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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bremsen einer Wäschetrommel
eines Hausgeräts zur Pflege von Wäschestücken.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Hausgerät
zur Pflege von Wäschestücken.
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Aus
der Druckschrift
JP
2001 24 61 92-A ist eine Waschmaschine bekannt, bei welcher
eine Wäschetrommel mit einem Rotor eines bürstenlosen Gleichstrommotors
direkt verbunden ist. Bei dieser bekannten Waschmaschine kann die
Trommel durch Kurzschließen einer Wicklung des Stators
des Gleichstrommotors abgebremst werden. Dadurch wird erreicht,
dass die Wäschestücke von der Innenwand der Trommel
abgelöst werden.
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Beim
Kurzschließen der Wicklung des Stators zum Abbremsen der
Wäschetrommel fließt über die Wicklung
ein elektrischer Kurzschlussstrom. Die Stromstärke dieses
Kurzschlussstroms hängt unmittelbar von dem Trägheitsmoment
der Wäschetrommel ab. Ist das Trägheitsmoment
der Trommel sehr groß, so kann auch die Stromstärke
des Kurzschlussstroms sehr groß werden; und die Permanentmagnete
des Rotors können geschädigt oder die Statorwicklung
kann thermisch zerstört werden. Diese Gefahr besteht insbesondere
bei einem Direktantrieb, d. h. wenn die Wäschetrommel mit
dem Rotor des Elektromotors unmittelbar verbunden ist und das gesamte Trägheitsmoment
der Wäschetrommel auf den Elektromotor übertragen
wird.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Abbremsen einer Wäschetrommel
eines Hausgeräts sowie ein Hausgerät zu schaffen,
bei denen ein schnelles Bremsen der Wäschetrommel gewährleistet
wird, wobei den Anforderungen an den Schutz von Permanentmagneten
des Rotors und der Statorwicklung Genüge getan werden soll.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 sowie durch ein Hausgerät
mit den Merkmalen nach Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren ist zum Abbremsen
einer Wäschetrommel eines Hausgeräts zur Pflege
von Wäschestücken ausgelegt. Die Wäschetrommel
wird dabei mittels eines permanenterregten Synchronmotors über
einen Riemen angetrieben, d. h. das Hausgerät weist einen
Riemenantrieb auf. Der Synchronmotor wird mittels einer Steuereinrichtung
angesteuert. Die Wäschetrommel wird dabei mittels der Steuereinrichtung
dadurch abgebremst, dass wenigstens eine Wicklung des Stators des
Synchronmotors gegen ein Bezugspotenzial kurzgeschlossen wird.
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Unter
dem Hausgerät zur Pflege von Wäschestücken
wird hier insbesondere eine Waschmaschine verstanden. Unter den
Begriff fallen aber auch ein Wäschetrockner sowie ein Waschtrockner,
welcher sowohl zum Waschen als auch zum Trocknen von Wäschestücken
dient.
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Die
Erfindung macht die Tatsache zunutze, dass – im Gegensatz
zu Universal- und Asynchronmotoren – das Magnetfeld bei
einem permanenterregten Synchronmotor durch Permanentmagnete im Rotor
erzeugt wird und das Magnetfeld bzw. das Erregerfeld damit nicht
abschaltbar, sondern permanent wirksam ist. Wird die Wicklung des
Stators kurzgeschlossen, wird in dieser Wicklung durch die rotatorische
Bewegung und das Magnetfeld des Rotors weiterhin eine elektrische
Spannung induziert, und es fließt ein Kurzschlussstrom.
Da dem Synchronmotor beim Kurzschließen der Wicklung des
Stators keine elektrische Energie mehr zu- oder von diesem abgeführt
wird, muss nach dem Energieerhaltungssatz die gesamte kinetische
Energie des rotierenden Systems einschließlich der Wäschetrommel
und der Beladung in ohmsche Verlustenergie, d. h. in Wärme
in der Wicklung des Stators umgewandelt werden. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren wird insbesondere der Vorteil erzielt, dass die Wäschetrommel mit
deutlich größerer Verzögerung als bei
einem natürlichen Auslauf, d. h. beim Leerlauf abgebremst werden
kann. Die ersten Versuche haben gezeigt, dass sich die für
das Abbremsen des Rotors von einer Drehzahl von etwa 18000 U/min
bis zum Stillstand notwendige Zeit gegenüber dem natürlichen Trommelauslauf
von circa 115 Sekunden auf unter 30 Sekunden verkürzt.
