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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Eine derartige Vorrichtung ist für vielfältige Stellaufgaben, etwa im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren, allgemein bekannt und wird in Großserie hergestellt. Das
deutsche Gebrauchsmuster 20 2009 010 495 der Anmelderin zeigt eine derartige, als gattungsbildend vorausgesetzte elektromagnetische Stellvorrichtung, bei welcher ein langgestreckter Stößel als Stößeleinheit Teil einer mehrteiligen Ankereinheit ist, welche wiederum, radialsymmetrisch ausgebildet, durch Bestromen einer stationären Spuleneinheit relativ zu einer stationären Kerneinheit zum Bewegen des Stößels angetrieben werden kann. Die Stößeleinheit wiederum greift endseitig in einen Stellpartner, im Ausführungsbeispiel eine eine Nockenwellenverstellung eines Verbrennungsmotors bewirkende Nut, ein.
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Derartige, als gattungsbildend vorausgesetzte und etablierte Vorrichtungen verbinden hohe Betriebssicherheit und Verschleißarmut mit günstigen elektromagnetischen und Fertigungseigenschaften, wobei letztere die bekannte Technologie insbesondere für die Massenfertigung tauglich machen. Allerdings ist es bei derartigen Vorrichtungen erforderlich, zumindest teilweise bzw. abschnittsweise den stationären Kernbereich bis zur Permanentmagneteinheit der Ankereinheit zu umschließen, was bei konkreten Realisierungen der Technologie gemäß
DE 20 2009 010 495 durch bügelartige Gehäuseelemente realisiert wurde. Insbesondere bei platzkritischen Einbauräumen, wie etwa an einem Verbrennungsmotor-Nockenwellenbereich, beschränken jedoch derartige flussleitende Gehäuseteile die erreichbaren minimalen Einbaumaße, geben faktisch einen minimalen Abstand etwa einer Mehrzahl zueinander benachbart vorzusehender Stellvorrichtungen vor. Entsprechend besteht Bedarf nach einer kompakter, insbesondere in radialer Richtung, zu realisierender Gehäusestruktur.
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Ein weiterer, verbesserungsbedürftiger Nachteil der zitierten gattungsbildenden Technologie besteht darin, dass in einem unbestromten Anschlagzustand der Ankereinheit (typischerweise im zurückgezogenen Zustand der Stößeleinheit) Haftkräfte, welche die Ankereinheit am Kernbereich halten, begrenzt sind. Entsprechend gibt es keine (oder nur eine sehr begrenzte) Möglichkeit, eine Druckfeder oder dergleichen Kraftspeicher zwischen der Ankereinheit und der Kerneinheit vorzusehen, mit welcher dann, zum Erreichen hoher Dynamikeigenschaften (entsprechend etwa einer hohen Start-Beschleunigung der Ankereinheit) im Bestromungsfall die Ankereinheit aus der Anschlag- bzw. Ruheposition heraus getrieben werden kann: Die Haltekräfte im Ruhezustand bestimmen insoweit eine maximale, hier nutzbare Federkraft. Entsprechend ist es aus dieser Sicht wünschenswert, permanentmagnetisch bewirkte Haltekräfte der Ankereinheit am stationären Kernbereich (Kerneinheit) zu erhöhen, um insoweit eine wirksamere Federunterstützung der Ankerbewegung ermöglichen zu können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung sowohl im Hinblick auf ihre Dynamikeigenschaften, insbesondere ihr Bewegungs- und Beschleunigungsverhalten mit Anlegen der Bestromung, zu verbessern, als auch die Vorrichtung in radialer Richtung kompakter zu gestalten, mit dem Zweck, einen möglichen Mindestabstand zueinander benachbarter Stößeleinheiten einer Mehrzahl von benachbart und parallel zueinander vorgesehenen Stellvorrichtungen zu vermindern.
