DE2362195A1

DE2362195A1 - Asynchronlaeufer

Info

Publication number: DE2362195A1
Application number: DE2362195A
Authority: DE
Inventors: Urs Karlen; Horst Kirschner
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1973-11-15
Filing date: 1973-12-14
Publication date: 1975-05-22
Also published as: US4249098A; FR2251939A1; IT1025614B; DE7344349U; BR7409541A; FR2251939B1; CH564876A5

Description

. 123/73· Ke./Ke.

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & CIe.-, Baden/Schweiz

Asynchronläufer

Die Erfindung betrifft einen Asynchronläufer, dessen Leiterstäbe über einen Kurzschlussring durch eine; Lötverbindung kurzgeschlossen sind. .

Drei der heute gebräuchlichsten Lötverbindungen von Kurzschlussring und Leiterstäben sind in Fig.1 der später beschriebenen Zeichnung gezeigt. Es sind dies gemäss Fig.la eine stirnseitige Verbindung der Leiterstäbe mit einer Kreisringfläche des Kurzschlussringes, gemäss Fig.Ib das Einlöten der Stabenden in radialen Nuten am Ring und gemäss Fig.Ic das Auflöten der Stabenden auf dem äusseren Ringumfang.

Da die gezeigten Verbindungen unterschiedliche mechanische und elektrische Kennwerte aufweisen, kann es vorkommen, dass in einer Produktionsstätte für Asynchronläufer je nach gestellten Anforderungen alle drei Lötverbindungen ausgeführt

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werden, was als nachteilig und unrationell für Berechnung, Konstruktion und Fertigung anzusehen ist. Zudem weisen die einzelnen Verbindungen die im folgenden kurz genannten Nachteile auf:

Zu la - Einfache beidseitige Kehlnaht am T-Stoss gibt ungenügende Festigkeit.

- K-Naht mit beidseitiger Kehlnahtabdeckung erfordert teure Bearbeitung der Leiterstabenden

- Für optimalen Lötspalt zwischen Ring und Leiterstab ist sauberes Plandrehen aller Flächen erforderlich

Zu Ib - Teuere Bearbeitung des Kurzschlussringes.

Zu Ic - Bei höheren Festigkeitsanforderungen bewirkt die benötigte, relativ grosse Breite des Ringes eine grosse axiale Erstreckung des Läuferkäfigs.

Den drei genannten Verbindungen haften gemeinsam zwei schwerwiegende Nachteile an. Zum einen kann vor dem Arbeitsgang an den Lötstellen kein Lötgut angebracht werden, wodurch die Verbindungen nur schwierig in derselben Güte zu reproduzieren sind. Zum andern müssen zum Erwärmen der Lötstelle beide Werkstücke gleichzeitig auf die Arbeitstemperatur aufgeheizt werden, wodurch wegen der langandauernden Wärmeleitung in den Leiterstäben dieselben durch Weichglühen an Festigkeit

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verlieren. Zudem werden die untersten Blechpakete des Eisenkerns und die dazwischen liegenden Isolationsschichten hohen, unzulässigen Temperaturen ausgesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, für alle bei Asynchronläufern vorkommenden Geometrien von Leiterstäben und Kurzschlussringen eine einheitliche Lötverbindung derselben mit guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften zu schaffen. ,_..--

Die vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Kurzschlussring an einer Kreisringfläche mindestens eine Vertiefung aufweist, in welche die Leiterstäbe mit ihren Stirnenden eingreifen und verbleibende Spalte mit Zusatzwerkstoff ausgefüllt sind.

Bei einer solchen Lötverbindung ist der gesamte Leiterstabquerschnitt sowohl mechanisch als auch elektrisch wirksam. Mechanisch wird eine dreifache Sicherheit geboten:

a) Die in der Vertiefung des Kurzschlussringes liegenden Leiterstabenden können sich bei einem Bruch der Lötstelle während des Laufes des.Asynchronläufers nicht radial vom Ring abheben. s

b) Der die beiden Werkstücke vereinigende Zusatzwerkstoff,

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der zumindest am ganzen Querschnitt der Leiterstäbe haftet, weist eine höhere Festigkeit auf als die Werkstücke selbst.

c) Bei Nenndrehzahl des Asynchronläufers sind die Leiterstäbe nahezu spannungsfrei.

Eine bedeutende Vereinfachung wird dadurch erzielt, dass die Vertiefung an der Kreisringfläche als eine durchgehende Ringnut ausgebildet ist. Schon bei der spanabhebenden Fertigung des Kurzschlussringes, welcher ein einfacher Drehteil ist, kann in derselben Aufspannung die Bearbeitung der Ringnut erfolgen. Dieselbe kann auch als Zentrierung des Ringes am Läufer dienen.

