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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Spulenträger zum Tragen einer Wicklung einer Spule einer elektrischen Maschine, eine elektrische Maschine mit einer Spule, die auf einem Spulenträger aufgewickelt ist, ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine und ein Verfahren zum Wickeln einer Spule.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektronisch kommutierte elektrische Maschinen weisen in der Regel einen Stator mit Statorzähnen auf. Im Fall von Innenläufermaschinen sind die Statoren in der Regel kreisförmig ausgebildet und einstückig oder aus Einzelsegmenten zusammengesetzt. Im letzteren Fall weisen die Einzelsegmente in der Regel eine Statorzahnstruktur auf, die zunächst bewickelt wird, wonach die bewickelten Einzelsegmente zu dem kreisförmigen Stator zusammengesetzt werden. Die Statorzahnstruktur der Einzelsegmente wird üblicherweise mit einem lackisolierten Kupferdraht bewickelt, um die Statorspule auf den Statorzahn aufzubringen.
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Zur Vermeidung von elektrischen Kurzschlüssen zwischen dem Wicklungsdraht und dem Eisenblech des betreffenden Einzelsegments werden Isolationselemente in Form von Wicklungsträgern, im Folgenden auch Spulenträger genannt, eingesetzt, die beispielsweise aus Kunststoff ausgebildet sein können. Die Spulenträger werden üblicherweise als eigenständiges Bauteil, beispielsweise aus thermoplastischem Kunststoff durch Umspritzen der Statorzahnstruktur bzw. des gesamten Einzelsegments, hergestellt.
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DE 10 2010 064 051 A1 beschreibt einen Wicklungsträger zur Isolation einer Einzelzahnwicklung bei elektrischen Maschinen. Der Wicklungsträger besteht aus mehreren Wicklungsträgerteilen, welche jeweils ein Basisteil und einen Wicklungsträgerkragen aufweisen. An den Wicklungsträgerkragen sind Positionierstrukturen zum Halten von Anschlussabschnitten des Wicklungsdrahtes vorgesehen. Auch ist ein Führungselement zum Führen mindestens eines der Anschlussabschnitte des Wicklungsdrahtes vorgesehen. Das Führungselement soll vermeiden, dass ein Anschlussabschnitt des Wicklungsdrahtes in Kontakt mit einem der weiteren Anschlussabschnitte gelangt.
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Der in die Wicklung einlaufende Draht wird beispielsweise mittels eines Ultraschallschweißverfahrens an eine Stromschiene angebunden. Bedingt durch die durch das Schweißverfahren eingebrachten Schwingungen kann es zu Beschädigungen der auf den Wicklungsdraht aufgetragenen Lackisolation kommen. Diese können zu Windungsschlüssen und zu Ausfällen der Maschine im Prozess bzw. im Feld führen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, das Risiko eines Kurzschlusses zwischen einzelnen Abschnitten des Wicklungsdrahtes zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Spulenträger zum Tragen einer Wicklung einer Spule einer elektrischen Maschine. Der Spulenträger weist einen Korpus, auch Basisteil genannt, auf, der zum Tragen der Wicklung der Spule ausgeführt ist. Weiterhin weist der Spulenträger ein Barriereelement auf, welches klappbar an dem Korpus angebracht ist und zum Umklappen während des Wicklungsvorgangs ausgeführt ist, um zwei sich überkreuzende Drahtabschnitte des Wicklungsdrahtes voneinander zu beabstanden.
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Insbesondere kann es sich bei der Wicklung der Spule um eine Einzelzahnwicklung handeln.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einer solchen Wicklung Bereiche gibt, in denen sich einzelne Drahtabschnitte des Wicklungsdrahtes kreuzen. Wenn diese Kreuzungspunkte im Bereich eines Anschlussabschnitts des Wicklungsdrahtes liegen und die Spule im Folgeprozess mit dem Ultraschweißverfahren an die Stromschienen angebunden wird, können die durch das Schweißverfahren in den Draht eingebrachten Schwingungen im Kreuzungsbereich der Drahtabschnitte zu einer Reibung zwischen den Drahtabschnitten führen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn diese Drahtabschnitte der Schweißstelle nahe liegen. Dies kann zur Folge haben, dass die auf den Wickeldraht aufgetragene Lackisolation beschädigt wird, so dass es zu einem Kurzschluss, beispielsweise in Form eines Windungsschlusses, kommt, wodurch die Maschine ausfallen kann.
