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Die
Erfindung betrifft ein Sekundärteil
für eine
permanentmagneterregte Synchronmaschine, wobei das Sekundärteil eine
vorgebbare Anzahl an Magnettaschen zur Aufnahme von Permanentmagneten
aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine permanentmagneterregte
Synchronmaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Sekundärteils.
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Permanentmagneterregte
elektrische Maschinen weisen im Wesentlichen ein Primärteil und ein
Sekundärteil
auf, welche durch einen Luftspalt voneinander beabstandet sind.
Das Primärteil
ist diejenige Komponente, welche eine bestrombare ein- oder mehrphasige
Wicklung aufweist. Das Sekundärteil
weist Permanentmagnete auf, welche die Erregerpole zur Bildung des
magnetischen Erregerfeldes aufweisen.
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Bei
rotatorisch ausgeführten
Maschinen ist das Primärteil
als Stator mit einer Wicklung und das Sekundärteil als Rotor mit Permanentmagneten
ausgebildet. Stator und Rotor sind i. d. R. zur Reduktion von Wirbelstromverlusten
mittels Blechpaketen, bestehend aus einer Vielzahl an einzelnen
Elektroblechen, gebildet. Der Rotor ist beispielsweise auf eine Stahlwelle
aufgepresst.
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Der
Rotor weist Permanentmagnete auf, die entweder im Inneren des Rotors
oder an der dem Stator zugewandten Oberfläche des Rotors angeordnet sind.
Im Inneren des Rotors angeordnete Permanentmagnete werden auch als
vergrabene Permanentmagnete bezeichnet.
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Sowohl
vergrabene, als auch an der Oberfläche angeordnete Permanentmagnete
müssen
sicher dauerhaft fixiert werden, um die mechanischen Kräfte bei
dynamischen und statischen Belastungen im Betrieb der elektrischen
Maschine zu beherrschen und die Permanentmagnete vor Beschädigungen
zu schützen.
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An
der Oberfläche
angebrachte Permanentmagnete werden beispielsweise durch Klebstoffe
fixiert und durch Bandagenmaterial zusätzlich gesichert.
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Vergrabene
Permanentmagnete werden in Vertiefungen, auch als Taschen bzw. Magnettaschen bezeichnet,
welche das Rotorblechpaket aufweist, eingelassen oder eingeschoben,
wobei anschließend i.
d. R. die für
die Montage notwendigen Hohlräume durch
ein Gießharz
ausgefüllt
werden. Beispielsweise werden dazu warm- oder kaltaushärtende Gießharzsysteme
auf der Basis von Epoxid-, Polyurethan- oder Silikonharzen verwendet.
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Um
ein sicheres Anordnen bzw. Fügen
eines Permanentmagneten (auch als Magnet bezeichnet) in einer Tasche
zu gewährleisten,
ist es aufgrund der Fertigungstoleranzen erforderlich, die Tasche
größer auszubilden,
so dass sich zwischen Tasche und Magnet ein Spalt im Bereich 0,2
mm bis 0,3 mm ergibt.
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Die
Permanentmagnete werden in die jeweiligen Taschen im Rotorblechpaket
im magnetischen oder unmagnetischen Zustand eingeschoben. Nach dem
Einschieben aller Permanentmagnete werden diese zuerst mit jeweils
einer Endscheibe auf der A- und
B-Seite des Motors fixiert und somit am Herausfallen gehindert.
In einem weiteren Arbeitsschritt wird dann der aufgrund der Fertigungstoleranzen
vorhandene Spalt bzw. Hohlraum zwischen Tasche und Permanentmagnet
beispielsweise mit einem dünnflüssigen Tränkharz vergossen.
Dieses Tränkharz
härtet nach
dem Vergießen
aus. Durch die beschriebene Vorgehensweise ist jedoch keine definierte
Lage bzw. Position des Permanentmagneten in der Tasche gewährleistet.
