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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der
japanischen Patentanmeldung mit der Nr. 2014-20895 , eingereicht am 6. Februar 2014, wobei deren vollständiger Inhalt dieser hiermit durch Bezugnahme mitaufgenommen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor mit einer konzentrierten Wicklung.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Es ist bekannt, dass die Verteilung der magnetischen Flussdichte (nachstehend wird diese als „Flusswelle” bezeichnet werden), welche durch den Rotor eines Synchronmotors erzeugt wird, harmonische Komponenten beinhaltet, und entsprechend wird eine induzierte Spannung gestört, was einen Rippel bzw. Schwankungen im Drehmoment verursacht. Die offengelegte
japanische Patentanmeldung mit der Nr. H11-23490 beschreibt einen elektrischen Motor, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser die Verzerrung von dessen induzierter Spannung reduziert, um dessen Drehmoment-Ripple zu reduzieren.
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Der elektrische Motor, welcher in diesem Patentdokument beschrieben wird, weist eine Struktur auf, bei der, wenn die Anzahl der Polpaare des Rotors P ist, der Stator (3/2) × P große Zähne mit einem großen Abstand der Pole in Umfangsrichtung und (3/2) × P kleine Zähne mit einem kleinen Abstand der Pole in Umfangsrichtung aufweist, welche abwechselnd angeordnet sind, und die Wicklungen sind nur konzentriert auf die großen Zähne gewickelt. Bei diesem elektrischen Motor sind die Positionen in Umfangsrichtung der Zähne relativ zu den magnetischen Polen der gleichen Phase verschoben, um dessen Drehmoment-Ripple zu reduzieren, indem die induzierte Spannungsverzerrung reduziert wird.
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Allerdings erhöht sich bei dieser Struktur die Vibration des elektrischen Motors, da die Periodizität der Polanordnung verschlechtert wird, was verursacht, dass das Ungleichgewicht bzw. die Unwucht der Radialkraft anwächst. Zusätzlich, da der Raum für die Wicklung aufgrund der Verschiebung der Positionen der Zähne in Umfangsrichtung reduziert wird, wird die Performance des elektrischen Motors verschlechtert bzw. verringert.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine beispielhafte Ausführungsform sieht einen elektrischen Motor vor, welcher das folgende beinhaltet:
einen Rotor beinhaltend magnetische Pole, wobei dessen Anzahl von Polpaaren P ist, und wobei P eine natürliche Zahl ist; und
einen Stator beinhaltend Wicklungen,
wobei
der Stator (3/2) × P große Zähne mit einem ersten Polabstand und (3/2) × P kleine Zähne mit einem zweiten Polabstand beinhaltet, welcher kleiner als der erste Polabstand ist, und wobei die großen Zähne die kleinen Zähne derart angeordnet sind, so dass sich diese in Umfangsrichtung abwechseln,
die Wicklungen nur auf den großen Zähnen konzentriert gewickelt sind,
wenn der erste Polabstand im elektrischen Winkel X ist, dann liegt X in einem Bereich von 144 bis 180 Grad,
wenn der zweite Polabstand im elektrischen Winkel Y ist, dann ist Y gleich (240 – X) Grad, und
die in Umfangsrichtung benachbarten Wicklungen mit Strömen versorgt werden, welche jeweils einen Phasenunterschied von 120 Grad in dem dazwischen liegenden elektrischen Winkel aufweisen.
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Entsprechend der beispielhaften Ausführungsformen ist ein Motor mit einer konzentrierten Wicklung vorgesehen, welcher die Verzerrung von dessen induzierter Spannung ohne eine Verschlechterung der Periodizität der Anordnung der magnetischen Pole des Stators davon reduziert.
