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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Linearmaschine, insbesondere
einen Lineargenerator gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1 und eine mit einem Lineargenerator ausgeführte
Wellenenergieanlage.
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Ein
derartiger Lineargenerator ist beispielsweise in der
DE 198 57 433 A1 offenbart.
Diese elektrische Maschinen haben üblicher Weise einen
magnetisierbaren Stator mit einer Spule zum Abgreifen einer induzierten
Spannung und einen mit Bezug zu diesem magnetisierbaren Stator linear
verschiebbaren Aktuator – auch Rotor genannt. Zwischen
den Magnetfluss leitenden Elementen des Stators und des Aktuators
ist ein Luftspalt vorgesehen, so dass durch die Bewegung des Aktuators
entlang dieses Spalts eine Feldänderung erzeugbar ist,
so dass bei einer Oszillation des Aktuators eine induzierte Wechselspannung
abgreifbar ist. Üblicher Weise ist bei derartigen elektrischen
Maschinen mit linearer Relativbewegung zwischen Stator und Aktuator
der Stator ortsfest angeordnet, während der Aktuator demgegenüber
verschiebbar geführt ist. Diese Führung erfolgt
herkömmlicher Weise durch Gleitführungen, die beispielsweise
in einem Statorgehäuse vorgesehen sind, das den Aktuator
umgreift. Für die Funktion dieser elektrischen Maschine
ist es wesentlich, dass die Führung sehr exakt erfolgt,
so dass der Luftspalt zwischen Aktuator und Stator während
der Relativbewegung konstant gehalten wird.
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Nach
diesem Prinzip aufgebaute Lineargeneratoren werden beispielsweise
bei Wellenenergieanlagen eingesetzt, wie sie in dem Artikel „New Wave";
Steward Nathan; The Engineer; 29.10. bis 11.11.2007 oder unter www.awsocean.com beschrieben
sind. Bei derartigen Wellenenergieanlagen ist ein Schwimmkörper
am Meeresboden verankert und mit einem Floater ausgeführt,
der durch den Wellengang in oszillierende Bewegungen versetzt wird.
Dieser Floater des kann dann mit dem beweglichen Teil des Lineargenerators,
vorzugsweise mit dem Aktuator verbunden sein, so dass der Aktuator
aufgrund des Wellengangs eine entsprechende, oszillierende Bewegung
durchführt und entsprechend am Stator eine Wechselspannung
abgegriffen werden kann.
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Im
praktischen Einsatz der bekannten Lineargeneratoren bei Wellenenergieanlagen
zeigte es sich, dass der Floater aufgrund des sehr ungleichmäßigen
Wellengangs, der sowohl in der Frequenz als auch in der Amplitude
wetterabhängig schwankt, der sehr hohen Beschleunigungen
oder Schwingungsfrequenzen ausgesetzt sein kann, die dann auf den
Lineargenerator wirken. Dabei konnte der Luftspalt zwischen Stator
und Aktuator nicht mit der erforderlichen Präzision konstant
gehalten werden und die Führung des Lineargenerators zeigte
bereits nach vergleichsweise kurzer Betriebsdauer Verschleißerscheinungen,
so dass die Wartungsintervalle des Lineargenerators vergleichsweise
kurz gehalten werden mussten. Derart kurze Wartungsintervalle sind jedoch
im Offshore-Einsatz nur mit übermäßigem Aufwand
realisierbar.
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Demgegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Linearmaschine, insbesondere
einen Lineargenerator und eine Wellenenergieanlage zu schaffen,
deren über einen langen Zeitraum gewährleistet
ist.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich der elektrischen Linearmaschine durch
die Merkmale des Patentanspruches 1 und hinsichtlich der Wellenenergieanlage
durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruches 10 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße elektrische Linearmaschine, insbesondere
der Lineargenerator ist mit einem Aktuator und einem Stator ausgeführt,
die eine lineare Relativbewegung ermöglichen, wobei entweder
der Aktuator mit Bezug zum Stator oder der Stator mit Bezug zum
Rotor bewegbar ist. Im Unterschied zu den bekannten Lösungen
erfolgt die Führung des beweglichen Teils (Aktuator/Stator)
nicht über eine Gleitführung sondern mittels Wälzkörpern, die
an einem der Bauteile befestigt sind und entlang Führungsschienen
am anderen Bauteil abrollen. Dabei wird es bevorzugt, wenn die Wälzkörper
der Wälzlagerung in zumindest einem Führungswagen aufgenommen
sind, der entlang der Führungsschiene abrollt. Es zeigte
sich, dass mit einer derartigen Wälzlagerung zwischen Stator
und Aktuator der Luftspalt mit der gewünschten Präzision
konstant gehalten werden kann und auch hohe Beschleunigungen und
Frequenzen des beweglichen Teils verlustfrei umgesetzt werden können.
