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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Windenergieanlage nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Ein
großer Teil der bestehenden Windenergieanlagen ist mit
schnell drehenden Generatoren ausgestattet, wobei zur Übersetzung
der relativ langsamen Umdrehungszahl des Windrades auf die Generatorumdrehungszahl
mehrstufige Getriebe eingesetzt werden. Daneben werden auch Generatoren eingesetzt,
die getriebelos mit dem Windrad gekoppelt sind. Um das Konzept des
Direktantriebs zu verwirklichen, sind die Generatoren als vielpolige,
langsam drehende, fremd oder permanent erregte Synchronmaschinen
ausgelegt.
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Diese
Bauart führt jedoch zu einer signifikanten Gewichtszunahme
im Vergleich zu Anlagen mit Getriebe, da die Sekundärteile
(Rotor bzw. Läufer) der Generatoren relativ große
Durchmesser aufweisen und mittels massiver Verbindungselemente,
wie z. B. Speichen, mit der Antriebswelle (Nabe des Windrades) verbunden
sind. Der vielpolige Magnetkreis der direkt angetriebenen Maschinen
weist einen deutlich größeren Umfang als ein Magnetkreis
einer schnell drehenden 4- oder 6-poligen, doppelt gespeisten Asynchronmaschine
auf. In der Folge treten deutlich größere Drehmomente
auf, die von der Nabe zum Sekundärteil übertragen
werden müssen. Ein Beispiel einer derartigen permanent
erregten Synchronmaschine ist in der
US 2004/0155537 A1 gezeigt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik stellt sich die Aufgabe, eine Windenergieanlage
anzugeben, bei der die Drehmomentübertragung an den Generator
verbessert wird und insbesondere Gewicht eingespart werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Windenergieanlage mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind
Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Eine
erfindungsgemäße Windenergieanlage weist an einer
Nabe angeordnete Rotorblätter und einen mit der Nabe in
Verbindung stehenden Generator auf. Erfindungsgemäß ist
die Nabe als Hohlwelle ausgebildet.
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Vorteile der Erfindung
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung kann die
Drehmomentübertragung von dem Windrad an den Generator
deutlich verbessert werden. Insbesondere wird der Abstand des elektromagnetisch
aktiven Bereichs des Generators vom Angriffspunkt der Rotorblätter
an der Nabe deutlich reduziert. Durch die Verkürzung der
radialen Übertragungswege sowohl auf Seiten des Windrades
als auch auf Seiten des Generators sind die Elemente zur Drehmomentübertragung
weit weniger massiv auszulegen. Somit kann ein Generator getriebelos
angetrieben werden, ohne die damit im Stand der Technik verbundenen
Gewichtsnachteile zu erhalten. Durch die Einsparung eines Getriebes
ergeben sich einige Vorteile wie z. B. höherer Wirkungsgrad,
weniger Verschleiß, weniger Geräusch, keine Ölverluste,
höhere Systemsteifigkeit und eine hohe Dynamik.
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Vorzugsweise
ist die Nabe als axial, vorzugsweise beidseitig, offene Hohlwelle
ausgebildet. Insbesondere erstreckt sich die Öffnung durch
die gesamte Nabe, so dass eine Luftströmung durch die Nabe
verlaufen kann. In der Folge kann die Nabe auch mit einem relativ
großen Durchmesser ausgebildet werden, ohne dass die Aerodynamik
der Gesamtanlage signifikant leiden würde. Insbesondere können
die Innenflächen der Nabe aerodynamisch günstig
ausgebildet werden, so dass insbesondere der Luftwiderstand reduziert
ist. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, innerhalb der
Nabe bestimmte Flügelflächen vorzusehen, um auf
diese Weise ebenfalls eine Drehmomenterzeugung durch die hindurch
strömende Luftströmung zu erzielen.
