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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren unter Verwendung dieser Einrichtung zum Giessen von Bändern aus Metall, insbesondere eine Einrichtung zum Giessen von Bändern aus Metall, insbesondere Stahl, in Zweiwalzen-Bandgiessmaschinen mit gegenläufig rotierenden Giess- walzen, wobei flüssiges Metall in den, durch zwei Seitenwände begrenzten, Raum zwischen den rotierenden Giesswalzen eingegeben wird, und wobei die zwischen den Seitenwänden und den rotierenden Giesswalzen sich ausbildenden Spalte mittels einer Abdichteinrichtung zur Erzeugung elektrodynamischer Kräfte abgedichtet werden, die dem Spaltverlauf folgend im wesentlichen parallel zur Giesswalzenoberfläche wirken, wobei die Abdichteinrichtung einen stromdurchflossenen Induktor aufweist, der Y-förmig ausgebildet ist und zwei gekrümmte Äste über einer Basis aufweist.
Eine solche Einrichtung ist aus der DE 43 07 850 C1 bekannt. Diese offenbart eine Zweiwal- zen-Bandgiessmaschine mit gegenläufig rotierenden Giesswalzen, bei der die Seitenwände gegen- über den Giesswalzen mittels elektromagnetischer Kräfte abgedichtet und die Feldstärke des elekt- romagnetischen Feldes durch Anpassung und Form der elektrischen Leiter (Y oder V-förmiger Induktor aus magnetisierbarem Material) an den jeweiligen ferrostatischen Druck des flüssigen Metalls angepasst werden.
Weiters ist in Patent Abstracts of Japan, unexamined applications, Sektion M, Band 15, Nr. 109 ; März 1991, The Patent Office japanese Government, Seite 116 M 1093 Nr. 3-5048 (NISSHIN STEEL) * eine Zweiwalzen-Bandgiessmaschine mit gegenläufig rotierenden Giesswalzen offenbart, bei der die Seitenwände gegenüber den Giesswalzen mittels elektromagnetischer Kräfte abgedichtet und die elektromagnetischen Kräfte an den ferrostatischen Druck des flüssigen Metalls angepasst werden.
Aus den US-Patenten 4,974,661 und 5,197,534 sind Verfahren und Vorrichtungen zur elektro- dynamischen Abdichtung der Seitenbereiche von Zweiwalzen-Giessmaschinen bekannt. Bei der aus diesen US-Patenten bekannten Verfahrensweise werden Magnetfelder zur elektrodynami- schen Abdichtung verwendet, die über die Breite des Füllraumes des flüssigen Metalls wirken und das Metall über diese Breite hinweg von der Seitenwand fernhalten. Nachteilig ist bei den bekann- ten Verfahren, dass die benötigten Spulensysteme sehr aufwendig und die benötigten Ströme ganz erheblich sind. Die installierte elektrische Leistung je Dichtung beläuft sich auf 300-500 kW. Weite- re Einzelheiten und Kennlinien der bekannten Systeme sind aus dem Aufsatz: Development of an Electromagnetic Edge Dam (EMD) for Twin Roll Casting, 1g Sancedo u. K.E.
Balzek, Metec Con- ference, Düsseldorf, Juni 1994, Inland Steel Research and Development, zu entnehmen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, die einen we- sentlich geringeren Energieverbrauch bei besserer Einstellbarkeit (Vermeidung lokaler Überhit- zung) aufweist. Ferner sollen abdichtungsbedingte Wirbel im flüssigen Metall vermieden werden.
Es ist ausserdem wünschenswert, dass die Abdichteinrichtung deutlich kleiner und damit kosten- günstiger ist als die bekannten Einrichtungen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art die Krümmung der zwei Äste dem Umfang des Walzenquerschnitts der Giesswalzen angepasst ist und der Induktor im Bereich, in dem Äste und Basis miteinander verbunden sind, einen derartigen Knick aufweist, dass der Abstand zwischen Giesswalzen und Induktor mit zunehmender Entfernung vom Knick nach oben und unten zunimmt, sodass die elektrodynamischen Kräfte kontinuierlich an den metallostatischen Druck oder näherungsweise an den metallostatischen Druck des flüssigen Metalls angepasst sind.