Die den eigentlichen Lötspalt zwischen Ring und Leiterstab bildende Stirnfläche der Stäbe kann uneben ausgeführt werden, wobei sich vorzugsweise ein Zahnstangenprofil anbietet. Es wird dadurch eine Vergrösserung der wirksamen Fläche erzielt, die Güte der Lötnaht wird gesteigert durch ein sicheres Austreten des Flussmittels aus der Lötstelle, und zudem wird eine beträchtliche Einsparung an Lötgut vorgenommen.

Ein Verfahren zum Herstellen eines Asynchronläufers mit durch Löten verbundenen Leiterstäben am Kurzschlussring

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ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussring mittels einer Wärmequelle auf die Arbeitstemperatur aufge- ' heizt wird, hierauf der metallische Zusatzwerkstoff schmilzt und die Spalte zwischen dem Kurzschlussring und den zu verbindenden Leiterstäben ausfüllt und letztere auf die Arbeitstemperatur erwärmt.

Das indirekte Aufheizen der Leiterstäbe, deren Enden nur kurzzeitig die Arbeitstemperatür aufweisen, bewahrt die. ursprüngliche Härte des Werkstoffes an der Einspannstelle der Leiterstäbe im Eisenkern des Läufers. An dieser für die Querschnittsdimensionierung der Stäbe massgebliche^Stel-Ie kann somit mit der annähernd vollen Materialfestigkeit gerechnet werden. Zudem treten keine Wärmeschäden an den Isolationsschichten der Blechpakete auf,-

Wird die Lötung bei vertikal angeordneten Leiterstäben durchgeführt, so ergibt sich der Vorteil des einfachen Anbringens einer vordosierten Menge Zusatzwerkstoff und Flussmittel am Kurzschlussring. Ausserdem ist bei Benützung einer universell anwendbaren, mobilen Wärmequelle das Arbeitsverfahren ortsunabhängig, da das vertikale Anordnen der Leiterstäbe durch einfaches Anhängen des Asynchroniaufers, beispielsweise an ein Hebezeug, erzielbar ist.

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Es ist angebracht, das Aufheizen des Kurzschlussringes mittels - Induktionswärme vorzunehmen. Infolge der hohen Leistungskonzentration, die diese Art von Erwärmen ermöglicht, wird der Lötvorgang hinsichtlich erzielbarer Qualität und benötigtem Zeitbedarf wesentlich verbessert. Zudem können wegen der problemlosen Ueberwachung angelernte Arbeitskräfte mit der Durchführung des Lötens betraut werden.

Ferner ist es günstig, dass der Kurzschlussring segmentweise in einer Durchlaufanordnung auf Arbeitstemperatur aufgeheizt wird, sodass nur die sich in der Wärmezone befindlichen Leiterstäbe mit dem Zusatzwerkstoff binden. Selbst grösste Werkstücke können auf die Art mit guter Reproduzierbarkeit aller Lötnähte bearbeitet werden. Infolge des eng begrenzten partiellen Erwärmens bedarf es nur einer relativ geringen Lötleistung, wodurch die Investitionskosten für die Energiequelle begrenzt bleiben.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine auf dem Kurzschlussring einwirkende Wärmequelle und durch Mittel zum vertikalen Anordnen des Asynchronläufers, dessen Leiterstäbe unter Bildung von Spalten in die Vertiefung an der Kreisringfläche des Kurzschlussringes eingreifen, wobei in der Vertiefung eine dosierte Menge metallischer Zusatzwerkstoff und Plussmittel untergebracht ist.

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Als Wärmequelle wird vorzugsweise ein Flächeninduktor verwendet.

In der Zeichnung sind Ausführungen zum Stande der Technik sowie ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht veranschaulicht. - . Es zeigen:
Fig.la bis Ic Ausschnitte von drei bekannten Lötverbindungen

in planparalleler Darstellung

Fig.2 ein Ausschnitt eines Ausführungsbeispieles der Lötverbindung gemäss der Erfindung in planparalleler Darstellung ·

Fig.3 eine Schnittdarstellung einer Lötstelle vor und ,nach dem Arbeitsgang .

Fig.4 eine Abwandlung der Lötstelle gemäss Fig.3

Fig.5 schematisch einen teilweise geschnittenen Asynchronläufer und eine Einrichtung zur Herstellung der Lötverbindungen .

