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Die Erfindung betrifft ein Kettenantriebssystem, eine Kettensäge, eine Kette für ein Kettenantriebssystem, eine Kettenführung für ein Kettenantriebssystem und ein Fahrzeug mit einem Kettenantriebssystem.
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Motorsägen bzw. Kettensägen besitzen einen zentralen Motor, der eine Sägekette antreibt. Dabei findet die Kraft- bzw. Drehmomentübertragung über ein Zahnrad statt, das in die entsprechend ausgeformten Kettenglieder eingreift. Ein sehr ähnliches System wird üblicherweise auch für den Antrieb eines entsprechend ausgestatteten Fahrrads verwendet.
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Herkömmliche Kettensägen und Fahrräder weisen verschiedene Nachteile bezüglich des Kettenantriebs auf.
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Beispielsweise treten bei Kettensägen sogenannte Kickbacks auf. Um diese zu verhindern, ist beispielsweise eine manuelle Sicherheitsbremse erforderlich.
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Bzgl. des Schwerpunktes und Fahrgefühl ist bei elektrisch betriebenen Fahrrädern die günstigste Motorposition in der Mitte, d.h. in der Pedalachse. Alternativ kann der Antrieb auch im Vorder- oder Hinterrad angebracht sein. Die Nachteile bei einer Mittelmotor-Ausstattung im Vergleich zum Heckantrieb sind jedoch höhere Belastung von Kette und Ritzel sowie NVH (noise vibration harshness, man hört als Fahrer den Mittelmotor mehr als den Heckantrieb) Weiterhin ist mit einem Mittenantrieb keine Rekuperation bei möglich, was sowohl bei Front- als auch bei Heckantrieb prinzipiell möglich ist. Ein weiteres Problem ist die Kühlung der Antriebseinheit, auch „Drive Unit“ genannt.
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Aufgabe der Erfindung ist, die Nachteile der bisherigen Kettenantriebe zu beseitigen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung, sowie der Figuren.
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In dieser Offenbarung werden Fachbegriffe mit der dem Fachmann bekannten Bedeutung verwendet. Wenn bestimmten Begriffen eine bestimmte Bedeutung verliehen wird, werden im Folgenden Definitionen von Begriffen gegeben, in deren Zusammenhang die Begriffe verwendet werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Kettenantriebssystem vorgestellt, das eine Kettenführung mit einem aktiven elektrischen Magnetfelderreger zur Erzeugung eines wechselnden Magnetfelds und eine Kette mit Kettenelementen aufweist. Die Kette ist konfiguriert, um in der Kettenführung zu laufen und um passiv auf das Magnetfeld zu reagieren. Hierbei ist die Kettenführung konfiguriert, um die Kette durch das erzeugte, wechselnde Magnetfeld direkt anzutreiben.
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Unter einem aktiven elektrischen Magnetfelderreger wird beispielsweise ein stromdurchflossener Draht verstanden, der über eine Steuerung mit Strom versorgt wird, so dass ein Magnetfeld entsteht, auf das die Kette passiv, das heißt aus einem physikalischen, das Magnetfeld betreffenden Effekt heraus, wie zum Beispiel die Anziehungskraft von zwei entgegengesetzten Polen oder die Abstoßungskraft zweier gleichnamiger Pole, reagiert. Die Kette kann somit direkt durch diese beiden Magnetfelder angetrieben werden. Beispielsweise erfolgt keine Kraftübertragung wie in herkömmlichen Kettenantriebssystemen, bei denen ein Motor ein Drehmoment erzeugt, mit dem beispielsweise eine Welle bzw. ein Ritzel mit einem Zahnrad angetrieben wird, das Zahnrad in die Kettenglieder eingreift und die Kraftübertragung über die Welle, das Zahnrad und den mechanischen Kontakt des Zahnrads mit den Kettengliedern erfolgt. Vielmehr wirkt die Kraft direkt auf Teile der Kette. Vorzugsweise sind mehrere Magnetfelderreger in der Führungsschiene angeordnet, um eine höhere Gesamtkraft zu erzielen.
