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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen elektrische oder hybrid-elektrische Fahrzeugantriebssysteme.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Konstruktion
von elektrischen Traktionsmotoren oder -maschinen zur Verwendung in
Elektro- oder Hybridfahrzeugen.
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Hintergrund der Erfindung
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Auf
dem Kraftfahrzeugmarkt gibt es heutzutage eine Vielzahl von elektrischen
Antriebs- oder Fahrtechnologien, die dazu verwendet werden, Fahrzeuge
zu motorisieren. Die Technologien umfassen elektrische Traktionsmotoren,
wie etwa DC-Motoren, AC-Induktionsmotoren, Motoren mit geschalteter
Reluktanz, Synchronreluktanzmotoren, bürstenlose DC-Motoren, Permanentmagnetsynchronmotoren (PMSM)
und eine entsprechende Leistungselektronik. PMSM-Motoren sind zur
Verwendung als Traktionsmotoren in einem Elektrofahrzeug wegen ihrer besseren
Eigenschaften hinsichtlich des Leistungsvermögens im Vergleich zu regulären DC-Motoren und
AC-Induktionsmotoren von besonderem Interesse. PMSM-Motoren arbeiten
typischerweise mit einem Permanentmagnetrotor. Ein Permanentmagnetrotor
kann als Rotor mit oberflächenmontierten
oder internen oder eingelassenen Permanentmagneten ausgestaltet
sein. Ein Motor oder eine Maschine mit internen Permanentmagneten
(IPM) weist im Vergleich zu regulären DC-Motoren und AC-Induktionsmotoren
Merkmale hinsichtlich des Leistungsvermögens auf, die einen relativ
hohen Wirkungsgrad, ein relativ hohes Drehmoment, eine relativ hohe
Lei stungsdichte und einen Betriebsbereich mit über lange Zeit konstanter Leistung
umfassen, die einen IPM-Motor für
Fahrzeugantriebsanwendungen attraktiv machen.
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In
einem Rotor eines PMSM-Motors eingelassene Permanentmagnete zeigen
aufgrund der niedrigen Permeabilität der Permanentmagnete eine hohe
Reluktanz direkt entlang der magnetischen Achse oder der d-Achse.
Entlang der q-Achse hingegen gibt es zwischen den magnetischen Polen
oder magnetischen Barrieren eines IPM-Rotors keine magnetische Barriere
und der spezifische magnetische Widerstand auf einen magnetischen
Fluss ist sehr niedrig. Diese Schwankung der Reluktanz um den Rotor
herum erzeugt in dem Rotoraufbau einer IPM-Maschine eine Ausprägung oder
Schenkelpolarität
(saliency). Daher weisen die IPM-Rotoren ein Reluktanzmoment zusätzlich zu
dem Permanentmagnetmoment auf, das durch die im Rotor eingelassenen
Magnete erzeugt wird.
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Die
Magnete in dem Motor sind in mehreren Schichten angeordnet, welche
eine Mehrbarrierenkonstruktion erzeugen. Die Mehrbarrierenkonstruktion
verringert Leckage und verbessert die Ausprägung des Rotors. Entsprechend
weisen Motoren mit Mehrbarrieren-Rotoren zahlreiche Vorteile hinsichtlich
des Leistungsvermögens
gegenüber
Einzelbarrieren-Rotorkonstruktionen auf, welche einen relativ hohen
Gesamtwirkungsgrad, einen erweiterten Betriebsbereich mit hoher
Drehzahl und konstanter Leistung und einen verbesserten Leistungsfaktor
umfassen. Ein Verringern der Abhängigkeit
vom magnetischen Moment hilft, die Anzahl der Magnete oder die Menge
von magnetischem Material in einer IPM-Maschine im Vergleich zu
einer Einzelbarrieren-IPM-Maschine oder zu einer Maschine mit oberflächenmontierten
Permanentmagneten zu verringern. Die Menge von magnetischem Material,
die zum Erzeugen eines speziellen Drehmoments und einer speziellen
Wattleistung benötigt
wird, hängt
von dem Ausprä gungsniveau
des Rotors ab. Je höher
die Ausprägung
oder Schenkelpolarität
des Rotors ist, desto niedriger ist der Verbrauch magnetischen Materials
für das
gleiche Gesamt-Leistungsvermögen der
Maschine. Elektromotoren mit einer Mehrbarrieren-Rotorkonstruktion
erzeugen eine höhere
Rotorausprägung
im Vergleich zu einer Einzelbarrierenkonstruktion.
