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Die Erfindung betrifft einen Hochspannungs-Leistungsschaltersystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Für die Fehlerklärung in Hoch- und Höchstspannungsnetzen, also bei Spannungen über 110 Kilovolt in Freileitungen sind sogenannte Kurzunterbrecher definiert. Sollte ein Kurzschluss beispielsweise durch einen umfallenden Baum, einen herabfallenden Ast oder durch einen großen Vogel hervorgerufen werden, kommt es innerhalb von kürzester Zeit durch den Schalter zu einer Unterbrechung des Kurzschlussstromes. Der Leistungsschalter schaltet dabei in einer Zeit von ca. 300 Millisekunden ab und trennt somit den Bereich, in dem der Kurzschluss auftritt, vom übrigen Netz. Da sich derartige Kurzschlüsse häufig selbst regenerieren, da beispielsweise das den Kurzschluss erzeugende Element abgebrannt ist, wird nach einer definierten Zeit, die in der Regel weniger als eine Sekunde beträgt, der Leistungsschalter wieder geschlossen. Wird dabei festgestellt, dass der Kurzschluss nicht mehr auftritt, bleibt der Leistungsschalter geschlossen. Sollte der Kurzschluss immer noch bestehen, muss in sehr kurzer Zeit, also ebenfalls in ca. 300 Millisekunden, der Schalter wieder geöffnet werden, um weitere Schäden am Netz zu verhindern. Diese Öffnung bleibt dann vorerst stationär, bis die Ursache manuell behoben ist. Eine derartige Funktionalität, die in der Regel den Vorgaben des Netzbetreibers entspricht, nennt man Open-Close-Open-Funktionalität, abgekürzt O-C-O.
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Herkömmliche Leistungsschalter im Hochspannungsnetz haben für diese O-C-O-Funktionalität Federspeicherantriebe, durch die ein Ein- und wieder Ausschalten realisiert werden kann. Dabei wird bei der Schalthandlung jeweils ein Federspeicher ausgelöst und der andere Federspeicher dabei gespannt, bei der nächsten Schalthandlung wird dieser Auslöse-Spannvorgang umgekehrt. Diese Bauart ist zwar weit etabliert, ihre Umsetzung bedarf jedoch jeweils eines relativ hohen mechanischen Aufwandes. Außerdem ist der Auslösemechanismus für jede Öffnungs- bzw. Schließhandlung technisch komplex.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Leistungsschaltersystem für eine Hochspannungsanwendung bereitzustellen, der die Open-Close-Open-Funktionalität aufweist, und dabei gegenüber dem Stand der Technik ein technisch weniger aufwendiges Antriebssystem aufweist.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Hochspannungs-Leistungsschaltersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße Hochspannungs-Leistungsschaltersystem mit einer Kurzunterbrecherfunktion, die in einer Öffnungs-, Schließ- und erneuten Öffnungsbewegung eines Kontaktsystems resultiert, umfasst eben dieses Kontaktsystem, das mit einem Antriebssystem mechanisch in Verbindung steht. Dabei weist das Antriebssystem ein Antriebsaggregat auf. Neben dem Antriebsaggregat umfasst das Antriebssystem ferner eine Antriebswelle, die in Form einer Kurbelwelle ausgestaltet ist. Diese Kurbelwelle ist über eine Schubstange mit einem Bewegkontakt des Kontaktsystems verbunden. Ferner zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Zyklus der Öffnungs-, Schließ- und erneuten Öffnungsbewegung des Kontaktsystems durch eine unidirektionale Drehbewegung der Kurbelwelle erfolgt.
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Im Gegenzug zu den herkömmlich verwendeten Federspeicherantrieben besteht der Vorteil der Erfindung darin, dass über die Kurbelwelle eine Antriebseinheit in einer unidirektionalen Drehbewegung bei einer Umdrehung einer Welle den geforderten Öffnungs-, Schließ- und weiteren Öffnungsvorgang vollziehen kann. Durch diese Konstruktion ist es möglich, einfache Antriebsaggregate in Anwendung zu bringen, beispielsweise Elektromotoren oder Spiralfedern. Dies reduziert den technischen Aufwand bei der Konstruktion der Antriebseinheit erheblich. Durch den reduzierten technischen Aufwand lassen sich die entsprechenden Antriebseinheiten auch kostengünstiger darstellen.
