DE1589992A1

DE1589992A1 - Elektromagnet mit supraleitender Magnetspule

Info

Publication number: DE1589992A1
Application number: DE19671589992
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kimura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1966-01-17
Filing date: 1967-01-11
Publication date: 1970-08-06
Also published as: FR1508521A; US3502946A; DE1589992B2; GB1138271A

Description

ι ς ρ q α α ο

DR. ING. ERNST MAIER » O U ο U O £. PAT E NT ANWALT

8 MÜNCHEN 32

WIDIHMiTHflTS. 5 · TaI₁XIOIT XSSS SO, XB Bl SS

A 167 11. Januar I967

EM/Ml/My

Firma KABUSHIKI KAISHA HITACHI SEISAKtTSHO, 4, 1-Chome, Marunouchi, Chiyoda-Ku, Tokyo-To / Japan

Elektromagnet mit supraleitender Magnetspule

Die Erfindung betrifft Elektromagnete mit supraleitenden Magnetspulen, insbesondere eine verbesserte Ausführung derartiger Magnete, die sich durch besonderen Aufbau auszeichnen und bei welchen mehrere mehrlagige Spulen, die aus Windungen aus supraleitendem Draht oder Kabel aufgebaut sind, in Reihe geschaltet sind und jeder Spule eine eigene Energiequelle zugeordnet ist.

Ein Elektromagnet mit supraleitender Spule zur Erzeugung eines starken Magnetfeldes wird herkömmlicher-.

weise bo aufgebaut, daß die Magnetspule in einzelne, zueinander konzentrische, mehrlagige Spulen unterteilt wird, die aus Drähten mit verschiedenen Eigenschaften aufgebaut werden.

Wie im einzelnen noch ausgeführt wird, ergeben sich aber bei derartigen Magnetspulen bestimmte Schwierigkeiten, und die angewandten Mittel zur Behebung dieser Schwierigkeiten führten zu weiteren Schwierigkeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten weitgehend zu beseitigen.

Dabei stellt sich die Teilaufgabe, die Stromwärmeverluste in den Stromzuführungsleitungen, die durch deren Widerstand bedingt sind, in der Nähe des absoluten Nullpunktes und den Erregerstrom und damit die erforderliche Größe der Energiequelle zu verringern.

Erfindungsgemäß wird ein Elektromagnet mit supraleitender Magnetspule geschaffen, der durch folgende Kombination gekennzeichnet ist: Er besteht aus einer Vielzahl

von Magnetspulen, die aus supraleitendem Leitermaterial aufgebaut und in Reihe geschaltet sind, so daß sie eine einzige, mehrlagige Spule bilden; er weist eine Vielzahl von Widerständen für die Steuerung des Erregerstroms auf, die mit jeweils einem Ende einer Teilspule verbunden sind; eine Vielzahl mit den Stellwiderständen in Reihe liegende Schalter; eine Vielzahl von Schutzwiderständen, die die beiden Anschlüsse einer Teilspule miteinander verbinden; und eine Energiequelle, die aus einer Vielzahl von einzelnen Gleichstromquellen für die Teilspulen besteht.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung hervor. Es zeigen:

Pig. 1{a) in Schemadarstellung einen Längsschnitt durch eine bekannte Magnetspule aus supraleitendem Leitermaterial ;

Pig. 1(b) die graphische Darstellung der Feldstärkeverteilung über den Durchmesser der Magnetspule;

. Pig. 2 ein Schaltbild einer bekannten Anordnung eines Elektromagneten mit supraleitender Spule;

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Fig. 3 ein Diagramm, welches die Abhängigkeit der kritischen Stromdichte von der magnetischen Induktion zeigt, wobei der Parameter der einzelnen Kurven die jeweilige Legierungszusammensetzung ist;

Fig. 4 Schaltbilder weiterer Aueführungsund 5 beispiele bekannter Elektromagnete mit supraleitenden Spulen;

Fig. 6 das Schaltbild eines Elektromagneten mit supraleitender Spule gemäß der Erfindung;

Fig. 7 das Schaltbild einer weiteren Aueführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 8 ein Teil des Stromkreises einer weiteren Ausftihrungsform des erfindungsgemäßen Elektromagneten, und

Fig. 9 ein Teil des Blockschaltbildes einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Als Grundlage für das vollständige Verständnis der Eigenart, Neuheit und Nützlichkeit der Erfindung werfen zunächst Betrachtungen über Elektromagnetemit supraleitenden Hagnetspulen und den dabei auftretenden Schwierigkeiten dargelegt.

