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HINTERGRUND
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(a) Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Innen-Permanent-magnet-Synchronmotor. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Stator eines Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors, welcher ein Rastmoment reduziert.
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(b) Beschreibung der verwandten Technik
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Im Allgemeinen wird ein Hybridfahrzeug oder ein elektrisches Fahrzeug durch einen elektrischen Motor (hiernach als „Antriebsmotor” bezeichnet) angetrieben, um Drehkraft durch elektrische Energie zu erhalten. Das Hybridfahrzeug reist in einem elektrischen Fahrzeugmodus (EV), welcher ein reiner elektrischer Fahrzeugmodus ist, unter Verwendung von Energie eines Antriebsmotors, oder reist in einem hybridelektrischen Fahrzeugmodus (HEV), welcher sowohl Drehmoment einer Maschine als auch Drehmoment des Antriebsmotors als Energie verwendet. Ferner reist ein allgemeines elektrisches Fahrzeug unter Verwendung von Drehmoment des Antriebsmotors als Energie.
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Der Antriebsmotor, welcher als eine Energiequelle eines umweltfreundlichen Fahrzeuges dient, verwendet einen Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM). Der Permanentmagnet-Synchronmotor beinhaltet einen Stator, einen Rotor, welcher durch einen vorherbestimmten Spalt von dem Stator beabstandet ist, und einen Permanentmagneten, welcher in dem Rotor eingebettet ist. Der Permanentmagnet-Synchronmotor kann in zwei Typen klassifiziert werden, welche einen Oberflächen-Permanentmagnet-Synchronmotor (SPMM), in welchem ein Permanentmagnet an einer Oberfläche eines Rotors installiert ist, und einen Innen-Permanentmagnet-Synchronmotor (IPMSM) beinhalten, in welchem ein Permanentmagnet gelagert ist in dem Rotor gemäß einem Verfahren der Installierung des Permanentmagneten in dem Rotor.
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Unter den Permanentmagnet-Synchronmotoren wird ein Reluktanzdrehmoment nicht erzeugt, da ein Oberflächensynchronmotor ein Ausprägungsverhältnis aufweist, welches eine Induktanzdifferenz zwischen einer D-Achse und einer Q-Achse von 0 ist (die D-Achseninduktanz ist die gleiche wie eine Q-Achseninduktanz). Dennoch, da der Innensynchronmotor ein Reluktanzdrehmoment erzeugt aufgrund eines Ausprägungsverhältnisses, ist der Innensynchronmotor anwendbar auf einen Antriebsmotor eines Hybridfahrzeuges, oder eines elektrischen Fahrzeuges, welches eine hohe Effizienz und Ausgangsdichte benötigt.
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Zur Zeit wird der Innen-Permanentmagnet-Synchronmotor, wie oben beschrieben, klassifiziert in einen konzentrierten Windungstyp eines Innen-Permanentmagnet-Synchron-motors, und einen verteilten Windungstyp eines Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors gemäß einem Windungstyp einer Statorspule. Unter diesem wird der konzentrierte Windungstyp eines Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors in einem umweltfreundlichen Fahrzeug verwendet, und wird auf einen Antriebsmotor eines Hybridfahrzeuges angewendet. Zum Beispiel kann die Leistung des konzentrierten Windungstyps des Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors bestimmt werden auf Basis eines Rastmoments.
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Wenn der Permanentmagnet-Synchronmotor in einem unbelasteten Zustand gedreht wird, ändert sich ein Drehmomentwert periodisch, was als ein Rastmoment definiert ist. Das Rastmoment ist einer der Hauptparameter in der schrittweisen Beschleunigungs-/Geschwindigkeitsreduktion in dem umweltfreundlichen Fahrzeug, und einer der Hauptparameter in dem Design des Antriebsmotors des umweltfreundlichen Fahrzeuges. Das Rastmoment kann erzeugt werden aufgrund des statischen magnetischen Ziehens des Stators und des Rotors basierend auf einer Position des Rotors. Bei der schrittweisen Beschleunigungs-/Geschwindig-keitsreduzierung des umweltfreundlichen Fahrzeuges, das heißt in einem Zustand, welcher eine niedrige Last des Antriebsmotors erfordert, kann eine Amplitude von weißem Rauschen, welches erzeugt wird von dem Antriebsmotor, verändert werden basierend auf der Magnitude des Rastmoments.
