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Die Erfindung betrifft einen Pressrahmen für ein Joch eines Transformatorkerns und einen Transformator.
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Ein Transformator, insbesondere ein Leistungstransformator für hohe elektrische Leistungen, weist üblicherweise einen Transformatorkern auf, der aus Blechpaketen voneinander elektrisch isolierter Elektrobleche besteht. Der Aufbau des Transformatorkerns aus Elektroblechen reduziert vorteilhaft elektrische Wirbelströme innerhalb des Transformatorkerns in dem Betrieb des Transformators und erhöht somit den Wirkungsgrad des Transformators. Der Transformatorkern weist in der Regel mehrere Kernschenkel auf, um die herum Wicklungen des Transformators verlaufen. Zur Bildung eines geschlossenen magnetischen Kreises in dem Transformatorkern sind die Kernschenkel endseitig über Joche miteinander verbunden. Die Joche sind meist jeweils in einen Pressrahmen gespannt, um die Blechpakete der Joche zusammenzuhalten. Ein Pressrahmen für ein Joch weist in der Regel zwei Rahmenteile auf, die an sich gegenüber liegenden Außenseiten des Jochs angeordnet sind und zwischen denen Zugelemente gespannt sind. Die Rahmenteile und die Zugelemente sind meist aus Metall gefertigt, in dem elektromagnetische Streufelder des Transformators elektrische Wirbelströme induzieren können. Diese Wirbelströme können zu Leistungsverlusten des Transformators und zu Heißpunkten in dem Pressrahmen, insbesondere in dessen Zugelementen, führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Pressrahmen für ein Joch eines Transformatorkerns anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Pressrahmen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Transformator mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Pressrahmen für ein Joch eines Transformatorkerns umfasst zwei Rahmenteile, die an sich gegenüber liegenden Außenseiten des Jochs anordenbar sind, und mehrere Zugelemente, die sich jeweils von einem Rahmenteil zu dem anderen Rahmenteil erstrecken und aus austenitischem, nichtrostendem und nicht magnetisierbarem Stahl gefertigt sind.
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Unter nicht magnetisierbarem Stahl wird Stahl verstanden, der eine verschwindende oder sehr geringe magnetische Suszeptibilität und damit eine Permeabilitätszahl nahe Eins aufweist. Zugelemente aus austenitischem, nichtrostendem und nicht magnetisierbarem Stahl weisen eine Kombination aus Korrosionsbeständigkeit, Verformbarkeit, Zähigkeit und magnetischen Eigenschaften auf, die eine stabile Verspannung eines Jochs eines Transformatorkerns bei geringen in den Zugelementen durch elektromagnetische Felder induzierten Wirbelströmen ermöglichen. Daher eignen sich derartige Zugelemente zum Verspannen eines Jochs eines Transformators vorteilhaft in Bereichen, die im Betrieb des Transformators starken elektromagnetischen Streufeldern des Transformators ausgesetzt sind. Gegenüber einer Verwendung von Zugelementen aus herkömmlichem Stahl reduziert die Verwendung erfindungsgemäß ausgebildeter Zugelemente in derartigen Bereichen streufeldbedingte Leistungsverluste des Transformators und das Auftreten von Heißpunkten in den Zugelementen.
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Bei einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Pressrahmens sind die Zugelemente aus Stahl X12CrMnNiN18-9-5 mit der Werkstoffnummer 1.4373, aus Stahl X5CrNi18-10 mit der Werkstoffnummer 1.4301, aus Stahl X2CrNi18-9 mit der Werkstoffnummer 1.4307, aus Stahl X6CrNiTil8-10 mit der Werkstoffnummer 1.4541 und/oder aus Stahl X2CrNiMo17-12-2 mit der Werkstoffnummer 1.4404 nach der europäischen Norm EN 10027-2 gefertigt. Diese Stähle eignen sich in besonderem Maße als Materialien für die oben genannten Zugelemente eines Pressrahmens, da sie eine verschwindende beziehungsweise sehr geringe Magnetisierbarkeit auch bei umfangreichem Tiefziehen beibehalten, das zur Verbesserung mechanischer Eigenschaften dieser Stähle, insbesondere zur Erhöhung ihrer Dehngrenzen und Zugfestigkeiten, eingesetzt wird.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Pressrahmens weisen die Zugelemente zylinderartig ausgebildete Endbereiche auf. Ferner ist jeder Endbereich durch eine Rahmenteilöffnung in einem der Rahmenteile geführt und weist ein Außengewinde auf, das mit einer Gewindemutter verschraubt ist, durch die der Endbereich gegen ein Herausgleiten aus der Rahmenteilöffnung gesichert ist. Durch die Verschraubung der Endbereiche mit Gewindemuttern können die Zugelemente vorteilhaft zwischen den Rahmenteilen gespannt werden, um ein zwischen den Rahmenteilen angeordnetes Joch zu verspannen.