Dabei wurde von einer maximalen Beladung der Wäschetrommel
ausgegangen.
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Der
beim Abbremsen der Wäschetrommel in der Wicklung des Stators
fließende elektrische Kurzschlussstrom darf einerseits
nicht so groß sein, dass die Permanentmagnete des Rotors
geschädigt werden oder die Wicklung des Stators selbst
thermisch zerstört wird. Andererseits sollte das resultierende Kurzschlussmoment
allerdings ausreichen, um nennenswerte Verbesserungen gegenüber
dem natürlichen Auslauf der Wäschetrommel zu erreichen.
Dies ist beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch
gewährleistet, dass die Wäschetrommel mittels
des Synchronmotors – anders als im Gegenstand gemäß Druckschrift
JP 2001 24 61 92-A – über
den Riemen angetrieben wird. Es wird auf diesem Weg erreicht, dass
nicht das gesamte Trägheitsmoment der Wäschetrommel
auf den Rotor des Synchronmotors übertragen wird, was bei
einem im Stand der Technik verwendeten Direktantrieb nachteiligerweise
der Fall ist. Der Riemenantrieb kann dabei so ausgelegt werden,
dass die Stromstärke des Kurzschlussstromes einen vorgegebenen
Schwellwert nicht überschreitet.
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Gemäß einer
Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Abbremsen der
Wäschetrommel geregelt wird. Dabei kann das Abbremsen der
Wäschetrommel im Hinblick auf eine Soll-Zeitdauer des Abbremsens
geregelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Abbremsen
der Wäschetrommel im Hinblick auf das Vermeiden einer Beschädigung
des Synchronmotors, insbesondere der Beschädigung von Permanentmagneten
des Rotors sowie der Wicklung des Stators, geregelt werden. Zum
Regeln des Abbremsens der Wäschetrommel kann die Wicklung
des Stators beispielsweise pulsweise bzw. wiederholt kurzgeschlossen
werden.
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Es
kann ein beim Abbremsen der Wäschetrommel über
die wenigstens eine Wicklung des Stators fließender elektrischer
Kurzschlussstrom gemessen werden, und das Abbremsen der Wäschetrommel
kann abhängig von Messwerten für den Kurzschlussstrom
geregelt werden. Dann kann gewährleistet werden, dass die
Stromstärke des Kurzschlussstromes einen vorbestimmten
Schwellwert nicht überschreitet. Somit können
die Permanentmagnete des Rotors sowie die Wicklung des Stators geschützt
werden.
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Bei
einer zur Regelung alternativen Ausführungsform wird die
zumindest eine Wicklung des Stators für die gesamte Zeitdauer
des Abbremsvorgangs kurzgeschlossen. Dann kommen die Vorteile der
Erfindung vollständig zum Tragen. Der Schutz des Synchronmotors
vor den Auswirkungen des Kurzschlussstromes wird dabei bevorzugt
durch die Auslegung des Riemenantriebes gewährleistet.
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Die
Stromstärke des Kurzschlussstroms kann darüber
hinaus vorteilhaft dahingehend ausgewertet werden, dass eine Beladung
der Wäschetrommel abhängig von dieser Stromstärke überwacht wird.
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Beim
Abbremsen der Wäschetrommel kann die wenigstens eine Wicklung
des Stators über einen elektrischen Schalter, insbesondere über
einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), mit dem
Bezugspotenzial gekoppelt werden. Bei permanenterregten Synchronmotoren
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn sie über einen
so genannten Inverter, d. h. Wechselrichter angesteuert werden. Solche
Inverter weisen in der Regel eine Mehrzahl von Bipolartransistoren
mit isolierter Gate-Elektrode auf. Die Inverter umfassen in der
Regel – wenn der Statur des Synchronmotors dreiphasig ausgeführt
ist – sechs solche Bipolartransistoren. Es kann also ein bereits
vorhandener Schalter zum Kurzschlussbremsen der Wäschetrommel
genutzt werden.
