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Die Erfindung betrifft eine elektrische Medienspaltmaschine für einen Verdichter und/oder eine Turbine, insbesondere Abgasturbolader-Verdichter oder Mikrogasturbinen-Verdichter einer Brennkraftmaschine, mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Welle, auf welcher ein Rotor drehfest angeordnet ist, mit einem gehäusefesten Stator, der zumindest eine mehrphasige Antriebswicklung zur Erzeugung eines Antriebsmagnetfelds sowie mehrere radial nach innen vorstehende Statorzähne aufweist, und mit einer Einrichtung zur Strömungsoptimierung für ein durch die Medienspaltmaschine strömendes Medium.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Verdichter und/oder eine Turbine, insbesondere Abgasturbolader, mit einem Gehäuse und mit einer in dem Gehäuse drehbar gelagerten Welle, auf welcher zumindest ein Verdichterrad drehfest angeordnet ist, und mit einer elektrischen Medienspaltmaschine, die einen auf der Welle drehfest angeordneten Rotor und einen gehäusefesten Stator aufweist, wobei der Stator eine Antriebswicklung zum Erzeugen eines Antriebsmagnetfelds aufweist.
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Stand der Technik
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Medienspaltmaschinen und Turbolader der oben genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So offenbart beispielsweise die Offenlegungsschrift
DE 10 2014 210 451 A1 einen Turbolader mit einer integrierten elektrischen Medienspaltmaschine. Turbolader, insbesondere Abgasturbolader, werden insbesondere im Kraftfahrzeugbau dazu genutzt, die Luftfüllung in Zylindern einer Brennkraftmaschine zu erhöhen, um die Leistung der Brennkraftmaschine zu steigern. Häufig werden dazu Abgasturbolader eingesetzt, die vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine angetrieben werden. Darüber hinaus ist es bekannt, einen Turbolader elektromotorisch zu unterstützen, sodass unabhängig von einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine angesaugte Frischluft verdichtet und dem Verbrennungsmotor mit erhöhtem Ladedruck zugeführt werden kann. Auch eine Kombination beider Varianten ist bereits bekannt. Dabei wird ein Abgasturbolader mit einer elektrischen Maschine versehen, um die Welle des Abgasturboladers, auf welcher ein Verdichterrad sowie ein Turbinenrad drehfest angeordnet sind, anzutreiben. Hierdurch kann beispielsweise der ansonsten zeitlich verzögerte Ladedruckaufbau maßgeblich beschleunigt werden.
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Die Realisierung der elektromotorischen Unterstützung durch eine Medienspaltmaschine hat den Vorteil, dass die motorische Unterstützung besonders bauraumsparend in den Turbolader integrierbar ist, weil die angesaugte Frischluft durch einen zwischen Rotor und Stator der Medienspaltmaschine gebildeten Medienspalt geführt wird. Damit ist die Medienspaltmaschine in den Strömungsverlauf bauraumsparend integrierbar. Außerdem gibt sich dadurch der Vorteil, dass Rotor und Stator der Medienspaltmaschine durch den Luftstrom gekühlt werden.
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Der Stator verfügt üblicherweise über ein kreisringförmiges Statorjoch sowie radial nach innen von dem Statorjoch vorstehende Statorzähne, die in Umfangsrichtung gesehen beabstandet voneinander gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Statorzähne sind üblicherweise von einer mehrphasigen Antriebswicklung umwickelt, wobei durch Bestromen der Phasen der Antriebswicklung mittels einer dafür vorgesehenen Leistungselektronik das drehende Antriebsmagnetfeld erzeugt wird, durch welches der durch die Welle drehbar gelagerte Rotor mit einem vorgebbaren Drehmoment angetrieben wird. Der Rotor weist dabei zweckmäßigerweise zumindest einen Permanentmagneten auf, der mit dem drehenden Magnetfeld zusammenwirkt.