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In
Ausgestaltung ist die Wandstärke der Hohlwelle einer Drehmomentverteilung
angepasst. In der Folge ist die Wandstärke zweckmäßigerweise nicht
gleichmäßig, sondern variiert entlang der Haupterstreckungsrichtung
der Hohlwelle. Insbesondere nimmt die Drehmomentübertragung
entlang der Hohlwelle beginnend vom Windrad ab, so dass ebenso die
Wandstärke entlang der Hohlwelle beginnend vom Windrad
abnehmen kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist der Generator als Synchronmaschine
ausgebildet. In der Folge kann die Hohlwelle eine Permanentmagnet-
und/oder eine Elektromagnetanordnung tragen. Die Synchronmaschine
ist zweckmäßigerweise als Innenläufermaschine
ausgebildet, wobei das Sekundärteil die Hohlwelle der Windenergieanlage
umfasst oder an dieser angeordnet ist. Synchrongeneratoren haben
insbesondere den Vorteil, dass sie auch unabhängig von
einer Verbindung zu einem öffentlichen Stromnetz betriebsfähig
sind.
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Zweckmäßigerweise
ist das Sekundärteil des Generators direkt und getriebelos
mit der Nabe verbunden. Bei dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung
kann auf massive und schwere Getriebe verzichtet werden, ohne dass
dieser Vorteil durch andere massive Elemente, wie z. B. Speichen,
zur Drehmomentübertragung erkauft werden müsste.
In der Folge weist die Windenergieanlage einen deutlichen Gewichtsvorteil
gegenüber anderen direkt angetrieben Windenergieanlagen
auf.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Generator
als Innenläufer-Transversalflussgenerator mit einem Primärteil und
einem Sekundärteil ausgebildet ist, wobei das Sekundärteil
an der Hohlwelle angeordnet ist oder diese umfasst, wobei wenigstens
ein magnetischer Erreger und wenigstens eine Generatorspule zur
Erzeugung einer elektrischen Spannung vorgesehen sind, die drehfest
zueinander an dem Primärteil angeordnet sind. In der Folge
müssen nur mehr geringe Massen am Sekundärteil
bewegt werden, insbesondere Elemente, um den magnetischen Fluss
zeitlich zu variieren. Der magnetische Erreger sowie die Generatorspule
rotieren nicht und sind somit keinen Fliehkräften ausgesetzt,
was die Befestigung vereinfacht und auch eine wesentlich geringere
Stabilität und damit Masse der Baugruppen erfordert. Durch die
bevorzugte Anordnung des magnetischen Erregers sowie der Generatorspule
am Primärteil kann ohne weiteren Aufwand alternativ oder
zusätzlich zu einer Permanentmagnetanordnung auch eine
Elektromagnetanordnung verwendet werden, ohne dass Schleifringe
oder Bürsten zum Spannungsabgriff bereitgestellt werden
müssten. Auf diese Weise kann die magnetische Erregung
auch durch – im Vergleich zu Permanentmagnetanordnungen – kostengünstigere
Elektromagnetanordnungen bereitgestellt werden.
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Vorteilhafterweise
umfasst der wenigstens eine magnetische Erreger eine Permanentmagnetanordnung
und eine Elektromagnetanordnung, die jeweils mit einer eigenen Generatorspule
zur Erzeugung einer elektrischen Spannung zusammenwirken und mit
dieser ein magnetisches bzw. ein elektrisches Phasenelement bilden.
Somit bilden in Ausgestaltung ein magnetisches und ein elektrisches
Phasenelement zusammen ein Phasenmodul. Bei dieser vorteilhaften
Ausführungsform ist für ein Phasenmodul nur eine
Permanentmagnetanordnung erforderlich, wobei ein darüber
hinaus gehender Anteil der Erregung von einer Elektromagnetanordnung
bereitgestellt wird. Die Permanentmagnetanordnung weist insbesondere
segmentierte Magnete auf. Der als Hybridmaschine ausgeführte
Generator ist weniger empfindlich gegen eine schleichende Entmagnetisierung
der Permanentmagnetanordnung.
