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Stand der Technik
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Elektromotoren und insbesondere bürstenlose Gleichstrommotoren werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Beispielsweise können die Elektromotoren zum Antrieb von Pumpen verwendet werden. Ein Fördermedium einer solchen Pumpe kann z.B. auf Grund einer niedrigen Temperatur zähflüssig sein. Dies kann zu hohen Anforderungen an das Drehmoment des Elektromotors führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es kann daher ein Bedarf an einer verbesserten Möglichkeit zur Förderung eines ggf. zähflüssigen Fluids bestehen.
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Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Steuergerät zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors vorgestellt. Das Steuergerät ist dabei ausgeführt, den bürstenlosen Gleichstrommotor mit Energie zu versorgen. Ferner ist das Steuergerät ausgeführt, den bürstenlosen Gleichstrommotor zu erwärmen, indem der Gleichstrommotor mit Energie versorgt wird, ohne dass dabei ein elektromagnetisches Wechselfeld im Gleichstrommotor induziert wird.
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Anders ausgedrückt basiert die Idee der vorliegenden Erfindung darauf, den elektrischen Gleichstrommotorantrieb (brushless DC, BLDC) zum Erwärmen des Elektromotors einzusetzen. Wird das Steuergerät beispielsweise zum Ansteuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors einer Pumpe wie zum Beispiel einer Kraftstoffpumpe eingesetzt, so wird durch die Erwärmung des Gleichstrommotors das den Motor umgebende Fluid wie zum Beispiel Kraftstoff erwärmt. Durch die Erwärmung wird das Fluid weniger zähflüssig bzw. weniger viskos und kann auf diese Weise einfacher durch die Pumpe gefördert werden.
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Das Steuergerät ist ein elektrisches Steuergerät und kann beispielsweise in Kraftfahrzeugen verwendet werden. Beispielsweise kann das Steuergerät zum Ansteuern eines Gleichstrommotors in einer elektrischen Förderpumpe wie zum Beispiel einer elektrischen Kraftstoffpumpe (EKP) eingesetzt werden. Die Kraftstoffpumpe kann zum Beispiel mit dem Gleichstrommotor in einem Kraftstofftank angeordnet sein. Das Steuergerät kann zum Beispiel außerhalb des Kraftstofftanks angeordnet sein und über einen Tankflansch mit der elektrischen Förderpumpe und insbesondere mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor elektrisch verbunden sein. Das Fördermedium der elektrischen Pumpe kann dabei zum Beispiel Kraftstoff, insbesondere Diesel sein.
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Das Steuergerät ist ausgeführt, den bürstenlosen Gleichstrommotor in einem Fördermodus bzw. Förderbetrieb so mit Energie zu versorgen, dass ein elektromagnetisches Feld im Elektromotor induziert wird und dadurch ein Drehmoment erzeugt wird. In einem Erwärmungsmodus bzw. Erwärmungsbetrieb ist das Steuergerät ausgeführt, den Gleichstrommotor dadurch zu erwärmen, dass der Gleichstrommotor mit Energie versorgt wird, ohne dass dabei ein elektromagnetisches Wechselfeld im Gleichstrommotor entsteht. Dabei steuert das Steuergerät die Phasen bzw. Stränge des bürstenlosen Gleichstrommotors entsprechend an. Die an den Motor übertragene Leistung kann als Abwärme beispielsweise über die Statorwicklungen abgegeben werden.
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Beispielsweise kann der bürstenlose Gleichstrommotor als elektrisch kommutierter permanent erregter Drehstromsynchronmotor ausgeführt sein. Dabei können drei Phasen U, V, W am Gleichstrommotor vorgesehen sein, die während des Förderbetriebs durch das Steuergerät in einem sogenannten 120°-Blockbetrieb angesteuert werden. Im Erwärmungsbetrieb werden beispielsweise mehrere Phasen gleichzeitig angesteuert bzw. bestromt, so dass kein Drehmoment am Gleichstrommotor erzeugt wird und die Energie als Wärme beispielsweise über die Spulenwicklungen eines Stators des Gleichstrommotors abgegeben wird.
