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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen als Antriebselement eines Kraftfahrzeugs eingesetzten Elektromotor, sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur in dem Wickelkopf eines Elektromotors.
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Es ist allgemein bekannt, dass Elektromotoren vor Überhitzung geschützt werden sollten, um insbesondere eine Schädigung der Wicklungen und/oder eine negative Beeinträchtigung der Magnete zu vermeiden. Dies wird in der Regel dadurch bewirkt, dass die Temperatur eines Elektromotors an einer oder mehreren Stellen direkt oder indirekt überwacht wird und ab einer vorgegebenen Temperatur Maßnahmen ergriffen werden, um einem weiteren Temperaturanstieg entgegenzuwirken. In den meisten Fällen erfolgt dies durch eine Steuerung oder Regelung mit Hilfe der Leistungselektronik. Hinsichtlich der aus dem Stand der Technik bekannten Möglichkeiten, die Temperatur eines Elektromotors direkt oder indirekt zu erfassen wird auf die Druckschriften
DE 10 2008 054 216 A1 ,
WO 00/55588 ,
DE 198 42 523 A1 ,
DE 44 04 926 A1 ,
DE 10 2007 030 633 A1 ,
DE 101 54 920 A1 ,
DE 101 30 982 A1 ,
DE 199 26 542 A1 und
DE 101 20 414 A1 verwiesen.
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Aus
DE 102 54 295 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Läufertemperatur in permanenterregten Drehfeldmaschinen bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein im Rotor angeordnetes Magnetsystem dazu eingesetzt, die Läufertemperatur auf der Grundlage einer aktuellen Leerlaufspannung und einer Referenz-Leerlaufspannung zu berechnen.
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Bei als Antriebselementen für Kraftfahrzeuge eingesetzten Elektromotoren werden in der Praxis zur Temperaturerfassung häufig mehrere Temperatursensoren mit dem Wicklungsdraht eines Wickelkopfes vergossen. Dieses Prinzip ist in der Einleitung von
DE 101 54 920 A1 beschrieben und hat den Nachteil, dass im Falle eines Defekts ein anderer, vergossener Temperatursensor verwendet werden muss. Dazu ist ein Umpinnen erforderlich. Sind alle vergossenen Temperatursensoren defekt, muss der Elektromotor ausgetauscht werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, dessen Herstellungs- und Wartungskosten reduziert sind bzw. ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur in dem Wickelkopf eines Elektromotors, das über einen langen Zeitraum zuverlässig durchführbar ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 10.
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Ein erfindungsgemäßer Elektromotor, der sich insbesondere als Antriebselement eines Kraftfahrzeuges eignet, umfasst einen Rotor und einen Stator. Der Stator umfasst mehrere Wicklungen, die einen Wickelkopf bilden, wobei jede Wicklung aus einer oder mehreren Spulen besteht. Im Bereich des Wickelkopfes ist mindestens ein erster Permanentmagnet derart an den Wicklungsleitungen einer benachbart angeordneten Spule angeordnet, dass sich in der unmittelbaren Umgebung des Permanentmagneten ein mit einem Magnetfeldsensor erfassbarer magnetischer Kreis bildet. Die Flussdichte dieses magnetischen Kreises verändert sich in Abhängigkeit der Temperatur des Permanentmagneten. Durch Ausnutzung dieses Effekts kann die Temperatur eines erfindungsgemäßen Elektromotors auf einfache und kostengünstige Art und Weise erfasst werden, indem ein Magnetfeldsensors im Bereich des durch den mindestens einen Permanentmagneten ausgebildeten magnetischen Kreis angeordnet wird. Die Messung ist umso genauer, je schneller der Permanentmagnet die Temperatur des Wickelkopfes annimmt. Es ist daher angestrebt, dass der Permanentmagnet möglichst nah, insbesondere direkt, an den Wicklungsleitungen angeordnet ist und dass dieser eine möglichst große Kontaktfläche und einen guten thermischen Kontakt zu den Wicklungsleitungen aufweist. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Elektromotors besteht darin, dass Permanentmagnete eine sehr lange Lebensdauer aufweisen (in der Regel mindestens 15 Jahre) und daher fest mit den Wicklungsleitungen verbunden, insbesondere verklebt, werden können, weil ein ”Ausfall” während der Lebensdauer des Motors nicht zu erwarten ist. Ein Magnetfeldsensor (z. B. ein Hall-Sensor) zur mittelbaren Bestimmung der Temperatur (auf Grundlage der gemessenen Flussdichte kann beispielsweise mit Hilfe einer in einer Datenbank hinterlegten Korrelationstabelle die Temperatur ermittelt werden), welcher üblicherweise sensibler ist und eine deutlich kürzere Lebensdauer aufweist, kann beabstandet zu den Wicklungen im Bereich des magnetischen Kreises und insbesondere austauschbar angeordnet werden. Beim Anbringen bzw. Austauschen des Magnetfeldsensors besteht daher keine bzw. eine nur Geringe Gefahr, dass die Wicklungsleitungen des Wickelkopfes beschädigt werden. Die Herstellungskosten können bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor insofern gesenkt werden, als nur ein Sensor verbaut werden muss, da dieser im Falle eines Defekts einfach und kostengünstig ausgetauscht werden kann.