Durch diese Wälzlagerung ist es möglich, den Lineargenerator
mit minimaler innerer Reibung und somit geringen Verlusten und sehr
langer Lebensdauer auszuführen.
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Erfindungsgemäß wird
es bevorzugt, wenn die Wälzkörper Rollen sind,
so dass die Wälzlagerung als Rollenschienenführung
ausgeführt ist.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Führung
des beweglichen Teils entlang zwei Schienen, denen jeweils zumindest
ein, vorzugsweise mehrere Führungswagen zugeordnet sind.
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Wie
bereits vorstehend ausgeführt, kann die Schiene der Rollenschienenführung
am Aktuator und der oder die Führungswagen am Stator angeordnet werden – prinzipiell
ist jedoch auch eine kinematische Umkehr möglich.
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Bei
einem besonders einfach ausgeführten Ausführungsbeispiel
sind die den Magnetfluss führenden Elemente des Aktuators
auf einer zu den mit Schienen versehenen Seitenflächen
des Aktuators benachbarten Großfläche angeordnet,
die durch den Luftspalt zu den statorseitigen den Magnetfluss führenden
Elementen beabstandet ist.
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Bei
einer besonders kompakten Lösung umgreift ein Statorgehäuse
den Rotor.
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Zur
Erhöhung der Präzision kann die Wälzlagerung
mit einer Vorspannung ausgeführt sein.
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Die
Lebensdauer der elektrischen Linearmaschine lässt sich
weiter verlängern, wenn die Linearführung zu den
sonstigen Elementen abgedeckt ist und mit einem Langzeitschmierungssystem
ausgeführt wird.
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Bei
einer Variante der Erfindung ist die Linearmaschine als permanentmagneterregte
Synchronmaschine ausgeführt.
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Die
erfindungsgemäße Wellenenergieanlage hat einen
Schwimmkörper, der in Wirkverbindung mit einem elektrischen
Generator steht, so dass eine durch Wellenenergie verursachte Bewegung
des Schwimmkörpers zur Erzeugung elektrischer Energie nutzbar
ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept
ist dieser elektrische Generator ein Lineargenerator der vorbeschriebenen
Bauweise.
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Da
der Floater aufgrund des ungleichmäßige Wellengangs
mit in Horizontalrichtung wirkenden Kräften beaufschlagt
wird, kann zur Kompensation eines Querversatzes die Kopplung zwischen
dem Floater und dem Lineargenerator über eine Kreuzführung
erfolgen, wie sie beispielsweise bei Werkzeugmaschinen (X-Y-Schlitten)
verwendet wird.
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Selbstverständlich
können auch anders geartete Einrichtungen zur Kompensation
oder Abstützung der in Horizontalrichtung wirkenden Querbewegungen
des Schwimmkörpers verwendet werden.
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Bei
einer besonders kompakt bauenden Lösung ist der Lineargenerator
in den Schwimmkörper integriert.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden
anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Wellenenergieanlage mit einem erfindungsgemäßen Lineargenerator;
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2 eine
Prinzipdarstellung einer Rollenschienenführung des Lineargenerators
aus 2 und
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3 eine
Verbindungseinrichtung zur Ankopplung des Lineargenerators an einen
Schwimmkörper der Wellenenergieanlage aus 1.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Wellenenergieanlage 1, über
die im Wellengang gespeicherte Energie in elektrische Energie verwandelt werden.
Die Wellenenergieanlage besteht im Wesentlichen aus einem Schwimmkörper 2,
der beispielsweise unter der Wasseroberfläche gelagert
ist und dessen durch den Wellengang verursachte oszillierende Bewegung
auf einen Lineargenerator 4 übertragen wird. Ein
derartiges Power-Take-Off (PTO) wird am Meeresboden verankert, wobei
eine Vielzahl der dargestellten Einheiten parallel geschaltet ist.
