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Technisches Sachgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine wärmeableitende Elektromagnetvorrichtungs-Anordnung.
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Hintergrund
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Elektromagnetische Vorrichtungen, wie z. B. Induktivitäten und elektrische Transformatoren, können auf zahlreiche unterschiedliche Arten aufgebaut sein. Eine übliche Art ist das Vorhandensein von Wicklungen, die zumindest teilweise von einem Kern umgeben sind, der beispielsweise aus einem Ferritmaterial hergestellt sein kann. Der Kern kann aus einem oder zwei Teilen gebildet sein, die mittels eines Klebematerials, wie z. B. Epoxidharz, miteinander verbondet sind. Die Wicklungen und der Kern können von einem Vergussmaterial bedeckt und von einem Gehäuse umgeben sein, das es ermöglicht, dass der Transformator an einer anderen Struktur montiert wird, wie z. B. einer Basisplatte oder einem Montagepad.
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Elektromagnetische Vorrichtungen werden in steigendem Maße in elektronischen Vorrichtungen verwendet, wobei beispielsweise ein Transformator, der ein Transformatorgehäuse aufweist, innerhalb einer größeren Umfassung platziert sein kann. Somit können Probleme beispielsweise hinsichtlich der Wärmeableitung dadurch entstehen, dass es keinen Konvektionsluftstrom über dem Transformator innerhalb der Umfassung gibt. Obwohl es ein gewisses Maß an Wärmeübertragung zwischen dem Transformator und der Basisplatte oder dem Montagepad gibt, können dadurch in der Tat weitere Probleme hervorgerufen werden.
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Insbesondere wenn ein Abschnitt des Kerns einen großen Teil seiner Wärme an die Basisplatte ableitet, während der andere Abschnitt des Kerns dies nicht macht, kann sich ein Temperaturgradient zwischen unterschiedlichen Abschnitten des Transformatorkerns bilden. Wenn unterschiedliche Abschnitte des Transformatorkerns deutlich unterschiedliche Temperaturen aufweisen, kann der Temperaturgradient zwischen den Abschnitten des Kerns eine wärmeinduzierte Belastung hervorrufen, wodurch dann der Kern brechen oder anderweitig beschädigt werden kann. Daher besteht Bedarf an einer Transformatoranordnung, die so ausgestaltet ist, dass sie auf effektive Weise Wärme ableitet, um die Bildung von Temperaturgradienten innerhalb des Transformators selbst dann zu verhindern, wenn der Transformator innerhalb einer größeren Umfassung angeordnet ist, die einem Wärmaufbau förderlich ist.
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Übersicht
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Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Elektromagnetvorrichtungs-Anordnung auf, die eine elektromagnetische Vorrichtung mit einem Kern, einer Vielzahl von Wicklungen und einem Gehäuse aufweist, das zumindest um einen Abschnitt des Kerns und der Wicklungen herum angeordnet ist. Eine Umfassung umfasst zumindest teilweise die elektromagnetische Vorrichtung. An einem ersten Abschnitt der Umfassung ist die elektromagnetische Vorrichtung so montiert, dass Wärme von der elektromagnetischen Vorrichtung zu dem ersten Abschnitt der Umfassung übertragen wird. Von einem zweiten Abschnitt der Umfassung erstreckt sich ein Ansatz derart, dass der Ansatz so in Wärmekontakt mit der elektromagnetischen Vorrichtung gebracht ist, dass Wärme von der elektromagnetischen Vorrichtung an den Ansatz übertragen wird.
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Ausführungsformen der Erfindung weisen eine elektrische Vorrichtung mit einer elektromagnetischen Vorrichtung auf, die eine Vielzahl von Wicklungen, einen gespaltenen Kern, der mittels eines Klebematerials verbondet ist, und ein Gehäuse aufweist, das zumindest teilweise um die Wicklungen und den Kern herum angeordnet ist. An einem Basisteil oder einer Basisplatte ist die elektromagnetische Vorrichtung montiert, und Erstere steht so mit der elektromagnetischen Vorrichtung in Wärmekontakt, dass Wärme von einem ersten Abschnitt des Kerns im Wesentlichen zu der Basisplatte übertragen wird. Eine Abdeckung kann an der Basisplatte angebracht sein, um eine Umfassung zu bilden, die zumindest teilweise die elektromagnetische Vorrichtung umfasst. Die Abdeckung weist einen Ansatz auf, der sich von dieser erstreckt und der mit der elektromagnetischen Vorrichtung in Wärmekontakt steht, wenn die Abdeckung an der Basisplatte angebracht ist. Der Wärmekontakt zwischen dem Ansatz und der elektromagnetischen Vorrichtung gestaltet sich so, dass Wärme von einem zweiten Abschnitt des Kerns im Wesentlichen zu dem Ansatz übertragen wird.