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In dieser Beschreibung wird der Begriff „elektrisches Magnetfeld“ verwendet. Hierbei ist das durch einen oder mehrere Magnetfelderreger mittels Strom erzeugte magnetische Feld zu verstehen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Kette Permanentmagnete auf, durch die ein zu dem elektrischen erzeugten Magnetfeld ein unabhängiges zweites Magnetfeld vorhanden ist, wodurch die bereits erwähnten Anziehungs- bzw. Abstoßungskräfte entstehen bzw. verstärkt werden können. Insbesondere wird durch die Permanentmagnete z.B. ein linearer Synchronmotor realisiert, bei dem sich magnetische Feldlinien konstruktiv oder destruktiv derart überlagern, dass transversale und radiale Kräfte entstehen, die die Kette vorantreiben. Bei dem linearen Synchronmotor fungiert hierbei die Kettenführung mit den elektrischen Magnetfelderregern als Stator, und die Kette mit den Permanentmagneten als „Rotor“. Die Magnetfelderreger sind beispielsweise um Statorzähne gewickelt, die den erzeugten magnetischen Fluss leiten. Alternativ kann auch eine verteilte Wicklung zum Einsatz kommen. Dem linearen Synchronmotor kann beispielsweise eine sogenannte radiale Magnetisierung zugrunde liegen, bei der die Permanentmagnete abwechselnd in umgekehrter Polarität längs der Kette angebracht sind, und wobei die Kette als Eisenrückschluss fungiert. Somit verläuft der magnetische Fluss von dem Permanentmagneten auf der Kette über den Luftspalt zwischen Kette und Stator durch einen ersten Statorzahn, sowie weiter durch den weichmagnetischen Stator (hier das Schwert der Säge) zu einem zweiten Statorzahn. Von dort verläuft der Magnetfluss wieder über den Luftspalt zurück zu dem Permanentmagneten auf der Kette, und die Kette schließt letztendlich den Kreis. Die Anziehungs- bzw. Abstoßungskräfte entstehen dort durch die Überlagerung der Feldlinien des Permanentmagneten und den Feldlinien des sich wechselnden Magnetfeldes, das durch die Magnetfelderreger erzeugt wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete auf den Kettenelementen angebracht. Kettenelemente sind hierbei insbesondere die Kettenglieder und Verbindungsglieder. Bei z.B. einer Kettensäge können diese Elemente auch Führungsglieder oder Schneidzähne sein. Somit ist es auch nicht erforderlich, dass die Permanentmagnete in einer Line angeordnet sind.
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Da die Kette durch die Kettenführung läuft und das elektrisch erzeugte magnetische Feld ebenfalls in der Kettenführung erzeugt wird, entstehen auch die Kräfte in der Führungsschiene. Hierbei wird in der Führungsschiene durch entsprechende Polung bzw. Umpolung der elektrischen Magnetfelderreger z.B. ein wechselndes oder wanderndes Magnetfeld erzeugt, so dass die Permanentmagnete derart angezogen bzw. abgestoßen werden, dass eine Kraft z.B. in Antriebsrichtung sowie in radialer Richtung entsteht. Die Wirkungsweise ähnelt somit der eines Linearmotors. Durch einen Abstand der Magnetfelderreger, der kein ganzzahliges Vielfaches zum Abstand der Permanentmagnete ist, lässt sich die Antriebsrichtung steuern. Das System kann, je nach Anwendung, ausgelegt sein, die Kette in einer Richtung anzutreiben oder in zwei Richtungen, das heißt vorwärts oder rückwärts.
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Gemäß einer Ausführungsform besteht die Kette aus weichmagnetischem Material, wie beispielsweise Blechmetall. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Kette periodische, weichmagnetische Erhebungen aufweisen, um einen Wechsel des magnetischen Wiederstandes zu erhalten, aber gleichzeitig den Magnetfluss zu führen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Kette auch periodische, weichmagnetischen Erhebungen aufweisen, um einen Wechsel des magnetischen Wiederstandes zu erhalten.