Die erfindungsgemässe Giesseinrichtung unterscheidet sich vom Gegenstand der DE 43 07 850 C1 durch diese spezielle Formgebung des Induktors. Bei einem Induktor ohne Knick wäre unter und über Hk der Druck p2 zu gross. Infolge dessen würden Flüssigmetallströmungen in Richtung Polmitte auftreten. Auf den Höhen HA und Ho, wo der jeweils kleinste elektrodynamische Druck auftritt, würden sie zur Seitenwand zurückkehren. Das kreisende Flüssigmetall würde an jedem der Walzenenden mit seiner Bewegung eine Acht beschreiben. Infolge des erfindungsge- mässen Knicks entfernen sich jedoch die äusseren Enden des magnetischen Rückschlusses vom Walzenende.
Damit vergrössert sich der Luftweg der Magnetlinien, was zur Verringerung von B und endgültig von p2 führt
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Abdichteinrichtung derart gebogen, dass ihr Abstand von den Giesswalzen mit zunehmender Höhe zunimmt, insbesondere dass ihr Abstand derart zunimmt, dass durch die Zunahme des Luftspaltes schwächer werdende Magnet-
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feldkräfte hervorgerufen werden, die dem nach oben hin abnehmenden metallostatischen Druck des flüssigen Metalls entsprechen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Abdichteinrichtung einen strom- durchflossenen, insbesondere einstückig ausgeführten, Induktor auf. Die einstückige Ausführung hat sich insbesondere im Zusammenhang mit einer Y-förmigen Ausbildung des Induktors bewährt, wobei dieser zwei gekrümmte Äste und eine Basis aufweist. In dem Bereich, wo Äste und Basis miteinander verbunden sind, weist der Induktor vorteilhafterweise einen derart gestalteten Knick auf, dass der Abstand zwischen Giesswalzen und Induktor mit zunehmender Entfernung vom Knick nach oben und unten zunimmt. Auf diese Weise werden die aufgrund des Magnetfelds wirkenden Kräfte in besonders geeigneter Weise an den metallostatischen Druck des flüssigen Metalls ange- passt.
Die durch das Magnetfeld verursachten Kräfte können besonders präzise an den metallosta- tischen Druck angepasst werden, wenn der Induktor in alternativer Ausgestaltung zu der geknickten Ausführung in Längsrichtung gebogen ausgeführt ist, wobei der Bereich, in dem Äste und Basis aufeinandertreffen, den Giesswalzen am nächsten ist und der Abstand zu den Giesswalzen mit zunehmender Entfernung von dem Teil, an dem Äste und Basis aufeinandertreffen, zunimmt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Abdichteinrichtung einen soge- nannten Magnetschuh aus magnetisierbarem Material auf, der derart angeordnet ist, dass die elek- trodynamischen Kräfte kontinuierlich an dem metallostatischen Druck oder annähernd an den metallostatischen Druck des Flüssigmetalls angepasst werden. Der Magnetschuh ist besonders geeignet, die durch das Magnetfeld verursachten Kräfte an den metallostatischen Druck anzupas- sen. Er stellt eine Alternative zum geknickten Induktor dar, ist aber auch in Verbindung mit ihm ein- setzbar. Der Magnetschuh wird dabei vorteilhafterweise V-förmig oder ebenfalls Y-förmig ausgebil- det, wobei die Menge magnetisierbaren Materials vorteilhafterweise in Richtung der Enden des Magnetschuhs abnimmt.