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Das
Gewicht und das Volumen des Schwimmkörpers 2 sind
so ausgelegt, dass er vom Wellengang relativ verzögerungsfrei
mitgenommen werden kann. Als Schwimm- oder Schwingkörper 2 kann
beispielsweise eine Konstruktion verwendet werden, wie sie von der
Firma Archimedes Wave Swing, Ltd. Entwickelt wurde (siehe Beschreibungseinleitung).
Dabei ist der Schwimmkörper 2 über ein fachwerkartiges
Gestell 6 und ein Universalgelenk 8 an einem am
Meeresboden 10 aufliegenden Fundament 12 gelagert.
Der Schwimmkörper 2 besteht im Wesentlichen aus
einem glockenförmigen Floater 14, der über
eine Membran 16 mit einer am Gestell 6 verankerten
gehäuseartigen Basis 18 verbunden ist. Der Floater 14 ist
in Vertikalrichtung bewegbar am Gestell 6 geführt
(nicht gezeigt) und mit einem hinreichenden Auftrieb ausgeführt
oder über geeignete Vorspanneinrichtungen (pneumatisch,
hydraulisch) versehen, so dass er in einer Grundposition im Abstand
zur Basis 18 vorgespannt ist und aufgrund des Wellengangs
hin zur Basis 18 bewegt wird und somit die eingangs beschriebene
oszillierende Bewegung durchführt.
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Der
Lineargenerator 4 ist in der Basis 18 verankert – prinzipiell
können auch mehrere Lineargeneratoren 4 parallel
angeordnet werden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
hat der Lineargenerator 4 einen fest mit der Basis 18 verankerten
Stator (Induktor) 20, der beispielsweise aus einem Statorblechpaket
mit Nuten 22 besteht, in die eine Wicklung eingelegt ist,
an der die induzierte Spannung abgegriffen werden kann. Der etwa
zylinderförmige Stator 20 umgreift einen Aktuator 24,
der über eine Verbindungseinrichtung 26 mit dem
Floater 14 verbunden ist und somit dessen oszillierender
Bewegung folgt. Die Verbindungseinrichtung 26 ist derart
ausgebildet, dass sie einen Ausgleich von Querbewegungen in Pfeilrichtung
Q des Floaters 14 ermöglicht.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durchsetzt
der Aktuator 24 den Stator 20 in Axialrichtung
und hat einen etwa rechteckförmigen Querschnitt, dessen
parallel zur Zeichenebene verlaufenden Großflächen
mit den den magnetischen Fluss leitenden Elementen ausgeführt
ist. Der dargestellte Lineargenerator 4 ist als Permanentmagnet
erregter (PM) Synchrongenerator ausgeführt, wobei der Aktuator 24 an
den genannten Großflächen mit einer Vielzahl von
Permanentmagneten, magnetischen Isolatoren und lamellierten bzw.
segmentierten Flussleitelementen besteht, die in der Darstellung
gemäß 1 lediglich angedeutet sind.
Diese Elemente wirken mit der Wicklung des Stators 20 zusammen,
wobei beispielsweise während der Oszillationsbewegung des
Aktuators der Abschnitt eines Permanentmagneten zwischen einem ersten
Pol und einem zweiten Pol des Stators hin und her bewegt wird und über
das benachbarte Flussleitelement jeweils der magnetische Kreis geschlossen
wird.
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Die
Funktion derartiger Lineargeneratoren ist bekannt, so dass weitere
Erläuterungen entbehrlich sind.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung ist der Aktuator 24 über
eine Linearführung im Stator 20 geführt,
die im Folgenden näher erläutert wird.
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In 2 ist
der prinzipielle Grundaufbau der Führung des Aktuators 24 im
Stator 20 dargestellt. Wie bereits dargelegt, hat der Aktuator 24 einen
etwa rechteckförmigen Querschnitt mit zwei Großflächen 28, 30,
in deren Bereich die vorbeschriebenen flussleitenden Elemente angeordnet
sind und zwei etwa senkrecht dazu verlaufende Seitenflächen 32, 34. Der
Aktuator 24 kann natürlich auch mit anderen Querschnitten
ausgeführt werden.