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Der Reluktanzeffekt kann auch durch den Luftspalt zwischen Antriebsglied oder Sägezahn und Statorzahn einer Sägekette ausgenutzt werden. Betrachtet man beispielsweise den Magnetfelderreger als Statorzahn, dann ist durch den Luftspalt zwischen Antriebsglied oder Sägezahn und Statorzahn ein großer magnetischer Widerstand vorhanden, den die magnetische Anordnung versucht zu verringern, indem sie das nach unten ragende Antriebsglied transversal über den Statorzahn zieht. Die Anzahl Pole auf dem Schwert und auf der Kette stehen hierbei in einem technisch sinnvollen Verhältnis, so dass eine stetige Fortbewegung der Kette in einer Richtung erfolgt.
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Durch eine Blechung der Kettenelemente können Wirbelströme minimiert werden, so dass in den Kettenelementen keine oder zumindest wenig Wärme aufgrund von Wirbelströmen entsteht. Für die Führungsschiene sind gleichwertige, den Wirbelstrom verringernde Lösungen vorzusehen (z.B. Blechung) Durch das Verringern von Wirbelströmen entsteht des Weiteren auch keine oder nur eine geringe wirbelstrombedingte Leistungsverluste.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Kette eine Kette zum Antrieb eines Fahrzeugs und verbindet eine erste Achse des Fahrzeugs mit einer zweiten Achse des Fahrzeugs. Die Kettenführung ist hierbei zwischen der ersten Achse und der zweiten Achse angebracht. Das Fahrzeug kann zum Beispiel ein Zweirad sein oder generell ein Kettenfahrzeug. Ein Kettenfahrzeug kann auch mehrere Achsen oder Lager aufweisen, zwischen denen eine hier beschriebene Führungsschiene angeordnet ist.
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Die Kette kann weiterhin eine Kette zum Antreiben einer oder mehrere Wellen sein, beispielsweise in Maschinen, Transportgeräten, Förderanlagen, etc.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Kette eine Sägekette einer Kettensäge, die die Sägekette und ein Schwert aufweist, und wobei die Kettenführung an einer Kante des Schwerts angeordnet ist. Das heißt, das Schwert weist z.B. seitlich entlang seiner umlaufenden Kante oder in der Nut der umlaufenden Kante die Magnetfelderreger auf. In anderen Worten ist das Schwert selbst Teil des Antriebs.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der aktive elektrische Magnetfelderreger eine elektrische Spulenanordnung auf. Die Spulenwindungen können hierbei verteilt sein oder konzentriert sein. Es können eine oder mehrere Spulen angeordnet sein. Die mehreren Spulen können beispielsweise individuell angesteuert werden, so dass beispielsweise die Kraftverteilung und die Richtung gesteuert werden können. Die Kette und die Kettenführung sind daher gemäß einer Ausführungsform ausgelegt, um die Kette bzw. Kettenelemente durch einen magnetischen Effekt in zwei Dimensionen zu bewegen, wodurch z.B. eine Vibration von Kettengliedern ermöglicht wird und damit z.B. spezielle Schnittverfahren mit einer Kettensäge ermöglicht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Kettenantriebssystem weiterhin eine Steuereinheit auf, die konfiguriert ist, um den aktiven elektrischen Magnetfelderreger wiederkehrend so anzusteuern, dass abhängig von der Position der Kettenelemente die Kette durch einen magnetischen Effekt fortlaufend bewegt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Kettenantriebssystem ferner Leistungselektronikkomponenten auf, wobei die Leistungselektronikkomponenten in der Kettenführung oder einem die Kettenführung tragenden Teil angeordnet sind. Die Leistungselektronikkomponenten können zum Beispiel an dem Schwert angeordnet oder in das Schwert einer Kettensäge integriert sein oder in die Kettenführung zwischen der Pedalachse und der Hinterachse eines Fahrrads integriert sein.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Kette für ein oben beschriebenes Kettenantriebssystem bereitgestellt. Die Kette besteht somit aus Kettenelementen, die beispielsweise Permanentmagnete aufweisen oder besteht zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Material, wie zum Beispiel Blechmetall. Auch eine Kombination ist möglich, so dass die Kettenelemente aus Blechmetall bestehen und gleichzeitig Permanentmagnete aufweisen.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Kettenführung für ein oben beschriebenes Kettenantriebssystem bereitgestellt. Die Kettenführung weist insbesondere Magnetfelderreger, beispielsweise Spulen, auf, die die Kette mit oben erwähnten Eigenschaften direkt durch das Magnetfeld antreiben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug, wie zum Beispiel elektrisch betriebene Fahrräder (E-Bikes, Pedelecs) oder Kettenfahrzeuge mit einem oben beschriebenen Kettenantriebssystem bereitgestellt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Kettensäge mit einem oben beschriebenen Kettenantriebssystem bereitgestellt.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
- 1 ein Kettenantriebssystem gemäß einer Ausführungsform,
- 2 Kettenelemente aus Blech gemäß einer Ausführungsform,
- 3 Kettenelemente aus Blechmetall mit Permanentmagneten gemäß einer Ausführungsform,
- 4 ein Schwert einer Kettensäge,
- 5 ein Schwert einer Kettensäge gemäß einer Ausführungsform,
- 6 ein Fahrrad mit einem Kettenantriebssystem gemäß einer Ausführungsform,
- 7 ein Blockdiagramm eines Kettenantriebssystems gemäß einer Ausführungsform.
