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Die Erfindung betrifft eine Langsamläufer-Elektromaschine, insbesondere Langsamläufer-Elektromotor, zur Verwendung in einem Direktantrieb für eine Rotorachse eines Luftfahrzeugs, insbesondere für einen Hauptrotor eines Hubschraubers, mit einem durch Umfangsflächen eines Läufers und eines Ständers begrenzten Umfangsspalt zwischen dem Läufer und dem Ständer. Weiter betrifft die Erfindung eine mit einem Direktantrieb versehene Luftfahrzeugrotorwelle für einen Rotor eines Luftfahrzeuges, wobei der Direktantrieb eine derartige Elektromaschine aufweist. Weiter betrifft die Erfindung einen Hubschrauber mit einer derartigen Rotorwelle und/oder einer derartigen Elektromaschine. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen einer Elektromaschine für einen Direktantrieb für einen Rotor eines Luftfahrzeuges sowie insbesondere für einen Hauptrotor eines Hubschraubers.
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Elektrische Antriebe für Hubschrauber stellen eine Alternative zum konventionellen Antrieb mit Verbrennungsmaschinen – z. B. umfassend Turbinen, Hub- oder Drehkolbenmaschinen – dar. Bei derzeitigen Verbrennungsmaschinen, wie z. B. Turbomaschinen, ist zur Reduktion der Drehzahl der Abtriebswelle – Drehzahl ca. 6000 1/min – auf die Hauptrotor-Nenndrehzahl im Bereich um ca. 400 1/min – ein mechanisches Zwischengetriebe erforderlich, welches zusätzliches Gewicht und auch Fertigungskosten beinhaltet. Dieses Getriebe sowie die Antriebsmaschine oder die Antriebsmaschinen können durch einen Direktantrieb ersetzt werden. Ein derartiger Direktantrieb umfasst einen Langsamläufer-Elektromotor, insbesondere einen Hochdrehmoment-Langsamläufer-Elektromotor.
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Langsamläufer-Elektromaschine zur Verwendung in Direktantrieben zum Antreiben von Rotorwellen von Luftfahrzeugen und insbesondere zum Antreiben eines Hauptrotors eines Hubschraubers hinsichtlich seiner Performance durch einfaches Sicherstellen eines engen Spaltmaßes des Umfangsspaltes – insbesondere Luftspaltes – zwischen Läufer und Stator zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Elektromaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Eine damit versehene Einheit aus Rotorwelle für ein Luftfahrzeug mit Direktantrieb ist Gegenstand der Nebenansprüche.
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Weiter wird zum Lösen der oben genannten Aufgabe ein Verfahren zum Bereitstellen einer Elektromaschine für einen Direktantrieb eines Luftfahrzeugs, insbesondere für einen Hauptrotor eines Hubschraubers mit den Schritten des weiteren Nebenanspruchs vorgeschlagen.
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Gemäß einem Aspekt schafft die Erfindung eine Langsamläufer-Elektromaschine, insbesondere einen Langsamläufer-Elektromotor, zur Verwendung in einem Direktantrieb für eine Rotorwelle eines Luftfahrzeugs, insbesondere für einen Hauptrotor eines Hubschraubers, mit einem durch Umfangsflächen eines Läufers und eines Ständers begrenzten Umfangsspalt zwischen dem Läufer und dem Ständer, wobei wenigstens eine der den Umfangsspalt begrenzenden Umfangsflächen mit einer nichtmagnetischen Beschichtung aus elektrisch durchschlagfestem, thermisch stabilen Material versehen ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Beschichtung aus wenigstens einem der folgenden Materialien gebildet ist: keramischer Werkstoff, oxidisches Material, nitridisches Material, Diamant, diamantähnliches Material, Polymer, Fluor-Polymer, Teflon, Polyamine und Polyamid.
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Es ist bevorzugt, dass eine zu dem Ständer gerichtete Umfangsfläche des Läufers mit der Beschichtung versehen ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Beschichtung durch ein Auftragverfahren aufgebracht und auf Endmaß geschliffen ist.
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Es ist bevorzugt, dass die z. B. durch einen Elektromotor gebildete Elektromaschine eine Nenndrehzahl im Bereich von 50 min–1 bis 1000 min–1, insbesondere 200 min–1 bis 600 min–1, aufweist und/oder dass er einen Durchmesser im Bereich von 0,5 m bis 3 m aufweist und/oder dass der Umfangsspalt einen Spaltabstand von etwa 0,02 mm bis 1,2 mm aufweist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Luftfahrzeugrotorwelle für einen Rotor eines Luftfahrzeuges mit einem Direktantrieb, der eine Elektromaschine, insbesondere Elektromotor, nach der Erfindung oder deren vorteilhaften Ausgestaltungen umfasst. Insbesondere ist die Luftfahrzeugrotorwelle als Rotorwelle eines Hauptrotors eines Hubschraubers mit einem derartigen Direktantrieb ausgebildet.
