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Vakuumschaltgerät
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Vakuumschaltgerät mit einem Vakuumgefäa,
in dem ein feststehendes und ein diesem zugeordnetes bewegliches Kontaktstück angeordnet
sind, wobei das bewegliche Kontaktstück aus dem Vakuumgefä geführt und mittels einer
Antriebs-und Betätigungsvorrichtung bewegbar ist.
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Bei herkömmlichen Vakuumschaltgeräten erfolgt die Betätigung des beweglichen
Kontaktstückes über ein Stangengetriebe, so etwa silber einen zweiarmigen mittig
gelagerten Hebel aus Isoliermaterial, der auf der einen Seite mit dem beweglichen
Kontaktstück und auf seiner
anderen Seite mit der Antribsvorrichtung
in Eingriff steht; vgl.
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die DT-AS 24 05 149 und die DT-AS 23 22 373. Die Bewegung der auf
Erdpotential liegenden Antriebsvorrichtung wird hierbei direkt in eine Hubbewegung
des beweglichen Kontaktstückes übertragen, wobei die Endstellungen des beweglichen
Kontal<tstückes durch entsprechende, etwa durch Anschläge begrenzte Endstellungen
der Antriebsvorrichtung bestimmt sind. Die erforderlichen Schaltwege sind verhältnismäßig
gering und liegen im Bereich von einigen Millimetern.
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Bei Vakuumschaltgeräten wird das aus dem VakuumgefäB herausgeführte
bewegliche Kontaktstück gegenüber dem Uakuumgefäß durch einen Metallfaltenbalg abgedichtet.
Neben dem üblichen Kontaktabbrand der Kontaktstücke wird die Lebensdauer eines Vakuumgefäßes,
d.h. die Anzahl der möglichen Ein-Aus-Schaltungen, durch die Anzahl der bis zum
Bruch des Metallfaitenbalges möglichen Biegewechselspannungen begrenzt. Da der Metallfaltenbalg
mit dem Vakuumgefäß und dem beweglichen Kontaktstück fest verbunden ist, folgt er
allen Bewegungen des beweglichen Kontaktstückes, die ihrerseits wieder direkt durch
die Bewegungen der Antriebsvorrichtung bestimmt sind. So bedingt etwa ein Überlaufen
bzw. Überschwingen der Antriebsvorrichtung über die Aus-Stellung auch einen Überhub
des beweglichen Kontaktstückes und damit eine Überbeanspruchung des Metallfaltenbalges.
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Auch Prelivorgänge, d.h. mehrfach hin- und hergehende Bewegungen der
Antriebsvorrichtung in den Endlagen der Antriebsvorachtung wirken sich direkt als
Biegewechselbeanspruchungen am Metallfaltenbalg aus. Hierdurch wird die Lebensdauer
des Metallfaltenbalges und des VakuumgefäOes verkürzt. Die Prellvorgänge in der
der SchlieBstellung des Vakuumschaltgerätes entsprechenden Endlage der Antriebsvorrichtung
wirken sich direkt auf die Kontaktstücke aus, so daß beim Schließvorgang die Kontaktstücke
mehrmals kurzfristig voneinander abgehoben werden, ehe sie endgültig miteinander
Kontakt haben.
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Hierdurch können Lichtbögen entstehen, die die Kontaktflächen teilweise
aufrauhen, wodurch der Kontakt verschlechtert tnd der Abbrand erhöht wird.
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Durch die direkte Übertragung der Bewegungen der Antriebsvorrichtung
auf das bewegliche Kontaktstück wird die Genauigkeit der
Schaltbewegung
unter anderem allen durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung der zur Übertragung
dienenden Teile begrenzt.