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Die Aufgabe wird durch die elektromagnetische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise wird durch die mantelseitig eines Schaftabschnitts der Ankereinheit vorgesehene, magnetisch nicht leitenden Buchsenmittel eine magnetische Flussführung derart bewirkt, dass in dem unbestromten (Anschlag-)Zustand der Ankereinheit der Permanentmagnetfluss der in bzw. an der Ankereinheit vorgesehenen Permanentmagnetmittel, zum Schließen eines permanentmagnetischen Flusskreises, sowohl durch den Schaftabschnitt (der Ankereinheit) fließt, als auch, radial auswärts, durch den radial umschließenden Kernbereich, wobei weiter bevorzugt diese permanentmagnetische Flussführung im unbestromten Zustand so ausgestaltet ist, dass der Permanentmagnetfluss um die (erfindungsgemäß magnetisch nicht leitende) Buchse herumfließt.
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Vorteilhaftes Ergebnis im Rahmen der Erfindung ist eine gute permanentmagnetische Haftung der Ankereinheit an der Kerneinheit in dem unbestromten Zustand, da, insoweit in Abgrenzung zur gattungsbildenden
DE 20 2009 010 495 , ein axial wirkender Arbeitsluftspalt zwischen einem Abschnitt der Ankereinheit und einem Ende der Kerneinheit ohne zusätzliche Bauteile mit geringem Luftspalt erzeugt werden kann. Vorteil dieser verbesserten permanentmagnetischen Haftkraft ist dann die Möglichkeit, zur Verbesserung der Bewegungs- bzw. Dynamikeigenschaften der Vorrichtung die Ankereinheit mittels geeigneter Federmittel, welche weiter bevorzugt als Spiral- und/oder Druckfeder ausgestaltet sein können, gegen den Kernbereich bzw. einen anderen stationären Abschnitt vorzuspannen.
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Erfolgt dann erfindungsgemäß vorteilhaft durch das Bestromen der Spuleneinheit eine Verdrängung des permanentmagnetischen Flusses aus der Kerneinheit und in einen (magnetisch leitenden) Gehäuseabschnitt, welcher zum Ausbilden eines Flusskreises mit der Stößeleinheit zusammenwirkt, kann diese Druckfeder, zusätzlich zur (elektro-)magnetischen Abstoßung, die Ankereinheit beschleunigen und so in der gewünschten Weise das Dynamikverhalten der Ankereinheit verbessern.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft ist zu diesem Zweck die Stößeleinheit, insbesondere an ihrem auf die Permanentmagnetmittel gerichteten Ende, einbezogen in eine magnetische Flussführung und ermöglicht es somit insbesondere, dass, geometrisch vorteilhaft und platzsparend im Hinblick auf einen radialen Einbauraum, seitliche Gehäuse- bzw. Flussleitabschnitte, wie sie beim gattungsbildenden Stand der Technik notwendig waren, eingespart werden können.
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Dabei ist es in einer konkreten, vorteilhaften Realisierung der Erfindung weiterbildungsgemäß besonders vorteilhaft, die als Spiral- und/oder Druckfeder ausgestalteten Federmittel so in einen Endabschnitt der Ankereinheit (genauer: des Schaftabschnitts der Ankereinheit) zu integrieren, dass hier zusätzlich platzsparend vorgegangen werden kann; typischerweise ist es ohne Nachteile im magnetischen Wirkungsgrad möglich, eine derartige, vorteilhaft einzusetzende Spiralfeder etwa in eine endseitige innere Aufweitung des Schaftabschnitts einzusetzen und sie einends an einem entsprechenden innenseitigen Ringabsatz in der Ankereinheit, anderenends an einem kernseitigen, stationären Abschnitt abzustützen.
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Besonders bevorzugt ist es im Rahmen der Erfindung, die langgestreckt ausgestaltete Stößeleinheit, zumindest in Richtung auf die Permanentmagnetmittel aus einem geeigneten weichmagnetischen und/oder magnetisch leitenden Material realisiert, lösbar an dem Schaftabschnitt der Ankereinheit vorzusehen, mit dem Ergebnis, dass die Ankereinheit mehrteilig (Schaftabschnitt, Stößeleinheit) realisiert ist. Besonders bevorzugt ist es bei dieser Realisierungsform, einen zum Zusammenwirken mit dem zugehörigen Ende der Stößeleinheit vorgesehenen Endabschnitt des Schaftabschnitts geeignet flächig und/oder sich radial erweiternd auszubilden, wobei in der praktischen Realisierung vorteilhaft dies etwa durch einen scheibenförmigen Flussleitabschnitt realisiert sein kann, welcher endseitig an der (weiterbildungsgemäß wiederum ring- und/oder scheibenförmigen) Permanentmagneteinheit (als Permanentmagnetmittel) ansitzt.