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Ist
der Statur wenigstens zweiphasig ausgeführt, das heißt
er weist wenigstens zwei Wicklungen auf, so wird die Wäschetrommel
bevorzugt dadurch abgebremst, dass alle Wicklungen des Stators kurzgeschlossen
werden.
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Zur
Erfindung gehört auch ein entsprechendes Hausgerät
zur Pflege von Wäschestücken, insbesondere eine
Waschmaschine, ein Wäschetrockner oder ein Waschtrockner.
Das erfindungsgemäße Hausgerät umfasst
eine Wäschetrommel zur Aufnahme von Wäschestücken.
Es umfasst außerdem einen permanenterregten Synchronmotor
zum Antreiben der Wäschetrommel, wobei der Statur des Synchronmotors
wenigstens eine Wicklung aufweist und der Rotor des Synchronmotors über
einen Riemen mit der Wäschetrommel gekoppelt ist. Das Hausgerät
umfasst ferner eine mit der wenigstens einen Wicklung des Stators
gekoppelte Steuereinrichtung zum Ansteuern des Synchronmotors. Die
Steuereinrichtung, welche insbesondere einen Inverter sowie eine
Steuereinheit umfasst, ist dazu ausgebildet, die wenigstens eine
Wicklung zum Abbremsen der Wäschetrommel gegen ein Bezugspotenzial
kurzzuschließen.
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Die
mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten
bevorzugten Ausführungsformen sowie deren Vorteile gelten
entsprechend für das erfindungsgemäße
Hausgerät.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen,
den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung
genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend
in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine
gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der
jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der beigefügten Zeichnungen näher
erläutert, wobei
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1 einen
zeitlichen Verlauf der Drehzahl eines Rotors eines permanenterregten
Synchronmotors bei erfindungsgemäßem Abbremsen
einer Wäschetrommel einer den Synchronmotor aufweisenden
Waschmaschine sowie einen Verlauf der Drehzahl des Synchronmotors
bei einem Abbremsen der Wäschetrommel gemäß dem
Stand der Technik zeigt;
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2 einen
Graphen eines beim Abbremsen der Wäschetrommel über
eine Wicklung des Stators des Synchronmotors fließenden
Kurzschlussstromes darstellt und
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3 einen
drehzahlabhängigen Verlauf eines Dauerkurzschlussstromes.
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Die
Erfindung macht von einem Hausgerät zur Pflege von Wäschestücken
Gebrauch, dessen Wäschetrommel mittels eines permanentmagneterregten
Synchronmotors über einen Riemen angetrieben wird. Das
Hausgerät weist also einen Riemenantrieb auf. Der Synchronmotor
wird mittels einer Steuereinrichtung mit einer Steuereinheit und
einem Inverter angesteuert. Im Beispiel wird von einem dreiphasig
ausgeführten Stator des Synchronmotors ausgegangen, das
heißt der Stator weist drei Wicklungen auf. Zum Abbremsen
der Wäschetrommel im Schleuderbetrieb werden alle Wicklungen
des Stators kurzgeschlossen.
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Zunächst
wird untersucht, wie das Bremsverhalten der Wäschetrommel
durch einen Motorkurzschluss beeinflusst wird und ob der Kurzschlussstrom
schädliche Auswirkungen auf den Synchronmotor hat. Grundlage
der nachfolgenden Betrachtungen ist der Schleuderbetrieb bei einer
maximalen Drehzahl in einem ungünstigsten Fall (worst case).
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Das
Trägheitsmoment der Wäschetrommel errechnet sich
zu Θdrum = 12 ·mdrum·(R2 +
r2)mit R als Trommelaußen-
und r als Trommelinnenradius sowie mdrum der
Masse der beladenen Wäschetrommel. Wird vereinfachend davon
ausgegangen, dass sich während des Schleuderns die gesamte Masse
am Trommelaußendurchmesser konzentriert, ergibt sich nun
für das Trägheitsmoment: Θdrum = mdrum·R2.