Der Magnetschuh wird vorteilhafterweise direkt auf dem Induktor ange- ordnet, so dass er durch das den Induktor kühlende Kühlmittel gekühlt wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist magnetisierbares Material an den Rän- dern des Induktors angeordnet, so dass der den Induktor durchfliessende Strom in bezug auf das gewünschte Magnetfeld besonders gut ausgenutzt wird, und ein geringerer Strom durch den Induk- tor notwendig ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Zwischenraum zwischen der Ab- dichteinrichtung und dem flüssigen Metall von Inertgas, insbesondere Stickstoff, durchströmt, wo- durch die Abdichteinrichtung thermisch gegen das flüssige Metall isoliert wird.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen, ebenso wie aus den Unteransprüchen und der Zeichnungsbeschreibung weitere, auch erfinderische, Einzelheiten ent- nehmbar sind. Im einzelnen zeigen:
FIG 1 eine dreidimensionale Skizze der Giesswalzen mit Magnetringen und Induktor,
FIG 2 ein vereinfachtes Prinzipbild der Abdichteinrichtung,
FIG 3 Abdichtparameter über der Höhe des Flüssigmetalls zwischen den Giesswalzen,
FIG 4 ein erweitertes Prinzipbild,
FIG 5 einen Induktor,
FIG 6 einen Längsschnitt von Walzenende und Abdichteinrichtung,
FIG 7 einen Querschnitt C-C von Walzenende und Abdichtgerät,
FIG 8 einen Querschnitt D-D von Walzenende und Abdichtgerät.
Die erfindungsgemässe Abdichteinrichtung in der beispielhaften Ausgestaltung gemäss FIG 1 und FIG 2 weist unter anderem - einen Magnetendring 2, der am Giesswalzenende 1 befestigt ist, - einem mit Mittelfrequenzstrom gespeisten Induktor 4, der im Abdichtspalt 8 ein entspre- chend grosses Magnetfeld 6 hervorruft und - einem Magnetschirm 11, der die stählernen Bauteile der Giessmaschine vor schädlicher Er- hitzung schützt auf.
Die Aufgabe des Abdichtgerätes ist ein kontaktloses Zurückdrängen des Flüssigmetalls im Ab- dichtspalt 8. Angestrebt sind Flüssigmetallmenisken 7a und 7b wie in FIG 7 und 8 gezeigt. Diese kommen zustande, wenn dem hydrostatischen, d. h. im vorliegenden Fall dem metallostatischen Druck des Flüssigmetalls p1 (FIG 3) ein entsprechend grösserer elektrodynamischer Druck p2
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entgegenwirkt. p2 tritt als Effekt des Zusammenwirkens des magnetischen Aufspaltfeldes 6b und des im Meniskus induzierten Stromes auf.
Das magnetische Hauptfeld 6a bewirkt, dass der Abdichtkanal 8 auf der Länge a des Giesswal- zenmagnetendringes 2 grundsätzlich flüssigmetallfrei bleibt FIG 3. Das Flüssigmetall wird dadurch dem hitzeempfindlichen Induktor gegenüber zurückgesetzt. Auch kann der flüssigmetallfreie Ab- dichtkanal 8 vorteilhafterweise von kühlenden Inertgas durchströmt werden.
Der Giesswalzenmagnetendring 2 gemäss FIG 4 weist radial angeordnete, z. B. rechteckige, dünne (z. B. 0,1 mm dicke) Magnetbleche 2a auf. Die Magnetbleche 2a sind am Kühlring 2b befe- stigt, z. B. angelötet. Der Giesswalzenmagnetendring 2 ist am Ende der Giesswalze 1 befestigt, z.B. mit Hilfe von Schrauben, die in den Bohrungen 2d des Befestigungsringes 2c angebracht sind. Mit der Länge a des Giesswalzenmagnetendring 2 wird die Tiefe des Abdichtkanals 8 bestimmt, z B a = 20 mm.
Das aus Magnetblechen 2a bestehende Blechpaket ist von allen Seiten isoliert, z.B. mit einer plasmaaufgespritzten Keramikschicht.
Über den Magnetblechen 2a befindet sich ein Schutzring 2e, der die Bleche vor evtl. heraus- schwappendem Flüssigmetall schützt.
Das Stromrohr 4a, z. B. ein rechteckiges Kupferrohr, weist einen von innen im Induktor ange- ordnetem Wirkteil 4a (vergl. FIG 5) und einem Zuführungsteil 4a", auf der Rückseite (vergl. FIG 1 und 6) auf. Der innere Wirkteil 4a setzt sich zusammen aus zwei Abschnitten, zwei unteren, gerad- linigen Rohren, die zusammengelötet sind und zwei oberen, die grundsätzlich kreisrunde Bögen darstellen (FIG 3). Mittelfrequenzstrom 10a und Kühlwasser 10b, werden in den Wirkteil des Stromrohres 4a über die Stromrohranschlüsse 4a' geleitet.
