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Die Erfindung betrifft Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zum Herstellen eines solchen Rotors gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 4.
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Ein solcher Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Rotors sind beispielsweise bereits der
DE 10 2013 020 324 A1 als bekannt zu entnehmen. Der Rotor weist dabei wenigstens eine Rotorwelle auf, welche zumindest in einem Längenbereich hohl ausgebildet ist. Im Rahmen des Verfahrens zum Herstellen des Rotors wird die Rotorwelle bereitgestellt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotor und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass auf besonders kostengünstige Weise eine besonders hohe Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine geschaffen werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Rotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass auf besonders kostengünstige Weise eine besonders hohe Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine geschaffen werden kann, ist es erfindungsgemäß Vorgesehen, dass in dem hohlen Längenbereich der Rotorwelle wenigstens ein separat von der Rotorwelle ausgebildetes Wärmeübertragungselement angeordnet ist, welches aus gestanztem Elektroblech zum Herstellen eines Blechpakets einer elektrischen Maschine gebildet ist. Mit anderen Worten ist das einfach auch als Wärmeübertrager bezeichnete Wärmeübertragungselement aus wenigstens einem Teil eines Elektrobleches gebildet, welches zum Herstellen eines Blechpakets einer Elektromaschine verwendet wird, beziehungsweise verwendet wurde. Bei der elektrischen Maschine, für welche das Blechpaket verwendet wird beziehungsweise wurde, handelt es sich beispielsweise um die elektrische Maschine, welche von der elektrischen Maschine unterschiedlich ist, für die der erfindungsgemäße Rotor verwendet wird.
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Insbesondere ist es denkbar, dass das Wärmeübertragungselement einstückig ausgebildet ist, wobei das einstückige Wärmeübertragungselement, vorzugsweise vollständig, durch gestanztes Elektroblech zum Herstellen eines Blechpakets einer elektrischen Maschine gebildet ist. Ferner ist es denkbar, dass das Wärmeübertragungselement aus näheren insbesondere in axialer Richtung der Rotorwelle in seiner angeordneten beziehungsweise aufeinander gestapelten Blechsegmenten gebildet ist, welche aus dem genannten Elektroblech gebildet sind. Die Blechsegmente sind beispielsweise an sich separat voneinander ausgebildet, und miteinander verbunden.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 4 angegeben Art derart weiterzuentwickeln, dass sich auf besonders kostengünstige Weise eine besonders hohe Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei dem ersten Schritt des Verfahrens Elektroblech gestanzt wird, wodurch wenigstens eine erstes Teil des Elektrobleches von wenigstens einem zweiten Teil des Elektrobleches getrennt wird. Bei einem zweiten Schritt des Verfahrens wird das erste Teil verwendet, um zumindest aus dem ersten Teil ein Blechpaket für ein Aktivteil einer beziehungsweise einer beziehungsweise der elektrischen Maschine herzustellen. Bei dem Aktivteil handelt es sich beispielsweise um einen beziehungsweise um den zuvor genannten Rotor, oder das Aktivteil ist ein Stator der elektrischen Maschine. Bei einem dritten Schritt des Verfahrens wird das zweite Teil verwendet, um zumindest aus dem zweiten Teil wenigstens eine Wärmeübertragungselement herzustellen. Bei einem vierten Schritt des Verfahrens wir das Wärmeübertragungselement in dem hohlen Längenbereich der Rotorwelle angeordnet.
