DE102013213948A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors, insbesondere in einem Kupplungsbetätigungssystem eines Kraftfahrzeuges - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors, insbesondere in einem Kupplungsbetätigungssystem eines Kraftfahrzeuges, bei welchem ein Positionssignal eines Rotors des Elektromotors von einem, außerhalb einer Drehachse des Elektromotors an einem Stator des Elektromotors angeordneten Sensor abgenommen wird, welches von einer Auswerteeinheit hinsichtlich der Position des Elektromotors ausgewertet wird.
- In modernen Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, werden zunehmend automatisierte Kupplungen eingesetzt, wie sie in der
DE 10 2011 014 936 A1 beschrieben sind. Der Einsatz solcher Kupplungen hat den Vorteil des verbesserten Fahrkomforts und führt dazu, dass häufiger in Gängen mit langer Übersetzung gefahren werden kann. Die dabei verwendeten Kupplungen sind in hydraulischen Kupplungssystemen eingesetzt, bei welchen ein elektrohydraulischer Aktor, der von einem elektrisch kommutierten Elektromotor angetrieben wird, über eine Hydraulikleitung mit der Kupplung verbunden ist. - Zur korrekten Kommutierung weist der Elektromotor einen Sensor auf, welcher die Position des Elektromotors während des Betriebes des Aktors detektiert. Insbesondere bei Elektromotoren, bei welchen die Sensoren außerhalb der Drehachse des Elektromotors angeordnet sind, ist eine hohe Positionsauflösung notwendig. Der Rotor des Elektromotors weist aber nur eine begrenzte Anzahl von Polpaaren auf, aus welchen eine vorgegebene Anzahl von Flanken zur Positionsbestimmung genutzt werden können. Zur Positionsbestimmung können verschiedene Sensoren genutzt werden, wie beispielsweise Switch Halls, Linearsensoren oder Inkrementalgeber. Auch eine sensorlose Ansteuerung des Elektromotors ist denkbar. Allerdings weisen alle Sensoren Nachteile auf.
- So besteht bei Switch Halls der Nachteil, dass der Elektromotor nicht beliebig positioniert werden kann und eine Auflösung der Sensorsignale nur begrenzt ist. Bei Linearsensoren ist die Übertragung des Analogsignals sehr störempfindlich, wobei eine Signalübertragung mit einem Pegel bei hohen Drehzahlen zu langsam ist. Hochdynamischen Stellantriebe mit einer sensorlosen Ansteuerung benötigen für die Messung der Rotorposition zu viel Zeit. Hochauflösende Inkrementalgeber haben den Nachteil, dass es nach Einschalten der Versorgungsspannung keine Zuordnung der Inkremente zu den Kommutierungszeitpunkten des Elektromotors gibt.
- Um den Fahrkomfort im Fahrzeug zu verbessern, muss die von einem Sensor gemessene Position des Rotors am Bandende der Herstellung des Kupplungsbetätigungssystems abgeglichen werden. Dabei wird insbesondere die mechanische Position des Sensors zum Rotor am Bandende abgeglichen.
- Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors anzugeben, bei welchem auf eine Einstellung des Sensors zum Rotor des Elektromotors am Bandende verzichtet werden kann.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass im Stillstand des Rotors dieser mit einer Spannung beaufschlagt wird und eine der Position des Rotors entsprechende Antwortreaktion einer Kommutierung des Elektromotors zugeordnet wird. Aufgrund dieser Vorgehensweise gleicht sich das System nach dem Anlegen der Spannung selbstständig ab, so dass dieser Abgleich auch bei Systemen durchgeführt werden kann, welche bereits im Kraftfahrzeug verbaut sind. Eine Bandende-Einstellung der Sensoren zum Rotor des Elektromotors kann somit entfallen.
