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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einem Antrieb und einer elektromagnetisch betätigbaren Bremse sowie ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Antriebssystems.
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Insbesondere bei Antriebssystemen, bei denen die Bremse als Feststellbremse wirkt, ist es sinnvoll, die Betätigungsvorgänge der Bremse sowie die des Antriebs, insbesondere dessen Starten und Stoppen, zeitlich aufeinander abzustimmen, zum Einen, um zu verhindern, dass der Antrieb unnötigerweise gegen die Wirkung der Bremse arbeitet, zum Anderen, um zu verhindern, dass in Zeiträumen, in denen weder der Antrieb noch die Bremse auf das angetriebene System wirken, dieses unerwünschte und unkontrollierte Bewegungen ausführen kann. Insbesondere spielt dies eine Rolle bei Hubwerken, bei denen es zum Durchsacken von Lasten und dadurch zu Unfällen kommen kann, wenn die dortigen Betriebsstränge weder seitens des Antriebs noch mit einer Bremse mit nötigen Kräften bzw. Drehmomenten beaufschlagt werden. Zwar ist es nach dem Stand der Technik möglich, im Rahmen der Integration von Bremsensteuerung und Antriebssteuerung in einer gemeinsamen Systemsteuerung den Antrieb und die Bremse zeitgleich anzusteuern, jedoch entstehen auch hier, beispielsweise durch Totzeiten, um die die einzelnen Komponenten verzögert ansprechen, kurze Momente, in denen entweder Lasten unkontrolliert frei beweglich werden oder Antriebe gegen Bremsen arbeiten, die sich zumindest in erhöhtem Verschleiß oder unerwünschtem Rucken beispielsweise bei Personenfahrstühlen bemerkbar machen.
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Eine derart genaue Abstimmung von Bremsensteuerung und Antriebssteuerung aufeinander erweist sich in der Praxis als schwierig oder gar unmöglich, auch weil Antrieb und Bremse einem ständigen Verschleiß unterliegen und somit ihr Ansprechverhalten und ihre Wirkungseigenschaften ständig ändern, was in der Praxis eine regelmäßige Nachjustierung der Steuerung erforderlich machen würde.
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Selbst wenn durch derartige regelmäßige Nachbesserung ein kontinuierlicher Verschleiß kompensiert werden könnte, so würde dies nicht Schwankungen der Eigenschaften von Bremse und Antrieb kompensieren können, die auf äußere Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Temperaturschwankungen, zurückzuführen sind. Insbesondere letztere können auch betriebsbedingt auftreten, wenn sich einzelne Bauteile oder die gesamte Bremse bzw. der gesamte Antrieb während des Betriebes erwärmen. Diese Einflüsse treten zyklisch oder gar zufällig auf, so dass ihnen durch eine noch so sorgfältige Abstimmung der Steuerungen von Antrieb und Bremse nicht begegnet werden kann.
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Aus der
DE 195 11 768 C2 ist eine Bremsensteuerung bekannt, bei der der tatsächliche Zeitpunkt des Lüftens und Schließens einer elektromagnetisch betätigbaren Bremse durch eine Strom- und oder Spannungsmessung ermittelt wird und so die Spannung bzw. der Strom, welche zur Betätigung der Bremse dienen, so gesteuert werden kann, dass die Öffnungs- und Schließvorgänge der Bremse möglichst sanft ausgeführt werden und so zum Einen der Bremsverschleiß verringert wird, zum Anderen unerwünschte Geräuschentwicklungen vermindert werden, die beispielsweise beim Anschlagen der Ankerscheibe am Gehäuse der Bremse während des Lüftvorgangs entstehen. Zwar vermindert diese Lösung auch den Verschleiß der Bremse, das beschriebene Problem, nämlich die zeitliche Inkohärenz des Eintretens der Brems- und Antriebswirkung, wird jedoch nicht gelöst.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem und ein Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems aufzuzeigen, welches eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Abstimmung des Öffnens und Schließens der Bremse mit dem Starten und Stoppen des Antriebs ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem weist einen Antrieb, eine elektromagnetisch betätigbare Bremse und eine Systemsteuerung auf. Bei dem Antrieb kann es sich vorzugsweise um einen Elektromotor, insbesondere einen Drehstrommotor handeln, der sowohl ein Synchron- als auch ein Asynchronmotor sein kann. Bei der elektromagnetisch betätigbaren Bremse kommen grundsätzlich sowohl elektromagnetisch lüftende wie auch elektromagnetisch schließende Bremsen in Betracht. Bei den elektromagnetisch lüftenden Bremsen kann das Bremsmoment entweder durch mechanische Andruckelemente, wie z. B. Andruckfedern im Fall sogenannter elektromagnetisch lüftender Federdruckbremsen, erzeugt werden, es kann sich aber auch um elektromagnetisch lüftbare Bremsen handeln, bei denen das Bremsmoment durch Magnete erzeugt wird. Dabei kann es sich um Elektro- oder Permanentmagnete handeln.