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Andere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung beinhaltend die Zeichnungen und die Ansprüche deutlich werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigt/es zeigen:
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1 ein Diagramm, welches eine Gesamtstruktur eines elektrischen Motors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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2 einen Graphen, welcher die Pegel der Komponenten der unterschiedlichen Ordnungen der magnetischen Flussdichte des elektrischen Motors zeigt, wenn die Flusswelle eine Wellenform einer Rechteckwelle mit 180 Grad aufweist;
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3 einen Graphen, welcher die Pegel der Komponenten der unterschiedlichen Ordnungen der magnetischen Flussdichte des elektrischen Motors zeigt, wenn die Flusswelle eine Wellenform einer trapezförmigen Welle bzw. einer Trapezwelle mit 150 Grad aufweist;
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4 einen Graphen, welcher die Pegel der Komponenten der unterschiedlichen Ordnungen der magnetischen Flussdichte des elektrischen Motors zeigt, wenn die Flusswelle eine Wellenform einer Trapezwelle von 90 Grad aufweist;
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5A ein Diagramm, welches die Beziehungen zwischen den Komponenten der unterschiedlichen Ordnungen einer induzierten Spannung und dem Polabstand der großen Zähne des elektrischen Motors zeigt, wenn die Flusswelle die Wellenform einer 180 Grad Rechteckwelle aufweist;
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5B ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen einem Verzerrungsfaktor einer induzierten Spannung und dem Polabstand der großen Zähne des elektrischen Motors zeigt, wenn die Flusswelle die Wellenform einer Rechteckwelle mit 180 Grad aufweist;
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6A ein Diagramm, welches die Beziehungen zwischen den Pegeln der Komponenten der unterschiedlichen Ordnungen einer induzierten Spannung und dem Polabstand der großen Zähne des elektrischen Motors zeigt, wenn die Flusswelle die Wellenform einer Trapezwelle mit 150 Grad aufweist;
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6B ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen dem Verzerrungsfaktor der induzierten Spannung und dem Polabstand der großen Zähne des elektrischen Motors zeigt, wenn die Flusswelle die Wellenform einer Trapezwelle mit 150 Grad aufweist;
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7A ein Diagramm, welches Beziehungen zwischen den Pegeln der Komponenten der unterschiedlichen Ordnungen einer induzierten Spannung und dem Polabstand der großen Zähne des elektrischen Motors zeigt, wenn die Flusswelle die Wellenform einer Trapezwelle mit 90 Grad aufweist;
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7B ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen dem Verzerrungsfaktor der induzierten Spannung und dem Polabstand der großen Zähne des elektrischen Motors zeigt, wenn die Flusswelle die Wellenform der Trapezwelle mit 90 Grad aufweist; und
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8 eine vergrößerte Ansicht von Hauptteilen des elektrischen Motors.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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1 ist ein Diagramm, welches die Gesamtstruktur eines elektrischen Motors 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. So wie dies in 1 gezeigt ist, ist der elektrische Motor 1 von der Art eines Innenläufers bzw. weist dieser einen inneren Rotor auf, wobei in dem elektrischen Motor 1 ein Rotor 2 an der radial inneren Seite angeordnet ist, und wobei ein Stator 3 an der radial äußeren Seite angeordnet ist. Den Wicklungen 4 des Stators 3 wird ein drei-phasiger Strom zugeführt. Der Rotor 2, welcher vom Typus des Oberflächenmagneten ist, beinhaltet Permanentmagneten 5, dessen N-Pole aus der äußeren Oberfläche des Rotors hervorstehen bzw. exponiert sind, und Permanentmagnete 5, dessen S-Pole aus der Oberfläche des Rotors solchermaßen exponiert sind, dass sich diese in Umfangsrichtung abwechseln. Bei dieser Ausführungsform ist die Anzahl P der Polpaare 4.
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Der Stator 3 beinhaltet sechs (= (3/2) × 4) große Zähne 7 mit einem großen Polabstand X und sechs kleine Zähne 8 mit einem kleinen Polabstand Y, welche derart angeordnet sind, so dass sich diese in der Umfangsrichtung abwechseln. Die Wicklungen 4 sind konzentriert nur auf die großen Zähne 7 gewickelt. Der Polabstand X der großen Zähne 7 beträgt 156 Grad im elektrischen Winkel, was im Bereich von 144 Grad bis 166,2 Grad liegt. Der Polabstand Y der kleinen Zähne 7 beträgt 84 (= 240 – 156) Grad im elektrischen Winkel. Die in Umfangsrichtung benachbarten Wicklungen 4 werden mit Strömen versorgt, welche einen Phasenunterschied von 120 Grad im dazwischenliegenden elektrischen Winkel aufweisen.
