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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen magnetoelektrischen Generator,
der Energie durch elektromagnetische Induktion zwischen einem Permanentmagneten
und einer Generatorspule aufgrund von Rotation eines Schwungrades
erzeugt und ein Verfahren zur Herstellung eines Generators.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Herkömmlich sind
magnetoelektrische Generatoren bekannt, die umfassen: ein schalenförmiges Schwungrad,
das sich um eine Rotationsachse dreht, eine Vielzahl an Permanentmagneten,
die an einer inneren Umfangswandoberfläche des Schwungrades fixiert
sind, einen Statorkern, der innerhalb der Permanentmagnete angeordnet
ist und der eine Vielzahl an Zähnen
aufweist, die radial nach außen
hervorragen, und eine Generatorspule, die durch Wickeln eines leitenden
Drahts um jeden der Zähne
festgelegt ist, wobei die Vielzahl an Permanentmagneten jeweils
so angeordnet ist, um zwischen einem ringförmigen Positionierelement am
Bodenteil des Schwungrades und einem Positionierelement an der offenen
Seite des Schwungrades gehalten zu werden, welche an inneren Umfangsoberflächen des
Schwungrades angeordnet sind, und durch Pressen des Positionierelements
an der offenen Seite des Schwungrades gegen die Permanentmagnete durch
Biegen von Biege-Teilen an einem Öffnungskantenteil des Schwungrades
nach innen fixiert sind (siehe zum Beispiel Patentliteratur 1).
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[Patentliteratur 1]
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- Offengelegtes japanisches
Patent JP 2005-130548 4, 5).
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In
den vorstehenden magnetoelektrischen Generatoren besteht ein Problem
darin, dass viele Arbeitsstunden für das Montieren der Permanentmagneten
erforderlich sind, da es notwendig ist, jeden der Vielzahl an Permanentmagneten
in das Bodenteilpositionierelement einzufügen und diese dort zu halten.
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Insbesondere
bestand in den letzten Jahren eine Tendenz hin zu einer gesteigerten
Leistung und die Frequenzen wurden durch Erhöhen der Anzahl an Polen der
Permanentmagneten erhöht,
und aus diesem Grund steigt die Anzahl an Permanentmagneten, die
in jeder Maschine verwendet werden, und das Ansteigen der vorstehenden
Arbeitsstunden ist zu einem großen
Problem geworden.
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Die
US 3,663,850 A als
nächstkommender Stand
der Technik offenbart einen Rotor eines elektrischen Generators,
der ein Schwungrad und Permanentmagneten aufweist, die an dem inneren
Umfang des Schwungrads angeordnet sind. Zwischen benachbarten Permanentmagneten
sind Federn vorgesehen, welche die Magneten voneinander wegdrücken und
sie fest in dem Schwungrad halten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, die vorstehenden Probleme
zu lösen,
und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen magnetoelektrischen
Generator zu schaffen, in welchem die Arbeitsstunden, die zum Montieren
einer Vielzahl an Permanentmagneten an einer inneren Umfangsoberfläche eines
Schwungrades erforderlich sind, reduziert sind.
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Die
Aufgabe wird mit einem magnetoelektrischen Generator gemäß Anspruch
1 und mit einem Verfahren gemäß Anspruch
9 gelöst.
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Bei
Verwendung eines magnetoelektrischen Generators gemäß der vorliegenden
Erfindung können
die Arbeitsstunden, die erforderlich sind, um eine Vielzahl an Permanentmagneten
an der inneren Umfangsoberfläche
des Schwungrades zu montieren, verringert werden.
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Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
aufgezeigt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Vorderansicht eines magnetoelektrischen Generators gemäß Ausführungsbeispiel 1
der vorliegenden Erfindung,
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2 ist
eine Seitenquerschnittsansicht gemäß 1,
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3 ist
eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines Rotors gemäß 1,
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4 ist
eine Seitenquerschnittsansicht gemäß 3,
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5 ist
eine Vorderansicht von Permanentmagneteinheiten gemäß 3,
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6 ist
eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer Variation des Rotors
des magnetoelektrischen Generators gemäß dem Ausführungsbeispiel 1,
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7 ist
eine Vorderansicht von Permanentmagneteinheiten gemäß 6,
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8 ist
eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines Rotors eines magnetoelektrischen
Generators gemäß Ausführungsbeispiel
2 der vorliegenden Erfindung,
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9 ist
eine Vorderansicht von Permanentmagneteinheiten gemäß 8,
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10 ist
ein erläuterndes
Diagramm der Permanentmagneten gemäß 8,
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11 ist
eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer Variation des Rotors
des magnetoelektrischen Generators gemäß dem Ausführungsbeispiel 2,
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12 ist
eine Vorderansicht von Permanentmagneteinheiten gemäß 11,
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13 ist
ein erläuterndes
Diagramm der Permanentmagneten gemäß 11,
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14 ist
eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines Rotors eines magnetoelektrischen Generators
gemäß Ausführungsbeispiel
3 der vorliegenden Erfindung,
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15 ist
eine Vorderansicht von Permanentmagneteinheiten gemäß 14 und
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16 ist
ein erläuterndes
Diagramm der Permanentmagneten gemäß 14.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden basierend auf den
Zeichnungen erläutert
und identische oder korrespondierende Elemente und Teile in den
Zeichnungen bekommen identische Bezugszeichen.