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Dieses
Trägheitsmoment muss jetzt über das Übersetzungsverhältnis ü des
Riemengetriebes auf den Synchronmotor umgerechnet werden:
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Zusammen
mit dem Trägheitsmoment Θmot des
Synchronmotors selbst folgt dann für das gesamte an der
Motorwelle wirksame Trägheitsmoment Θres = Θ1drum Θmot.
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Die
gesamte kinetische Energie des rotierenden Systems beträgt Ekin = 12 ·Θres·Ω2 mit
der Drehfrequenz des Motors Ω = 2π·nmot.
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Wird
berücksichtigt, dass die mechanische Leistung des Synchronmotors
im Kurzschlussfall der Verlustleistung entspricht, weil keine elektrische
Leistung zu- oder abgeführt wird, lässt sich über
das Momentengleichgewicht (Bewegungsgleichung)
und deren schrittweiser Integration
der zeitliche Verlauf der Motordrehzahl sowie der Motorkenngrößen im
Kurzschlussfall berechnen.
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1 zeigt
nun einen Verlauf 1 der Motordrehzahl beim Kurzschließen
der Wicklungen des Stators. In 1 ist dem
Verlauf 1 ein weiterer Drehzahlverlauf 2 gegenübergestellt,
welcher dem Verlauf der Motordrehzahl bei einem natürlichen
Auslauf der Wäschetrommel (konstantes Bremsmoment von 0,07
Nm) entspricht. Angenommen sei hier eine Wäschetrommel
mit R = 200 mm und einer resultierenden Mantellast mdrum =
12 kg. Die Startdrehzahl der Wäschetrommel beträgt
1650 U/min, dies entspricht für ü = 10,6 einer
Motordrehzahl von nmot = 17490 U/min. Die
Zeit bis zum Stillstand der Wäschetrommel reduziert sich
durch das zusätzliche Kurzschlussbremsmoment des Synchronmotors
deutlich auf unter 25% von circa 120 Sekunden auf 30 Sekunden, was
in 1 anhand der Verläufe 1 und 2 zu
erkennen ist.
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Der
beim Kurzschlussbremsen der Wäschetrommel über
die Wicklungen des Stators fließende Kurzschlussstrom verursacht
einen Anstieg der Temperatur des Synchronmotors. Es wird nun untersucht, welchen
Einfluss dieser Temperaturanstieg auf die Wicklungen des Stators
hat. Es wird nach wie vor von einem ungünstigsten Fall
ausgegangen, d. h. der Kurzschluss tritt auf, wenn im System die
maximale kinetische Energie gespeichert ist – maximale
Beladung der Wäschetrommel mit nassen Wäschestücken
konzentriert an der Innenwand der Wäschetrommel, maximale
Schleuderdrehzahl. Eine adiabate Motorerwärmung vorausgesetzt,
d. h. die gesamte Energie wird während des Bremsvorgangs
im Motor gespeichert und nicht an die Umgebung abgegeben, ergibt
sich für den Temperaturanstieg:
mit m der Masse des Verluste
erzeugenden Gebietes und c dessen spezifischer Wärmekapazität,
wobei die gesamten Verluste im Stator erzeugt werden. Wird mit einer
resultierenden Gesamtwärmekapazität des Stators,
der Gesamtmasse und der gesamten kinetischen Energie als Bremsenergie
gerechnet, ergibt sich für den ungünstigsten Fall
ein mittlerer adiabatischer Temperaturanstieg im Motor von circa Δϑ = 8
K. Rechnet man nur für die Kupferverluste, die Kupfermasse
und die spezifische Wärmekapazität der Wicklungen,
ergibt sich ein mittlerer Temperaturanstieg für die Wicklungen
von circa Δϑ = 50 K. Der tatsächliche
Maximalwert für die Motorerwärmung liegt jedoch
bei 20 bis 30 K, dies aufgrund von Wärmeleitungsvorgängen
im Motor sowie aufgrund von Wärmeabgabe durch Konvektion
während des Bremsvorgangs. Geht man davon aus, dass die
Maximaltemperatur der Wicklung vor dem Kurzschluss circa 145°C
beträgt, könnte der maximal zulässige
Wert von 155°C (Iso.-kl. F) zwar kurzzeitig überschritten werden,
eine nachhaltige Schädigung der Motorwicklung ist jedoch
nicht zu erwarten. Beträgt die maximale zulässige
Temperatur der Wicklung 180°C (Iso.-kl. H), so wird diese
beim Kurzschlussbremsen nicht überschritten. Das Kurzschlussbremsen
der Wäschetrommel hat somit keine Überhitzung
des Synchronmotors zur Folge.
