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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Lager, insbesondere ein Wälzlager, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Auf Lager, insbesondere auf Wälzlager, wirken im Betrieb diverse Kräfte, insbesondere solche, die in radialer Richtung, bezogen auf die Drehachse des Lagers, wirken und eine Änderung des Abstandes zwischen den beiden Lagerringen bewirken. Die qualitative oder gar quantitative Erfassung derartiger Lagerkräfte bzw. der Änderung des insbesondere radialen Abstandes der beiden Lagerringe zueinander ist aufwendig, aber für die Auslegung und Überwachung des Lagers wichtig.
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Beispielsweise ist bekannt, Dehnungsmessstreifen an der Stirnfläche oder Mantelfläche eines der Lagerringe anzubringen, die unter den bei Kräften auftretenden Dehnungen der Dehnungsmessstreifen ein elektrisches Signal liefern. Derartige Dehnungsmessstreifen lassen sich nur aufwendig und schwer reproduzierbar anbringen; weiter ist eine zusätzliche Stromversorgung erforderlich.
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Aus dem Stand der Technik sind Lager, insbesondere Wälzlager, bekannt, die einen Klauenpolgenerator umfassen, zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der relativen Drehbewegung der beiden Lagerringe vorgesehen ist. Insbesondere sind Lager bekannt, speziell Wälzlager, umfassend einen ersten Lagerring, einen zweiten Lagerring, und eine Klauenpolanordnung, wobei die Klauenpolanordnung einen ersten Klauenring mit einer Abfolge von ersten Klauen und einen in Umlaufrichtung der Drehachse versetzten zweiten Klauenring mit einer Abfolge von zweiten Klauen umfasst, wobei die Klauen der beiden Klauenringe mit einer die Drehachse umlaufenden Abfolge von magnetischen Polen magnetische Kreise ausbilden. Dabei sind die beiden Klauenringe an dem ersten Lagerring angeordnet und die Abfolge der magnetischen Pole an dem zweiten Lagerring befestigt. Die vorbeschriebene Klauenpolanordnung wird durch eine Induktionsspule zu einem Klauenpolgenerator vervollständigt, wobei die Induktionsspule zwischen den beiden Klauenringen angeordnet ist und die Drehachse umläuft, derart, dass bei einer relativen Drehung des ersten Lagerrings und des zweiten Lagerrings die Induktionsspule von magnetischen Kreisen umlaufen wird, deren Orientierung sich abhängig von der Drehzahl des Lagers ändert, so dass in der Induktionsspule eine elektrische Wechselspannung induziert wird, die als Nutzenergie abgegriffen werden kann und deren Frequenz von der Drehzahl des Lagers abhängig ist, so dass ein Klauenpolgenerator indirekt auch als Drehzahlsensor vorgesehen sein kann. Die für das Funktionieren des Klauenpolgenerators wesentliche vollständige Schließung des die Induktionsspule umlaufenden magnetischen Kreises wird auf Seiten der magnetischen Pole an dem zweiten Lagerring entweder durch einen magnetischen Rückschlussring, der in Umfangsrichtung benachbarte ungleichnamige magnetische Pole magnetisch leitend verbindet, oder durch das magnetisch leitende Korpus des zweiten Lagerrings bewirkt. Die für das Funktionieren des Klauenpolgenerators wesentliche vollständige Schließung des die Induktionsspule umlaufenden magnetischen Kreises wird auf Seiten der Klauenbleche an dem ersten Lagerring durch ein die beiden Klauenbleche direkt magnetisch leitend verbindendes Flussleitelement (
DE 10 2011 075 548 A1 ) oder durch das magnetisch leitende Korpus des ersten Lagerrings (
DE 10 2010 018 472 A1 ) bewirkt. Änderungen des Abstandes zwischen den beiden Lagerringen, die eine Änderung des magnetischen Flusses zwischen den magnetischen Polen an dem zweiten Lagerring zu den Klauen an dem ersten Lagerring bemerkbar machen, lassen sich bei den zu einem Klauenpolgenerator erweiterten Klauenpolanordnungen nicht ohne weiteres erfassen, da die Induktionsspannung in der Induktionsspule über den gesamten Umfang mittelt.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Lager, insbesondere ein Wälzlager, mit einer baulich einfach zu integrierenden Erfassungsvorrichtung für Lagerkräfte anzugeben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in Umfangsrichtung mindestens abschnittsweise ein Spalt zwischen dem ersten Klauenring und dem zweiten Klauenring ausgebildet ist, wobei über den Spalt hinweg zwischen einer Klaue des ersten Klauenrings und einer in Umfangsrichtung benachbarten Klaue des zweiten Klauenrings der magnetische Kreis geschlossen wird, und dass im Bereich des Spaltes ein magnetischer Sensor angeordnet ist, der das den Spalt durchsetzende Magnetfeld erfasst.
