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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines geberlosen Elektromotors, insbesondere eines Werkzeugmaschinenantriebs. Das genannte Verfahren und die genannte Vorrichtung finden Anwendung in technischen Bereichen, in denen Werkzeugmaschinen mittels eines Elektromotors angetrieben werden.
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Ein geberloser Betrieb eines Elektromotors, also ein Betrieb eines Elektromotors ohne Drehzahlgeber ist bei vielen Applikationen zum Antrieb von Werkzeugmaschinen von großer Bedeutung. Gründe hierfür sind einerseits eine Kosteneinsparung und andererseits die Zuverlässigkeit der Antriebe, da ohne Drehzahlsensoren auch keine dadurch bedingten Ausfälle verursacht werden können.
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Ein innerhalb eines Antriebs, insbesondere eines Werkzeugmaschinenantriebs, eingesetzter geberloser Elektromotor wird im unteren Drehzahlbereich, beispielsweise innerhalb eines Drehzahlbereichs von etwa 10% der Nenndrehzahl, gesteuert gefahren. Grund hierfür ist, dass das Motormodell in diesem Bereich keinen Drehzahlistwert bereitstellen kann, welcher zur Regelung des Elektromotors erforderlich ist. Wird der Elektromotor im geberlosen Betrieb mit einer zu hohen Frequenzänderung oder einem zu hohen Drehzahlhub beschleunigt oder gebremst, so droht der Elektromotor zu „kippen“. Das sogenannte „Kippen“ eines Elektromotors bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Elektromotor der Frequenzänderung bzw. dem geforderten Drehzahlhub nicht folgen kann und dadurch einen maximal zulässigen Schlupfwert erreicht hat, weshalb das Drehmoment des Elektromotors plötzlich zusammenbricht. Dies führt dazu, dass der Elektromotor nicht mehr beschleunigt oder kein für den Antrieb erforderliches Drehmoment mehr liefert.
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Wird demgegenüber der Elektromotor mit einer entsprechend niedrigen Frequenzänderung bzw. einem entsprechend geringen Drehzahlhub beschleunigt oder gebremst, so würde zum Beschleunigen und Bremsen verfügbare Zeit nicht genutzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Ansteuerung eines insbesondere in einem Werkzeugmaschinenantrieb eingesetzten Elektromotors ein besonders geeignetes Verfahren anzugeben, das eine möglichst zeitsparende Beschleunigt bzw. Abbremsung des Elektromotors ermöglicht. Des Weiteren soll eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.
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Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
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Hierzu sieht das Verfahren vor, während eines geberlosen Regelbetriebs des Elektromotors den Motorstrom und die Motorspannung zu erfassen und daraus die Drehzahl und das Drehmoment des Elektromotors zu ermittelt. Basierend auf der Beziehung
J = M / 2π·dn/dt bzw.
wird das Trägheitsmoment J des Elektromotors anhand des Drehmoments M berechnet und aus dem berechneten Trägheitsmoment ein Steuerdrehmoment ermittelt. Dieses wird mit einem mittels eines Reglers aus einer Drehzahlabweichung von einem Drehzahlsollwert ermittelten Drehmomentregelwert verknüpft und als Drehmomentsollwert einem Steuerglied zur Einstellung des Motorstroms bzw. der Motorspannung zugeführt.
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Solange die Drehzahl des Elektromotors eine Mindestdrehzahl unterschreitet, also insbesondere beim An- oder Hochfahren des Elektromotors aus dem Stand bis zu einer solchen Drehzahl (Mindestdrehzahl), bei der die Regelung einen Drehzahlistwert liefert, erhält das Steuerglied als Eingangsgröße ein aus einem vorgegebenen Trägheitsmoment generiertes Steuer- oder Vorsteuerdrehmoment. Dies entspricht dem geberlosen Steuerbetriebs.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass aus der Kenntnis des Trägheitsmoments des Elektromotors beziehungsweise des Antriebs abgeleitet werden kann, mit welcher Frequenzänderung bzw. mit welchem Drehzahlhub der Elektromotor beschleunigt oder gebremst werden kann, ohne dass der Elektromotor kippt. Um das Kippen des Elektromotors während dessen gesteuerter Beschleunigung bzw. Abbremsung zu vermeiden, sollte die maximal einstellbare Frequenz- bzw. Drehzahländerung, also die maximal zulässige Drehzahlbeschleunigung des Elektromotors, dem Trägheitsmoment des Elektromotors bzw. dem Antriebs angepasst werden.