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Nun
wird der Einfluss des Kurzschlussstroms auf die Permanentmagnete
des Rotors sowie auf den Inverter untersucht. Der Maximalwert des beim
Abbremsen der Wäschetrommel über die Wicklungen
des Stators fließenden Kurzschlussstroms tritt unmittelbar
nach dem Kurzschluss (Stoßkurzschlussstrom) auf und hängt
im Wesentlichen von der induzierten Leerlaufspannung U
l und
der subtransienten Recktanz X
d'' des Motors
ab. Für einen permanenterregten Synchronmotor gilt annähernd
X
d = X
d''. Ein Dauerkurzschlussstrom
beträgt näherungsweise, d. h. bei Vernachlässigung
des Widerstandes der Wicklung bzw. bei hohen Motordrehzahlen:
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Der
Maximalwert des Stoßkurzschlussstroms in einem ungünstigsten
Fall im Spannungsnulldurchgang beträgt dann
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2 zeigt
einen beispielhaften Verlauf des über eine 74 Windungen
aufweisende Wicklung fließenden Kurzschlussstroms bei einem
dreisträngigen Kurzschluss im Schleuderbetrieb bei 17500
U/min. Es ist zu erkennen, dass der Maximalwert des Kurzschlussstroms
bereits nach einer halben Periodendauer auftritt, für 17500
U/min also nach 0,43 ms. Die Stromstärke des Kurzschlussstroms
fällt dann jedoch relativ schnell auf den Dauerkurzschlussstrom
ab. Eine FEM-Berechnung (finite element method) der entmagnetisierenden
Feldstärke Hc für den
Stoßkurzschlussstrom ergibt, dass die Permanentmagnete
bis zu einer Magnettemperatur von circa 130°C keine irreversible
Entmagnetisierung erfahren, das heißt ein Kurzschluss ist
für die Permanentmagnete des Rotors in jedem Fall unkritisch,
da im normalen Betriebsfall weder im Waschbetrieb noch im Schleuderbetrieb
höhere Magnettemperaturen erreicht werden. Der Kurzschlussstrom
ist ebenfalls für den Inverter unkritisch.
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Die
vorliegende Konfiguration des Synchronmotors besitzt eine relativ
hohe Motorinduktivität, die sich aus der Induktivität
der Wicklungen sowie der vergrabenen Permanentmagnete zusammensetzt und
durch spezielle Blechschnitt- und Wicklungsauslegung beeinflusst
wird. Diese Motorinduktivität ist zur Optimierung des Feldschwächverhaltens
erforderlich, um bei moderaten Strömen im Schleuderbetrieb
hohe Motordrehzahlen zu erreichen. Durch die hohe Motorinduktivität
wird auch das Kurzschlussverhalten positiv beeinflusst, das heißt
sowohl der Dauerkurzschlussstrom ÎKS,eff als
auch der Spitzenwert des Stoßkurzschlussstroms ÎKS sind relativ niedrig. Dabei ist der Dauerkurzschlussstrom ÎKS,eff für hohe Drehzahlen relativ
konstant, das heißt weitgehend drehzahlunabhängig.
Dies, weil der Einfluss des Widerstandes gegenüber der
Synchronreaktanz vernachlässigbar klein wird und sich die
Drehzahlabhängigkeiten der induzierten Spannung und der
Synchronreaktanz aufheben. Ein drehzahlabhängiger Verlauf
des Dauerkurzschlussstroms ÎKS,eff ist
in 3 abgebildet.
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- 1,
2
- Verläufe
- ÎKS,eff
- Dauerkurzschlossstrom
- ÎKS
- Stoßkurzschlussstrom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2001246192
A [0002, 0009]