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Da das Barriereelement verhindert, dass sich die kreuzenden Drahtabschnitte im Einlaufbereich der Spule berühren, kann das Risiko einer Aufscheuerung der Lackisolation während des Ultraschallschweißprozesses verringert werden.
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Beispielsweise sind der Korpus und das Barriereelement einstückig gefertigt. Dies kann durch ein Spritzgussverfahren erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Barriereelement als Filmscharnier ausgeführt. Beispielsweise weist das Barriereelement eine Dicke zwischen 0,3 mm und 0,4 mm auf. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Barriereelement eine ausreichende Beabstandung zwischen den sich überkreuzenden Drahtabschnitten der Wicklung bereitstellt und andererseits so dünn ist, dass es die Geometrie der Wicklung nicht nachteilig beeinflusst. Das Barriereelement kann allerdings auch dicker oder dünner ausgeführt sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Korpus eine Wickelfläche auf, auf welcher der Draht der Wicklung aufgewickelt wird. Der Spulenträger weist einen Spulenträgerkragen auf, der sich an die Wickelfläche anschließt, um die Wicklung der Spule zum Ende der Spule hin zu begrenzen. Das Barriereelement ist an dem Spulenträgerkragen in einem solchen Abstand zur Wickelfläche angebracht, dass das Umklappen des Barriereelements während des Wickelvorgangs beim Übergang des Wickeldrahtes von einer zweiten oder höheren Lage der Wicklung in eine darauffolgende Lage der Wicklung erfolgt.
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In anderen Worten klappt der Wickeldraht während des automatisierten Aufwickelns des Drahtes auf die Spule das Barriereelement automatisch um, wenn der aktuell gewickelte Drahtabschnitt von einer Lage in die nächstfolgende Lage übergeht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Spulenträger aus Polyphenylensulfid (PPS), Polyamid, Polybutylenterephthalat (PBT), Polyoxymethylen (POM), Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE) hergestellt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine elektrische Maschine mit einer Spule angegeben, die auf den oben und im Folgenden beschriebenen Spulenträger aufgewickelt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Fahrzeug, beispielsweise ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug, mit einer elektrischen Maschine angegeben, die eine Spule aufweist, die auf den oben und im Folgenden beschriebenen Spulenträger aufgewickelt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Wickeln einer Spule angegeben, bei dem eine n-te Lage der Wicklung der Spule gewickelt wird. Wenn der Wicklungsdraht von der n-ten Lage in die n + 1-te Lage der Wicklung übergeht, wird das Barriereelement von dem Wicklungsdraht automatisch umgeklappt, wonach dann die n + 1-te Lage der Wicklung gewickelt wird. n ist eine ganze Zahl.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
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1A zeigt einen Spulenträger mit einer darauf aufgewickelten Spule.
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1B bis 1E zeigen Teilansichten des Einlaufbereiches des Spulenträgers in verschiedenen Phasen des Wickelvorgangs.
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2A zeigt einen Spulenträger mit einer darauf aufgewickelten Spule gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2B bis 2E zeigen Teilansichten des Einlaufbereiches des Spulenträgers der 2A in verschiedenen Phasen des Wickelvorgangs.
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3 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht eines Spulenträgers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung des Spulenträgers mit einer darauf aufgewickelten Spule gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Spulenträgers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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6 zeigt eine perspektivische Teilansicht des Einlaufbereiches des Spulenträgers der 5.
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7 zeigt eine perspektivische Teilansicht des Einlaufbereiches des Spulenträgers der 5 nach dem Wickelvorgang.
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8 zeigt eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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9 zeigt ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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10 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Werden in den Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1A zeigt einen Spulenträger 100, auf den eine Spule 101 aufgewickelt ist. Sowohl der einlaufende Abschnitt 102 des Wicklungsdrahts als auch der auslaufende Abschnitt 106 des Wicklungsdrahts werden mittels eines Ultraschallschweißverfahrens mit einer entsprechenden Stromschiene oder einem Masseanschluss verbunden.