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1 zeigt skizzenhaft ein Kettenantriebssystem 100, aufweisend eine Kettenführung 102 mit einem aktiven elektrischen Magnetfelderreger 106 zur Erzeugung eines wechselnden Magnetfeldes und einer Kette 104 mit den Kettenelementen 108, 110, 112, z.B. Schneidzähnen 108, Antriebsgliedern 110 und Verbindungsgliedern 112 einer Sägekette. Der Magnetfelderreger 106 ist z.B. ein Statorzahn, der mit den Windungen einer Spule 106 umwickelt ist. Das Kettenantriebssystem 100 ist konfiguriert, um in der Kettenführung 102 zu laufen und um passiv auf das von den Magnetfelderregern 106 erzeugte Magnetfeld zu reagieren. Die Kettenführung 102 ist konfiguriert, die Kette 104 durch das erzeugte, wechselnde Magnetfeld direkt anzutreiben. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 nur zwei Statorzähne 106 eingezeichnet.
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2 zeigt schematisch Kettenelemente 108, 110, 112 einer herkömmlichen Anordnung 200 zu Kettenelementen 208, 210, 212 aus Blech gemäß einer Ausführungsform 201. Das Blech ist vorzugsweise ein weichmagnetisches Elektroblech, das von der Festigkeit her für die Zugkräfte bzw. für die Belastungen ausgelegt ist. Die Kette kann zu den magnetisch leitfähigen Blechelementen an jedem Glied zusätzlich ein von den Blechen verschiedenes Material, z.B. ein Trägermaterial, aufweisen, das so ausgelegt ist, dass die Kette den mechanischen Belastungen standhält.
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3 zeigt schematisch Kettenelemente 108, 110, 112 einer herkömmlichen Anordnung 300 im Vergleich zu einer Anordnung 301 gemäß einer Ausführungsform. Die Kettenelemente 208, 210, 212 aus Blechmetall sind in dieser Ausführungsform mit den Permanentmagneten 302 ausgestattet.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die Abstände zwischen den Magnetfelderregern kein ganzzahliges Vielfaches oder gleich dem Abstand zweier Antriebsglieder 110, so dass immer auf eines der Antriebsglieder 110 eine Zugkraft wirkt und ein gleichmäßiger Lauf der Kette in einer bestimmten Richtung erreicht werden kann. Dadurch, dass das Antriebsglied 110 das Magnetfeld in dessen Richtung verläuft, entstehen keine Wirbelströme. Der Vorteil eines derartigen Reluktanzmotors ist der Umstand, dass Verluste praktisch nur im ruhenden und somit von außen gut kühlbaren Stator entstehen.