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Im Allgemeinen erzeugt der konzentrierte Windungstyp Innen-Permanentmagnet-Synchronmotor ein größeres Rastmoment als das des verteilten Windungstyps des Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors. In dem umweltfreundlichen Fahrzeug, welches den konzentrierten Windungstyp des Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors als den Antriebsmotor in der Technik verwendet, gibt es einen Bedarf, das Rastmoment minimiert auszugestalten, um Rauschen bei der schrittweisen Beschleunigungs-/Geschwindigkeitsreduktion zu reduzieren.
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Insbesondere wird das Rastmoment in dem konzentrierten Windungstyp des Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors, welcher angetrieben wird gemäß dem 3-Phasenstrom, und welcher eine Struktur einer Polanzahl und einer Schlitzanzahl von 2 und 3 aufweist, erzeugt gemäß zumindest einem gemeinsamen Vielfachen × der Rotationsfrequenz der Schlitzanzahl des Stators und der Polanzahl des Rotors. Zum Beispiel kann das Rastmoment (zum Beispiel von ungefähr 5,4 Nm) in dem konzentrierten Windungstyp des Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors, welcher einen Stator aufweist, welcher mit 16 Polen und 24 Schlitzen ausgebildet ist, ein hörbares Geräusch bewirken, welches wahrgenommen oder gehört werden kann durch einen Fahrer als eine 48. Frequenzkomponente einer mechanischen Rotationsfrequenz.
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Die obigen Informationen, welche in diesem Abschnitt offenbart sind, sind nur zur Steigerung des Verständnisses des Hintergrundes der Erfindung, und können daher Informationen beinhalten, welche nicht Stand der Technik bilden, welcher einer Person mit gewöhnlichem Fachkenntnissen in diesem Land schon bekannt ist.
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Kurzfassung
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Die vorliegende Erfindung stellt einen Stator eines Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors zur Verfügung, welcher die Vorteile der Reduzierung des Rastmoments aufweist, während die Leistungsverschlechterung eines Motors durch Verbesserung einer Zahnstruktur und einer Schlitzöffnungslänge minimiert wird. Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt einen Stator zur Verfügung, welcher beabstandet ist von einem Rotor durch einen vorherbestimmten Spalt, in einem Innen-Permanentmagnet-Synchronmotor, wobei der Stator beinhalten kann: Statorzähne, welche umlaufend beabstandet sind durch eine vorherbestimmte Distanz, während ein Schlitz dazwischen eingefügt ist, welcher einer Außendurchmesseroberfläche des Rotors entspricht; und einen Statorschuh, welcher an einem Ende des Statorzahns ausgebildet ist, und eine Innendurchmesseroberfläche eines vorherbestimmten Durchmessers aufweist, welche zu der Außendurchmesseroberfläche des Rotors zeigt. Zusätzlich ist ein Kreuzungspunkt zwischen einem Kreis, welcher einen Durchmesser von (zum Beispiel Innendurchmesser des Statorschuhs × 1,0287 × 24/Schlitzanzahl) Millimetern aufweist, und dem Statorzahn ein Zahnendstartpunkt des Statorzahns.
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Ein Zahnendwinkel eines Statorzahns mit Bezug auf beide Enden des Statorschuhs kann gesetzt werden in dem Bereich von ungefähr 125,0 bis 125,4°. Eine Schlitzöffnungslänge zwischen beiden Enden des Statorschuhs und beiden Enden eines benachbarten Statorschuhs kann gesetzt werden (zum Beispiel Innendurchmesser des Statorschuhs × 0,01685 × 24/Schlitzanzahl). Eine laterale Seite der beiden Enden des Statorzahns kann parallel zu einer lateralen Seite eines benachbarten Statorzahns angeordnet sein. Wenn der Stator ausgebildet ist mit 16 Polen und 24 Schlitzen, ist ein Durchmesser des Zahnendstartpunkts basierend auf einem Zentrum des Rotors ungefähr 207,6 mm, wobei die Schlitzöffnungslänge ungefähr 3,4 mm sein kann.
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Eine Hauptgebrauchsbereichseffizienz von ungefähr 94,66% kann erfüllt werden, wenn eine Hauptgebrauchsbereichseffizienz des Motors auf einem Referenzwert von 94,5% oder größer gesetzt ist. Ein maximaler Ausgang von ungefähr 45,13 KW kann erfüllt werden, wenn ein maximaler Ausgang des Motors auf einen Referenzwert von ungefähr 44 KW oder größer gesetzt ist. Ferner kann ein Rastmoment von ungefähr 3,79 Nm erfüllt werden, wenn das Rastmoment des Motors als ein Referenzwert auf ungefähr 5,38 Nm oder weniger gesetzt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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In der folgenden genauen Beschreibung werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur zum Zwecke der Illustration gezeigt und beschrieben.
