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Elektromotorischer Antrieb Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromotorischen
Antrieb, welcher ganz besonders für die Fälle geeignet ist, in denen es notwendig
wird, ein beträchtliches Drehmoment zu erzeugen, wenn die Winkelgeschwindigkeit
gering oder sogar Null ist, und wenn schwere Massen in kurzen Zeitabständen periodisch
beschleunigt und verzögert «,erden müssen oder deren Drehrichtung umgekehrt werden
muß.
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So ist dieser Antrieb z. B. besonders dafür geeignet, den Gewichtswagen
einer Stabilisierungseinrichtung für Schiffe zu betreiben, bei welcher das Gewicht
ständig hin- und herbewegt wird, um ein stabilisierendes 1loment zu erzeugen, welches
den Faktoren entgegenwirkt, die das Schiff zum Rollen bringen wollen.
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Der Antrieb ist ebenfalls besonders geeignet für gewisse Walzenstraßen
oder Fördermaschinen, bei denen schwere Massen in kurzen Zeitabständen in Bewegung
versetzt und wieder angehalten werden müssen. Der Antrieb löst auch die Aufgabe,
einen konstanten Zug zu erzeugen, z. B. auf ein Kabel, welches auf- und abgewunden
wird, oder das unter Last unbeweglich verbleiben muß, wie es bei Kranen und ähnlichen
Maschinen oft vorkommt. Der Antrieb nach der Erfindung kann ferner auch zu anderen
Zwecken verwandt werden, selbst wenn nicht in jedem Falle alle ihre Vorteile dabei
ausgenutzt werden können.
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Beträchtliche Energieverluste treten in Anlagen auf, in welchen schwere
Nassen in kurzen Zeitabständen in Bewegung versetzt und angehalten werden müssen.
Zunächst muß die Energie, die während der Beschleunigung aufgewendet worden ist,
gewöhnlich während des Bremsens in Wärme umgesetzt werden. Dazu kommen bei normalen
elektromotorischen Antrieben die Energieverluste in den Anlassern. Diese Verluste
sind besonders hoch in Anlagen, in denen Massen in kurzen Zeitabständen in Bewegung
gesetzt und angehalten werden müssen. Diese letzteren Verluste können durch Verwendung
eines Ward-Leonard-Umformers, möglichst mit einem Ilgner-Schwungrad reduziert werden,
wodurch die Schwankungen im Energiebedarf ausgeglichen werden und letzterer annähernd
konstant gehalten wird.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, eine elektromotorische Antriebsvorrichtung
zu schaffen für Anlagen, die häufig angelassen und abgestoppt werden, wobei ein
beträchtliches Drehmoment erforderlich ist, bei verschiedenen Geschwindigkeiten
und in beiden Richtungen und, wenn nötig, sogar bei Stillstand des Antriebsorgans,
wobei in allen Fällen die Verluste auf ein Minimum reduziert werden.
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Die Erfindung besteht aus einer elektromotorischen Antriebsvorrichtung,
welche zwei dynamoelektrische Maschinen benutzt, die vorzugsweise über ein Untersetzungsgetriebe
zwei freie Wellenenden eines Differentialgetriebes derart antreiben, daß die beiden
Maschinen im neutralen Zustand mit solchen Geschwindigkeiten und in solchen Drehrichtungen
laufen, daß das dritte freie Wellenende des Differentialsystem: keine Bewegung ausführt.