Die Permanentmagnete können
außen,
innen oder quer in der Tasche liegen, wodurch Unsymmetrien in den
elektrischen oder magnetischen Größen, beispielsweise dem Verlauf
der Magnetfelder der Permanentmagnete, auftreten können. Die
nicht definierte Lage der Permanentmagnete in den Taschen kann sich
auch negativ auf die Wuchtgüte
des Rotors auswirken.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sekundärteil für eine permanentmagneterregte
Synchronmaschine bereitzustellen, welches gleichmäßig angeordnete
Permanentmagnete in Magnettaschen aufweist, so dass elektrische
oder magnetische Unsymmetrien im Sekundärteil vermieden sind. Weitere
Aufgaben der Erfindung sind, eine permanentmagneterregte Synchronmaschine
mit einem solchen Sekundärteil
sowie ein Verfahren zur Herstellung des Sekundärteils bereitzustellen.
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Die
Aufgaben werden durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 12
und 13 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Das
erfindungsgemäße Sekundärteil weist eine
vorgebbare Anzahl an Magnettaschen zur Aufnahme von Permanentmagneten
auf. In jeder Magnettasche ist ein oder sind mehrere Permanentmagnete
im magnetisierten oder unmagnetisierten Zustand anordenbar. Erfindungsgemäß weist
eine Magnettasche zumindest ein Positionierelement zur Positionierung
eines Permanentmagneten in der Magnettasche auf. Je nach Größe einer
Magnettasche können
auch mehrere Positionierelemente in einer Magnettasche angeordnet
sein.
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Es
hat sich gezeigt, dass mit einem derartigen Positionierelement der
Permanentmagnet in der Magnettasche sicher an einer definierten
Position anordenbar ist, wobei der Permanentmagnet insbesondere
durch das Positionierelement in der Magnettasche geklemmt und zugleich
in eine definierte Richtung gedrückt
wird. Somit ist ein Sekundärteil
herstellbar, welches nahezu symmetrisch angeordnete vergrabene Permanentmagnete
aufweist, da alle Permanentmagnete in der gleichen definierten Position
mit Hilfe des Positionierelements anordenbar sind.
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Die
Permanentmagnete können
sowohl in einem bereits magnetisierten Zustand oder aber in einem
unmagnetisierten Zustand in den Magnettaschen angeordnet werden.
Werden unmagnetisierte Permanentmagnete angeordnet, so erfolgt die
Magnetisierung der Magnete beispielsweise im Anschluss an die Fertigstellung
des Sekundärteils.
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Vorzugsweise
weist die Magnettasche eine Aussparung zur Aufnahme des Positionierelements auf.
Das Sekundärteil
ist zur Reduktion von Wirbelstromverlusten mittels eines Blechpakets,
bestehend aus einer Vielzahl an einzelnen Elektroblechen, ausgebildet.
Während
des Stanzvorgangs der einzelnen Elektrobleche werden Magnettaschen
und in jeder Magnettasche eine Vertiefung, das heißt eine
Aussparung, zur Aufnahme des Positionierelements ausgeformt bzw.
gestanzt. Die Anzahl der Aussparungen kann dabei je nach Größe oder
Breite der einzubringenden Permanentmagnete gewählt werden. Je größer ein
Permanentmagnet, welcher in einer Magnettasche angeordnet werden
soll, desto größer ist
die Anzahl der Positionierelemente und somit der Aussparungen zu
wählen,
damit ein sicheres Positionieren des Permanentmagnets gewährleistet
ist. Die Größe und Tiefe
der Aussparung sollte im Wesentlichen der Größe des Positionierelements
entsprechen.
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Vorteilhafterweise
weist das Positionierelement zumindest ein Energiespeicherelement
auf. Insbesondere ist das Energiespeicherelement als federnde Flanke
ausgebildet. Durch die ein oder mehreren Energiespeicherelemente,
insbesondere federnden Flanken, kann ein relativ großer Spaltbereich
ausgeglichen werden, der sich durch das Zusammentreffen der unterschiedlichen
Fertigungstoleranzen der Komponenten Magnettasche, Positionierelement
sowie Versatz der einzelnen Elektrobleche des Blechpakts zueinander
ergibt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Energiespeicherelemente,
insbesondere die federnden Flanken, aus dem Positionierelement ausgestanzt.