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Zweckmäßigerweise
sind die Generatorspulen eines Phasenmoduls in Reihe geschaltet,
wodurch insbesondere eine einfache Regelung bzw. ein einfacher Ausgleich
der Gesamtspannung durch die einfach zu regelnde bzw. zu beeinflussende
Spannung, die durch das elektrische Phasenelement erzeugt wird,
möglich ist.
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Der
Generator wiederum weist wenigstens ein, zwei oder vorzugsweise
wenigstens drei Phasenmodule auf. Durch das modulare Konzept der Phasenmodule
sind Transversalflussgeneratoren für eine erfindungsgemäße
Windenergieanlage aus beliebig vielen einzelnen Modulen kombinierbar,
wodurch auf einfache Weise Mehrphasen-Generatoren bereitgestellt
werden können.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung weist das Sekundärteil eine Anzahl
von Segmenten auf, die in Umfangsrichtung beabstandet und zueinander
elektrisch isoliert angeordnet sind. Die Segmente können
beispielsweise in einen magnetisch und elektrisch isolierenden Körper
(z. B. stabiler Kunststoff wie GFK), insbesondere die Hohlwelle selbst,
eingebettet sein. Die Integration von nur passiven Teilen in das
Sekundärteil spart Schleifringe o. ä. ein und
erlaubt, dass dieses beispielsweise aus dem Generator heraus nach
außen (bzw. in die Öffnung der Hohlwelle) geführt
werden kann, was eine effektive Kühlung, insbesondere bei
Windenergieanlagen, gewährleistet.
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Die
Segmente weisen in bevorzugter Ausgestaltung Pakete aus laminierten
Blechen auf, wobei die Rotationsachse der Hohlwelle parallel zu
einer Blechebene verläuft. Die gesamte rotierende Masse besteht
in diesem Fall nur aus in eine Halterung, z. B. die Hohlwelle, eingebetteten
Blechpaketsegmenten. Die Blechpakete sind zweckmäßigerweise
als einfach herzustellende Stanzteile ausgeführt und entsprechend
der magnetischen Flussrichtung innerhalb des Generators angeordnet.
Sie weisen vorzugsweise eine hohe magnetische Permeabilität μr >> 1 auf und sind somit
ferromagnetisch.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Segmente E-förmig
mit einem Rücken und drei Stegen ausgebildet, wobei die
Stege in Richtung des Primärteils weisen. Auf diese Weise
kann das Zusammenwirken der Segmente mit den Phasenelementen verbessert
werden.
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Für
weitere Details betreffend die Ausgestaltung eines geeigneten Transversalflussgenerators wird
ausdrücklich auf die am selben Tag unter dem Titel ”Phasenmodul
für einen Transversalflussgenerator, Transversalflussgenerator
und Windenergieanlage” beim Europäischen Patentamt
eingereichte Patentanmeldung derselben Anmelderin verwiesen. Ein entsprechend
ausgestalteter Transversalflussgenerator wird ausdrücklich
zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht, um eine erfindungsgemäße
Windenergieanlage weiterzubilden.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Die
Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung
schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf
die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt
eine Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausgestaltung einer
erfindungsgemäßen Windenergieanlage,
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2 zeigt
eine Frontansicht der bevorzugten Ausgestaltung gemäß 1 und
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3 zeigt
schematisch die obere Hälfte einer Schnittansicht einer
zweiten bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Windenergieanlage.
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Eine
erste bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Windenergieanlage wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 und 2 übergreifend
beschrieben, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen
sind.
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In 1 ist
die erste bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Windenergieanlage schematisch im Querschnitt dargestellt und insgesamt
mit 100 bezeichnet. In 2 ist die
Windenergieanlage 100 aus 1 in einer
Frontansicht abgebildet.