Gleiche Elemente sind in allen Fig. mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In allen Fig. sind mit 1 die kupfernen Leiterstäbe und mit 2 der kupferne Kurzschlussring bezeichnet.

Die drei Lötverbindungen nach Fig.l sind bei der Angabe des Standes der Technik kommentiert worden. '

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In Fig. 2 ist die Vertiefung 5 als eine umlaufende Ringnut in die den Leiterstäben 1 zugekehrte Kreisringfläche des Kurzschlussringes 2 eingearbeitet.

Fig.3 zeigt im linken Teil das zu verlötende Ende der Leiterstäbe 1, welche in die Ringnut eingreifen unter Bildung des Spaltes 4 zwischen Stab und Nut ^flanken einerseits und des eigentliehen Lötspaltes 5 zwischen Stirnfläche des Stabes und Nutgrund andererseits. Die Stirnfläche ist eben ausgebildet. Da das zum Vereinigen der beiden Werkstücke 1 und 2 verwendete Lötgut eine höhere Festigkeit als die Werkstücke selbst aufweist, ist eine enge Passung der Lötstelle nicht erforderlich. Zum Einsparen von Lötgut wird man Jedoeh möglichst kleine Spalte 4 und 5 wählen unter Berücksichtigung der radialen Ausdehnung des Ringes 2 während dem Aufheizen. Im rechten Teil der Fig.35 ist die fertige Lötverbindung ersichtlich, die gekennzeichnet ist durch den die Ringnut teilweise ausfüllenden Zusatzwerkstoff 6, - im vorliegenden Fall ein Silberlot -, durch die Bildung einer Hohlkehle zwischen Lötgut und Nutflanke einerseits und zwischen Lötgut und Leiterstab 1 andererseits, sowie durch die über den Zusatzwerkstoff 6 in der Ringnut erstarrte Schicht Flussmittel 7.

In Fig.4 ist die Stirnfläche des Leiterstabes 1 mit dem

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Zahnstangenprofil 8 versehen. Die fertige Lötverbindung im rechten Teil unterscheidet sich von derjenigen in Fig.3 durch einen wesentlich höheren Füllgrad der Lötstelle sowie einen weitaus geringeren Füllgrad der Ringnutj eine derartige Gestaltung der Lötstelle führt neben einer qualitativ hochwertigen Lötung zusätzlich zum Einsparen von mehr als 50 % Zusatzwerkstoff.

In Fig.5 sind nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Teile dargestellt. Der Asynchronläufer 9 besteht im wesentlichen aus der Welle 10, einem aus den Blechen aufgebautem Eisenkörper, den beiden Kurzschlussringen 2 sowie aus einer Anzahl von Leiterstäben 1. Die vertikale Anordnung des Läufers 9 ist durch einfaches Anhängen des oberen Wellenstummels am Kranha_ken 12 und Führen des unteren V/ellenstummeIs im Spitzenlager 13. gegeben. Der Läufer kann leicht manuell oder automatisch mittels einer nicht gezeigten .Drehvorrichtung in Drehung versetzt werden; dies ist beispielsweise erforderlich, wenn wie im vorliegenden Fall die Wärmequelle 14 zum Aufheizen der Lötstellen benützt wird, welche ein mobiler, universell anwendbarer Flächen- _v induktor ist. Dieser ist derart gestaltet, dass er auf einen zwei bis vier Stabteilungen entsprechenden Abschnitt des Kurzschlussringes 2 wirkt. ■

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Beim Herstellen der Lötverbindung wird folgendermassen vorgegangen:

Soll bei der fertigen Lötverbindung ein äquidistanter Abstand zwischen den Nut_flanken und dem Leiterstab 1 erzielt werden, so muss die Wärmeausdehnung des Kurzschlussringes 2 beim Aufheizen dahingehend berücksichtigt werden, dass beim Eingreifen des Leiterstabendes in die Ringnut der äussere Spalt 4 zwischen radial aussenliegender Nutflanke und Stab kleiner gewählt wird als der innere zwischen innenliegender Nutflanke und Stab. Optimal ist beim Einpassen eine äussere Spaltbreite von nahezu Null, da hierdurch ein sauberes Zentriereides Kurzschlussringes 2 im kalten Zustand gegeben ist und zudem beidseitig eine Kapillarwirkung auf den flüssigen Zusatzwerkstoff 6 ausgeübt wird. Dieser, entweder in Draht- oder Blechform oder als Peilung sowie das Flussmittel 7 werden in dosierter Menge in die Ringnut eingegeben, nachdem der Läufer 9 in die Lötstellung - im vorliegenden Fall bei vertikaler Welle 10 - gebracht wurde.