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Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Elektromagnetvorrichtungs-Anordnung auf, die eine Umfassung mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt aufweist. Eine elektromagnetische Vorrichtung weist einen Kern, eine Vielzahl von Wicklungen und ein Gehäuse auf, das zumindest um einen Abschnitt des Kerns und der Wicklungen herum angeordnet ist. Die elektromagnetische Vorrichtung ist an dem ersten Abschnitt der Umfassung montiert und steht mit diesem in Wärmekontakt, und der zweite Abschnitt der Umfassung ist dazu ausgestaltet, mit der elektromagnetischen Vorrichtung in Wärmekontakt zu stehen, wenn die ersten und zweiten Abschnitte der Umfassung aneinander angebracht sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Elektromagnetvorrichtungs-Anordnung nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
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2 zeigt eine weitere Elektromagnetvorrichtungs-Anordnung nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Wie erforderlich, sind detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier offengelegt; es versteht sich jedoch, dass die offengelegten Ausführungsformen nur beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabgetreu dargestellt; einige Teile können hervorgehoben oder minimiert sein, um Details von bestimmten Bauteilen zu zeigen. Daher dürfen spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hier offengelegt sind, nicht als Einschränkung ausgelegt werden, sondern nur als charakteristische Grundlage zur Erläuterung für einen Fachmann zum Durchführen der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Arten.
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1 zeigt eine Elektromagnetvorrichtungs-Anordnung oder Transformatoranordnung 10 nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Bei der Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, weist die Transformatoranordnung 10 eine elektrische Vorrichtung oder ein Batterieladegerät 12 auf. Andere Typen von elektrischen Vorrichtungen, bei denen elektromagnetische Vorrichtungen nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genutzt werden, umfassen solche elektrische Vorrichtungen wie ein Schaltnetzteil, das verwendet wird in zahlreichen elektronischen Vorrichtungen und photovoltaischen Zellen oder Windkraftgeneratoren, die Niederspannungs-Gleichstrom-Energie (DC – direct current) erzeugen, welche in Höherspannungs-Wechselstrom-Energie (AC – alternating current) für den allgemeinen Verbrauch invertiert werden muss. Es versteht sich, dass die elektromagnetischen Vorrichtungen, die in 1 und 2 gezeigt sind, zwar Transformatoren sind, Ausführungsformen der Erfindung jedoch auch andere elektromagnetische Vorrichtungen aufweisen können, wie z. B. Induktivitäten und andere elektromagnetische Vorrichtungen.
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Die Transformatoranordnung 10 weist eine elektromagnetische Vorrichtung oder Transformatoreinheit 14 auf, die aus einem Kern 16 und Wicklungen 18, 20 gebildet ist. Der Kern 16 ist ein gespaltener Kern, der einen ersten oder unteren Abschnitt 22 und einen zweiten oder oberen Abschnitt 24 aufweist. Ein Kern, wie z. B. der Kern 16, kann aus einem Ferritmaterial hergestellt sein, das zwar bei einer Druckbelastung sehr fest sein kann, jedoch nicht so fest sein kann, wenn es einer Zugbelastung ausgesetzt ist. Das Verbonden der unteren und oberen Abschnitte 22, 24 erfolgt mittels eines Klebers 26, der beispielsweise ein Material mit einem hohen Youngschen Modul sein kann, das kein Auftreten einer signifikanten Differenzial-Wärmedehnung und -schrumpfung zwischen den unteren und oberen Abschnitten 22, 24 des Kerns 16 erlaubt. Bei anderen Ausführungsformen können metallische C-förmige Klammern oder U-förmige Klammern verwendet werden, um Abschnitte des Kerns zusammenzuhalten. Die Transformatoreinheit 14 weist ferner ein Gehäuse 28 auf, das zumindest um einen Abschnitt des Kerns 16 und der Wicklungen 18, 20 herum angeordnet ist. Ein Vergussmaterial 29 umgibt den Kern 16 und die Wicklungen 18, 20 und füllt generell den Zwischenraum zwischen diesen und dem Gehäuse 28.