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Die
Windenergieanlage umfasst (üblicherweise drei) Rotorblätter 101,
die an einer als Hohlwelle ausgebildeten Nabe 102 angeordnet
sind. Durch die einwirkende Windkraft werden die Rotorblätter 101 und
damit die Nabe 102 in eine Drehung um eine Rotationsachse
A versetzt. Dazu ist die Nabe an den Stellen 103 drehbar
gelagert. Die Wandstärke der Hohlwelle 102 ist
nicht gleichmäßig, sondern variiert entlang der
Haupterstreckungsrichtung der Hohlwelle. Die Wandstärke
ist an die Drehmomentübertragung entlang der Hohlwelle
angepasst, so dass die Wandstärke entlang der Hohlwelle
beginnend vom Windrad abnimmt.
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Die
Windenergieanlage 100 weist weiterhin einen Generator 110 mit
einem Primärteil 111 und einem Sekundärteil 112 auf.
Der Generator 110 ist als Synchronmaschine ausgebildet,
wobei das Sekundärteil 112 den magnetischen Erreger,
der als Permanentmagnet- und/oder Elektromagnetanordnung ausgebildet
sein kann, umfasst. Das Sekundärteil 112 ist direkt
und getriebelos mit der Hohlwelle 102 verbunden. Das Primärteil 111 ist
als Generatorspulenanordnung zur Erzeugung einer Induktionsspannung
ausgebildet. Der Generator 110 ist mit einer Einheit 120 verbunden,
die notwendige Steuerungen, Transformatoren usw. umfasst.
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Die
Windenergieanlage 100 weist eine Gondel 150 auf,
in der der Generator 110, die Einheit 120 usw.
untergebracht sind. Die Gondel 150 ist mittels einer Lagerung 130 an
einem Turm 140 horizontal drehbar gelagert. Durch die Ausgestaltung
des Generators als Innenläufergenerator ist der Generator außenseitig
abstützen. Die Gondel kann dazu bspw. gabelförmig
ausgebildet sein, wobei der Generator zwischen zwei Zinken der gabelt
befestigt wird. Die Gondel muss den Generator nicht vollständig
umschließen, was einen weiteren Gewichtsvorteil mit sich
bringt. Es versteht sich, dass die Gondel den Generator dennoch
vollständig umschließen kann.
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In 3 ist
die obere Hälfte einer Schnittansicht einer zweiten bevorzugten
Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage
schematisch dargestellt und insgesamt mit 300 bezeichnet. Die
Windenergieanlage umfasst (üblicherweise drei) Rotorblätter 301,
die an einer als Hohlwelle ausgebildeten Nabe 302 angeordnet
sind. Durch die einwirkende Windkraft werden die Rotorblätter 301 und
damit die Nabe 302 in eine Drehung um eine Rotationsachse
B versetzt.
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Die
Windenergieanlage 300 weist einen Transversalflussgenerator 350 auf,
der drei Phasenmodule 351 umfasst. Der Transversalflussgenerator 350 ist
in der gezeigten Darstellung als Innenläufer mit einem
Primärteil 360 und einem Sekundärteil 370,
das um die Drehachse B drehbar gelagert ist, ausgebildet. Jedes
Phasenmodul 351 weist ein magnetisches Phasenelement 352 und
ein elektrisches Phasenelement 353 auf. Die Phasenelemente
sind an der fixierten Außenhülle 354 des
Generators, die an einer Gondel befestigt ist, angebracht.
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Das
Sekundärteil 370 weist je Phasenelement 351 eine
Anzahl von Segmenten 310 auf, die in Umfangsrichtung um
die Hohlwelle 302 voneinander beabstandet, elektrisch und
magnetisch isoliert in einem Trägermaterial, wie z. B.
Kunststoff, eingebettet sind. Das Trägermaterial kann die
Hohlwelle selbst sein. Jedes einzelne der Segmente 310 ist
in der gezeigten Darstellung E-förmig ausgebildet und besteht aus
einem Paket von laminierten Blechen. In der gezeigten Darstellung
liegen die Ebenen der Bleche der abgebildeten Segmente in der Zeichenebene.