Das Positionierelement ist als Federband mit mehreren federnden
Flanken ausgebildet.
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Das
Positionierelement ist ein Bauteil, welches durch Stanzen hergestellt
ist. Als Werkstoff für das
Positionierelement ist Federstahl günstig, da dieser Werkstoff
kostengünstig
und einfach verarbeitbar ist. Somit entsteht beim Stanzen ein Federband,
wobei gleichzeitig zum Stanzvorgang des Federbands, Flanken, welche
die Energiespeicherelemente darstellen, herausgestanzt werden. Vorzugsweise
ist eine Bandstärke
im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, insbesondere von 0,2 mm, zu wählen. Somit
ist auf einfache Art und Weise das Positionierelement mit den Energiespeicherelementen
(federnde Flanken) herstellbar.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindungen ist das Positionierelement
zwischen Magnettasche und dem in der Magnettasche befindlichen Permanentmagnet
so angeordnet, dass der Permanentmagnet mit einer Kraft in einer
radialen Richtung zu einer äußeren Umfangsfläche des
Sekundärteils beaufschlagt
ist. Somit haben die Permanentmagnete eine definierte Position am äußeren, in
radialer Richtung des Sekundärteils
betrachtet, Rand der Magnettasche. Die während des Betriebs der Synchronmaschine
auftretenden Fliehkräfte
verändern
die Position der Permanentmagnete nicht, da diese durch das Positionierelement
mit den federnden Flanken nach außen gedrückt werden.
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Vorzugsweise
ist der jeweils in einer Magnettasche angeordnete Permanentmagnet
zumindest abschnittsweise mit der Magnettasche selbst stoffschlüssig verbunden.
Dazu weist das Positionierelement Klebstoff auf, welcher zur stoffschlüssigen Verbindung
dient und den in der Magnettasche eingebrachten Permanentmagneten
zusätzlich
fixiert. Insbesondere wird, bevor das Positionierelement in die Magnettasche
eingelegt wird, in den federnden Flanken Klebstoff eingebracht,
der sich beim anschließenden
Einschieben der Permanentmagnete verteilt. Der Klebstoff weist eine
geeignete Viskosität
auf, wobei durch das Einschieben der Permanentmagnete die Flanken
je nach Zusammentreffen der verschiedenen Fertigungstoleranzen der
einzelnen Komponenten nach unten gedrückt werden. Durch das Herunterdrücken wird
der Klebstoff in der Magnettasche verteilt und so der Permanentmagnet
fixiert.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindungen weist das Positionierelement
zumindest einen Anschlag auf, welcher das Positionierelement in axialer
Richtung in der Magnettasche positioniert. Durch einen Anschlag
am Anfang und/oder Ende des Positionierelements (Federband) wird
verhindert, dass sich dieses beim Einbringen der Permanentmagnete
verschiebt.
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Weiterhin
weist das Positionierelement zumindest zwei Winkel auf, welche den
in der Magnettasche angeordneten Permanentmagneten in axialer Richtung
fixieren. Diese Winkel werden nach dem Einbringen der Permanentmagnete
abgewinkelt bzw. umgeklappt.
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Durch
das Anordnen des Positionierelements, insbesondere als Federband
ausgeführt,
entfällt
der Verguss der Magnettasche, beispielsweise mit niedrigenviskosem
Tränkharz.
Die Permanentmagnete haben immer eine definierte Position am äußeren, in
radialer Richtung betrachtet, Rand, des Sekundärteils. Fliehkräfte verändern die
Position der Permanentmagnete nicht, da diese durch das Positionierelement
nach außen
gedrückt
werden. Für
das Einschieben der Magnete sind nur geringe Fügekräfte erforderlich. Weiterhin
ist eine einfache und kostengünstige
Möglichkeit
geschaffen, Klebstoff definiert einzubringen. Die Kraft der federnden
Flanken (Energiespeicherelemente) kann über die Stärke des Federbandes (Positionierelement)
eingestellt werden.
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Die
erfindungsgemäße permanentmagneterregte
Synchronmaschine weist ein Primärteil
mit einer ein- oder mehrphasigen Wicklung sowie ein erfindungsgemäßes Sekundärteil auf.