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Eine Umfassung 30 umfasst die Transformatoreinheit 14. Die Umfassung 30 weist einen ersten Abschnitt oder eine Basisplatte 32 auf, an dem/der das Gehäuse 28 der Transformatoreinheit 14 montiert ist. Obwohl dies in 1 nicht gezeigt ist, kann das Gehäuse 28 mittels Schrauben, anderer Befestigungsmittel oder mittels jedes geeigneten Verfahrens, mit dem die Transformatoreinheit 14 mit der Basisplatte 32 in Wärmekontakt gebracht wird, an der Basisplatte 32 angebracht sein. Obwohl ein Gehäuse, wie z. B. das Gehäuse 28, generell einen Kern und Wicklungen eines Transformators umgeben kann, kann ein solches Gehäuse auch in Form von Klemmbügeln oder anderen Anbringeinrichtungen ausgebildet sein, die dazu dienen, den Kern und die Wicklungen an einer anderen Struktur, wie z. B. der Basisplatte 32, anzubringen.
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Wie oben beschrieben ist, steht die Transformatoreinheit 14 in ”Wärmekontakt” mit der Basisplatte 32. Wie hier verwendet, impliziert der Ausdruck Wärmekontakt einen direkten oder indirekten physischen Kontakt zwischen den Strukturen und insbesondere, dass es entweder einen direkten Kontakt zwischen den zwei Strukturen gibt oder dass es einen indirekten Kontakt mit einer anderen festen Struktur oder Strukturen gibt, die dazwischen angeordnet ist/sind. Beispielsweise steht der Kern 16 über das wärmeleitfähige Vergussmaterial 29, das zwischen dem Kern 16 und dem Gehäuse 28 angeordnet ist, mit dem Gehäuse 28 in Wärmekontakt. Ferner steht, wie in 1 gezeigt ist, ein unterer Abschnitt des Gehäuses 28 in direktem Kontakt mit der Basisplatte 32 und bewirkt daher einen Wärmekontakt zwischen der Transformatoreinheit 14 und der Basisplatte 32. Zum Verbessern der Wärmeableitung von der Transformatoreinheit 14 zu der Basisplatte 32 kann bei einer elektrischen Vorrichtung, wie z. B. dem Batterieladegerät 12, eine Kühlflüssigkeit verwendet werden, die durch (nicht gezeigte) Kanäle in der Basisplatte 32 strömt.
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Die Umfassung 30 weist ferner einen zweiten Abschnitt oder eine Abdeckung auf, der/die bei der in 1 gezeigten Ausführungsform einen oberen Abschnitt 34 und Seitenabschnitte 36, 38 umfasst. Bei einigen Ausführungsformen einer einen Transformator nutzenden Vorrichtung können die Seitenabschnitte 36, 38 als ein Teil des Vorrichtungsgehäuses betrachtet werden, während der obere Abschnitt 34 selbst als ”die Abdeckung” bezeichnet wird. Wie in 1 gezeigt ist, weist der obere Abschnitt 34 einen Ansatz 40 auf, der sich von diesem nach innen erstreckt. Der Ansatz 40 kann einteilig mit dem oberen Abschnitt 34 ausgebildet sein – d. h. der obere Abschnitt 34 und der Ansatz 40 können aus einem einzelnen Stück Material hergestellt sein. Alternativ kann der Ansatz 40 so an dem oberen Abschnitt 34 angebracht sein, dass die zwei Strukturen 34, 40 in Wärmekontakt miteinander stehen. Wie nachstehend genauer erläutert wird, wird dadurch ermöglicht, dass Wärme von einem oberen Abschnitt der Transformatoreinheit 14 durch den Ansatz 40 und schließlich durch den oberen Abschnitt 34 der Umfassung 30 abgeleitet wird.
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Um Wärme auf effektive Weise von einem oberen Abschnitt der Transformatoreinheit 14 und insbesondere vom oberen Abschnitt 24 des Kerns 16 abzuleiten, ist der Ansatz 40 in Wärmekontakt mit dem Gehäuse 28 gebracht. Um die Wärmeübertragung zu erleichtern, kann der Ansatz 40 so gefertigt sein, dass ein Kontaktbereich zwischen ihm und dem Gehäuse 28 maximiert ist. Er ist ferner aus einem Material hergestellt, das eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, und seine Oberfläche kann so gefertigt sein, dass sie besonders glatt und mit dem oberen Teil des Gehäuses 28 koplanar ist, um eine gute Wärmeübertragung weiter zu erleichtern.