Das Erwärmen der Lötstelle geschieht mit dem wassergekühlten Flächeninduktor. Als Energiequelle wird ein nichtgezeigter Mittelfrequenz-Generator verwendet. Der Induktor welcher gemäss Aufgabenstellung sowohl bei kleinsten als auch bei grössten zu verlötenden Asynchronläufern zum Einsatz kommen

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soll, wird leistungsmässig entsprechend der am meisten Wärme verbrauchenden Lötverbindung ausgelegt. Dies hat den Vorteil, dass Kurzsehlussringe kleineren Querschnittes zwecks Zeiteinsparung mit der vollen Heizleistung des Induktors: bis knapp unter die Liquidustemperatur des Zusatzwerkstoffes 6 erwärmt werden, worauf die Lötung nur hoch mit der zur Aufrechterhaltung der Arbeitstemperatür benötigten Leistung vollzogen wird. Die Arbeitstemperatür liegt knapp über der Liquidus tempe ratur.

Durch Induktionswärme direkt wird nur der Kurzschlussring 2 aufgeheizt, wobei bei optimaler Auslegung der Geometrie der Lötstelle die Spalte 4 zwischen den Leiterstäben 1 und den Nut flanken nach der erfolgten Wärmeausdehnung des Kurzschlussringes 2 bei Arbeitstemperatur gleich breit sind. Der aufschmelzende Zusatzwerkstoff 6.füllt den Lotspalt 5* benetzt die Umflachen des Leiterstabendes und unterliegt einer Kapillaraszension in den Spalten 4. Durch den Wärmefluss vom Lötbad in das Leiterstabende wird dieses auf die Arbeitstempera tür erwärmt, bei deren Erreichen die Diffusion von Lötkomponenten in den Werkstoff des Leiterstabes 1 eintritt, womit die Bindung vollzogen ist. Die fertige Lötung ist erkenntlich, wenn sich eine saubere Hohlkehle zwischen dem Lötbad und dem Leiterstab 1 gebildet hat. Während der Verflüssigungs- und der Bindungsphase ist durch das Austreten des spezifisch leich-

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teren Flussmittels 7 aus der Schmelze sowie aus den Spalten 4 und 5 eine stark quirlende Bewegung im Lötbad vorhanden, welches sich erst nach völligem Ausscheiden des Flussmittels 7 beruhigt. Besonders günstig hinsichtlich Flussmittelaustritt ist die lötgerechte Stirnflächengestaltung der Leiterstäbe 1 nach Fig.4. Einschlüsse in der Lötnaht treten hier, wenn überhaupt, nur an den Zahnspitzen auf. Dies, weil das stark benetzende Silberlot die Zahnlücken bis hinauf in die Spitzen ausfüllt und das Flussmittel weder einen Halt an den schmalen, den eigentlichen Lötspalt bildenden Stegen noch an den steilen Zahnflanken findet.

Der verlötete Abschnitt wird durch Drehen des Läufers 9 dem Wirkungsbereich der Wärmequelle 14 entfernt. Beim Abkühlen auf die Solidustemperatur erstarrt das Lötgut, und bei weiterem Absenken der Temperatur verfestigt sieht das Flussmittel zu einer dünnen spröden Schicht, welche leicht abklopfbar oder abwaschbar ist.

Zum Verlöten aller Leiterstäbe 1 mit dem Kurzschlussring 2 durchläuft dieser abschnittsweise die Erwärmungszone bis zu einer vollendeten Umdrehung. Anschliessend lässt man abkühlen, wobei der Ring auf die Kaltmasse zusammenschrumpft. Die verlöteten Leiterstabenden machen zwangsläufig die radial nach innen gerichtete Bewegung mit. wobei die. Leiterstäbe an der

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Einspannstelle in einen Spannungszustand versetzt werden, der nahe der F.liessgrenze des Materials liegt. Diese Vorspannung

■ sich,

wirkt'insofern günstig aus, als sie im Betrieb des Asynchronläufers bei Nenndrehzahl sowohl von der Fliegkraftbeanspruchung als auch von Wärmespannungen nahezu ganz kompensiert wird. .