- In einer Ausgestaltung werden alle drei Phasen des Elektromotors mit Testspannungsimpulsen beaufschlagt und die Auswerteeinheit wertet die Antwortreaktion auf allen drei Phasen des Elektromotors aus, woraus auf die aktuelle Position des Elektromotors geschlossen wird. Durch die Beaufschlagung des Elektromotors mit Testspannungsimpulsen wird die Position des Rotors im Stillstand zuverlässig ermittelt. Eine dynamische Ansteuerung des Rotors kann dabei entfallen. Somit können auch hochauflösende Inkrementalgeber zur Detektion der Position des Elektromotors eingesetzt werden. Die nötige Information für die spätere Regelung des Elektromotors wird nach der Zuordnung eines Maßkörpers von der Inkrementalinformation benutzt.
- In einer Variante wird als Antwortreaktion ein Stromverlauf in den drei Phasen des Elektromotors ausgewertet. Anhand dieses Stromverlaufes lässt sich feststellen, in welcher Kommutierungssituation sich der Elektromotor befindet. Ausgehend von dieser detektierten Kommutierungsinformation wird die Ansteuerung des Elektromotors mit einem Kommutierungsmuster festgelegt.
- In einer Weiterbildung wird die Antwortreaktion des Elektromotors einer Nullposition des Sensors zugeordnet. Durch die beschriebene Startroutine ist bekannt, welche Zuordnung der Elektromotor zu den Kommutierungszeitpunkten hat. Durch die Startroutine wird gleichzeitig eine Referenzierung des Sensorsignals gewährleistet. Im anschließenden Messbetrieb des Elektromotors werden infolge der Festlegung des Nullpunktes die Kommutierung und die Wegmessung nur noch über das Sensorsignal durchgeführt.
- Vorteilhafterweise wird die Position des Elektromotors durch einen am Rotor angeordneten Maßkörper charakterisiert, dessen Positionsänderung als Antwortsignal ausgewertet wird, wobei als Maßkörper vorzugsweise ein, den Rotor umschließender Magnetgeberring mit einer vorgegebenen Anzahl von Magneten mit alternierender Magnetisierungsrichtung verwendet wird. Da dieser Magnetgeberring fest am Rotor in axialer Richtung befestigt ist, kann durch Auswertung der alternierenden Magnetisierungsrichtungen der Magnete die Position des Rotors eindeutig bestimmt werden.
- In einer Weiterbildung wird durch eine maximale Bestromung mindestens einer der drei Phasen des Elektromotors im Stillstand des Elektromotors eine Ausrichtung des Elektromotors in eine Vorzugsrichtung erzwungen. Ein solches sogenanntes „hartes Bestromen“ der Phasen des Elektromotors wird insbesondere dann ausgeführt, wenn die Genauigkeit bei der Bestimmung der Position des Rotors zur Kommutierung sehr hoch sein soll.
- Vorteilhafterweise werden die drei Phasen des Elektromotors im Stillstand des Rotors mit einem willkürlichen Bestromungsmuster bestromt, wodurch der Elektromotor die Vorzugsstellung einnimmt und in dieser Vorzugsstellung des Elektromotors dem, vorzugsweise als Inkrementalgeber ausgebildeten Sensor die Nullposition zugeordnet wird. Durch die Beaufschlagung mit dem Bestromungsmuster bewegt sich der Elektromotor in eine beliebige Richtung und verharrt in der Position, welcher der dem Bestromungsmuster zugrundeliegenden Kommutierung entspricht. Diese Position wird dann als Nullposition erkannt. Da das Bestromungsmuster bekannt ist, kann auch die weitere Kommutierung sinnvoll festgelegt werden.
- In einer Ausgestaltung wird als Bestromungsmuster eine Blockkommutierung verwendet. Die Verwendung der Blockkommutierung als Bestromungsmuster hat den Vorteil, dass für den weiteren Betrieb des Elektromotors die nachfolgenden Kommutierungsmuster bekannt sind.