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Eine Kurbelwelle ist eine Welle mit einer oder mehreren Kurbeln, die bezüglich einer Drehachse der Welle eine exzentrische Drehbewegung beschreiben. An den Kurbeln kann eine Schubstange oder Pleuelstange befestigt sein, wodurch eine Drehbewegung der Kurbelwelle in eine translatorische Bewegung umgewandelt wird. Eine Kurbel kann ein herkömmlicher länglicher Hebel sein, eine Kurbel kann aber auch in Form einer Extenderscheibe ausgestaltet sein.
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Eine Kurzunterbrecherfunktion eines Leistungsschalters besteht darin, bei einem Kurzschluss die Stromleitung für kurze Zeit, in der Größenordnung von weniger als einer halben Sekunde zu öffnen, sie für einen ähnlichen Zeitraum wieder kurzzuschließen, worauf eine Überprüfung eines noch vorliegenden Kurzschlusses möglich ist und erneut wieder zu öffnen, falls noch ein Kurzschluss anliegt. Sollte sich der Kurzschluss während des ersten Unterbrecherintervalls behoben haben, so bleibt der Leistungsschalter in der geschlossenen Position stehen.
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Unter dem Begriff mechanisch in Verbindung stehen wird verstanden, dass zur Übertragung einer Kraft, eines Impulses oder einer Aktion zwischen zwei Systemen eine mechanische Verbindung besteht, die beispielsweise über bewegliche Verbindungen wie Lager oder Gelenke, aber auch über feste Verbindungen wie stoffschlüssige oder Kraftschlüssige Verbindungen oder aus Kombinationen aus beweglichen und festen Verbindungen erfolgen kann.
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In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Kurbelwelle in der Art ausgebildet, dass ausgehend von einer Schließposition des Kontaktsystems zu einer Öffnungsposition des Kontaktsystems eine unidirektionale Drehbewegung vollzogen wird, die bezüglich ihrer Drehachse zwischen 150° und 210° liegt.
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Grundsätzlich ist bei der Anwendung einer Kurbelwelle eine Drehbewegung von 180° zwischen der Schließposition und der Öffnungsposition vorteilhaft. Durch geometrische Anforderungen bzw. unter Berücksichtigung von Öffnungs- bzw. Schließzeiten kann die optimale Drehbewegung für den Öffnungsvorgang in einem Bereich liegen, der von 180° abweicht, also zwischen 150° und 210° liegt.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Kurbelwelle so ausgestaltet, dass für den Zyklus Öffnungs-, Schließ- und erneute Öffnungsbewegung des Kontaktsystems eine unidirektionale Drehbewegung bezüglich der Drehachse der Kurbelwelle vollzogen wird, die zwischen 350° und 360° plus 10° liegt. Auch hier ist es wieder zweckmäßig, dass für den gesamten Zyklus grundsätzlich eine Drehbewegung der Kurbelwelle von 360° stattfindet. Grundsätzlich kann aber durch eine Überdrehung bzw. Unterdrehung, das heißt also 10° weniger als 360° oder 10° mehr als 360° beispielsweise ein erhöhter oder erniedrigter Anpressdruck zwischen Kontakten des Kontaktsystems vollzogen werden.
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Die Kurbelwelle ist bevorzugt in der Art ausgestaltet, dass an einer Kurbel ein bezüglich der Drehachse exzentrischer Kurbelzapfen angeordnet ist, der bei der Drehbewegung der Kurbelwelle eine kreisförmige Bewegung um die Drehachse der Kurbelwelle beschreibt. Dabei ist es auch zweckmäßig, dass dieser Kurbelzapfen parallel zur Drehachse ausgerichtet ist. Im Weiteren kann der Kurbelzapfen von einem Gleitlager der Schubstange umfasst sein, somit ist die Kraftübertragung und die Umwandlung der Drehbewegung in einer translatorischen Bewegung gewährleistet.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform weist die Kurbelwelle mindestens zwei Kurbeln, bevorzugt drei Kurbeln, auf, was den Vorteil hat, dass durch eine Antriebswelle, also durch die Kurbelwelle und durch einen Antrieb mehrere Leistungsschalter gleichzeitig betrieben werden können. Bei dem Begriff zwei bzw. drei Kurbeln wird bauartbedingt darunter verstanden, dass mindestens zwei oder drei Zapfen vorhanden sind, die jeweils von einem Paar von Kurbeln eingefasst sind und in einem exzentrischen Abstand zur Drehachse der Kurbelwelle rotieren. Die Begriffe Kurbel und Kurbelpaar haben dabei äquivalente Bedeutung, da bei Anwendung von mehr als einer Kurbel bzw. Kurbelpaar und einer Drehbewegung von nahezu oder mehr als 360° zwangsläufig Kurbelpaare erforderlich sind um die Drehbewegung der Schubstange nicht zu blockieren.