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Insbesondere eine derartige Konfiguration ermöglicht es dann, durch Permanentmagnetwirkung, weiterbildungsgemäß lediglich durch die Permanentmagnetwirkung der ohnehin ankerseitig vorhandenen Permanentmagnetmittel, die Stößeleinheit lösbar am Endabschnitt des Schaftabschnitts haften zu lassen, so dass größtmögliche Flexibilität, verbunden mit Toleranzausgleichsmöglichkeiten im Einbau- und Betriebszustand realisierbar sind. Ergänzend oder alternativ ist es denkbar, die Stößeleinheit selbst (zumindest abschnittsweise) permanentmagnetisch auszugestalten, um eine derartige magnetische Haftwirkung zu realisieren.
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Die an bzw. in der Ankereinheit, weiter bevorzugt unlösbar befestigten Permanentmagnetmittel sind aus einem geeigneten Permanentmagnetmaterial hergestellt und axial magnetisiert, d. h. in einer Magnetisierungsrichtung, welche parallel zur Bewegungsrichtung der Ankereinheit sowie zu einer Längsachse durch den Schaftabschnitt der Ankereinheit verläuft.
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Zum erfindungsgemäßen Einbeziehen der Stößeleinheit (bzw. eines Endabschnitts der Stößeleinheit) in einen magnetischen Flusskreis bei bestromter Spuleneinheit – in diesem Betriebszustand wird der Permanentmagnetfluss der Permanentmagneteinheit so verdrängt, dass er über einen Abschnitt des Gehäuses und einen permanentmagnetseitigen Endbereich der Stößeleinheit einen geschlossenen (Permanentmagnet-)Flusskreis bildet – ist das Gehäuse, zumindest im Bereich der Stößeleinheit, vorteilhaft und weiterbildend so ausgestaltet, dass es eine Becherform oder Bügelform besitzt und/oder den (weiter vorteilhaft in diesem Bereich radial verbreiterten) Schaftabschnitt im Außenbereich radial umschließt. Ein Luftspalt zu der Stößeleinheit kann beispielsweise und bevorzugt dadurch geschehen, dass der Gehäuseabschnitt zum Hindurchführen der (langgestreckten) Stößeleinheit einen geeigneten, an einen Außendurchmesser der Stößeleinheit angepassten Durchbruch anbietet und so der erfindungsgemäße, verdrängte Permanentmagnetfluss nicht nur als Flusskreis für den Bestromungszustand der Spuleneinheit wirken kann, sondern zusätzlich und vorteilhaft durch den Gehäuseabschnitt, insbesondere einen stirnseitigen Gehäuseabschnitt, ein Anschlag für einen ausgefahrenen Zustand der Ankereinheit geschaffen werden kann; auch in diesem ausgefahrenen Anschlagzustand der Ankereinheit erfolgt damit das erfindungsgemäße Schließen des permanentmagnetischen Flusskreises über den Gehäuseabschnitt, den Abschnitt der Stößeleinheit und ggf. einen zusätzlichen, von der Stößeleinheit axial abgewandten (bezogen auf die Permanentmagnetmittel) Flussleitabschnitt der Ankereinheit, so dass selbst bei wiederum unbestromter Spuleneinheit in diesem ausgefahrenen Anschlagzustand eine stabile Anschlagposition erreicht werden kann, insoweit ein bistabiles Schaltverhalten der Vorrichtung erreichbar ist.
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In konstruktiv besonders einfacher und für eine automatisierte Herstellbarkeit günstiger Weise sind die etwa als hohlzylindrische Buchse realisierten Buchsenmittel, hergestellt aus Stahl 1.4301 in den Kernabschnitt eingepresst, so dass sich nicht nur eine mechanisch stabile und unlösbare Verbindung ergibt, sondern auch ein Abschnitt der Buchse aus dem Kernbereich heraus- bzw. hervorragt, mit der Möglichkeit, dass die Buchse dann nicht nur innenseitig durch die Ankereinheit, sondern auch an diesem herausragenden Abschnitt außenseitig von der Ankereinheit umschlossen sein kann. Dies ermöglicht wiederum in konstruktiv eleganter Weise die Realisierung des erfinderischen Prinzips einer Führung des permanentmagnetischen Flusses der Permanentmagnetmittel um die Buchse (genauer: die Buchsenwand) herum, im unbestromten Zustand der Spuleneinheit.