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Zwischen dem Gehäuse 28 und dem Ansatz 40 ist eine Bahn aus einem wärmeleitfähigen Material 42 angeordnet. Obwohl bei einigen Ausführungsformen ein Ansatz einer Umfassung, wie z. B. der Ansatz 40, so ausgestaltet sein kann, dass er das Gehäuse 28 direkt berührt, macht das Vorsehen eines wärmeleitfähigen Materials, wie z. B. des Materials 42, das zwischen dem Ansatz 40 und einem Gehäuse 28 angeordnet ist, den Fertigungs- und Zusammenbauprozess einfacher. Wenn der Ansatz 40 so ausgestaltet ist, dass er das Gehäuse 28 direkt berührt, sind außerordentlich enge Toleranzen bei Fertigung und Zusammenbau erforderlich.
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Um mögliche Toleranzanhäufungsprobleme zu verringern oder zu eliminieren, kann ein wärmeleitfähiges Material, wie z. B. das Material 42, so gewählt werden, dass es aus einem im Wesentlichen nachgiebigen Festkörper gebildet ist, der einen Spalt zwischen dem Ansatz 40 und dem Gehäuse 28 füllen kann, wenn das Batterieladegerät 12 zusammengebaut wird. Insbesondere wenn die Transformatoreinheit 14 an der Basisplatte 32 angebracht ist und die ersten und zweiten Abschnitte der Umfassung 30 miteinander verbunden sind – d. h. die Seitenabschnitte 36, 38 an der Basisplatte 32 angebracht sind und der obere Abschnitt 34 an den Seitenabschnitten 36, 38 angebracht ist – berührt das Material 42 den Ansatz 40 und das Gehäuse 28, wodurch die zwei Strukturen in Wärmekontakt miteinander gebracht werden. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da die Basisplatte 32 relativ zu dem Ansatz 40 auf einer gegenüberliegenden Seite der Transformatoreinheit 14 angeordnet ist. Dies hilft bei der Lösung des oben beschriebenen Problems einer ungleichmäßigen Kühlung zwischen den oberen und unteren Abschnitten 22, 24 des Kerns 16.
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Die Bildung eines Temperaturgradienten zwischen unterschiedlichen Abschnitten eines Kerns – z. B. unteren und oberen Abschnitten 22, 24 des Kerns 16 – kann durch Verwenden von (oben genannten) Metallklammern anstelle eines Klebers zum Zusammenhalten der Abschnitte verringert werden; wenn jedoch Verpackungs- oder andere Auslegungs-Überlegungen dazu führen, dass ein Klebematerial, wie z. B. der Kleber 26, verwendet wird, kann der Temperaturgradient zwischen den Kernabschnitten inakzeptabel groß sein. Selbst wenn Metallklammern verwendet werden, kann immer noch keine ausreichende Wärmeableitung vom wärmeren Abschnitt des Kerns zu dem kühleren Abschnitt vorhanden sein, um einen großen Temperaturgradienten zu vermeiden. Somit weist bei der Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, jeder Abschnitt des Kerns 16 seine eigene Wärmeabführeinrichtung auf – d. h. Wärme vom unteren Abschnitt 22 des Kerns 16 wird im Wesentlichen zu der Basisplatte 32 übertragen, während Wärme vom oberen Abschnitt 24 des Kerns 16 im Wesentlichen zu dem Ansatz 40 übertragen wird, wodurch der Temperaturgradient zwischen den zwei Abschnitten verringert wird. Die Basisplatte 32 kann Wärme durch Kühlkanäle ableiten, wie oben beschrieben ist, und wenn der obere Abschnitt 34 auf wärmeeffiziente Weise mit der Basisplatte 32 verbunden ist, beispielsweise durch die Seitenabschnitte 36, 38, kann die Basisplatte 32 auch zum Ableiten von Wärme vom oberen Abschnitt 34 dienen. Zusätzlich oder alternativ kann der obere Abschnitt 34 Wärme durch Konvektion in die Umgebungsluft ableiten.
