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Stromwandler-Vorrichtung für hochgespannte Wechselströme Die Erfindung
bezieht sich auf eine Stromwandlung für hochgespannte Wechselströme. Bei den bekannten
Stromwandlern, wie sie in elektrischen Starkstromneten bis etwa I32 kV benutzt werden,
Nverwendet man, wenn sie nicht auf Hülsenisolatoren montiert sind, gewöhnlich einen
Hohlsäulenisolator, der von einer geerdeten Grundpfatte getragen wird und am oberen
Ende ein Paar Leiturigsklemmen trägt, von denen eine isolierte Schleife niach unten
durch den Isolator hindurch zu der Grundplatte geht, wo die Sekundärwickfung um
die Schleife lierumgewickelt ist. Es ist klar, daß bei dieser Anordnung die Isolation
zwischen der priniären Stroinschleife und der Sekundärwicklung hinreichend widerstandsfähig
sein muß, um die Spannung der Leitung gegen Erde auszuhalten, da die Sekundärwicklung
mit Strotmiverbrauchern verbunden werden muß, die annähernd Erdpotential haben.
Dies stellt bereits bei einer Leitungsspannung von etwa I32 kV ein ganz schwieriges
Isolationsprobl#em dar, jedoch werden die Probleme bei höheren Spannungen, wie etwa
275 bis 4io kV,
noch schwieriger.
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Die Erfin#dung bezweckt, eine Stromwandler-Vorrichtung zu schaffen,
die bezüglich der Isolation außerordentlich einfach ist, währe-nd ein Sekundärkreis
vorgesehen ist, der die Leitun-gsstromverhältnisse mit genügender Genauigkeit für
die Zwecke, für d#ie Stromwandler für gewöhnlich benutzt werden, wiedergibt.
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Die Stromwandler-Vorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt einen Stromwandler
im Hauptstromkreis,
einen Ettergiewandler, der annähernd bei Leitungspotential
arbeitet und zur Umwandlung der elektrischen Energie der Sekundänseite des Stromwandlers
im Hauptstromkreis in pulsierende mechanische Energie dient, einen zweiten Energiewandler,
der mit Niederspannung arbeitet und die pulsierende mechanische Energie wieder in
elektrische Energie zurückverwandelt, und Isolatoren für die Übertragung der pulsierenden
mechanischen Energie von einem Energiewandler zum anderen, wobei dieAnordnung so
getroffen ist, daß der zweite Energiewandler einen Wechselstrom liefert, der den
Sekundärstrom des Stromwandlers darstellt. Zuweilen ist es zweckmäßig, die Leistung
im zweiten Energiewandler elektrisch zu verstärken.
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Es ist gewöhnlich erwünscht, z. B. bei Schutzvorrichtungen, die sehr
schnell ansprechen sollen, die Bewegung der Übertragungsmittel zwischen beiden Energiewandlern
zu dämpfen, wobei die dämpfende Kraft zweckmäßig annähernd proportional der Geschwindigkeit
der Bewegung der Übertragungsmittel sein muß. Eine solche Dämpfung kann durch einen
einfachen Stoßdämpfer oder durch Wirbelstrombrentsung erreicht werden, also etwa
durch eitlen Energiewandler, der eine in sich kurzgeschlossene Spule besitzt, oder
es kann eine Art Rückführung mittels eines dritten Energiewandlers, (lern die verstärkte
Ausgangsleistung des zweiten Energiewandlers zugeführt wird und der der Be-Nvegung
der Übertragungsmittel entgegenarbeitet, angewendet werden.
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Die Übertragungsmittel bestellen zweckmäßig aus einem oder mehreren
stangenförmigen Gliedern oder aus isolierenden Flüssigkeitssäuleil von solchen Abmessungen,
daß sie die erforderliche elektrische Isolation zwischen den beiden Energiewandlern
ergeben. Obwohl an sich auch Torsionsbewegungen bei der Energiewandlulng benutzt
werden können, ist es doch zweckmäßiger, translatorische Bewegungen in Richtung
der Gestänge der Übertragungsmittel zu benutzen.
