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Trockengleichrichtereinheit mit einem zur Erzeugung eines künstlichen
Luftstromes dienenden Lüfter Für viele technische Zwecke, z. B. für Ladeanlagen
von Akkumulatorenbatterien, bedient man sich einer Trockengleichrichteranlage, die
neben Transformatoren, Schaltern usw. eine Trockengleichrichtereinheit enthält.
Man hat bisher derartige Trockengleichrichtereinheiten in der Weise aufgebaut, daß
man die Gleichrichterplatten zu einer oder mehreren Säulen zusammengefaßt hat. Es
ist bekannt, Gleichrichtereinheiten durch einen Lüfter zu kühlen, der die Luft in
den Luftspalten zwischen den einzelnen Gleichrichterplatten bewegt. Die Gleichrichtersäule
ist hierbei von einem Kühlkanal umschlossen. In einem deckelförmigen Abschluß des
Kühlkanals ist der Lüfter angeordnet. Die bekannten Anordnungen lassen wesentliche
strömungstechnische Gesichtspunkte außer acht. Die bisher zur Anwendung gekommenen
Luftgeschwindigkeiten waren verhältnismäßig gering (etwa 2 m bis 3 m/sec) . Höhere
Geschwindigkeiten würden in den bisher bekannten Anlagen zu einer sehr starken und
störenden Geräuschbildung infolge von Verwirbelungen geführt haben.
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Die Erfindung betrifft eine Gleichrichtereinheit, die sich wesentlich
von den bisherigen Anordnungen unterscheidet. Die neue Lösung ergibt, wie unten
noch im einzelnen erläutert ist, Trockengleichrichtereinheiten, bei denen die einzelnen
Gleichrichterplatten in einem besonders hohen Maße belastbar
sind.
Hierbei können die durch den Kühlluftstrom erzeugten Geräusche gegenüber den bisherigen
Anlagen sogar noch verringert werden.
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Es ist bekannt, den Gleichrichter mit Abstand vom Lüfter anzuordnen
und unnötig breite Kanäle zwischen den Gleichrichterplatten und der Wand des Kühlkanals
zu vermeiden. Diese Anordnungen haben aber noch den Nachteil, daß die Kühlluft durch
den Gleichrichter gesaugt wird und der Abstand zwischen dem Lüfter und dem Gleichrichter
so gering ist, daß sich in den einzelnen, von den Platten der Gleichrichtersäule
gebildeten Luftspalten Luftströmungen ergeben, welche untereinander nicht gleich
sind und deswegen zu unterschiedlicher Kühlung der einzelnen Platten führen.
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Diese Nachteile werden gemäß der Erfindung dadurch beseitigt, daß
der Kühlkanal mit gleichbleibendem rechteckigem Querschnitt ausgeführt ist, daß
zwischen den rechteckigen Platten der Gleichrichtersäule untereinander und der Wand
des Kühlkanals ausschließlich Kanäle von untereinander gleicher Breite vorhanden
sind und daß die Gleichrichtersäule in dem Kühlkanal auf der Saugseite des mit seiner
Achse zur Achsrichtung des Kühlkanals gleichgerichtet liegenden Axiallüfters in
einem Abstand von diesem von mindestens etwa dem Einbis Eineinhalbfachen des Lüfterdurchmessers
angeordnet ist.
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Durch die neue Lösung wird erreicht, daß die gesamte vom Lüfter geförderte
Luftmenge die einzelnen Luftspalte der Gleichrichtersäule gleichmäßig durchströmt,
so daß die Abführung der Verlustwärme bei den einzelnen Platten sehr gleichmäßig
ist. Diese Gleichmäßigkeit erhöht gegenüber den bisherigen Anlagen bereits wesentlich
die Belastbarkeit der Gleichrichtersäule, die bekanntlich von der heißesten Stelle
der Säule abhängig ist.
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Darüber hinaus wird die Kühlung der Gleichrichterplatten dadurch noch
wesentlich verstärkt, daß die Luft den Kühlkanal praktisch wirbelfrei durchläuft.
Hierdurch werden die Luftwiderstände gegenüber den bisherigen Anlagen vermindert,
und es wird so die Fördermenge des Lüfters erhöht. Die Gleichrichtersäule wird also
von einer weit größeren Luftmenge durchströmt, die zudem auch eine größere Geschwindigkeit
aufweist. Beide Faktoren erhöhen wiederum die Kühlwirkung.