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Das Steuergerät ist ausgeführt, den Gleichstrommotor mit Energie zu versorgen. Das heißt, das Steuergerät bestimmt, welche der Phasen des Gleichstrommotors wann und mit wie viel Phasenstrom zu bestromen sind und stellt die entsprechenden elektrischen Verbindungen zwischen einer Energiequelle wie beispielsweise einer Batterie und einzelnen Phasen her.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Erwärmen des Gleichstrommotors dadurch bewirkt, dass mindestens zwei Phasen des Gleichstrommotors gleichzeitig mit Energie versorgt bzw. bestromt werden. Dabei können die Phasen zum Beispiel über eine Dreieckschaltung oder über eine Sternschaltung miteinander verbunden sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Steuergerät ausgeführt, das Erwärmen des Gleichstrommotors zu initiieren, nachdem es ein Startsignal empfangen hat. Das Startsignal kann dabei einem Öffnen einer Fahrzeugtür und/oder einem Einführen eines Schlüssels wie z.B. eines Zündschlüssels und/oder dem Betätigen eines Schlüssels entsprechen. Das heißt, das Steuergerät ist ausgeführt, zunächst ein Startsignal zu empfangen und anschließend ein Erwärmen des Gleichstrommotors zum Beispiel durch gleichzeitiges Bestromen von zwei Phasen des Gleichstrommotors zu initiieren.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Steuergerät eine Stromermittlungseinrichtung auf. Die Stromermittlungseinrichtung ist dabei ausgeführt, einen aktuellen Stromwert am Gleichstrommotor zu ermitteln. Das Steuergerät ist dabei ausgeführt, den aktuellen Stromwert mit einem vorgebbaren Schwellenwert zu vergleichen. Ferner ist das Steuergerät ausgeführt, eine am Gleichstrommotor anliegende Spannung derart zu regeln, dass der aktuelle Stromwert den vorgebbaren Schwellenwert nicht überschreitet.
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Die Stromermittlungseinrichtung kann dabei beispielsweise Stromsensoren bzw. Strommessgeräte aufweisen. Die Stromsensoren bzw. Strommessgeräte können dabei direkt ins Steuergerät integriert sein. Alternativ können die Stromsensoren bzw. Strommessgeräte am Gleichstrommotor angeordnet sein. Beispielsweise können diese den aktuellen Stromwert direkt an den Statorwicklungen ermitteln und an die Stromermittlungseinrichtung des Steuergeräts drahtlos oder über Kabel übermitteln.
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Das Steuergerät vergleicht den ermittelten aktuellen Stromwert bzw. Strommesswert mit einem vorgebbaren Schwellenwert. Der vorgebbare Schwellenwert kann beispielsweise durch einen Benutzer eingegeben oder aus einer Datenbank ausgelesen werden. Liegt der ermittelte aktuelle Stromwert über dem vorgebbaren Schwellenwert, so veranlasst das Steuergerät, dass die am Gleichstrommotor und insbesondere an den Statorwicklungen des Gleichstrommotors anliegende Spannung verringert wird. Anschließend wird der aktuelle Stromwert erneut ermittelt und mit dem Schwellenwert verglichen. Dies geschieht so lange, bis der aktuelle Stromwert unter dem vorgebbaren Schwellenwert liegt.
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Eine Ermittlung des aktuellen Stromwerts und ein Nachregeln der am Gleichstrommotor anliegenden Spannung kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn das Steuergerät von einem Gleichstrommotor verwendet wird, dessen Widerstände am Stator noch nicht bekannt sind.
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Die Dimensionierung der dem Elektromotor im Erwärmungsmodus zugeführten Leistung kann unter Berücksichtigung des Statorwiderstands, der Batteriespannung und eines maximalen Phasenstroms geschehen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Steuergerät ausgeführt, das Erwärmen des Gleichstrommotors zu stoppen bzw. einzustellen und ein elektromagnetisches Wechselfeld im Gleichstrommotor zu induzieren, sobald das Steuergerät ein Stoppsignal empfängt bzw. erhält. Das heißt, das Steuergerät ist ausgeführt, ein Stoppsignal zu empfangen und anschließend das Erwärmen des Gleichstrommotors einzustellen, um ein Drehmoment im Gleichstrommotor zu erzeugen.
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Das Stoppsignal kann dabei zum Beispiel durch ein übergeordnetes Motorsteuergerät übermittelt werden. Beispielsweise kann das Stoppsignal durch ein Betätigen eines Zündschlüssels eines Kraftfahrzeug ausgelöst werden. Sobald das Steuergerät ein elektromagnetisches Wechselfeld im Gleichstrommotor induziert, wird ein Drehmoment erzeugt, so dass ein Fluid in einer Pumpe, die der Gleichstrommotor betreibt, gefördert werden kann.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein System zur Förderung eines Fluids vorgestellt. Das System weist ein oben beschriebenes Steuergerät und eine elektrische Pumpe mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor auf. Das Steuergerät ist dabei ausgeführt, den bürstenlosen Gleichstrommotor derart anzusteuern, dass Energie an das zu fördernde Fluid der elektrischen Pumpe abgegeben wird. Das Fluid kann dabei beispielsweise ein Kraftstoff sein. Die Pumpe kann eine elektrische Kraftstoffpumpe sein, die in einem Kraftstofftank angeordnet ist und einen Verbrennungsmotor mit Kraftstoff versorgt. Das Steuergerät steuert den bürstenlosen Gleichstrommotor und insbesondere die Phasen des Gleichstrommotors derart an, dass die komplette der Pumpe zugeführte Energie bzw. Leistung als Abwärme an das zu fördernde Fluid abgegeben wird.