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Aus der oben bereits genannten Offenlegungsschrift ist es außerdem bekannt, eine Einrichtung vorzusehen, welche zur Strömungsoptimierung dient und dazu den Statorzähnen, die in den Medienspalt zwischen Rotor und Stator hineinragen, und an welchen das zu fördernde Medium vorbeiströmt, ein strömungsoptimiertes Profil, insbesondere ein tropfenförmiges Profil verleiht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäß Medienspaltmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass das Strömungsverhalten durch den Medienspalt weiter dahingehend verbessert ist, dass eine intensive Statorkühlung erfolgt und das Ablagern von Partikeln, insbesondere von magnetischen oder magnetisierbaren Partikeln auf dem Rotor verhindert oder zumindest im Wesentlichen vermieden wird. Durch eine einfache konstruktive Maßnahme werden die zuvor genannten Vorteile erreicht, ohne dass dies zu einer nennenswerten Erhöhung des Bauraumbedarfs führt, sodass auch bei ansonsten gleichbleibenden Maßen der Medienspaltmaschine das Strömungsverhalten, die Kühlung sowie das Reinhalten des Rotors verbessert werden. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass die statorfeste Einrichtung eine zumindest den Rotor stirnseitig überdeckende Abdeckkappe aufweist, die insbesondere an den Statorzähnen gehalten ist. Durch die Anordnung der Abdeckkappe stromaufwärts des Rotors beziehungsweise in Strömungsrichtung vor dem Rotor wird erreicht, dass das Fördermedium nicht auf eine flache beziehungsweise dem Medienstrom senkrecht entgegenstehende Wand des Rotors trifft, sondern durch die Abdeckkappe strömungsoptimiert an dem Rotor vorbeigeleitet wird. Durch das Anordnen der Abdeckkappe an den Statorzähnen wird erreicht, dass die Abdeckkappe gehäusefest angeordnet ist, sodass das Fördermedium im Unterschied zu bekannten Lösungen nicht in einer Rotationsbewegung oder in Verwirbelungen gesetzt wird, wenn es den Rotor anströmt. Dadurch wird das Strömungsverhalten weiter verbessert und Turbulenzen der Strömung werden vermieden, sodass einerseits der Betrieb des Verdichters optimiert und andererseits auch die Kühlung des Stators verbessert wird. Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, dass sich an die Abdeckkappe eine Innenhülse anschließt, welche den Rotor umfangsseitig vollständig und axial beziehungsweise in Strömungsrichtung zumindest abschnittsweise umgibt. Dadurch wird das Fördermedium auch in Strömungsrichtung gesehen hinter der Abdeckkappe noch daran gehindert, den Rotor direkt zu kontaktieren, wodurch eine Verunreinigung des Rotors weitestgehend ausgeschlossen wird. Durch das Vermeiden von Ablagerungen an dem Rotor, wird gewährleistet, dass keine kritische Unwucht generiert wird. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Einrichtung mit der Innenhülse wird dies in einfacher Art und Weise vermieden. Darüber hinaus weist die Innenhülse bevorzugt für den jeweiligen Statorzahn Aussparungen zur Aufnahme der Statorzahnspitzen auf. Dadurch wird ein seitliches tangentiales Oszillieren der Statorzahnfüße mit entsprechender Geräuschbildung vermieden. Weiterhin weist die Einrichtung eine koaxial zur Innenhülse angeordnete Außenhülse auf, sodass zwischen Innenhülse und Außenhülse der einzige Strömungsweg für das Medium durch den Stator der Medienspaltmaschine hindurch gebildet ist. Innenhülse und Außenhülse definieren somit den einzigen für das Medium zur Verfügung stehenden Medienspalt, der durch den Stator hin durchgeführt und in Umfangsrichtung lediglich durch die Statorzähne unterbrochen wird, die sich jedoch bis zur oder bis in die Innenhülse erstrecken. Weil der Medienspalt nunmehr nicht durch die Statorzahnspitzen, den Rotor oder die Statorwicklung selbst begrenzt wird, sondern durch die Außenhülse und die Innenhülse, die einen im Wesentlichen ringförmigen Strömungsweg auf Höhe der Statorzähne, zwischen der Statorwicklung beziehungsweise Antriebswicklung und den Statorzahnspitzen einschließen, wird eine strömungsoptimierte Oberfläche für die Führung des Mediums bereitgestellt, die ein besonders verlustarmes Hindurchströmen des Mediums durch die Medienspaltmaschine hindurch ermöglicht, wobei außerdem die oben genannten Vorteile bezüglich der Ablagerung von Partikeln erreicht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abdeckkappe strömungsoptimiert, insbesondere in Form eines halben Ovoids ausgebildet und insbesondere mit ihrer Spitze zentrisch oder exzentrisch zur Rotationsachse des Rotors angeordnet ist. Dadurch erfolgt eine vorteilhafte Strömungslenkung für das in den Strömungsweg zwischen Innenhülse und Außenhülse eintretende Fördermedium. Durch die bevorzugte Form der Abdeckkappe als halbes Ovoid wird erreicht, dass der Medienstrom den Rotor selbst kaum oder nur wenig kontaktiert, sodass die Wahrscheinlichkeit von Ablagerungen der Partikel an dem Rotor verringert wird. Gleichzeitig wird der Medienstrom nach außen in Richtung des Stators gelenkt, sodass dieser vorteilhaft gekühlt wird. Bevorzugt ist die Abdeckkappe zentrisch zur Rotationsachse des Rotors angeordnet, sodass die Spitze der Abdeckkappe auf Höhe der Rotationsachse liegt. Alternativ, insbesondere unter Berücksichtigung eines der Medienspaltmaschine vorgeschalteten Rohrkrümmers, welcher das zu fördernde Medium aus einer zur Rotorachse verschwenkt liegenden Achse zum Einlass der Medienspaltmaschine heranführt, hat die exzentrische beziehungsweise dezentrale Anordnung der Abdeckkappe, zumindest der Spitze der Abdeckkappe, insbesondere in Richtung des Rohrs versetzt, den Effekt einer vorteilhaften Strömungsführung.
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Die Innenhülse weist mindestens eine, bevorzugt mehrere radial nach außen ragende Haltestreben auf, die insbesondere zur stirnseitigen Anlage oder Befestigung an jeweils einem der Statorzähne ausgebildet sind. Die Innenhülse und damit die Abdeckkappe werden somit durch die an den Statorzähnen befestigten Haltestreben ausgerichtet und gehalten. Durch die Befestigung der Abdeckkappe an den Statorzähnen durch die Haltestreben der Innenhülse wird somit eine einfache und bauraumsparende Integration der Haltekappe in die Medienspaltmaschine gewährleistet. Darüber hinaus ist dadurch eine einfache gehäusefestige Anbindung der Abdeckkappe realisiert.
