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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Stromwandleranordnung mit Primärstromschienen, insbesondere für die Messung des in Primärstromschienen, die sich durch einen zentralen Durchlass des Wandlers erstrecken, fließenden elektrischen Differenzstroms.
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Elektrische Stromwandlermodule für Stromsensoranwendungen umfassen typischerweise einen Magnetkern, der aus einem magnetischen Material mit hoher Permeabilität hergestellt ist und eine zentrale Öffnung umgibt, durch die ein Primärleiter geführt wird, der den zu messenden Strom führt. Der Magnetkern kann typischerweise eine im Allgemeinen rechteckige oder kreisförmige Form haben und einen Luftspalt aufweisen, in dem ein Magnetfelddetektor, wie beispielsweise einen Hall-Sensor in der Form eines ASIC, positioniert ist. Der durch den elektrischen Strom, der in dem Primärleiter fließt, erzeugte Magnetfluss wird durch den Magnetkern konzentriert und tritt durch den Luftspalt. Das Magnetfeld in dem Luftspalt ist repräsentativ für den Primärstrom.
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Elektrische Stromsensoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen zum Überwachen oder Steuern elektrischer Vorrichtungen und Systeme verwendet, und in vielen Anwendungen besteht ein wichtiger Vorteil in der Reduzierung der Herstellungskosten derartiger Bauelemente und auch der Kosten für die Implementierung und Verwendung der Bauelemente in einer elektrischen Schaltung. Oft besteht auch ein wichtiger Vorteil in der Bereitstellung von kompakten Bauelementen zur Miniaturisierung und/oder zur Reduzierung des Gewichts der Vorrichtungen, in denen die Bauelemente montiert sind.
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In vielen Anwendungen werden für die Messung eines Differenzstroms zwischen zwei Leitern, beispielsweise zwischen einem Leiterpaar einer Schaltung (Hin- und Rückleitung), Stromwandler verwendet.
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Die Spannungsdifferenz zwischen den Leitern erfordert eine gute Isolierung zwischen dem Leiterpaar, es ist jedoch auch wichtig, den einfachen Anschluss von Primärstromschienen, die sich durch den Wandler erstrecken, an die Primärleiter der zu messenden Schaltung zu gewährleisten.
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Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine Stromwandleranordnung zum Messen eines Stroms bereitzustellen, die den einfachen Anschluss an Leiter eines elektrischen Systems ermöglicht und dabei für eine gute Isolierung zwischen den Leitern sorgt.
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Es ist vorteilhaft, einen Stromwandler mit integrierten Primärstromschienen zu schaffen, der einen Differenzstrom misst, einfach zu installieren und wirtschaftlich herzustellen ist.
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Es ist vorteilhaft, einen Stromwandler mit integrierter Primärstromschiene zu schaffen, der robust und dennoch kompakt und einfach zusammenzubauen ist.
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Die Aufgaben der Erfindung wurden durch die Bereitstellung eines Stromwandlers nach Anspruch 1 gelöst.
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Hier wird eine elektrische Stromwandleranordnung offenbart, die einen Stromwandler und eine Primärleitervorrichtung umfasst, wobei der Stromwandler ein Gehäuse mit einem zentralen Durchlass umfasst, wobei die Primärleitervorrichtung einen isolierenden Träger und Primärleiter umfasst, die in dem isolierenden Träger montiert sind, wobei der isolierende Träger durch den zentralen Durchlass eingeführt wird. Die Primärleiter umfassen eine erste Stromschiene zum Verbinden mit einem ersten externen Primärleiter und einen zweiten Leiter zum Verbinden mit einem zweiten externen Primärleiter. Der isolierende Träger weist einen Trägerabschnitt für die erste Primärschiene mit einem Hohlraum auf, in dem die erste Stromschiene aufgenommen ist, und einen Trägerabschnitt für die zweite Primärschiene mit einem Hohlraum auf, in dem die zweite Stromschiene aufgenommen ist.