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Die unterschiedliche Ausdehnung wird durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung
der verschiedenen Materialien, z.B. Isolierstoff und Metall, und durch die unterschiedliche
Erwärmung der einzelnen Teile verursacht, die einerseits im Eingriff mit der auf
Raumtemperatur und Erdpotential liegenden Atriebsvorrichtung stehen und andererseits
Berührung mit dem durch die Strombelastung erwärmten beweglichen Kontaktstück und
den entsprechenden Kontaktteilen haben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem \Jakuumschaltgerät
der eingangs genannten Art die Schaltbewegung des beweglichen Kontaktstückes in
dem Bereich der Endstellungen weitgehend von den Bewegungen der Antriebsvorrichtung
zu entkoppeln, so daß Überschwingungen und Prelivorgänge in der Antriebsvorrichtung
nicht auf die Bewegung des beweglichen Kontaktstückes übertragen werden; außerdem
sollen die durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der verwendeten Teile zur Übertragung
der Bewegung der Antriebsvorrichtung auf das bewegliche Kontaktstück hervorgerufenen
Ungenauigkeiten der Schaltbewegungen weitgehend ausgeschaltet werden.
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Diese rufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Betätigungsvorrichtung
ein mit dem beweglichen Kontaktstück in Eingriff stehendes Kurvengetriebe aufweist,
das auf dem Potential des beweglichen Kontaktstückes liegt und mit einer den Verlauf
der Schaltbewegung bestirnmenden Steuerkurve versehen ist, die zumindest für die
Schließstellung des beweglichen Kontaktstückes in einem um diese Stellung liegenden
Bereich einen konstant bleibenden Schaltweg festlegt.
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Das Kurvengetriebe steht direkt in elektrischem Kontakt mit dem beweglichen
Kontaktstück und weist vorzugsweise eine Kurvenscheibe auf, deren Steuerkurve in
einem Bereich zumindest um die Schließstellung auf einem Kreisbogen mit der Drehachse
der Kurvenscheibe als Mittelpunkt verläuft.
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Mit der Erfindung wird erreicht, daß die Bewegung des beweglichen
Kontaktstückes in einem Bereich um die SchlieBstellung des Vakuumschaltgerätes vollständig
entkoppelt ist von den Bewegungen der Antriebsvorrichtung, da in diesem Bereich
durch die Steuerkurve des Kurvengetriebes ein konstant bleibender Schaltweg festgelegt
ist. LäuFt somit die Antriebsvorrichtung für das bewegliche Kontaktstück über ihre
Endlage hinaus oder schwingt sie, etwa durch Prelivorgänge an Anschlägen um diese
Endlage, so werden diese Bewegungen nicht auf das bewegliche Kontaktstück übertragen;
vielmehr verbleibt das bewegliche Kontaktstück in der durch'die Steuerkurve festgelegten
Endstellung, die bereits vor oder zumindest gleichzeitig mit der Endlage der Antriebsvorrichtung
erreicht wird.
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Prellechwingungen zwischen den Kontaktstücken, die zur Aufrauhung
der Kontaktflächen und erhöhtem Abbrand führen, werden dadurch vermieden; außerdem
werden Bewegungen der Antriebsvorrichtung in und ur deren Endlage auch nicht auf
den Metallfaltenbalg übertragen, der das bewegliche Kontaktstück gegen das Vakuumgefäß
abdichtet. Überbeanspruchungen und Biegewechselbeanspruchungen des Balges werden
so vermieden, wodurch die Lebensdauer des Uakuumgefäßes wesentlich erhöht wird.
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Kurvengetriebe und bewegliches l<ontaktstück unterliegen zudem
nahezu der gleichen Wärmeausdehnung, da sie auf gleichem elektrischen Potential
und dem gleichen, durch den Stromfluß zwischen den Kontaktstücken erzeugten Temperaturniveau
liegen. Einflüsse von sonst üblichen Temperaturunterschieden zwischen beweglichem
Kontaktstück und Betätigungsvorrichtung auf die Schaltcharakteristik und den Schalthub
des Vakuumschaltgerätes sind hierdurch ausgeschlossen.
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Vorzugsweise ist das Kurvengetriebe in einem mit dem beweglichen Kontaktstück
in wärmeleitendem Kontakt stehenden, insbesondere metallischen Lagerbock gelagert,
dessen Wärmeausdehnusng derjenigen des beweglichen Kontaktstückes und des Kurvengetriebes
angepaßt ist.
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Durch die Form der Steuerkurve des Kurvengetriebes kann die Schaltcharakteristik
des Vakuumschaltgerätes in weiten Grenzen unabhangig
von der Laufgeschwindigkeit
de <urvengetriebes gestaltet werden.