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Bei einer Weitergestaltung der vorgenannten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Pressrahmens ist um die aus den Rahmenteilöffnungen wenigstens eines Rahmenteils herausragenden Enden der Zugelemente jeweils eine Abschirmkappe angeordnet, und/oder die durch die Rahmenteilöffnungen wenigstens eines Rahmenteils geführten Enden der Zugelemente sind elektrisch isoliert durch die Rahmenteilöffnungen geführt. Diese Weitergestaltung der Erfindung ist insbesondere vorteilhaft, wenn einer der Rahmenteile besonders starken elektromagnetischen Streufeldern ausgesetzt ist. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn die Oberspannungswicklungsanschlüsse von Oberspannungswicklungen des Transformators an einer Seite des Transformators, der so genannten Oberspannungsseite, angeordnet sind, wie es häufig der Fall ist. Elektromagnetische Streufelder können Wirbelströme in dem Pressrahmen induzieren. Die elektrische Isolierung der Zugelemente gegenüber wenigstens einem Rahmenteil verhindert vorteilhaft den Fluss von Wirbelströmen zwischen den Rahmenteilen des Pressrahmens.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Pressrahmens weisen die Zugelemente jeweils einen zwischen den Endbereichen verlaufenden, bandartig ausgebildeten Mittelbereich auf. Beispielsweise sind die Endbereiche eines Zugelements mit dem Mittelbereich des Zugelements verschweißt.
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Der Mittelbereich eines Zugelements weist beispielsweise einen Querschnitt in Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken auf. Dadurch können vorteilhaft große elektrische Feldstärken an Kanten des Mittelbereichs vermieden werden.
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Des Weiteren kann wenigstens ein Abschnitt des Mittelbereichs eines Zugelements mit einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht ummantelt sein. Dadurch kann die dielektrische Widerstandsfähigkeit des Zugelements in elektromagnetisch besonders belasteten Abschnitten des Mittelbereichs vorteilhaft erhöht werden.
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Der Mittelbereich eines Zugelements kann außerdem mehrere zueinander abgewinkelte Abschnitte aufweisen. Dadurch kann der Mittelbereich vorteilhaft der Ausbildung einer Oberfläche eines Jochs angepasst werden, an der das Zugelement verläuft, wenn diese Oberfläche nicht eben gestaltet ist.
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Ein erfindungsgemäßer Transformator umfasst einen Transformatorkern, der zwei Joche und zwischen den Jochen angeordnete Kernschenkel aufweist, Wicklungen, die jeweils um wenigstens einen Kernschenkel herum verlaufen, und wenigstens einen erfindungsgemäßen Pressrahmen, der an einem Joch angeordnet ist. Dabei sind die Rahmenteile des Pressrahmens an sich gegenüber liegenden Außenseiten des Jochs angeordnet. Ferner verlaufen aus austenitischem, nichtrostendem und nicht magnetisierbarem Stahl gefertigte Zugelemente des Pressrahmens jeweils an einer dem anderen Joch zugewandten Oberfläche des Jochs und sind zwischen den Rahmenteilen des Pressrahmens gespannt.