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In einer praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotors ist ein zweiter Permanentmagnet in umgekehrter Ausrichtung neben dem ersten Permanentmagneten angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass sich ein magnetischer Kreis ausbildet, der sich über den ersten und den zweiten Permanentmagneten erstreckt und die Magnetfeldlinien in größerem Abstand zu den Permanentmagneten verlaufen. Dadurch kann der Abstand des Magnetfeldsensors zu den Permanentmagneten vergrößert werden, was das Risiko einer Schädigung der Wicklungsleitungen im Wickelkopf weiter verringert. Durch die Verwendung von zwei oder mehr Permanentmagneten kann ferner die Kontaktfläche zu den Wicklungsleitungen vergrößert und die Ansprechzeit der Messanordnung verringert werden.
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Wenn die Permanentmagnete in einem Magnetgehäuse angeordnet werden, kann der Montageaufwand verringert werden. Ferner wird die relative Anordnung der Permanentmagnete zueinander erleichtert, weil in einem ersten Schritt die Permanentmagnete in dem Magnetgehäuse relativ zueinander ausgerichtet und in ihrer Lage fixiert werden können und dann zur Montage in dem Wickelkopf lediglich ein Bauteil (das Magnetgehäuse) an den Wicklungsleitungen angeordnet werden muss. Damit die Permanentmagneten trotz Anordnung in einem Magnetgehäuse möglichst nah an den Wicklungsleitungen anordenbar sind, wird vorzugsweise ein mindestens einseitig offenes Gehäuse verwendet, so dass die Permanentmagnete an der offenen Seite anordenbar und somit zusammen mit dem Gehäuse direkt an den Wicklungsleitungen anordenbar sind.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform des Elektromotors sind Mittel zum lösbaren Anordnen eines Magnetfeldsensors an den Permanentmagneten und/oder an dem Magnetgehäuse ausgebildet. Als solche Mittel werden Klebeflächen oder sonstige Ausbildungen zum kraft- oder stoffschlüssigen Verbinden sowie Kupplungselemente zum lösbaren Verbinden, wie z. B. Rastelemente oder sonstige form- und/oder kraftschlüssige Verbindungselemente, verstanden.
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Vorzugsweise wird ein Magnetfeldsensor bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor lösbar im Bereich der Magnetfeldlinien angeordnet. Darunter wird jede Verbindung verstanden, die ohne Beschädigung der bzw. des Permanentmagneten und/oder des Magnetgehäuses lösbar ist, um einen etwaigen defekten Magnetfeldsensor durch einen anderen ersetzen zu können.