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Die Systemsteuerung weist eine mit der Bremse verbundene Messeinrichtung zur Spannungs- und/oder Strommessung sowie eine mit der Messeinrichtung verbundene Auswerteeinrichtung zur Ermittlung von Sprungstellen in gemessenen Spannungs- und/oder Stromverläufen auf. Dabei kann es sich bei Messeinrichtung und Auswerteeinrichtung auch um eine Baugruppe handeln. Wichtig ist hierbei lediglich die Funktionalität, nämlich dass Spannungs- und/oder Stromverläufe gemessen und in Signale umgewandelt werden können, die dann verarbeitet werden, wobei im Ergebnis eine zeitaufgelöste Messung von Spannung und/oder Strom stattfindet, welche in zeitabhängigen Funktionen dieser Größe resultiert, die in der Auswerteeinrichtung verarbeitet werden.
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Weiterhin weist die Systemsteuerung erfindungsgemäß eine Antriebssteuerung zur Ansteuerung des Antriebs auf. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Frequenzumrichter handeln. Maßgeblich für die Antriebssteuerung ist dabei ihre Funktionalität, den Antrieb steuern zu können, insbesondere zu definierten Zeitpunkten starten und stoppen zu können. Erfindungsgemäß ist nun die Auswerteeinrichtung mit der Antriebssteuerung verbunden, was in der Art zu verstehen ist, dass Signale von der Auswerteeinrichtung durch die Antriebssteuerung empfangen und verarbeitet werden können.
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Die einzelnen Komponenten der Systemsteuerung, nämlich die Antriebssteuerung, die Bremsensteuerung, die Messeinrichtung und die Auswerteeinrichtung, können dabei sowohl zu einer gemeinsamen Baugruppe zusammengefasst sein, abhängig von den Erfordernissen des jeweiligen Antriebssystems kann aber auch eine dieser funktionellen Einheiten oder eine Mehrzahl davon als gesonderte Baugruppe ausgeführt und von den anderen Bestandteilen der Systemsteuerung räumlich getrennt ausgeführt sein, beispielsweise wenn es sinnvoll ist, die Antriebssteuerung aufgrund hoher zu schaltender elektrischer Leistungen in räumlicher Nähe des Antriebs auszuführen, um sie lediglich mit Signalleitungen mit den an einem anderen Ort installierten übrigen Komponenten der Systemsteuerung zu verbinden. Gleiches gilt sinngemäß für die Messeinrichtung, beispielsweise um empfindliche analoge Messleitungen möglichst kurz auslegen zu können, die Bremsensteuerung beispielsweise um die Leitungen für den Betätigungsstrom der Bremse möglichst kurz zu halten oder auch für die Auswerteeinrichtung, wenn beispielsweise eine Schnittstelle, wie ein Datenbus, an einer bestimmten Stelle installiert werden soll, beispielsweise um einen einfachen Zugang für einen Servicetechniker zu ermöglichen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor, dass beim Betätigen der elektromagnetisch betätigbaren Bremse die Spannung und/oder der Strom, welche dem Betätigen der Bremse dienen, zeitaufgelöst gemessen werden und in der so gewonnenen zeitabhängigen Funktion von Spannung und/oder Strom Sprungstellen ermittelt werden.
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Unter Sprungstellen werden im Sinne dieser Anmeldung Abweichungen von den typischen zeitabhängigen Verläufen von Strom oder Spannung verstanden, die sich beim Schalten einer mit einem Ohmschen Widerstand behafteten Induktivität ergeben und sich regelmäßig durch Exponentialfunktionen beschreiben lassen.