Das Primärteil
ist als Stator zum Anschluss an einen Drehstromnetz mit einer dreiphasigen
Wicklung ausgebildet. Das Sekundärteil
ist als Rotor ausgebildet, wobei die Synchronmaschine insbesondere
als Innenläufermaschine
ausgebildet ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines Sekundärteils
für eine
permanentmagneterregte Synchronmaschine, wobei das Sekundärteil eine
vorgebbare Anzahl an Magnetta schen zur Aufnahme von Permanentmagneten
aufweist, beinhaltet folgende Schritte:
- a)
Bereitstellen, insbesondere Stanzen, eines Positionierelements mit
Energiespeicherelementen, insbesondere federnden Flanken, zur Anordnung in
einer Magnettasche,
- b) Anbringen von Klebstoff an den federnden Flanken des Positionierelements,
- c) Anordnen, insbesondere Einschieben, ein oder mehrerer Positionierelemente
in der Magnettasche bis zum am Positionierelement befindlichen Anschlag,
- d) Einbringen, insbesondere Einschieben, eines oder mehrerer
Permanentmagnete in die Magnettasche,
- e) Abwinkeln von am Positionierelement befindlichen Winkeln
zur axialen Fixierung des in der Magnettasche angeordneten Permanentmagneten.
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten
der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei
sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle
Ausführungsbeispiele übertragbar.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäßes Sekundärteil in
einer Vorderansicht,
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2 das
erfindungsgemäße Sekundärteil gemäß 1 in
einer Draufsicht,
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3 ein
Positionierelement gemäß einer ersten
Ausgestaltung in einer perspektivischen Ansicht,
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4 ein
Positionierelement gemäß einer zweiten
Ausgestaltung in einer perspektivischen Ansicht,
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5 das
Positionierelement gemäß 4 in
einer Draufsicht,
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6 das
Positionierelement gemäß 4 in
einer Seitenansicht,
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7 ein
Positionierelement gemäß einer dritten
Ausgestaltung in einer Seitenansicht,
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8 bis 10 eine
Magnettasche mit einem Positionierelement und Permanentmagneten
in einer Vorderansicht,
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11 bis 13 eine
Magnettasche mit zwei Positionierelementen und Permanentmagneten in
einer Vorderansicht,
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14 ein
Positionierelement und Permanentmagneten in einer Seitenansicht,
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15 ein
Positionierelement mit Klebstoff bestückt,
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16 eine
Magnettasche mit Positionierelement, Permanentmagnet und Klebstoff,
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17 bis 19 ein
erfindungsgemäßes Sekundärteil in
einer perspektivischen Ansicht,
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20 eine
erfindungsgemäße permanentmagneterregte
Synchronmaschine in einer schematischen Darstellung.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Sekundärteil 1 in
einer Vorderansicht. Das Sekundärteil 1 weist
mehrere Magnettaschen 2 auf, welche zur Aufnahme von Permanentmagneten
(nicht gezeigt) dienen. Beispielhaft sind 8 Magnettaschen
dargestellt, es kann jedoch eine beliebige Anzahl an Magnettaschen 2 vorhanden
sein. Das Sekundärteil 1 ist
auf einer Welle 22 angeordnet, beispielsweise aufgeschrumpft
oder aufgepresst. Weiterhin ist die äußere Umfangsfläche 6 des
Sekundärteils 1 gezeigt.
Beispielhaft sind nur in zwei Magnettaschen 2 Positionierelemente 4 angeordnet. Üblicherweise
würde in jeder
Magnettasche 2 zumindest ein Positionierelement 4 angeordnet
sein.
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2 zeigt
das erfindungsgemäße Sekundärteil 1 gemäß 1 in
einer Draufsicht, insbesondere in einer Schnittdarstellung durch
zwei Magnettaschen 2. In 2 ist gut
zu sehen, dass das Sekundärteil 1 aus
einem Blechpaket 11 hergestellt ist. Das Blechpaket 11 ist
aus einer Vielzahl an axial hintereinander angeordneten Elektroblechen
ausgebildet. In einer Magnettasche 2 ist ein größeres Positionierelement 4 und
in einer weiteren Magnettasche 2 zwei kleinere Positionierelemente 4 angeordnet.