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Durch die Bemessung des Abstandes zwischen dem Lüfter und der Gleichrichtersäule
auf mindestens etwa das Ein- bis Eineinhalbfache des Lüfterdurchmessers wird der
sogenannte Nabeneffekt in seiner Wirkung auf die Gleichrichtersäule ausgeschaltet.
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Der oben bezeichnete Lösungsgedanke läßt sich auf verschiedenen Wegen
verwirklichen. Im allgemeinen ist eine kurze Baulänge der Einheit erwünscht. Läßt
man, um diesem Gesichtspunkt Rechnung zu tragen, den Kühlkanal etwa mit dem unteren
Rand der Gleichrichtersäule abschließen, so tritt der sogenannte Einströmeffekt
auf, was bedeutet, daß in den Randzonen des Kühlkanalquerschnittes im Einströmbereich
strömungstechnische Störungen auftreten, d. h., es wird die Luftgeschwindigkeit
gegenüber dem übrigen Bereich des Querschnittes herabgesetzt. Damit würden die in
diesen Randzonen befindlichen Teile der Gleichrichtersäule weniger stark gekühlt
werden als die übrigen Teile, mit der Folge, daß die bessere Kühlung der übrigen
Teile nicht ausgenutzt werden könnte. Dieser Nachteil läßt sich dadurch vermeiden,
daß der durch den Einströmeffekt gestörte Bereich durch Blindplatten und/oder Abdeckungen,
die etwa in der Höhe des oberen Randes der Gleichrichterplatten liegen, ausgespart
wird und daß in dem verbleibenden - also strömungstechnisch ungestörten - Bereich
sich die eigentliche Gleichrichtersäule befindet.
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In solchen Fällen, in denen es auf die Baulänge nicht ankommt, kann
die volle Ausnutzung des ganzen Querschnittes des Kühlkanals dadurch erreicht werden,
daß er um etwa das Ein- bis Zweifache seiner engsten lichten Weite über den unteren
Rand der Gleichrichtersäule hinausgeführt wird. Es ergibt sich alsdann am Ort der
Gleichrichtersäule ein strömungstechnisch ungestörter Bereich im gesamten Querschnitt
des Kühlkanals.
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Im Rahmen der Erfindung ist auch eine Bauart möglich, die einmal eine
kurze Baulänge ergibt und die zum anderen gestattet, den gesamten Querschnitt des
Kühlkanals für die zu kühlende Gleichrichtersäule auszunutzen. Die Lösung besteht
darin, daß der Kühlkanal an seinem Einströmende eine Einlaufdüse erhält und daß
vorzugsweise unmittelbar hinter dieser Einlaufdüse die Gleichrichtersäule angebracht
wird. Die Baulänge des Kühlkanals ist also hier im wesentlichen nur durch den oben
näher bezeichneten vorteilhaften Abstand zwischen dem Lüfter und der Gleichrichtersäule,
durch die Höhe dieser Gleichrichtersäule und durch die Länge der an sich nur kurzen
Einlaufdüse bestimmt.
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Die neue Gleichrichtereinheit hat den besonderen Vorteil, daß der
Querschnitt des Kühlkanals auf seiner ganzen Länge rechteckig sein kann, was baulich
besonders einfach ist. In vielen Fällen wird die Breitseite wesentlich länger sein
als die Schmalseite. Es kann jedoch auch dann eine gute gleichmäßige Kühlwirkung
über die gesamte Länge der Gleichrichtersäule erreicht werden, und zwar dadurch,
daß zur Erzeugung des Luftstromes mehrere parallel arbeitende Lüfter in dem deckelförmigen
Abschluß des Kühlkanals angeordnet werden. Diese Anordnung bietet auch noch den
Vorteil, daß die Entfernung zwischen der Gleichrichtersäule und den Lüftern wesentlich
kürzer gehalten werden kann als bei der Verwendung eines einzigen entsprechend größeren
Lüfters. Bei Verwendung mehrerer Lüfter läßt sich auch das Lüftergeräusch vermindern.
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Die Zeichnung veranschaulicht einige Ausführungsbeispiele; es zeigt
Fig. i das erste Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt
nach der Linie II-II der Fig. i, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel in einem
Längsschnitt, Fig. 4. ein weiteres Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt,
Fig.
5 ein Ausführungsbeispiel mit drei parallel arbeitenden Lüftern in einem Längsschnitt,
Fig. 6 einen Querschnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 5, Fig. 7 im Schnitt eine
Einzelheit, und zwar ein Beispiel für den Aufbau der Gleichrichtersäule.