Dabei ist wenigstens eine dieser beiden elektrischen Maschinen eine Gleichstrommaschine,
deren Anker an einer Spannung liegt, die in weiten Grenzen regelbar und mit der
man in der Lage ist, die Drehzahl der benutzten Maschine weit über und unter ihren
normalen Wert zu regeln, wodurch die dritte Welle des Differentialsystems gezwungen
wird, in der einen oder anderen Drehrichtung zu rotieren. Vorzugsweise wird derart
gesteuert. daß die elektrische Energie, die von der einen oder anderen Maschine
erzeugt wird, zur zugehörigen Stromduelle zurückgeliefert werden kann.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, durch Gleichstrom-Nebenschluß-Motoren
zwei freie Wellenenden eines Differentialsystems in entgegengesetzten Richtungen
derart anzutreiben, daß das dritte Element in der einen oder anderen Richtung rotiert,
entsprechend dem relativen Unterschied in den Drehzahlen der bei -den Motoren. Die
Veränderung der Drehgeschwindigkeiten erfolgt dabei durch Veränderung der Erregung
entweder eines Motors oder beider 1-Iotoren. Dementsprechend rotiert die dritte
Welle mit einer Geschwindigkeit,-deren Richtungssinn und Größe dem Unterschied der
Drehgeschwindigkeiten beider Motoren proportional sind. Aber diese Anordnung gestattet
es
nicht, ein nennenswertes Drehmoment zu erzeugen, da die Momente
beider Motoren in derselben Richtung wirken.
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Eine andere bekannteAusführung stellt insofern eine Verbesserung da;
als zwischen Motor- und Differentialgetriebe selbstsperrende Schneckengetriebe vorgesehen
sind. Während der langsam laufende Motor theoretisch leer läuft, kann der schneller
laufende Motor dadurch auf die dritte Welle ein Drehmoment übertragen, daß der langsamer
laufende Antrieb durch das Getriebe hindurch in dem langsamer laufenden Schneckengetriebe
praktisch abgebremst ist. Obwohl bei dieser Ausführung die Erregung beider Maschinen
konstant gehalten und ihre Ankerspannungen verändert werden, was an sich günstig
ist, ist sie jedoch nicht in der Lage, momentan sehr große Drehmomente abzugeben
oder aufzufangen.
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Die Erfindung stellt im Vergleich zu den früheren Vorschlägen eine
Verbesserung dar, als nicht nur die Magnetfelder beider Maschinen konstant gehalten
und die Ankerspannungen verändert werden, sondern daß außerdem der Ausgangswelle
des Differentialgetriebe von den beiden in weiten Grenzen in ihren Ankerspannungen
regelbaren elektrodynamischen Maschinen dadurch ein Drehmoment in der einen oder
anderen Richtung aufgezwungen wird; daß die schneller laufende Maschine als Motor
und die langsamer laufende Maschine als Generator arbeitet, indem die Ankerspannung
der schneller laufenden Maschine erhöht und/oder die Spannung der langsamer laufenden
Maschine erniedrigt wird. Außerdem ergibt sich ein weiterer Vorteil insofern, als
die zur momentanen Beschleunigung erforderliche Leistung bedeutend verringert wird.
Der zur Beschleunigung der rotierenden Massen erforderliche Anteil braucht auf die
Anker der Motoren fast nicht Rücksicht zu nehmen, da die Beschleunigung des einen
durch die Verzögerung des anderen ziemlich ausgeglichen wird. Ferner sind die Reaktionen
nur zum geringsten Teil mechanischer, zum größten Teil aber elektrischer Natur und
wirken sich nur in entsprechender Stromentnahme bzw. -rücklieferung aus. Diese Anordnung
hat den Vorzug, das Drehmoment bei allen Geschwindigkeiten konstant zu halten, konstanten
Strom in den Ankern vorausgesetzt. Dadurch wird der Wirkungsgrad der ganzen Anordnung
verbessert. Sie erlaubt auch, die während der Beschleunigung eingespeiste Energie
während der Verzögerung zurückzugewinnen.
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Fig. 1 ist ein Diagramm, welches die für eine Gleichstrom-Nebenschluß-Maschine
charakteristischen Kurven zeigt; Fig. 2 zeigt schematisch den mechanischen Aufbau
der Anordnung; Fig. 3 zeigt ein Schaltschema der Anordnung nach Fig. 2; Fig. 3 zeigt
ein Schaltschema für eine Variante der Anordnung.