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Der Grund dafür, dass der Polabstand X auf 156 Grad festgelegt wird, wird nachstehend näher erläutert. Der Wert des Polabstandes X wird im Hinblick auf das Reduzieren von harmonischen Komponenten der Flusswelle bestimmt, um damit den Ripple des Drehmoments zu reduzieren, welcher durch eine Verzerrung der induzierten Spannung des elektrischen Motors erzeugt wird. Da die Flusswelle verschiedene harmonische Komponenten beinhaltet, ist es vorzuziehen, dass der Wert des Polabstandes X solchermaßen bestimmte wird, dass die Verzerrung der induzierten Spannung, welche durch die Summe der harmonischen Komponenten verursacht wird, ein Minimum wird.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben einen Korrelationstest durchgeführt, um eine Korrelation zwischen dem Polabstand X und dem Effekt der harmonischen Komponenten der induzierten Spannung für jeden der Fälle, bei dem die Flusswelle eine Rechteckwelle mit 180 Grad, eine Trapezwelle mit 150 Grad und eine Trapezwelle mit 90 Grad ist, durchgeführt. Bei diesem Test wurde eine Verzerrung, so wie diese nachstehend definiert ist, als ein Parameter verwendet, welcher indikativ für den Effekt der harmonischen Komponenten ist. Diese Verzerrung wurde durch das Berechnen der Summe der Quadrate der fünften, siebten, elften und dreizehnten harmonischen Komponenten und durch das Berechnen eines Verhältnisses der Quadratwurzel der Summe der Basiskomponente bzw. fundamentalen erhalten.
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Die 2 bis 4 zeigen Pegel der Fundamental (ersten), fünften, siebten, elften und dreizehnten harmonischen Komponenten der Flusswelle für jeden der vorstehend beschriebenen drei Fälle. Für jeden der vorstehend beschriebenen drei Fälle wurde eine Korrelation zwischen der Werte des Polabstandes X und dem Pegel der induzierten Spannung für jede der Komponenten der ersten, fünften, siebten, elften und dreizehnten Ordnung erhalten (siehe auch die 5A, 6A und 7A).
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Danach wurde eine Korrelation zwischen der Verzerrung und dem Wert des Polabstandes X für jeden der vorstehend beschriebenen drei Fälle erhalten (siehe auch die 5B, 6B und 7B). Aus diesem Test wurde herausgefunden, dass die Verzerrung ein Minimum wird, wenn der Polabstand X in etwa 156 Grad für jeden der drei vorstehend beschriebenen Fälle ist.
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Entsprechend wird diese Ausführungsform der Polabstand X auf 156 Grad eingestellt, um die Verzerrung der induzierten Spannung aufgrund der harmonischen Komponenten der Flusswelle zu minimieren. Im Übrigen, so wie dies in 8 gezeigt ist, ist der radiale Abstand G zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 kleiner als der Wert festgelegt, welcher äquivalent zu 12 Grad im elektrischen Winkel (= (180 – X)/2 = (180 – 156)/2) der Umfang 2 des Permanentmagneten 5 ist, so dass der magnetische Fluss, welcher durch einen Permanentmagneten 5 mit Ausnahme des Bereichs, welcher in dem Breitenbereich von 12 Grad zwischen den Enden in Umfangsrichtung der benachbarten Permanentmagneten 5 einhaltet ist, erzeugt wird, nicht kurzgeschlossen wird.