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Das Erwärmen des Fluids kann die Förderung des Fluids erleichtern. Hierfür kann das Fluid zunächst erwärmt werden und anschließend durch Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfelds im Gleichstrommotor gefördert werden. Eine Erwärmung des Fluids, insbesondere des Kraftstoffs kann beispielsweise bei niedrigen Außentemperaturen vorteilhaft sein. Beispielsweise kann sich die Viskosität von Kraftstoff, insbesondere von Diesel ab einer Temperatur von –12°C bis –15°C erhöhen. Insbesondere kann bei einer Temperatur von –25°C bis –30°C der Dieselkraftstoff ausflocken, was die Förderung erheblich erschwert. Wird der bürstenlose Gleichstrommotor der elektrischen Pumpe durch das Steuergerät zunächst in einem Erwärmungsmodus betrieben, so wird der Kraftstoff erhitzt. Anschließend kann der Gleichstrommotor in einem Fördermodus durch das Steuergerät betrieben werden. Dabei reicht ein im Vergleich zu kaltem Kraftstoff geringeres Drehmoment des Gleichstrommotors aus um den Kraftstoff zu fördern.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Gleichstrommotor einen Stator mit Wicklungen und einen Rotor auf. Die Energie bzw. Abwärme ist dabei über die Wicklungen des Stators an das Fluid abgebbar. Dabei kann beispielsweise auf eine Kunststoffumspritzung des Stators verzichtet werden, um eine bessere Wärmeleitfähigkeit von den Wicklungen zum Fluid zu gewährleisten.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist am Stator ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit vorgesehen. Beispielsweise kann der Stator mit einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit umspritzt sein. Ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit kann beispielsweise ein Material sein, welches eine Wärmeleitfähigkeit über 0,3 W/(m·K), vorzugsweise über 0,4 W/(m·K) aufweist. Beispielsweise kann das Material ein Polyimid oder ein Polyethylen sein. Das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann dabei beispielsweise direkt auf die Wicklungen des Stators aufgespritzt sein.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors zum Erwärmen eines Fluids vorgestellt. Das Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf: Versorgen eines Gleichstrommotors mit Energie mittels eines Steuergeräts und Erwärmen des Gleichstrommotors mittels des Steuergeräts, indem der Gleichstrommotor mit Energie versorgt wird, ohne dass dabei ein elektromagnetisches Wechselfeld im Gleichstrommotor induziert wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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1 zeigt ein Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
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2 zeigt einen Spannungsverlauf an den Phasen des Gleichstrommotors während eines Erwärmungsbetriebs gemäße einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
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3 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens zum Ansteuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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In 1 ist ein Steuergerät 1 dargestellt. Das Steuergerät 1 kann auch als electronic pump control (epc) bezeichnet werden. Das Steuergerät ist mit einer Energiequelle 7, insbesondere mit einer Spannungsquelle wie zum Beispiel einer Batterie verbunden. Ferner ist das Steuergerät mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor verbunden. Insbesondere ist das Steuergerät 1 mit den einzelnen Phasen 5 des bürstenlosen Gleichstrommotors 3 verbunden. Die Phasen 5 können mit U, V und W bezeichnet werden. Ferner weist das Steuergerät 1 einen Potenzialausgleichsanschluss 9, auch als Erdung bezeichnet, auf.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Phasen 5 durch eine Dreiecksschaltung miteinander verbunden. In einem Fördermodus steuert das Steuergerät 1 den Gleichstrommotor 3 derart an, dass im Gleichstrommotor 3 ein elektromagnetisches Wechselfeld induziert wird und dadurch ein Drehmoment erzeugt wird. In einem Erwärmungsmodus steuert das Steuergerät 1 den Gleichstrommotor 3 derart an, dass dem Gleichstrommotor 3 Leistung zugeführt wird, ohne dass sich dieser dreht. Damit wird die zugeführte Energie in Abwärme umgewandelt und an das umgebende Fluid abgegeben.