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Von
einem Kostenstandpunkt aus gesehen ist die Verringerung von magnetischem
Material in dem Rotor eines Elektromotors wünschenswert. Folglich werden
im Allgemeinen tiefe Hohlräume
leer gelassen, da deren Beitrag zu dem Magnetfeld des Rotors relativ
klein ist, wenn sie gefüllt
sind. Der Grund dafür
liegt in der relativen Distanz zu dem Motorluftspalt. Ein reiner
Synchronreluktanzmotor, der eine ähnliche Rotorgeometrie aufweist
wie die Mehrbarrieren-Permanentmagnetkonstruktion (Mehrbarrieren-PM-Konstruktion),
aber ohne ein magnetisches Material in dem Rotor, ist eine Maschine
mit einer relativ geringen Leistungsfähigkeit. Mehrbarrieren-IPM-Elektromotoren
weisen die vorteilhaften Eigenschaften sowohl von Synchronreluktanzmaschinen
als auch der Permanentmagnetmaschine auf und sind daher hervorragende
Kandidaten für
einen Fahrzeugantrieb. Eine Hauptschwierigkeit bei IPM-Maschinen
ist die Konstruktion und die Herstellung des Rotors.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Mit
Blick auf die voranstehend erwähnten Überlegungen
ist die vorliegende Erfindung auf einen Rotor für eine Maschine mit internen
Permanentmagneten gerichtet, der einen zylindrischen Körper aus einem
nichtmagnetischen Material umfasst, welcher eine daraus hervorstehende
axiale Welle aufweist, wobei der zylindrische Körper erste und zweite Enden
und eine zylindrische Außenoberfläche aufweist. Eine
Anordnung erster Hohlräume
ist in dem Rotor angeordnet, wobei die ersten Anordnungen Per manentmagnete
enthalten, und eine Anordnung zweiter Hohlräume ist in dem Rotor angeordnet,
welche keine Magnete enthalten. Die Hohlräume sind durch Rotorbrücken getrennt,
welche aus dem Rotormaterial bestehen. Eine Anordnung von Stangen
aus einem nicht magnetischen Material erstreckt sich durch die zweiten
Hohlräume
in dem Rotor und ist an ersten und zweiten Endplatten befestigt,
die benachbart zu den ersten und zweiten Enden des Rotors angeordnet
sind.
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Bei
einem weiteren Aspekt des Rotors weist mindestens eine der Endplatten
eine Isoliationsoxidschicht zwischen den Stangen und der Endplatte
auf.
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Bei
noch einem weiteren Aspekt des Rotors bestehen die Stangen und die
Endplatten aus Edelstahl oder Titan.
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Bei
noch einem weiteren Aspekt des Rotors weisen die Stangen Endvorsprünge auf,
die in Blindbohrungen in den Endplatten aufgenommen sind, wobei
die Endplatten benachbart zu den Enden des Rotors gehalten sind.
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Bei
noch einem weiteren Aspekt des Rotors sind ringförmige Schrumpfscheiben über Enden
der Abtriebswelle außerhalb
der Endplatten aufgeschrumpft, um die Endplatten festzuhalten.
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Bei
einem anderen Aspekt des Rotors sind die ersten Hohlräume benachbart
zu den zweiten Hohlräumen
in Gruppen angeordnet, wobei sich mehrere erste Hohlräume schräg von den
zweiten Hohlräumen
weg zu der zylindrischen Außenoberfläche des
Rotors erstrecken.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Verschiedene
andere Merkmale und begleitende Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser wahrgenommen, wenn dieselbe besser verstanden wird,
sobald sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet
wird, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten gleiche
oder ähnliche
Teile bezeichnen und in denen:
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1 eine
diagrammartige Querschnittszeichnung eines Permanentmagnetmotors
ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Rotors ist, der leere Hohlräume auf
der Innenseite von Hohlräumen
aufweist, welche magnetische Einsätze aufweisen;
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3 eine
perspektivische Explosionsansicht ähnlich 2 ist, die
aber Stangen zeigt, die zur Befestigung an ringförmigen Endplattenringen in
den Rotor eingefügt
sind;
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4 ein
Aufriss eines Abschnitts der ringförmigen Endplatte mit einem
Blindloch ist, das mit einem Ende einer Stange ausgerichtet ist;
und
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5 eine
perspektivische Ansicht mit Teilweglassungen des Rotors von 3 in
zusammengebautem Zustand ist.