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Im gesteuerten Betrieb des Elektromotors, in dem ein Regelbetrieb aufgrund der fehlenden Information des Drehzahl- bzw. Drehmomentistwertes nicht möglich ist, wird dem Steuerglied geeigneterweise ein maximales Trägheitsmoment zur Einstellung des Motorstroms bzw. der Motorspannung vorgegeben.
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Es ist möglich, einen Drehzahlbeschleunigungswert (Drehzahlhub) für das größte auftretende Trägheitsmoment fest einzustellen und den Elektromotor stets mit diesem Drehzahlbeschleunigungswert zu beschleunigen und abzubremsen. Allerdings würde dann der Elektromotor zu einem Unterschwingen im Führungsverhalten, insbesondere im geregelten Betrieb, neigen. Dies würde zu einer unerwünscht zeitintensiven Beschleunigung oder Abbremsung des Elektromotors führen, wenn das tatsächliche Trägheitsmoment deutlich kleiner ist als das fest eingestellte Trägheitsmoment. Zudem führt dies zu Problemen bei Motorspindeln, die mit wechselnden Werkzeugen mit unterschiedlicher Trägheit bestückt werden und somit unterschiedliche maximale Drehzahlbeschleunigungen aufweisen.
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Denkbar wäre auch, mehrere Datensätze anzulegen, in denen bestimmte Trägheitsmomente für alle Werkzeuge hinterlegt sind, die dann werkzeugspezifisch angewählt werden. Dies erfordert jedoch einen zusätzlichen Datenspeicher zum Speichern der mehreren Datensätze von Trägheitsmomenten und führt somit zu einem unerwünschten Mehraufwand sowie zu entsprechenden Zusatzkosten.
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Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass die maximale Drehzahlveränderung beim Beschleunigen oder Abbremsen des Elektromotors stets abhängig von dem Trägheitsmoment des Elektromotors inklusive des aufgespannten Werkzeugs ausgewählt werden sollte, damit der Elektromotor ohne Unterschwingverhalten oder Kippen beschleunigt und abgebremst werden kann.
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Gemäß der Erfindung wird daher ein besonders geeignetes Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors eines Werkzeugmaschinenantriebs bereitgestellt, bei dem der Elektromotor bis zur Minimaldrehzahl, die beispielsweise etwa 10% der Nenndrehzahl entspricht, im geberlosen Steuerbetrieb angefahren und beschleunigt wird. Während dieses Steuerbetriebs wird anhand des vorzugsweise maximalen Trägheitsmoments ein von einer Vorsteuerung ausgegebenes Steuer- oder Vorsteuerdrehmoment herangezogen, aus dem mittels des Stellgliedes der Motorstrom eingestellt wird.
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Ist die Minimaldrehzahl erreicht oder überschritten, so ist der geberlose Regelbetrieb möglich und es wird zusätzlich zu dem Drehmomentregelwert ein Steuerdrehmoment aus dem während des Regelbetriebs berechneten Trägheitsmoment ermittelt. Das mit dem Drehmomentregelwert verknüpfte Steuerdrehmoment dient für das im Regelbetrieb als Stromregler arbeitende Steuerglied als Drehmomentsollwert.
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Durch Heranziehen des ermittelten Trägheitsmoments kann die zum Beschleunigen und zum Abbremsen des Elektromotors maximal mögliche Drehzahlveränderung bzw. Drehzahlbeschleunigung bereits im Anschluss an den Übergang vom Steuerbetrieb zum Regelbetriebs des Elektromotors einstellt werden, ohne dass der Elektromotor kippt bzw. unter- oder überschwingt. Der Elektromotor kann daher mit dem maximal zulässigen Drehzahlhub vom gesteuerten Betrieb zum geregelten Betrieb beschleunigt und umgekehrt von dem geregelten Betrieb zum gesteuerten Betrieb abgebremst werden. Dadurch ist ein unterschwingungsfreies und zugleich zeitsparendes Beschleunigen bzw. Abbremsen des Elektromotors ermöglicht.