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Die Haltestreben sind dabei bevorzugt strömungsoptimiert ausgebildet und überdecken den jeweiligen Statorzahn stromaufwärts zumindest bereichsweise. Wie die Abdeckkappe vor dem Rotor liegen somit die Haltestreben vor den Statorzähnen in dem Medienspalt und bieten somit losgelöst von der Form der Statorzähne selbst die Möglichkeit einer strömungsoptimierten Ausbildung für den Medienspalt. Durch die stromaufwärtige Anordnung der Haltestreben ist eine einfache Montage gewährleistet und darüber hinaus wird die Haltekraft durch das Fördermedium im Betrieb erhöht, indem die Haltestreben gegen die Statorzähne gedrängt werden. Somit ist eine sichere Befestigung der Innenhülse und der Abdeckkappe an den Statorzähnen sicher gewährleistet. Durch die strömungsoptimierte Ausbildung der Haltestreben, insbesondere in einer gemeinsamen mit den Statorzähnen gebildeten Tropfen-, tropfenähnlichen oder Teiltropfenform, wird darüber hinaus das Strömungsverhalten des Fördermediums in dem Medienspalt optimiert, insbesondere indem Turbulenzen vermieden und ein vorteilhafter Medienstrom zur Kühlung des Stators hergestellt beziehungsweise gewährleistet wird. Im einfachsten Fall erfolgt die Trennung des tropfenförmigen Profils zwischen der jeweiligen Haltestrebe und dem dazugehörigen Statorzahn an der Stelle mit höchster Profildicke.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Haltestreben an ihrem von der Innenhülse abgewandten Ende jeweils mit einer koaxial zu der Innenhülse angeordneten Außenhülse insbesondere einstückig verbunden sind. Zwischen Innenhülse und Außenhülse wird somit ein insbesondere kreisringförmiger Medienspalt für das Fördermedium zur Verfügung gestellt, der lediglich von den Haltestreben in Umfangsrichtung gesehen unterbrochen wird. Weil die Haltestreben an den Statorzähnen befestigt sind, bedeutet dies auch, dass die Statorzähne in diesen Medienspalt hineinragen und dadurch einen vorteilhaften und leistungsstarken Betrieb der Medienspaltmaschine gewährleisten. Durch die Haltestreben, die insbesondere strömungsoptimiert ausgebildet sind, ist dabei die Beeinflussung des Fördermediums durch die Statorzähne gering gehalten. Durch Innenhülse und Außenhülse wird somit ein vorteilhafter Strömungskanal für das Fördermedium durch die Medienspaltmaschine geboten.
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Besonders bevorzugt sind die Abdeckkappe, die Innenhülse, die Haltestreben, die Außenhülse und die Abdeckkappe einstückig miteinander ausgebildet. Dadurch ergibt sich ein vorteilhaftes Montageteil, das einfach handhabbar und in/an der Medienspaltmaschine montierbar ist. Die zuvor genannte Einrichtung wird zumindest im Wesentlichen durch dieses Montageteil gebildet. Das Montageteil ist dabei derart ausgebildet, dass eine einfache Montage an dem Stator und Anordnung zu dem Rotor gewährleistet ist. So ist gemäß einer Ausführungsform beispielsweise vorgesehen, dass das Montageteil dazu ausgebildet ist, axial auf den Stator beziehungsweise auf die Statorzähne des Stators aufgeschoben zu werden. Insbesondere ist dazu vorgesehen, dass die Innenhülse und/oder die Außenhülse axiale Aufnahmevertiefungen zur Aufnahme jeweils eines Statorzahns aufweisen. Dadurch ist das Montageteil einfach an den Statorzähnen befestigbar, indem das Montageteil mit den Aufnahmevertiefungen auf die Montagezähne axial aufgeschoben wird. Bevorzugt weisen die Aufnahmevertiefungen Einführschrägen auf, um die Anordnung und Ausrichtung des Montageteils zu der Medienspaltmaschine zu erleichtern und ein sicheres Montieren zu gewährleisten. Zur Befestigung des Montageteils an dem Stator ist insbesondere vorgesehen, dass eine Haltekraft durch eine Presspassung, Klemmung und/oder durch zusätzliche Befestigungsmittel, wie beispielsweise Klebstoff oder dergleichen erreicht wird. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist bevorzugt vorgesehen, dass die Innenhülse und/oder die Außenhülse radiale Aufnahmevertiefungen zur Aufnahme jeweils eines Statorzahns aufweisen. Weil hierbei ein axiales Aufschieben nicht möglich ist, ist in diesem Fall der Stator bevorzugt aus mehreren Statorteilen zusammengesetzt. So wird der Stator beispielsweise entlang des Statorjochs an mehreren Stellen unterbrochen, sodass jeweils ein Statorzahn an einem einzelnen Statorjochabschnitt liegt, sodass die Statorzähne in jeweils eine radiale Aufnahmevertiefung radial eingeschoben werden können, bis die Statorjochabschnitte in Umfangsrichtung aneinander anliegen und dort miteinander verbunden, insbesondere verschweißt werden. Anschließend ist die Einheit aus Stator und Einrichtung nicht mehr zerstörungsfrei lösbar und ermöglicht eine einfache Handhabung dieser Einheit.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass an der Außenhülse radial nach außen vorstehend mehrere Spulenhalterungen für Spulen der Antriebswicklung angeordnet und insbesondere einstückig mit der Außenhülse ausgebildet sind. Die Antriebswicklung wird dabei vorteilhafterweise durch mehrere handhabbare Spulen gebildet. Die Spulenhalterungen sind dazu ausgebildet, dass die Spulen an diesem einfach befestigt und montiert werden können. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Spulen radial auf die Spulenhalterungen aufschiebbar sind, um an dem Montageteil befestigt zu werden. Damit dient das Montageteil nicht nur zur Strömungsoptimierung, sondern gleichzeitig auch als Träger für die Antriebswicklung, die dann nicht direkt an dem Stator, sondern an dem Montageteil angeordnet ist. Das Montageteil ist bevorzugt aus Kunststoff hergestellt, sodass das Montageteil gleichzeitig einen elektrischen Isolator zwischen den unterschiedlichen Spulen und dem Stator herstellt. Darüber hinaus ist die Herstellung aus Kunststoff kostengünstig und lässt auch eine komplizierte Form des Montageteils zu. Vorzugsweise sind die Spulenhalterung derart ausgebildet, dass sie einen radialen Durchbruch aufweisen, durch welchen die Statorzähne des Stators hindurchragen. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der Durchbruch bevorzugt auch axial randoffen ausgebildet, sodass die Statorzähne axial in die Spulenhalterung eingeführt werden können, sodass im Anschluss die Spulen an den Spulenhalterungen montiert werden können. Anschließend werden dann die Statorzähne durch ein gemeinsames Statorjoch miteinander verbunden, wobei dazu die Statorzähne bevorzugt mit dem Statorjoch dauerhaft verbunden, insbesondere verschweißt werden. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist bevorzugt vorgesehen, dass die Spulenhalterungen nur einen radialen Durchbruch aufweisen, sodass die Statorzähne zur Montage radial in die Spulenhalterung eingeführt werden, anschließend die Spulen auf der jeweiligen Spulenhalterung montiert und abschießend die Statorzähne mit dem Statorjoch wie zuvor beschrieben verbunden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für jeden Statorzahn eine Spulenhalterung vorhanden ist. Damit ist gewährleistet, dass an jedem Statorzahn eine Spule der Wicklung anordenbar ist. Die Spulen können dabei separat zueinander ausgebildet sein oder auch zusammenhängend. Dadurch, dass die Spulenhalterungen auf radial außerhalb des Außenrings vorhanden sind, liegen auch die Spulen beziehungsweise die Antriebswicklung außerhalb des Außenrings, sodass der Strömungskanal zwischen Innenhülse und Außenhülse spulenfrei ausgebildet ist, sodass das durch den Förderkanal strömende Fördermedium durch die Spule nicht beeinflusst wird und optimal durch Innenring, Außenring und Haltestreben sowie Abdeckkappe geführt wird.
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Vorzugsweise weist jede Spulenhalterung eine Rastvorrichtung zum Befestigen einer Spule oder eines Spulenteils der Antriebswicklung auf. Mittels der Rastvorrichtung sind somit die Spulen oder Spulenteile der Antriebswicklung in einfacher Art und Weise an der jeweiligen Spulenhalterung arretierbar. Insbesondere wirkt die Rasteinrichtung radial, sodass ein einfaches Abzielen der Spulen von der jeweiligen Spulenhalterung verhindert ist. Insbesondere wirkt die Rastvorrichtung dabei formschlüssig mit der auf der jeweiligen Spulenhalterung angeordneten Spule zusammen. Zweckmäßigerweise ist die jeweilige Rastvorrichtung außerdem lösbar ausgebildet, um bei Bedarf eine Spule oder ein Spulenteil zu entfernen.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die jeweilige Rastvorrichtung wenigstens eine seitlich vorstehende Rastnase einer Spulenhalterung aufweist, die bei radialem Aufschieben einer Spule auf die jeweilige Spulenhalterung elastisch zurückfedert. Durch die Rastvorrichtung wird erreicht, dass die jeweilige Spule sich nicht von selbst im Betrieb der Medienspaltmaschine von der jeweiligen Spulenhalterung lösen kann. Vielmehr ist eine formschlüssige Arretierung der Spule an der jeweiligen Spulenhalterung durch die Rastnase gewährleistet. Bei der Montage federt die Rastnase elastisch zurück, sodass eine einfache Montage gewährleistet ist. Die Rastnase weist dazu bevorzugt eine Betätigungsschräge auf, welche beim Aufschieben der Spule die Rastnase elastisch zurückdrängt, sowie einen von der Betätigungsschräge abgewandten Anschlag auf, gegen welchen die Spule radial nach außen schiebbar ist, ohne ihn überwinden zu können. Zum Lösen oder Austauschen der Spule muss lediglich die Rastnase manuell in ihre Freigabestellung eingefedert beziehungsweise bewegt werden. Hierdurch ist eine einfache und sichere Montage der Spulen an dem Montageteil gewährleistet.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Rotor auf der Welle oder durch eine Gewindeverbindung an einem Wellenende der Welle an der Welle befestigt ist. Insbesondere durch die Gewindeverbindung lässt sich der Rotor in einfacher Art und Weise an eine Welle eines bestehenden Turboladers, insbesondere Abgasturboladers, anbringen. Dazu muss lediglich an das freie Stirnende der Welle ein Gewinde eingearbeitet werden, das mit einem entsprechenden Gegengewinde des Rotors zusammenwirkt, sodass der Rotor mit seiner Rotorwelle, welche das Gegengewinde aufweist, stirnseitig an der Welle befestigbar ist. Wird der Rotor direkt auf der Welle angeordnet, ergibt sich der Vorteil einer axialen Bauraumeinsparung.