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2 zeigt eine Transformatoranordnung 10 nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 gezeigt ist, wird bei bestimmten Bezugszeichen der Apostroph (') verwendet, um Merkmale anzuzeigen, die in 1 gezeigten ähnlichen Merkmalen entsprechen. Bei der Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, weist der Ansatz 40' zwei Abschnitte 44, 46 auf. Wie im Fall des Ansatzes 40, der in 1 gezeigt ist, kann der Ansatz 40' einteilig mit einem oberen Abschnitt 34' der Umfassung 30' ausgebildet sein, oder er kann separat angebracht sein. Ferner können die zwei Abschnitte 44, 46 aus einem einzelnen Stück hergestellt sein, oder sie können getrennte Stücke sein, die zusammengefügt sind.
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Das Gehäuse 28' der Transformatoreinheit 14' weist eine Öffnung 48 in einem oberen Abschnitt gerade über dem oberen Abschnitt 24 des Kerns 16' auf. Der untere Abschnitt 46 des Ansatzes 40' ist derart ausgestaltet, dass er so durch die Öffnung 48 verläuft, dass er mit dem oberen Abschnitt 24' des Kerns 16' in Wärmekontakt steht, ohne dass das Gehäuse 28' dazwischen angeordnet ist. Bei anderen Ausführungsformen kann ein Ansatz oder ein Abschnitt desselben so ausgestaltet sein, dass er die Wicklungen einer Transformatoreinheit anstelle des Kerns berührt. Der obere Abschnitt 44 des Ansatzes 40' steht in Wärmekontakt mit dem Gehäuse 28', ähnlich wie bei der Ausgestaltung, die in 1 gezeigt ist.
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Ein wärmeleitfähiges Material 50, das das gleiche Material wie das Material 42, 42' sein kann oder nicht, ist zwischen dem unteren Abschnitt 46 des Ansatzes 40' und dem oberen Abschnitt 24' des Kerns 16' angeordnet. Ein Material, wie z. B. das Material 50, kann ebenfalls zwischen einem Transformatorkern und einem Transformatorgehäuse, wie z. B. dem oberen Abschnitt 24 des Kerns 16 und dem Gehäuse 28, die in 1 gezeigt sind, angeordnet sein. Zusätzlich zu der Erleichterung der Wärmeleitung kann ein Material, wie z. B. das Material 50, als ein Dielektrikum zum elektrischen Isolieren eines Transformatorkerns gegen sein Gehäuse dienen. Wie in 2 gezeigt ist, ist ein Abschnitt des wärmeleitfähigen Materials 50 auch zwischen dem oberen Abschnitt 24' des Kerns 16' und dem Gehäuse 28' angeordnet. Dieses kann zusätzlich zu dem Vergussmaterial 29' vorgesehen sein oder kann dieses ersetzen, das andernfalls um eine obere Fläche des oberen Abschnitts 24' des Kerns 16' angeordnet wäre.
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Die Öffnung 50 kann so ausgestaltet sein, dass der Kontaktbereich zwischen dem unteren Abschnitt 46 des Absatzes 40' und dem oberen Abschnitt 24' des Kerns 16' maximiert ist, wobei es sich versteht, dass Fertigungs- und Zusammenbau-Überlegungen die Größe oder Form der Öffnung 50 und des unteren Abschnitts 46 des Ansatzes 40' einschränken können. Der Flächenbereich des unteren Abschnitts 46, der mit dem oberen Abschnitt 24' des Kerns 16' in Wärmekontakt kommt, kann beispielsweise auf der Basis des Kühlungsbedarfs des oberen Abschnitts 24' und der strukturellen Anforderungen der Transformatoreinheit 14' bestimmt werden. Wie oben beschrieben ist, können Ausführungsformen der Erfindung besonders vorteilhaft sein für elektromagnetische Vorrichtungen mit Ferritkernen, die eine niedrige Zugfestigkeit aufweisen; bei Vorrichtungen mit Metallkernen, die eine höhere Zugfestigkeit aufweisen, können Ausführungsformen der Erfindung jedoch ebenfalls vorteilhaft sein, und zwar dadurch, dass die Wärme von den Wicklungen abgeleitet wird, was signifikant sein kann.
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Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden sind, werden durch diese Ausführungsformen nicht sämtliche möglichen Formen der Erfindung beschrieben. Vielmehr sind die in der Patentschrift verwendeten Ausdrücke beschreibende und nicht einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne dass dadurch vom Geist und Umfang der Erfindung abgewichen wird. Ferner können die Merkmale verschiedener Implementierungen von Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