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Weiter schafft die Erfindung einen Hubschrauber umfassend eine solche mit Direktantrieb versehene Rotorwelle bzw. eine derartige Elektromaschine.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen einer Elektromaschine für einen Direktantrieb für einen Rotor eines Luftfahrzeuges, insbesondere für einen Hauptrotor eines Hubschraubers, umfassend:
- a) Bereitstellen eines Läufers und eines Ständers derart, dass Umfangsflächen des Läufers und des Ständers im zusammengesetzten Zustand einen Umfangsspalt zwischen sich begrenzen,
- b) Beschichten wenigstens einer dieser Umfangsflächen mit einem nichtmagnetischen elektrisch durchschlagfestem, thermisch stabilen Material und
- c) Zusammensetzen von Läufer und Ständer.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst: Auftragen wenigstens eines der folgenden Materialien auf die wenigstens eine Umfangsfläche: keramischer Werkstoff, oxidisches Material, nitridisches Material, Diamant, diamantähnliches Material, Polymer, Fluor-Polymer, Teflon, Polyamine und Polyamid.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst: Auftragen der Beschichtung durch thermisches Spritzen, in einem Sol-Gel-Prozess, einem CVD-Prozess, einem Hochraten-CVD-Prozess und/oder einem PVD-Prozess.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst: Auftragen einer dickeren Materialschicht und Abtragen, insbesondere Abschleifen, der Beschichtung auf ein vorgegebenes Endmaß.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst: Beschichten der dem Ständer zugewandten Umfangsfläche des Läufers.
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Eine weiter vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: Einlaufenlassen der Umfangsflächen zum Abtragen von Material der Beschichtung zum Ausgleich von Ungenauigkeiten in dem Spaltmaß des Umfangsspalts durch Relativdrehung von Läufer und Ständer.
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Hochdrehmoment-Langsamläufer-Elektromaschinen für eine 1:1 Drehzahl eines Hubschrauberantriebes sind derzeit Gegenstand von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten. Die Erfindung betrifft derartige Elektromaschinen, wie sie als Hubschrauberdirektantrieb eingesetzt werden können, wie dies in der
DE 10 2010 021 024 A1 , der
DE 10 2010 021 025 A1 , der
DE 10 2010 021 026 A1 , der
DE 10 2011 121 174 A1 und der
WO 2011/144692 A2 gezeigt und beschrieben sind. Für nähere Einzelheiten zur möglichen Ausgestaltung dieser Elektromaschinen sowie deren Verwendungsmöglichkeiten wird ausdrücklich auf diese Druckschriften verwiesen.
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Die Hochdrehmoment-Langsamläufer-Elektromotoren – auch High Torque-Low Speed-Elektromaschinen oder auch Torque-Motoren genannt – weisen konzeptbedingt einen großen Durchmesser auf. Das Drehmoment entsteht in dem Luftspalt oder allgemeiner Umfangsspalt zwischen Ständer und Läufer. Je größer der Radius bzw. der Durchmesser dieses Umfangsspaltes ist, desto mehr Drehmoment wird erzeugt. Der Elektromotor ist vorzugsweise mit einer Vielzahl von Polen versehen.
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Solch ein Elektromotor kann im Motorbetrieb oder Generatorbetrieb betrieben werden und wird daher auch allgemeiner mit dem Begriff „Elektromaschine” bezeichnet.
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Vorzugsweise ist der Durchmesser des Umfangsspaltes im Bereich von einigen Dezimetern bis zum Bereich von mehreren Metern gewählt.
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Es ist für die Performance der Elektromaschine vorteilhaft, wenn der Luftspalt bzw. Umfangsspalt möglichst eng ausgebildet ist. Langsamläufer-Elektromaschinen sollten einen sehr kleinen Spalt zwischen dem Läufer und dem Stator aufweisen. Angestrebt sind ca. 0,1 mm bei eisenlosen Maschinen oder auch weniger.
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Der Läufer sollte eine hohe mechanische Steifigkeit aufweisen, um das enge Spaltmaß einzuhalten. Zusätzlich ist eine hohe mechanische Präzision beim Aufbau solcher Maschinen erforderlich, um ein Anlaufen des Läufers an dem Ständer bestmöglich zu vermeiden.