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Vorzugsweise weisen die Welle oder der Rotor einen Ringvorsprung auf, dessen Außendurchmesser größer als der Innendurchmesser der Innenhülse ist, und bis zu welchem die Innenhülse axial auf die Welle oder den Rotor aufschiebbar ist. Der Ringvorsprung bildet somit einen Axialabschluss für die Innenhülse, durch welchen der Rotor vollständig durch das Montageteil beziehungsweise die Innenhülse und die Abdeckkappe eingehaust wird. Die axial an dem Ringvorsprung angrenzende Innenhülse dichtet den Rotor mit einem engtolerierten Luftspalt zur Umgebung ab, sodass ein sicherer Schutz des Rotors, insbesondere vor Schmutzpartikeln gewährleistet ist.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass zumindest ein Permanentmagnet des Rotors axial stromabwärts über den Stator oder die Statorzähne vorsteht.
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Dadurch wird via Reluktanzkräfte eine Axialkraft entgegen der Strömungsrichtung des Fördermediums hergestellt, die zu einer Stabilisierung der Rotorbewegung im Turbolader führt. Der Rotor weist bevorzugt mindestens einen Permanentmagneten auf, wodurch eine besonders kompakte Bauform gewährleistet ist. Alternativ kann der Rotor jedoch auch mehr als nur einen Permanentmagneten aufweisen.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Einrichtung als ein von dem Stator untrennbarer Bestandteil des Stators ausgebildet ist. Insbesondere weist die Einrichtung dabei die Innenhülse, die Abdeckkappe, die Haltestreben, die Außenhülse und die Spulenhalterungen auf, die einstückig miteinander ausgebildet und derart an dem Stator angeordnet sind, dass sie nicht zerstörungsfrei von diesem lösbar sind. Mit anderen Worten bildet die Einrichtung den Stator mit oder der Stator die Einrichtung.
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Der erfindungsgemäße Turbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 15 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Medienspaltmaschine aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 einen Abgasturbolader mit einer Medienspaltmaschine in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung,
- 2 eine perspektivische Darstellung der Medienspaltmaschine,
- 3A und 3B ein Montageteil der Medienspaltmaschine in einer perspektivischen Vorderansicht und Rückansicht,
- 4A und 4B die Medienspaltmaschine in einer weiteren perspektivischen Vorderansicht und Rückansicht,
- 5 eine Längsschnittdarstellung durch die Medienspaltmaschine im Bereich eines Rotors und
- 6 eine Detailansicht der Medienspaltmaschine.
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1 zeigt in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung einen Abgasturbolader 1, der einen Verdichter 2 sowie eine Turbine 3 aufweist. Der Verdichter 2 weist ein Verdichterrad 4 auf, das auf einer Welle 5 drehfest angeordnet ist. Die Welle 5 ist selbst drehbar in einem Gehäuse 6 des Abgasturboladers 1 gelagert. An einem von dem Verdichterrad 4 abgewandten Ende der Welle 5 ist außerdem ein Turbinenrad 7 der Turbine 3 drehfest mit der Welle 5 verbunden. Wenn das Turbinenrad 7 vom Abgas einer Brennkraftmaschine angeströmt und dadurch angetrieben wird, wird damit das Verdichterrad 4 ebenfalls in eine Drehbewegung versetzt, sodass dem Verdichterrad 4 zugeführte Frischluft verdichtet und der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Die drehbare Lagerung der Welle 5 in dem Gehäuse 6 kann auf unterschiedliche Arten realisiert werden. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Welle 5 durch wenigstens zwei Lager 8 und 9 in dem Gehäuse 6 drehbar gelagert ist. Vorzugsweise sind als Lager 8,9 zwei Wälzkörperlager vorhanden. Zur axialen Lagerung der Welle 5 kann auch vorgesehen sein, dass eines der Wälzkörperlager als Axialwälzkörperlager ausgebildet ist.
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Alternativ und gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Lager 8 als Magnetlager ausgebildet ist, und das Lager 9, das als Axiallager dient, als Wälzkörperlager.
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Damit insbesondere der Verdichter 2 unabhängig vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine antreibbar ist, sodass jederzeit eine hohe Zylinderluftfüllung in den Zylindern der Brennkraftmaschine erreicht werden kann, ist vorliegend außerdem vorgesehen, dass der Abgasturbolader 1 eine elektrische Medienspaltmaschine 10 aufweist. Diese ist vorliegend in den Verdichter 2 integriert, wobei ein Rotor 11 der Medienspaltmaschine 10 drehfest auf dem von dem Turbinenrad 7 abgewandten Ende der Welle 5 angeordnet ist. Ein mit dem Rotor 11 zusammenwirkender Stator 12 ist koaxial zu dem Rotor 11 gehäusefest in dem zu dem Verdichterrad 4 führenden Strömungskanal 13 des Abgasturboladers 1 angeordnet.
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2 zeigt eine vereinfachte perspektivische Darstellung der Medienspaltmaschine 10. Insbesondere sind dabei Stator 12 und Rotor 11 der Medienspaltmaschine 10 gezeigt. Der Stator 12 weist ein kreisringförmiges Statorjoch 14 auf, von welchem mehrere gleichmäßig über den Umfang des Statorjochs 14 verteilt angeordnete Statorzähne 15 radial nach innen vorstehen und in Richtung des Rotors 11 beziehungsweise der Drehachse der Welle 5 weisen. Die Statorzähne 15 enden radial beabstandet zu dem Rotor 12, sodass zwischen den Statorzähnen 15 und dem Rotor 12 jeweils ein Luftspalt verbleibt.