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1B zeigt eine perspektivische Darstellung des Einlaufbereichs des Spulenträgers 100. Im Spulenträgerkragen 402 befindet sich ein Führungskanal 107, in welchen der einlaufende Abschnitt 102 des Wicklungsdrahts läuft. Im Bereich 105 kreuzt der einlaufende Wicklungsdrahtabschnitt 102 den unteren Drahtabschnitt 104 der äußeren Wicklung, der dem Spulenträgerkragen 402 am nächsten liegt.
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Während des Ultraschallschweißverfahrens können die Drahtabschnitte 102, 104 im Bereich 105 gegeneinander reiben, so dass der Isolierlack teilweise abgerieben werden kann.
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1C zeigt den Einlaufbereich des Spulenträgers 100 während des Wickelvorgangs. Der zu diesem Zeitpunkt gewickelte Drahtabschnitt 103 der zweiten Lage wird, wie in 1C dargestellt ist, den Drahtabschnitt 102 im Einlaufbereich, der etwa senkrecht dazu steht, kreuzen.
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1D zeigt, wie nun der letzte Drahtabschnitt 103 der zweiten Lage gewickelt wird und 1E zeigt die Phase des Wicklungsvorgangs, bei der der erste Drahtabschnitt 104 der dritten Lage gewickelt wird.
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Auch der Drahtabschnitt 104 kreuzt den Drahtabschnitt 102 im Bereich 105.
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Bedingt durch den Aufbau der Wicklung kann es bei dem letzten Drahtabschnitt der zweiten Lage und dem ersten Drahtabschnitt der dritten Lage zu Berührungen mit dem einlaufenden Drahtabschnitt kommen. Die Drahtabschnitte liegen in diesem Fall nicht tangential aneinander, sondern kreuzen sich. Diese Berührung führt während der Anbindung der Spule an die Stromschiene mittels Ultraschallschweißverfahren unter Umständen zu einem Aufreiben der Lackisolation der Drahtabschnitte, was zu Windungsschlüssen führen kann.
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2A zeigt einen Spulenträger 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einer darauf aufgewickelten Spule 101. Bis auf das Barriereelement 201 unterscheidet sich dieser Spulenträger nicht von dem in den 2A bis 2E gezeigten Spulenträger.
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2B zeigt eine Detaildarstellung des Einlaufbereiches des Spulenträgers. Das Barriereelement 201 ist umgeklappt und befindet sich zwischen dem Drahtabschnitt 102 des Einlaufbereiches und dem Drahtabschnitt 104 des Beginns der äußeren Wicklung. Das Barriereelement 201 verhindert ein Aufreiben bei dem Ultraschallschweißprozess.
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2C zeigt den Einlaufbereich der 2B während des Wickelvorgangs. Das Barriereelement 201 ist in dieser Situation noch hochgeklappt und befindet sich somit in der Position, die es vor Beginn des Wickelprozesses einnimmt.
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2D zeigt eine etwas spätere Phase des Wickelvorgangs, bei der nun beispielsweise der erste Drahtabschnitt 103 der dritten Wicklungslage gewickelt wird, wobei bei diesem Vorgang das Barriereelement 201 umgeklappt wird, so dass es nun auf dem Drahtabschnitt 102 im Einlaufbereich zu Liegen kommt. Beispielsweise kann das umgeklappte Barriereelement auf diese Weise den Kanal im Spulenträgerkragen 402, in welchem sich der Einlauf mit Drahtabschnitt 102 befindet, vollständig abdecken.
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2E zeigt eine etwas spätere Phase des Wickelvorgangs, in welcher nun auch der erste Drahtabschnitt 104 der dritten Lage gewickelt ist. Bedingt durch den Aufbau der Wicklung wird durch den letzten Drahtabschnitt der zweiten Lage 103 und dem ersten Drahtabschnitt der dritten Lage 104 die im Spulenträger integrierte Kunststoffbarriere 201 umgeklappt. Diese wird durch die Drahtabschnitte 102, 103, 104 eingeklemmt und verhindert, dass während des Ultraschallschweißvorgangs die Drahtabschnitte 103, 104 Kontakt zum Drahtabschnitt 102 haben. So kann es zu keiner Beschädigung während des Ultraschallschweißverfahrens am Isoliersystem der Drahtabschnitte in diesem Bereich kommen.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Spulenträgers 100 mit aufgewickelter Spule 101.
