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Die Erfindung betrifft gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine Gehäuseanordnung für eine elektrische Maschine mit einem Kühlmantel zur Flüssigkühlung des Stators der elektrischen Maschine.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Montage einer solchen Gehäuseanordnung.
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Unter einer elektrischen Maschine wird ein elektromechanischer Wandler verstanden, der elektrische Energie in mechanische Energie und/oder mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Insbesondere handelt es sich um einen Elektromotor (E-Motor) und/oder Generator mit einem feststehenden Stator bzw. Ständer und einem drehbar im Stator gelagerten Rotor bzw. Läufer (Innenläufer).
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In Kraftfahrzeugen werden solche elektrischen Maschinen bspw. als Fahr- bzw. Antriebsmotor und/oder Generator (Lichtmaschine) verwendet, wobei die elektrische Maschine zumeist in einem Gehäuse oder dergleichen angeordnet wird. Aufgrund hoher Leistungen und begrenzten Bauraums bzw. kompakter Ausführung treten mitunter hohe Leistungsdichten auf, was eine aktive Kühlung der elektrischen Maschine erfordert. Die Kühlung erfolgt in der Regel mithilfe eines den Stator umgebenden Kühlmantels zur Flüssigkühlung (in der Regel Wasser- oder Ölkühlung). Ein solcher Kühlmantel besteht für gewöhnlich aus einem geschlossenen, zumindest näherungsweise ring- bzw. hohlzylindrischen Hohlraum, der durch eine radial äußere Kühlmantelfläche, eine radial innere Kühlmantelfläche und seitliche bzw. axiale Kühlmantelflächen begrenzt ist. Der Hohlraum weist zudem einen Ein- und Auslass für die Kühlflüssigkeit auf und kann außerdem in einzelne Abschnitte unterteilt sein.
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Die
DE 10 2012 016 208 A1 derselben Anmelderin beschreibt ein Gehäuse mit einem Kühlmantel für ein Aggregat, insbesondere für einen Elektromotor. Das den Stator aufweisende Innenteil wird über ein Lagerschild mit dem Außenteil des Gehäuses verbunden und ist auf diese Weise festgehalten und drehmomentabgestützt.
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Als Stand der Technik wird außerdem noch die
DE 10 2014 214 724 A1 derselben Anmelderin benannt, die einen Kühlmantel für eine elektrische Maschine beschreibt. Der Kühlmantel weist eine Innenschale und eine Außenschale auf, die durch eine Klebeverbindung verbunden sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gehäuseanordnung betreffender Art anzugeben, die auch bei begrenztem Bauraum einfach herstellbar bzw. montierbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemäße Gehäuseanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Montage der erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
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Die erfindungsgemäße Gehäuseanordnung für eine elektrische Maschine umfasst:
- – ein Gehäuse oder auch Gehäuseteil mit einem Statoraufnahmebereich;
- – einen im Statoraufnahmebereich des Gehäuses angeordneten Stator der elektrischen Maschine, der einen Statorträger und vorzugsweise wenigstens ein am Statorträger befestigtes bzw. gehaltenes Statorblechpaket aufweist;
- – einen (den Stator umgebenden) Kühlmantel zur Flüssigkühlung des Stators, der insbesondere (in radialer Richtung) durch die Außenfläche des Statorträgers und durch die Innenfläche des Statoraufnahmebereichs gebildet bzw. begrenzt ist; und
- – einen am Gehäuse befestigten Deckel, der in axialer Richtung eine Druckkraft auf den Statorträger aufbringt, so dass dieser durch axiale Klemmung festgehalten und insbesondere auch drehmomentabgestützt ist.
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Der Deckel ist bevorzugt als ein sogenannter Lagerschild ausgebildet, der eine von der Rotorwelle der elektrischen Maschine durchstreckte Mittelbohrung aufweist. Der Statorträger ist bevorzugt als hülsenartiges oder rohrartiges Bauteil ausgebildet.