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Ausführungsbeispiel
1
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1 ist
eine Vorderansicht eines magnetoelektrischen Generators gemäß Ausführungsbeispiel 1
der vorliegenden Erfindung, 2 ist eine
Seitenquerschnittsansicht gemäß 1, 3 ist
eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines Rotors 1 gemäß 1 und 4 ist
eine Seitenquerschnittsansicht gemäß 3.
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Dieser
magnetoelektrische Generator umfasst: einen Rotor 1, der
mit einer Verbrennungskraftmaschine verbunden ist, und einen Stator 2,
der in dem Rotor 1 angeordnet ist und mit einer Halterung (nicht
dargestellt) montiert ist.
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Der
Rotor 1 umfasst: ein schalenförmiges Schwungrad 3,
das mit einer Rotationswelle (nicht dargestellt) verbunden ist,
die durch die Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, um sich
zu drehen, vier Permanentmagneteinheiten 6, die an einer
inneren Umfangswandoberfläche
des Schwungrades 3 so angeordnet sind, dass sie in Umfangsrichtung
beabstandet sind, einen rohrförmigen
Schutzring 7, der eng eingepasst ist in die Permanentmagneteinheiten 6,
und ein geformtes Material 8, das den Schutzring 7 und
die Permanentmagneteinheiten 6 mit der inneren Umfangswandoberfläche des Schwungrades 3 integriert
und fixiert.
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Wie
in 5 gezeigt, sind die Permanentmagneteinheiten 6 bogenförmig ausgebildet
und sind festgelegt durch: bogenförmige Permanentmagneten 4,
die durch Magnete aus seltenen Erden festgelegt sind und bogenförmige Verbindungselemente 5,
die benachbarte Permanentmagneten 4 zusammen verbinden.
Die Verbindungselemente 5 sind durch ein nichtmagnetisches
Epoxidharz festgelegt und weisen zwei Endoberflächen auf, die mit Endoberflächen der Permanentmagnete 4 mittels
eines Haftmittels verbunden sind. Die Permanentmagneten 4 sind
so in einer Reihe angeordnet, dass Permanentmagneten 4,
die einen gen Norden weisenden (N) Pol an einer radialen inneren
Seite und einen gen Süden
weisenden (S) Pol an einer radial äußeren Seite aufweisen, und
Permanentmagneten 4, die einen gen Süden weisenden (S) Pol an einer
radial inneren Seite und einen gen Norden weisenden (N) Pol an einer
radial äußeren Seite
aufweisen, sich umfänglich
miteinander abwechseln. Somit ist die Vielzahl an Permanentmagneten 4 so
magnetisiert, dass die benachbarten Permanentmagnete 4 eine
entgegengesetzte Polarität
zueinander aufweisen und ein magnetisches Feld, das sich abwechselnd
in der Richtung ändert,
wird in einem Raum an einer inneren Umfangsseite der Permanentmagneten 4 erzeugt.
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Der
Stator 2 umfasst: einen hohlzylindrischen Statorkern 10 und
eine Dreiphasen-Generatorspule 9. Eine Vielzahl an Zähnen 11,
die radial nach außen
mit einem gleichmäßigen Abstand
in Umfangsrichtung hervorragen, ist an einem äußeren umfänglichen Teil des Statorkerns 10 ausgebildet.
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Der
Statorkern 10 ist festgelegt durch: einen laminierten Kern 12,
der festgelegt ist durch Laminieren einer großen Anzahl an dünnen magnetischen Stahlplatten
mit einer geöffneten
Mitte, die durch kaltgewalzte Stahlplatten parallel zu einer Richtung
einer Rotationsachse festgelegt sind, und eine erste Endplatte 13 und
eine zweite Endplatte 14, die entsprechend in engem Kontakt
mit den zwei Endoberflächen
des laminierten Kerns 12 gestapelt sind.