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jeder Ertergiewandler umfaßt für gewöhnlich ein magnetisches System
mit einer beweglichen Spule, die mechanisch mit den Übertragungstnitteln verbunden
ist. Im Falle translatorischer Bewegungen hesteht jeder Energiewandler zweckmäßig
aus einem Topfmagneten mit ringförmigem Luftspalt, in dem sich eilte Spule in axialer
Richtung bewegen kann, wodurch Wechselstromenergie, die der Spule zugeführt wird,
in mechanische axiale Schwingungen umgesetzt wird, oder umgekehrt.
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Die Übertragungsmittel können mechanisch so ausbalanciert werden,
daß sie unempfindlich sind gegen die Wirkung äußerer Stöße und daß unerwünschte
Reaktionskräfte auf das Tragsystem vermieden sind. Dies kann dadurch erreicht werden,
daß Übertragungsmittel in Form eines Paares zueinander paralleler, unter sich gleicher
Gestänge oder Flüssigkeitssäulen benutzt werden, die an entgegengesetzten Enden
mit den entsprechenden Spulen der beiden Energiewandler und untereinander durch
zueinander parallele Hebel verbunden sind. Bei eilier solchen Aniordnungkann eineDämpfung
durch einen dritten Energiewandler vorgeseheni werden, dessen Spule init dein freien
Ende eines der Gestänge oder der Träger der Flüssigkeitssäulen verbunden ist.
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Die Erfindung kann auf verschiederte Weise in die Praxis umgesetzt
werden. Eine besonders geeignete praktische Anordnung nebst einigen Abänderungen
der Stromwandler-Vorrichtung gemäß der Erfindung für die Bknutzung bei einer Leitung
hoher Spannung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt Abb. I einen all sich
bekannten Druckgasschalter, teilweise aufgeschnitten, tini die Anwendung des Erfindungsgedankens
vorzuführen, Abb. 2 eitle perspektivische allgemeine Ansicht eines teilweise aufgeschnittenen
Energiewandlers, Abb. 3 eine gleichfalls teilweise aufgeschnittene Seitenailsicht
des in Abh. 2 dargestellten Energiewandlers, Abb. 4 die Teilansicht einer Kupplung
für den Energiewandler, Abhb. 5 eine Vorrichtung für die Bentitzung von Wirbelströmen
zur Dämpftung der Bewegungen, Abb. 6 den Schaltplan der vollstiiändgeni Stromwandler-Vorrichtung,
Abb- 7 eine abgeänderte Atisführungsform des Getriebes zur Übertragung der
Energie voll dem eitlen Energiewandler auf den anderen, Abb. 8 einen abgeänderten
Schaltplan, Abb. 9 die Benutzung von Flüssigkeitssätilen zur Übertragung
der Energie von dem einen Energiewandler auf den anderen, Abb. io eine Teilansicht
eilter abgeänderten Ausführungsform eines auf DrehbeNvegung statt translatorischer
Bewegung beruhenden Energiewandlers.
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Die Stromwandler-Vorrichtting gemäß der Erfindung wird häufig in Verbindung
init einem Schalter benutzt, beispielsweise einem Druckgasschalter oder einem ölarmen
Schalter, und lii diesem Fall kann er in dem Stützisolator des Schalters untergebracht
werden. Bei der Ausführungsfornt des Schalters gemäß Ahl). i ruht der Stützisolator
A auf einer metallischen Grundplatte B tind trägt ein metallisches Gehäuse
C, auf dern der Schalter D befestigt ist, wobei die Zuführungsleitung I),
von der Hochspannu,ngsle#itung am oberen Teil des Schalters allgeordnet ist. Das
metallische Gehäuse C trägt eitlen isolierten Arm C, zur Verbindung der Schalterzuleitung
D, mit der Klemme C2 des Schalters. Dieser Arm wird durch eine isolierende
Stange ('" betätigt, die nach unten durch den Stützisolator A zur geerdeten Grundplatte
M hindurchgeht. Die isolierte Zuleitung D, für die Druckluft: zur
Betätigung des Schalters gelit in gleicher Weise nach unten durch den Stützisolator
A zur Gr.undplatte B.