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Die Ausführung eines erfindungsgemäßen Transformators berücksichtigt, dass in den Bereichen einander zugewandter Oberflächen der Joche eines Transformators in dessen Betrieb besonders starke elektromagnetische Streufelder auftreten können, da sich diese Bereiche in der Nähe der Wicklungen des Transformators befinden. Daher sind Zugelemente, die in diesen Bereichen verlaufen, besonders starken elektromagnetischen Streufeldern ausgesetzt, so dass diese Zugelemente vorteilhaft die oben genannte erfindungsgemäße Ausbildung aufweisen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung eines Transformators,
- 2 eine Schnittdarstellung des Transformatorkerns und der Wicklungen eines Transformators,
- 3 eine perspektivische Darstellung eines Pressrahmens,
- 4 eine perspektivische Darstellung eines Zugelements,
- 5 eine Seitenansicht eines Zugelements,
- 6 eine Querschnittdarstellung eines Zugelements,
- 7 eine Schnittdarstellung eines Pressrahmens im Bereich eines oberspannungsseitigen Endes eines Zugelements,
- 8 eine Schnittdarstellung eines Pressrahmens im Bereich eines unterspannungsseitigen Endes eines Zugelements.
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Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Transformators 1 und Komponenten des Transformators 1. Der Transformator 1 umfasst einen Transformatorkern 3, der zwei Joche 5 und fünf Kernschenkel 7, 9 aufweist, Wicklungen 11, 13 und für jedes Joch 5 einen erfindungsgemäßen Pressrahmen 15. Zum besseren Verständnis ist in den 1 bis 3 sowie in den 7 und 8 jeweils ein Koordinatensystem mit kartesischen Koordinaten X, Y, Z eingezeichnet.
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1 (1) zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Transformators 1 mit einer Schnittebene, die durch das obere Joch 5 verläuft. Unter dem oberen Joch 5 wird das in 2 oben dargestellte Joch 5 verstanden.
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2 (2) zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Transformatorkerns 3 und der Wicklungen 11, 13 mit einer Schnittebene, die durch beide Joche 5 und alle Kernschenkel 7, 9 verläuft.
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3 (3) zeigt eine perspektivische Darstellung eines Abschnitts des Pressrahmens 15 für das obere Joch 5.
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Die Joche 5 und Kernschenkel 7, 9 sind jeweils als ein Bleckpaket aus Elektroblechen ausgebildet. Die Kernschenkel 7, 9 verlaufen voneinander beabstandet jeweils zwischen den beiden Jochen 5. Um jeden der drei inneren Kernschenkel 9 herum verlaufen eine Oberspannungswicklung 11 und eine Unterspannungswicklung 13. Um die beiden äußeren Kernschenkel 7 verlaufen keine Wicklungen 11, 13.
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Die Oberspannungswicklungen 11 weisen (nicht dargestellte) Oberspannungswicklungsanschlüsse auf, die auf einer Oberspannungsseite 17 des Transformators 1 angeordnet sind. Die Unterspannungswicklungen 13 weisen (nicht dargestellte) Unterspannungswicklungsanschlüsse auf, die auf einer der Oberspannungsseite 17 gegenüber liegenden Unterspannungsseite 19 des Transformators 1 angeordnet sind.
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Der Pressrahmen 15 jedes Jochs 5 weist einen oberspannungsseitigen Rahmenteil 21 und einen unterspannungsseitigen Rahmenteil 23 auf. Der oberspannungsseitige Rahmenteil 21 ist an einer oberspannungsseitigen Außenseite 25 des Jochs 5 angeordnet, die der Oberspannungsseite 17 zugewandet ist. Der unterspannungsseitige Rahmenteil 23 ist an einer unterspannungsseitigen Außenseite 27 des Jochs 5 angeordnet, die der Unterspannungsseite 19 zugewandet ist. Ein Querteil 29 verbindet ein Ende des oberspannungsseitigen Rahmenteils 21 und ein Ende des unterspannungsseitigen Rahmenteils 23.