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Der elektrische Motor 1, welcher vorstehend beschrieben wurde, sieht die folgenden Vorteile vor. Die Wicklungen 4 des Stators 3 werden mit einem dreiphasigen Strom versorgt, und der Stator 3 beinhaltet die (3/2) × 4 × P großen Zähne 7 mit dem großen Polabstand X und die (3/2) × 4 × P kleinen Zähne 8 mit dem kleinen Polabstand Y (< X), welche derart angeordnet sind, so dass sich diese in Umfangsrichtung abwechseln. Die Wicklungen 4 sind konzentriert nur auf die großen Zähne 7 gewickelt. Der Polabstand X der großen Zähne 7 beträgt 156 Grad im elektrischen Winkel und die in Umfangsrichtung benachbarten Wicklungen 4 werden mit Strömen versorgt, welche eine Phasendifferenz von 120 Grad im dazwischenliegenden elektrischen Winkel aufweisen.
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Entsprechend können die harmonischen Komponenten der Flusswelle reduziert werden, ohne die Periodizität der Polanordnung des Stators 3 zu verschlechtern. Bei einem herkömmlichen elektrischen Motor, da dessen Wicklungen um all die Zähne gewickelt sind, wird der Polabstand einmalig in Übereinstimmung mit der Anzahl der Pole geteilt durch die Anzahl der Slots davon bestimmt, wobei es sehr schwierig ist, den Polabstand im Hinblick auf das Reduzieren der harmonischen Komponenten einzustellen bzw. festzulegen.
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Entsprechend dieser Ausführungsform, da die großen Zähne 7, auf die die Wicklungen 4 gewickelt sind, und die kleinen Zähne 8, auf die die Wicklungen 4 nicht gewickelt sind, derart angeordnet sind, so dass sich diese in Umfangsrichtung abwechseln, ist es möglich, den Polabstand X der großen Zähne auf einen gewünschten Abstand unabhängig von dem Wert der Anzahl der Pole geteilt durch die Anzahl der Slots festzulegen. Dies macht es möglich, den Polabstand X derart einzustellen, so dass die harmonischen Komponenten der Flusswelle reduziert werden. Daher wird der Polabstand X auf 156 Grad eingestellt, um die Verzerrung zu minimieren. Daher, gemäß dieser Ausführungsform, können die harmonischen Komponenten der Flusswelle reduziert werden, um die Verzerrung der reduzierten Spannung zu minimieren, ohne die Periodizität der Polanordnung des Stators 3 zu verschlechtern.
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Die Anzahl P der Polpaare ist auf 4 festgelegt. Dies ermöglicht es, die Anzahl der großen Zähne 7 der gleichen Phase 2 festzulegen, so dass die Pole der gleichen Phase einander gegenüberliegen, wobei dadurch die Vibration und das Geräusch aufgrund der Radialkraft des elektrischen Motors 1 reduziert werden.
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Der Rotor 2 ist vom Typ des Oberflächenmagneten. Dies erhöht den Effekt der Reduzierung der Verzerrung der induzierten Spannung. Falls der Rotor 2 vom Typ des eingebetteten Magneten ist, da der magnetische Fluss von jedem eingebetteten Magneten in irgendeine Richtung innerhalb des magnetischen Teils des Rotors 2 fließen kann, wird der Effekt der Reduzierung der Verzerrung der induzierten Spannung gering. Bei dieser Ausführungsform, da der Rotor 2 vom Typ des Oberflächenmagneten ist, wird der magnetische Fluss der Permanentmagneten 5 direkt zwischen den äußeren peripheren Oberflächen der Permanentmagneten 5 und den großen Zähnen 7 oder den kleinen Zähnen 8 transferiert, wobei der Effekt der Reduktion der Verzerrung der induzierten Spannung erhöht werden kann.