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Wenn sich beim Betätigen einer Bremse der in Rede stehenden Art die beweglichen Teile der Bremse, insbesondere deren Ankerteile, zu bewegen beginnen, so führt dies unweigerlich zu einer Spannungsinduktion in dem elektromagnetischen Betätigungskreis der Bremse. Abhängig von der jeweiligen Art der Ansteuerung der Bremse, nämlich davon, ob die Spannung oder der Strom bei der Betätigung durch die Bremsensteuereinrichtung vorgegeben werden, führt die elektromagnetische Induktion, die durch die Bewegung der beweglichen Teile der Bremse verursacht wird, zur sprunghaften Änderung der nicht durch die Bremsensteuereinrichtung vorgegebenen elektrischen Größe, also der Spannung bzw. des Stromes. Erfindungsgemäß wird die Kenntnis dieses Zeitpunkts nun genutzt, um den Antrieb abhängig von dem Zeitpunkt des Auftretens der Sprungstelle im Spannungs- bzw. Stromverlauf anzusteuern. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zum Zeitpunkt des Auftretens der Sprungstelle der Antrieb gestartet oder gestoppt wird, beispielsweise um einen Antriebsstrang immer entweder mit einem Antriebsmoment oder mit einem Bremsmoment zu belasten, nie aber mit beiden gleichzeitig oder mit keinem von beiden. Es ist aber auch denkbar, beispielsweise um Trägheiten des Systems oder Totzeiten Rechnung zu tragen, die Ansteuerung des Antriebs mit einer definierten Zeitverzögerung zum Auftreten der Sprungstelle erfolgen zu lassen.
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Vorteilhafterweise ist die Auswerteeinrichtung dabei derart ausgelegt, dass jederzeit der aktuelle Betriebszustand der Bremse, also ob diese geöffnet oder geschlossen ist, aufgrund der Auswertung in der Vergangenheit gemessener oder in der Vergangenheit ausgewerteter zeitabhängiger Funktionen von Strom oder Spannung ermittelt werden kann. Dies kann in einfacher Weise dadurch realisiert werden, dass die Information über den aktuellen Betriebszustand in einem Speicher abgelegt und bei jeder von der Auswerteeinrichtung detektierten Betriebszustandsänderung aktualisiert wird.
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Dabei kann es vorteilhaft sein, die Bremsensteuerung ebenfalls mit der Auswerteeinrichtung zu verbinden, um beim Auftreten der Sprungstelle nicht nur den Antrieb zeitgenau ansteuern zu können, sondern gleichzeitig auch die Ansteuerung der Bremse zu verbessern, indem beispielsweise bei dem Einsetzen der Bewegung der beweglichen Teile der Bremse die Spannung bzw. der Strom, mit der die Bremse angesteuert wird, reduziert wird, um ein möglichst sanftes Öffnen und Schließen der Bremse zu erreichen. Abhängig von der Bauart der Bremse und deren Einsatzzweck kann so nach Wahl beispielsweise ein sanftes Ansteigen der Bremskraft oder ein geräuscharmes Betätigen erzielt werden.
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Die Ermittlung der Sprungstellen in der zeitabhängigen Funktion von Spannung und/oder Strom erfolgt vorzugsweise durch den Vergleich mit einer Referenzfunktion. Die Referenzfunktion kann dabei in Form einer Wertetabelle in der Auswerteeinrichtung hinterlegt sein, es ist aber auch möglich, die Referenzfunktion abhängig von in der Auswerteeinrichtung hinterlegten Parametern durch die Auswerteeinrichtung zu berechnen. Vorteilhafterweise handelt es sich bei der Referenzfunktion um eine Exponentialfunktion, da sich mit diesem Funktionstyp der sich beim realen System einstellende Verlauf von Strom und/oder Spannung gut beschreiben lässt. Dabei stellt die Sprungstelle, die zu ermitteln ist, eine Abweichung von dem erwarteten durch die Referenzfunktion beschriebenen Verlauf dar.