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Mit der Erfindung lassen sich auch bei großen Durchmessern sehr enge Spaltmaße mit hoher Genauigkeit erreichen.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird zur Spaltminimierung vorzugsweise am Läufer eine nichtmagnetische Beschichtung eines Materials mit hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit und ausreichend thermischer Stabilität eingesetzt. Beispiele dazu sind keramische Werkstoffe, insbesondere oxidische und nitridische Materialien sowie Diamant/diamantähnliche Materialien, sowie Polymere, beispielsweise Fluor-Polymere wie z. B. Teflon, Polyamine und Polyamide.
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Ein universelles Beschichtungsverfahren, das für die Beschichtung der wenigstens einen den Umfangsspalt begrenzenden Umfangsfläche eingesetzt werden kann, ist z. B. das thermische Spritzen. Andere mögliche Beschichtungsverfahren sind Sol-Gel-Prozesse sowie Hochraten-CVD-Prozesse oder PVD-Prozesse. Die derart erzeugten Schichten werden vorzugsweise durch Materialabtrag auf Endmaß gebracht. Beispielsweise werden sie auf Endmaß entsprechend geschliffen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, etwaige Ungenauigkeiten beim Einlauf des Läufers an dem Ständer auszugleichen und somit einen konstanten Spaltabstand zwischen Ständer und Läufer zu erreichen. Damit können sowohl elektrische als auch magnetische Kurzschlüsse zwischen Läufer und Ständer vermieden werden. Dies ist im Hinblick auf das Betriebsverhalten sowie der Betriebssicherheit von Hochdrehmoment-Langsamläufer-Elektromaschinen von wesentlichem Vorteil.
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Mit einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können Läufer und Ständer sich gut einlaufen, und die Anforderungen an einen engen sowie homogenen Spalt zwischen den beiden Komponenten kann dadurch realisiert werden.
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Die erfindungsgemäßen Ideen lassen sich sowohl auf einen Außenläufer als auch auf einen Innenläufer anwenden.
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Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines derartigen Torque-Motors oder Elektromotors mit hohem Drehmoment und Langsamlauf-Eigenschaften als Direktantrieb für den Hauptrotor eines Hubschraubers. Aber auch Antriebe für andere Rotoren an Luftfahrzeugen, wie z. B. Antriebe von Propellern von Propellermaschinen, Antriebe von Heckrotoren von Hubschraubern sind möglich.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
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1 eine stark schematisierte Darstellung einer Hochdrehmoment-Langsamläufer-Elektromaschine, z. B. als Hochdrehmoment-Langsamläufer-Elektromotor ausgebildet, zur Verwendung als Direktantrieb für eine Rotorwelle eines Luftfahrzeuges, insbesondere zum Antreiben eines Hauptrotors eines Hubschraubers;
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2 den Elektromotor von 1 bei nicht perfekter Zentrierung; und
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3 den Elektromotor von 2 mit beschichteten Umfangsflächen.
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In den Figuren ist ein Hochdrehmoment-Langsamläufer-Elektromotor 10 als Beispiel für eine Hochdrehmoment-Langsamläufer-Elektromaschine 11 mit einem Ständer 12 und einem Läufer 14 dargestellt. Zwischen dem Ständer 12 und dem Läufer 14 ist ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Luftspalt 16 gebildet, der im Folgenden als Umfangsspalt 18 bezeichnet wird. Der Umfangsspalt 18 ist durch Umfangsflächen 20, 22 begrenzt, wobei eine Umfangsfläche 20 am Ständer – Ständer-Umfangsfläche – und eine Umfangsfläche 22 am Läufer – Läufer-Umfangsfläche – in Umfangsrichtung sich erstreckend ausgebildet ist.
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Der Läufer 14 kann als Teil einer Rotorwelle 24 eines Luftfahrzeuges, insbesondere eines Hauptrotors 26 eines Hubschraubers (nicht dargestellt), verwendet werden oder in nicht dargestellter Ausgestaltung um die Rotorwelle 24 herum mit dieser fest verbunden angeordnet werden.
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In den dargestellten Ausgestaltungen ist der Elektromotor 10 als Innenläufermotor ausgebildet; selbstverständlich ist auch eine Ausgestaltung als Außenläufermotor (nicht dargestellt) möglich.
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Eine Nenndrehzahl von Hauptrotoren von Hubschraubern liegt im Größenordnungsbereich von 400 min–1 und um bei derartigen niedrigen Drehzahlen hohe Drehmomente und eine hohe Dynamik einleiten zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Durchmesser des Umfangsspaltes 18 möglichst groß gehalten wird. Der Durchmesser sollte in der Größenordnung von 0,5 m oder 1 m bis mehreren Metern liegen. Gleichzeitig sollte das Spaltmaß des Umfangsspaltes 18 möglichst klein sein, z. B. maximal 1,2 mm und möglichst unter 1 mm und mehr insbesondere weniger als 0,5 mm.