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Das Diagramm der Fig. 1 zeigt in seinen Kurven die Abhängigkeit zwischen
dem Drehmoment einer Gleichstrom-Nebenschluß-Maschine und der Drehzahl, ebenfalls
die Abhängigkeit zwischen Leistung und verschiedenen Geschwindigkeiten, immer unter
der Voraussetzung, daß Ankerstrom und Feldstärke konstant gehalten werden. Wie die
volle Linie der Kurve Md zeigt, bleibt das Drehmoment einer solchen Gleichstrommaschine
unabhängig von der Drehzahl so lange konstant, wie Feldstärke und Ankerstromstärke
konstant bleiben. Das Drehmoment nimmt mit dem Ankerstrom zu und nimmt mit der Schwächung
ce@ I',zdes ab. Das Drehmoment hängt also nicht von der Drehzahl der Maschine ab,
welcher die Leistung Ar (wie in der vollausgezogenen Kurve N dargestellt) direkt
proportional ist, solange das Feld 0 und der Ankerstrom I konstant bleiben.
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Die Linie N-N möge den normalen Vollastzustand einer Gleichstrom-N
ebenschluß-Maschine darstellen, welche die Leistung N abgibt, wenn sie ihre normale
Drehzahl und ihre normale Spannung an den Klemmen hat. Wenn der Ankerstrom I und
der Fluß 0 von der Geschwindigkeit Null bis zur vollen Geschwindjgheit konstant
gehalten worden sind, dann wird das Drehmoment während dieser ganzen Zeit einen
kqnstanten Wert haben.
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Wenn zum Zweck der Erhöhung der Drehzahl die Intensität 0 des magnetischen
Feldes reduziert wird, bleibt die Energieaufnahme \"' zwar konstant, aber das Drehmoment
nimmt ab. Dieser Zustand ist durch die gestrichelten Kurven N' und illd auf der
rechten Seite der Linie 1-1 dargestellt. Wenn dagegen die Spannung am Anker erhöht
wird, dann werden Drehzahl und Energieaufnahme zunehmen, während das erzeugte Drehmoment
konstant bleiben wird, immer unter der Voraussetzung, daß 0 und 1 konstant ge halten
werden. Das Drehmoment wird außerdem bei jeder Erhöhung des Ankerstroms zunehmen
und unabhängig von der Drehzahl sein. Wenn der Motor mit einer in beliebigen Grenzen
regelbaren Spannung gespeist wird, so ist es theoretisch möglich, unbeschränkte
Leistung abzugeben bei konstantem Drehinoment, jedoch ohne effektive Überlastung,
und darüber hinaus noch intermittierend ein größeres Drehnionient zu erzeugen, z.
B. im Falle kurzzeitiger überlastung. Der Wert, mit dem die Stromstärke die normale
Stromstärke dann übersteigen wird, ist dieser Überlastung proportional.
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Diese Methode, die Drehzahl durch veränderliche Spannung am Anker
bei konstantem magnetischem Fluß 0 zu regeln, besitzt zahlreiche Vorteile gegenüber
einer Geschwindigkeitsregelung die mit vari,ay blem Fluß rh und konstanter Ankerspannung
arbeitet. Nur durch diese Methode der »variablen Spannung« können Geschwindigkeit
und Drehmoment erhöht werden, entweder getrennt oder beide zusammen. Diese Bedingungen
sind notwendig für das wirtschaftliche Arbeiten der Anordnung nach der Erfindung,
welche es gestattet, ein höheres Drehmoment zu erzeugen und sogar das maximale Drehmoment,
gleichgültig, ob dg.s dritte Differentialelement sich in Bewegung oder
im'
Stillstand befindet.