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1 ist eine beispielhafte Ansicht, welche einen Stator eines Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2A–2B zeigen beispielhafte Kurven, welche Rastmomentanalyseresultate darstellen basierend auf dem Stator eines Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eines Vergleichsbeispiels;
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3A–3D zeigen beispielhafte Tabellen, welche einen Betriebseffekt des Stators des Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen; und
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4A–4B zeigen beispielhafte Graphen, welche einen Geräuschverbesserungseffekt gemäß dem Stator eines Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eines Vergleichsbeispiels darstellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 3
- Permanentmagnet
- 5
- Statorspule
- 11
- Statorzahn
- 21
- Statorschuh
- 31
- Schlitz
- 41
- Schlitzöffnungsteil
- 51
- Kreis
- 53
- Zahnendstartpunkt
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es soll verstanden werden, dass der Begriff „Fahrzeug” oder „Fahrzeug...”; oder jeder andere ähnliche Begriff, wie er hierin verwendet wird, Motofahrzeuge allgemein, wie beispielsweise Personenkraftwagen, einschließlich Geländewagen (sports utility vehicles, SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Industriefahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen sowie Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, umsteckbare Hybrid-Elektrofahrzeuge, mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge und Fahrzeuge, die mit anderen alternativen Kraftstoffen (z. B. Kraftstoffen, die aus einer andere Quelle als Erdöl stammen) betrieben werden, einschließt. Wie er hierin verwendet wird, bezeichnet ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das über zwei oder mehr Antriebsquellen verfügt, zum Beispiel ein Fahrzeug, das sowohl mit Benzin als auch mit Strom betrieben wird.
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Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck, bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben und soll die Erfindung daher in keiner Weise einschränken. Wie sie hierin verwendet werden, sollen die Singularformen „ein, eine, eines”; und „der, die, das” auch die Pluralformen umfassen, solange aus dem Kontext nicht klar etwas anderes ersichtlich ist. Weiter soll verstanden werden, dass die Begriffe „umfasst” und/oder „umfassend”, wenn sie in der vorliegenden Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein der genannten Merkmale, Zahlen, Schritte, Arbeitsvorgänge, Elemente und/oder Komponenten/Bestandteile angeben, jedoch nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung eines oder mehrerer Merkmale, Zahlen, Schritte, Arbeitsvorgänge, Elemente, Komponenten/Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie er hierin verwendet wird, schließt der Begriff „und/oder” jegliche und alle Kombination eines oder mehrerer der damit verbundenen aufgelisteten Punkte ein.
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Soweit nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich ist, soll der Begriff „etwa” wie er hierin verwendet wird, als innerhalb eines Bereichs mit in der Wissenschaft normalen Toleranzgrenzen liegend verstanden werden, zum Beispiel als innerhalb von 2 Standardabweichungen vom Mittelwert liegend. „Etwa” kann verstanden werden als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% vom angegebenen Wert liegend. Soweit es aus dem Kontext nicht anderweitig klar hervorgeht, gelten alle hierin angegebenen Zahlenwerte als um den Begriff „etwa” erweitert.
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1 ist eine beispielhafte Ansicht, welche einen Stator eines Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Mit Bezug auf 1 wird ein Stator 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet auf einen Innen-Permanentmagnet-Synchronmotor (IPMSM), bei dem ein Permanentmagnet in einem Stator eingebettet sein kann.
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Der Innen-Permanentmagnet-Synchronmotor kann angewendet werden auf einen Antriebsmotor eines umweltfreundlichen Fahrzeuges, wie zum Beispiel ein Hybridfahrzeug, um ein Antriebsdrehmoment durch elektrische Energie zu erzeugen. Ferner kann der Stator 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet werden auf einen konzentrierten Windungstyp eines Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors. Zum Beispiel kann der Innen-Permanentmagnet-Synchronmotor ein Innenrotortyp eines Synchronmotors sein, und kann einen Stator 100, einen Rotor 1, welcher an einer Innenseite des Stators 100 drehbar gelagert ist, um beabstandet zu sein von dem Stator 100 durch einen vorherbestimmten Spalt, und eine Vielzahl von Permanentmagneten 3, welche eingebettet sind in dem Rotor 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhalten.