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Das Spaltmaß liegt insbesondere im Bereich von ca. 0,1 mm. Bei derart geringeren Spaltmaßen führen bereits geringe, nicht perfekte Zentrierungen, wie sie in 2 angedeutet sind, dazu, dass an einer Stelle ein minimaler Abstand 28 in dem Umfangsspalt 18 vorhanden ist. Das Spaltmaß des Umfangsspaltes 18 wird daher bisher relativ groß gewählt, was aber die Performance bzw. Effektivität des Elektromotors 10 beeinträchtigt.
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Um das Spaltmaß zu verringern, wird bei dem Elektromotor 10 wenigstens eine der Umfangsflächen 20, 22 mit einer Beschichtung 30, 32 aus einem Material mit hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit und ausreichender thermischer Stabilität versehen.
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In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind beide Umfangsflächen 20, 22 mit einer entsprechenden Beschichtung 30, 32 versehen. Die Beschichtung 30 an der Ständer-Umfangsfläche 20 ist gestrichelt dargestellt, während die Beschichtung 32 an der Läufer-Umfangsfläche 22 gepunktet dargestellt ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist wenigstens die Läufer-Umfangsfläche 22 mit der Beschichtung 32 versehen.
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Zur Bereitstellung des Elektromotors 10 werden zunächst der Ständer 12 und der Läufer 14 bereitgestellt, die entsprechende Umfangsflächen 20, 22 aufweisen, um den Umfangsspalt 18 zu bilden. Die Durchmesser der Umfangsflächen 20, 22 sind derart bemessen, dass der bei zusammengesetztem Zustand ausgebildete Umfangsspalt 18 noch größer als das eigentliche Endmaß des Spaltmaßes ist.
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Die Umfangsflächen 20, 22 werden dann vor dem Zusammenbau des Ständers 12 und des Läufers 14 mit den Beschichtungen 30, 32 versehen, wobei z. B. thermisches Spritzen oder andere Beschichtungsverfahren, wie Sol-Gel-Prozesse oder Vakuum-Deposition-Prozesse wie z. B. CVD oder PVD, eingesetzt werden. Als Beschichtungsmaterialien werden Oxidmaterialien oder Nitridmaterialien oder Diamant oder diamantähnliche Materialien oder andere keramische Werkstoffe und/oder Polymere, wie z. B. Fluor-Polymere, Polyamine oder Polyamide, eingesetzt. Die Materialien sollten möglichst nicht magnetisch sein, eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit und eine möglichst hohe thermische Stabilität haben.
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Die Beschichtungen 30, 32 werden zunächst mit einer größeren Schichtdicke als im Endmaß vorgesehen aufgetragen, anschließend werden die Beschichtungen 30, 32 auf das Endmaß durch Materialabtrag gebracht. Insbesondere werden die Materialien entsprechend auf das Endmaß abgeschliffen. Anschließend werden die Komponenten Ständer 12 und Läufer 14 zusammengebaut, wie dies in 3 dargestellt ist. Kommt es hierbei, beispielsweise durch einen minimalen Abstand bei nicht perfekter Zentrierung, zu Ungenauigkeiten, dann können die Beschichtungen aufeinander abgleiten, wie dies bei 28' angedeutet ist. So kann durch Einlauf des Läufers 14 an dem Ständer 12 ein korrekter Spaltabstand zwischen dem Läufer 14 und dem Ständer 12 erreicht werden.
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Demnach werden bei der hier vorgeschlagenen elektrischen Maschine – beispielsweise Elektromotor 10 – Einlaufbeläge geschaffen, mit denen ein Luftspalt oder ein sonstiger Umfangsspalt 18 mit minimalem Spaltmaß geschaffen werden können.
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Es werden demnach Einlaufbeläge für elektrische Maschinen mit hohen Drehmomenten beschrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektromotor
- 11
- Elektromaschine
- 12
- Ständer
- 14
- Läufer
- 16
- Luftspalt
- 18
- Umfangsspalt
- 20
- Umfangsfläche (Ständer-Umfangsfläche)
- 22
- Umfangsfläche (Läufer-Umfangsfläche)
- 24
- Rotorwelle
- 26
- Hauptrotor
- 28
- minimaler Abstand
- 28'
- Abgleiten der Beschichtungen aufeinander
- 30
- Beschichtung (Ständer)
- 32
- Beschichtung (Läufer)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010021024 A1 [0003, 0020]
- DE 102010021025 A1 [0003, 0020]
- DE 102010021026 A1 [0003, 0020]
- WO 2011/144692 A2 [0003, 0020]
- DE 102011121174 A1 [0003, 0020]