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Die Anordnung des Magnetfeldsensors in dem magnetischen Kreis kann besonders einfach und wiederholbar an der gleichen Stelle erfolgen, wenn der Magnetfeldsensor in einem Stecker angeordnet ist und das Magnetgehäuse und/oder einer oder mehrere der Permanentmagnete als komplementäre Buchse ausgebildet sind, wobei eine umgekehrte Anordnung aus Stecker und Buchse ebenfalls möglich ist. Es ergibt sich dann ein Stecker-Buchse-System, bei dem ein erstes Bauelement (das mit den langlebigen Permanentmagneten) fest in dem Wickelkopf anordenbar ist und ein zweites Bauelement (das mit dem sensibleren Magnetfeldsensor) auf einfache Art und Weise mit dem ersten Bauelement verbindbar und wieder von diesem trennbar ist.
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Das Magnetgehäuse und/oder der Stecker bestehen vorzugsweise aus einem magnetisch und elektrisch nicht leitenden Material, insbesondere aus einem geeigneten Kunststoff. Dies hat den Vorteil, dass das Risiko einer Schädigung der elektrisch leitenden Wicklungen (in der Regel aus Metall) aufgrund des weicheren Materials verringert ist und dass im Falle einer Schädigung nicht die Gefahr eines Kurzschlusses oder einer (wesentlichen) Beeinträchtigung des Magnetfeldes besteht.
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Die Flussdichte in dem magnetischen Kreis kann erhöht werden, wenn im Bereich zwischen den Permanentmagneten und dem Magnetfeldsensor ein oder mehrere Elemente aus weichmagnetischem Material angeordnet sind, die als weichmagnetische Brücke dienen. Dies hat den Vorteil, dass die Messergebnisse und die Sensibilität sich verbessern, weil sich durch die weichmagnetische Brücke eine größere Feldlinienkonzentration ergibt und die Flussdichte erhöht wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Elemente aus weichmagnetischem Material mit dem Magnetfeldsensor und/oder mit den Permanentmagneten direkt verbunden, um Verluste durch andere Materialien zu vermeiden.
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In dem vorstehend beschriebenen Fall, dass eine weichmagnetische Brücke in dem erfindungsgemäßen Elektromotor angeordnet ist, wird der Magnetfeldsensor bevorzugt so positioniert, dass er von den Elementen aus weichmagnetischem Material umschlossen ist. Er befindet sich dann in dem Bereich des größten zu erwartenden magnetischen Flusses.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur in dem Wickelkopf eines Elektromotors, gemäß welchem mindestens ein Permanentmagnet derart an den Wicklungsleitungen einer Spule in dem Wickelkopf eines Stators angeordnet wird, dass sich in der unmittelbaren Umgebung zu dem Permanentmagneten ein mit einem Magnetfeldsensor erfassbarer magnetischer Kreis ausbildet, und mit Hilfe eines Magnetfeldsensors die Temperatur auf der Grundlage der magnetischen Flussdichte im Bereich des magnetischen Kreises bestimmt wird.
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Auch wenn unter einem Magnetfeldsensor üblicherweise die magnetische Flussdichte gemessen wird und die Messung dieser Größe im vorliegenden Fall geeignet erscheint, soll im Rahmen dieser Anmeldung eine breite Bedeutung des Wortes Magnetfeldsensor gelten. Unter einem Magnetfeldsensor werden daher auch Sensoren verstanden, mit denen statt oder zusätzlich zu der magnetischen Flussdichte andere mit dem Magnetfeld in Verbindung stehende und geeignete Größen für die Bestimmung der Temperatur im Wickelkopf gemessen werden, insbesondere die magnetische Feldstärke.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der bzw. werden die Permanentmagnete fest mit den Wicklungsleitungen verbunden. Der Magnetfeldsensor wird lösbar an den Permanentmagneten angeordnet.
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Auf die im Zusammenhang mit dem erfindungemäßen Elektromotor beschriebenen Vorteile wird hiermit noch einmal verwiesen.
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem in dem Wickelkopf eingesetzten System mit Permanentmagneten und einem Magnetfeldsensor,
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2 eine vergrößerte Darstellung des in 1 in dem mit II gekennzeichneten Bereich angeordneten Systems eines erfindungsgemäßen Elektromotors gemäß einer ersten Ausführungsform im zusammengesetzten (geschlossenen) Zustand an einem Wickelkopf in einer Schnittdarstellung,
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3 eine perspektivische Ansicht des in 2 dargestellten Systems eines erfindungsgemäßen Elektromotors im geöffneten Zustand ohne Wickelkopf,
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4 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines des in den 2 und 3 gezeigten Systems eines erfindungsgemäßen Elektromotors sowie
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5 eine Variante des in den 2 und 3 gezeigten Systems eines erfindungsgemäßen Elektromotors.
