift. Die
Leiterscheibe 21 stößt an die innere Oberfläche des Spulenleiters 60 an, wobei
der äußere Umfang der inneren Fläche 64 fest an der Schulter 58 des
Spulenleiters 60 befestigt ist. Die umfangsmäßige Lippe 63 ist innerhalb des
Faltenbalgs 28 aufgenommen.
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Der Faltenbalg 28 ist irgendeine herkömmliche Faltenbalganordnung, die
ein inneres Ende 75, das in die Leiterscheibe 21 eingreift, ein äußeres
Ende 77, das an der Endplatte 8 befestigt ist, und einen
Rumpfabschnitt 80, durch den sich der externe Leiterstab 35' erstreckt, besitzt.
Das innere Ende 75 nimmt darin eine umfangsmäßige Lippe 63 der
Leiterscheibe 21 auf. Ein überwiegender Teil des Rumpfabschnitts 80 liegt
Innerhalb des Spulenleiters 60, wodurch der Faltenbalg gegen elektrische
Felder innerhalb des Behälters 15 abgeschirmt wird. Der Faltenbalg treibt
eine Betätigungseinrichtung (nicht dargestellt) an, die an dem Stab 35'
befestigt ist, um den Stab 35' axial zu bewegen.
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Ein rohrförmiger Spulenleiter 60 der bewegbaren Elektrode 60, ähnlich dem
Spulenleiter 20, weist eine Mehrzahl Schlitze 27 und elektrischer
Verbinder 24 auf, die eine Mehrzahl Strompfade 56 festlegen. Wie in unserer
früheren Anmeldung offenbart ist, sind die geneigten Schlitze 26, 27
ungefähr parallel zueinander positioniert, und zwar mit den elektrischen
Verbindern 12, 24 direkt zueinander ausgerichtet. Im Betrieb strömt, wenn
sich die bewegbare Elektrodenstruktur 25 von der stationären
Elektrodenstruktur 30 trennt, um den Stromfluß zu unterbrechen, ein Lichtbogenstrom
über die Elektrodenstrukturen 25, 30. Der Strom fließt durch eine Windung
unter Hindurchführung durch einen Strompfad 55, durch den Verbinder 12,
die Hauptelektrode 17, durch den Verbinder 24 und durch den Strompfad 56.
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Aufgrund der gleichförmigen, zyllndrischen Konfiguration der rohrförmigen
Spulenleiter wird das radiale, magnetische Feld reduziert, wodurch eine
wesentliche Aufhebung des axialen, magnetischen Felds eliminiert wird.
Zusätzlich können mehr Schlitze 26, 27 vorgesehen werden, um weiterhin
die Erzeugung radialer, magnetischer Felder durch die Spulenleiter 20, 60
zu begrenzen.