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Dies ist insbesondere für den Verlauf der Ausschaltgeschwindigkeit
des Vakuumschaltgerätes wichtig, der zur Verringerung des Abbrandes der Kontaktstücke
durch entsprechende Ausbildung der Steuerkurve des Kurvengetriebes einfach optimiert
werden kann. Im allgemeinen ist es dazu ausreichend, daß bei einem Kurvengetriebe
mit Kurvenscheibe die Steuerkurve im mittleren Bereich des Drehwinkels der Kurvenscheibe
in Form einer Spirale verläuft und im Bereich ihrer beiden, der Uffen- bzw. Schließstellung
des Vakuumschaltgebrätes entsprechenden Endlagen in Kreisbögen um die Drehachse
der Kurvenscheibe übergeht. Selbstverständlich sind hierbei auch unterschiedlich
verlaufende Steuerkurven für die Ein- und Ausschaltung des Vakuumschaltgerätes denkbar.
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Aus der DT-I'S 16 40 230 ist ein Vakuumschaltgerät bekannt, bei dem
in der Antriebsvurrichtung eine Nockenscheibe verwendet ist; diese ist mit dem beweglichen
Kontaktstücl< über ein kniegelenk und eine Stange aus Isolierstoff verbunden.
Die Funktion der Nockonscheibe ist mit der der Kurven scheibe gemäß der Erfindung
nicht vergleichbar.
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Mit der Nockenscheibe wird lediglich die Bewegung der Antrisbsvorrichtung
auf die Betätigungsvorrichtung für das bewegliche Kontaktstück direkt übertragen;
die Nockenscheibe entkoppelt aber nicht die Bewegung der ntriebsvorrichtung von
derjenigen des beweglichen Kontaktstücke wie dies durch die Erfindung vorgesehen
ist.
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Zudem liegt die Nockenscheibe nicht auf dem elektrischen Potential
des beweglichen l<ontaktstückes, so daß sie weder in elektrischem Kontakt noch
in Warmekontakt mit dem beweglichen Kontaktstück steht, wie dies gemäß der Erfindung
vorgesehen ist.
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Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung'näher
erläutert, Hierin stellen dar: Fig.1: ein Querschnitt durch ein Vakuumschaltgerät
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer die Schaltbewegung
des Vakuumschaltgerätes festlegenden Kurvenscheibe;
Fig.2: ein
Detail einer Antriebsvorrichtung mit einer Kurvenscheibe für ein Vakuumschaltgerät
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ein in Figur 1 in Schließstellung dargestelltes Vakuumschaltgerät
weist ein VakuumgefäU 1 auf, das aus einem Isolierrohr 2 und zwei dieses abschließenden
Endplatten 3 besteht. Durch die in der Figur untere Endplatte ragt ein feststehendes
Kontaktstück 4, bestehend aus einer Kontaktplatte 4a und einer mit dieser verbundenen
Stange 4b, in das Vakuumgefäa hinein, während durch die obere Endplatte ein bewegliches
Kontaktstück 5, ebenfalls bestehend aus einer Kontaktplatte 5a und einer Stange
5b, geführt ist, das mittels einer noch zu beschreibenden Antriebs- und Betätigungsvorrichtung
in oder außer Kontakt mit dem feststehenden Kontaktstück 4 gebracht werden kann.
Die Stange 5b des beweglichen Kontaktstücks 5 ist an der Durchfiihrung durch die
Endplatte 3 gegen das VakuumgefäB 1 mit einem Metallfaltenbalg 6 abgedichtet.
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Das Vakuumgefäß 1 ist mittels Stehbolzen 7 mit einer Grundplatte eines
metallischen Trägers 8 verbunden, an der ein Anschlußstück 9 des Vakuumschaltgerätes
angeformt ist, während das andere Anschlußstück 9a außerhalb des VakuumgefEißes
mit dem feststehenden Kontaktstück 4 verbunden ist. Auf der Grundplatte des Trägers
8 sind zwei Lagerböcke 10 angeordnet, von denen in der Figur nur einer, und zwar
der hintere dargestellt ist. Der Träger 8, das Anschlußstück 9 und die Lagerböcke
10 sind als einstückiges Metallteil ausgebildet, wobei der Stromübergang vom beweglichen
Kontaktstück 5 auf den Träger 6 und das Anschlußstück 9 in üblicher Weise durch
hier nur angedeutete Gleitkontakte 11 oder durch eine flexible Verbindung erfolgt.