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Der Stator 12 ist mit einer insbesondere mehrphasigen Antriebswicklung 16 versehen, wie beispielsweise in 1 gezeigt. Die Antriebswicklung 16 kann eine über den Stator gewickelte Wicklung oder eine radial auf die Statorzähne 15 aufgesteckte Wicklung bestehend aus mehreren Spulen ausgebildet sein, wobei auf jeden Statorzahn wenigstens eine Spule aufgeschoben ist. Hierzu wird später nochmals näher eingegangen.
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Die Medienspaltmaschine 10 weist weiterhin eine Einrichtung 17 auf, die dazu ausgebildet ist, das Strömungsverhalten des von dem Abgasturbolader 1 geförderten Fördermediums, also der Frischluft, durch die Medienspaltmaschine 10 hindurch zu optimieren. Dazu weist die Einrichtung 17 eine dem Rotor 11 zugeordnete Abdeckkappe 18 auf. Die Abdeckkappe 18 ist bei bestimmungsgemäßem Gebrauch stromaufwärts des Rotors 11 angeordnet und der stromaufwärtigen Stirnseite des Rotors 11 zugeordnet beziehungsweise vorgeschaltet. Die Abdeckkappe 18 weist die Form eines halben Ovoids auf, wobei eine Spitze der Abdeckkappe 18 bevorzugt auf Höhe der Drehachse der Welle 5 beziehungsweise des Rotors 11 liegt. Alternativ, insbesondere wenn der Medienspaltmaschine ein Rohrkrümmer vorgeschaltet ist, ist die Abdeckkappe 18 nicht zentrisch, sondern exzentrisch zur Rotationsachse beziehungsweise Drehachse der Welle 8 beziehungsweise des Rotors 11 angeordnet beziehungsweise versetzt dazu.
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Die Abdeckkappe 18 geht an dem von der Spitze abgewandten axialen Ende in eine Innenhülse 19 über, deren Innendurchmesser größer ist als der Rotor 11, sodass dieser in der Innenhülse 19 aufgenommen ist, wie beispielsweise in 5 gezeigt.
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Von der Innenhülse 19 gehen mehrere Haltestreben 20 aus, die sich radial nach außen erstrecken, wobei korrespondierend zu den Statorzähnen 15 jeweils eine Haltestrebe 20 vorgesehen ist. Dabei sind die Haltestreben 20 entsprechend der Verteilung der Statorzähne 15 angeordnet, sodass in der Endmontageposition jeder Haltestrebe 20 stromaufwärts eines Statorzahns 15 liegt. Die Haltestreben 20 weisen dabei ebenfalls ein strömungsoptimiertes Profil auf, um das Fördermedium möglichst verlustarm an den Statorzähnen 15 vorbeizuführen.
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6 zeigt hierzu in einer vereinfachten Detailansicht einen Statorzahn 15 sowie ein dem Statorzahn 15 zugeordneter Haltesteg 20. Der Haltesteg 20 weist ein tropfenförmiges Profil auf und geht an seinen Seitenflächen bündig in den Statorzahn 15 beziehungsweise in die Seitenflächen des Statorzahns 15 über, sodass im Übergang keine Turbulenzen entstehen. Insbesondere ist vorgesehen, dass der jeweilige Haltesteg 20 mit dem zugehörigen Statorzahn 15 eine Tropfenform oder Flügelform, wie sie in 6 gezeigt ist, ausbildet.
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Zur Montage des Verbundes aus Hülsen 19, 23, der Haltestreben 20 und Abdeckkappe 18 an den Statorzähnen 15 ist bevorzugt vorgesehen, dass die Statorzähne 15 jeweils eine Vertiefung 21 aufweisen, in welche die Haltestreben 20 jeweils mit einer zu der Vertiefung 21 korrespondierenden Vorsprung 22 einschiebbar sind, wie beispielsweise in 6 gezeigt. Alternativ kann auch eine umgekehrte Ausbildung realisiert sein, bei welcher die Statorzähne 15 bereichsweise in den jeweiligen Haltesteg 20 eingesteckt werden.
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Die Haltestreben 20 enden radial außen an einem Außenring 23, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der des Statorjochs 14, sodass zwischen Außenring 23 und Statorjoch 14 die Antriebswicklung 16 anordenbar ist. Der Außenring 23 ist koaxial zu dem Innenring 19 angeordnet und erstreckt sich ebenso wie der Innenring axial durch die Medienspaltmaschine 10 derart, dass er axial von den Statorzähnen 15 beidseitig vorsteht, wie insbesondere in 2 ersichtlich.
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3A und 3B zeigen in jeweils einer perspektivischen Rückansicht ( 3A) und in einer perspektivischen Draufsicht (3B) ein vorteilhaftes Montageteil 24, das von dem Innenring 19, den Haltestreben 20 und dem Außenring 23 gebildet wird. Der Innenring 19, die Haltestreben 20 und der Außenring 23 sind vorteilhafterweise einstückig miteinander ausgebildet und aus Kunststoff gefertigt. Dadurch ergibt sich das vorteilhafte Montageteil 24, das einfach in der Medienspaltmaschine 10 montierbar ist. Dabei ist zumindest die Innenhülse 19 geschlitzt ausgebildet, sodass sie mehrere axiale Aufnahmevertiefungen 25 aufweist, für jeden Statorzahn 15 eine. Damit ist die Innenhülse 25 axial auf den Rotor und Stator aufsteckbar. Die Anordnung der Axialaufnahmen 25 entspricht dabei der Anordnung der Haltestreben 23, sodass eine korrekte Ausrichtung der Haltestreben 20 zu den Statorzähnen 15, wie in 2 gezeigt, ermöglicht ist. Die Außenhülse 23 weist gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zu den Axialvertiefungen 25 entsprechende Vertiefungen auf, sodass auch der Außenring 23 auf die Statorzähne aufschiebbar ist.