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In Fig. I und 2 ist bei I der Kühlkanal, bei 2 die Gleichrichtersäule,
bei 3 das Gehäuse des in den deckelförmigen Abschluß I a des Kühlkanals I eingesetzten
Lüfters, bei 4 ein sich an das Lüftergehäuse 3 anschließender Diffusor und bei 5
die mit dem Lüfter verbundene Einlaufdüse dargestellt.
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Die Gleichrichtersäule 2 besteht aus einer Anzahl rechteckiger Gleichrichterplatten,
z. B. Selengleichrichterplatten. Diese haben alle die gleiche Größe und sind unter
Belassung von Luftspalten zwischen den einzelnen Platten mit Hilfe von Bolzen 6
und 7 zu einer Säule zusammengefaßt und mit dem Kühlkanal I verbunden.
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Zwischen den einzelnen Platten befinden sich Distanzstücke, von denen
einige gleichzeitig der Stromzuführung dienen. Im übrigen sei hierzu auf Fig. 7
und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
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Wie der Fig. I zu entnehmen ist, schließt der Kühlkanal I mit dem
unteren Rand der Gleichrichtersäule 2 ab. Infolgedessen macht sich im Bereich des
Einsaugendes des Kühlkanals der sogenannte Einströmeffekt bemerkbar. Wie die eingetragenen
Strömungslinien s andeuten, tritt in dem Randbereich des Kühlkanals eine Verringerung
der Luftgeschwindigkeit gegenüber dem übrigen Bereich auf. Dieser Einströmeffekt
wird hier in bezug auf die Gleichrichtersäule dadurch unwirksam gemacht, daß die
eigentliche Gleichrichtersäule auf den strömungstechnisch ungestörten Bereich des
Kühlkanals beschränkt wird. Die nicht zu benutzenden Randbereiche werden, soweit
sie in der Längsrichtung der Gleichrichtersäule liegen, durch Blindplatten 2a ausgefüllt.
Bei diesen Blindplatten 2 a handelt es sich um elektrisch nicht benutzte Platten,
die in ihrer Gestalt und Größe den Gleichrichterplatten entsprechen und in die Gleichrichtersäule
2 an den beiden Stirnenden eingebaut sind. Die beiden den Breitseiten des Kühlkanals
benachbarten strömungstechnisch gestörten Bereiche sind durch Abdeckungen 8 und
9 unschädlich gemacht. Diese Abdeckungen werden etwa in der Höhe des oberen Randes
der Gleichrichterplatten angeordnet. Würde man sie am Einströmrand, also in der
Höhe des unteren Randes der Gleichrichterplatten anbringen, so würde der Einströmeffekt
erst an den Innenkanten dieser Abdeckungen beginnen, so daß sie nur eine Verschlechterung
der Verhältnisse bringen würden.
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Als Lüfter ist beim Ausführungsbeispiel ein Axiallüfter verwendet;
er umfaßt das mit 3 bezeichnete Gehäuse, das Laufrad 3 a, die Abströmhaube 3 b und
den zum Antrieb des Laufrades dienenden, mit dem Gehäuse 3 durch Streben 3 c verbundenen
Motor 3 d.
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Der Diffusor 4 kann kreisförmigen Querschnitt besitzen. Seine Aufweitungsschräge
gegenüber der geometrischen Achse wird vorzugsweise maximal auf etwa I5°, vorzugsweise
nur auf etwa 8° oder weniger, bemessen. Bei diesen Werten der Aufweitungsschräge
wird vermieden, daß der Luftstrom abreißt und dadurch zu Wirbeln mit entsprechenden
Verlusten führt. Die Bedeutung des Diffusors liegt darin, daß die mit großer Geschwindigkeit
in den Diffusor eintretende Luft infolge der Aufweitung des Diffusors allmählich
ihre Geschwindigkeit abbaut und den Diffusor schließlich mit einer geringen Geschwindigkeit
verläßt. Es wird somit die lebendige Energie der dem Diffusor zuströmenden Luft
in diesem wieder zurückgewonnen. In anderer Betrachtung, der Diffusor führt zu einem
entsprechenden Sog, der den Lüfter unterstützt, so daß die vom Lüfter aufzubringende
Leistung kleiner wird.
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In Fig. 3 ist bei II der Kühlkanal, bei I2 die Gleichrichtersäule,
bei I3 das Gehäuse des Lüfters, bei 14 der sich an den Lüfter anschließende Diffusor
und bei I5 die an das Einsaugende des Lüfters sich anschließende Einlaufdüse dargestellt.
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Bei I6 und I7 sind die Schraubenbolzen angedeutet, durch die die Gleichrichterplatten
zu einer Säule zusammengefaßt und als Ganzes mit dem Kühlkanal verbunden sind.
