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Die Erfindung betrifft eine elektrische oder elektromotorische Antriebsvorrichtung aufweisend eine Spannungsversorgung zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung und eine Drehstrommaschine mit einer Anzahl von benachbarten Phasenwicklungen, sowie einen zwischen die Spannungsversorgung und die Drehstrommaschine geschalteten modularen Multilevelumrichter mit mindestens einer Teilmodulreihenschaltung.
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Modulare Multilevelumrichter (modulare Mehrstufenumrichter, englisch: modular multi-level-converter, MMC, M2C) der eingangs genannten Art werden häufig als Mehrpegelenergiewandler genutzt, um einen elektrischen Gleichstrom in einen elektrischen Wechselstrom oder umgekehrt zu wandeln. Ein solcher Multilevelumrichter weist hierbei typischerweise einen Wechselspannungsanschluss und einen Gleichspannungsanschluss zum Zuführen und Abführen der elektrischen Energie auf. An den Gleichspannungsanschluss ist hierbei eine Teilmodulreihenschaltung als Wandlerschaltung beziehungsweise als (Brücken-)Zweig oder (Brücken-)Arm geschaltet, welche eine Anzahl von einzeln ansteuerbaren und in Reihe geschalteten Teilmodulen (Submodulen) aufweist. Die Teilmodulreihenschaltung ist hierbei an einen mit dem Wechselspannungsanschluss gekoppelten Zwischenanschluss geführt.
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Eine Ausgangsspannung des modularen Multilevelumrichters wird hierbei aus den Spannungsbeträgen der einzelnen Teilmodule zusammengesetzt. Durch die Verwendung von mehreren Teilmodulen sind somit sehr exakte Ausgangsspannungen generierbar oder erzeugbar. Diese Umrichtertopologie zeichnet sich somit insbesondere durch eine hohe und flexible Skalierbarkeit, Modularität sowie einer hohen Spannungsqualität aus.
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Zur Reduzierung einer Stromwelligkeit sind in den einzelnen Zweigen beziehungsweise Teilmodulreihenschaltungen insbesondere Filterinduktivitäten oder Filterdrosseln vorgesehen, welche auftretende Symmetrierungsströme (Zweigströme) zwischen den Zweigen des Multilevelumrichters filtern beziehungsweise dämpfen. Hierbei ist ein im Wesentlichen vollständiges Dämpfen oder Filtern der Symmetrierungsströme gewünscht, sodass eine möglichst geringe Stromwelligkeit bewirkt wird. Dadurch werden vergleichsweise große Filterinduktivitäten benötigt, wodurch einerseits das Baugewicht und die Baugröße des Multilevelumrichters sowie andererseits dessen Herstellungskosten nachteilig erhöht werden.
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Multilevelumrichter weisen somit typischerweise ein vergleichbar hohes Baugewicht und Bauvolumen auf, wodurch derartige Multilevelumrichter heutzutage insbesondere in stationären Anwendungen, wie beispielsweise in der Energietechnik, eingesetzt werden. Im Gegensatz hierzu werden mobilen Anwendungen, insbesondere im Kraftfahrzeug- oder Automobilbereich, beispielsweise im Zuge einer elektrischen oder elektromotorischen Antriebsvorrichtung, nachteilig beeinflusst oder sogar unmöglich gemacht. Insbesondere das vergleichsweise hohe Baugewicht typischer Multilevelumrichter wirkt sich negativ auf die Reichweite eines elektrischen oder elektromotorisch betriebenen Kraftfahrzeugs aus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete elektrische Antriebsvorrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße elektrische Antriebsvorrichtung ist insbesondere für ein elektrisch oder elektromotorisch betriebenes oder betreibbares Kraftfahrzeug zum Antrieb einer oder mehrerer Fahrzeugachsen geeignet und eingerichtet. Die Antriebsvorrichtung weist hierbei eine Spannungsversorgung zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung auf. Die Antriebsvorrichtung weist weiterhin eine mehrphasige Drehstrommaschine, beispielsweise einen bürstenlosen Elektromotor, auf, welche mit einer Anzahl von benachbarten Phasenwicklungen ausgeführt ist. Die Drehstrommaschine weist hierbei je (Motor-)Phase mindestens eine Phasenwicklung auf, welche zu einer gemeinsamen Drehfeldwicklung verschaltet sind. Die Phasenwicklungen sind hierbei mit einem ersten und zweiten Phasenende als elektrische Anschlussbereiche ausgeführt.