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Aufgrund der vom Deckel auf den Statorträger ausgeübten Druckkraft steht der Statorträger unter Vorspannung und drückt seinerseits (von innen) gegen den Deckel, wodurch es an den Berührungsflächen zwischen Statorträger und Deckel unter allen Betriebsbedingungen zu einem verlässlichen Reibschluss kommt, der das Verdrehen des Stators relativ zum Gehäuse bzw. zu dessen Statoraufnahmebereich verhindert. Auch am anderen axialen Ende des Statorträgers (d. h. am inneren Lagerschild oder dergleichen) kann es zu einem derartigen Reibschluss kommen. Diese reibschlüssige Befestigung und Verdrehsicherung ermöglicht im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen (Verschweißen, Verkleben, Verschrauben), insbesondere auch bei begrenztem Bauraum, eine einfachere, schnellere und kostengünstigere Fertigung der Bauteile bzw. Komponenten und deren Montage.
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Zur Verbesserung des Reibschlusses zwischen Statorträger und Deckel können die Berührungsflächen speziell beschaffen sein. Die Berührungsflächen können bspw. durch gezielte Oberflächenbehandlung (z. B. durch Fräsen, Schleifen, Sandstrahlen und dergleichen) so präpariert sein, dass sich zwischen diesen berührenden Flächen Mikroformschlüsse ausbilden.
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Ferner können zwischen dem Stator und dem Gehäuse und/oder Deckel wirksame Formschlusselemente vorgesehen sein, wobei die vom Deckel aufgebrachte axiale Druckkraft die Aufrechterhaltung eines formschlüssigen Eingriffs zwischen korrespondierenden Formschlusselementen gewährleistet.
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Bevorzugt sind das Gehäuse, der Deckel und der Statorträger aus Metall gebildet. Das Gehäuse und der Deckel können aus Aluminium gebildet sein. Das Gehäuse und der Deckel können auch aus Stahl gebildet sein. Das Gehäuse ist bevorzugt ein Gussteil, insbesondere ein Aluminium- oder Stahlgussteil. Der Statorträger ist bspw. aus Aluminium oder Stahl gebildet und kann ein- oder mehrstückig gefertigt sein. Der Statorträger kann kostenoptimiert auch aus Blech, bspw. aus einem Tiefziehteil (o. ä.) oder aus mehreren umgeformten und gefügten Blechteilen, gefertigt sein.
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Die drehfeste Verbindung des Deckels mit dem Gehäuse kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Bevorzugt ist der Deckel mit dem Gehäuse verschweißt, insbesondere durch eine Laser- oder Reibrührschweißverbindung. Die Schweißverbindung ist bevorzugt flüssigkeitsdicht ausgeführt und dient somit auch der deckelseitigen Abdichtung des Kühlmantels. Der Deckel kann auch mit dem Gehäuse verschraubt sein, wobei bspw. mehrere am Umfang des Deckels verteilt angeordnete Einzelschrauben oder eine Zentralverschlussmutter vorgesehen sein können. Ferner kann der Deckel in eine korrespondierende Gehäuseöffnung (die im Gehäuse ausgebildet ist) eingesetzt und mittels Bohrungssicherungsring fixiert sein, was eine besonders einfache und schnelle Montage ermöglicht.
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Die Abdichtung zwischen Deckel und Gehäuse (gehäuseseitige Abdichtung des Kühlmantels) und/oder zwischen Deckel und Statorträger (statorseitige Abdichtung des Kühlmantels) kann mithilfe von Dichtungselementen, wie bspw. Dichtringen (z. B. O-Dichtringe), Dichtschnüren oder auch angespritzten Kunststoff- bzw. Elastomerdichtungen, erfolgen. Bevorzugt sind entsprechende Dichtungsnuten vorgesehen, in denen die Dichtungen angeordnet werden können.