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Der durch den in Umfangsrichtung mindestens abschnittsweise ausgebildete Spalt tritt ein magnetischer Fluss, der von dem Abstand der Klaue des ersten Klauenrings zu dem dieser gegenüberliegenden magnetischen Pol und von dem Abstand der in Umfangsrichtung dieser Klaue benachbarten Klaue des zweiten Klauenrings zu dem dieser benachbarten Klaue gegenüberliegenden, ungleichnamigen magnetischen Pol abhängig, mithin also vom Abstand der beiden Lagerringe, so dass das von dem magnetischen Sensor in dem definierten Spalt zwischen den beiden Klauenringen erfasste Magnetfeld von dem Abstand der beiden Lagerringe zueinander und damit mittelbar von den auf das Lager im Umfangsbereich des Spaltes wirkenden Kräfte abhängt.
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Der Spalt kann sich in Umfangsrichtung des Lagers nur um den Betrag erstrecken, über den der magnetische Fluss durch die beiden ausgezeichneten, in Umfangsrichtung benachbarten Klauen des Klauenpaars verläuft, wobei es sich versteht, dass mehrere derart ausgezeichnete Klauenpaare in Umfangsrichtung beabstandet vorgesehen sein können. Der Spalt kann sich aber auch entlang des gesamten Umfangs des Lagers erstrecken.
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Die Spaltbreite, also der geringste Abstand zwischen den beiden Klauenblechen, ist so ausgelegt, dass ein magnetischer Fluss durch ein körperliches, magnetisch leitendes Teil zwischen den beiden Klauenblechen unterbunden ist, jedoch auch so, dass über den Spalt hinweg der magnetische Kreis geschlossen werden kann, da die magnetische Flussdichte aus einem der Klauenbleche nahe dessen Oberfläche in Richtung auf das andere Klauenblech hin austritt und dabei den Spalt durchsetzt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Spalt als Luftspalt ausgebildet ist, wobei in dem Luftspalt besonders einfach und leicht zugänglich ein magnetischer Sensor angeordnet sein kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Spalt mit einem magnetisch nicht-leitenden Material, insbesondere mit einem Kunststoff, gefüllt ist. Der magnetische Sensor kann dabei an oder in dem magnetisch nicht-leitenden Füllmaterial angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zwischen den Klauenringen und dem ersten Lagerring ein Isolationsring aus einem magnetisch nicht-leitenden Material, insbesondere aus einem Kunststoff, angeordnet ist. Der Isolationsring unterdrückt magnetische Streuflüsse, die nicht durch den Spalt mit dem magnetischen Sensor verlaufen.