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Insbesondere kann der Stator 100 des Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Statorkern beinhalten, in welchen eine Vielzahl von Stahlplatten laminiert sind, und ein Statorkern des Stators 100 kann Statorzähne 11 und Statorschuhe 21 beinhalten. Die Statorzähne 11 können bewickelt sein mit einer Statorspule 5, und können umfangsmäßig beabstandet sein durch eine vorherbestimmte Distanz, während ein Schlitz 31 dazwischen eingefügt ist, welcher einer Außendurchmesseroberfläche des Rotors 1 entspricht.
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Der Statorschuh 21 kann ausgebildet sein an einem Ende des Statorzahns 11, und kann eine Innendurchmesseroberfläche ausbilden, welche einen vorherbestimmten Durchmesser aufweist, welche zu einer Außendurchmesseroberfläche des Rotors 1 zeigt. Zusätzlich können Enden der Statorschuhe 21 hervortreten hin zu dem Ende der benachbarten Statorschuhe 21. Mit anderen Worten kann jeder Statorschuh 21 mit beiden Seiten davon (rechte und linke Seiten in der Zeichnung) symmetrisch ausgebildet sein basierend auf einem Zentrum des Statorzahns 11, das heißt auf einer verbindenden Zentrallinie basierend auf einem Rotationszentrumspunkt des Rotors 1. Insbesondere, da wie oben beschrieben, beide Ende des Statorschuhs 21 hervortreten können hin zu beiden Enden eines benachbarten Statorschuhs 21 in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, können benachbarte Statorschuhe 21 einen engen Spalt ausbilden, welcher ausreichend ist, die Statorspule 5 um den Statorzahn 11 zu wickeln. Hiernach bezieht sich ein Spalt zwischen beiden Enden von benachbarten Statorschuhen 21 auf ein Schlitzöffnungsteil 41.
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In Übereinstimmung mit einer wie oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Stator 100 des Innen-Permanentmagnet-Synchron-motors eine Struktur aufweisen, welche das Rastmoment reduziert, während eine Leistungsverschlechterung eines Motors durch eine Verbesserung einer Struktur eines Statorzahns 11 und einer Länge eines Schlitzöffnungsteils 41 minimiert wird. Demzufolge kann der Stator 100 des Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors einen Kreuzungspunkt zwischen einem Kreis 51, welcher einen Durchmesser φ1 von (Innendurchmesser φ2 des Statorschuhs × 1,0287 × 24/Schlitzanzahl) Millimetern aufweist, und dem Statorzahn als einen Zahnendstartpunkt 53 des Statorzahns 11 setzen. Insbesondere kann der Durchmesser φ1 basierend auf einem Zentrum des Rotors 1 definiert werden als ein Durchmesser des Zahnendstartpunkts 53. Ferner kann eine Konstante von 1,0287 ein Wert sein, welcher erhalten wird von einem Designprozess des Stators 100 und des Rotors 1.
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Hiernach kann der Stator 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Ausgestaltung von 16 Polen und 24 Schlitzen aufweisen, was beschrieben wird als eine Voraussetzung zum Setzen eines Durchmessers des Zahnendstartpunkts 53 basierend auf einem Zentrum des Rotors 1 auf ungefähr 207,6 mm. Demzufolge, da der Durchmesser des Zahnendstartpunkts 53 auf ungefähr 207,6 mm gesetzt ist, kann ein Innendurchmesser φ2 des Statorschuhs 21 ungefähr 201,80 mm sein in Betrachtung eines Durchmessers φ1 basierend auf einem Zentrum des Stators 1, welcher (Innendurchmesser φ2 des Rotorschuhs × 1,0287 × 24/Schlitzanzahl) Millimeter ist. Mit anderen Worten kann das Zentrum des Rotors definiert werden durch folgende Gleichung: (Innendurchmesser φ2 des Rotorschuhs × 1,0287 × 24/Schlitzanzahl) mm.