Bei einem typischen Beispiel eines Elektromagneten mit supraleitender Magnetspule, das in der Fig. (a) dargestellt ist, ist die zylindrische Spulengruppe £

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in zwei zueinander konzentrische, mehrlagige Teilspulen 2A und 2B unterteilt, die auf einen Spulenkörper 1 aus magnetisch nicht leitendem Material aufgewickelt sind.

Ein Grund, weswegen die Spulengruppe j5 in dieser Weise aufgeteilt ist, ist folgender. Um ein Magnetfeld hoher Induktion erzeugen zu können, ist eine große Menge supraleitenden Leitermaterials unbedingt nötig, und wenn Teilspulen 2A und 2B, die aus diesem Material hergestellt sind, in Eeihe geschaltet werden, wie dies in der Fig. gezeigt ist, so daß sie eine einzige Spule 2 darstellen, wird der Wert der magnetischen Induktion außerordentlich hoch. Bricht nun die Supraleitfähigkeit in der Spule 2 zusammen, so wird zwischen ihren Anschlußenden eine sehr hohe Spannung induziert, so daß die Möglichkeit beateht, daß die Isolation der Spule 2 beschädigt wird.

Es ist außerdem bekannt, parallel zur Spule j5 einen Schutzwiderstand 4 zu legen, der sich gewöhnlich außerhalb des Tieftemperaturbehälters 5 mit beispielsweise flüssigem Helium befindet, wie dies in der fig. 2 gezeigt ist, durch den dann der Strom abgeleitet wird,

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um die Zerstörung der Magnetspule durch Überhitzung, wenn sie ihre Supraleitfähigkeit verloren hat, zu verhindern. Wird nun der Widerstandswert des Widerstandes 4 niedrig gehalten, um zu verhindern, daß eine zu hohe Spannung entsteht, ist die Zeitkonstante der Spule 2 von der Stromquelle 6 her betrachtet sehr groß, so daß eine beträchtliche Zeitspanne erforderlich ist, um die Spule 2 ⁱⁿ Betrieb zu setzen. Zugleich ist die Schutzwirkung in Bezug auf die Vernichtung der magnetischen Energie im Augenblick des Zusammenbruchs der Supraleitfähigkeit verringert.

Ein weiterer Nachteil dee in der Fig. 2 dargestellten Schaltbildes ist derjenige, daß die Brregerströme in den Teil »pulen 2A und 2B gleieh sind, so daß, aus Gründen, die nachstehend angeführt werden, auch dann, wenn es wünschenswert wäre, die Erregerströme in den spulen 2A und 2B voneinander abweichen zu lassen, der Wert des Erregerstroma durch den kleineren kritischen Stromwert in den Teilspulen 2A und 2B begrenzt wird und nicht weiter gesteigert werden kann.

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Die Widerstände 7A und 7B im Schaltbild der Fig. 2 stellen die Widerstände der Zuleitungsdrähte dar, die sich im Tiefkühlbereich befinden (die supraleitende Spule erhält ihre Supraleitfähigkeit nur dann, wenn sie unter ihre kritische Temperatur abgekühlt wird, was gewöhnlich ait Hilfe von flüssigem Helium bei einer Temperatur von 4-,2⁰K geschieht). Der Schaltkreis weist weiterhin einen Stellwiderstand 8 auf (in welchen die Widerstände der Zuleitungsdrähte bei Raumtemperatur eingeschlossen sind), mittels dessen der Spulenetron gesteuert wird, und außerdem sind Schalter 9A und 9B vorhanden.