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Das metallische Gehäuse C am oberen Ende des Stützisolators
A besitzt annähernd Leitungspotential und dient dazu, den Stromwandler
E sowie den ersten Energiewandler Fatifzurielinlen, die Teile der Stromwandler-Vorrichtung
gemäß der Erfindung darstellen, während der zweite Eiiergiewandler G
in
der metallischen Grundplatte B untergebracht ist und Erdpotential besitzt.
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In dem metallischen Gehäuse C befindet sich der Stromwandler
E, der an die Leitung D2 vom Schalter D zudem Trennschalter C1 angeschlossen ist,
in der gewöhnlichen Ausführungsform lediglich normale Isolation zwischen dem Primär-
und dem Sekundärteil besitzt und so ausgelegt ist, daß seine Leistung etwas genauer
wiedergegeben wird als die endgültige Leistung bei der ganzen Stromwandler-Vorrichtung.
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Der erste Energiewandler F ist in der Nähe des Stromwandlers E am
oberen Ende eines Isolierrohres H befestigt, das innerhalb des Stützisolators A
nach unten zu dem zweiten Energiewandler G
in der Grundplatte B führt. Dieser
Energiewandler F kann verschieden ausgeführt sein. Die zweckmäßigste Bauweise, die
in den Abb. 2 und 3 dargestellt ist, besteht aus einem permanenten Topfmagneten
in Gestalt eines kurzen Zylinders J, der am hinteren Ende durch eine Scheibe J1
vollkommen abgeschlossen ist, am vorderen Ende jedoch nur teilweise durch eine Scheibe
J2, Diese besitzt eine mittlere Bohrung J3, durch die ein zylindrischer Kern J4
hindurchgeht, der von der hinteren Scheibe J1 so getragen wird, daß er einen ringförmigen
Luftspalt J, gegenüber der vorderen Scheibe J2 frei läßt. In diesem Luftspalt J,
ist ein in axialer Richtung verschiebbares dünnwandiges Isolierrohr K vorgesehen,
das die Spule F, des Energiewandlers trägt. Dieses Isolierrohr K wird von einem
Paar teilweise ausgesparter Distanzscheiben K1 getragen, die zwar eine freie axiale
Bewegung für das Rohr in geringem Umfang gestattin, eine radiale Bewegung des Rohres
jedoch verhindern. jede Distanzscheibe K1 besteht aus einer dünnen, mit Aussparungen
versehenen Platte, die an ihrem äußeren Umfang mit dem feststehenden Rahmenwerk
des Energiewandlers verbunden ist, an ihrem inneren Umfang mit dem dlie Spule F,
tragenden Isolierrohr K. Die Distanzscheiben besitzen, wie bereits erwähnt, Aussparungen,
durch die eine Anzahl von Armen oder Speichen gebildet wird, welche zweckmäßig L-förmig
sind, so daß sie sich etwas durchbiegen können, um die obenerwähnten gewünschten
axialen Bewegungen des Isolierrohres zu gestatten, während sie eine radiale Bewegung
desselben möglichst verhindern.
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Die Spule F, wird von der Sekundärwicklung des Stromwandlers E (Abb.
i) erregt, wobei die beiden Distanzscheiben K1 gegebenenfalls als Stromzuführungen
für die Spule F, benutzt werden können. Ans dieser Anordnung ergibt sich, daß, wenn
der Spule F1 von der Sekundärwicklung des Stromwandlers E ein Wechselstrom
zugeführt wird, die Spule F, veranlaßt wird, in axialer Richtung in Übereinstimmung
mit dem Strom zu schwingen.