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Hinsichtlich des Isolationsrings ist insbesondere vorzugsweise vorgesehen, dass die Klauenringe an Ausnehmungen des Isolationsrings aufgenommen sind, und dass der Isolationsring mindestens abschnittsweise den Spalt zwischen den Klauenringen ausfüllt. Der Isolationsring erfüllt damit die weitere Funktion der Halterung der beiden Klauenringe und stellt dabei zumindest teilweise das magnetisch nicht-leitende Material bereit, das den Spalt zwischen den beiden Klauenringen ausfüllt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der magnetische Sensor an oder in dem Isolationsring angeordnet ist. Der Isolationsring erfüllt damit die weitere Funktion, den magnetischen Sensor aufzunehmen und insbesondere dessen elektrische Leitungen mindestens abschnittsweise aufzunehmen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die beiden Klauenringe eine die Drehachse umlaufende Induktionsspule umgeben, wobei die magnetischen Kreise die Induktionsspule umlaufen. Die in der Induktionsspule induzierte elektrische Spannung kann dabei als Energieversorgung des mindestens einen magnetischen Sensors in dem mindestens einen Spalt vorgesehen sein. Die Beeinflussung des von dem magnetischen Sensor in dem Spalt erfassten Magnetfeldes durch das die Induktionsspule umgebende frequenzabhängige magnetische Wechselfeld kann beispielsweise durch eine elektronische Nachbearbeitung des Signals des magnetischen Sensors, speziell durch eine Austaktung des Wechselspannungs-Signals der Induktionsspule, beseitigt werden.
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Alternativ hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass der magnetische Sensor durch eine externe Spannungsquelle beaufschlagt ist.
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Wiederum alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass der magnetische Sensor durch einen Energiespeicher, der durch die Induktionsspule geladen wird, beaufschlagt ist.
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Der das Magnetfeld in dem Spalt erfassende magnetische Sensor kann beispielsweise als Hall-Sensor oder als XMR-Sensor ausgebildet sein.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lagers,
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2 zeigt ausschnittsweise eine teilweise geschnittene Ansicht des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels, entlang der Schnittlinie A-A aus 1, und
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3 zeigt ausschnittsweise eine teilweise geschnittene Ansicht des in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels, entlang der Schnittlinie B-B aus 1.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein als einreihiges Kugellager, insbesondere also als Wälzlager, ausgebildetes Lager, umfassend einen ersten, äußeren Lagerring 1, einen zweiten, inneren Lagerring 2 sowie einer zwischen den Lagerringen 1, 2 angeordneten Klauenpolanordnung 3, die zwischen den beiden Lagerringen 1, 2 angeordnet ist.
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2 zeigt die Klauenpolanordnung 3 in einer ersten Schnittansicht, wobei die Klauenpolanordnung 3 einen ersten Klauenring 4 mit einer Abfolge von ersten Klauen, deren einzige sichtbare Klaue mit dem Bezugszeichen ‚5’ ausgewiesen ist, und einen in Umlaufrichtung der Drehachse des Lagers versetzten zweiten Klauenring 6 mit einer Abfolge von zweiten Klauen umfasst, wobei die Klauen des zweiten Klauenrings 6 oberhalb bzw. unterhalb der Papierebene angeordnet sind. Dabei sind die beiden Klauenringe 4, 6 an dem ersten Lagerring 1 drehfest angeordnet. Die beiden Klauenring 4, 6 sind jeweils als flache Ringscheiben ausgebildet, die sich radial, bezogen auf die Drehachse des Lagers, erstrecken, wobei Klauen jeweils als axial, also parallel zu der Drehachse des Lagers sich erstreckende Abschnitte der Klauenringe 4, 6 ausgebildet sind. Die erste Klaue 5 des ersten Klauenrings 4 ist dabei in Richtung auf das Lagerinnere, zu einem Wälzkörper 7 hin weisend, abgestellt, die in 2 bildlich nicht dargestellten Klauen des zweiten Klauenrings 6 sind ebenfalls axial, jedoch von dem Wälzkörper 7 fort weisend abgestellt. Die der Klaue 5 des ersten Klauenrings 4 in Umfangsrichtung benachbarte Klaue des anderen, zweiten Klauenrings 6 ist in 3 in einer Seitenansicht dargestellt und dort mit dem Bezugszeichen ‚18’ versehen.