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Die (konzentrische) Zentrierung des Stators im Statoraufnahmebereich des Gehäuses kann durch wenigstens einen im Kühlmantel angeordneten Einleger bewerkstelligt werden. Bei entsprechender Ausgestaltung kann dieser Einleger zugleich auch als Strömungsleitelement dienen, um damit die Kühlflüssigkeit in definierter Weise durch den Kühlmantel zu lenken. Der Einleger kann als Kunststoffteil, insbesondere Spritzgussteil, ausgebildet sein. Bei der erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung wird der Kühlmantel erst bei der Montage durch Zusammenbau der Komponenten gebildet und verschlossen, so dass dieser Einleger bei der Montage problemlos eingesetzt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage der erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen des Gehäuses, des Stators und des Deckels;
- – gegebenenfalls Anbringen von Dichtungen;
- – Einsetzen bzw. Einführen des Stators in den Statoraufnahmebereich des Gehäuses, gegebenenfalls unter Verwendung eines Einlegers (s. o.);
- – Aufsetzen des Deckels, Aufbringen einer axialen Druckkraft auf den Deckel, bspw. mithilfe eines Stempels o. ä., und Befestigen des Deckels am Gehäuse, derart, dass auf den Stator bzw. den Statorträger dauerhaft eine axiale Druckkraft ausgeübt wird bzw. der Stator/Statorträger dauerhaft vorgespannt ist. Der Deckel wird also unter axialer Vorspannung am Gehäuse befestigt, vorzugsweise schweißgefügt.
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Bei dem Gehäuse kann es sich um ein beliebiges E-Motor-/Generator-Gehäuse mit integrierter Statorkühlung handeln, insbesondere zur Verwendung im Fahrzeugbereich. Die Erfindung eignet sich gleichermaßen für Kraftfahrzeuge mit einem rein elektrischen Antrieb als auch für Fahrzeuge mit einem Hybridantrieb. Bei dem Gehäuse kann es sich daher auch um ein sogenanntes Hybridgetriebegehäuse oder Hybridgetriebegehäuseteil für ein Kraftfahrzeug handeln. Dieses Hybridgetriebegehäuse weist bspw. einen Statoraufnahmebereich für die Anordnung eines als Fahr- bzw. Antriebsmotor dienenden Elektromotors (gegebenenfalls auch mit Generatorfunktion) und/oder Generators auf, wobei der Elektromotor und/oder Generator bzw. dessen Stator durch den umgebenden Kühlmantel aktiv kühlbar ist. Bevorzugt ist das Gehäuse ein Gussteil, insbesondere ein Aluminium- oder Magnesiumdruckgussteil.
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Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden. Außerdem können die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsmöglichkeiten auch zu weiteren Ausführungsmöglichkeiten kombiniert werden.
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1 zeigt in einer Seitenansicht ein Hybridgetriebegehäuseteil.
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2 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Kühlmantel entsprechend dem in 1 angedeuteten Schnittverlauf (A-A).
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3 zeigt in einem Ausschnitt eine andere Ausführungsmöglichkeit der Deckelbefestigung.
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4 zeigt in einem Ausschnitt eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Deckelbefestigung.
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5 zeigt in einem Ausschnitt eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Deckelbefestigung.
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6 zeigt entsprechend der Darstellung in 2 eine weitere Ausführungsmöglichkeit.
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1 zeigt ein Hybridgetriebegehäuseteil 110 eines Hybridgetriebes 100 für ein Kraftfahrzeug (PKW) mit Hybridantrieb. Bei dem Gehäuseteil 110 handelt es sich um ein Leichtmetall- und insbesondere Aluminium-Druckgussbauteil. Mit 120 ist ein als topfartige Kavität (Hohlraum) ausgebildeter Statoraufnahmebereich für einen im Hybridgetriebe 100 anzuordnenden Elektromotor (Fahrmotor) und/oder Generator bezeichnet. Während des Betriebs muss der Elektromotor und/oder Generator aktiv gekühlt werden, um die entstehende Wärme sicher abzuführen. Hierzu ist ein den zylindrischen Statoraufnahmebereich bzw. -abschnitt 120 umgebender Kühlkanal bzw. Kühlmantel 130 vorgesehen, der von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden kann. D. h., der im Statoraufnahmebereich 120 aufgenommene Stator des Elektromotors bzw. Generators wird durch die Umströmung mit Kühlflüssigkeit aktiv gekühlt. Der mit strichlinierten Kreislinien dargestellte ringzylindrische Kühlmantel 130 weist bspw. einen Innendurchmesser von 250 mm bis 300 mm auf. In 1 ist der Kühlmantel 130 mittels Strichlinien nur schematisch angedeutet. Dessen Lage und Aufbau ergibt sich näher aus der 2.