Da bei den üblicherweise über die Kontaktstücke 4 und 5 fließenden hohen Strömen
der Kontaktdruck zwischen den Kontaktstükken 4 und 5 sehr hoch sein muß und noben
den beim Einschalten auftretenden hohen Stoßbeanspruchungen insbesondere die Verbindungen
zwischen Isolierrohr 2 und Endplatten 3 sehr stark belastet, ist das Uakuumschaltgefäß
1 mit einem Schutzrohr 12 aus mechanisch festem Material umgeben, dos wiederum am
Träger 8 befestigt ist.
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Mit dem Träger 8 ist über einer Stützisolator 13 eine Antriebsvorrichtung
14 verbunden, die zwei auf einer gemeinsamen Welle 15 sitzende Kurbeln 16 und 17
aufweist. Die Kurbel 17 ist über eine Stange 18 mit einem nicht näher dargestellten
Kraftspeicher 19 verbunden, mit der die Stange 18 in l'feilrichtung hin- und hergeschoben
und dadurch die Kurbel 16 zwischen zwei Anschlägen 20 hin-und herbewegt wird. it
dieser Kurbel ist ein Stange 21 aus Isolierstoff verbunden, die die Bewegung der
Kurbel 16 über eine weitere Kurbel 22 auf eine Kurvenscheibe 23 aus Metall überträgt,
deren Drehachse 24 in den Lagerböcken 10 gelagert ist, wihrend die Kurbol 22 außerhalb
der Achse 24 mit der Kurvenscheibe verbunden ist.
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Die Außenkontur der Kurvenscheibe dient als Steuerkurve 25, die im
mittleren Bereich des bestrichenen Drehwinkels als archimedische Spirale ausgebildet
ist und 1 Hereich der beiden Endstellungen in Kreisbögen um die Achse 24 mit jeweils
konstantem Radius übergeht.
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Die Außenkontur 25 der Kurvenscheibe steht in Kontakt mit einem metallenen
Hollenstößel 26, der mit einer Druckfeder 27, die sich auf der Grundplatte des Trägers
8 abstützt, gegen die Außenkontur 25 der Kurvenscheibe 23 gedrückt wird. Der Rollenstüßel
26 dient zugleich als Träger für das bewegliche Kontaktstück 5, dessen Stange 5b
an dem aus dem Vakuumgefäß 1 herausragenden Ende von einer Hülse des Stößels umfaßt
und in dieser achsial geführt*ist.
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Die Hülse hat an ihrem unteren, der Grundplatte des Trägers 8 zugewandten
Seite einen Kragen 28, der einem mit der Stange 5b verbundenen Anschlag 29 des beweglichen
Vontaktstückes 5 im Innenraum der Hülse zugeordnet ist. Eine an der Hülse und an
diesem Anschlag sich abstützende vorgespannte Druckfeder 30 drückt das bewegliche
Kontaktstück in der Zeichnung gesehen nach unten und bringt in der dargestellten
Schließstellung des Vakuumschaltgerätes den erforderlichen Kontaktdruck zwischen
den beiden Kontaktstücken 4 und 5 auf.
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Soll das Vaküumschaltgerät von der Schließ- in die Offenstellung überführt
werdon, wird die Antriebsvorrichtung 14 eingeschaltet, wonach die Kurvenscheibe
23 sich in Pfeilrichtung um ihre Achse 24 dreht. Durch die Druckfeder 27 wird bei
dieser Bewegung der Rollenstößel 26 ständig an die Außenkontur 25 der Kurvenscheibe
gedrückt *und gegen Verdrehung gesichert
und dabei in der Zeichnung
gesehen nach oben geführt. Sobald der Kragen 28 des Stüßels am Anschlag 29 des beweglichen
Kontaktstückes 5 anliegt, wird das bewegliche Kontaktstück von dem feststehenden
Kontaktstück 4 abgehoben, wodurch der Stromfluß zwischen den Kontaletstücken unterbrochen
wird. Die kJffnungsbewegung ist abgeschlossen, wehn die Kurbel 16 in der Antriebsvorrichtung
14 am anderen Anschlag 20 anliegt, wobei dann der Rollenstüßel 26 auf der kreisförmigen
Außenkontur der Kurvenscheibe 23 mit dem kleineren Radius aufliegt.