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Das
etwa zylinderförmige Gehäuse des Stators 20 ist
mit einer entsprechenden Führungsausnehmung versehen, von
der in 2 lediglich eine Seitenwandung 36 dargestellt
ist. Entsprechend der Geometrie des Stators 20 ist diese
Führungsausnehmung des Stators 20 ebenfalls mit
einem rechteckförmigen Querschnitt ausgeführt,
wobei die vorgenannten Nuten 22 an den parallel zu den
Großflächen 28, 30 verlaufenden
Wandungen ausgebildet sind, wobei zwischen diesen Bereichen der
eingangs genannte Luftspalt vorgesehen ist. Die Führung
des Aktuators 24 erfolgt erfindungsgemäß nicht
durch eine Gleitführung sondern durch eine Wälzführung,
wobei eine Rollenschienenführung bevorzugt wird. Derartige Rollenschienenführungen
sind beispielsweise in dem von der Anmelderin herausgegebenen Datenblatt R310DE
2302 (2006.04) beschrieben, so dass hier nur die zum Verständnis
der Erfindung wesentlichen Bauelemente erläutert und im übrigen
auf den Stand der Technik verwiesen werden kann.
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Gemäß 2 ist
an jeder Seitenfläche 32, 34 des Aktuators 24 eine
Führungsschiene 38, 40 befestigt. Diese
kann beispielsweise – wie im vorbeschriebenen Datenblatt
erläutert – als V-Führungsschiene mit
V-förmigen Führungsflächen ausgeführt sein.
Diese Führungsschienen 38, 40 werden
mit dem Aktuator 24 verschraubt und erstrecken sich gemäß der
Darstellung in 1 im Wesentlichen entlang der
gesamten wirksamen Seitenlänge des Aktuators 24.
An den Seitenwandungen 36 der Führungsausnehmung
des Stators 20 ist eine Vielzahl von Führungswagen 42 ausgeführt,
in denen umlaufende Führungsrollen aufgenommen sind, die
entlang der V-förmigen Führungsflächen
abrollen und in einem entsprechenden Käfig des Führungswagens 42 geführt
sind. Derartige Rollenschienenführungen werden beispielsweise
bei Werkzeugmaschinen oder Spritzgießmaschinen eingesetzt.
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Zur
Erhöhung der Führungspräzision können die
Rollen der Führungswagen 42 mit einer Vorspannung
beaufschlagt werden. Die Führungswagen 42 sind
mit einem Langzeitschmiersystem ausgeführt, um den Verschleiß zu
minimieren. Dabei können die Führungswagen auch
an eine Öl-Zentralschmierung angeschlossen sein. Zur Minimierung
von Leckagen können an den Führungswagen 42 stirnseitig
Abstreifer 46 oder Dichtungen angeordnet sein. Diese Abstreifer-/Dichtungssysteme
sollten jedoch mit einer möglichst geringen Reibung wirken,
um den Wirkungsgrad des Lineargenerators nicht negativ zu beeinträchtigen.
Bei geeigneter Ausgestaltung des Schmiersystems kann unter Umständen
auch auf eine Dichtung verzichtet werden.
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Durch
die beidseitige Führung mit jeweils einer Führungsschiene 40, 42 und
einer Vielzahl von statorseitigen Führungswagen 42 ist
eine äußerst präzise, spielfreie Führung
des Aktuators 24 gewährleistet, so dass der Luftspalt
zwischen den statorseitigen und den aktuatorseitigen flussleitenden
Elementen während des Wellengangs konstant gehalten werden
kann. Prinzipiell können anstelle der beschriebenen Rollenschienenführung
auch andere Wälzlagerungen vorgesehen werden. Die Montage der
Schienen 38, 40 und der Führungswagen 42 sollte
mit hoher Präzision erfolgen, wobei beispielsweise zur
Montage lehrenförmige Abstimmbleche verwendet werden können.
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Gemäß 1 ist
der Stator 20 des Lineargenerators 4 in der ein
Gehäuse ausbildenden Basis 18 aufgenommen. Zur
Vermeidung einer Verschmutzung der Führung können
die Führungselemente 38, 40; 42 durch
geeignete, hier nicht dargestellte Abdeckungen gegenüber
den sonstigen, in der Basis 18 aufgenommenen Bauelementen
abgedeckt sein.