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4 zeigt eine Querschnittdarstellung des Spulenträgers der 3. Der Spulenträger weist eine gewickelte Spule mit fünf Wicklungslagen 403 (erste Lage), 404 (zweite Lage), 405 (dritte Lage), 406 (vierte Lage) und 407 (äußere, fünfte Lage) auf. An die Wickelfläche 401 angeschlossen ist ein oberer Spulenträgerkragen 402 und ein unterer Spulenträgerkragen 408, welche die Wicklung der Spule zum Ende der Spule hin begrenzen. Bezugszeichen 301 bezeichnet den Korpus bzw. das Basisteil der Spule.
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Ein Kernaspekt der Erfindung ist die Integration einer Kunststoffbarriere in den Spulenträger der Spule. Das Barriereelement ist so ausgestaltet, dass sie sich durch einen Kunststoffspritzgussprozess herstellen lässt. Träger und Barriereelement können somit einstückig ausgeführt sein. Bei dem Bewickeln des Spulenträgers wird während des Wickelns der letzten Wicklung der zweiten Lage und beim Übergang des Drahtes aus der zweiten in die dritte Lage die Kunststoffbarriere so umgeformt, dass sie sich zwischen dem einlaufenden Drahtabschnitt und die beiden Drahtabschnitte am Ende der zweiten Lage und zu Beginn der dritten Lage einklemmt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass eine direkte Berührung der sich kreuzenden Drahtabschnitte vermieden wird.
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Natürlich kann die Kunststoffbarriere auch in einem solchen Abstand zur Wickelfläche 401 angebracht sein, dass das Umformen oder Umklappen der Kunststoffbarriere beim Übergang des Wickeldrahtes aus der dritten Lage in die vierte Lage oder beim Übergang aus der vierten in die fünfte Lage erfolgt.
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5 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Spulenträgers 100, welcher ein Führungselement 501 aufweist, das den einlaufenden Drahtabschnitt festklemmt. Zwischen dem Führungselement und dem Korpus 301 befindet sich das Barriereelement 201, welches beim Wickeln des Drahtes automatisch nach unten klappt.
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6 zeigt eine Detaildarstellung des Einlaufbereiches des Spulenträgers mit dem Barriereelement 201. Das Barriereelement 201 ist beispielsweise plattenartig ausgeführt und kann eine rechteckige oder quadratische Grundfläche aufweisen. Der Abstand zwischen dem Barriereelement 201 und der Wandung 601 des Korpus des Spulenträgers ist hierbei so gewählt, dass das Barriereelement 201 zu Beginn des Wickelvorgangs, also beim Wickeln der ersten Lage der Wicklung, noch nicht umgeklappt wird. Das Umklappen erfolgt beispielsweise erst beim Übergang von der zweiten Lage in die dritte Lage oder beim Übergang von der dritten Lage in die vierte Lage.
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Die Breite 602 des Barriereelements kann so gewählt sein, dass es mehrere Drahtabschnitte vom Einlaufdrahtabschnitt beabstanden kann. In anderen Worten kann es also eine Breite aufweisen, die zwei, drei oder mehr Drahtdurchmessern des Wicklungsdrahtes entspricht.
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7 zeigt den Bereich der 6, nun jedoch mit einer aufgewickelten Spule und einem entsprechend umgeklapptem Barriereelement 201.
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8 zeigt eine elektrische Maschine 800 mit einem Spulenträger 100 mit einer darauf aufgewickelten Spule.
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9 zeigt ein Fahrzeug 900, welches eine elektrische Maschine 800 aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Elektrofahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug.
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10 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In Schritt 1001 wird eine n-te Lage einer Wicklung der Spule auf einen Spulenträger aufgewickelt. Beim Übergang von dieser n-ten Lage in eine n + 1-te Lage erfolgt in Schritt 2002 ein automatisches Umklappen eines Barriereelementes und in Schritt 1003 wird dann die n + 1-te Lage der Wicklung aufgewickelt.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010064051 A1 [0004]