Durch das auf einen kleinen Abschnitt begrenzte, partielle Erwärmen des Kurzschlüssringes 2, welches nur durch die hohe Leistungskonzentration des Induktors ermöglicht wird, voll- . zieht sich der Lötvorgang äusserst schnell. Hierdurch weisen die zu verlötenden Enden der Leiterstäbe 1 nur kurzzeitig die Arbeitstemperatur von etwa 650 C auf, während durch die Schnelligkeit des Vorganges an der Einspannstelle der Leiterstäbe 1 im Eisenkern eine Temperatur von etwa I50 C nicht überschritten wird, folglich kein Weichglühen.des Materials stattfindet. Dies Ist besonders wichtig, da die betreffende Einspannstelle aufgrund der Biegung der Stäbe beim Schrumpfen des Ringes sowie der betrieblichen Beanspruchungen die für -die -Dimensionierung der Leiterstäbe massgebliehe Stelle ist. Für die Bestimmung des erforderlichen Querschnittes kann nahezu die volle Härte des Kupfers zugrunde gelegt werden, womit sich die bisher übliche üeberdimensionierung der Leiterstäbe - aufgrund des weichen Zustandes des Materials an der kritischen Stelle Infolge langandauerndem Glühen - erübrigt.

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Durch Wärmeleitung von den Leiterstäben über die Einspannstelle werden die untersten Blechpakete des Eisenkerns am stärksten wärmebelastet. Die zwischen den Blechen 11 liegenden Isolationsschichten, deren teilweise Verkohlung bisher in Kauf genommen wurde, werden gemäss vorliegendem Verfahren keinen beschädigende Wirkung auslösenden Temperaturen ausgesetzt.

Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf das in der Zeichnung Dargestellte.

So kann in der Ringnut der üebergang zwischen Nutflanken und Nutgrund abgerundet sein. Hierdurch lässt sich das Lötgut, welches in Fig.k die Hohlkehle mit der Nutflanke bildet, einsparen. .

Statt einer Ringnut kann die Vertiefung als Aussparung, Rille oder Sackloch ausgebildet sein.

Sind beispielsweise die Asynchronläufer als Massengut zu verlöten, kann ein den Dimensionen des Kurzschlussringes angepasster Ringinduktor zum gleichzeitigen Aufheizen aller Lötstellen verwendet werden.

Statt Induktionswärme können selbstverständlich auch andere Wärmequellen wie die elektrische Widerstandswärme oder Flammenbrenner zum Einsatz gelangen.

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Claims

Pat ent ansprü ehe

.) Asynchronläufer, dessen Leiterstäbe über einen Kurzschluss-• ring durch eine Lötverbindung kurzgeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussring (2) an einer Kreisringfläche ·mindestens eine Vertiefung (3) aufweist, in welche die Leiterstäbe (1) mit ihren Stirnenden eingreifen und verbleibende Spalte (¹1,5) mit Zusatzwerkstoff (6) ausgefüllt sind.

2. Asynchronläufer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (3) an der Kreisringfläche als eine durchgehende Ringnut ausgebildet ist.

3. Asynchronläufer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen der Leiterstäbe (1) uneben sindei

4. Asynchronläufer nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet,
dass die Stirnflächen als Zahnstaiigenprofil (8) ausgebildet sind.

5. Asynchronläufer nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet,
dass der Nutgrund der Ringnut mit einer Rundung versehen
ist.

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6. Verfahren zum Herstellen eines Asynchronläufers nach Patentanspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussring (2) mittels einer Wärmequelle (14) auf die Arbeitstemperatur aufgeheizt wird, hierauf der metallische Zusatzwerkstoff (6) schmilzt und die Spalte (4,5) zwischen dem Kurzschlussring (2) und den zu verbindenden Leiterstäben (1) ausfüllt und letztere auf die Arbeitstemperatur erwärmt.

7. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötung bei vertikal angeordneten Leiterstäben (1) durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen des Kurzschlussringes (2) induktiv erfolgt.

9. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussring (2) segmentweise in einer Durchlaufanordnung auf die Arbeitstemperatur aufgeheizt wird, so dass nur die sich in der Wärmezone befindliche Leiter-Stäbe (1) mit dem Zusatzwerkstoff (6) binden.

10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 6, gekennzeichnet durch eine auf den Kurzschluss-

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ring (2) einwirkende Wärmequelle (14) und durch Mittel (12₉ 13) zum vertikalen Anordnen des Asynchronläufers (9)j dessen Leiterstäbe (1) unter Bildung von Spalten (4_S5) in die Vertiefung (3) an der Kreisringfläche des Kurzschlussringes (2) eingreifen_s wobei in der Vertiefung (3) eine dosierte Menge metallischer Zusatzwerkstoff (6) und Plussmittel (7) untergebracht ist*

11, Einrichtung nach Patentanspruch 1O₉ dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle (1^i) ein Plächeninduktor verwendet wird.

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

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