Gelegentlich bestehen die Spulen 2A und 2B aus verschiedenem Leitermaterial, was für Spulen aus Niob-Zirkon-Lraht als supraleitendem Material, das sehr verbreitet Verwendung findet, im folgenden dargelegt wird.

Aus der Fig. 3, die die Abhängigkeit der kritischen Stromdichte von der magnetischen Induktion bei Nb-Zr-Drähten von 0,25 mm Durchmesser zeigt, geht hervor,

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daß mit zunehmendem Zirkon-Gehalt des Leitermaterials die kritische Stromdichte abnimmt, der kritische Wert der magnetischen Induktion jedoch zunimmt. Die Kurven stellen die höchst zulässige Stromdichte bei bestimmter magnetischer Induktion dar, bei welcher noch Supraleitfähigkeit vorhanden ist.

Die Fig. 1(b) zeigt graphisch die Verteilung der magnetischen Feldstärke H entlang einer Durchinesserebene durch die in der Fig. 1 (a) gezeigte Spule. Aus dieser Verteilungskurve geht hervor, daß der innerste Bereich der inneren Spule 2A der größten magnetischen Feldstärke ausgesetzt ist. Um beispielsweise im Innern

Q Ο

der Spule mittels einer Stromstärke von 4- x 10 A/m oder mehr eine Induktion von 60 kG zu erzeugen, ist ein Nb-Zr-Draht mit einem Zirkon-Gehalt von 33 bis 50% für die Spule 2A geeignet. Die Induktion, der die Spule 2B ausgesetzt ist, liegt in der Größenordnung von 20 kG, so daß ein Niob-Zirkon-Draht mit 15 bis 25/ί Niob für den Teil der Spule J3 vorteilhaft ist, um eine möglichst hohe Stromdichte zulassen zu können.

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Um die im Schaltkreis gemäß der Fig. 2 auftretenden Schwieriglceiten zu überwinden, wurde eine Schaltungsanordnung gewählt, wie sie in der Fig. 4 dargestellt ist. In diesem Schaltkreis ist die Spule in zwei Spulen 12A una 12B aufgelöst, die jeweils mit Schutzwiderständen HA und 14B parallel geschaltet sind und an getrennten .Energiequellen 16A und 16B über Steuerwiderstände 18A und 18B und Schalter 19A, 19Aa, 19B und 19Ba einschaltbar sind. Die Erregerströme IA und IB können unabhängig voneinander in den Spulen 12A und 12B eingestellt werden. Die Umrahmung 15 deutet an, welcher Teil der Schaltung mit flüssigem Helium tiefgekühlt ist, und die Widerstände 17A, 17Aa, 17B und 17Ba stellen dabei die Widerstände der Stromzuführungsleitungen innerhalb des Tiefkühlbereiches dar.

In einem weiteren, in der Fig. 5 dargestellten, bekannten Ausführungsbeispiel sind die Spulen 22A und 22B mit einer einzigen Energiequelle 26 über Steuerwiderstände 28A und 2bB und gemeinsame Schalter 29A und 29B angeschlossen. Die Widerstände 27A, 27Aa, 27B und 27Ba stellen wiederum die Widerstände der Zuführungs-

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leitungen im Tiefkühlbereich 25 dar. Parallel zu den Teilspulen liegen die Schutzwiderstände 24A und 24B.

Gewöhnlich ist der Widerstand einer supraleitenden Spule Null, wenn sie unter ihre kritische Temperatur abgekühlt wird; dann stellen die Stromwärmeverluste des Erregerstroms in den Zuführungsleitungen, die sich im Tiefkühlbereich befinden, die bedeutendste Verlustenergiequelle dar.