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Zwischen der Spannungsversorgung und der Drehstrommaschine ist ein modularer Multilevelumrichter als Stromrichter geschaltet. Der Multilevelumrichter weist hierbei geeigneterweise einen mit der Spannungsversorgung gekoppelten Gleichspannugsanschluss sowie einen mit der Drehstrommaschine, insbesondere mit der Drehfeldwicklung, gekoppelten Wechselspannungsanschluss auf. An den Gleichspannungsanschluss ist hierbei eine Teilmodulreihenschaltung als Wandlerschaltung angeschlossen, welche mindestens ein in Reihe geschaltetes Teilmodul (Submodul) und eine Filterinduktivität (Filterdrossel) aufweist. Die Reihenschaltung des oder jedes Teilmoduls ist mittels der Filterinduktivität an einen Zwischenanschluss geführt, welcher an das erste Phasenende einer zugeordneten Phasenwicklung der Drehstrommaschine kontaktiert ist. Geeigneterweise weist der Multilevelumrichter hierbei eine Anzahl der Phasenwicklungen entsprechende Anzahl von Zwischenanschlüssen auf, welche gemeinsam den Wechselspannungsanschluss bilden.
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Das zweite Phasenende der Phasenwicklung ist erfindungsgemäß elektrisch leitfähig an die Spannungsversorgung gekoppelt. Mit anderen Worten ist eine Rückführ- oder Kontaktleitung zwischen dem zweiten Phasenende und der Spannungsversorgung vorgesehen. Im Betrieb der Antriebsvorrichtung ist es möglich, dass zwischen zwei oder mehreren Teilmodulreihenschaltungen elektrische Symmetrierungsströme (Zweigströme) auftreten, welche mittels der jeweiligen Filterinduktivitäten zumindest teilweise gefiltert werden. Ein nicht gefilterter Anteil dieser Symmetrierungsströme wird hierbei mittels des Zwischenanschlusses an das erste Phasenende der Phasenwicklung geführt. Durch die Kopplung des zweiten Phasenendes mit der Spannungsversorgung ist es hierbei möglich, die inhärente Streuinduktivität der (räumlich) benachbarten Phasenwicklungen der Drehstrommaschine zu nutzen, um die Symmetrierungsströme, beziehungsweise deren nicht gefilterte Anteile, zumindest teilweise über die Drehstrommaschine zu leiten. Dadurch ist es möglich, die Dimensionierung der Filterinduktivitäten zu reduzieren, da diese zur Unterdrückung der Stromwelligkeit die erzeugten Symmetrierungsströme nicht vollständig dämpfen müssen. In der Folge werden somit das Bauvolumen und das Baugewicht der Filterinduktivitäten beziehungsweise des Multilevelumrichters wesentlich reduziert, was sich vorteilhaft auf die Herstellungskosten der Antriebsvorrichtung überträgt. Des Weiteren werden somit beispielsweise mobile Anwendungen der Antriebsvorrichtung in elektrischen oder elektromotorisch betriebenen Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen erleichtert oder ermöglicht. Dadurch ist eine besonders geeignete elektrische Antriebsvorrichtung gebildet.
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Durch den Multilevelumrichter ist die Drehstrommaschine sowohl in einem Normalbetrieb, bei welchen die Drehstrommaschine mit einer Wechselspannung gespeist wird, als auch in einem rekuperativen oder generatorischen Betrieb, bei welchem elektrische Energie von der Drehstrommaschine in die Spannungsversorgung eingespeist wird, betreibbar. Mit anderen Worten ist der Multilevelumrichter zur Zuführung und Abführung von elektrischer Energie ausgebildet. Die Spannungsversorgung ist hierbei beispielsweise als ein fahrzeuginterner Energiespeicher oder als ein DC-DC-Wandler ausgeführt, welcher die Antriebsvorrichtung an ein Bordnetz koppelt.