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Die
erste Endplatte 13 und die zweite Endplatte 14,
welche eine geöffnete
Mitte aufweisen und durch kaltgewalzte Stahlplatten festgelegt sind,
weisen äußere Umfangskantenbereiche
auf, die zu der Generatorspule 9 gebogen sind, um die Generatorspule 9 zu
halten.
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Drei
durchgehende Öffnungen 15,
die parallel zu der Rotationsachse durchlaufen, sind an der ersten
Endplatte 13, der zweiten Endplatte 14 und dem
laminierten Kern 12 ausgebildet. Der laminierte Kern 12,
die erste Endplatte 13 und die zweite Endplatte 14 sind
durch Bolzen (nicht dargestellt), die durch die durchgehenden Öffnungen 15 verlaufen, und
Muttern (nicht dargestellt), die auf Endbereiche der Bolzen aufgeschraubt
sind, zusammengefasst.
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Die
Generatorspule 9 ist durch Wickeln von leitfähigen Drähten um
Umfangsseitenoberflächen der
Zähne 11 des
Statorkerns 10 festgelegt, wobei die leitenden Drähte jeweils
eine Oberfläche
aufweisen, die mit Emaille beschichtet ist, und die Umfangsseitenoberflächen sind
mit einem mit Epoxidpulver beschichteten Isoliermaterial 16 beschichtet,
nachdem die leitenden Drähte
umwickelt wurden.
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Ausgangsdrähte 17 von
jeder der Phasen der Generatorspule 9, die nach außen von
dem Statorkern 10 hervorragen, sind durch erste Schutzröhren 18 abgedeckt.
Die Ausgangsdrähte 17 jeder
der Phasen sind elektrisch mit entsprechenden Leitungsdrähten 19 verbunden,
die nach außen
in den ersten Schutzrohren 18 zu elektrischer Ausrüstung (nicht dargestellt)
führen.
Die Führungsdrähte 19,
welche tangential nach außen
von dem Stator 2 hervorragen, sind durch ein zweites Schutzrohr 20 bedeckt.
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In
einem magnetoelektrischen Generator mit dem vorstehenden Aufbau
dreht sich das Schwungrad 3 unabhängig zu der Rotationswelle,
die durch die Verbrennungsmaschine angetrieben ist, und dabei wird
elektrische Energie in der Generatorspule 9 aufgrund eines
abwechselnden magnetischen Felds, welches durch die Permanentmagneten 4 erzeugt
ist, erzeugt. Der resultierende Wechselstromausgang wird durch verstärkende Dioden
(nicht dargestellt) verstärkt
und wird zu einer Last, wie einer Kraftfahrzeugbatterie etc. zugeführt.
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In
einem magnetoelektrischen Generator, der den vorstehenden Aufbau
aufweist, kann, da die Permanentmagneteinheiten 6 so konfiguriert
sind, dass drei benachbarte Permanentmagnete 4 miteinander
durch die Verbindungselemente 5 verbunden sind, die Montagearbeit,
bei welcher zwölf
Permanentmagnete 4 jeweils mit der inneren Umfangswandoberfläche des
Schwungrades 3 montiert werden, durch einen Faktor 3 reduziert
werden, d. h. von zwölf
Positionen auf vier Positionen.
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Die
vorliegende Erfindung ist insbesondere effektiv beim Verringern
der Arbeitsstunden, die erforderlich sind, zum Montieren der Permanentmagneten 4 in
magnetoelektrischen Generatoren, die eine erhöhte Anzahl an Permanentmagneten 4 umfassen,
die durch Magnete aus seltenen Erden festgelegt sind und entsprechend
der magnetischen Pole getrennt sind.
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Da
die Verbindungselemente 5 durch ein Epoxidharz in nicht
magnetischen Elementen festgelegt sind, wird eine Leckage eines
magnetischen Flusses zwischen den benachbarten Permanentmagneten 4 verringert
im Vergleich dazu, wenn Verbindungselemente festgelegt sind durch
ein magnetisches Material, was es ermöglicht, den Ausgangsstrom zu
verbessern.
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Darüber hinaus,
wie in 6 und 7 dargestellt, kann das Handhaben,
wenn die Permanentmagnete 4 montiert werden, durch Festlegen
der Verbindungselemente 5A unter Verwendung elastischer Elemente,
erleichtert werden, was es ermöglicht,
die Verarbeitbarkeit des Montierens zu verbessern.