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Im Ergebnis ermöglicht es die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher und eleganter Weise, eine gattungsbildende elektromagnetische Stellvorrichtung im Hinblick auf einen verringerten Durchmesser im Kernbereich und verbesserte Dynamik- bzw. Beschleunigungseigenschaften weiterzuentwickeln, so dass insbesondere in einem besonders bevorzugten Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung, nämlich der Steuerung von Funktionalitäten eines Verbrennungsmotors, hier neue und zusätzlich vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten eröffnet sind. Gleichwohl ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Anwendungsgebiet „Motortechnologie” beschränkt, vielmehr eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung für jeglichen Einsatzfall, bei welchem eine einfach herstellbare, gleichzeitig leistungsfähige elektromagnetische Stelltechnologie mit vorteilhaften Flussführungseigenschaften kombiniert werden soll.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in
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1: eine schematische Längsschnittansicht durch die elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einem unbestromten Betriebszustand der Spuleneinheit;
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2: eine Darstellung analog 1 zu einem Zeitpunkt, bei welchem eine Bestromung der Spuleneinheit aktiviert wird, sich die Ankereinheit jedoch noch im ausgangsseitigen Anschlagzustand befindet, und
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3: eine Darstellung der Stellvorrichtung analog 1, 2 im Bestromungszustand der Spuleneinheit zeitlich nach dem Zustand der 2 mit in eine herausgeschobene bzw. ausgefahrene Position der Stößeleinheit bewegter Ankereinheit, angeschlagen an einer gegenüberliegenden Gehäuse-Anschlagsposition.
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Die 1 bis 3 zeigen in der schematischen Längsschnittansicht die erfindungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, Bezugszeichen gelten für alle Darstellungen.
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Insoweit entsprechend der gattungsbildenden Technologie der
DE 20 2009 010 495 besteht die radialsymmetrisch aufgebaute Vorrichtung aus einer stationären (d. h. montierten und selbst unbeweglichen) Kerneinheit
10, welche endseitig einen Bodenabschnitt
12 ausbildet und von einer auf einem (nicht gezeigten) Spulenträger gehaltenen Spuleneinheit
14 mantelseitig umschlossen ist.
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In die gegenüberliegend des Bodenabschnitts 12 endseitig mittels eines Flanschbereichs 16 aufgeweitete Kerneinheit 10 ist eine Ankereinheit 18 mittels eines Schaftabschnitts 20 eintauchend ausgebildet, wobei der Schaftabschnitt in Richtung auf den Boden 12 eine radiale Erweiterung 22 eines axial verlaufenden Durchbruchs aufweist, in welche Erweiterung eine Spiralfeder 24 eingesetzt ist, welche sich, die Ankereinheit mit ihrer Federkraft vorspannend, vom Bodenelement 12 abstützt.
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Anderenends weist der Schaftabschnitt 20 der Ankereinheit 18 einen flanschartigen Verbreiterungsabschnitt 26 auf, welchem ein ringförmiger Permanentmagnet 28, axial magnetisiert in einer parallel zur Längserstreckung des Schaftabschnitts 20 verlaufenden Richtung, angesetzt ist, so dass der flanschartige Verbreiterungsabschnitt 26, zusammen mit einem weiteren Flanschabschnitt 30 der Ankereinheit, axial beidseitig des Permanentmagnetrings als Flussleitelemente wirkt.
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Eine aus Weicheisen realisierte, langgestreckt-zylindrische Stößeleinheit 31 sitzt magnetisch haftend außen auf dem Flanschabschnitt 26 und durchgreift einen Durchbruch 33 in einem Gehäuse 35 (kann auch direkt in einem Führungsroh sitzen).
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Mantelseitig des Schaftabschnitts 20 ist in die Kerneinheit 10 eine hohlzylindrische Buchse 32 aus Stahl 1.4301 so eingepresst, dass innenseitig der Buchse diese ganzflächig auf einem Mantelabschnitt des Schaftabschnitts 20 – gleitend – aufsitzt, im Außenbereich der Buchse 32 ein axialer Längsabschnitt durch einen Presssitz mit dem Material der Kerneinheit 10 gebildet wird und ein weiterer axialer Längsabschnitt der Buchse, axial benachbart, von der Ankereinheit, konkret dem Flussleitabschnitt, der Permanentmagneteinheit 28 und dem Abschnitt 26, übergriffen wird.