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2 zeigt einen Schnitt durch den Kühlmantel 130 gemäß dem in 1 angedeuteten Schnittverlauf A-A mit eingesetztem bzw. montiertem Stator 140. Der Rotor 150 ist mit strichlinierter Linie angedeutet. Die axiale Richtung ist mit l und die radiale Richtung mit r angegeben. Der Stator 140 weist einen rohrartigen Statorträger 141 und ein aus einzelnen Statorblechen gebildetes Statorblechpaket 145 auf. Der Statorträger 141 umgibt sozusagen die Statorbleche bzw. das Statorblechpaket 145. In radialer Richtung r wird der Kühlmantel 130 nach innen durch die Außenmantelfläche des Statorträgers 141 und nach außen durch die Innenmantelfläche des Statoraufnahmebereichs 120 begrenzt. In axialer Richtung l wird der Kühlmantel 130 innen durch eine im Gehäuseteil 110 ausgebildete Ringschulter 125 und außen durch einen ringartigen Deckel bzw. einen (äußeren) Lagerschild 160 begrenzt. Anstatt der Schulter 125 (bei der es sich quasi um einen einstückig mit dem Gehäuse 110 ausgebildeten inneren Lagerschild handelt), kann auch ein separat ausgebildeter (innerer) Lagerschild vorgesehen sein. Die statorseitige Abdichtung des Kühlmantels 130 erfolgt beispielhaft durch O-Ringe 170, die in entsprechend ausgebildeten Nuten im Statorträger 141 angeordnet sind. Die Nuten zur Aufnahme der O-Ringe 170 können auch gehäuseseitig oder deckelseitig ausgebildet sein.
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Im Inneren des integrierten Kühlmantels 130 kann ein Einleger bzw. Einlegeteil 180 angeordnet sein, dass der Zentrierung des Stators 140 im Statoraufnahmebereich 120 dient und zugleich auch als Strömungsleitelement für die Kühlflüssigkeit fungiert. Anstatt eines solchen Einlegeteils kann auch eine entsprechende Struktur an der Innenumfangsfläche des gehäuseseitigen Aufnahmebereichs 120 oder an der Außenumfangsfläche des Statorträgers 141 ausgebildet sein.
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Im Betrieb wirkt auf den Stator 140 ein Drehmoment, weswegen dieser am Gehäuse 110 abgestützt werden muss (Drehmomentabstützung), um ein Mitdrehen mit dem Rotor 150 bzw. ein Verdrehen relativ zum Gehäuse 110 bzw. zu dessen Statoraufnahmebereich 120 zu verhindern. Diese Drehmomentabstützung wird durch den Deckel bzw. Verschlussring 160 bewerkstelligt, der hierzu in axialer Richtung l eine Druckkraft F und eine daraus resultierende Vorspannung auf den Stator 140 aufbringt, der in der Folge durch axiale Klemmung (zwischen der Schulter 125 und dem Deckel 160) drehfest festgehalten wird. Die Druckkraft F bewirkt eine axiale Vorspannung des Statorträgers 141, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Druckkraft F auch auf das Statorblechpaket 145 wirkt, das hierdurch ebenfalls vorgespannt oder eingespannt werden kann (siehe 6). Der Deckel 160 ist entlang der Schweißnaht 190 mit dem Gehäuseteil 110 reibrührverschweißt, wobei die Schweißnaht 190 den Kühlmantel 130 auch gehäuseseitig abdichtet.