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Die Ausführung nach Fig. 3 unterscheidet sich nach der von Fig. I
und 2 in zwei Punkten.
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Der Kühlkanal II ist über den unteren Rand der Gleichrichtersäule
I2 hinausgeführt, und zwar um etwa das Ein- bis Zweifache der kleinsten lichten
Weite des Kühlkanals. Auf diese Weise wird im gesamten Querschnitt des Kühlkanals
II am Ort der Gleichrichtersäule I2 ein strömungstechnisch ungestörter Bereich herbeigeführt.
Diese Erscheinung wird verdeutlicht durch die eingezeichneten Strömungslinien s,
die erkennen lassen, daß am Ansaugende des Kühlkanals II der einengende Einströmeffekt
auftritt, daß aber bei der gewählten freien Länge des Kühlkanals die Strömungslinien
sich im Bereich der Gleichrichtersäule bereits wieder an die Wandung des Kühlkanals
angelegt haben, so daß die Gleichrichtersäule von einem gleichmäßigen Luftstrom
durchsetzt wird, der im ganzen Bereich der Gleichrichtersäule, d. h. längs ihrer
Quererstreckung und ihrer Längserstreckung, im wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit
aufweist. Es sind somit bei der Ausführung in Fig.3 keine Abdeckungen und Blindplatten
erforderlich. Andererseits ist jedoch die Baulänge größer als die der Ausführung
nach Fig. i und 2.
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Die Gleichrichtereinheit nach Fig. 3 unterscheidet sich von dem ersten
Ausführungsbeispiel ferner dadurch, daß der Lüfter mit seinem Gehäuse auf den deckelförmigen
Abschluß des Kühlkanals aufgesetzt bzw. an diesen Abschluß angesetzt ist, während
bei der Ausführung nach Fig. i der Lüfter in den dekkelförmigen Abschluß des Kühlkanals
eingehängt ist. Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist die Einlaufdüse 15 des Lüfters
13 unter-dem Rand des deckelförmigen Abschlusses i i a befestigt. Er kann auch auf
den Rand des deckelförmigen Abschlusses i i a aufgesetzt werden. Die Öffnung im
deckelförmigen Abschluß i i a wird dabei so groß gewählt, daß der übrige Teil des
Deckels eine möglichst übergangslose Fortsetzung der Einlaufdüse bildet.
In
Fig. 4. ist mit 2I der Kühlkanal, mit 22 die Gleichrichtersäule, mit 23 das Gehäuse
des Lüfters, mit 2i a die deckelförmige Abdeckung des Kühlkanals 2I, mit 24 der
sich an den Lüfter anschließende Diffusor und mit 25 die mit dem Lüfter verbundene
Einlaufdüse bezeichnet. Der Kühlkanal 2i geht nahezu unmittelbar unterhalb der Gleichrichtersäule
22 in die Einlauf düse 25 über. Die Ausführung nach Fig. 4 stimmt weitgehend mit
der nach Fig. 3 überein. Jedoch ist die freie Verlängerung des Kühlkanals, wie sie
bei der Ausführung nach Fig. 3 vorgesehen ist, bei der Ausführung nach Fig. 4 durch
die Einlauf düse 25 ersetzt. Durch diese Einlauf düse 25 wird, wie auch durch die
eingezeichneten Strömungslinien angedeutet ist, erreicht, daß am Orte der Gleichrichtersäule
22 im gesamten Querschnitt des Kühlkanals eine gleichmäßige Strömung auftritt. Der
Vorteil nach der Ausführung der Fig.4 gegenüber der nach Fig. 3 liegt in der Verkürzung
der Baulänge. Gegenüber der Ausführung nach Fig. I und 2 ist die Baulänge nur um
weniges größer, andererseits kann aber bei der Ausführung nach Fig.4 der gesamte
Querschnitt als Nutzraum für die zu kühlende Gleichrichtersäule benutzt werden.
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Es versteht sich, daß bei der Ausführung nach Fig. 4 der Lüfter zur
weiteren Verkürzung der Baulänge auch eingehängt werden könnte, so wie das aus Fig.
I u entnehmen ist.
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In Fig. 5 und 6 ist eine Gleichrichtereinheit dargestellt, bei der
die Längserstreckung der Gleichrichtersäule sehr groß ist gegenüber der Quererstreckung.