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Der Wechsel eines Werkzeugs, welches der Elektromotor antreibt, wird vorteilhafterweise mittels einer Impulssperre signalisiert, die anzeigt, dass der Elektromotor stromlos und somit drehmomentfrei gesetzt ist. Das Vorliegen einer Impulssperre ist ein Kriterium dafür, dass das Werkzeug getauscht wurde und somit mit einem geänderten Trägheitsmoment gerechnet werden muss. Alternativ kann die Impulssperre durch einen beispielsweise manuell betätigbaren Schalter ersetzt werden, wobei beim Tauschen des Werkzeugs der Schalter betätigt wird.
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Beim erneuten Hochfahren des Elektromotors wird dieser wiederum zunächst unter Vorgabe des maximalen Trägheitsmoments bis zum Erreichen der Minimaldrehzahl im reinen Steuerbetrieb beschleunigt und kann im anschließenden Regelbetrieb auf der Grundlage des berechneten Trägheitsmomentes mit dem maximalen Drehzahlhub bis zur gewünschte oder vorgegebenen Solldrehzahl weiter beschleunigt werden.
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Damit ist ein Verfahren geschaffen, welches ohne Datensatzumschaltung ein sicheres, zeitoptimales und überschwingungsfreies Hochfahren des Elektromotors im geberlosen Betrieb ermöglicht, obwohl das Trägheitsmoments des Elektromotors und seiner Last erheblich variieren kann. Dieses Verfahren ist einfach zu realisieren, da die Ermittlung der Drehzahl und des Drehmoments zum Berechnen des Trägheitsmoments mittels des bereits vorhandenen Motormodells automatisch erfolgen kann. Eine aufwendige Inbetriebnahme für mehrere Trägheitsmomente entfällt.
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Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
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Hierzu umfasst die Vorrichtung zur Ansteuerung eines geberlosen Elektromotors erste Mittel zur Erfassung des Motorstroms und der Motorspannung sowie zweite Mitteln zur Ermittlung der Drehzahl und des Drehmomente sowie zur Berechnung des Trägheitsmoments des Elektromotors aus dem erfassten Motorstrom und aus der erfassten Motorspannung. Ein Regler, insbesondere eine PI-Momentenregler, ermittelt aus einer Drehzahlabweichung von einem Drehzahlsollwert einen Drehmomentregelwert.
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Zur Erzeugung eines Steuerdrehmoments in Abhängigkeit vom Trägheitsmoment dient eine Vorsteuerung, die einem Steuerglied als Eingangsgröße ein aus einem vorgegebenen Trägheitsmoment generiertes Steuerdrehmoment liefert und den Motorstrom bzw. die Motorspannung für einen gesteuerten Betrieb des Elektromotors einstellt, wenn die Drehzahl des geberlosen Elektromotors im Steuer- oder Vorsteuerbetrieb eine Mindestdrehzahl unterschreitet.
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Ist die Mindestdrehzahl erreicht bzw. überschritten, so erhält das Steuerglied für den Regelbetrieb des Elektromotors als Eingangsgröße einen Drehmomentsollwert, der aus dem Drehmomentregelwert des Reglers (Momentenreglers) und aus einem aus dem ermittelten Trägheitsmoment bestimmten Steuerdrehmoment der Vorsteuerung gebildet ist. Zur Ermittlung des Steuerdrehmomentes erhält die Vorsteuerung geeigneterweise zusätzlich motorspezifische Kenndaten.
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Die Vorrichtung und das Verfahren sind besonders geeignet zum Ansteuern eines Elektromotors eines Werkzeugmaschinenan- triebs, bei dem betriebsbedingte Werkzeugwechsel üblich sind, die zu einer Änderung des Trägheitsmoments des Elektromotors bzw. des Antriebs führen.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur schematisch eine Steuer- und Regelstruktur mit Funktionsbausteinen einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors eines Werkzeugmaschinenantriebs.