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An dem zweiten Lagerring 2 ist eine die Drehachse des Lagers umlaufende Abfolge von magnetischen Polen angeordnet, wobei der dargestellte erste magnetische Pol 8 der Klaue 5 des ersten Klauenrings 4 unter Einhaltung eines Lagerspaltes 9 gegenüberliegt und ein zweiter, zu dem ersten magnetischen Pol 8 ungleichnamiger Pol unterhalb der Papierebene der dort ebenfalls befindlichen Klaue des zweiten Klauenrings 6 gegenüberliegt.
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Zwischen den beiden Klauenringen 4, 6, an deren jeweils auf den ersten Lagerring 1 weisenden Randkanten, ist ein Spalt 10 ausgebildet, der sich abschnittsweise, im Bereich der Klaue 5 des ersten Klauenrings 4 sowie der mit der Klaue 5 zusammenwirkenden Klaue des zweiten Klauenrings 6, in Umfangsrichtung des Lagers erstreckt.
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Es ist vorgesehen, dass, ausgehend von dem magnetischen Pol 8 (beispielsweise ein Nordpol) über die Klaue 5, den ersten Klauenring 4, durch den Spalt 10 hindurch zu dem zweiten Klauenring 6 und der unter der Papierebene befindlichen weiteren, der Klaue 5 in Umfangsrichtung benachbarten Klaue des zweiten Klauenrings 6 zu dem ebenfalls unter der Papierebene befindlichen, dem magnetischen Pol 8 in Umfangsrichtung benachbarten, ungleichnamigen (in diesem Fall ein Südpol) sich ausbildender magnetischer Kreis gebildet ist.
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Der Spalt 10 ist in seiner axialen Beabstandung der beiden flachen Klauenringe 4, 6 so bemessen, dass über den Spalt 10 hinweg zwischen einer Klaue 5 des ersten Klauenrings 4 und einer in Umfangsrichtung benachbarten Klaue des zweiten Klauenrings 6 der magnetische Kreis geschlossen wird. Der Spalt 10 wird durch das definierte Fortlassen einer körperlichen, magnetisch leitfähigen Verbindung zwischen den beiden Klauenringen 4, 6 ausgebildet.
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Im Bereich des Spaltes 10 ist ein magnetischer Sensor 11 angeordnet ist, der das den Spalt 10 durchsetzende Magnetfeld erfasst, wobei der magnetische Sensor 11 beispielsweise als Hall-Sensor ausgebildet ist.
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Das von dem magnetischen Sensor 11 im Bereich des Spaltes 10 zwischen den beiden Klauenringen 4, 6 erfasste Magnetfeld hängt im wesentlichen von dem Betrag der radialen Erstreckung des Lagerspaltes 9, also von dem Abstand der Klaue 5 zu dem magnetischen Pol 8 sowie von dem Abstand der der Klaue 5 in Umfangsrichtung benachbarten Klaue 18 (3) des anderen, zweiten Klauenrings 6 zu dem dem magnetischen Pol 8 in Umfangsrichtung benachbarten, zu dem Pol 8 ungleichnamigen magnetischen Pol ab und ist damit ein Maß für die Breite des Lagerspaltes 9 in radialer Richtung, bezogen auf die Drehachse des Lagers, und damit mittelbar für die in radialer Richtung wirkenden Lagerkräfte, die den radialen Abstand der Lagerringe 1, 2 beeinflussen.
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Für den Spalt 10 zwischen den beiden Klauenblechen 4, 6 ist vorgesehen, dass der Spalt 10 zumindest abschnittsweise, auf der zu den Klauen 5 weisenden, radial innenliegenden Seite als Luftspalt ausgebildet ist, so dass die Klauenbleche 4, 6 nahe den Klauen 5 durch Luft als magnetisch nicht-leitendem Material getrennt sind.