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Mittels des in dem hohlen Längenbereich der Rotorwelle angeordneten Wärmeübertragungselements kann in kurzer Zeit eine besonders hohe Wärmemenge gezielt und definiert von der Rotorwelle abgeführt beziehungsweise abtransportiert werden, wodurch eine besonders effektive und effiziente Kühlung des Rotors und somit der elektrischen Maschine insgesamt realisieren lässt. Dadurch können eine besonders hohe Leistungsdichte und somit eine hohe Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine realisiert werden. Insbesondere ist es möglich, über das Wärmeübertragungselement einen effizienten und effektiven Wärmeübergang von der Rotorwelle an ein beispielweise als Flüssigkeit oder Gas ausgebildetes Kühlmedium zu realisieren, um dadurch den Rotor und somit die elektrische Maschine besonders vorteilhaft kühlen zu können. Zur Realisierung dieser vorteilhaften Kühlung wird das Elektroblech verwendet, welches auch zum Herstellen des Blechpakets verwendet wird. Insbesondere wird zur Realisierung der Kühlung das genannte zweite Teil verwendet, da das Wärmeübertragungselement zumindest aus dem zweiten Teil des Elektrobleches hergestellt wird. Bei herkömmlichen Verfahren zum Herstellen von elektrischen Maschinen wird beispielsweise das zweite Teil entsorgt, da das zweite Teil beispielsweise Abfall beziehungsweise auch als Stanzrest bezeichneter Rest ist, der üblicherweise nicht weiterverwendet und somit als Abfall anfällt. Erfindungsgemäß wird nun nicht nur der erste Teil, sondern auch der Stanzrest einer vorteilhaften Funktion zugeführt, da das erste Teil zum Herstellen des Blechpakets und das zweite Teil zum Herstellen des Wärmeübertragungselements verwendet wird. In der Folge kann das Wärmeübertragungselement kostenneutral oder zumindest kostengünstig hergestellt und zur Realisierung der vorteilhaften Kühlung genutzt werden.
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Die Erfindung liegt insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: An elektrische Antriebsstränge, insbesondere in Kraftfahrzeugen werden sehr hohe Anforderungen insbesondere hinsichtlich der Bereitstellung eines hohen Drehmoments, insbesondere eines hohen Dauerdrehmoments, und hinsichtlich einer hohen Leistungsdichte, insbesondere einer hohen Dauerleistungsdichte, gestellt, insbesondere bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad des jeweiligen elektrischen Antriebsstrangs und somit der jeweiligen elektrischen Maschine. Möglichst hohe Drehmoment- und Leistungsdichten können vor allem durch eine vorteilhafte Kühlung und somit durch eine hohe Kühlleistung realisiert werden. Mit anderen Worten ist es möglich, durch eine besonders vorteilhafte Kühlung einer elektrischen Maschine eine besonders hohe Leistungs- und Drehmomentendichte der elektrischen Maschine zu realisieren. Dies kann mittels des erfindungsgemäßen Rotors und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens nun auf besonders kostengünstige Weise realisiert werden, da anfallende Stanzreste, welche üblicherweise ungenutzt entsorgt werden, nun genutzt und verwendet werden, wobei eine besonders vorteilhafte Kühlung des Rotors und somit der elektrischen Maschine insgesamt zu realisieren. Die Erfindung nutzt dabei, dass Blechpakete von elektrischen Maschinen üblicherweise durch Stanzen hergestellt werden. Ein solches Blechpaket wird auch als Elektroblechpaket bezeichnet und wird üblicherweise für ein Aktivteil wie einen Rotor und/oder einen Stator einer elektrischen Maschine verwendet. Zum Herstellen eines solchen Blechpakets wird üblicherweise ein so genannter Folgeverbundschnitt durchgeführt, dies bedeutet ,dass beispielsweise Blechsegmente zum Herstellen eines solchen Blechpakets beziehungsweise Blechpakete für Statoren und/oder Rotoren von elektrischen Maschinen nacheinander aus dem gleichen, aus Elektroblech gebildeten Blechband, insbesondere in einem Verbund, gestanzt werden. Insbesondere wird beispielsweise bei dem Stanzen ein innerer Kern an einem diesem inneren zumindest teilweise, insbesondere vollständig, umgebenden Bereich des Elektrobleches beziehungsweise des Blechbandes ausgestanzt, um beispielsweise aus dem Bereich das jeweilige Blechpaket herzustellen. Der Kern wird üblicherweise weggeworfen, da der Kern bisher keine Funktion hatte.