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Dieser Bewegungsablauf ist beitii Schließen des Vakuumschaltgerätes
umgekehrt, so daß der Rollenstußcl 26 zunächst auf der kreisbogenförmigen Außenkontur
25 mit dem kleineren Radius, danach auf der spiralförmigen und schließlich, kurz
bevor die Kurbel 16 in der Antriebsvorrichtung 14 am anderen Anschlag 20 anschlägt,
bereits auf der kreisbogenfdrmigen Außenkontur mit dem größeren Radius geführt wird.
Das im ltollenstößel gelagerte bewegliche Kontaktstück 5 folgt dieser Detuegung
und wird schließlich auf das feststehende Kontaktstück 4 gepreßt. Damit ist der
Schließvorgang beendet.
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Durch die beschriebene Ausbildung der Kurvenscheibe 23 führt der Rollenstößel
26 stets einen gleichen und exakten Hub aus, der von der Genauigkeit der Positionierung
der Anschläge 20 in der Antriebsvorrichtung 14 und der übrigen zur Übertragung der
Stellbewegungen dienenden Teile unabhängig ist und nur bestimmt ist durch die Differenz
der stadien der beiden kreisbogenfürmigen Abschnitte des Außenumfanges 25 der Kurvenscheibe
23. Da der Rollenstößel 26 auf diesen Abschnitten bereits geführt wird, bevor die
Antriebsvorrichtung 14 ihre durch die Anschläge 20 begrenzten Endlagen einnimmt,
werden Prelivorgänge an diesen Anschlägen auf die Bewegung des Rollenstößels 26
und des beweglichen Kontaktstückes 5 nicht übertragen; Überbeanspruchungen des Metallfaltenbelages
6 und erhöhter Abbrand der Kontaktplatten 4a bzw. 5a sind damit ausgeschlossen.
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Sämtliche Teile, die zur Halterung, Lagerung und Betätigung des beweglichen
Kontaktstückes dienen, also Träger 8 mit den
Lagerböckon 10, llollenstüßel
26 und die Kurvenscheibe 23 sind aus demselben Metall gefertigt und liegen auf gleichem
Potential. Sie unterliegen annähernd der gleichen Erwärmung und annähernd gieicher
Wärmeausdehnung. Die Genauigkeit des Kurvengetriebes ist somit bei allen Betriebstemperaturen
gewährleistet.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es durch Ausbildung
der Außenkontur 25 der Kurvenscheibe zwischen den beiden kreisbogenförmigen Abschnitten
möglich, die Geschwindigkeit des beweglichen Kontaktstückes den optimalen Ausschaltbedingungen
entsprechend anzupassen; es ist aber auch möglich, die Kurvenscheibe beim Ausschaltvorgang
schnell zu bewegen, ohne daß der Rollenstößel dabei an der Außenkontur anliegt.
Die Bewegung des Rollenstößel wird dann durch geeignete Mittel, z.B. eine hydraulische
Steuerung über den Metallfaltenbalg, gesteuert; die Ausschaltgeschwindigkeit des
beweglichen Kontaktstückes wird damit unabhängig von dem Geschwindigkeitsverlauf
der Antriebsvorrichtung 14.
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Wie in Figur 1 dargestellt, liegt der Anschlag 29 des beweglichen
Kontaktstückes bei eingeschaltetem Gerät nicht an dem Kragen 28 des Rollenstößels
an, solange die Kontaktplatten der Kontaktstücke noch nicht abgebrannt sind. Uom
Gesamthub des Rollenstößels 26, der z.B.