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Genaue Beschreibung
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1 ist
eine diagrammartige Zeichnung eines Permanentmagnetmotors 10 mit
einem gewickelten Stator 12 und einem Permanentmagnetrotor 14, welcher
eine damit einstückige
Abtriebswelle 15 aufweist. Eine Energieversorgung und ein
Umrichter 16 arbeiten als Stromwender oder Umschalter und steuern
die Drehzahl und das Drehmoment des Motors 10 in Ansprechen
auf eine Rückkopplung,
die einen Codierer, einen Funktionsgeber oder Resolver, einen Drehzahlmesser,
einen Näherungsschalterzahnsatz
(proximity switch tooth set) und eine Detektion einer Gegen-EMK
umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist. Der Motor 10 kann
als ein bürstenloser DC-Motor
mit einer Rechteckwellen- oder Sinuswellenerregung charakterisiert
sein, welche von der Energieversorgung und dem Umrichter 16 bereitgestellt ist.
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2 ist
ein Permanentmagnetrotor 14 aus einem nichtmagnetischen
Material, wobei ein magnetisches Material 17 in Hohlräumen 18 in
der Nähe der
Oberfläche 19 des
Rotors 14 eingelassen ist. Aufgrund seiner Position in
der Nähe
der Oberfläche
des Rotors 14 kann das magnetische Material 17 während eines
Nachmagnetisierungsprozesses von einer Magnetisierungsvorrichtung
oder dem gewickelten Stator 12 (1) magnetisiert
werden.
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Auf
der Innenseite der ersten Hohlräume 18, die
mit dem magnetischen Material 17 gefüllt sind, um Rotorbarrieren
auszubilden, befinden sich zweite Rotorhohlräume 23, die leer sind.
Das Vorhandensein leerer Hohlräume
(oder Barrieren) 23 im Inneren der Rotorstruktur kann strukturelle
Probleme im Inneren des Rotors 14 erzeugen, wenn der Rotor bei
hohen Winkelgeschwindigkeiten rotiert, welche zu hohen Niveaus an
Materialbelastung größtenteils bei
Brücken 27 aus
dem nichtmagnetischen Rotormaterial zwischen den Rotorbarrieren 18 und
den leeren Hohlräumen 23 führen.
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Es
scheint, dass eine einfache Lösung
für das
mechanische Belastungsproblem darin besteht, die Rotorbrücken 27 dicker
zu gestalten. Dieser Ansatz verringert jedoch auf zwei Arten die
Leistungsfähigkeit
des Motors 10 zur Drehmomenterzeugung. Erstens wird der
Permanentmagnetfluss verringert, da die Brücken 27 die Magnete 17 "kurzschließen", welche in dem benachbarten
Hohlraum 18 liegen, und zweitens werden die Ausprägungseigenschaften des
Rotors 14 verschlechtert. Darüber hinaus leidet die Motordrehmomentdichte,
weil der Permanentmagnetfluss durch die dicken Brücken 27 an
Rändern der
Magnete "leckt". Folglich wird,
wenn die gleiche Motordrehmomentdichte gewünscht ist, ein kostspieligeres
Magnetmaterial 17 mit einer höheren Stärke benötigt, um die Flussleckage zu
kompensieren.
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Eine
Mehrschichten- oder Mehrbarrierengeometrie für einen IPM-Rotor verbessert
die Ausprägung
des Rotors 14. Dementsprechend weist die Geometrie des
Rotors 14 von 2 den Vorteil auf, dass sie
eine relativ hohe Ausprägung
aufweist, welche die Maschinendrehmomentdichte verbessert und Volumenanforderungen
für das
magnetische Material für
ein spezielles Drehmoment oder eine spezielle Wattleistung verringert.
Geringere Volumenanforderungen für
das magnetische Material verringern die Motorkosten und relativieren
wegen des Vorhandenseins eines Permanentmagnetfeldes auch Probleme
im Zusammenhang mit Hochfluss-PM-Maschinen, beispielsweise Probleme
mit Kurzschlussfehlern und Unterbrechungsfehlern und Drehverlusten (wirbelstrominduzierte
Verluste). Mehrbarrieren-Rotorgeometrien weisen auch den Vorteil
eines günstigen
Drehmoment-Drehzahlprofils mit einem erweiterten Bereich mit konstanter
Leistung für
eine Fahrzeugantriebsanwendung auf.