Wie bereits ausgeführt wurde, ist es Aufgabe der Erfindung, die Stromwärraeverluste zu verringern und damit gleichzeitig die Leistung der Energiequelle.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung, die in der Mg. 6 in einem bevorzugten Aueführungsbeispiel dargestellt ist, gelöst, indem mehrlagige Spulen, z.B. zwei konzentrische, mehrlagig gewickelte Spulen 32A und 32B in Reihe geschaltet und mit diesen Spulen jeweils voneinander unabhängige Gleichstromquellen 36A und 36B verbunden werden. Außerdem sind Schutzwiderstände 34A und 34B, Widerstände zur Stromsteuerung 38A und 38B,

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Schalter 39A, 39 und 39B und ein Tiefkühlbereich 35 mittels flüssigem Helium vorhanden, in welchem die Widerstände der Zuleitungen mit 37A, 37 und 37B bezeichnet sind.

In einem tatsächlich ausgeführten Beispiel eines Elektromagneten mit supraleitfähiger Spule, der nach dem obigen Schaltbild aufgebaut ist und in welchem die Spule 32A die innere und die Spule 32B die äußere Teilspule ist, sind die folgenden, in der Tabelle I wiedergegebenen Werte eingehalten, wobei der Erregerstrom IA = 16 A und der Erregerstrom IB = 20 A in den Spulen 32A und 32B beträgt. Es ergab sich dabei, daß die magnetische Induktion im Zentrun der Spulen 18,4 + 38,2 = 56,6 kG betrug.

Tabelle I

Spule Leiter- Draht- Draht- Windungs- Spulen- magnetische material durchm. länge zahl strom Induktion (mm) (km) (A) (kG)

innere

Spule Nb-33%Zr 0,25 1,54 11,390 16 18,4

äußere

Spule Nb-25?OZr 0,25 5,13 21,440 20 38,2

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Weitere Einzelheiten:

1. Die Zuführungsleitungen zu den Spulen innerhalb des Tiefkühlbereichs 35 bestehen aus Phosphor-Bronze-Stäben von 3 mm Durchmesser und einem Widerstand von etwa 0,01 Ohm.

2. Die Widerstands-werte der parallel geschalteten Schutzwiderstände 34A und 34B betragen etwa 100 Ohm, und im stationären Zustand des Erregerstroms fließt durch diese Widerstände 34A und 34B ein Strom, der im Vergleich zu den Strömen IA und IB in den Spulen 32A und 32B vernachlässigbar klein ist.

Ein Vergleich der Gesamtwärmeverluste in den Widerständen der Zuführunnsleitungen innerhalb des Tiefkühlbereiches bei der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß der Pig. 6 mit den in bekannten Magnetspulen nach den Fig. 4 und 5 auftretenden Verlusten ist in der Tabelle II durchgeführt. Die Bezeichnungen I, IA und IB entsprechen denjenigen in den Fig. 4, b und 6.

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Tabelle II

Schaltung Ströme (A) Steuerwider- gesamte Spannung d« Strom d·

IB I stände (SL ) Stromwärme- Stromquelle Stromquelle

Verluste (Vi). (V)

(38B) (36A) 6 16

Fig.6 16 20 4 0,3675 0,288 6,72

(36B) 6 20

(18A) (18B) (16A) 6 16

Fig.4 16 20 - 0,355 0,28 13,12

(16B) 6 20

(28A) (28B)
Fig.5 16 20 - 0,355 0,28 13,12 (26) 6 36

Wänrend in dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel Durchmesser und Länge und damit auch der Widerstand der als Zuleitung verwendeten drei Stäbe gleich ist, kann der Durchmesser der einzelnen Drähte auch soweit verringert werden, daß die Stromwärmeverluste der drei Zuleitungs-

f.

drahte im wesentlichen gleich ist (z. B. kann der Durchmesser des mittleren Zuleitungedrahtes, In welchem der Strom I fließt, auf 0,75 «« verringert werden). Diese

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Maßnahme hat den Vorteil, daß durch dünnere Drähte die Wärmeleitung in den Eiefkühlbereich 35 hinein vermindert wird, bringt jedoch den Rachteil mit sich, daß die Stromwärmeverluste ansteigen. Folglich ist der Drahtdurchmesser der Zuleitungsdrähte ein geeigneter Mittelwert zwischen den Werten, die sich durch die Stromwärmeverluste bestimmen, und den Werten, die durch die Wärmeleitfähigkeit bedingt sind«

Während die Erfindung bisher anhand einer Anordnung mit zwei mehrlagigen Spulen beschrieben wurde» kann sie auch bei Anordnungen mit drei und mehr· mehrlagigen Teilspulen mit gleichem Erfolg angewendet werden, wie dies in einem in der Fig. 7 dargestellten -üeispiel gezeigt wird.