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Die Teilmodule weisen jeweils eine Modulelektronik als Controller oder Steuereinheit auf, welche eine Leistungselektronik des jeweiligen Teilmoduls ansteuert. Mit anderen Worten sind die Teilmodule einzeln gesteuert oder steuerbar.
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Der Multilevelumrichter weist hierbei geeigneterweise einen Controller als Steuergerät auf, welcher übergeordnet die Teilmodule der oder jeder Teilmodulreihenschaltung ansteuert und regelt. Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zum Betreiben des Multilevelumrichters eingerichtet. Der Controller ist somit konkret mit einem Regelungs- und/oder Symmetrierungsverfahren ausgestattet, welches an die zumindest teilweise Ab- oder Rückführung der Symmetrierungsströme zur Spannungsquelle angepasst ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des Regelungs- und/oder Symmetrierungsverfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Fahrzeugnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird.
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Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, z.B. einen ASIC, gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des Regelungs- und/oder Symmetrierungsverfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist das zweite Phasenende mit der Kontaktleitung an eine Mittelpunktspannung der Spannungsversorgung geführt. In einer geeigneten Weiterbildung weist die Mittelpunktspannung hierbei ein Spannungspotential auf, welches der Hälfte des Spannungspotentials der Versorgungsspannung entspricht. Dadurch wird eine besonders zuverlässige und effektive (Ab-)Führung der Symmetrierungsströme gewährleistet.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Spannungsversorgung als ein Batteriepack (Batteriepaket, Batteriestapel) ausgeführt. Das Batteriepack weist hierbei eine Reihenschaltung einer Anzahl von Batterien auf. Beispielsweise ist das Batteriepack hierbei als ein Zellstapel von Lithiumionenzellen ausgebildet. Die Mittelpunktspannung ist hierbei in konstruktiv einfacher Art und Weise an einem Mittelpunkt des Batteriepacks abgreifbar, wodurch eine zuverlässige Reduzierung der Stromwelligkeit realisiert ist.
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In einer bevorzugten Ausbildung sind die zweiten Phasenenden jeder Phasenwicklung in einem gemeinsamen Sternpunkt verschaltet. Mit anderen Worten sind die Phasenwicklungen in einer Sternschaltung miteinander zur Drehfeldwicklung verschaltet. Geeigneterweise ist der Sternpunkt hierbei mittels der Kontaktleitung an die Mittelspannung der Spannungsversorgung geführt. Dadurch ist eine besonders zweckmäßige und aufwandsarme Verschaltung der elektrischen Antriebsvorrichtung realisiert.
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Zum Zwecke einer verbesserten Wärmeverlustableitung ist die oder jede Phasenwicklung der Drehstrommaschine in einer geeigneten Ausführung gekühlt. Mit anderen Worten ist beispielsweise eine Kühlvorrichtung der Drehstrommaschine vorgesehen, welche die Phasenwicklungen entwärmt oder aktiv kühlt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die oder jede Filterinduktivität gekühlt. Beispielsweise ist es hierbei denkbar, dass die Filterinduktivitäten mit der gleichen Kühlvorrichtung wie die Phasenwicklungen gekühlt werden. Durch die somit bewirkte, aktive Kühlung der Filterinduktivitäten ist es möglich, deren Baugewicht und Baugröße weiter zu reduzieren. Dadurch ist ein besonders bauraumkompakter und gewichtsreduzierter Multilevelumrichter realisierbar. Dies überträgt sich in der Folge vorteilhaft auf die Reichweite der elektrischen Antriebsvorrichtung, was insbesondere hinsichtlich (auto-)mobilen Anwendungen vorteilhaft ist.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist der Multilevelumrichter eine der Anzahl der Phasenwicklungen entsprechende Anzahl von Brückenmodulen auf, welche jeweils zwei Teilmodulreihenschaltungen mit einem gemeinsamen Zwischenanschluss aufweisen. Dadurch ist ein zuverlässiger und betriebssicherer Betrieb der Drehstrommaschine gewährleistet.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in vereinfachten und schematischen Darstellungen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrische Antriebsvorrichtung mit einer Spannungsquelle und mit einer Drehstrommaschine sowie mit einem dazwischen geschalteten Multilevelumrichter,
- 2 ein Brückenmodul des Multilevelumrichters, und
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Antriebsvorrichtung.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist eine elektrische Antriebsvorrichtung 2 gezeigt. Die Antriebsvorrichtung 2 ist beispielsweise zum Antrieb einer Fahrzeugachse eines elektrisch oder elektromotorisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, beispielsweise einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, ausgebildet.