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acht Millimeter beträgt, entfällt der größere Teil, z.B. sechs Millimeter,
auf den Arbeitshub des beweglichen Kontaktstückes 5 und der Rest zum Zusammendrücken
der vorgespannten Druckfeder 30, die den Kontaktdruck aufbringt. Durch diese Lagerung
des beweglichen Kontaktstückes 5 wird dessen Schaltbewegung im Bereich der Schließetellung
nochmals von der bewegung der Antriebsvorrichtung 14 entkoppelt. Hat der Kontaktabbrand
der Kontaktplatten der l<ontaktstücl<e das zulässige Maß von z.8. zwei Millimeter
erreicht, so liegt der Anschlag 29 des beweglichen Kontaktstückes 5 direkt auf dem
Kragen 28 des Rollonstößels auf, so daß jetzt der Arbeitshub des beweglichen Kontaktstückes
5 dem des Rollenstöels 26 entspricht; zwischen Rollenstößel und beweglichem Kontaktstück
tritt beim Schaltvorgang keine Relativbewegung auf; dieser Umstand kann zur Anzeige
des maximal zulässigen Kontaktabbrandes genutzt werden. Hierzu wird eine Markierung
31,
z.D. ein roter ring, auf dem Stöil 5b des beweglichen Kontakt
stückes 5 angebracht, die in der Einschaltstellung sichtbar ist, solange der Kontaktabbrand
noch nicht die zulässige Grenze erreicht hat, jedoch von dem Rollenstößel 26 verdeckt
wird, wenn der Kontaktabbrand das zulässige Maß überschreitet.
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Ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 die Steuerkurve der
Kurvenscheibe durch deren Außenkontur gebildet, so ist bei dem in Figur 2 dargestellten
Detail eines zweiten Ausführungsbeispieles eine Kurvenscheibe 23' verwendet, in
die als Steuerkurve ein Schlitz 32 eingeschnitten ist, der im mittleren Teil des
Drehwinkel der Kurvenscheibe einen progressiven spiralfürmigen Verlauf aufweist
und in den Bereichen um die Endstellungen wiederum in kreisbogenförmig verlaufende
Abschnitte mit unterschiedlichen Radien um die Achse 24' der Kurvenscheibe übergeht.
In diesen Schlitz greift die Rolle eines Rollenstößels 26' ein, der dadurch zwangsläufig
den Bewegungen der Kurvenscheibe folgt und das bewegliche Kontaktstück in die Ein-
und Ausstellung überführt. Bei dieser Ausfiihrung ist keine der Feder 27 des ersten
Ausführungsbeispieles entsprechende Druckfeder nötig, um den Rollenstößel in die
Ausschaltstellung zu bringen.
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Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt; sie
schließt auch Ausführungen ein, bei der anstelle einer Kurvenscheibe eine mit einer
Steuerkurve versehene Walze vorgesehen ist, wobei in die Steuerkurve ein Träger
oder Stößel für das bewegliche Kontaktstück eingreift; außerdem kann etwa die Kurvenscheibe
auf einen mit dem beweglichen Kontaktstück verbundenen doppelseitigen Hebel aus
Metall einwirken; ferner ist es möglich, daß die Kurvenscheibe nicht unmittelbar
von einem speziellen Antriebsglied, hier der Isolierstoffstange 21 und der Kurbel
22 gedreht wird, sondern 2. B. von spannungsführenden Teilen wie einem Schaltmesser.
Das Schaltmesser wird dabei über isolierende Teile von einer auf Erdpotential liegenden
Antriebsvorrichtung bewegt. So ist es möglich, die die Kurvenscheibe treibende Kurbel
22 gabelfürmig zu gestalten und mit einem von einer Isolierstange bewegten Trennmesser
in Eingriff zu bringen, das beim Ausschalten zuorst die Drehung der Kurvenscheibe
und damit die Stromunterbrechung im Vakuumschaltgafäß bewirkt und daran anschließend
die Kurbel verläßt und somit eine
sichtbare Trennstelle herstellt.
Der obere Anschluß eines solcherart ausgebildeten Gerätes erfolgt dann nicht am
ilnschiußstück 9, sondern am vorbeschriebenen Trennmesser bzw. dessen Drehpunkt.
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Zwischen dem Anschlußstück 9 und der Kurbel wird zweckmäßigerweise
eine flexible elektrische Verbindung hergestellt.
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- Patentansprüche