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Jedes
magnetische Phasenelement 352 weist gezahnte, ebenfalls
aus laminierten Blechen bestehende Begrenzungselemente 361 und 362 in einer
Richtung parallel zur Rotationsachse B auf, wobei die Rotationsachse
B senkrecht auf den Ebenen der einzelnen Bleche steht. Die einzelnen
Bleche sind vorzugsweise als Stanzteile ausgeführt. Das magnetische
Phasenelement 352 weist weiterhin einen Bereich 363 geringer
relativer Permeabilität auf, der die Ausbreitung des magnetischen
Flusses in Richtung zur Rotationsachse begrenzt bzw. dämpft. Der
Bereich 363 verläuft ringförmig innerhalb
der Außenhülle 354 und ist vorzugsweise
aus einem nicht magnetischen Konstruktionsmaterial ausgebildet. Das
magnetische Phasenelement 352 weist weiterhin eine Permanentmagnetanordnung 364 auf,
die in der gezeigten Abbildung ebenfalls ringförmig ausgebildet
ist und innerhalb des Bereiches 363 verläuft. Die
Permanentmagnetanordnung 364 ist zweckmäßigerweise
aus aneinandergefügten Einzelmagneten ausgebildet. Die
Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnetanordnung 363 verläuft
radial. Das magnetische Phasenelement 352 weist schließlich eine
in Umfangsrichtung verlaufende Generatorspule 365 auf,
die zur Spannungserzeugung dient.
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Neben
jedem magnetischen Phasenelement 352 ist ein elektrisches
Phasenelement 353 angeordnet, das ähnlich aufgebaut
ist. Das elektrische Phasenelement 353 weist ebenfalls
gezahnte, geblechte Begrenzungselemente 371, 372 sowie
eine in Umfangsrichtung verlaufende Generatorspule 375 auf. Die
Zahnung des elektrischen Phasenelements 353 kann gegenüber
der Zahnung des magnetischen Phasenelements 352 verdreht
sein, um die Qualität der induzierten Gesamtspannung zu
verbessern sowie die Geräuschentwicklung zu vermindern.
Die Spannung weist in der Folge weniger Oberwellenanteile auf, was
eine negative Auswirkung auf das Netz verringert. Im Unterschied
zum magnetischen Phasenelement 352 weist das elektrische
Phasenelement 353 jedoch als magnetischen Erreger eine Elektromagnetanordnung 374 auf.
Diese ist als in Umfangsrichtung verlaufende Spule ausgebildet.
Die Elektromagnetanordnung 374 wird auf der vom Sekundärteil 370 abgewandten
Seite von einem geblechten Element 373 begrenzt. Das Element 373 ist in
der gezeigten Darstellung parallel zur Rotationsachse B geblecht,
um den von der Elektromagnetanordnung 373 ausgehenden magnetischen
Fluss entsprechend zu leiten. Das Element 373 kann beispielsweise
aus einer Anzahl ineinander angeordneter, zylinderförmiger
Bleche bestehen.
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Zur
Stromerzeugung rotiert nun das Sekundärteil 370 innerhalb
des Primärteils 360, wodurch den magnetischen
Fluss gut leitende Bereiche, die von den Segmenten 310 gebildet
werden, und den magnetischen Fluss nicht gut leitende Bereiche,
die vom Trägermaterial gebildet werden, an den einzelnen
Zähnen der magnetischen 352 und elektrischen 353 Phasenelemente
vorbeilaufen. Dadurch wird eine Flussänderung in den Generatorspulen 365 und 375 erzeugt,
die eine entsprechende Spannung induziert. Die Spulen 365 und 375 sind
zweckmäßiger weise in Reihe geschaltet, um die
erzeugte Gesamtspannung über die Elektromagnetanordnung 374 beeinflussen
zu können.
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Mit
dieser bevorzugten Lösung können Phasenmodule
bzw. Transversalflussgeneratoren bereitgestellt werden, bei denen
die zu bewegende Masse deutlich reduziert ist.
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Es
versteht sich, dass in den dargestellten Figuren nur besonders bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Daneben
ist jede andere Ausführungsform, insbesondere als Linearmaschine
usw. denkbar, ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2004/0155537
A1 [0003]