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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Statorkerns in Haarnadelbauweise gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, einen entsprechenden Statorkern sowie einen elektrischen Motor.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, Rotor- und auch Statorwicklungen für elektrische Maschinen mittels der sog. Haarnadel- oder auch Hairpin-Wickeltechnologie herzustellen. Beim Haarnadel-Wickeln werden die einzeln aus Leiterdraht, insbesondere isoliertem Kupferdraht, z. B. U- oder V-förmig vorgeformten Haarnadeln in entsprechende Rotor- bzw. Statornuten eingeführt und dann die an einer Stirnseite des Rotors bzw. Stators hervorstehenden Haarnadel-Enden elektrisch verbunden. Die Haarnadel-Enden können beispielsweise verschweißt werden.
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In diesem Zusammenhang ist aus der
DE 103 21 702 A1 ein sog. haarnadelgewickelter Stator bekannt, der einen hohlzylindrischen Statorkern aufweist, in dessen Innenmantelfläche sich lateral erstreckende Schlitze ausgebildet sind. In jedem dieser Schlitze sind vier im Querschnitt etwa rechteckige elektrische Leiter eingesetzt, die mittig U-förmig gebogen sind und auch als Haarnadel-Leiter oder Hairpin-Leiterstäbe bezeichnet werden. Im Bereich der Schlitze sind die Schenkel der Hairpin-Leiterstäbe isoliert, um eine elektrische Kontaktierung mit in dem gleichen Statorschlitz angeordneten anderen Hairpin-Leiterstäben sowie mit dem Statorkern zu verhindern. Lediglich an den freien Enden der Hairpin-Leiterstäbe ist kein Isolationsmaterial vorhanden, um eine elektrische Kontaktierung mit anderen Hairpin-Leiterstäben zu ermöglichen. Die freien Enden der Hairpin-Leiterstäbe ragen aus dem Statorkern axial heraus, während deren umgebogener Abschnitt den Wicklungskopf des Stators bildet. Um die Statorwicklung herzustellen, werden die beiden freien Enden eines jeden U-förmigen Hairpin-Leiterstabes dann in Umfangsrichtung des Statorkerns umgebogen. Anschließend werden die freien Enden eines jeden Hairpin-Leiterstabes mit mehr oder minder weit entfernt angeordneten weiteren Hairpin-Leiterstäben elektrisch leitend verbunden.
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Aus der
DE 10 2012 219 668 A1 ist zudem ein Verfahren bekannt, bei dem die freien Enden von zwei zu verbindenden Hairpin-Leiterstäben rein mechanisch durch ein kappenförmiges, elektrisch leitendes Verbindungsbauteil verbunden werden. Anschließend wird dieses Verbindungsbauteil mit einer aus einem Isolator gebildeten Kappe bedeckt. Somit können die Haarnadelwicklungen des Stators ohne einen Schweißvorgang hergestellt werden.
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Der Anmelderin ist es weiterhin bekannt, dass die Haarnadel-Leiterstäbe an den Verbindungsstellen nach dem Verbinden mit einer Polymerbeschichtung, z.B. Pulver-, Silikon- oder Harzbeschichtung) versehen werden können. Polymerbeschichtungen weisen dabei gegenüber einem als Kühlmittel verwendeten Öl antikorrosive Eigenschaften auf.
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Die bekannten Verfahren zum elektrischen Verbinden der Enden von je zwei benachbarten Haarnadel-Leiterstäben sind jedoch dahingehend nachteilig, als dass zum Verbinden der Enden die Isolierung der Haarnadel -Leiterstäbe zumindest lokal entfernt werden muss, so dass blanke Kupferstellen entstehen. Zur Kühlung des Stators bzw. der Hairpin-Leiterstäbe wird jedoch in zunehmendem Maße, insbesondere bei leistungsstarken Elektromotoren, auf Öl zurückgegriffen. Öl kann dabei eine korrosive Wirkung auf das Kupfer haben, so dass Fehlstellen im Kupfer entstehen. Sofern jedoch gemäß dem Stand der Technik auf eine Pulverbeschichtung als antikorrosive Isolierung zurückgegriffen wird, besteht die Gefahr, dass die Beschichtung durch das umspülende Öl abgelöst wird und in Form von kleinen Körnern in das Öl übergeht, was die Qualität des Öls verschlechtert. Sofern stattdessen auf eine bekannte Polymerbeschichtung mit verhältnismäßig hoher Schichtdicke wir z.B. eine Silikonbeschichtung zurückgegriffen wird, wird die Wärmeabfuhr von den Haarnadel-Leiterstäben in das Öl deutlich verschlechtert. Zudem besteht bei den bekannten Verfahren die Gefahr, dass das Beschichtungsmedium zwischen benachbarten Enden der Haarnadel-Leiterstäben Brücken ausbildet.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Statorkerns in Haarnadelbauweise vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur Herstellung eines Statorkerns in Haarnadelbauweise gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Statorkerns in Haarnadelbauweise, wobei Haarnadeln ringförmig umlaufend im Statorkern angeordnet werden, wobei Verbindungsenden der im Statorkern angeordneten Haarnadeln gebogen werden, so dass jeweils zwei Verbindungsenden unterschiedlicher Haarnadeln benachbarte Verbindungsenden darstellen, wobei die Haarnadeln zumindest im Bereich abseits der Verbindungsenden eine elektrische Isolierung aufweisen und wobei die benachbarten Verbindungsenden elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ausschließlich die Verbindungsenden anschließend mit einer antikorrosiven Beschichtung versehen werden.