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform weisen diese drei Kurbeln bzw. Kurbelpaare unterschiedliche rotatorische Richtungen bezüglich der Rotationsachse der Kurbelwelle auf. Bevorzugt zeigt die erste Kurbel bzw. das erste Kurbelpaar in eine Richtung, das zweite Kurbelpaar in eine zweite Richtung, die in der Größenordnung von 180° zur ersten Kurbel versetzt ist. Die dritte Kurbel weist dabei wieder bevorzugt in die Richtung der ersten Kurbel. Auf diese Weise können drei Leistungsschalter einerseits durch eine gemeinsame Kurbelwelle und durch einen gemeinsamen Antrieb betrieben werden, es ist zudem möglich, durch die versetzte Bauart der Kurbeln die Leistungsschalter näher aneinanderzurücken, da sie versetzt angeordnet sind, was in etwa einer Dreiecksanordnung der Leistungsschalter resultiert. Auf diese Weise kann sehr viel Bauraum bei der Unterbringung der Leistungsschalter eingespart werden.
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Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um rein exemplarische, sehr schematische Darstellung, die das Grundprinzip der Ausgestaltung näher erläutern sollen. Dies sind schematische Darstellungen, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Hochspannungs-Leistungsschaltersystem mit einem Kontaktsystem und einem Antriebssystem, wobei zur Übertragung der Antriebsenergie auf das Kontaktsystem eine Kurbelwelle Anwendung findet. 1 zeigt das Kontaktsystem im geschlossenen Zustand,
- 2 Hochspannungs-Leistungsschaltersystem aus 1 mit gedrehter Kurbelwelle und geöffnetem Zustand des Kontaktsystems,
- 3 das Hochspannungs-Leistungsschaltersystem gemäß 1 wieder im geschlossenen Zustand nach einer Drehung der Kurbelwelle von ca. 180°,
- 4 das Hochspannungs-Leistungsschaltersystem in der gleichen Position wie in 2 nach einer Drehung von 360° der Kurbelwelle,
- 5 eine Reihe von Hochspannungs-Leistungsschaltersystemen für drei Phasen, die durch ein Antriebssystem mit einem Antrieb und einer Kurbelwelle angetrieben werden,
- 6 ein Hochspannungs-Leistungsschaltersystem mit einer Kurbelwelle, die eine Exzenterscheibe als Kurbel aufweist,
- 7 eine Zeitachse zur Veranschaulichung des Öffnungs- und Schließzyklus,
- 8 einen Querschnitt durch eine Kurbelwelle entlang einer Kurbel und eine daran angebrachte Schubstange,
- 9 eine Draufsicht auf eine Anordnung von drei Hochspannungs-Leistungsschaltersystem, analog zu 5 mit jedoch bezüglich der Drehachse rotatorisch versetzt angeordneten Kurbeln,
- 10 einen Hochspannungs-Leistungsschaltersystem mit einer Antriebsmechanik nach dem Stand der Technik.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Hochspannungs-Leistungsschaltersystems gegeben, der ein Kontaktsystem 4 aufweist, das in einem Gehäuse 42 angeordnet ist. Das Gehäuse 42 ist dabei grundsätzlich gasdicht ausgestaltet, es kann innerhalb des Gehäuses ein Isoliergas vorliegen, das beispielsweise Schwefelhexafluorid oder ein Fluorketon bzw. ein Fluornitril sein kann. Das Isoliergas kann jedoch auch synthetische, gereinigte Luft sein. Der Leistungsschalter 2 kann dabei auch eine Vakuumröhre umfassen. Das Kontaktsystem 4 weist dabei einen Festkontakt 44 und einen Bewegkontakt 14 auf. Der Bewegkontakt 14 ist mit einem Kontaktbolzen 40 verbunden, der wiederum mechanisch über eine Schubstange 12 mit einer Kurbelwelle 10 in Verbindung steht. Die Schubstange 12 kann beispielsweise in Form eines herkömmlichen Pleuel ausgestaltet sein. Dabei weist die Schubstange 12 in dieser Ausgestaltung an ihren Enden jeweils ein Gleitlager 38 bzw. 40 auf, wobei das Gleitlager 38 an einem Zapfen 34 befestigt ist, der Teil der Kurbelwelle 10 ist. Der Zapfen 34 wird durch zwei Kurbeln 32 eingerahmt, die die exzentrische Anordnung des Zapfens 34 von einer Drehachse 30 der Kurbelwelle 10 bewirken. Die Kurbelwelle 10 wiederum ist Teil eines Antriebssystems 6, das neben der Kurbelwelle 10 eine Antriebseinheit 8 umfasst. Bei der Antriebseinheit 8 können verschiedene Antriebstechniken zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann ein Elektromotor den Antrieb gewährleisten, es können jedoch auch Spiralfedern eingesetzt werden. Die Kurbelwelle 10 ist dabei in Lagern 48 gelagert.