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3 und 4 zeigen alternative Ausführungsmöglichkeiten der Deckelbefestigung am Gehäuse bzw. Gehäuseteil 110. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsmöglichkeit ist der Deckel 160 mittels Schrauben 192 am Gehäuse 110 festgelegt. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsmöglichkeit ist der Deckel 160 durch einen Bohrungssicherungsring 194 befestigt. Anstatt eines solchen Bohrungssicherungsrings kann auch eine Zentralverschlussmutter mit Verdrehsicherung vorgesehen sein, die in die mit Innengewinde ausgebildete Gehäuseöffnung eingeschraubt wird. Durch Anziehen dieser Zentralverschlussmutter kann die auf den Stator 140 ausgeübte Druckkraft F und die daraus resultierende Vorspannung eingestellt werden. Für die gehäuseseitige Abdichtung des Kühlmantels ist jeweils ein separater O-Ring 172 vorgesehen, der jeweils sowohl deckel- als auch gehäuseseitig angeordnet werden kann.
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Bei der in 5 gezeigten Ausführungsmöglichkeit ist der Statorträger 141 deckelseitig mit einem sich radial einwärts erstreckenden Kragen bzw. Einzug 142 ausgebildet, wodurch die Berührungsflächen zwischen Statorträger 141 und Deckel 160 vergrößert und höhere Reibkräfte übertragbar sind. Der Statorträger 141 kann, wie bereits oben erläutert, auch ein Blechteil, insbesondere ein Blechumformteil sein.
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Bei der in 6 gezeigten Ausführungsmöglichkeit ist die Statorträger 141 an seinem vom Deckel 160 abgewandten axialen Ende mit einem sich radial einwärts erstreckenden Kragen bzw. Einzug 143 ausgebildet, wodurch die Berührungsflächen zwischen Statorträger 141 und gehäuseseitiger Schulter bzw. Kavitätsboden 125 vergrößert und höhere Reibkräfte übertragbar sind. Ferner sind am Statorträger 141 und an der Schulter bzw. am Kavitätsboden 125 in axialer Richtung l ineinandergreifende Formschlusselemente 144 und 126 ausgebildet. Bei den statorträgerseitigen Formschlusselementen 144 handelt es sich bspw. um eine Vielzahl von flachen Zapfen bzw. Klauen (z. B. 8 Stück), die in Umfangrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Bei den gehäuseseitigen (oder auch lagerschildseitigen) Formschlusselementen 126 handelt es sich um korrespondierende Ausnehmungen bzw. Taschen. Die axiale Druckkraft F gewährleistet auch bei hohen Drehmomentbeanspruchungen die Aufrechterhaltung des formschlüssigen Eingriffs der Formschlusselemente 144 in die Taschen 126. Solche in axialer Richtung l ineinandergreifenden Formschlusselemente können auch zwischen Statorträger 141 und Deckel 160 vorgesehen sein.
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Bei der in 6 gezeigten Ausführungsmöglichkeit werden die Statorbleche des Statorblechpakets 145 durch die vom Deckel 160 aufgebrachte Druckkraft F in axialer Richtung l zwischen dem Deckel 160 und dem Kragen 143 eingespannt.
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Die Montage der den Kühlmantel 130 bildenden Komponenten erfolgt wie oben beschrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Getriebe
- 110
- Gehäuse
- 120
- Statoraufnahmebereich
- 125
- Schulter (innerer Lagerschild)
- 126
- Formschlusselement
- 130
- Kühlmantel
- 140
- Stator
- 141
- Statorträger
- 142
- Kragen
- 143
- Kragen
- 144
- Formschlusselement
- 145
- Statorblechpaket
- 150
- Rotor
- 160
- Deckel (äußerer Lagerschild)
- 170
- Dichtung
- 172
- Dichtung
- 180
- Einleger
- 190
- Schweißnaht
- 192
- Schraube
- 194
- Bohrungssicherungsring
- F
- axiale Druckkraft
- l
- axiale Richtung
- r
- radiale Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012016208 A1 [0005]
- DE 102014214724 A1 [0006]