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Die Erfindung nutzt nun jedoch den Kern, um aus dem Kern das Wärmeübertragungselement herzustellen beziehungsweise den Kern als Wärmeübertragungselement zu nutzen. Somit ist beispielsweise der Kern das zuvor genannte zweite Teil. Insbesondere ist es denkbar, das zweite Teil - nachdem es von dem ersten Teil beziehungsweise von dem genannten Bereich getrennt wurde - ohne weitere Bearbeitung des zweiten Teils als das Wärmeübertragungselement zu verwenden, oder das zweite Teil wird nur geringfügig weiterverarbeitet, sodass das Wärmeübertragungselement besonders zeit- und kostengünstig hergestellt werden kann.
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Durch Verwendung des Wärmeübertragungselements kann eine besonders große Kühloberfläche in der Rotorwelle realisiert werden, um in kurzer Zeit eine besonders hohe Wärmemenge von der Rotorwelle an sich abtransportieren zu können. Hierdurch kann eine besonders hohe Kühlleistung in der Rotorwelle, insbesondere an deren Innendurchmesser, realisiert werden. In der Folge können im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Maschinen größere Dauerleistungen erzielt werden und das Temperaturniveau im Rotor kann herabgesetzt werden. Dies ermöglicht damit einen geringeren Anteil an schweren seltenen Erden in den Magneten, insbesondere Dy, und reduziert damit die Kosten und sorgt für mehr Unabhängigkeit von der grundsätzlichen Verfügbarkeit von seltenen Erden und Magneten.
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Dadurch, dass das Wärmeübertragungselement in der Rotorwelle angeordnet ist, ist durch das Wärmeübertragungselement eine wellenintegrierte Rotorkühlung geschaffen, welche besonders einfach und kostengünstig dargestellt werden kann. Beispielsweise ist es möglich, das zweite Teil durch Stanzen zu bearbeiten und beispielsweise aus dem zweiten Teil wenigstens ein oder mehrere weitere Blechlagen auszustanzen, wobei dann beispielsweise aus der jeweiligen Blechlage jeweilige Wärmeübertragungselemente hergestellt werden oder wobei aus den Blechlagen das Wärmeübertragungselement hergestellt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Perspektivansicht eines Wärmeübertragungselements für einen Rotor einer elektrischen Maschine; und
- 2 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht des Rotors.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht ein Wärmeübertragungselement 10 für einen in 2 ausschnittsweise in einer schematischen Längsschnittansicht gezeigten Rotor 12 für eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine wird beispielsweise als Traktionsmaschine für ein Kraftfahrzeug verwendet, welches beispielsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet ist und in seinem fertig hergestellten Zustand die elektrische Maschine umfasst. Dabei ist beispielsweise das Kraftfahrzeug mittels der elektrischen Maschine elektrisch antreibbar. Die elektrische Maschine umfasst in ihrem vollständig hergestellten Zustand ein erstes Aktivteil in Form eines Stators und ein zweites Aktivteil in Form des Rotors 12, wobei der Rotor 12 von dem Stator antreibbar und dadurch um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbar ist.
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Der Rotor 12 umfasst dabei wenigstens eine Rotorwelle 14, welche zumindest in einem Längenbereich L hohl ausgebildet ist. Bei dem in 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Rotorwelle 14 insgesamt als Hohlwelle ausgebildet, sodass sich beispielsweise der Längenbereich L über die gesamte, in axialer Richtung der Rotorwelle 14 verlaufende Länge erstreckt. Somit ist beispielsweise durch den hohlen Längenbereich L ein Kanal 16 der Rotorwelle 14 gebildet, wobei sich der Kanal 16 bereits über die gesamte Länge der Rotorwelle 14 erstreckt und insbesondere über jeweilige Öffnungen an die Umgebung der Rotorwelle 14 mündet.