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Das Antriebsaggregat 8 ist dabei so ausgestaltet, dass es sich in eine Drehrichtung 16 bewegt, sodass ebenfalls die Kurbelwelle 10 eine unidirektionale Drehbewegung entlang des Pfeiles 16 vollzieht. Wenn sich diese Drehbewegung 16 um die Drehachse 30 der Kurbelwelle 10 einmal um 360° vollzieht, führt das, wie in den 2, 3 und 4 dargestellt ist, zunächst zu einer Öffnungsbewegung entlang des Pfeiles 20 gemäß 2, wobei für die maximale Öffnungsweite des Kontaktsystems 4 also die maximale Bewegung des Bewegkontaktes 4 eine 180°-Drehbewegung der Kurbelwelle 10 entlang der Drehrichtung 16 erfolgt. In diesem Fall gemäß 2 ist das Kontaktsystem 4 maximal geöffnet und es erfolgt eine weitere Drehbewegung der Kurbelwelle 10, bevorzugt ohne Unterbrechung, in dieselbe Richtung, wobei sich das Kontaktsystem 4 entlang des Pfeiles 22 wieder schließt, in diesem Fall hat die Kurbelwelle 10 eine Drehbewegung von 360° vollzogen.
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Sollte sich hierbei herausgestellt haben, dass die Ursache für den Kurzschluss weiterhin besteht, so gibt eine hier nicht dargestellte Auslöseeinheit das Signal für eine weitere 180°-Bewegung der Kurbelwelle 10, was gemäß 4 entlang des Pfeiles 24 eine weitere Öffnungsbewegung bedeutet. An dieser Stelle gemäß 4 ist der Zyklus, der einen Öffnungs-, Schließ- und erneuten Öffnungsvorgang beinhaltet, beendet. Der Hochspannungs-Leistungsschalter 2 bleibt an dieser Stelle zunächst geöffnet.
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In 7 ist dieser Zyklus entlang einer Zeitachse schematisch veranschaulicht. Zum Zeitraum vor und zum Zeitpunkt T0 liegt kein Kurzschluss bzw. eine anderweitige Bestätigung des Netzes vor, sodass der Hochspannungs-Leistungsschalter 2 in seiner Grundstellung geschlossen vorliegt.
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Zum Zeitpunkt T0 kommt es zu einem Auslöseereignis, das durch eine Auslöseeinheit hervorgerufen wird, und der Leistungsschalter 2 wird entsprechend der 2 bis zum Zeitpunkt T1 in eine offene Position, die mit O gekennzeichnet ist, geführt. Dieser Zeitabschnitt dauert in etwa 300 Millisekunden. Für einen weiteren Zeitraum, der zwischen 100 Millisekunden und einer Sekunde liegen kann, wird der Schalter wieder gemäß 3 geschlossen, dies liegt zum Zeitpunkt T2 vor. Sollte das kurzschlussverursachende Ereignis weiter vorliegen, kommt es zu einer weiteren Öffnungsbewegung bis zum Zeitpunkt T3, gemäß 4.
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In 5 ist eine Leistungsschaltersystem 2 dargestellt, in der drei Leistungsschalter 3 nebeneinander angeordnet sind und durch eine Antriebssystem 6 gemeinsam angetrieben werden. Die Kurbelwelle 10 gemäß 5 weist dabei drei Kurbeln 32 auf, die jeweils mit einem Leistungsschalter 3 in Verbindung stehen.
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Bei den drei Leistungsschaltern 3 handelt es sich um Schalter für die einzelnen Phasen eines Stromnetzes, durch die in dem Leistungsschaltersystem 2 mit einem Antriebssystem 6 gleichzeitig geschaltet werden können. Die Abläufe der Drehbewegung entlang des Pfeiles 16 entsprechen dem, was bezüglich der 1 bis 4 beschrieben ist.