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Die erste und die zweite Stromschiene sind L-förmig und umfassen einen Längsschenkel und einen Querschenkel, wobei der Längsschenkel im Wesentlichen parallel zu einer Mittelachse des zentralen Durchlasses ausgerichtet ist. Der Längsschenkel umfasst an einem freien Ende einen Anschlussendabschnitt, und der Querschenkel umfasst an einem freien Ende einen Anschlussendabschnitt, wobei die Anschlussendabschnitte zum Verbinden mit den jeweiligen externen Primärleitern vorgesehen sind. Der Trägerabschnitt für die erste Stromschiene ist axial versetzt (d. h. in einer Richtung parallel zur Mittelachse des zentralen Durchlasses) um einen Abstand L ungleich Null in Bezug auf den Trägerabschnitt für die zweite Primärschiene, derart, dass auf jeder Seite des Stromwandlers ein Eintrittsende eines der Trägerabschnitte für die Primärschiene in Bezug auf ein Austrittsende des benachbarten weiteren Trägerabschnitts für die Primärschiene axial versetzt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der isolierende Träger einen Kupplungsflansch, der die Trägerabschnitte für die erste und die zweite Primärschiene umgibt und dafür ausgelegt ist, an eine Flanschkupplungsfläche eines Gehäuses des Stromwandlers montiert zu werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Wandler eine Montagefläche und Anschlüsse, die sich für die Montage auf eine Leiterplatte durch die Montagefläche erstrecken.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform steht die Montagefläche im Wesentlichen orthogonal zum Kupplungsflansch.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der isolierende Träger einen Zwischensteg, der den Trägerabschnitt für die erste Schiene mit dem Trägerabschnitt für die zweite Schiene verbindet, wobei die Trägerabschnitte für die erste und die zweite Primärschiene durch einen Abstand D ungleich Null getrennt sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Kupplungsflansch Rastelemente, die dafür ausgelegt sind, in ergänzende Rastelemente am Stromwandlergehäuse einzurasten, um den isolierenden Träger am Stromwandlergehäuse zu befestigen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfassen die Primärleiter jeweils eine Befestigungsanordnung zum Befestigen der Primärstromschienen am isolierenden Träger, wobei die Befestigungsanordnung einen sich axial erstreckenden Schlitz in dem isolierenden Träger aufweist, um eine gewisse Anpassung der axial festen Position der Primärstromschienen in Bezug auf den isolierenden Träger zu ermöglichen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der isolierende Träger für das axiale Einführen durch den zentralen Durchlass angepasst und sind die Primärleiter zum axialen Einführen in die Hohlräume zur Aufnahme der Schienen in entgegengesetzten Richtungen und von entgegengesetzten Seiten des Stromwandlers aus angepasst.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfassen die Anschlussendabschnitte Anschlussbohrungen, um die Enden der externen Primärleiter daran zu klemmen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Primärstromschiene ein im Wesentlichen rechteckiges Querschnittsprofil auf, bei dem die Breite W mindestens zweimal die Stärke T beträgt.
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Weitere Aufgaben und vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Stromwandlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2, 3 und 4 jeweils Vorderansicht, Seitenansicht und Draufsicht des elektrischen Stromwandlers aus 1;
- 5 eine perspektivische Explosionsansicht des elektrischen Stromwandlers aus 1.
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Bezugnehmend auf die Figuren umfasst eine elektrische Stromwandleranordnung 1 einen Stromwandler 3 und eine Primärleitervorrichtung 2. Der Stromwandler 3 umfasst ein Gehäuse 4 und einen Magnetkern (nicht gezeigt), der in dem Gehäuse montiert ist, insbesondere einen ringförmigen Magnetkern, der einen zentralen Durchlass 5 umgibt, durch den sich die Primärleitervorrichtung 2 erstreckt. Ein Magnetfelddetektor (nicht gezeigt) kann in einem Luftspalt des Magnetkerns oder in der Nähe des Magnetkerns positioniert werden, um das Magnetfeld, das durch die durch den zentralen Durchlass 5 fließenden Primärströme erzeugt wird, zu erfassen. Der Magnetfelddetektor kann verschiedener Art sein, die per se in der Technik bekannt ist, und der Stromwandler kann als Stromwandler mit offenem oder mit geschlossenem Regelkreis funktionieren, wobei derartige Funktionsweisen per se in der Technik wohlbekannt sind.