- In einer weiteren Ausführungsform ist die Auflösung des Sensors frei wählbar. Somit können die Anzahl der Pulse, die von dem Sensor für eine Wegänderung des Elektromotors gezählt werden, einfach angepasst werden. Somit ist nur eine Änderung in der Software aber keine Hardwareänderung notwendig.
- Vorteilhafterweise wird die Zuordnung der Position des Rotors zu einer Kommutierung in einer Einlernroutine durchgeführt, welche bei der Initialisierung des in dem Kraftfahrzeug verbauten Elektromotors erfolgt. Aufgrund dieser Einlernroutine kann die Zuordnung der Position des Elektromotors zur Kommutierung bei jeder Einschaltung der Zündung des Kraftfahrzeuges erfolgen, so dass gewährleistet ist, dass immer eine hochgenaue Positionszuordnung und somit Wegmessung möglich ist.
- Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
- Es zeigt:
-
1 : eine vereinfachte Darstellung eines Kupplungsbetätigungssystems zur Betätigung einer automatisierten Reibungskupplung -
2 : Ausschnitt aus einem Rotor eines Elektromotors mit einem Magnetgeberring -
3 : ein Ausführungsbeispiel der Zuordnung eines Inkrementalsignals zur Kommutierung. - In
1 ist ein Kupplungsbetätigungssystem1 für eine automatisierte Kupplung vereinfacht dargestellt. Das Kupplungsbetätigungssystem1 ist in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges einer Reibungskupplung2 zugeordnet und umfasst einen Geberzylinder3 , der über eine auch als Druckleitung bezeichnete Hydraulikleitung4 mit einem Nehmerzylinder5 verbunden ist. In dem Nehmerzylinder5 ist ein Nehmerkolben6 hin und her bewegbar, der über ein Betätigungsorgan7 und unter Zwischenschaltung eines Lagers8 die Reibungskupplung2 betätigt. - Der Geberzylinder
3 ist über eine Verbindungsöffnung mit einem Ausgleichsbehälter9 verbindbar. In den Geberzylinder3 ist ein Geberkolben10 bewegbar. Von dem Geberkolben10 geht eine Kolbenstange11 aus, die in Längserstreckung des Geberzylinders3 zusammen mit dem Geberkolben10 translatorisch bewegbar ist. Die Kolbenstange11 des Geberzylinders3 ist über eine Gewindespindel12 mit einem elektromotorischen Stellantrieb13 gekoppelt. Der elektromotorische Stellantrieb13 umfasst einen als kommutierten Gleichstrommotor ausgebildeten Elektromotor14 und eine Auswerteeinheit15 . Die Gewindespindel12 setzt eine Drehbewegung des Elektromotors14 in eine Längsbewegung der Kolbenstange11 bzw. des Geberzylinderkolbens10 um. Die Reibungskupplung2 wird somit durch den Elektromotor14 , die Gewindespindel12 und den Geberzylinder3 und den Nehmerzylinder5 automatisiert betätigt. In dem elektromotorischen Stellantrieb13 ist ein Sensor16 integriert. -
2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Rotor17 des Elektromotors14 , welcher an seinem Umfang von einem Magnetgeberring18 umgeben ist. Der Magnetgeberring18 stellt dabei einem Maßkörper dar und umfasst eine vorgegebene Anzahl von Magnetpolen N bzw. S, die über 360° verteilt aneinander gereiht sind. Beim Vorhandensein von beispielsweise 11 Magnetpolen sind 22 Polübergänge vorgegeben, die zur Erzeugung von Schaltsignalen des als Inkrementalgeber ausgebildeten Sensors16 führen. Der Magnetgeberring18 ist drehfest mit dem Rotor17 verbunden, während der Sensor16 , der den Magnetgeberring18 sensiert, beispielsweise an einem nicht weiter dargestellten Stator des Elektromotors14 befestigt ist. - Im vorliegenden Beispiel wird ein schneller Inkrementalgeber, beispielsweise ein AMR-Sensor, wie der AS5311, für die Positionserfassung des Rotors genutzt. Das Ausgangssignal des Sensors