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1 zeigt einen Elektromotor 10 in einer schematischen Darstellung. Ein Rotor 12 umfasst eine Rotorwelle 14, die fest mit einem Rotorblechpaket 16 und Magneten 18 verbunden ist. Der Rotor 12 ist umgeben von einem Stator 20, der einen Wickelkopf 22 sowie ein diesen teilweise umschließendes Statorblechpaket 24 umfasst. Der Wickelkopf 22 besteht aus mehreren Wicklungen (nicht dargestellt), wobei jede Wicklung aus mehreren miteinander verbundenen Spulen gleicher Weite (nicht dargestellt) besteht. Bei dem gezeigten Elektromotor handelt es sich um einen Drehstrommotor mit drei Phasen, wobei die zu den Phasen gehörigen Wicklungen ringförmig umeinander angeordnet sind, so dass sich eine äußere Wicklung, eine innere Wicklung und eine zwischen der äußeren Wicklung und der inneren Wicklung angeordnete mittlere Wicklung ergibt.
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In 1 ist schematisch dargestellt, wie in dem Wickelkopf 22 ein System 26 eingesetzt ist. Dieses System 26 ist in den 2 und 3 im Detail gezeigt.
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Wie in 2 zu erkennen ist, besteht das System 26 im Wesentlichen aus einem Magnetgehäuse 28, das als Buchse 30 ausgebildet ist und aus einem auf diese Buchse 30 abgestimmten Stecker 32. Das Magnetgehäuse 28 weist eine Ausnehmung auf, in der ein erster Permanentmagnet 34 und ein zweiter Permanentmagnet 36 derart angeordnet sind, dass die nach außen weisenden Flächen zusammen mit den angrenzenden Außenflächen 38a, 38b des Magnetgehäuses 28 eine Ebene bilden. Die Permanentmagnete 34, 36 sind fest in der Ausnehmung angeordnet (z. B. eingepresst oder eingeklebt) und über die Seiten, die in der gemeinsamen Ebene mit den Außenflächen 38a, 38b liegen, mit Hilfe von Klebstoff 40 direkt mit dem Wickelkopf 22 verklebt und somit fest mit dem Wickelkopf 22 verbunden. Die Fixierung des Magnetgehäuses kann auch durch die – üblicherweise auf die Bandagierung folgende – Imprägnierung während der Herstellung des Elektromotors erfolgen.
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Nord- und Südpol der Permanentmagnete 34, 36 sind in den 2 bis 4 mit N bzw: S gekennzeichnet. Als Permanentmagnete 34, 36 sind insbesondere Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) Magnete, Samarium-Cobalt (SmCo) Magnete und Ferrit-Magnete geeignet. Die Stromrichtung der Wicklungsleitungen 46 (in 2 nicht dargestellt; vgl. 4, dort nur eine Wicklungsleitung 46 exemplarisch dargestellt), mit denen das Magnetgehäuse verbunden ist, ist durch die Pfeile 42 gekennzeichnet. Wie in den 2 bis 4 zu erkennen ist, sind die Permanentmagnete 34, 36 senkrecht zur Stromrichtung angeordnet, wodurch sich die in 2 angedeuteten Magnetfeldlinien 44 ergeben.
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Wie in 2 zu erkennen ist, ist die Erstreckungsrichtung des Magnetfeldes quer (vorliegend senkrecht) zu den Wicklungsleitungen, so dass das von den Permanentmagneten 34, 36, erzeugte Magnetfeld auch mit gewissem Abstand von den Wicklungsleitungen noch erfassbar ist.