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Die Antriebsvorrichtung 2 weist einen fahrzeuginternen Energiespeicher als Spannungsquelle 4 auf, mittels welcher eine Gleichspannung als Betriebs- oder Versorgungsspannung UV erzeugt wird. Die Spannungsquelle 4 ist an einen Gleichspannungsanschluss 6 eines Multilevelumrichters 8 angeschlossen. Der Multilevelumrichter 8 weist einen Wechselspannungsanschluss 10 auf, welcher an eine dreiphasige Drehstrommaschine 12 der Antriebsvorrichtung 2 geführt ist.
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Der Multilevelumrichter 8 weist einen integrierten Gleichspannungskreis mit einem Pluspfad 14 und einem Minuspfad 16 auf, welche mittels des Gleichspannungsanschlusses 6 an den Pluspol beziehungsweise den Minuspol der Spannungsquelle 4 geführt sind. Zwischen den Pluspfad 14 und den Minuspfad 16 sind drei Brückenmodule 18 verschaltet. Die Brückenmodule 18 sind als Wandlerschaltungen ausgeführt, welche aus der Versorgungsspannung UV eine dreiphasige Ausgangsspannung mit den Phasen u, v, w für die Drehstrommaschine 12 wandeln. Die Brückenmodule 18 sind hierbei weiterhin dazu ausgebildet, im Zuge eines rekuperativen oder generatorischen Betriebs eine in den Wechselspannungsanschluss 10 eingespeiste Wechselspannung in eine gleichgerichtete Ausgangsspannung am Gleichspannungsanschluss 6 zur Einspeisung in die Spannungsversorgung 4 zu wandeln.
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In 2 ist eine beispielhafte Ausführung des Brückenmoduls 18 gezeigt. Das Brückenmodul 18 weist zwei Teilmodulreihenschaltungen 20 auf, welche zwischen dem Pluspfad 14 beziehungsweise dem Minuspfad 16 und einem gemeinsamen Zwischenanschluss 22 verschaltet sind. Der Zwischenanschluss 22 ist an den Wechselspannungsanschluss 10 geführt.
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Die Teilmodulreihenschaltungen 20 weisen eine Reihenschaltung einer Anzahl von Teilmodulen 24 und einer Filterinduktivität 26 auf. In der 2 sind beispielhaft jeweils lediglich drei Teilmodule 24 der Teilmodulreihenschaltungen 20 gezeigt.
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Die Teilmodule 24 weisen jeweils eine Modulelektronik 28 und eine Leistungselektronik 30 sowie einen Energiespeicher 32 auf, welche in der 2 lediglich schematisch dargestellt und beispielhaft mit Bezugszeichen versehen sind. Die Modulelektronik 28 ist hierbei als ein Controller oder Steuergerät zur Steuerung und/oder Regelung der jeweiligen Leistungselektronik 30 ausgeführt. Die Leistungselektronik 30 ist beispielsweise als Halbbrücken- oder Vollbrückenschaltung ausgeführt und weist eine Anzahl von Leistungshalbleiterschaltern, beispielsweise IGBTs (insulated gate bipolar transistor) auf, welche mittels der Leistungselektronik 30 von einem leitenden in einen nichtleitenden Zustand schaltbar sind. Der Energiespeicher 32 ist hierbei als eine Kapazität oder Kondensator ausgeführt, welcher bei einer Aktivierung der Leistungselektronik 30 mit elektrischer Energie geladen wird.