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Für die Messung von Differenzströmen ist der Stromwandler vorzugsweise vom Typ mit geschlossenem Regelkreis, wobei der Magnetfelddetektor über eine Rückkopplungsschleife mit einer Kompensationsspule verbunden ist, die mit dem Magnetkern gekoppelt ist, der einen Strom in der Spule erzeugt, der anstrebt, das durch die Primärleiter erzeugte Magnetfeld aufzuheben. Derartige Stromwandler mit geschlossenem Regelkreis sind im Allgemeinen in der Lage, Primärströme mit größerer Genauigkeit und Empfindlichkeit zu messen als Stromwandler mit offenem Regelkreis. Der Magnetfelddetektor und die Kompensationsspule sind mit Anschlüssen 15 verbunden, die sich durch eine Montagefläche 19 des Gehäuses erstrecken und für die Montage des Stromwandlers auf eine externe Leiterplatte geeignet ist. Die Anschlüsse an die Leiterplatte sind für die Stromversorgung und für Messsignale.
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Ein Stromwandler 3, wie oben beschrieben, ist allgemein bekannt, und weitere ausführliche Erläuterungen sind daher nicht erforderlich.
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Die Primärleitervorrichtung 2 umfasst einen isolierenden Träger 6 und Primärleiter 8, insbesondere ein Paar Primärstromschienen 8a, 8b. Die Primärstromschienen 8a, 8b sind dafür vorgesehen, mit einem entsprechenden Paar externer Primärleiter einer elektrischen Schaltung verbunden zu werden, beispielsweise den Hin- und Rückleitungen einer elektrischen Schaltung, sodass der Primärstrom, der durch die erste Stromschiene 8a fließt, in eine entgegengesetzte Richtung zum Primärstrom fließt, der in der zweiten Stromschiene 8b fließt. Bei Anwendungen, bei denen die erste und die zweite Stromschiene 8a, 8b zur gleichen elektrischen Phase gehören, misst der Stromwandler eine Differenz in dem Strom, der in den Stromschienen fließt, welche einem Ableitstrom entspricht. Ist der Ableitstrom vernachlässigbar, gibt der Wandler ein Messsignal im Wesentlichen gleich Null aus, da die Ströme, die in entgegengesetzten Richtungen fließen, Magnetfelder erzeugen, die sich im Wesentlichen gegenseitig aufheben. Im Fall einer Differenz in den Strömen, die zwischen der ersten und der zweiten Primärstromschiene fließen, beispielsweise aufgrund einer Ableitung in der elektrischen Schaltung, sind Hin- und Rückleitungsströme verschieden, sodass ein resultierendes Magnetfeld erzeugt wird, das der Stromdifferenz entspricht und durch den Magnetfelddetektor des Stromwandlers erfasst werden kann.
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Die Primärstromschienen 8a, 8b haben in einer Differenzstrommessung unterschiedliche Spannungen und sollten daher voneinander isoliert werden.
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Der isolierende Träger 6 umfasst einen Trägerabschnitt 6a für eine erste Stromschiene mit einem Hohlraum 7 für die Aufnahme der ersten Stromschiene 8a. Der isolierende Träger 6 umfasst einen Trägerabschnitt 6b für eine zweite Stromschiene mit einem Hohlraum 7 für die Aufnahme der zweiten Stromschiene 8b. Der erste und der zweite Trägerabschnitt 6a, 6b sind durch einen Abstand d getrennt, der teilweise durch einen Zwischensteg 10 definiert wird, der den ersten und den zweiten Trägerabschnitt 6a, 6b miteinander verbindet.