Der magnetische Rückschluss besteht vor allem aus dem geradlinigen Rückschlussteil 4c und dem (kreis)bogenförmigen Rückschlussteil 4d. Der Querschnitt des Teiles 4d ist unsymmetrisch.
Der innere Magnetsteg ist um den Rückschlusszahn 4e, d.h. um a' länger (FIG 8). Die Länge des Rückschlusszahnes a' hat dieselbe Grössenordnung wie die Länge des Giesswalzenmagnetendrin- ges, d.h. a=a
Ergänzende Teile des Rückschlusses sind - der Magnetschuh 4g, der auf der Magnetschuhkühlplatte 4b zwischen den Stromrohren liegt und - der Magnetkeil 4f, der einerseits Aufblähung der Blechpakete 4c und 4d entgegenwirkt und andererseits magnetischen Fluss auf der Magnetschuhhöhe verstärkt.
Der magnetische Rückschluss ist aus dünnen Magnetblechen gefertigt - wie der Giesswalzen- magnetendring 2. Die Teile 4f und 4g können auch aus hochtemperaturfähigem Pulvermaterial (z. B. Ferrit) bestehen. Auf den magnetischem Rückschluss ist von innen und aussen eine Isolier- schicht aufgetragen, z. B. eine plasmaaufgespritzte Keramikschicht.
Der magnetische Rückschluss befindet sich in direkter Nähe des Flüssigmetalls und bedarf - über die wassergekühlten Stromrohre 4a, - über die Kühlplatte 4c, - über das Zahnkühlrohr 4h.
Zwischen den Rückschlusszähnen 4e befindet sich die Feuerfestplatte 4i. Auf ihr liegt eine elek- trisch leitende Heizplatte 4k - siehe FIG 8 und FIG 5 - die vom magnetischen Streufluss des Strom- rohrrückleiters 4a" erhitzt wird. Zwischen der Feuerfestplatte 4i und der Wärmedämmplatte 41 befindet sich eine Temperaturstellkammer 4j mit - Temperaturmesssensoren 4j' - Zahnkühlrohren 4h und der - Feuerfestheizplatte 4k
Mit Hilfe dieser Elemente wird die nötige Temperatur der Bauteile eingestellt. Einerseits muss die Feuerfestplatte 4i von innen genügend heiss sein, damit das Flüssigmetall 3 an ihr nicht erstarrt, andererseits darf die Temperatur des magnetischen Rückschlusses, insbesondere des Rück- schlusszahnes 4e und des Magnetschuhs 4g die Curie-Temperatur (z. B. 760 C) nicht überschrei- ten.
Strömungen im Flüssigmetall 3 im Pool zwischen den Giesswalzen 1 sind unerwünscht und soll- ten deshalb vom Abdichtgerätllnduktor nicht hervorgerufen werden.
Der hydrostatische Druck auf die Seitenwand p1 verläuft auf der Höhe geradlinig (Kurve für p1
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in FIG 3). Um eine möglichst wirbelfreie Abdichtung zu erzielen wird der elektrodynamische Druck p2 erfindungsgemäss derart eingestellt, dass er einen möglichst geradlinigen Verlauf über der Höhe des Abdichtspaltes B hat, z. B. wie in FIG 3, Kurve p2 dargestellt.
Der InduktorabdichtstromI hat über der Höhe einen Verlauf, wie in FIG 3, Kurve für I darge- stellt. Unter und über der kritischen Höhe Hk ist er konstant, aber verschieden gross.
Bei vorgegebenem Verlauf des Induktorabdichtstromes I, wie in Kurve für I in FIG 3, wird der für einen linearen Verlauf von p2 nötige B-Verlauf wie in Kurve für B in FIG 3 (Wurzelfunktion) erfindungsgemäss über eine entsprechende Einstellung des Luftweges erzielt.