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Obwohl
der Floater 14 exakt in dem Gestell 6 in Vertikalrichtung
geführt ist, kann es aufgrund von Strömungskräften
und Querkraftkomponenten des Wellengangs nicht ausgeschlossen werden,
dass der Floater 14 auch mit in Q-Richtung wirksamen Kräften beaufschlagt
wird. Diese in Horizontalrichtung auf den Floater 14 wirkenden
Kräfte können zu einem vorzeitigen Verschleiß und
zu einer erhöhten Reibung und somit zu einer Verschlechterung
des Wirkungsgrades und einer Beschädigung des Lineargenerators 4 führen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird
die Übertragung dieser Querkräfte Q auf den Lineargenerator 4 über
die geeignet ausgeführte Verbindungseinrichtung 26 verhindert.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Verbindungseinrichtung 26 gemäß 3 als
Kreuzschlitten ausgeführt, wie er beispielsweise bei Werkzeugmaschinen
eingesetzt wird. Ein derartiger Kreuzschlitten 26 hat zwei
rechtwinklig zueinander angeordnete Führungstische 48, 50,
die über eine Kreuzführung 52 mit einander
verbunden sind. Diese Kreuzführung ermöglicht
eine Relativverstellung der beiden Führungstische 48, 50 in
X- und Y-Richtung. Dabei ist der Führungstisch 48 in
X-Richtung entlang von X-Führungen 54 und Y-Führungen 56 spielfrei
geführt und – wie in 1 mit dem
schwarzen Dreieck angedeutet – mit dem Floater 14 fest
verbunden. Der unten liegende Führungstisch 50 ist – wie
mit dem Dreieck angedeutet – an den Aktuator 24 des
Lineargenerators 20 angekoppelt, so dass Querbewegungen
des Floaters 14 durch die Relativverschiebung der beiden
Führungstische 48, 50 in X- und Y-Richtung
ausgeglichen werden können. Derartige X- und Y-Führungen
sind aus der Literatur zu Werkzeugmaschinen hinlänglich
bekannt und lassen sich in einer Vielzahl von Varianten ausführen,
so dass sich eine Detailbeschreibung erübrigt.
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Anstelle
des in 3 dargestellten Kreuzschlittens können
selbstverständlich auch andere Konstruktionen eingesetzt
werden, um eine Übertragung von Querbewegungen des Floaters 14 auf
den Aktuator 24 zu vermeiden. So kann beispielsweise die
Anbindung des Aktuators 24 an den Floater 14 über
eine Seilkonstruktion erfolgen, die eine spielfreie Übertragung
der Zugkräfte in Vertikalrichtung ermöglicht,
jedoch keine Querkräfte (Q) übertragen kann.
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Offenbart
sind eine elektrische Linearmaschine und eine mit einer derartigen
Linearmaschine ausgeführte Wellenenergieanlage. Die elektrische
Linearmaschine ist vorzugsweise als Lineargenerator ausgeführt
und hat einen Aktuator, der an einem Stator linear verschiebbar
ausgeführt ist. Die Führung des Aktuators erfolgt über
eine Linearführung, die erfindungsgemäß als
Wälzführung ausgebildet ist.
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- 1
- Wellenenergieanlage
- 2
- Schwimmkörper
- 4
- Lineargenerator
- 6
- Gestell
- 8
- Universalgelenk
- 10
- Meeresboden
- 12
- Fundament
- 14
- Floater
- 16
- Membran
- 18
- Basis
- 20
- Stator
- 22
- Nuten
- 24
- Aktuator
- 26
- Verbindungseinrichtung
- 28
- Großfläche
- 30
- Großfläche
- 32
- Seitenfläche
- 34
- Seitenfläche
- 36
- Seitenwandung
- 38
- Führungsschiene
- 40
- Führungsschiene
- 42
- Führungswagen
- 44
- Führungsfläche
- 46
- Abstreifer
- 48
- Führungstisch
- 50
- Führungstisch
- 52
- Kreuzführung
- 54
- X-Führung
- 56
- Y-Führung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „New
Wave”; Steward Nathan; The Engineer; 29.10. bis 11.11.2007
oder unter www.awsocean.com [0003]