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4 zeigt ein herkömmliches Schwert 400 einer Kettensäge, während 5 ein Schwert 500 einer Kettensäge 510 gemäß einer Ausführungsform darstellt, das entlang seiner umlaufenden Kante 502 elektrische Magnetfelderreger 106 aufweist. In dem Schwert können auch weitere Komponenten wie z.B. Leistungselektronikkomponenten und/oder eine Steuereinheit integriert sein. In der Anordnung ist zu erkennen, dass es sich um einen quasi-linearen Elektromotor handelt. Da die Kräfte beim linearen Elektromotor sowohl transversal als auch radial wirken, können die Kettenglieder nicht nur in der gewünschten Umlaufrichtung angetrieben, sondern es kann auch eine sich überlagernde radiale Schwingung erzeugt werden, so dass neben einer optimalen Schnittkraft und Schnittgeschwindigkeit auch neue, dem zu schneidenden Material angepasste Schnittmuster ermöglicht werden.
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Weiterhin kann eine Kettenbremse in das Schwert integriert werden. Die Sicherheit kann beispielsweise insbesondere bezüglich eines sogenannten Kickbacks, also eines Rückschlags, der beispielsweise entsteht, wenn die Kette an der vorderen Seite an dem zu sägenden Material hängenbleibt, so dass das Schwert nach oben zurückgeschlagen wird, erhöht werden. Dies wird zum Beispiel durch eine entsprechende Steuerung der Leistungselektronik bzw. durch eine Leistungselektronikschaltung erreicht, die das Verhalten der Kettensäge 510 überwacht. Hierbei können auch Sensoren zur Anwendung kommen, die z.B. eine plötzliche Lageänderung oder eine plötzliche Änderung der Kraft, des elektrischen Stromes oder der Geschwindigkeit der Kette 104 detektieren. Durch eine derartige, integrierte elektrische Kettenbremse wird eine mechanische Kettenbremse überflüssig, was zu einer Kosten- und Gewichtsersparnis führt.
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Durch eine entsprechende Anordnung der Komponenten kann ferner die Gewichtsverteilung optimiert werden.
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Weiterhin können neue „Schnittverfahren“ durch z.B. überlagerte, aktiv eingebrachte Vibrationen in verschiedene Koordinatenrichtungen zur Anwendung kommen.
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6 zeigt ein Fahrrad 600 mit einem Kettenantriebssystem 100 gemäß einer Ausführungsform, das mit einer Batterie 120 und einem Kettenantriebssystem 102, 104 ausgestattet ist. Die Führungsschiene 102 mit den Komponenten zur Erzeugung des elektrischen Magnetfelds und somit, in Kombination mit der Kette 104, zur Erzeugung der Antriebskraft befindet sich zwischen der Pedalachse 602 und der Hinterachse 604. Die Führungsschiene kann z.B. Teil des Kettenschutzblechs sein. Ansicht 610 zeigt das Kettenantriebssystem in einer Seitenansicht und Ansicht 620 in einer Draufsicht.
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Es ist ersichtlich, dass vorteilhafterweise nur bisher ungenutzter Raum in Anspruch genommen wird. Ferner ist eine Rekuperation möglich. Weiterhin ist vorteilhaft, dass das Kettenantriebssystem nachträglich als sogenanntes Kit eingebaut werden kann.
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7 zeigt ein Blockdiagramm eines Kettenantriebssystems 100 mit einer Steuerung 122, einer Leistungskomponenteneinheit 124, einer Magnetfelderregereinheit 106 und einer Kette 104 mit magnetischen Eigenschaften gemäß einer Ausführungsform. Eine Stromversorgungseinheit 120, die z.B. eine Batterie und weitere Leistungskomponenten aufweist, versorgt die Einheiten 122, 124, 106 für die elektrische Magnetfelderzeugung mit der notwendigen Energie. Die Steuerung 122 sendet ein Steuersignal an die Leistungskomponenten 124, mit dem z.B. die Geschwindigkeit und gegebenenfalls die Richtung sowie eine überlagerte Vibration der Kette 104 gesteuert werden kann. Die Steuerung sorgt hierbei insbesondere durch die Beziehung des vektoriellen elektrischen Magnetfeldes zur Position der Kettenglieder, die aus Blechmetall bestehen und/oder mit Permanentmagneten bestückt sind, dafür, dass eine Fortbewegung der Kette erreicht wird.
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Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann bei der Durchführung der beanspruchten Erfindung durch das Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Vielzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander abhängigen Ansprüchen angegeben sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann. Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Ansprüche begrenzen.