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Ausführungsbeispiel
2
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8 ist
eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines Rotors 1 eines
magnetoelektrischen Generators gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden
Erfindung.
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Wie
in 9 dargestellt, sind in Permanentmagneteinheiten 6A gemäß dieses
Ausführungsbeispiels,
benachbarte, flache Permanentmagnete 4A mittels Verbindungselementen 5A verbunden,
die durch elastische Elemente festgelegt sind.
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Der
Rest des Aufbaus ist ähnlich
zu dem des magnetoelektrischen Generators gemäß dem Ausführungsbeispiel 1, welches in 6 dargestellt
ist.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist es durch Ändern
der bogenförmigen
Permanentmagnete 4 in flache Permanentmagneten 4A,
wie in 10 dargestellt, möglich, die
Arbeitsstunden für
die maschinelle Fertigung der Magnete und auch den Verbrauch von Rohmaterial
zu reduzieren.
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Darüber hinaus,
wie in 11 und 12 dargestellt,
können
die Permanentmagnete 4A auch durch ein Paar an Magnetsegmenten 4A1 und 4A2 festgelegt
werden, die in gleiche Richtungen magnetisiert sind und die flexibel
miteinander durch nichtmagnetische Verbindungsteile 21 verbunden
sind.
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Wie
in 13 gezeigt, können
durch Übernehmen
dieses Aufbaus Spalten G zwischen dem Schwungrad 3 und
den Permanentmagneten 4A verringert werden zu kleineren
Spalten g, was es ermöglicht,
dass der magnetische Verlust reduziert wird und der Ausgangsstrom
verbessert wird.
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Darüber hinaus
können
starre Permanentmagneteinheiten, in welchen eine Vielzahl an flachen Permanentmagneten 4A zuerst
in einer gekrümmten Form
verbunden sind, um zu der inneren Umfangswandoberfläche des
Schwungrades 3 zu passen, auch verwendet werden.
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Ausführungsbeispiel
3
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14 ist
eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines Rotors 1 eines
magnetoelektrischen Generators gemäß dem Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden
Erfindung, und 15 ist eine Vorderansicht von
Permanentmagneteinheiten 6A.
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Eine
innere Umfangswandoberfläche
eines Schwungrades 3A gemäß dieses Ausführungsbeispiels
weist eine facettenreiche Form auf, die in einen Oberflächenkontakt
mit den Permanentmagneten 4A kommt.
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Der
Rest des Aufbaus ist ähnlich
zu dem des magnetoelektrischen Generators gemäß Ausführungsbeispiel 2, welches in 8 dargestellt
ist.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel,
wie in 16 dargestellt, können Spalten
zwischen dem Schwungrad 3A und den Permanentmagneten 4A vermieden
werden, was es ermöglicht,
dass der magnetische Verlust reduziert wird und ein Ausgangsstrom
verbessert wird. Das Schwungrad 3A fungiert auch als eine
Sperre, um zu verhindern, dass die Permanentmagneten 4A sich
während
der Rotation drehen.
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Darüber hinaus
weisen in jedem der vorstehenden Ausführungsbeispiele die Permanentmagneteinheiten 6 oder 6A alle
drei Permanentmagneten 4 oder 4A auf; jedoch ist
dies nur ein Beispiel und es können
auch zwei oder vier oder mehr Permanentmagneten 4 oder 4A verwendet
werden. Wenn die Anzahl an Permanentmagneten 4 oder 4A erhöht wird,
werden die Positionen, die Montagearbeit für die Permanentmagneteinheiten 6 oder 6A erfordern, proportional
verringert.
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Die
Permanentmagneten 4 oder 4A sind nicht auf Magnete
aus seltenen Erden begrenzt und können zum Beispiel auch ferritische
Magneten umfassen.
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In
jedem der vorstehenden Ausführungsbeispiele
sind die Permanentmagneteinheiten 6 oder 6A mit
dem Schwungrad 3, 3A durch ein geformtes Material 8 fixiert;
es können
jedoch auch andere Fixiermittel verwendet werden, wie Fixieren der
Permanentmagneteinheiten 6 oder 6A durch Crimpen
von gecrimpten Teilen, die an einem Öffnungsteil des Schwungrades
ausgebildet sind, oder durch Verbinden der Permanentmagneteinheiten 6 oder 6A mit
einer inneren Umfangsoberfläche
des Schwungrades zum Beispiel unter Verwendung eines Haftmittels.