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Fig. 2 zeigt eine beispielsweise Ausführung der Erfindung. Zwei Gleichstrommaschinen
1 und 2, welche in entgegengesetzten Richtungen rotieren, treiben mittels ihrer
Ankerwellen über Untersetzungsetriebe 3, 5 und 4, 6 die beiden freien Wellen 7"
8 eines Differentialgetriebes an. Die Zahnräder 9 und 1.0 des Differentialsystems,
welche mit den Wellen 1 und 8 verbunden sind, greifen in bekannter Weise in die
Zahnräder 11 und 12 ein, deren Achsen mit dem Gehäuse 13 des Differentials fest
verbunden sind. Durch ein Zahnrad 14, welches fest mit diesen Gehäuse 13 verbunden
ist, wird die Kraft auf den au betreibenden Mechanismus übertragen. 11 Fig.3 zeigt
ein Schaltschema dieser Maschinen. Ihre konstante Erregung wird durch die Feldspulen
17, 18 erzeugt, die von einer Gleichstromquelle mit konstanter Spannung über die
Leiter 21 gespeist werden. Die Feldregler 19 und 20 erlauben, die FeldstÄrken auf
einen gewünschten Wert einzuregeln. Die Anker 15, 16 der beiden Maschinen werden
durch Gleichstrom von variabler Spannung derart gespeist,
daß die
Klenlr?enspannungen in sehr weiten Grenzen veränderlich sind. So kann z. B. jeder
Anker durch einzelne Generatoren 22, 23 gespeist werden, die man beide mit konstanter
Drehzahl rotierend annehmen möge, während ihre Felder an einer Gleichstromduelle
an konstanter Spannung liegen können, wobei die Feldintensität durch Nebenschlußregler
verändert werden kann, deren Hebel 24, 25 miteinander gekuppelt werden können. Dadurch
wird der Zunahme der Spannung einer dieser Maschinen eine etwa gleich große Abnahme
der Spannung der anderen Maschine entsprechen und umgekehrt. Die Grenzen der möglichen
Spannungsveränderungen sollen sehr weit sein, z. B. ± 100"/o. An Stelle von einzelnen
Maschinen können diese variablen Spannungen auch von Batterien, Gleichrichtern,
potentiometrischen Anordnungen oder anderen geeigneten Vorrichtungen bezogen werden.
Wenn die beiden Maschinen 1 und 2 mit gleicher Geschwindigkeit, aber in entgegengesetzten
Richtungen rotieren, wie es die Pfeile andeuten, dann führt <las Gehäuse 13 und
das mit ihm fest verbundene Zahnrad 14 keinerlei Bewegung aus. Wenn eine der beiden
Maschinen schneller rotiert als die andere, dann wird das Gehäuse 13 des Differentialsystems
eine Winkelbewegung in derselben Richtung ausführen, wie diejenige Welle, welche
sich schneller drehen wird. Die Geschwindigkeit des Gehäuses ergibt sich aus folgendem,
für alle einfachen Differentiale gültigen Gesetz
Aber eine einfache Winkelbewegung des Gehäuses 13 ist nicht genügend. Es soll auch
ein starkes Drehmoment ausüben können, das in der Lage ist, schwere Massen schnell
zu beschleunigen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst diese Aufgabe in der folgenden
Weise: Es sei angenommen, daß das Zahnrad 14 eine Winkelbewegung in beiden Richtungen
auszuführen hat (z. B. im Falle einer Werkzeugmaschine oder einer Walzenstraße oder
einer Fördermaschine od. ä.) und daß das Differentialsystem durch -zwei Gleichstrommaschinen
angetrieben wird, etwa wie in Fig. 3 dargestellt. Dann wird eine Winkelbewegung
des Gehäuses 13, z. B. in der Pfeilrichtung wie in Fig. 2 dargestellt, einsetzen,
wenn die Winkelgeschwindigkeit des Ankers 15 der Maschine 1 größer ist als die des
Ankers 16 der Maschine 2. Diese Differenz in der Winkelgeschwindigkeit der beiden
Maschinen kann herbeigeführt werden, sei es durch Erhöhen der Spannung an dem Anker
15, sei es durch Verringern der Spannung am Anker 16, oder vorzugsweise durch beide
Maßnahmen gleichzeitig.