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In 6 ist ein analoges Leistungsschaltersystem 2 dargestellt, das grundsätzlich die gleichen Bewegungsabläufe vollzieht, wie dies bereits bezüglich der 1 bis 4 beschrieben ist. Das System 2 unterscheidet sich jedoch in der Form der Kurbelwelle 10, wobei die Kurbel 32 der Kurbelwelle 10 in Form einer Exzenterscheibe ausgestaltet ist und an einem Ende der Kurbelwelle 10 angeordnet ist. In diesem Fall wird nur eine Kurbel 32 und kein Kurbelpaar benötigt, der Kurbelzapfen 34 ist an der Kurbel 32 in Form einer Exzenterscheibe ohne Gegenlagerung in einer zweiten Kurbel angeordnet.
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In 8 ist ein Querschnitt durch eine Kurbelwelle 10 im Bereich des Kurbelzapfen 34 zwischen zwei Kurbeln 32 dargestellt. Dabei ist gezeigt, wie das Gleitlager 38, das wiederum mit einer Schubstange 12 verbunden ist, um den Kurbelzapfen 34 herum angeordnet ist. Es ist in 8 auch ersichtlich, wie der Kurbelzapfen 34 exzentrisch zur Drehachse 30 eine Drehbewegung 36 beschreibt und dabei unidirektional eine Drehung um zunächst 360° zum Öffnen und Schließen und anschließend ggf. um weitere 180° vollziehen kann. Das Ende der Schubstange 12, das mit einem weiteren Gleitlager (siehe 1 Bezugszeichen 46) versehen ist, liegt im Eingriff mit dem Kontaktbolzen 40, was hier nicht näher dargestellt ist.
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In 10 ist schließlich eine Darstellung eines Antriebsmechanismus eines Hochspannungs-Leistungsschaltersystems gemäß des Standes der Technik gegeben. Die Merkmale, die dieselbe Benennungen wie in den vorausgehenden Figuren aufweisen, werden mit demselben Bezugszeichen und einem dahinter folgenden Strich versehen. Auch ein derartiges Leistungsschaltersystem weist ein Kontaktsystem 4' auf, das einen Festkontakt 44' sowie einen Bewegkontakt 14' umfasst, der wiederum mit einem Kontaktbolzen 40' in Wirkverbindung steht. Das Kontaktsystem 4' ist von einem Gehäuse 42' umgeben. Der Unterschied zu der vorangegangenen Beschreibung besteht darin, dass der Zyklus Öffnen-Schließen und erneutes Öffnen, der durch die Pfeile 20', 22' veranschaulicht ist, durch einen komplexen Federmechanismus ausgestaltet ist, wobei zwei Federspeicher 50-I und 50-II über eine Kipphebel 52 verbunden sind, was hier sehr schematisch dargestellt ist. Der Kipphebel 52 bewirkt, dass beim Öffnen des Kontaktsystems 4' ein Federspeicher 50-1 entspannt wird und dabei im Gegenzug der Federspeicher 50-11 gespannt wird. Dieser Vorgang kehrt sich bei einer weiteren Öffnungs- bzw. Schließbewegung um. Hierbei handelt es sich um eine ausgesprochen komplexe mechanische Anordnung, die durch die technisch einfachere Ausgestaltungsform der beschriebenen Kurbelwelle 10 alternativ umgesetzt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Hochspannungs-Leistungsschaltersystem
- 3
- Leistungsschalter
- 4
- Kontaktsystem
- 6
- Antriebssystem
- 8
- Antriebsaggregat
- 10
- Kurbelwelle
- 12
- Schubstange
- 14
- Bewegkontakt
- 16
- unidirektionale Drehbewegung
- 20
- Öffnen
- 22
- Schließen
- 24
- Erneutes Öffnen
- 26
- Schließposition
- 28
- Öffnungsposition
- 30
- Drehachse
- 32
- Kurbel
- 34
- Befestigungszapfen
- 36
- kreisförmige Drehbewegung
- 38
- Gleitlager
- 40
- Kontaktbolzen
- 42
- Gehäuse
- 44
- Festkontakt
- 46
- zweites Gleitlager
- 48
- Kurbelwellenlager
- 50
- Federspeicher
- 52
- Kipphebel