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Alternativ und gemäß dem vorliegend in 3A und 3B gezeigten Ausführungsbeispiel ist jedoch vorgesehen, dass die Statorzähne 15 radial montiert werden. Dazu weist die Außenhülse 23 mehrere radiale Ausnahmevertiefungen beziehungsweise Radialdurchbrüche 26 auf, durch welche jeweils ein Statorzahn 15 in Richtung des Rotors 11 radial einführbar ist. Insbesondere ist der Stator in mehrere Statorsegmente aufgeteilt, wobei jedes Statorsegment ein Statorjochsegment aufweist, an welchem nur ein Statorzahn 15 angeordnet oder ausgebildet ist. Die Statorzähne 15 werden radial in die Radialdurchbrüche 26 von der Außenhülse 23 eingeschoben, bis sie an die Innenhülse 19 gelangen oder in dort vorgesehene radiale Aufnahmevertiefungen beziehungsweise Durchbrüche hineinragen, bis die Statorjochsegmente in Umfangsrichtung aneinander anliegen und miteinander verbunden werden. Insbesondere werden die Statorjochsegmente miteinander verschweißt. Hierdurch ergibt sich eine untrennbare Einheit aus Stator 12 und der Einrichtung 17.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist außerdem vorgesehen, dass jedem Durchbruch 26 eine Spulenhalterung 27 zugeordnet ist. Die jeweilige Spulenhalterung 27 steht jeweils radial von dem Außenring 23 nach außen vor und weist jeweils eine oval-förmige Kontur mit abgeflachten Flächen in Umfangsrichtung auf. Auf jeder der Spulenhalterungen 27 ist eine Spule 28 der Antriebswicklung 16 radial aufschiebbar, wie in 3A und 3B oder auch in 4A und 4B gezeigt. Vorteilhafterweise weisen die Spulenhalterungen 27 jeweils eine Rastvorrichtung 29 auf, die durch zwei elastisch verlagerbare Rastnasen gebildet ist, die an dem von dem Außenring 23 abgewandten Ende der Spulenhalterungen 27 angeordnet beziehungsweise ausgebildet sind. Die Rastnasen 30 sind insbesondere einstückig mit den Spulenhalterungen 27, die bevorzugt auch einstückig mit dem Außenring 23 ausgebildet sind, ausgebildet. Die Rastnasen 30 einer Spulenhalterung 27 sind dazu ausgebildet, aufeinander zu zu federn, wenn eine Spule 28 auf der Spulenhalterung 27 radial aufgeschoben wird. Sobald die Spule 28 ihre Montageendposition erreicht hat, schnappen die Rastnasen 30 zurück und halten somit die jeweilige Spule 28 formschlüssig an der jeweiligen Spulenhalterung 27, wie in 3A und 3B gezeigt.
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Das vorteilhafte Montageteil 24 weist somit Innenhülse 19, Außenhülse 23, Haltestreben 20 und Spulenhalterung 27 auf und ist bevorzugt einstückig ausgebildet. Vorteilhafterweise erfolgt die Montage derart, dass zuerst die Spulen 28 an der Spulenhalterung 27 befestigt werden, bevor die Statorzähne 15 durch den jeweiligen Durchbruch 26 geführt und mit dem Statorjoch 14 verbunden werden.
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4A und 4B zeigen jeweils das Montageteil 24 mit montiertem Stator 12 und mehreren Spulen 28, jeweils in einer perspektivischen Rückansicht ( 4A) und in einer perspektivischen Draufsicht (4B). Bevorzugt sind die Spulen 28 gleichmäßig über den Umfang des Montageteils 24 verteilt an den Spulenhalterungen 27 angeordnet. Besonders bevorzugt ist an jeder Spulenhalterung 27 jeweils zumindest eine Spule 28 angeordnet. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der 4A und 4B ist aus Darstellungszwecken jeweils eine Spulenhalterung 27 ohne Spule 28 vorgesehen. Optional ist es jedoch auch denkbar, mehrere Spulen 28 unregelmäßig verteilt über den Umfang des Montageteils 24 an den Spulenhalterungen 27 anzuordnen, wie beispielweise in 4A und 4B gezeigt.
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Die Statorzähne 15 sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils aus einem Basisabschnitt 31 und einem Flussleitelement 32 gebildet. Das Flussleitelement 32 ist dabei vorliegend schmaler ausgebildet als das Basisteil 31 und dem Rotor 11 zugeordnet. Insbesondere enden die Flussleitelemente 32 in der Innenhülse 19, sodass die Innenhülse an ihrer Innenseite eine bündige beziehungsweise durchgehende zylindrische Mantelfläche aufweist, wie insbesondere in 4A ersichtlich ist.