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Welche von diesen Methoden auch immer angewendet werden mögen, die
Feldstärke beider Maschinen wird immer auf ihrem günstigsten Wert konstant gehalten
werden. Das vom Anker 15 erzeugte Drehmoment wird demzufolge direkt proportional
sein der Ankerstromstärke, die ihrerseits eine Funktion von der Klemmenspannung
sein wird. Wenn der Anker 15 schneller rotiert als der Anker 16, so ist er bestrebt,
letzteren zu beschleunigen. Um dem Anker 15 zu erlauben, einen größeren Strom aufzunehmen
und dadurch an der Welle 7 ein Drehmoment zu erzeugen, dessen doppelter Wert am
Gehäuse 13 abgenommen werden kann, ist es notwendig, nicht nur den Anker 1.6 daran
zu verhindern, seinerseits eine größere Winkelgeschwindigkeit anzunehmen, sondern
auch noch, ;=renn möglich, ihn zu verzögern. Entsprechend den Gesetzen, welche für
alle einfachen Differentiale gültig sind, bestehen die folgenden Beziehungen zwischen
Momenten 117d und Leistungen A' an den verschiedenen Wellen:
Um den Anker 16 im Vergleich zum Anker 15 verzögern zu können. ist es notwendig,
das Potential an den Klemmen des Ankers 15 noch weiter zu erhöhen oder das Potential
an den Klemmen des Ankers 16 zu reduzieren oder vorzugsweise beides gleichzeitig
zu tun.
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Dadurch wird die Maschine 2 nicht mehr als Elektromotor Strom aufnehmen,
sondern als Generator Strom abgeben. Das vom Anker 15 abgegebene Moment findet sich
als Reaktion am Anker 16 wieder, welcher Energie zur Stromquelle zurück liefert.
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Um das Gehäuse 13 in der anderen Drehrichtung zu bewegen, müssen die
entsprechenden Potentiale an den Ankern 15, 16 im umgekehrten Sinn verändert werden.
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Aus den beschriebenen Tatsachen folgt, daß die Stromstärken in beiden
Maschinen (von denen eine als Motor und die andere als Dynamo arbeitet) ziemlich
genau den gleichen Wert haben werden, wobei eine kleine Differenz durch innere Verluste
auftreten wird. Die Stromstärken werden in der Tat durch die magnetischen Felder
und die Drehmomente bestimmt. Die Werte der ersteren sind konstant. Die Werte der
letzteren sind notwendigerweise die gleichen für beide Maschinen. Hingegen verhalten
sich die Leistungen, die von den Maschinen aufgenommen oder abgegeben werden, wie
ihre Winkelgeschwindigkeiten, so wie oben im einzelnen nachgewiesen wurde.
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Entsprechend dem Drehsinn des Gehäuses 13 muß diejenige Maschine,
die als Motor wirkt, in der Lage sein, so viel zu leisten, wie es der Antrieb des
Gehäuses und der Antrieb der anderen Maschine, die als Generator arbeitet, erfordert.
Da die letztere die mechanisch aufgenommene Energie in Form von elektrischer Energie
an die Stromquelle zurückliefert, ist die effektiv notwendige Leistung gleich der,
die zum Antrieb des Gehäuses 13 erforderlich ist, zuzüglich einem kleinen Betrag
zur Deckung der inneren Verluste. Man sieht, daß Anlassen und Geschwindigkeitsänderung
des Gehäuses 13 ohne Verluste in besonderen Anlaßvorrichtungen vor sich gehen, und
daß das System in der Lage ist, in Grenzen zu arbeiten, welche sich in beiden Drehrichtungen
von der Geschwindigkeit Null des Gehäuses (wenn die Wellen 7, 8 mit gleicher Geschwindigkeit
und in umgekehrten Richtungen rotieren) bis zur halben Geschwindigkeit der
Weile 7 oder 8 erstrecken (wobei angenommen wird, daß die andere Welle völlig
abgebremst ist). Das an dem Gehäuse 13 verfügbare Moment wird stets den doppelten
Wert des Momentes haben, das an einer der Wellen 7 oder 8 auftritt.