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Dargestellt ist ein nachfolgend auch als Antrieb bezeichneter Werkzeugmaschinenantrieb 1 mit einem Elektromotor 2, an den über eine Motorspindel 3 ein erstes Werkzeug 4 und ein zweites Werkzeug 5 ankoppelbar und somit von diesem antreibbar sind. Ein Stellglied 6 dient nach Art eines Stromreglers beispielsweise im Zusammenwirken mit einem nicht näher dargestellten Umrichter oder Wandler zur Generierung eines dreiphasigen Motorstroms IM, der mittels einer Messeinrichtung 7 erfasst zusammen mit einem ebenfalls erfassten Messwert der Motorspannung UM an einen Funktionsbaustein 8 geführt wird.
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Ein dem Steuerglied 6 vorgeordneter Regler 9, der vorzugsweise als PI-Momentenregler arbeitet, erhält eingangsseitig von einem Vergleichsglied 10 eine Regeldifferenz ne als Drehzahlabweichung eines Drehzahlistwertes ni von einem Drehzahlsollwert ns. Der Drehzahlsollwert ns wird im Ausführungsbeispiel von einer Vorsteuerung 11 geliefert, die ausgangsseitig ein Steuerdrehmoment (Vorsteuerdrehmoment) MV an ein Verknüpfungsglied 12 liefert. Dieses Verknüpfungsglied 12 verknüpft das ermittelte Steuerdrehmoment MSt mit einem vom Regler 9 erzeugten Drehmomentregelwert MR zu einem Drehmomentsollwert Ms.
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Der Drehmomentsollwert Ms wird dem Stellglied 6 als Eingangsgröße zugeführt. Dem Stellglied 6 wird zudem der gemessene Motorstrom IM als Stromistwert zugeführt, der dem aus dem Drehmomentsollwert Ms abgeleiteten Stromsollwert nachgeführt wird. Das Stellglied 6 übernimmt bzw. enthält daher auch die Funktion eines Stromreglers der vorliegenden Steuer- und Regelvorrichtung.
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Ab einer Minimaldrehzahl, die beispielsweise 10% der Nenndrehzahl des Elektromotors 2 beträgt, wird der Elektromotor 2 im geberlosen Regelbetrieb angesteuert. Hierzu wird mittels des Funktionsbausteins 8 anhand des erfassten Motorstroms IM und der erfassten Motorspannung UM der Drehzahlistwert ni ermittelt. Dieser ergibt sich im Wesentlichen aus der in die Motorwicklungen des Elektromotors 2 induzierten Spannung oder Induktionsspannung, die mittels eines Motormodells aus der um einen bestimmten Wert verminderten gemessenen Motorspannung UM berechnet wird.
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Mittels des Funktionsbausteins 8 wird zudem das Drehmoment M mittels des Motormodells als Quotient aus dem Produkt der aus der gemessenen Motorspannung Um ermittelten Induktionsspannung Uind und dem relevanten Anteil des gemessenen Motorstroms Im sowie dem Drehzahlistwertes ni berechnet. Gemäß der Beziehung IM·cosφ ist der gemessene Motorstrom IM mit dem cosinus des Winkels φ zwischen der induzierten Spannung bzw. Induktionsspannung Uind und dem Stromraumzeiger gewichtet.
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Das Funktionsmodul 8 berechnet zudem gemäß der Beziehung J = M / 2π·dn/dt mit M ≅ (IM·cosφ)·Uind
das aktuelle Trägheitsmoment Jb des Werkzeugmaschinenantriebs 1, d.h. des Elektromotors 2 inklusive der Motorspindel 3 und des aktuell angekoppelten Werkzeugs 4. Anhand dieses Trägheitsmomentes Jb ermittelt die Vorsteuerung 11 das Steuerdrehmoment MSt. Hierzu werden der Vorsteuerung 11 auch motorspezifische Daten oder Parameter KM zur Verfügung gestellt.