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Die
magnetische Feldstärke
ist durch die remanente Flussdichte oder Induktion Br des
Magnets und die magnetische Koerzivität HC des
Magnets definiert. Br ist das Maß der magnetischen
Flussdichte, wenn die zwei Enden des Magnets (magnetisch Nord und
magnetisch Süd)
unter Verwendung eines hochpermeablen magnetischen Materials kurzgeschlossen
sind. HC ist das Maß der Feldstärke, die
benötigt würde, um
den Gesamtfluss in dem Magnet auf Null zu treiben. Das Magnetenergieprodukt
(MEP) ist proportional zu dem Produkt der magnetischen remanenten
Flussdichte und der magnetischen Koerzivität, welches eine Einheit von
Joule pro Volumeneinheit aufweist. Das MEP multipliziert mit dem
Magnetgesamtvolumen ergibt die Gesamtenergie des Magneten, der aus
dem magnetischen Material ausgebildet ist. Um den Magnetfluss in
dem Luftspalt unverändert
zu halten, wird das MEP in dem gleichen Verhältnis erhöht, mit dem das Volumen des
magnetischen Materials verringert wird. Auf diese Weise wird das
MEP multipliziert mit dem Magnetvolumen für die Rotorgeometrien im Wesentlichen
unverändert
bleiben.
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Die
tatsächlichen
Kosten des magnetischen Materials 17 sind eine komplexe
Funktion mit vielen Faktoren, beispielsweise dem Typ der Magnete,
der chemischen Zusammensetzung des magnetischen Materials, dem MEP,
dem magnetischen Materialvolumen, den Erfordernissen beim Verarbeiten
des magnetischen Materials etc. Die Gesamtkosten für das magnetische
Material können
jedoch durch ein Verringern des Gesamtvolumens des magnetischen
Materials verringert werden, während
das MEP multipliziert mit dem Volumen des magnetischen Materials im
Wesentlichen gleich gehalten wird.
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Aufgrund
des Permanentmagnetfelds weisen IPM-Geometrien zusätzlich zu
dem magnetischen Moment ein Reluktanzmoment auf. Das Reluktanzmoment
wird aufgrund der Schwankungen der Ausprägung des Rotors 14 mit
der Rotorposition erzeugt. Diese Schwankung der Reluktanz des Rotors 14 mit
der Rotorposition erzeugt die Ausprägung des Rotors, welche die
Quelle des Reluktanzmoments ist. Wenn das magnetische Material 17 in
den Hohlräumen 23 fehlt
und durch ein nicht magnetisches Material ersetzt wird oder diese
leer bleiben, ändert
sich die Reluktanz des Rotors 14 im Allgemeinen nicht.
Daher bleibt das Reluktanzmoment größtenteils unverändert. Wenn
das Entfernen von magnetischem Material 17 durch ein Erhöhen des
MEP der Rotormagnete oder der Barrieren 27, welche durch
das magnetische Material 19 ausgebildet sind, kompensiert
wird, bleibt das Motordrehmoment im Wesentlichen unverändert.
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Nun
auf 3 Bezug nehmend, in der eine Rotorstruktur 30 gemäß der Anordnung
der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, erstreckt sich eine Anordnung 32 von
Stangen 34 durch die zuvor leeren Hohlräume 23 von 2.
Die Stangen 34 weisen vorstehende Endabschnitte 36 und 38 auf,
welche aus ersten und zweiten Enden 40 und 42 des
Rotors 14 hervorstehen. Die Stangen 34 bestehen
aus einem nichtmagnetischen Material, beispielsweise, aber nicht
beschränkt
auf, Edelstahl oder Titan, welches für einen magnetischen Fluss
nicht permeabel ist und sich daher nicht auf den Magnetzustand des Rotors 14 auswirkt.
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Erste
und zweite ringförmige
Endplatten 46 und 48, die jeweils Blindlöcher 50 darin
aufweisen, sind mit den hervorstehenden Endabschnitten 36 und 38 der
Stangen 34 ausgerichtet. Die Endplatten 46 und 48 weisen
jeweils Mittelöffnungen 52 auf,
welche die Abtriebswelle 15 des Rotors 14 aufnehmen.