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Zwischen den Energiespeichern 32 der Teilmodule 24 fließen im Betrieb des Multilevelumrichters 8 elektrische Symmetrierungsströme IS , welche eine Stromwelligkeit des erzeugten Ausgangsstroms beziehungsweise der Phasen u, v, w bewirkt. Zur Unterdrückung und Reduzierung der Symmetrierungsströme IS sind die Filterinduktivitäten 26 vorgesehen. Die Filterinduktivitäten 26 sind hierbei derart dimensioniert, dass die Symmetrierungsströme IS zumindest teilweise gefiltert werden, wobei ein verbleibender, nicht gefilterter Restanteil der Symmetrierungsströme IS' zum Wechselspannungsanschluss 10, und somit zur Drehstrommaschine 12 geführt wird.
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Die Drehstrommaschine 12 ist als ein dreiphasiger, bürstenloser Elektromotor ausgeführt. Als (Motor-)Phasen u, v, w weist die Drehstrommaschine 12 hierbei - wie insbesondere in 3 ersichtlich - drei Phasenwicklungen 34, 36, 38 auf, welche als Sternschaltung zu einer Drehfeldwicklung 40 verschaltet sind.
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Die Phasenwicklungen 34, 36 und 38 weisen jeweils ein erstes Phasenende 42, welches an den Wechselspannungsanschluss 10 des Multilevelumrichters 8 geführt ist, und ein zweites Phasenende 44, welches in einem gemeinsamen Sternpunkt 46 der Drehfeldwicklung 40 verschaltet ist, auf. Beispielhaft ist in der 3 lediglich die Phasenwicklung 34 mit Bezugszeichen für die Phasenenden 42 und 44 versehen.
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In dem Ausführungsbeispiel der 3 weisen die Teilmodulreihenschaltungen 20 der Brückenmodule 18 jeweils lediglich ein einzelnes Teilmodul 24 auf.
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Der Sternpunkt 46 ist mittels einer Kontaktleitung 48 mit der Spannungsquelle 4 kontaktiert. Hierbei ist es beispielsweise denkbar, dass die Kontaktleitung 48 in den Multilevelumrichter 8 integriert ist, oder als seperate, externe Leitung von der Drehstrommaschine 12 zur Spannungsquelle 4 geführt ist. In dem Ausführungsbeispiel der 3 ist die Spannungsquelle 4 als ein Batteriepack (Batteriepaket) mit zwei in Reihe geschalteten Batterien 50a und 50b ausgeführt. Die Kontaktleitung 48 ist hierbei an einem Mittelpunkt zwischen den beiden Batterien 50a und 50b angeschlossen, sodass der Sternpunkt 46 an eine Mittelpunktspannung UM der Spannungsquelle 4 geführt ist.
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Durch die elektrisch leitfähige Kopplung zwischen dem Sternpunkt 46 und der Mittelpunktspannung UM der Spannungsquelle 4 ist es möglich, die im Betrieb der Drehfeldwicklung 40 auftretende Streuinduktivität der Drehstrommaschine 12 zu nutzen, um die nicht gefilterten Symmetrierungsströme IS' über die Drehstrommaschine 12 zu leiten. Dadurch ist es möglich, die Filterinduktivitäten 26 kleiner zu dimensionieren.
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In einem zusätzlichen oder alternativen Ausführungsbeispiel ist es beispielsweise denkbar, dass die Phasenwicklungen 34, 36, 38 und/oder die Filterinduktivitäten 26 aktiv gekühlt werden um eine Wärmeverlustableitung der Symmetrierungsströme IS , IS' zu verbessern.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus ableitbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