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Die Ermittlung der Sprungstelle kann nun beispielsweise durch Ermittlung der Differenz zwischen der durch Messen gewonnenen zeitabhängigen Funktion und der Referenzfunktion gebildet werden. Hier ist es möglich, beispielsweise einen Grenzwert vorzugeben oder die Auswerteeinrichtung so zu gestalten, dass ein Grenzwert vorgebbar ist. Überschreitet die Differenz zwischen der zeitabhängigen Funktion von Spannung und/oder Strom und der Referenzfunktion diesen Grenzwert, so stellt dies das Kriterium für das Auftreten der Sprungstelle dar und kann beispielsweise dazu genutzt werden, ein Signal zu erzeugen. Dieses Signal wird an die Antriebssteuerung weitergeleitet und dient so zur Ansteuerung des Antriebs.
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Vorteilhafterweise können aus den gemessenen Werten für die Spannung und/oder den Strom auch die Bremsentemperatur oder ein diesen beschreibender Parameter ermittelt werden, was es ermöglicht, auf Temperaturschwankungen des Antriebssystems und damit verbundene Eigenschaftsänderungen zu reagieren. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Bremsensteuerung entsprechend dafür eingerichtet ist, einen definierten Strom und/oder eine definierte Spannung in Abhängigkeit von der Bremsentemperatur an diese anzulegen. Durch den so fließenden Strom kann die Bremse aufgeheizt und ein Unterschreiten einer Sollbremstemperatur verhindert werden. Besonders vorteilhaft ist dies in Verbindung mit Permanentmagnetbremsen. Hier kann die Polung eines Gleichstroms, der zum Beheizen der Bremse verwendet wird, so gewählt werden, dass das Magnetfeld, welches durch diesen Stromfluss entsteht, eine Polung aufweist, die so gewählt ist, dass ein unbeabsichtigtes Lüften oder Schließen der Bremse ausgeschlossen wird. Wird die Bremse beispielsweise durch Permanentmagneten geschlossen, so wird die Polung des Beheizungsstroms so gewählt, dass durch das entstehende Magnetfeld die Wirkung der Permanentmagneten, welche die Bremse schließen, verstärkt wird sofern die Beheizung im geschlossenen Zustand der Bremse durchgeführt wird.
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Vorzugsweise weist die Systemsteuerung weiterhin einen Drehzahl- und/oder Winkelsensor zur Erfassung von Drehzahl und/oder Winkelstellung des Antriebs auf. Insbesondere durch diese vorteilhafte Ausgestaltung wird es ermöglicht, mit der erfindungsgemäßen Systemsteuerung auch den Bremsenverschleiß zu überwachen und bei der Ansteuerung des Antriebs und/oder der Bremse entsprechend zu berücksichtigen. Vorteilhafterweise geschieht das, indem der Antrieb bei geschlossener Bremse so angesteuert wird, dass er ein definiertes Drehmoment erzeugt und dabei der Drehwinkel des Motors gemessen wird. Die so gewonnenen Werte für den Drehwinkel des Motors dienen als Maß für den Verschleiß der Bremse. Vorteilhafterweise ist die Systemsteuerung dabei so ausgelegt, dass beim Überschreiten eines definierten Drehwinkels. welcher als vorgegebene Größe im System hinterlegt sein kann, ein Verschleißsignal erzeugt wird. Ebenfalls ist es möglich, die Systemsteuerung so zu gestalten, dass ein definierter Drehwinkel als Maß für das Auslösen eines Verschleißsignals eingestellt werden kann.
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Vorzugsweise ist die Systemsteuerung dafür eingerichtet, einen Regenerationszyklus durchzuführen. Der Regenerationszyklus sieht vor, dass die Bremse mehrmals, vorzugsweise 10- bis 20mal geöffnet oder geschlossen wird. Dies geschieht bei einem bestimmten Drehzahlbereich vorzugsweise bei 50 bis 200 Umdrehungen/min. Hierdurch kann die verschleißbedingt verminderte Bremswirkung wieder verbessert werden. Die Oberflächen der Reibflächen werden dadurch aufgeraut und die Reibkoeffizienten der Reibflächen wieder erhöht. Vorzugsweise erfolgt die Regeneration der Bremse beim Auftreten eines Verschleißsignals. Dieses kann beispielsweise aufgrund einer Messung der Bremswirkung wie der oben beschriebenen erzeugt werden. Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, die Durchführung derartiger Regenerationszyklen unabhängig von einem Verschleißsignal beispielsweise nach einer gewissen Anzahl von Betriebsstunden vorzusehen.