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Ferner weist der Pressrahmen 15 jedes Jochs 5 mehrere Zugelemente 31 auf. Jedes Zugelement 31 ist zwischen dem oberspannungsseitigen Rahmenteil 21 und dem unterspannungsseitigen Rahmenteil 23 des Pressrahmens 15 gespannt und verläuft an einer dem anderen Joch 5 zugewandeten Oberfläche 33 desjenigen Jochs 5, an dem der Pressrahmen 15 angeordnet ist. Dabei ist an jedem Joch 5 zwischen je zwei benachbarten Kernschenkeln 7, 9 eine Gruppe 35 mehrerer Zugelemente 31 angeordnet, die parallel zueinander zwischen den Rahmenteilen 21, 23 des an dem Joch 5 angeordneten Pressrahmens 15 verlaufen. 3 zeigt eine derartige Gruppe 35 von Zugelementen 31.
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Neben den Zugelementen 31 kann der Pressrahmen 15 eines Jochs 5 weitere Spannelemente 36 aufweisen, die zwischen den Rahmenteilen 21, 23 an einer von dem jeweils anderen Joch 5 abgewandten Oberfläche 37 verlaufen. Ferner sind die Pressrahmen 15 der beiden Joche 5 miteinander durch (nicht dargestellte) Verbindungselemente miteinander verbunden, die jeweils zwischen den oberspannungsseitigen Rahmenteilen 21 oder den unterspannungsseitigen Rahmenteilen 23 der beiden Pressrahmen 15 verlaufen und den Transformatorkern 3 und die Wicklungen 11 verspannen.
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Die 4 bis 6 zeigen verschiedene Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines Zugelements 31. Dabei zeigt 4 (4) eine perspektivische Darstellung des Zugelements 31, 5 (5) zeigt eine Seitenansicht des Zugelements 31 und 6 (6) zeigt eine Querschnittdarstellung eines Abschnitts 41.2 des Zugelements 31.
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Das Zugelement 31 weist zylinderartig ausgebildete Endbereiche 39 und einen zwischen den Endbereichen 39 verlaufenden bandartig ausgebildeten Mittelbereich 41 auf. Jeder Endbereich 39 weist ein Außengewinde 43 zum Spannen des Zugelements 31 zwischen den Rahmenteilen 21 eines Pressrahmens 15 auf (siehe dazu die 7 und 8 und deren Beschreibung). Der Mittelbereich 41 weist einen Querschnitt in Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken auf (siehe 6).
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Jeder Endbereich 39 weist ferner einen Schlitz 44 auf, in den ein Ende des Mittelbereichs 41 eingeführt ist und in dessen Bereich der Mittelbereich 41 mit dem Endbereich 39 verschweißt ist.
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Ferner weist der Mittelbereich 41 mehrere (in diesem Ausführungsbeispiel drei) Abschnitte 41.1, 41.2, 41.3 auf, die zueinander abgewinkelt sind. In diesem Beispiel weist ein mittlerer Abschnitt 41.2 zu beiden angrenzenden Abschnitten 41.1, 41.3 jeweils einen Winkel α auf, der zu einer Ausbildung der Oberfläche 33 eines Jochs 5 korrespondiert, an der das Zugelement 31 verläuft (die Oberfläche 33 ist in diesem Fall nicht eben ausgebildet, sondern weist einen ebenen Bereich auf, an den sich beidseitig jeweils ein abgewinkelter oder auch gekrümmter Randbereich anschließt).
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Das Zugelement 31 ist aus austenitischem, nichtrostendem und nicht magnetisierbarem Stahl gefertigt, beispielsweise aus Stahl X12CrMnNiN18-9-5 mit der Werkstoffnummer 1.4373, aus Stahl X5CrNi18-10 mit der Werkstoffnummer 1.4301, aus Stahl X2CrNi18-9 mit der Werkstoffnummer 1.4307, aus Stahl X6CrNiTi18-10 mit der Werkstoffnummer 1.4541 und/oder aus Stahl X2CrNiMo17-12-2 mit der Werkstoffnummer 1.4404 nach der europäischen Norm EN 10027-2. Die äußeren Abschnitte 41.1 und 41.3 des Mittelbereichs 41 sind ferner zur Verbesserung ihrer dielektrischen Widerstandsfähigkeit mit einer geeigneten elektrisch isolierenden Isolationsschicht 45 ummantelt. Der mittlere Abschnitt 41.2 kann natürlich auch mit einer (gegebenenfalls anderen) Isolationsschicht ummantelt sein, wenn dies erforderlich ist.