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Das vordere Ende des die Spule F1 tragenden Isolierrohres K ist durch
eine geeignete Kupplung mit dem Ende des Antrielbsrohres L verbunden, das ans einem
langen leichten Rohr aus Isoliermaterial besteht, das innerhalb des Isolierrohres
H (Abb. i) in dem Stiitzisolator A nach unten verläuft. Fil;e geeignete Ausführungsform
der Kupplung ist> in Abb. 4 dargestellt. Danach besteht diese Kupplung aus einem
Paar dünner Blätter K2 und Ll' die in zueinander senkrecht stehenden Ebenen angeordnet
und geschlitzt sind, damit sie entlang ihrer Achse ineinandergreifen können. Diese
Blätter sind längs der Achse miteinander verbunden, so daß sie die axialen Bewegungen
gut übertragen, aber auch eine leichte Biegung gestatten, um sich gegebenenfalls
einer leichten Schrägstellung anzupassen. Das Antriebsrohr L ist zweckmäßig gegen
Biegung oder seitliche Bewegung verstärkt durch eine Anzahl von mit Aussparungen
versehenen, im einzelnen nicht näher dargestellten und bezeichneten Scheiben der
Art, wie sie oben für die Distanzscheiben Ki beschrieben ist, die längs der Achse
in bestimmtem Abstand innerhalb des Isolierrohres H angeordnet sind.
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Der zweite E#nergiewandler G in der metallischen Grun,dplatteB
(Abb. i) ist von derselben Bauart wie der erste, abgesehen vom Durchmesser des Drahtes
der Spule G.. Das die Spule G, tragende Isolierrohr ist mit
dem unteren Ende des Antriebsrohres L durch eine Kupplung verbunden, die ähnlich
der am oberen Ende angebrachten Kupplung ausgeführt ist. Die axiale Schwingung,
die dieser Spule G, durch das Antriebsrohr L aufgezwungen wird, erzeugt einen
Wechselstrom in der Spqle Gl, der dem.Sekundärstrorn des Stromwandlers
E entspricht, der der SpuleF, des ersten Energiewandlers F z#ugeführt wird.
Der zweite Energiewandler G befindet sich annähernd auf Erdpotential. Die
Übertragungseinrichtung, bestehend aus dem Antriebsrohr L in dem festen Isolierrohr
H, ist also für die Spannung der Leitung gegen Erde zu iscolieren.
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Das bewegliche mechanische System, bestehend aus den beiden Spulen
F, und G, und, dem Antriebsrohr L, das beide miteinander verbindet, ist so
ausgeführt, daß es einerseits eine möglichst geringe Trägheit besitzt und andererseits
auch diejenigen Kräfte übertragen kann, die auftreten, wenn plötzlich überströme
in der Leitung fließen, um mit hoher Geschwindigkeit anzusprechen, so daß es für
gewöhnlich notwendig ist, eine starke Dämpfung vorzusehen, bei der die dämpfende
Kraft proportional der Geschwindigkeit des Antriebsrohres ist. Zweck einer solchen
Dämpfung ist, die Amplitude der Schwingung des mechanischen Systems zu verringern
und damit auch die Leistung des zweiten Energiewandlers G. Sie stellt ferner
sicher, daß die mechanischen Bewegungen in Phase sind oder nur wenig in der Phase
abweichen von dem Sekundärstrom des Stromwandlers E. Die Dämpfung kann in
verschiedener Weise bewirkt werden, beispielsweise durch einen Flüssigkeitsstoßdämpfer
oder durch Wirbel,strombremsung. Eine Dämpfungsvorrichtung ist in Abb.
5 dargestellt. Sie zeigt die beiden Energiewandler F und G, bei denen
das die Spule F, bzw. G, tragende Rohr K des einen, beispielsweise des Energiewandlers
F, mit einer Stange M versehen ist, die durch das hintere En-de des Energiewandlers
hindurchgeht. Der Kern J4
und die hintere Scheibe J1 sind dementsprechend
axial durchbohrt, damit die Stange AM freies Spiel hat. Diese Stange M wird durch
die Scheiben All getragen, die in ihrer Bauart den Scheiben K, (Abb. 2) ähneln,
welche das Rohr K des, Energiewandlers E tragen. Die Stange M führt zu einer Wirbelstromdämpfung
in Gestalt eines anderen Energiewandlers A, welcher den Eriergiewandlern F und
G ähnelt, jedoch mit der Abänderung, daß er eine Kurzschlußwicklung besitzt,
die durch einen leitenden Zylinder N1 gebildet wird, der am Ende der Stange M innerhalb
des Luftschlitzes des Energiewandlers N vorgesehen ist.