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Der radiale Abstand G zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 wird kleiner als der Wert, welcher äquivalent 12 Grad der Umfangsweite im elektrischen Winkel des Permanentmagneten 5 ist, festgelegt. Entsprechend wird der magnetische Fluss direkt zwischen der äußeren peripheren Oberfläche des Permanentmagneten 5 und den großen Zähnen 7 oder den kleinen Zähnen 8 zumindest innerhalb des 156 Grad-Breitenbereichs 156 transferiert, dessen Symmetriemitte bei der Position von 90 Grad im elektrischen Winkel des Permanentmagneten 5 gelegen ist. Daher ermöglicht es das Festlegen des Polabstandes X auf 156 Grad den Effekt des Reduzierens der Verzerrung der reduzierten Spannung zu maximieren.
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Modifikationen
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Die vorstehend beschriebene Ausführungsform kann auf verschiedene Arten und Weisen modifiziert werden, so wie dies beispielhaft beschrieben ist. Bei der vorstehenden Ausführungsform wird der Polabstand X auf 156 Grad im elektrischen Winkel im Hinblick auf das Minimieren der Verzerrung eingestellt. Jedoch kann der Polabstand X auf irgendeinen Wert im Bereich von 144 bis 180 Grad festgelegt werden (vorzugsweise im Bereich von 144 bis 166,2 Grad).
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Beispielsweise, wenn die harmonische Komponente der fünften Ordnung so weit wie möglich reduziert werden muss, kann der Polabstand X auf 140 Grad eingestellt werden. In ähnlicher Weise, wenn die harmonische Komponente der siebten, elften oder dreizehnten Ordnung so weit wie möglich reduziert werden muss, kann der Polabstand X jeweils auf 154,3, 163,6 und 166,2 eingestellt werden. Ferner, wenn die harmonische Komponente der n-ten Ordnung (wobei n eine ganze Zahl ist, welche größer als dreizehn ist) so weit wie möglich reduziert werden muss, kann der Polabstand X auf {180 – (360/n/2)} Grad eingestellt werden.
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Bei der vorstehenden Ausführungsform ist die Anzahl P der Polpaare vier. Allerdings kann diese auch eine natürliche Zahl sein, welche eine andere als vier ist, vorzugsweise eine natürliche Zahl, welche größer als vier ist, und dies im Hinblick auf das Reduzieren der Vibration und des Geräuschs aufgrund der Radialkraft des elektrischen Motors 1. Beispielsweise, wenn die Anzahl P der Polpaare sechs, acht oder zehn ist, sind die großen Zähne 7 der gleichen Phase in jeweils einem Intervall von 120 Grad, 90 Grad oder 60 Grad im mechanischen Winkel angeordnet, um eine Symmetrie der Radialkraft sicherzustellen.
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Bei der vorstehenden Ausführungsform wird der Abstand G in der Radialrichtung zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 kleiner als der Wert festgelegt, welcher äquivalent zu 12 Grad in der Umfangsweite im elektrischen Winkel des Permanentmagneten 5 ist. Allerdings kann der Abstand G entsprechend mit dem Wert des Polabstandes X verändert werden.
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Beispielsweise, wenn der Polabstand X auf 144 Grad im elektrischen Winkel im Hinblick auf das Reduzieren der harmonischen Komponente der fünften Ordnung eingestellt wird, kann der Abstand G kleiner als der Wert, welcher äquivalent zu 18 Grad im elektrischen Winkel in der Umfangsweite des Permanentmagneten 5 ist, eingestellt werden. Bei der vorstehenden Ausführungsform ist der Rotor 2 von der Art eines Oberflächenmagneten. Allerdings kann der Rotor 2 auch von dem Typ des eingebetteten Magneten sein. Der vorstehend beschriebene elektrische Motor 1 ist vom Typ eines Innenläufers bzw. weist einen Innenrotor auf. Allerdings ist die Erfindung ebenso auf einen Typ eines Außenläufers bzw. eines äußeren Rotors anwendbar.
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Die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind beispielhaft für die Erfindung der vorliegenden Anmeldung, wobei deren Schutzbereich nur durch die zugehörigen Ansprüche definiert wird. Es sollte verstanden werden, dass Modifikationen der bevorzugten Ausführungsformen getätigt werden können, so wie dies dem Fachmann einfallen mag.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2014-20895 [0001]
- JP 11-23490 [0003]