Die Magnetspule aus supraleitendem Leitermaterial besteht aus mehrlagigen Spulen 4-2A, 42B ..... 42n_t die sämtlich in Reihe geschaltet sind und zu jeder von denen ein Schutzwiderstand 44A, 44B ..... 44-n parallel liegt? für jede Teilepule sind Steuerwiderstände 48A, 48B ..... 48n für den Erregerstrom, Slei cha panmmga qael-

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len 46A, 46B 46η. zur Zuführung, des Erregerstroms

zu den Spulen 42A, 42B, 42n und Schalter 49A, 49B

49 (n+1) vorhanden. Die Widerstände der Zuführungsleitungen zu den Spulen innerhalb des Tiefkühlbereichs 45 sind mit 47A, 47B 47 (n+1) bezeichnet.

Aus der vorangegangenen Beschreibung geht hervor, daß es gelegentlich nützlich ist, eine mehrlagige Spule, die durchgehend aus einem einzigen Leitermaterial gewickelt ist, in mehrere Abschnitte zu unterteilen, damit die Stromdichte nach außen zu zunehmen kann, d.h. daß der Strom, der durch den innersten Abschnitt fließt, in welchem die magnetische Induktion groß ist, einen kleinen Wert hat, und mit zunehmendem Abstand vom Spulenzentrum zunimmt. Die vorliegende Erfindung ist auch für eine derartige Ausbildung geeignet. Wie oben beschrieben, ermöglicht es die erfindungsgemäße Magnetspule eines mit supraleitfähigen! Material ausgerüsteten Elektromagneten nicht nur, den Erregerstrom in den mehrlagigen Spulen auf gewünschte Werte einzustellen, sondern auch die Stromwärmeverluste im Tiefkühlbereich in Bezug auf diejenigen bei Elektromagneten bekannter Ausführung wesentlich zu senken, wie dies die Tabelle II darlegt.

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Da der Wirkungsgrad von Heliumverflüssigungsapparaten derzeit einen Wert von1$_o hat, bedeutet ein Wärmeanfall von 1 W bei der Temperatur von flüssigem Helium etwa soviel wie ein Stromwärmeanfall von 1 kW bei Zimmertemperatur. Daraus ist zu ersehen, daß der Erfolg der Erfindung bei der Verminderung der Stromwärmeverluste sehr wertvoll ist. Dieses Merkmal der Erfindung ist umso wichtiger, da ständig mehr Elektromagnete mit supraleitfähigen Spulen für stets wachsende Induktionswerte Anwendung finden.

Wie auch in der Tabelle II zu sehen ist, ist die erforderliche Leistung der Stromquelle zur Speisung der supraleitfähigen Spulen bei der Ausführung gemäß der Erfindung wesentlich niedriger als z. B. diejenige bei einer Anordnung gemäß Fig. i?· Dies ist ein weiteres sehr wichtiges Merkmal der Erfindung.

Die Entwicklungsrichtung bei großen Elektromagneten mit supraleitfähigen Spulen geht dahin, die Spulen aus verdrillten Kabeln und Bandmaterial herzustellen, und der Strom, der durch einen einzelnen Leiter

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fließt, liegt in der Größenordnung von 100 bis zu mehreren 100 A. Eine Stromquelle, wie sie in Verbindung mit der Schaltung nach Pig. 5 verwendet wird, hätte dann den Nachteil, daß sie für sehr hohen Strom ausgelegt werden müßte, und die Zufünrleitungen von der Stromquelle zu den Spulen müssen außerordentlich großen Querschnitt erhalten.