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Dies führt dann dazu, dass, verdeutlicht durch die Pfeilschaar 40 in 1, in einem unbestromten Zustand der Spuleneinheit 14 ein Permanentmagnetfluss der Permanentmagnetmittel 28 durch die Flussleitscheibe 30, die Kerneinheit 10, den langgestreckten Schaftabschnitt 20 im Inneren der Buchse und den Flussleitabschnitt 26 als Flusskreis geschlossen ist, welcher an der Luftspalt- und Anker-/Stator-Übergangsstelle (10 auf 30) eine starke permanentmagnetische Haftung bewirkt.
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Die Vorrichtung ist dabei so bemessen und eingerichtet, dass die permanentmagnetische Haftkraft in diesem Betriebszustand höher ist als eine auf die Ankereinheit wirkende Druckkraft der Spiralfeder 24.
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Die 2 zeigt den Bestromungszustand der Spuleneinheit, unmittelbar nach dem Aktivieren der Bestromung. Die Pfeilschaar 42 verdeutlicht das elektromagnetisch erzeugte Spulenmagnetfeld (wiederum ist zur Vereinfachung lediglich eine Seite der radialsymmetrischen Vorrichtung mit Pfeilen versehen), wobei die Pfeile 42 den permanentmagnetischen Fluss 40' aus der Kerneinheit 10 heraus verdrängen, in einen permanentmagnetischen Flusskreis, welcher nunmehr gebildet ist von dem Flussleitelement 30, einem radial umschließenden, becherförmigen Gehäuseabschnitt 50 des Gehäuses 35, in einen daran ansitzenden Gehäusedeckelabschnitt 52, hinein in einen permanentmagnetseitigen Stößelendabschnitt 54 der Stößeleinheit 31, und über den Flussleitabschnitt 26 bis hin zum axial magnetisierten Permanentmagnetring 28.
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Zu diesem Betriebszustand wirkt damit dann der Elektromagnetfluss 42 nicht nur abstoßend auf die Ankereinheit, auch wird durch die Flussverdrängung die permanentmagnetische Haftung der Ankereinheit an der Kerneinheit überwunden, und zusätzlich beschleunigend wirkt nunmehr die Druckfeder 24 auf die Ankereinheit, um die Stößeleinheit aus dem Gehäuse 35 herauszutreiben (Bewegungsrichtung abwärts in der Zeichnungsebene der 1 bis 3).
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Den Endzustand dieser Antriebsbewegung zeigt die 3, bei nach wie vor bestromter Spuleneinheit und teilweise entspannter Spiralfeder 24: Der Gehäuseabschnitt 52 bildet innenseitig den Anschlag für die Ankereinheit 18, welche mit dem Flussleitabschnitt 26 an das geeignet magnetisch leitende, z. B. weichmagnetische Material anschlägt. Wie zudem die Pfeilschaar 40'' verdeutlicht, wird in diesem ausgefahrenen Zustand der Stößeleinheit die Ankereinheit – bistabil – gehalten durch einen permanentmagnetischen Flusskreis, welcher sich durch die Ankeranordnung aus Flussleitelement 30, Permanentmagnetring 28, Flussleitelement 26, über das Flussleitende 54 der Stößeleinheit 35 und die Gehäuseabschnitte 52, 50 schließend erstreckt. Beim typischen Anwendungsfall Nockenwellenverstellung würde dann ein geeignet an dem Ende 54 entgegengesetzt angreifender Stellpartner des Stößelelements die Ankereinheit wieder zurück in ihre Ausgangslage (1) verbringen können.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt; vielmehr sind zahlreiche weitere Varianten und Ausgestaltungen für jeweilige Anwendungsfälle denkbar, bei welchen erfindungsgemäß die permanentmagnetische Flussumleitung bzw. -verdrängung zur Erhöhung des Dynamikverhaltens erfolgen kann.
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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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- DE 202009010495 U [0002]
- DE 202009010495 [0003, 0008, 0023]