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Wird das Steuergerät 1 mit einem neuen, das heißt bisher nicht verwendeten Gleichstrommotor 3 verwendet, dessen Widerstände am Stators noch nicht bekannt sind, so kann es vorteilhaft sein, eine Stromermittlungseinrichtung 11 am Steuergerät 1 vorzusehen. Die Stromermittlungseinrichtung 11 kann dabei eingesetzt werden, um einen aktuellen Stromwert am Gleichstrommotor 3 zu ermitteln und diesen mit einem Schwellenwert zu vergleichen. Dabei kann das Steuergerät 1 die am Gleichstrommotor 3 anliegende Spannung derart regeln bzw. nachregeln, dass der aktuell ermittelte Stromwert den vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet.
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Der bürstenlose Gleichstrommotor 3 kann dabei zum Beispiel in einer Elektrokraftstoffpumpe zum Erwärmen des Kraftstoffs und zum anschließenden Fördern des Kraftstoffs eingesetzt werden. Das Erwärmen des Gleichstrommotors 3 kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zwei Phasen, beispielsweise U und V, gleichzeitig bestromt werden. Dies ist zum Beispiel in 2 gezeigt.
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Aus 2 ist ein Spannungsverlauf an den Phasen 5 des Gleichstrommotors 3 während des Erwärmungsbetriebs dargestellt. Dabei wird die Phase U und die Phase V gleichzeitig bestromt. Die Phase W wird dabei nicht bestromt. Im oberen Abschnitt von 2 ist eine Vergrößerung des Stromverlaufs an der Phase U dargestellt. Dabei ist auf der X-Achse die Zeit und auf der Y-Achse die Spannung aufgetragen. Die maximale Spannung kann beispielsweise 12 V und die minimale 0 V betragen. Bei einem in den Figuren nicht dargestellten Förderbetrieb des Gleichstrommotors 3 werden die Phasen jeweils um 120° verschoben und bestromt, so dass ein Drehmoment am Gleichstrommotor 3 entsteht.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ansteuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors 3. In einem ersten Schritt S1 wird ein Startsignal durch das Steuergerät 1 detektiert. Das Startsignal kann beispielsweise das Öffnen einer Fahrzeugtür oder das Einstecken eines Zündschlüssels sein. In einem zweiten Schritt S3 wird eine Erwärmung des Gleichstrommotors 3 mittels des Steuergeräts 1 initiiert. Dies kann beispielsweise durch gleichzeitige Bestromung von zwei Phasen 5 des Gleichstrommotors 3 geschehen. In einem weiteren Schritt S5 wird der aktuelle Stromwert am Gleichstrommotor 3 durch das Steuergerät 1 ermittelt. Der aktuelle Stromwert wird dabei insbesondere an den Statorwicklungen des Gleichstrommotors 3 ermittelt. In Schritt S7 wird der aktuelle Stromwert mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen.
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Anschließend wird die am Gleichstrommotor 3 anliegende Spannung bzw. der Spannungsverlauf derart geregelt, dass der aktuelle Stromwert unter dem vorgebbaren Schwellenwert liegt (Schritt S9). Schließlich wird ein Stoppsignal vom Steuergerät 1 empfangen und das Erwärmen in Schritt S11 gestoppt. Ferner wird nach Stoppen des Erwärmens ein elektromagnetisches Wechselfeld im Gleichstrommotor 3 induziert und ein Drehmoment erzeugt.
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Das Steuergerät 1 kann ferner ausgeführt sein, die im bürstenlosen Gleichstrommotor 3 im Erwärmungsbetrieb zugeführte Leistung unter Berücksichtigung der Batteriespannung, eines maximalen Phasenstroms und des Statorwiderstands, das heißt eines Widerstands an den Statorwicklungen, zu dimensionieren. Die Batteriespannung kann dabei zum Beispiel bei ca. 12 V liegen. Der maximale Phasenstrom kann zum Beispiel bei Dauerbetrieb bei ca. 11 A und maximal bei ca. 20 A liegen. Beispielsweise kann bei einem Statorwiderstand von 140 mΩ einer Batteriespannung von 12 V und einem Pulsweiten-Modulator-Tastverhältnis (PWM-TV) von 15 % ein mittlerer Phasenstrom von ca. 14 A erzeugt werden. Dies entspricht einer Eingangsleistung von ca. 28 W. Diese Eingangsleistung wird zur Aufwärmung des bürstenlosen Gleichstrommotors 3 und damit zur Aufwärmung des den Gleichstrommotor 3 umgebenden Fluids wie beispielsweise Kraftstoff eingesetzt. Dadurch kann beispielsweise bei niedriger Außentemperatur bzw. bei kalter Witterung das Aufflocken von Dieselkraftstoff kurz vor dem Start eines Kraftfahrzeugs verhindert werden.
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Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „aufweisend“ oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