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Der isolierende Träger 6 ferner einen Kupplungsflansch 12 umfasst, der sich um die Trägerabschnitte 6a, 6b erstreckt und für die Montage an eine Flanschkupplungsfläche 21 des Stromwandlers ausgelegt ist. Der Kupplungsflansch 12 umfasst Rastelemente 11 zum Befestigen des isolierenden Trägers 6 an dem Gehäuse 4 des Stromwandlers 3. Der isolierende Träger 6 kann vorteilhafterweise aus einem einzigen integralen Teil gebildet werden, das aus einem isolierenden Material, insbesondere einem Polymer, beispielsweise durch Spritzgießen, gegossen wird. Die Rastelemente 11 rasten in ergänzende Rastelemente (nicht gezeigt), die an dem Gehäuse 4 ausgebildet sind, ein, um den isolierenden Träger 6 sicher am Wandlergehäuse 4 zu befestigen. Im Umfang der Erfindung können andere Befestigungsmittel zwischen dem isolierenden Träger 6 und dem Wandlergehäuse 4 vorgesehen werden, beispielsweise durch Kleben, Schweißen oder Verschrauben.
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Der Trägerabschnitt 6a für die erste Schiene erstreckt sich zwischen einem ersten Ende 24a (oder Austrittsende 24a der Schieneneinführung) und einem zweiten Ende 25a (oder Eintrittsende 25a der Schieneneinführung). In gleicher Weise erstreckt sich der Trägerabschnitt 6b für die zweite Schiene zwischen einem ersten Ende 24b (oder Austrittsende 24b der Schieneneinführung) und einem zweiten Ende 25b (oder Eintrittsende 25b der Schieneneinführung).
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Der isolierende Träger erstreckt sich durch und ist in den zentralen Durchlass 5 montiert, wobei das erste Ende 24a des Trägerabschnitts 6a für die erste Schiene und das zweite Ende 25b des Trägerabschnitts 6b für die zweite Schiene auf der einen Seite des Stromwandlers angeordnet sind, und wobei das zweite Ende 24b des Trägerabschnitts 6a für die erste Schiene und das erste Ende 24b des Trägerabschnitts 6b für die zweite Schiene auf einer gegenüberliegenden Seite des Stromwandlers zu finden sind. Die ersten Enden 24a, 24b sind in axialer Richtung A um einen Abstand L von den benachbarten jeweiligen zweiten Enden 25a, 25b versetzt. Der Versatz L weist eine Eintrittsplatte 20 an den zweiten Enden 24a, 24b auf, die den Enden entspricht, durch die die erste bzw. zweite Stromschiene 8a, 8b in die jeweiligen Hohlräume 7 eingeführt werden.
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Die erste Stromschiene 8a ist im Wesentlichen identisch mit der zweiten Stromschiene 8b. Die Stromschiene 8a, 8b umfasst im Wesentlichen eine „L“-Form mit einem Längsschenkel 26 und einem Querschenkel 27. Der Längsschenkel 27 erstreckt sich axial durch den zentralen Durchlass 5 in eine Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Mittelachse A des zentralen Durchlasses 5 steht. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Querschenkel 27 im Wesentlichen orthogonal zu der Mittelachse A angeordnet. Der Längsschenkel 26 umfasst an einem freien Ende einen ersten Anschlussendabschnitt 13 zur Verbindung mit einem externen Primärleiter. Der Querschenkel 27 umfasst an einem freien Ende einen zweiten Anschlussendabschnitt 14 zur Verbindung mit einem externen Primärleiter. Die Verbindung mit dem externen Primärleiter kann durch verschiedene Mittel und Vorrichtungen durchgeführt werden, beispielsweise durch Klemmen mit einer Schraube, die mit einer Anschlussbohrung 16 gekoppelt wird. Verschiedene andere Anschlussmittel sind per se in der Technik bekannt, können jedoch zum Verbinden des externen Primärleiters mit den Anschlussendabschnitten 13 bzw. 14 vorgesehen werden.
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Die erste Stromschiene 8a und die zweite Stromschiene 8b sind, wie am besten in den 4 und 5 zu sehen, derart angeordnet, dass sich die Querschenkel 27 in entgegengesetzte Richtungen weg von einer Mittelachse A erstrecken. In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Querschenkel 27 in entgegengesetzten Richtungen weg von einer Mittelachse A und parallel zur Montagefläche 19 des Stromwandlers 3. Diese entgegengesetzte Anordnung kombiniert mit dem axialen Versatz L stellt einen breiten Trennspalt zwischen dem Längsanschlussendabschnitt 13 und dem Queranschlussendabschnitt 14 auf derselben Seite des Wandlers sicher. Außerdem ermöglicht die orthogonale Beziehung zwischen den Anschlussenden 13, 14 auf derselben Seite des Wandlers den einfachen Zugang zur Verbindung mit den externen Primärleitern.