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Die
Positionierelemente 4 weiße mehrere Energiespeicherelemente,
welche als federnde Flanken 7 ausgebildet sind, auf. Die
federnde Flanken 7 beaufschlagen die in der Magnettasche 2 angeordneten
Permanentmagnete (nicht gezeigt) mit einer Kraft in radialer Richtung
hin zur äußeren Umfangsfläche 6 des
Sekundärteils 1.
Die Positionierelemente 4 weisen jeweils einen Anschlag 9 auf,
welcher die Positionierelemente 4 selbst in axialer Richtung
des Sekundärteils 1 positioniert.
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3 zeigt
ein Positionierelement 4 gemäß einer ersten Ausgestaltung
in einer perspektivischen Ansicht. Das Positionierelement 4 ist
als Federband mittels Stanzen hergestellt. Die federnde Flanken 7 werden
beim Stanzvorgang des Positionierelements 4 mit ausgestanzt.
Die Bandstärke
des als Federband ausgebildeten Positionierelements 4 beträgt beispielsweise
0,2 mm.
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Mit
dem Pfeil 12 ist die Montagerichtung und Montageseite für die Permanentmagnete
dargestellt. Das Positionierelement 4 weist beidseitig
ein bzw. mehrere Anschläge 9 auf,
welche das Positionierelement 4 selbst in axialer Richtung
in Bezug auf das Sekundärteil 1 positionieren.
Weiterhin sind beidseitig Winkel 10 am Positionierelement 4 vorhanden, welche
nach dem Einbringen der Permanentmagnete nach oben, das heißt in Richtung
der Permanentmagnete, abgewinkelt werden und somit diese fixieren.
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4 zeigt
ein Positionierelement 4 gemäß einer zweiten Ausgestaltung
in einer perspektivischen Ansicht. Das Positionierelement 4 entspricht im
Wesentlichen der Darstellung gemäß 3,
wobei jedoch lediglich nur drei federnde Flanken 7 dargestellt
sind. Die Winkel 10 sind gegenüber 3 ebenfalls
anders ausgeformt.
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5 zeigt
das Positionierelement 4 gemäß 4 in einer
Draufsicht und 6 in einer Seitenansicht.
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7 zeigt
ein Positionierelement 4 gemäß einer dritten Ausgestaltung
in einer Seitenansicht. Das Positionierelement 4 weist
eine große
federnde Flanke 7 auf sowie die Anschläge 9 und Winkel 10. Ein
Anschlag 9 ist bereits gemäß seiner Funktion ausgebildet,
d. h. entsprechend umgeklappt, wobei der gegenüberliegende Anschlag 9 erst
nach dem Einschieben des Positionierelements 4 abgewinkelt wird.
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8 bis 10 zeigen
eine Magnettasche 2 in drei verschiedenen Darstellungen.
Die erste Darstellung nach 8 zeigt
lediglich die Magnettasche 2 mit Aussparung 5 zur
Aufnahme eines Positionierelements 4. In der zweiten Darstellung
nach 9 ist die Magnettasche 2 mit eingelegtem
Positionierelement 4 gezeigt. Die Darstellung nach 10 zeigt zudem
den eingefügten
Permanentmagneten 3.
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11 bis 13 zeigen
eine Magnettasche 2 in drei verschiedenen Darstellungen
zur Aufnahme von mehreren Positionierelementen 4. Beispielhaft
sind in Darstellung nach 11 zwei
Aussparungen 5 zur Anordnung von Positionierelementen 4 vorgesehen.
Es können
jedoch beliebig viele Aussparungen 5 und Positionierelemente 4 angeordnet
sein. Die Darstellung nach 12 zeigt
die Magnettasche 2 mit zwei Positionierelementen 4 und
die Darstellung nach 13 zudem mit einem Permanentmagneten 3.
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14 zeigt
ein Positionierelement 4 und einen Permanentmagneten 3 bei
der Montage. Mit dem Pfeil 12 ist die Montagerichtung angedeutet.