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7 (7) zeigt eine Schnittdarstellung des Pressrahmens 15 des oberen Jochs 5 im Bereich eines an dem oberspannungsseitigen Rahmenteil 21 des Pressrahmens 15 angeordneten Endes eines Zugelements 31. Der Rahmenteil 21 weist eine oberspannungsseitige Rahmenteilöffnung 47 auf, durch die ein Endbereich 39 des Zugelements 31 in einer elektrisch isolierenden Isolatorhülle 49 geführt ist. Die Isolatorhülle 49 ist beispielsweise aus Pressspan oder aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt.
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Das Außengewinde 43 des Endbereichs 39 ist mit einer Gewindemutter 51 verschraubt, durch die der Endbereich 39 gegen ein Herausgleiten aus der Rahmenteilöffnung 47 gesichert ist. Um das Ende des Zugelements 31 und die Gewindemutter 51 ist eine Abschirmkappe 53 mit einer konvexen, von dem Rahmenteil 21 abgewandten Außenoberfläche angeordnet.
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Die Abschirmkappe 53 ist in einer Isolatorschale 55 angeordnet. Die Isolatorschale 55 ist beispielsweise aus Pressspan geformt. Die Isolatorschale 55 ist in eine Erweiterung der Rahmenteilöffnung 47 eingebettet, die in dem Rahmenteil 21 und einem an dem Rahmenteil 21 angeordneten Stützteil 57 gebildet ist. Ein Boden 59 der Isolatorschale 55 weist eine Öffnung zu der Rahmenteilöffnung 47 auf, durch die der Endbereich 39 geführt ist.
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Zwischen dem Boden 59 der Isolatorschale 55 und der Abschirmkappe 53 sind eine metallische Unterlegscheibe 61, eine Toleranzausgleichsscheibe 63 und eine Isolatorscheibe 65 angeordnet, die jeweils eine Öffnung aufweisen, durch die der Endbereich 39 geführt ist. Durch die Öffnung in der Isolatorscheibe 65 ist ferner ein Ende der Isolatorhülle 49 geführt. Die Isolatorscheibe 65 liegt an dem Boden 59 der Isolatorschale 55 an und ist beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt. Die Toleranzausgleichsscheibe 63 liegt an der Isolatorscheibe 65 an und ist beispielsweise aus Pressspan gefertigt. Die Unterlegscheibe 61 liegt an der Toleranzausgleichsscheibe 63 und einer der Rahmenteilöffnung 47 zugewandten Unterseite der Abschirmkappe 53 an.
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8 (8) zeigt eine perspektivische Darstellung des Pressrahmens 15 des oberen Jochs 5 im Bereich eines an dem unterspannungsseitigen Rahmenteil 23 des Pressrahmens 15 angeordneten Endes eines Zugelements 31. Der Rahmenteil 23 weist eine unterspannungsseitige Rahmenteilöffnung 67 auf, durch die ein Endbereich 39 des Zugelements 31 geführt ist. Die Rahmenteilöffnung 67 weitet sich zu einer von dem Joch 5 abgewandten Seite des Rahmenteils 23. In der zylindrischen Weitung 69 der Rahmenteilöffnung 67 ist das Außengewinde 43 des Endbereichs 39 mit einer Gewindemutter 51 verschraubt, durch die der Endbereich 39 gegen ein Herausgleiten aus der Rahmenteilöffnung 67 gesichert ist. Zwischen einem Boden der Weitung 69 und der Gewindemutter 51 ist eine metallische Unterlegscheibe 61 angeordnet, die eine Öffnung aufweist, durch die der Endbereich 39 geführt ist.
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Die unterschiedlichen Befestigungen der Zugelemente 31 an dem oberspannungsseitigen Rahmenteil 21 und dem unterspannungsseitigen Rahmenteil 23 eines Pressrahmens 15 dienen der Verhinderung des Flusses von Wirbelströmen zwischen den Rahmenteilen 21, 23 durch die elektrische Isolierung der Zugelemente 31 gegenüber dem oberspannungsseitigen Rahmenteil 21.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