Dazu besitzt der Induktor erfindungsgemäss auf der Höhe Hk (kritische Höhe) einen Knick 4n.
Der Induktorstrom wird mit Hilfe der Induktoranschlussspannung so eingestellt, dass er auf dieser Höhe den gewünschten elektrodynamischen Druck p2 erzeugt. Für die beispielhafte Ausgestaltung wird davon ausgegangen, dass sich dieser Druck bei einer Induktion B=1T einstellt.
Bei einem Induktor ohne Knick 4n wäre unter und über Hk der Druck p2 zu gross. Infolgedessen würden Flüssigmetallströmungen in Richtung Poolmitte auftreten. Auf den Höhen HA und Ho, wo der jeweils kleinste elektrodynamische Druck auftritt, würden sie zur Seitenwand zurückkehren.
Das kreisende Flüssigmetall würde an jedem der Walzenenden mit seiner Bewegung eine Acht beschreiben.
Infolge des erfindungsgemässen Knicks 4n entfernen sich die äusseren Enden des magneti- schen Rückschlusses 4c und 4d jedoch vom Walzenende. Damit vergrössert sich der Luftweg der Magnetlinien, was zur Verringerung von B und endgültig von p2 führt.
Auf der Höhe Ho, d. h. C-C (FIG 4 und FIG 7), beträgt die Entfernung zwischen den beiden Giesswalzenmagnetendringen 2 die Länge i und ist wesentlich kleiner als auf der Höhe Hk, wo eine Induktion B=1T eingestellt/angenommen wurde.
Ohne den erfindungsgemässen Knick im Induktor, würde die Induktion bei einer technisch rea- len Anordnung rund 2T betragen. Da der elektrodynamische Druck zu B2 proportional ist, würde er also auf der Höhe C-C fast 4mal grösser sein als auf der Höhe Hk. Für eine wirbelfreie Abdichtung wird hier aber ein wesentlich kleinerer Druck benötigt, z.B.
P2 = 1,2 Pk wobei p2 der elektrodynamische Druck auf der Höhe C-C und pk der elektrodynamische Druck auf der Höhe Hk ist.
Bei oben vorausgesetzten Drücken sollte die Induktion auf der Höhe C-C
EMI4.1
betragen.
D. h., es wird eine rund 3mal kleinere Induktion benötigt. Die nötige Induktion wird über die ent- sprechende Wahl von g in FIG 7 erreicht eingestellt.
Auf der D-D (FIG 8) Höhe ist p1 relativ klein, also muss auch P3 (der elektrodynamische Druck auf dieser Höhe) entsprechend gering sein, z.B. p3 = 0,3 p1 dann
EMI4.2
Die Verringerung der Induktion erreicht man wieder über eine Vergrösserung des Luftweges, hier auf g' (FIG 8).
Bei einer Induktorkonstruktion mit geradlinigen Rückschlüssen im Längsschnitt wie in FIG 6 ist das Erreichen der Verläufe für B und p2 in FIG 3 nur annähernd möglich. Für die Erzeugung einer B-Kurve, die ein exakt geradliniges p2 hervorrufen würde, wäre ein im Längsschnitt gebogener Induktor notwendig.
Die Geometrie des Abdichtkanals 8 und die magnetischen Linien sind unter und über Hk grund- sätzlich verschieden. Ihr Einfluss auf den Abdichtprozess wird auf den zwei ausgewählten Höhen erläutert:
Höhe C-C (FIG 7):
Der vom Induktor hervorgerufene magnetische Fluss ist durch zwei magnetische Linien darge- stellt. Der magnetische Hauptfluss schliesst sich zwischen den beiden Giesswalzenmagnetendringen
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2. Er ist mit der Linie 6a dargestellt. Bei der angenommenen Induktion B = B2 wird das Flüssigme- tall vollständig aus dem Abdichtkanal 8 verdrängt. Er bleibt somit flüssigmetallfrei.