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Aufgrund der Verknüpfung des im Regelbetrieb vom Regler 9 generierten Drehmomentregelwertes MR mit dem seitens der Vor- steuerung 11 aus dem aktuell berechneten Trägheitsmoment Jb erzeugten Steuermoment MSt kann der auch um einen großen Drehzahlhub bzw. eine hohe Frequenzänderung als Führungsgröße vorgegebene Drehzahlsollwert ns und damit eine große Beschleunigung des Elektromotors 2 in einem besonders geringen Zeitraum realisiert werden. Dies gilt auch für den Fall, dass das jeweilige Werkzeug 4 oder 5 im Eingriff mit dem zu bearbeitenden Werkstück ist. Hierzu wird der Drehmomentsollwert Ms aus der Verknüpfung des Drehmomentregelwertes MR mit dem aus dem aktuellen Trägheitsmoment Jb abgeleiteten Steuerdrehmoment MSt gebildet, so dass mittels des als Stromregler arbeitenden Stellgliedes 6 der benötigte Motorstrom IM in den Elektromotor 2 eingeprägt werden kann.
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Da der Elektromotor 2 geberlos ist und Informationen über die Drehzahl und das Drehmoment des Elektromotors 2 erst ab der Mindest- bzw. Minimaldrehzahl zur Verfügung stehen, wird der Elektromotor 2 unterhalb dieser Minimaldrehzahl gesteuert betrieben. Dieser geberlose Steuerbetrieb findet grundsätzlich beim Anfahren des Elektromotors 2 aus dem Stand, d.h. aus dessen stromlosem Zustand sowie stets dann statt, wenn ein Werkzeugwechsel vorgenommen und beispielsweise das Werkzeug 4 gegen das Werkzeug 5 ausgetauscht wird. Da es sich hierbei üblicherweise um unterschiedliche Werkzeuge, beispielsweise ein Sägeblatt und ein Fräswerkzeug mit unterschiedlichen Massen und Abmessungen handelt, ändert sich bei einem solchen Werkzeugwechsel grundsätzlich auch das Trägheitsmoment J des Werkzeugmaschinenantriebs 1 inklusive des Elektromotors 2. Das Trägheitsmoment J kann sich auch in Folge der Bearbeitung eines Werkstücks mit dem jeweiligen Werkzeug 4, 5 ändert.
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Einem solchen Werkzeugwechsel kann ein Abschalten des Elektromotors 2, beispielsweise in Form einer sogenannten Impulssperre, vorausgehen. Hierbei wird im Falle eines mit dem Steuerglied 6 zusammenwirkenden Umrichters, dessen in einer Brückenschaltung verschalteten Halbleiterschalter mit von einem Prozessor erzeugten pulsweitenmodulierten (PWM) Signalen angesteuert werden, der Umrichter steuerseitig gesperrt und demzufolge der Elektromotor 2 stromlos geschaltet. Die Impulssperre im Zuge eines Werkzeugwechsels kann somit als Reset-Signal SR dem Funktionsbaustein 8 zur Verfügung gestellt werden. Daraufhin stellt dieser anstelle eines berechneten Trägheitsmoments Jb ein hinterlegtes maximales Trägheitsmoment Jm der Vorsteuerung 11 zur Verfügung.
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Hierdurch wiederum wird der geberlose Steuerbetrieb des Elektromotors 2 bzw. des Werkzeugmaschinenantriebs 1 initiiert, wobei die Vorsteuerung 11 anhand des vorgegebenen maximalen Trägheitsmoments Jm wiederum ein Steuerdrehmoment MSt ermittelt. Da in diesem Steuerbetrieb keine Drehzahl- und Drehmoment-Information zur Verfügung steht, ist dieses Steuerdrehmoment MSt maßgebende Eingangsgröße des Steuergliedes 6 und damit maßgeblich für die Beschleunigung des Elektromotors 2 bis zum Erreichen der Minimaldrehzahl.
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Oberhalb der Minimaldrehzahl setzt der geberlose Regelbetrieb ein, indem aufgrund des berechneten aktuellen Trägheitsmomentes Jb ein vergleichsweise großer Drehzahlhub bzw. schnelle Frequenzänderungen und damit hohe Beschleunigungswerte des Elektromotors 2 eingeregelt werden können.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