16 wird vorzugsweise über eine A/B-Signalspur übertragen, wie es in3a dargestellt ist. Zwei Hall-Geber tasten das sich durch den Magnetgeberring18 ändernde Magnetfeld ab und geben dabei Sensorsignale aus, die je eine Signalspur A bzw. B bilden. Die Signalspuren A, B sind um 90° elektrisch gegeneinander phasenverschoben, was einem halben Puls entspricht. Die Verwendung dieser beiden Signalspuren A und B hat den Vorteil, dass Störungen im Signalübertragungspfad vermieden werden bzw. bei auftretenden Störungen eine Plausibilisierung des Ausgangssignals des Sensors16 möglich ist. Darüber hinaus lässt sich so die Bewegungsrichtung des Rotors einfach detektieren. - Die Ausgangssignale des Sensors
16 werden dabei direkt an die Interrupt-Eingänge eines Mikroprozessors eingelesen, welcher in der Auswerteeinheit15 positioniert ist und der die Flanken der Sensorsignale jeder Signalspur A, B zählt. Jeder x-te Interrupt löst eine Blockkommutierung aus, wobei die Anzahl der Interrupts abhängig von der Anzahl an Pulsen ist, die der Sensor16 pro Kommutierungsschritt liefert. Bei einer Sinuskommutierung wird die Impulsanzahl in elektrische Winkelgrade umgerechnet und daraus die Sinusansteuerung berechnet. - Ein solches Off-Axis-Sensorsystem arbeitet mit sehr hoher Auflösung bzw. Genauigkeit und kann eine schnelle und sichere Datenübertragung durch den Einsatz von Standardsensoren
16 ermöglichen. Durch die Verwendung des Magnetgeberringes18 wird ein kostengünstiges Magnetmaterial benutzt, was die Herstellungskosten des Elektromotors14 reduziert. - In
3b ist die Standard-Blockkommutierung BK dargestellt. Die drei Phasen U, V, W des Elektromotors14 werden dabei von drei Hall-Sensoren detektiert, wobei die Hall-Sensoren innerhalb des Sensors16 nebeneinander mit einem Abstand einer Polbreite N, S des Magnetgeberrings18 angeordnet sind. Der Sensor16 zählt bei einer Blockkommutierungsperiode eine vorgegebene feste ganzzahlige Anzahl von Signalflanken entweder der Signalspur A oder der Signalspur B. Bei der Blockkommutierung wird der Elektromotor14 so angesteuert, dass immer eine Phase U, V, W stromlos ist, während die anderen beiden Phasen U, V, W bestromt werden. - Um die Motorposition der idealen Kommutierungsposition zuzuordnen, wird nach dem Einbau des Elektromotors
14 in das Kraftfahrzeug ein Startvorgang als einmalige Routine zur Feststellung der Rotorposition benutzt. Diese Einlernroutine hat keinen Einfluss auf die Performance im Normalbetrieb des Kraftfahrzeuges, da während des Normalbetriebes nur noch der Sensor16 benutzt wird, der die Änderung des durch den Magnetgeberring18 aufgespannten Magnetfeldes infolge der Bewegung des Rotors auswertet. - Im Weiteren sollen zwei Verfahren zur Referenzierung der Rotorposition zum Kommutierungszeitpunkt dargestellt werden. Bei beiden Verfahren wird die Startroutine im Stillstand des Rotors nach Einschaltung der Spannungsversorgung gestartet. Im ersten Ausführungsbeispiel werden alle drei Phasen des Elektromotors
13 mit Testspannungsimpulsen beaufschlagt. Durch die Auswerteeinheit15 werden die Antwortfunktionen in allen drei Phasen U, V, W des Elektromotors14 ausgewertet. Insbesondere wird als Antwortfunktion der Stromverlauf in den drei Phasen U, V, W des Elektromotors14 detektiert. Um den Stromverlauf in jeder Phase U, V, W messen zu können, ist ein Strommesswiderstand in jeder Phase U, V, W des Elektromotors14 notwendig. Anhand des detektierten Stromanstieges lässt sich somit eindeutig feststellen, welche Position der Rotor17 des Elektromotors14 