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Der von dem zweiten Energiewandler G kommende Wechselgtrom entspricht
dernjenigen des Stromwandlers E und kann selbst groß gentig sein für den
Zweck, für den er benutzt werden soll. Wenn dies nicht der Fall ist, wird, wie in
Abb. 6 angedeutet, ein Verstärker O mit solcher Kennliniie vorgesehen, daß er starke
Änderungen der Eingangsstromstärke zuläßt. Der Verstärker O wird überdies so ausgelegt,
daß er eine leichte durch die mechanische Übertragung bedingte Phasenverschiebung
ausgleichen kann.
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Es ist klar, daß die Kennlinien des Verstärkers O oder, wenn kein
Verstärker benutzt wird, eines zwischen den zweiten Energiewandler und die Belastung
eingeschalteten Abstinimausgangskreises ebenso wie die Kennlinien der anderen Teile
der ganzen Vorrichtung in der verschiedenisten i Weise ausgewählt werden können
nach Maßgabe der jewveiligen Betriebserfordernisse. So ist z. B. für Schutzzwecke
eine lineare Beziehung zwischen Ein-und Ausgangsstromstärke über einen weiten Bereich
der Last- und Überstromwerte wesentlich. Außerdem wird für gewöhnlich eine hohe
Ansprechgeschwindigkeit verlangt, während für MeßzNweckze diese weniger von Bedeutung
ist, alber die Veränderung des Leistuingsverlustes und des Phasenwinkels hei Veränderung
der Frequenz oder der Belastungsstrornstärke möglichst klein sein soll. Zur Erzielung
einer linearen Beziehung zwvischen Ein-und Ausgangsstromstärke muß die Amplitude
der Bewegung der Spulen F, und G1 in Girenzen gehalten werden, die von den Kennlinien
des imagnetisehen Kreises abhängig sind. Für hohe Ansprechgleschwindigkeit sollen
die bewegten Teile geringe T rräglielt haben und stark gedämpft sein. Die für NMeßzwecke
angestrebte geringe Abhängigkeit des Leistungsverlustes und des PhasenNvinkels von
der Frequenz und der Belastung kann durch eine den mechanischen Kenngrößen der bewegten
Teile angepaßte Wahl der Kennlinien des Ausgangskreises oder Verstärkers und außerdem
durch kräftige Dämpnftiting der mecharrischen Bewegungen erreicht werden. Wenn die
Vorrichtung in einem lRaum untertrebracht ist, in dem sie äußeren Stößen und Schvwiingungen
ausgesetzt ist, so erscheint es würischenswert, ein ausbalanciertes mechanisches
System vorzuselueni. Dies kann, wie Abb. 7 zeigt, durch Bknutzurng eines Paares
zueinander paralleler angetriebener Rohre l' und I'1 erreicht werden, die mit zwei
oder mehr ii dur Mitte drehbar gelagerten Hebeln P2, und l3i verbunden sind, NNwobei
die Spulen F1 und G1 der beiden Eiinergiewanidler F tind G mit den entgegengesetzten
Endien der beiden Rolire I' und P1 entsprechend verlbuiiidleil sind, Dies hat auch
den Vorteil, sehr kleine mwiderstehende Kräfte benutzen zui können, wodurch eine
getreuere Wiedergabe der großen Striöine erreicht wird. Das freie Ende eines jeden
i der kohre I' tund P1 dieser Anordnung erinöglicht die geeignete Anordnung einer
Dätnpftiiigsvorrichittling Q,beispielsweise eine, Stoßdämpfers oder eines dritten
Eiiergiewanidlers, der eine Kurzschlußwicklung oder einen Kurzschlußzylinder besitzt.