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Die Veränderung der Klemmenspannung an den Ankern 15 und 16 wird entsprechend
den Betriebsbedingungen vorgenommen «-erden.
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Die Erfindung erlaubt nicht nur, das Gehäuse 13 allmählich bis zu
irgendeiner Geschwindigkeit zu beschleunigen, oder von einer maximalen positiven
Geschwindigkeit (in einer Richtung) über Null zu einer maximalen negativen Geschwindigkeit
(in der anderen Richtung) zu bringen, sondern gestattet auch die
Stromrückgewinnung
während der Verzögerung. Fast alle während der Beschleunigung eingespeiste Energie
kann in günstigen Fällen während der Verzögerung zurückgewonnen werden, abzüglich
innerer elektrischer und mechanischer Verluste von Motoren und Differentialsystem.
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Die Verzögerung kann auf verschiedene Weise hervorgerufen werden,
z. B. auf eine der folgenden drei Arten Erstens dadurch, daß die Potentiale an den
Ankern 15 und 16 progressiv auf die Werte zurückgebracht werden, welche dem Ruhezustand
des Gehäuses 13 entsprechen. Diese Methode gestattet es, Energie fast bis zum Augenblick
zurückzugewinnen, in dem alle lebendige Kraft von der bewegten Masse verzehrt ist;
zweitens dadurch, daß das Potential an den Ankerklemmen der Maschine, die als Generator
arbeitet, noch weiter reduziert wird, woraufhin alsdann das Potential von der Maschine
reduziert wird, welche als Motor arbeitet. Während die Geschwindigkeit der ersten
Maschine fast bis zum völligen Stillstand reduziert wird, wird die zweite Maschine
als Generator arbeiten, und zwar fast bis zu dein Augenblick, in dem alle lebendige
Kraft von der bewegten Masse verzehrt ist. Diese Methode gestattet eine Stromzurückgewinnung
während des Absenkens einer Last, z. B. im Falle der Verwendung an einem Kran; drittens
dadurch, daß das Potential an den Ankerklemmen der als Motor arbeitenden Maschine
reduziert und dasjenige an den Ankerklemmen der als Dynamo arbeitenden Maschine
erhöht wird. Durch Umkehr ihrer Funktionen erzeugen die Maschinen ein kräftiges
und momentanes Bremsmoment, welches der Bewegung des Gehäuses 13 entgegen wirkt.
In diesem Fall wird nicht Energierückgewinnung, sondern Energieverbrauch die Folge
sein.
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Die Erfindung kann in vielerlei Arten ausgeführt werden, von denen
bisher nur eine einzige näher beschrieben worden ist und jetzt nur eine weitere
kurz angedeutet werden soll. Wie schon erwähnt, ist an sich genügend, nur die Winkelgeschwindigkeit
einer der beiden Maschinen der Vorrichtung zu beeinflussen. In einem solchen Fall
kann die andere mit konstanter Drehzahl arbeiten und z. B. eine Synchronmaschine
sein. Fig. 4 erläutert diese Bauart, in welcher die Maschine 1 ein Gleichstrommotor
ist, wie in Fig. 3, während an der Stelle der Maschine 2 eine Drehstrom-Synchron-:Maschine
dargestellt ist, deren Feldwicklung mit 18' und deren dreiphasiger Anker mit 16'
bezeichnet ist. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist im großen und ganzen vergleichbar
mit derjenigen der Anordnung nach Fig. 3, welche im einzelnen beschrieben worden
ist, jedoch mit der Einschränkung, daß Geschwindigkeit und Rückgewinnungsmöglichkeit
nur innerhalb der Hälfte der Grenzen der Anordnung nach Fig. 3 möglich sind.