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Ferner kann in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Zahnendwinkel eines Statorzahns 11 mit Bezug auf beiden Enden des Statorschuhs 21 gesetzt werden in dem Bereich von ungefähr 125,0 bis 125,4°, und die obige Länge des Schlitzöffnungsteils 41 kann gesetzt werden auf (Innendurchmesser des Statorschuhs × 0,01685 × 24/Schlitzanzahl) Millimeter. Insbesondere kann eine Konstante von 0,01685 ein konstanter Wert sein, welcher erhalten wird aus einem Designprozess des Stators 100 und des Rotors 1. Demzufolge kann in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Schlitzöffnungslänge eines Schlitzöffnungsteils 41, welche ein Spalt ist zwischen beiden Enden des Statorschuhs 21 und beiden Enden eines benachbarten Statorschuhs 21, ungefähr 3,4 mm erfüllen.
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Ferner kann eine laterale Seite von beiden Enden des Statorzahns 11 parallel angeordnet sein zu einer lateralen Seite eines benachbarten Statorzahns 11. Demzufolge, unter der Annahme, dass ein Durchmesser des Zahnendstartpunkts 53 des Statorzahns 11 als eine Ausgestaltung von 16 Polen und 24 Schlitzen gesetzt ist auf ungefähr 207,6 mm, kann eine Schlitzöffnungslänge beider Enden des Statorschuhs 21 gesetzt werden auf ungefähr 3,4 mm, und ein Zahnendwinkel θ des Statorszahns 11 kann gesetzt werden in dem Bereich von ungefähr 125,0° bis 125,4° in Übereinstimmung mit dem Stator 100 des Innen-Permanentmagnet-Synchronmotors, welcher wie oben beschrieben ausgestaltet ist.
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Demzufolge kann in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter den oben angegebenen Annahmebedingungen durch eine Begrenzung der Schlitzöffnungslänge des Statorschuhs 21 und eines Zahnendwinkels des Statorzahns 11 auf einen bestimmten Wert das magnetische Ziehen des Stators 100 und des Rotors 1 geregelt werden, um das Rastmoment um ungefähr 30% oder größer zu verbessern wie dargestellt in 2B als im Vergleich eines Nicht-Last-Rastmoments eines gewöhnlichen Antriebsmotors gemäß dem Vergleichsbeispiel, welches in 2A dargestellt ist. Insbesondere sind in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Leistung eines Motors und ein Reduktionseffekt des Rastmoments gemäß der obigen Beschränkung auf den Wert aufgelistet in den 3A–3D.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Stator 100 aufgrund der vorherbestimmten Struktur des Stators 100 wie oben beschrieben, wenn eine Hauptgebrauchsbereichseffizienz des Motors wie dargestellt in 3A gesetzt ist auf einem Referenzwert von ungefähr 94,5% oder größer, eine Hauptgebrauchsbereichseffizienz von ungefähr 94,66% darstellen.
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Überdies, in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie dargestellt in 3B, wenn ein Maximalausgang des Motors gesetzt wird auf einen Referenzwert von ungefähr 44 KW oder größer, kann der Motor den Maximalausgang von ungefähr 45,13 KW darstellen. Zusätzlich, in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie dargestellt in 3C, wenn eine Drehmomentwelligkeit des Motors gesetzt wird auf einen Referenzwert von ungefähr 2,8% oder weniger, kann eine Drehmomentwelligkeit von ungefähr 2,72% dargestellt werden. Wie dargestellt in 3D, wenn das Rastmoment des Motors gesetzt wird auf einen Referenzwert von ungefähr 5,38 Nm oder weniger, kann ein Rastmoment von ungefähr 3,79 Nm dargestellt werden.
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Demzufolge, in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, da das Rastmoment reduziert wird, während die Leistung und Effizienz des Motors aufrechterhalten wird durch Verbesserung einer Struktur des Statorzahns 11 und einer Länge des Schlitzöffnungsteils 41, kann ein schrittweise Beschleunigungslevel 1 des Fahrzeuges wie dargestellt in 4A und die Geschwindigkeitsreduzierung des Fahrzeuges wie dargestellt in 4B Rauschen, welches bewirkt wird durch das Rastmoment, verbessert werden, um ungefähr 5 dB als im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel.
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Während die Erfindung beschrieben wurde im Zusammenhang mit dem was derzeitig als die beispielhaften Ausführungsformen angesehen wird, sollte es verstanden werden, dass die Erfindung nicht beschränkt ist auf die offenbarten beispielhaften Ausführungsformen. Im Gegenteil ist sie dazu gedacht, verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abzudecken, welche beinhaltet sind in dem Geist und dem Bereich der beigefügten Ansprüche.