aufweist. Die Position des Sensors16 wird an dieser bekannten Position des Rotors17 auf Anfang gesetzt bzw. mit einem berechneten Offset versehen, so dass eine eindeutige Zuordnung der Rotorposition zu der Kommutierung gewährleistet ist. Somit ist der ideale Kommutierungspunkt gefunden. Der Abstand in den Flanken der Sensorsignale zu dem nächsten Kommutierungsschritt ist durch die beschriebene Konstruktion des Magnetgeberringes18 sowie des Sensors16 physikalisch vorgegeben. Somit kann anhand der erläuterten Strommessung festgestellt werden, in welcher Kommutierungsphase man sich befindet und welche Position der Elektromotor14 aufweist, da, wie in3b dargestellt, der Strom zwischen den verschiedenen Phasen fließt. - Die Genauigkeit, mit der die Rotorposition erfasst werden kann, hängt von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Induktivität der Motorphasen, der Genauigkeit des Testspannungspulses bzw. deren Messung ab.
- Sollte die Genauigkeit bei der Bestimmung der Rotorposition zur Kommutierung durch das erste Verfahren nicht ausreichen, wird nachfolgend ein zweites Verfahren angewendet. Im zweiten Verfahren, bei welchem ein sogenanntes „hartes Bestromen“ der Phasen U, V, W des Elektromotors
14 durchgeführt wird, ist es notwendig, dass aus dem ersten Verfahren die ungefähre Position des Rotors17 bekannt ist. Dabei reicht es aus, dass bekannt ist, in welchem Kommutierungsschritt man sich befindet. Durch das „harte Bestromen“, was bedeutet, dass ein maximaler Strom an mindestens eine der Phasen U, V, W angelegt wird, wird ein Ausrichten des Rotors17 des Elektromotors14 erzwungen. Dazu werden die drei Phasen U, V, W mit einem Bestromungsmuster, vorteilhafterweise einer Blockkommutierung, bestromt. Bei der Blockkommutierung wird dann willkürlich eines der Blockkommutierungsmuster angelegt und die Reaktion des Elektromotors14 abgewartet. Der lastfreie Elektromotor14 wird dabei um kleine Drehwinkel in unbekannte Richtung bewegt. Kommt es zu einer Drehung des Elektromotors14 in eine erwartete Richtung, wird das nächstfolgende Blockkommutierungsmuster angelegt und bei wiederum richtiger Drehung davon ausgegangen, dass der Elektromotor14 nun in seiner Vorzugsstellung steht. Diese Vorzugsstellung wird in dem Sensor16 als Nullposition zugeordnet, wodurch der ideale Kommutierungspunkt bekannt ist. Tritt die erwartete Drehrichtung nicht ein, wird ein anderes Blockkommutierungsmuster angelegt, bis sich die erwartete Richtung einstellt. - Bei der Blockbestromung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird der Rotor
17 mit einem ersten Kommutierungsmuster belegt. Dabei führt die Phase U keinen Strom, während die Phase V mit einem positiven Strom und die Phase W mit einem negativen Strom beaufschlagt ist. Das bedeutet, dass der Strom von der Phase V in die Phase W fließt Anhand dieser Bestromung wird der Elektromotor14 in eine solche Position ausgerichtet, bei welcher die Hallgeber ein Bitdesign 001 ausgeben (3b ). Somit ist das Kommutierungsmuster der Rotorposition zuverlässig zugeordnet. - Die Auflösung des Sensors über einen Magnetpol N, S kann in bestimmten Schritten frei gewählt werden, weshalb die Auflösung des Sensor
16 an die Anforderungen des bestehenden Anwendungsfalls jeweils angepasst werden kann, ohne dass Hardwareänderungen notwendig sind. Aufgrund der erreichten hohen Auflösung und der schnellen Signalerfassung und -übertragung ist in jedem Betriebszustand des Elektromotors14 sowohl eine Sinus- als auch eine Blockkommutierung möglich. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kupplungsbetätigungssystem