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Für einen von den Klauen 5 fort, hin zu dem ersten Lagerring 1 hin weisenden Abschnitt des Spaltes 10 ist vorgesehen, dass der Spalt 10 in diesem Abschnitt mit einem magnetisch nicht-leitenden Material, nämlich einem magnetisch nicht-leitendem Kunststoff, gefüllt ist.
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Zwischen den beiden Klauenringen 4, 6 und dem ersten Lagerring 1 nämlich ein Isolationsring 12 aus einem magnetisch nicht-leitenden Material, nämlich aus dem Kunststoff, angeordnet, wobei der Isolationsring 12 in den Spalt 10 abschnittsweise hineinragt und dort den Spalt 10 mit dem magnetisch nicht-leitenden Kunststoff ausfüllt.
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Der Isolationsring 12 hält die beiden auf den ersten Lagerring 1 weisenden Randkanten der Klauenringe 4, 6 von dem magnetisch leitenden Material des ersten Lagerrings 1 beabstandet und stellt sicher, dass über den ersten Lagerring 1 kein parasitäter magnetischer Fluss, der den magnetischen Sensor 11 umgeht, auftritt.
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Der Isolationsring 12 ist in einer Aufnahmenut 13 an einer Stirnfläche 14 des ersten Lagerrings 1, mit der angrenzenden Stirnfläche 14 bündig abschließend, aufgenommen und steht über die auf den zweiten Lagerring 2 weisende innere Mantelfläche 15 des ersten Lagerrings 1 radial so weit vor, dass ein Kontakt zwischen den beiden Klauenringen 4, 6 mit dem Material des ersten Lagerrings 1 unterbunden ist.
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Die Klauenringe 4, 6 sind randseitig an Ausnehmungen 16, 17 (3) des Isolationsrings 12 aufgenommen, wobei weiter vorgesehen ist, dass der Isolationsring 12 abschnittsweise den Spalt 10 zwischen den Klauenringen 4, 6 ausfüllt. Die Ausnehmungen 16, 17 sind als flache, freigeschnittene Nuten in dem Material des Isolationsrings 12 ausgebildet, in die die flachen Randabschnitte der Klauenringe 4, 6 bündig mit der angrenzenden Oberfläche des Isolationsrings 12 abschließend aufgenommen sein.
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Weiter ist vorgesehen, dass der magnetische Sensor 11 an einer auf den zweiten Lagerring 2 weisenden Kante des Isolationsrings 12, zwischen den beiden Klauenringen 4, 6 in dem Spalt 10, angeordnet ist, wobei in dem Isolationsring 12 elektrische Leitungen zur Versorgung des magnetischen Sensors 11 angeordnet sind.
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Bis auf den in den Spalt 10 zwischen den Klauenringe 4, 6 abschnittsweise hineinreichenden Isolationsring 12 ist der Bereich zwischen den Klauenringen 4, 6 frei von einem Füllmaterial und insbesondere als Luftspalt ausgebildet; in einer Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels könnte noch eine Induktionsspule zwischen die Klauenringe 4, 6 eingelegt sein, mit einem magnetisch nicht-leitenden Spulenmaterial wie Kupfer.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Lagerring
- 2
- zweiter Lagerring
- 3
- Klauenpolanordnung
- 4
- erster Klauenring
- 5
- Klaue des ersten Klauenrings 4
- 6
- zweiter Klauenring
- 7
- Wälzkörper
- 8
- magnetischer Pol
- 9
- Lagerspalt
- 10
- Spalt
- 11
- magnetischer Sensor
- 12
- Isolationsring
- 13
- Aufnahmenut
- 14
- Stirnfläche des ersten Lagerrings 1
- 15
- innere Mantelfläche des ersten Lagerrings 1
- 16
- Ausnehmung
- 17
- Ausnehmung
- 18
- Klaue des zweiten Klauenrings 6
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011075548 A1 [0004]
- DE 102010018472 A1 [0004]