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Eine weitere Verbvsserung in der Genauigkeit der Wiedergabe kann erreicht
werden, indem inan eine Art negative Rückführiuing bentitzt. Dies kann, wie schematisch
in Abb. 8 dargestellt ist, durch div Benutzung eines dritten lEineigieNwaiidlers
R erreicht werden, dessen Spule Re1 vonii dern verstärkten Ausgangsstrom des zweiten
Eniergiewaiidiers G durchflossen wird und der Bewegung des Systems entgegenwirkt.
Weim der zweite Hiiergiewandler G eine Spannung gibt, die proportional der Geschwindigkeit
des bewegten Systerms ist, und wenn der Verstärker O einen Stroni gibt. der proportional
oder in Phase mit der Eingangsspannung ist, so wird die durch den dritten Energiewandler
R ausgeübte Gegenkraft in Mhase mit der Geschwindig keit und proportional zu ihr
sein tund so eine hohe Genauigkeit sichern.
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Es sei bemerkt, daß die geschilderten Anordnungen nur Beispiele darstullen
tund in verschiedener Weise abgeärtdert werden kzönneiinicii. So kann beispielsweise
das Antriebsrohr oderur können die Aniitriebsrohre ini Bedarfsfall durch eine oder
mehrere Flüssigkeitssäulen ersetzt werden, wie (lies in Abb. 9 dargestellt ist.
Bei dieser Atisführtuagsform sind die Antriebsrohre IP und P1 der Abh. 7 durch zwei
feste Isollerrolire S und S', ersetzt, vonii denen jedes mit Flüssigkeit gefüllt
ist, und die Friden dieser Rohre sind mit dehnbaren metallischen Hälgen S2 Verschlossen,
deren freie Enden zusaminen paarweise, durch fHebel S3 und » S4 miteiiiarnder verbunden
sind, Ein Ende des liebels S3i ist mit der Spule F1 des ersten Energiewandlers F
verbunden, (las entgegengesetzte Ende des anderen Hebels S1 ist in ähnlicher Wreise
init der Spule G, des zweiten Energiewandlers G verbunden.
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Die Bauart der Energoewandler kann auch in der Weise abgeändert Nverdeni,
daß den i Spulen eine drelischwingende gcgeben wird statt einer translatorischen
Schwin-un-, so daß die mechanische Energie voll einen] Energiewandler zum
anderen durch Torslo,ii Übertra-ren wird. AM). to zeigt eine Atisführungsforin
des Energiewandlers hierfür. 1)er Topfinagliet des Ausführungsbeispiels guiiiäl.')
(Ic" Abh. -2 1111d 3 ist durch ein,-ii HLifeiseiiiii#t(,iietcii ersetzt,
der zwei Pole 7' und 7,1 mit einem magnetischen K'crii T, besitzt,
der zwischen ihnen durch ein,#ii nicht näher bezelchrieten nichtmagnutischun L#,etragen
wird, so (1,113 ein spalt (,llt,;t(,llt, in dein eine
flache
Spule T, veranlaßt wird, in Übereinstimmung mit dem Strom in der Wicklung des Stromwandlers
Drehschwingungen auszuführen. Die Welle T5, die die Spule T, trägt, ist durch eine
biegsanie Torsionskupplung T, mit dem drehbaren Treibrohr U
verbunden.
Dieses Treibrohr U wird an jedem Ende durch eine Schraubenfeder U, getragen, deren
beide Enden fest und deren Mittelpunkt mit dem Treibrohr U verbunden sind. Am anderen
Ende des Treibrohres U ist eine ähnliche Verbindung mitder Spule des anderen
Eiiergiewandlers vorgesehen, wobei die Aufhängefedern am anderen Ende entgegengesetzt
gewunden sind, so daß die Axialdrücke, die durch die beiden Aufhängefedern erzeugt
werden, wenn sich das Antriebsrohr dreht, einander aufheben.