Der Flüssigmetallmeniskus 7a wird durch den Aufspaltfluss gehalten, er ist mit der Linie 6b dar- gestellt. Der Aufspaltfluss durchquert den Meniskus und erzeugt im Zusammenwirken mit dem dort induzierten Strom den elektrodynamischen Druck p2
Der Flüssigmetallmeniskus 7a reicht wenige Millimeter über das Giesswalzenende in den Ab- dichtkanal 8 hinein.
Höhe D-D (FIG 8):
Der magnetische Hauptfluss ist durch die Linie 6a dargestellt. Sie schliesst sich zwischen dem Rückschlusszahn 4e und dem Giesswalzenmagnetendring 2, konkret zwischen den Verständnis- punkten 9b und 9a, die als Kringel in FIG 4 und 8 eingezeichnet sind. Er durchquert den Abdicht- kanal 8 und macht ihn flüssigmetallfrei.
Der magnetische Aufspaltfluss ist durch die Linie 6b dargestellt. Sie schliesst sich durch den Flüssigmetallmeniskus 7b, der hier, wie auf der ganzen Abdichthöhe, nur wenige Millimeter über das Giesswalzenende in den Abdichtkanal hinausragt. Der magnetische Aufspaltfluss ist auf der Höhe D-D geringer als auf der Höhe C-C, aber auch der hydrostatische Druck des Flüssigmetalls 5 im Pool ist geringer.
Die Tiefe des Abdichtkanals 8 wird grundsätzlich mit der Länge a des Giesswalzenmagnetend- ringes 2 bestimmt. Sie kann z.B. 20 mm betragen. Um diese Länge vergrössert sich die Entfernung des temperaturempfindlichen Induktors vom heissen (1500 C) Flüssigmetallmeniskus. Erst die flüssigmetallfreie Entfernung a macht den Induktor technisch ausführbar.
Der Abdichtkanal 8 kann mit Inertgas durchströmt werden, das einerseits den Induktor ther- misch schützt und andererseits eine Oxydation des Flüssigmetallmeniskus, des Bandrandes, ausschliesst.
Im Stromrückenleiter 4a" fliesst ein starker Mittelfrequenzstrom (z. B. 5 kA). Er wird sein eigenes Magnetfeld hervorrufen.
Der Induktor (insbesondere die untere Hälfte seiner Rückseite) befindet sich in direkter Nähe von ferromagnetischen Stahlelementen des Walzgerüstes. Das Mittelfrequenzmagnetfeld würde sich durch diese schliessen und sie induktiv erwärmen, stellenweise unzulässig erhitzen.
Zum Schutz der Stahlelemente des Walzgerüstes wird die Abschirmplatte 11 zwischen den In- duktor 4 und die Stahlelemente gestellt und diese, wenn nötig, mit Hilfe eines Kühlwasserrohres gekühlt.
Bekannte Lösungen elektromagnetischer Seitenwandabdichtungen betreffen die elektrodyna- mische Abdichtung der ganzen Seitenwand zwischen den Giesswalzen. Schon bei relativ kleinen Giesswalzen, mit einem Durchmesser von 1 Meter, müssen zum Abdichten des Flüssigmetalls nahe der Oberfläche magnetische Flüsse durch einen rund 50 cm langen Luftweg getrieben werden, wozu riesige Ströme und Leistungen, insbesondere Blindleistungen, nötig sind.
Bei der erfinderischen Lösung, bei der nur der Abdichtspalt mit einer Breite von z. B. 1 cm zu magnetisieren ist, fällt die nötige Blindleistung wesentlich kleiner aus. In erster Näherung ergibt sich, dass sie nur
EMI5.1
(Faktor 2, weil 2 Induktorbögen) der Blindleistung bekannte Lösungen.
Abdichtversuche wurden mit einem Versuchsgerät durchgeführt, das einem Walzgerüst mit Giesswalzen von einem Durchmesser 1 m entsprach. Das verwendete Flüssigmetall hatte eine Dichte von 8,5 g/cm3. Die Dichte was also grösser als bei Stahl.
Eine gute Abdichtung bei einer Höhe des Flüssigmetalls von 30 cm wurde erreicht bei
Speisefrequenz 1,4 kHz
Induktorgesamtstrom 5,13 kA
Induktorspannung 33 V eine Wirkleistung < 30 kW