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Tritt nach einer bestimmten Anzahl Regenerationszyklen der beschriebenen Art keine hinreichende Verbesserung der Bremswirkung auf, so kann vorteilhafterweise ein Fehlersignal erzeugt werden. Dieses kann beispielsweise durch eine Signalleuchte signalisiert werden und so rechtzeitig vor einem möglichen Versagen der Bremse warnen. Vorzugsweise reagiert die Auswerteeinrichtung nicht nur auf das Auftreten einer Sprungstelle, sondern auch auf das Ausbleiben einer Sprungstelle beim Betätigen der Bremse. Im normalen Betrieb kann beim Betätigen der Bremse eine Sprungstelle in einem gewissen Zeitintervall erwartet werden, wenn die Bremse ordnungsgemäß anspricht, d. h. öffnet oder schließt. Erhält die Auswerteeinrichtung ein Signal von der Bremsensteuerung zum Zeitpunkt der Betätigung, so kann ausgehend von diesem Zeitpunkt durch die Auswerteeinrichtung geprüft werden, ob in dem Zeitraum, in dem dies beim störungsfreien Betrieb der Bremse zu erwarten ist, eine Sprungstelle auftritt. Tritt die Sprungstelle nicht auf, so ist davon auszugehen, dass die Bremse nicht tatsächlich geöffnet oder geschlossen worden ist. In diesem Fall ist es dann möglich, das Starten bzw. Stoppen des Antriebs, das im Normalbetrieb beim Auftreten der Sprungstelle vorgesehen wäre, zu unterdrücken und vorzugsweise stattdessen einen Notfallbetrieb zu starten. Dieser Notfallbetrieb kann beispielsweise das Auslösen eines Alarmsignals beinhalten. Abhängig von Art und Einsatzzweck des Antriebssystems kann aber auch vorgesehen sein, den Antrieb auf eine bestimmte Art und Weise zu steuern, beispielsweise um mit einem Hubwerk eine sichere Position anzufahren, in der Personengefährdung oder die Beschädigung von Gütern weitestgehend ausgeschlossen ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 3 schematisch näher erläutert.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines beispielhaften erfindungsgemäßen Antriebssystems.
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2 zeigt beispielhafte schematische Stromverläufe beim Öffnen und Schließen der Bremse eines beispielhaften erfindungsgemäßen Antriebssystems.
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3 zeigt ein schematisches Ablaufschema eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das beispielhafte Antriebssystem weist den Antrieb 1 und die elektromagnetisch betätigbare Bremse 3 auf. Die Systemsteuerung 2 weist eine Antriebssteuerung 6 und eine Bremsensteuerung 7 auf, welche den Antrieb 1 und die Bremse 3 ansteuern. Spannung und/oder Strom bei der Betätigung der Bremse 3 durch die Bremsensteuerung 7 werden von der Messeinrichtung 4 gemessen. Die Messwerte werden von der Auswerteeinrichtung 5 ausgewertet und abhängig von den Messwerten, insbesondere dem Auftreten der Sprungstellen, werden Steuersignale in die Antriebssteuerung 6 und die Bremsensteuerung 7 abgegeben, die aufgrund dieser Steuersignale den Antrieb 1 und die Bremse 3 ansteuern.
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Die beispielhaften schematischen Stromverläufe beim Öffnen der Bremse 8 und beim Schließen der Bremse 9, beispielhaft dargestellt für den Fall einer elektromagnetisch lüftenden Bremse, weisen die Sprungstellen 10 beim Öffnen und 11 beim Schließen der Bremse auf. Dabei bezeichnen die Achsen in 2 die Stromstärke I und die Zeit t.
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Das beispielhafte Verfahrensfließbild (3) stellt den einfachsten Fall des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Beim Betätigen der Bremse werden Strom und/oder Spannung gemessen und die gewonnenen zeitabhängigen Funktionen von Strom und/oder Spannung auf Sprungstellen untersucht. Dieser Prozess wird fortgesetzt bis eine Sprungstelle auftritt. Beim Auftreten der Sprungstelle wird der Antrieb angesteuert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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