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5 zeigt den Rotor 11 der Medienspaltmaschine 10 in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung. Der Rotor 11 weist einen Permanentmagneten 33 auf, der in einer axial Aufnahmevertiefung 34 einer Rotorwelle 35 einliegt. Alternativ kann die Aufnahmevertiefung 34 auch direkt in der Welle 5 ausgebildet sein. Durch die Axialvertiefung 34 wird eine Mantelwand gebildet, die dem Permanentmagneten 33 umfangsseitig umgibt und damit eine Armierung bildet, welche den Permanentmagneten 33 auch bei hohen Drehzahlen vor Beschädigungen schützt, die durch die wirkenden Zentrifugalkräfte entstehen könnten. Vorliegend ist die Rotorwelle 35 durch eine Gewindeverbindung 36 mit der Welle 5 an deren Stirnende verbunden. Um ein sicheres Aufschrauben der Rotorwelle 35 auf die Welle 5 zu gewährleisten, weist die Rotorwelle 35 an ihrem der Welle 5 zugewandten Endabschnitt eine Polygon-Kontur auf, die eine Schlüsselfläche 37 bildet, an welcher ein Werkzeugschlüssel zum Aufbringen des Anzugsmoments bei der Montage des Rotors 11 auf der Welle 5 angreifen kann. Beabstandet zu der Schlüsselfläche 37 weist die Rotorwelle 35 außerdem einen sich über den gesamten Umfang erstreckenden Ringvorsprung 38 auf, dessen Außendurchmesser größer ist als der Innendurchmesser der Innenhülse 19. Wie in 5 gezeigt, ist das Montageteil 24 mit der Abdeckkappe 18 und der Innenhülse 19 bis nahe an den Ringvorsprung 38 auf der Rotorwelle 35 aufgeschoben. Dadurch ist der Permanentmagnet 33 sicher im Inneren vor magnetischen oder magnetisierbaren Schmutzpartikeln geschützt. Zweckmäßigerweise verbleibt ein minimaler axialer und radialer Abstand zwischen Innenhülse 19 und dem Ringvorsprung 38, sodass im Betrieb aufgrund der Relativbewegung des Rotors 11 zu dem Montageteil 24 keine Reibung zwischen Montageteil 24 und Rotor 11 entsteht.
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Die vorteilhafte Ausgestaltung der Medienspaltmaschine 10 hat den Vorteil, dass zwischen Innenhülse 19 und Außenhülse 23 ein vorteilhafter und strömungsoptimierter Strömungskanal 39 für das zu fördernde Medium beziehungsweise die Ladeluft gebildet ist, der nur durch den Stator 12 beziehungsweise durch die zwischen den Statorzähnen des Stators 12 liegenden Zwischenräume des Stators 12 führt, wobei das Medium durch die Außenhülse 23 an der Antriebswicklung 16 und durch die Innenhülse 19 an dem Rotor 11 vorbeigeführt wird. Weil die Statorzähne 15 bis in die Innenhülse 19 hineinragen, gelangt das Medium nicht in einen Spalt zwischen Rotor 11 und Stator 12. Durch die vorteilhafte Ausbildung der Abdeckkappe 18 wird erreicht, dass das anströmende Fördermedium im Wesentlichen an dem Rotor vorbei gelenkt und eher in Richtung des Stators 12 betrieben wird, sodass diese eine vorteilhafte Kühlung erfährt und das Ablagern von Schmutzpartikeln an dem Rotor vermieden wird. Weil die Statorzähne 15 insgesamt dennoch nahe zu dem Rotor enden, und damit ein nur kleiner Luftspalt zwischen den Statorzähnen 15 und dem Rotor 11 vorliegt, wird die elektromagnetische Eigenschaft durch den geringeren magnetischen Widerstand verbessert. Wenn sich der Rotor 11 sowie die Flussleitelemente 32 im Windschatten des Montageteils 24 befinden, werden Verwirbelungen im Luftstrom reduziert und die Anströmung des axial hinter dem Rotor 11 befindlichen Verdichterrads 4 verbessert. Während gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Anzahl der Haltestreben 20 der Anzahl der Flussleitstücke 23 entspricht, kann gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel auch eine davon abweichende Anzahl vorgesehen sein. Insbesondere können mehr Haltestreben als Flussleitstücke vorhanden sein. Vorteilhafterweise ist zumindest die Außenhülse 23 konisch ausgebildet, um Strömungsgeschwindigkeiten von dem Verdichterrad 4 zu erhöhen.
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Durch die strömungsoptimierte Gestaltung der Haltestreben 20 wird eine Verbesserung der Geometrie der Flussleitstücke 23 ermöglicht. Wie in 6 ersichtlich, stellen die Haltestreben 20 den stromaufwärts liegenden Teil des Strömungsprofils bis zur maximalen Profilbreite dar. Die Flussleitstücke 23 stellen geometrisch die Form des abströmenden Profils dar. Dadurch, dass der stromaufwärts liegende Teil des Stromlinienprofils durch die Haltestreben 20 gebildet wird, reduziert sich der Aufwand bei der Formgebung der Flussleitstücke 32, wodurch Herstellungskosten reduziert werden. Zusätzlich vergrößert sich der mittlere Querschnitt der Flussleitstücke 32 der in dem Magnetfluss in diesem Bereich zur Verfügung steht. Somit verbessern sich ebenfalls die elektromagnetischen Eigenschaften der Maschine 10 hinsichtlich ihrer maximalen Leistung.
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Vorteilhafterweise ist der Permanentmagnet 33 derart angeordnet und ausgebildet, dass er axial über den Stator 12 auf der von der Abdeckkappe 18 abgewandten Seite vorsteht. Aufgrund der dadurch entstehenden Reluktanzkräfte wird eine Axialkraft erzeugt, welche der Strömung entgegenwirkt und dadurch für eine erhöhte Laufruhe des Rotors 11 sorgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014210451 A1 [0003]