Im Gegensat z..daau ist die Spannung einer Stromquelle, die mit einer einzelnen Spule eines mit supraleitendem Material ausgestatteten Magneten gemäß der Erfindung verbunden ist, im Bereich von einigen bis etwa 10 V. Auch wenn die Zahl der Energie quell en vergrößert wird, hält sich ihre Stromstärke in niedrigen Grenzen, und der erforderliche Zuleitungsquerachnitt ir.t gering.

Bisher v/urde die Erfindung im Zusammenhang mit Gleichstrom-Energiequellen beschrieben; abweichend davon können jedoch auch Energiequellen verwendet werden, wie sie in der Pig. 8 gezeigt sind, die eine Wechselstrom-Energiequelle %, einen Transformator 57» dessen Eingangswicklung mit der Energiequelle "jo verbunden i3t und der

mehrere Sekundärwicklungen aufweist, die über Gleichrichter 58A und 58B und zu ihnen in Reihe liegende Glättungsdrosselspulen 59A und 59B auf die Magnetspulen arbeiten, und Glättungskondensatoren 6OA und 6OB parallel zu den Sekundärwicklungen des Transformators bestehen.

Außerdem kann statt der Stellwiderstände für die Steuerung des Erregerstroms eine Vorrichtung 62 zur Strom-(Spannungs-)Steuerung mit Bohren oder l'ransistoren verwendet werden, die auf den Ausgangsstrom (Spannung) der Energiequelle 61 Einfluß nimmt, und es kann" ein Regler 63 zur Steuerung der Vorrichtung 62 vorhanden sein, wie dies die Fig. 9 wiedergibt, um damit den Erregerstrom in den Spulen einzustellen. Die Energiequelle, die hier nicht gezeigt ist, kann eine Gleichstromquelle mit stellbarer Spannung sein, mit deren Hilfe der Erregerstrom der entsprechenden Spule gesteuert wird.

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Figurentaeschriftung

prior art

critical curreni, density (ampere / metre ) strength of magnetic field (kilogauss) Nb- ...% Zr wire power source

current (voltage) controlling device

current (voltage) adjusting device bekannte Ausführung kritische Stromdichte (A/m )

magnetische Induktion (kG)

Nb- ...% Zr - Draht Energiequelle

Strom (Spannungs) -Steuereinrichtung

Strom (Spannungs) -Einstellvorrichtung

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Claims

DK. ING. ERNST MAIER

PATENTANWALT

8 MÜNCHEN

VIIZHUATXKSTB. Il ■ TELEFON Xg IS SO, »B Sl SZ

A 167 £0

13. Januar I967 EM/Ml/Ge

Anmelder: K. K. Hitachi Seisakusho

4,1-Chorne, Marunouchi, Chiyoda-Ku Tokyo/ Japan

Prioritätsablauf: 1?. Januar I967

(NEUER) PATENTANSPRUCH

Elektromagnet mit supraleitender Magnetspule, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkreis derart aufgebaut ist, daß eine einzige, mehrlagig gewickelte Spule dadurch gebildet wird, daß mehrere, aus supraleitendem Material gewickelte Spulen (32A, 32B)- in Reihe geschaltet werden, deren jeweils einer Anschluß mit einem Stellwiderstand (38A, 38B) für die Einstellung ihres Erregerstromes (IA, IB) versehen ist, mit welchem ein Schalter (39A, 39B) in Reihe liegt, die Anschlußklemmen der Teilspulen (j52A, 32B) durch Schutzwiderstände (34a, 34b) verbunden sind und mit jeder Teilspule (32A, eine Gleichstromquelle (36A, 36B) in Reihe liegt.

Sparkasse Sduamberg Bankhaus Meid, Find & Co.,Mündien, Nr.25464 Bankhaus H. Aufhäuser« München, Nr. 53 597 Poitsdtedn Mändien 153861

Te'eutamroadtesi)*_: Piitenis^rioi

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eer seit