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Einfacher Zusammenbau, einfache Montage und gute Isolierung werden somit in einer kompakten Anordnung bereitgestellt. Außerdem können die Primärstromschienen für den Zusammenbau der elektrischen Stromwandleranordnung 1 leicht in die entsprechenden Hohlräume 7 eingeführt werden.
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Die Befestigung der Stromschienen an dem isolierenden Träger 6 kann mit verschiedenen Mitteln durchgeführt werden. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Befestigungsanordnung eine Schraube 17, die in einer Gewindebohrung 19 in der Stromschiene im Eingriff ist, wobei die Schraube die Stromschiene durch eine Bohrung oder einen Schlitz 22 für die Befestigungsschraube an eine Wand des Hohlraums 7 zur Aufnahme der Primärschiene klemmt. Vorzugsweise ermöglicht der Schlitz 22 für die Befestigungsschraube eine gewisse axiale Anpassung derart, dass die Klemmung der Anschlussenden 13, 14 an externe Leiter mit gewissen Anpassungen in der axialen Position zwischen dem elektrischen Stromwandler 3 und den externen Leitern durchgeführt werden kann. Es ist im Rahmen der Erfindung anzumerken, dass die Befestigungsanordnung weggelassen werden kann, damit die Position der Stromschienen 8a, 8b durch die relative Position des Stromwandlers in Bezug auf die externen Primärleiter festgelegt werden kann, an die sie angeschlossen werden, mit der Maßgabe, dass die Montage nur kleine Anpassungen der Position zulässt.
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Wie am besten mit Bezug auf 5 zu verstehen ist, wird der Zusammenbau der elektrischen Stromwandleranordnung 1 gemäß der Erfindung durch Einführen in einer axialen Richtung A des isolierenden Trägers 6 durch den zentralen Durchlass 5 durchgeführt, bis der Kupplungsflansch 12 an der Flanschkupplungsfläche 21 des Stromwandlergehäuses 4 eingreift. Anschließend können die erste und die zweite Stromschiene 8a, 8b von entgegengesetzten Seiten des Stromwandlers 3 durch die jeweiligen Hohlräume 7 eingeführt werden. Somit wird eine einfache Montage der elektrischen Stromwandleranordnung realisiert.
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Liste der verwendeten Bezugszeichen
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| Elektrische Stromwandleranordnung 1 |
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Primärleitervorrichtung 2 |
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Isolierender Träger 6 |
| Trägerabschnitt 6a für die erste Schiene |
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Hohlraum 7 zur Aufnahme der Schiene |
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Austrittsende 24a für die Schieneneinführung |
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Eintrittsende 25a für die Schieneneinführung |
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Eintrittsplatte 20 |
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Schlitz 22 für die Befestigungsschraube |
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Trägerabschnitt 6b für die zweite Schiene |
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Austrittsende 24b für die Schieneneinführung |
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Eintrittsende 25b für die Schieneneinführung |
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Hohlraum 7 zur Aufnahme der Schiene |
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Eintrittsplatte 20 |
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Zwischensteg 10 |
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Kupplungsflansch 12 |
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Rastelement 11 |
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Primärleiter 8 |
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Erste Stromschiene 8a |
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Zweite Stromschiene 8b |
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Längsabschnitt 26 |
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Erster Anschlussendabschnitt 13 (längs) |
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Querabschnitt 27 |
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Zweiter Anschlussendabschnitt 14 (quer) |
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Anschlussbohrung 16 |
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Befestigungsanordnung (Schraube 17, Gewindebohrung 19) |
| Stromwandler 3 |
| Gehäuse 4 |
| Magnetkern |
| Zentraler Durchlass 5 |
| Magnetfelddetektor |
| Anschlüsse 15 |
| Montagefläche 19 (für die Leiterplattenmontage) |
| Flanschkupplungsfläche 21 |