Der Permanentmagnet 3 wird demnach über die federnden Flanken 7 geschoben,
wobei die federnden Flanken 7 den Permanentmagneten 3 mit
einer Kraft beaufschlagen, wobei die Richtung der Kraft mit den
Pfeilen 13 dargestellt ist. In einer Magnettasche 2 angeordnet,
bedeutet das, dass der Permanentmagnet 3 radial nach außen gedrückt wird.
Der Pfeil 14 zeigt die Bewegungsrichtungen der federnden
Flanken 7.
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15 zeigt
ein Positionierelement 4 mit Klebstoff 8. Vor
dem Einbringen des Positionierelements 4 in eine Magnettasche 2 wird
dieses mit niedrigviskosem Klebstoff 8 aus einem Klebstoffbehälter 15 bestückt, wobei
der Klebstoff 8 insbesondere auf die federnden Flanken 7 aufgebracht
wird.
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16 zeigt
eine Magnettasche 2 mit Positionierelement 4,
Permanentmagnet 3 und Klebstoff 8. Durch das Einschieben
des Permanentmagneten 3 auf das Positionierelement 4 wird
der Klebstoff 8 verteilt und verbindet Permanentmagnet 3 mit
Magnettasche 2 stoffschlüssig, wodurch der Permanentmagnet 3 zusätzlich fixiert
ist. Die Pfeile 13 zeigen die Kraftrichtung der federnden
Flanken 7.
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Die 17 bis 19 zeigen
jeweils ein erfindungsgemäßes Sekundärteil 1 (geschnitten
und in Ausschnitten) in einer perspektivischen Ansicht. Gut zu erkennen
ist, welche Schritte das Verfahren zur Herstellung des Sekundärteils 1,
insbesondere beim Anordnen der Permanentmagnete 3, beinhaltet:
- a) Bereitstellen, insbesondere Stanzen, eines
Positionierelements 4 mit Energiespeicherelementen, insbesondere
federnden Flanken 7, zur Anordnung in einer Magnettasche 2,
- b) Anbringen von Klebstoff 8 an den federnden Flanken 7 Elementen
des Positionierelements 4 (Schritt b) ist nicht gezeigt),
- c) Anordnen, insbesondere Einschieben, ein oder mehrerer Positionierelemente 4 in
der Magnettasche 2 bis zum am Positionierelement 4 befindlichen
Anschlag 9,
- d) Einbringen, insbesondere Einschieben, eines oder mehrerer
Permanentmagnete 3 in die Magnettasche 2,
- e) Abwinkeln von am Positionierelement 4 befindlichen
Winkeln 10 zur axialen Fixierung des in der Magnettasche 2 angeordneten
Permanentmagneten 3.
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20 zeigt
eine erfindungsgemäße permanentmagneterregte
Synchronmaschine 20 in einer schematischen Darstellung.
Die Synchronmaschine 20 umfasst ein Primärteil 21,
auch als Ständer
bezeichnet, mit einem nicht näher
dargestellten Wick lungssystem, und ein innerhalb des Primärteils 21 um eine
Drehachse 23 drehantreibbar gelagertes erfindungsgemäßes Sekundärteil 1.
Das Sekundärteil 1 ist
mit den Permanentmagneten 3 versehen, wobei die Permanentmagnete 3 jeweils
mittels eines Positionierelements 4 positioniert sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel
handelt es sich um einen zweipoligen Synchronmotor mit insgesamt
zwei Permanentmagneten 3. Dies ist aber nicht einschränkend zu
verstehen. Grundsätzlich
können
auch mehr als zwei Permanentmagnete 3 vorgesehen sein,
wobei die Permanentmagnete gleichmäßig in Umfangsrichtung des
Sekundärteils 1 verteilt
angeordnet sind und einen Erregerfluss erzeugen. Das nicht näher dargestellte
Wicklungssystem des Primärteils 21 ist
mittels eines dreisträngigen
elektrischen Anschlusses 24 an eine Umrichter-Leistungseinheit
angeschlossen (nicht gezeigt).