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Um nun auf besonders kostengünstige Weise eine besonders vorteilhafte Kühlung und somit eine besonderes hohe Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine zu realisieren, ist in dem hohlen Längenbereich L wenigstens ein separat von der Rotorwelle 14 ausgebildetes Wärmeübertragungselement 10 angeordnet, welches aus gestanztem Elektroblech zum Herstellen eines Blechpakets einer elektrischen Maschine gebildet ist. Aus 2 ist erkennbar, dass der Rotor 12 eine Mehrzahl von Wärmeübertragungselementen 10 aufweist, welche in dem hohlen Längenbereich L angeordnet und dabei in axialer Richtung der Rotorwelle 14 hintereinander angeordnet sind. Dabei berühren sich beispielsweise die Wärmeübertragungselemente 10 in axialer Richtung der Rotorwelle 14 paarweise gegenseitig. Das jeweilige Wärmeübertragungselement 10 ist beispielsweise in die Rotorwelle 14 eingepresst. Insbesondere berührt beispielsweise das jeweilige Wärmeübertragungselement 10, insbesondere eine außenumfangsseitige Ummantelungsfläche 20 des Wärmeübertragungselements 10, eine innenumfangsseitige Wandelfläche 22 der Rotorwelle 14, sodass ein besonders effizienter und effektiver Wärmeübergang von der Rotorwelle 14 an das jeweilige Wärmeübertragungselement 10 erfolgen kann.
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In 2 veranschaulichen Pfeile einen Wärmeeintrag in die Rotorwelle 14. Mit anderen Worten veranschaulichen die Pfeile einen Eintrag von Wärme in die Rotorwelle 14, wobei beispielsweise die Wärme von wenigstens einer oder mehreren Wärmequellen in die Rotorwelle 14 eingetragen wird. Zumindest ein Teil der in die Rotorwelle 14 eingetragenen Wärme kann von der Rotorwelle 14 auf die Wärmeübertragungselemente 10 übergehen, sodass in kurzer Zeit eine besonders hohe Wärmemenge mittels der Wärmeübertragungselemente 10 von der Rotorwelle 14 abtransportiert werden kann. Das jeweilige Wärmeübertragungselement 10 an sich ist vorzugsweise durchgängig ebenfalls hohl ausgebildet und somit von einem beispielsweise Flüssigkeit oder Gas ausgebildeten Kühlmedium durchströmbar, sodass beispielsweise einen Kanal 16 durchströmendes Kühlmedium die Wärmeübertragungselemente 10 innenumfangsseitig durchströmen kann. Dabei berührt das Kühlmedium die Wärmeübertragungselemente 10, insbesondere jeweilige innenumfangsseitige Mantelflächen 24 der Wärmeübertragungselemente 10, direkt, sodass ein besonders vorteilhafter Wärmeübergang von dem jeweiligen Wärmeübertragungselement 10 an das Kühlmedium erfolgen kann. In der Folge kann in kurzer Zeit eine besonders hohe Wärmemenge von der Rotorwelle 14 über die Wärmeübertragungselemente 10 an das Kühlmedium übergehen, wodurch die Rotorwelle und somit der Rotor 12 insgesamt besonders gut gekühlt werden können.
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In 1 ist eines der Wärmeübertragungselemente 10 in einer schematischen Perspektivansicht gezeigt. Um das zuvor genannte Blechpaket herzustellen, wird das ebenfalls zuvor genannte Elektroblech gestanzt, das heißt durch Stanzen bearbeitet. Das Blechpaket wird beispielsweise für den Rotor 12 der elektrischen Maschine, für den Stator der den Rotor 12 umfassenden elektrischen Maschine oder aber für eine andere elektrische Maschine beispielsweise für einen anderen Rotor oder einen anderen Stator einer anderen elektrischen Maschine verwendet. Durch das Stanzen wird beispielsweise wenigstens ein erstes Teil des Elektroblechs zu wenigstens einem zweiten Teil eines Elektrobleches getrennt. Das erste Teil wird beispielsweise verwendet, um zumindest aus dem ersten Teil das Blechpaket herzustellen. Das zweite Teil wird beispielsweise verwendet, um zumindest eines der Wärmeübertragungselemente 10 herzustellen.