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Die in 2 gezeigte senkrechte Anordnung hat den Vorteil, dass das von den stromdurchflossenen Wicklungsleitungen erzeugte Magnetfeld (vgl. 4; dort ist das Magnetfeld exemplarisch durch eine Linie mit dem Bezugszeichen 50 dargestellt) senkrecht zu dem von den Permanentmagneten 34, 36 erzeugten Magnetfeld (in 4 durch einen Linie mit dem Bezugzeichen 48 dargestellt) angeordnet ist. Eine Messung des von den Permanentmagneten 34, 36 erzeugten Magnetfeldes kann somit ohne Beeinflussung durch das von den Wicklungsleitungen erzeugte Magnetfeld erfolgen.
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Die Messung des Magnetfeldes erfolgt bei dem in den 2 und 3 gezeigten System durch einen Magnetfeldsensor 52, der mittig in dem Stecker 32 angeordnet und so positioniert ist, dass die von den Permanentmagneten 34, 36 erzeugten Magnetfeldlinien 44 senkrecht durch den Magnetfeldsensor 52 führen. Um den Magnetfeldsensor 52 möglichst nah an den Permanentmagneten 34, 36 anordnen und diesen gleichzeitig sicher positionieren zu können, ist in dem Magnetgehäuse eine Ausnehmung vorgesehen, in die der Magnetfeldsensor 52 bei zusammengesetztem System 26 eingreift.
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Zur Verbindung des Steckers 32 mit dem als Buchse 30 ausgebildeten Gehäuse 28 sind an dem Gehäuse zwei Rastnasen 54a, 54b, ausgebildet. Diese biegen sich beim Zusammenfügen von Stecker 32 und Buchse 30 elastisch nach außen und nehmen die in der 2 gezeigte Position ein, sobald der Stecker 32 und die Buchse 30 korrekt zueinander positioniert sind. Stecker 32 und Buchse 30 sind vorzugsweise aus einem magnetisch und elektrisch nicht leitenden Kunststoff hergestellt.
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5 zeigt eine Variante eines Systems 26, das nur schematisch dargestellt ist. Für Elemente die identisch oder funktionsgleich wie bei dem in den 2 und 3 dargestellten System 25 sind, werden daher im Folgenden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zunächst ist erkennbar, dass die Permanentmagnete 34, 36 auch beabstandet zueinander anordenbar sind. Darüber hinaus ist in dem Stecker 32 des in 5 dargestellten Systems 26 ein u-förmiges Element 56 aus einem weichmagnetischen Material angeordnet, das als weichmagnetische Brücke 58 dient. Es bildet eine Verbindung zwischen den Permanentmagneten 34, 36 und dem Magnetfeldsensor 52, der mittig, innerhalb der weichmagnetischen Brücke 58 angeordnet ist und diese durchragt. Das u-förmige Element ist so in dem Stecker 32 angeordnet, dass die Endbereiche 60a, 60b bei zusammengesetztem System 26 in das Magnetgehäuse 28 hineinragen.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtung des Fachwissens des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektromotor
- 12
- Rotor
- 14
- Rotorwelle
- 16
- Rotorblechpaket
- 18
- Magnet
- 20
- Stator
- 22
- Wickelkopf
- 24
- Statorblechpaket
- 26
- System
- 28
- Magnetgehäuse
- 30
- Buchse
- 32
- Stecker
- 34
- erster Permanentmagnet
- 36
- zweiter Permanentmagnet
- 38
- Außenfläche (des Magnetgehäuses)
- 40
- Stromflussrichtung
- 42
- Kontaktelement
- 44
- Magnetfeldlinie
- 46
- Wicklungsleitung
- 48
- Magnetfeld (von Permanentmagneten 34, 36 erzeugt)
- 50
- Magnetfeld (von Wicklungsleitung 46 erzeugt)
- 52
- Magnetfeldsensor
- 54
- Rastnase
- 56
- u-förmiges Element
- 58
- weichmagnetische Brücke
- 60
- Endbereich (des u-förmigen Elements)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008054216 A1 [0002]
- WO 00/55588 [0002]
- DE 19842523 A1 [0002]
- DE 4404926 A1 [0002]
- DE 102007030633 A1 [0002]
- DE 10154920 A1 [0002, 0004]
- DE 10130982 A1 [0002]
- DE 19926542 A1 [0002]
- DE 10120414 A1 [0002]
- DE 10254295 A1 [0003]