Dennoch wird auch bei dieser Anordnung ein gleichmäßiger Luftstrom erzielt, und
zwar dadurch, daß mehrere parallel arbeitende Lüfter in der deckelförmigen Abdeckung
des Kühlkanals angebracht sind. In Fig. 5 und 6 sind mit 3I der Kühlkanal, mit 3I
a seine deckelförmige Abdeckung, mit 32 die in drei Teilsäulen unterteilte Gleichrichtersäule,
mit 33, 34 und 35 die Gehäuse der in den deckelförmigen Abschluß des Kühlkanals
eingesetzten Lüfter bezeichnet. Diese Lüfter, deren Zahl in geeigneten Fällen sich
auf zwei beschränkt oder größer als drei ist, können, wie in Fig. 5 dargestellt,
auf den deckelförmigen Abschluß 3I a aufgesetzt oder entsprechend der Ausführung
nach Fig. 3 oder auch nach Fig. I angesetzt oder in den deckelförmigen Abschluß
eingehängt werden.
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Die Zwischenräume zwischen den drei Teilsäulen sind durch Strömungskörper
36 und 37 ausgefüllt, so daß trotz der Aufteilung der Gleichrichtersäule keine Störeffekte
auf den Luftstrom ausgeübt werden.
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In Fig. 6 sind mit 38 die Isolierplatten bezeichnet, die die Stirnkanten
der Gleichrichterplatten von der Wandung des Kühlkanals elektrisch isolieren. Solche
Isolierplatten finden auch bei den entsprechenden Anordnungen nach den vorhergehenden
Figuren Anwendung.
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In der Zeichnung sind die verschiedenen Ausführungsbeispiele so dargestellt,
daß die Längsrichtung der einzelnen Gleichrichtereinheit mit der Lotrechten zusammenfällt.
Eine solche lotrechte Aufstellung der Gleichrichtereinheiten ist indes nicht erforderlich;
sie können vielmehr auch waagerecht oder schräg angeordnet werden. Zum Zwecke der
Halterung können außen am Kühlkanal Flansche od. dgl. angebracht werden. Statt dessen
lassen sich auch Stützen verwenden, auf die der Kühlkanal mit seinem Ansaugende
oder entsprechenden Lageraugen od. dgl. aufgesetzt wird.
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Die neuen Gleichrichtereinheiten können als selbständige Geräte oder
auch als Einbaueinheiten für größere Gleichrichtergeräte oder Gleichrichteranlagen
verwendet werden.
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Da Axiallüfter an sich bekannt sind, erübrigt es sich, auf die Bauweise
dieser Axiallüfter im einzelnen einzugehen. Es versteht sich, daß insbesondere solche
Lüfter Verwendung finden, die strömungstechnisch besonders gut ausgebildet sind.
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Der Aufbau der Trockengleichrichtersäule kann der sonst üblichen Bauart
entsprechen. Der Vollständigkeit halber ist in Fig. 7 in einer Teildarstellung der
Aufbau an einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Die Wandung des Kühlkanals
ist mit 4I, die einzelnen Trockengleichrichterplatten sind mit 42 bezeichnet. Sie
bestehen - bei Selengleichrichtern - im wesentlichen aus der sogenannten Grundelektrode,
der Selenschicht und der Deckelelektrode. Die Trockengleichrichterplatten sind auf
den Schraubenbolzen 43, der von einer Isolierstoffhülse 44 umgeben ist, aufgereiht.
Zwischen den einzelnen Platten ist jeweils ein Distanzstück 45, eine tellerförmige
Flachfeder 46 und eine Unterlegscheibe 47 angebracht. Die Flachfeder 46 und das
aus leitendem Stoff bestehende Distanzstück 45 stellen teilweise die elektrische
Verbindung zwischen den aufeinanderfolgenden Gleichrichterscheiben bzw. mit den
entsprechenden Anschlüssen her. Bei der Darstellung nach Fig. 7 ist die letzte Gleichrichterplatte
des einen Endes der Gleichrichtersäule über die hinausgeführte Anschlußzunge 48
mit dem Anschlußkabel 49 verbunden. 5o ist eine Scheibe aus Isolierstoff; 5I sind
zwei Muttern, mit deren Hilfe die Gleichrichtersäule zusammengehalten bzw. mit der
Kanalwandung 41 verbunden ist.
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In Fig.7 ist nur ein Schraubenbolzen gezeigt. Werden, wie das die
Ausführungsbeispiele nach Fig. i bis 6 zeigen, mehrere Schraubenbolzen zum Zusammenhalten
und zur Befestigung der Gleichrichtersäule verwendet, so wiederholt sich der in
Fig.7 gezeigte Aufbau an dem zweiten oder den weiteren Bolzen.