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Besonders gut aus 1 ist erkennbar, dass das jeweilige Wärmeübertragungselement 10, insbesondere innenumfangsseitig, eine Struktur 26 aufweist, welche zur Realisierung einer besonders großen Oberfläche genutzt wird. Die Struktur 26 wird auch als sogenannte Pin-Fin-Struktur bezeichnet und beispielsweise durch das zuvor genannte Stanzen hergestellt. Mit anderen Worten wird die Struktur 26 beispielsweise dadurch hergestellt, dass das zweite Teil durch das genannte Stanzen von dem ersten Teil sowie gegebenenfalls von wenigstens einem wenigstens einen dritten Teil des Elektrobleches getrennt wird. Das zweite Teil ist aber beispielsweise ein Kern, welcher vor dem Stanzen von dem ersten Teil in Umfangsrichtung des zweiten Teils zumindest teilweise, insbesondere vollständig, umgeben ist. Somit wird das zweite Teil aus dem ersten Teil ausgestanzt, sodass das zweite Teil ein Kern ist. Üblicherweise ist der Kern ein Stanzrest, welcher ungenutzt entsorgt wird. Durch Herstellen mehrerer erster Teile kann beispielsweise das Blechpaket gebildet werden. Das Blechpaket wird beispielsweise auf der Rotorwelle 14 angeordnet und drehfest mit dieser verbunden.
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Im Gegensatz zum Entsorgen des Kerns ist es nun jedoch vorgesehen, den Kern zu wenden, um aus dem Kern zumindest eines der Wärmeübertragungselemente 10 herzustellen. Der Kern wird somit sehr kostengünstig genutzt, um eine besonders vorteilhafte Wärmeübertragung zu realisieren.
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Um beispielsweise das jeweilige Wärmeübertragungselement 10 herzustellen, werden mehrere zweite Teile aufeinander gestapelt und miteinander verbunden und somit beispielsweise paketiert. Das jeweilige zweite Teil stellt beispielsweise ein Blechsegment dar, wobei die Blechsegmente aufeinandergestapelt und miteinander verbunden und somit beispielsweise paketiert werden, um hierdurch das jeweilige Wärmeübertragungselement 10 herzustellen. Das jeweilige Wärmeübertragungselement 10 ist somit beispielsweise durch eine Mehrzahl von aufeinandergestapelten und insbesondere miteinander verbundenen zweiten Teilen gebildet, welche durch Stanzen von jeweiligen ersten Teilen getrennt werden, wobei die ersten Teile und die zweiten Teile aus Elektroblech gebildet sind. Vorzugsweise sind die Wärmeübertragungselemente 10 in die Rotorwelle 14 eingepresst, um einen thermischen Übergangswiderstand zwischen den Wärmeübertragungselementen 10 und der Rotorwelle 14 besonders gering zu halten. Die Wärme, welche in die Rotorwelle 14 eingetragen wird, stammt beispielsweise von einer Wärmequelle welche außerhalb der Rotorwelle 14 angeordnet ist.
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Die Struktur 26 umfasst dabei eine Mehrzahl von den in axialer Richtung der Rotorwelle 14 aufeinanderfolgenden und voneinander beabstandeten Vorsprüngen 28, welche in radialer Richtung der Rotorwelle nach Innen von einem Grundkörper 30 des jeweiligen Wärmeübertragungselements 10 abstehen. Hierdurch kann auf bauraumgünstige Weise eine besonders hohe Oberfläche des jeweiligen Wärmeübertragungselements 10 und somit in der Rotorwelle 14 realisiert werden, sodass ein besonders vorteilhafter Wärmeübergang von der Rotorwelle 14 an das jeweilige Wärmeübertragungselement 10 erfolgen kann. In der Folge können der Rotor 12 und somit die elektrische Maschine insgesamt besonders vorteilhaft gekühlt werden, sodass auf kostengünstige Weise eine hohe Leistungsfähigkeit des Rotors 12 und somit der elektrischen Maschine insgesamt realisiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmeübertragungselement
- 12
- Rotor
- 14
- Rotorwelle
- 16
- Kanal
- 20
- außenumfangsseitige Mantelfläche
- 22
- innenumfangsseitige Mantelfläche
- 24
- innenumfangsseitige Mantelfläche
- 26
- Struktur
- 28
- Vorsprünge
- 30
- Grundkörper
- L
- Längenbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013020324 A1 [0002]