- 2
- Reibkupplung
- 3
- Geberzylinder
- 4
- Hydraulikleitung
- 5
- Nehmerzylinder
- 6
- Nehmerkolben
- 7
- Betätigungsorgan
- 8
- Lager
- 9
- Ausgleichsbehälter
- 10
- Geberkolben
- 11
- Kolbenstange
- 12
- Gewindespindel
- 13
- Stellantrieb
- 14
- Elektromotor
- 15
- Auswerteeinheit
- 16
- Sensor
- 17
- Rotor
- 18
- Magnetgeberring
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- 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.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011014936 A1 [0002]
Claims (10)
- Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors, insbesondere in einem Kupplungsbetätigungssystem eines Kraftfahrzeuges, bei welchem ein Positionssignal eines Rotors (
17 ) des Elektromotors (14 ) von einem, außerhalb einer Drehachse des Elektromotors (14 ) an einem Stator des Elektromotors (14 ) angeordneten Sensor (16 ) abgenommen wird, welches von einer Auswerteeinheit (15 ) hinsichtlich der Position des Elektromotors (14 ) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Stillstand des Rotors (17 ) dieser mit einer Spannung beaufschlagt wird und eine der Position des Rotors (17 ) entsprechende Antwortreaktion einer Kommutierung des Elektromotors (14 ) zugeordnet wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle drei Phasen (U, V, W) des Elektromotors (
14 ) mit Testspannungsimpulsen beaufschlagt werden und die Auswerteeinheit (15 ) die Antwortreaktion auf den drei Phasen (U, V, W) des Elektromotors (14 ) auswertet, woraus auf die aktuelle Position des Elektromotors (14 ) geschlossen wird. - Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Antwortreaktion ein Stromverlauf in den drei Phasen (U, V, W) des Elektromotors (
14 ) ausgewertet wird. - Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antwortreaktion eine Nullposition des Sensors (
16 ) zugeordnet wird. - Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Elektromotors (
14 ) durch einen am Rotor (17 ) angeordneten Maßkörper (18 ) charakterisiert wird, dessen Positionsänderung als Antwortsignal ausgewertet wird, wobei als Maßkörper (18 ) vorzugsweise ein, den Rotor (17 ) umschließender Magnetgeberring (18 ) mit einer vorgegebenen Anzahl von Magneten (N, S) mit alternierender Magnetisierungsrichtung verwendet wird. - Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine maximale Bestromung mindestens einer der drei Phasen (U, V, W) des Elektromotors (
14 ) im Stillstand des Elektromotors (14 ) eine Ausrichtung des Elektromotors (14 ) in eine Vorzugsrichtung erzwungen wird, welche anhand des Maßkörpers (18 ) definiert wird. - Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Phasen (U, V, W) des Elektromotors (
14 ) im Stillstand mit einem willkürlichen Bestromungsmuster bestromt werden, wodurch der Elektromotor (14 ) die Vorzugsstellung einnimmt und in dieser Vorzugsstellung des Elektromotors (14 ) dem, vorzugsweise als Inkrementalgeber ausgebildeten Sensor (16 ) die Nullposition zugeordnet wird. - Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Bestromungsmuster eine Blockkommutierung verwendet wird.
- Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auflösung des Sensors (
16 ) frei wählbar ist. - Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Position des Rotors (
17 ) zu einer Kommutierung in einer Einlernroutine erfolgt, welche bei der Initialisierung des in dem Kraftfahrzeug verbauten Elektromotors (14 ) durchgeführt wird.
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