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Die
Stangen 34 sind an einer Stelle in dem Rotor 14 platziert,
an welcher der magnetische Fluss verglichen mit dem Rest des Rotors 14 niedrig
ist, jedoch gibt es eine kleine Komponente des magnetischen Flusses
bei der elektrischen Grundfrequenz des Motors 10. Dieser
Fluss genügt,
um eine Spannung in dem Schaltkreis, welcher von zwei benachbarten
Stangen 34 und den Endplatten 46 und 48 gebildet
wird, zu induzieren. Gemäß Berechnungen,
die für
einen 400 mm langen Rotor 14 mit einem Außendurchmesser
von 250 mm, der bei 12000 Umdrehungen pro Minute rotiert, durchgeführt wurden,
wird eine Spannung mit einer Spitze von etwa 2 Volt erzeugt.
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Wegen
der niedrigen Impedanz des Schaltkreises, die von den zwei benachbarten
Stangen 34 gebildet wird, kann der Strom, der durch die
induzierte Spannung erzeugt wird, sehr groß sein. Der Strom wird keinerlei
Drehmoment in dem Motor 10 erzeugen, da er die gleiche
Frequenz wie das Hauptfeld des Motors aufweist, jedoch kann er ungewünschte Verluste
in dem Käfig
erzeugen, der durch die Rotorstangen 34 gebildet wird,
Verluste, welche wiederum den Wirkungsgrad des Motors 10 verringern.
Aus diesem Grund weist mindestens eine der Endplatten 46 oder 48 eine
Isolationsoxidschicht 56 auf, die in dem Gebiet 58 aufgebracht
ist, in das die Stangen eingreifen, wie in 4 zu sehen
ist. Auf diese Weise ist eine geschlossene Schleife von zwei benachbarten Stangen 34 offen
und nur ein sehr kleiner oder gar kein Verlust erzeugender Strom
kann zirkulieren.
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Ein
Paar ringförmige
Schrumpfscheiben 62 und 63 mit Mittelöffnungen 64 sind
mit entgegengesetzten Enden der Abtriebswelle 15 ausgerichtet,
um zum Halten der Endplatten 46 und 48 in einer
Presspassungsbeziehung mit den Enden 36 und 38 der Stangen 34 beizutragen.
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Nun
auf 5 Bezug nehmend ist die Rotorstruktur 30 nach
dem Einpressen der Endabschnitte 36 und 38 der
Stangen 34 in die Blindlöcher 50 in den Endplatten 46 und 48 und
nach dem Aufschrumpfen der Schrumpfscheiben 62 und 64 auf
die Abtriebswelle 15 in zusammengebautem Zustand gezeigt.
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Durch
das Einführen
der Stangen 34 in die leeren Barrieren oder Hohlräume 32 des
Rotors und durch ein Verbinden derselben mit den Endplatten 46 und 48 wird
im Inneren des Rotors 14 ein struktureller Käfig entwickelt.
Folglich werden die Belastungsniveaus in den Rotorbrücken 27 verringert
und Verformungen der Rotorbrücken
werden ebenso verkleinert.
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Wie
in 5 sowie in 2–4 zu
sehen ist, sind die ersten Hohlräume 18,
die mit einem magnetischen Material 17 gefüllt sind,
in Gruppen angeordnet, die sich von den zweiten Hohlräumen 23,
welche die Stangen 34 enthalten, nach außen in Richtungen
erstrecken, welche schräg
zu der äußeren Umgebungsoberfläche 19 des
Rotors 14 verlaufen.
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Obwohl
diese Erfindung unter Verwendung spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde,
ist festzustellen, dass andere Formen von einem Fachmann leicht
angepasst werden können.
Dementsprechend ist der Schutzumfang dieser Erfindung als nur durch
die nachfolgenden Ansprüche
beschränkt
zu betrachten.
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Aus
der voranstehenden Beschreibung kann ein Fachmann leicht die wesentlichen
Eigenschaften dieser Erfindung entnehmen und verschiedene Änderungen
und Modifikationen der Erfindung vornehmen, um sie an verschiedene
Verwendungen und Bedingungen anzupassen, ohne von dem Geist und dem
Schutzumfang derselben abzuweichen.