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Die Erfindung beschreibt also ein Verfahren zur Herstellung eines Statorkerns, wobei der Statorkern in der sog. Haarnadelbauweise hergestellt werden soll. Für die Haarnadelbauweise werden sog. Haarnadeln oder auch Hairpins in der Regel in Öffnungen des Statorkerns eingesetzt, so dass die Haarnadeln am radialen Umfang des Statorkerns angeordnet sind. Die Haarnadeln sind dabei bevorzugt aus Kupferdraht hergestellt, insbesondere aus Kupferdraht mit einem rechtwinkligen Querschnitt, und derart U-förmig vorgebogen, dass die beiden axialen Enden einer Haarnadel, welche die Verbindungsenden im Sinne der Erfindung darstellen, im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind und in die gleiche Richtung weisen. Nach der Anordnung der Haarnadeln im Statorkern werden die Haarnadeln derart gebogen, dass jeweils zwei Verbindungsenden unterschiedlicher Haarnadeln benachbarte Verbindungsenden darstellen. Unter benachbarten Verbindungsenden werden im Sinne der Erfindung jeweils zwei Verbindungsenden verstanden, die füreinander nächste Nachbarn darstellen und ggf. sogar aneinander anliegen können, also mechanisch miteinander in Kontakt stehen können. Die Haarnadeln weisen weiterhin eine elektrische Isolierung auf, beispielsweise in Form einer elektrisch isolierenden Belackung bzw. Polymerbeschichtung. Diese elektrische Isolierung bedeckt die Haarnadeln entweder vollständig oder nur abseits der Verbindungsenden, so dass die Verbindungsenden also auch frei von der elektrischen Isolierung sein können. Nachdem die Haarnadeln wie beschrieben gebogen wurden, werden die jeweils benachbarten Verbindungsenden elektrisch leitend miteinander verbunden, z.B. durch Löten, durch Schweißen oder, was ebenfalls denkbar ist, durch mechanische Steckverbindungen. Sofern die Verbindungsenden mit einer elektrischen Isolierung versehen sind, wird diese entweder vor dem Verbinden oder spätestens beim Verbinden der benachbarten Verbindungsenden entfernt. Wenn die benachbarten Verbindungsenden miteinander elektrisch leitend verbunden wurden, werden sie erfindungsgemäß anschließend mit einer antikorrosiven Isolierung versehen, wobei die antikorrosive Isolierung ausschließlich die Verbindungsenden bedeckt.
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Die Erfindung führt somit dazu, dass die antikorrosive Isolierung ausschließlich auf denjenigen Bereichen der Oberfläche der Haarnadeln angebracht wird, die gegen Korrosion durch das umgebende, als Kühlmittel verwendete Öl geschützt werden müssen, nämlich das blanke Kupfer. Dies wiederum führt zu dem Vorteil, dass nur eine minimale Menge der antikorrosiven Isolierung aufgebracht wird. Somit wird die Wärmeleitfähigkeit nur minimal beeinflusst, ebenso reduziert sich das Risiko, dass Teile der antikorrosiven Isolierung von den Haarnadeln abgespült werden und ins Öl übergehen. Gleichzeitig wird der Materialbedarf reduziert, was wiederum zu geringeren Herstellungskosten führt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die elektrische Isolierung ein elektrisch isolierender Lack ist. Die Verwendung eines elektrisch isolierenden Lacks für die elektrische Isolierung stellt dabei eine sehr einfache wie auch kostengünstige Methode dar, die in der Regel drahtartig ausgebildeten Haarnadeln elektrisch zu isolieren. Bevorzugt weist der Lack eine Ausbildungsform auf, welche die Haarnadeln auch gegenüber Korrosion durch das umgebende, zur Kühlung verwendete Öl schützt, sogar bei vergleichsweise hohen Temperaturen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Haarnadeln zunächst vollständig mit dem elektrischen Isolator versehen sind und spätestens während eines Verbindens der Verbindungsenden zumindest teilweise von der elektrischen Isolierung befreit werden. Beispielsweise kann ein Draht, aus welchem die Haarnadeln durch Abtrennen und Biegen hergestellt werden, zunächst vollständig mit dem elektrischen Isolator versehen werden. Dies stellt eine vergleichsweise einfache Methode dar, eine Vielzahl von Haarnadeln mit dem elektrischen Isolator zu versehen. Um die Verbindungsenden elektrisch leitend miteinander verbinden zu können, muss die elektrische Isolierung spätestens während des Verbindens entfernt werden. Dies kann beispielsweise durch mechanische Verfahren erfolgen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die benachbarten Verbindungsenden mittels eines Schweißprozesses elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Ein Schweißprozess ermöglicht in der Regel eine zuverlässige und elektrisch sehr gut leitende Verbindung. Zudem kann der Schweißprozess vorteilhaft automatisiert durchgeführt werden, beispielsweise mittels eines hierfür ausgebildeten Roboters.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die antikorrosive Isolierung mittels eines chemischen Prozesses als Beschichtung auf die Verbindungsenden aufgebracht wird. Eine in einem chemischen Prozess aufgebrachte Beschichtung weist eine chemische Verbindung, d.h. eine Verbindung auf atomarer oder molekularer Ebene, mit dem jeweiligen Verbindungsende auf, beispielsweise mit dem Kupfer des jeweiligen Verbindungsendes. Dementsprechend ist eine derartige Beschichtung in der Regel vergleichsweise fest und nur schwer lösbar, insbesondere durch das umgebende und zur Kühlung verwendete Öl nur schwer lösbar. Weiterhin kann die Beschichtung vergleichsweise dünn sein, z.B. nur wenige Atomlagen oder Moleküllagen, so dass eine Wärmeleitung von den Verbindungsenden ins Öl nicht oder nur minimal beeinträchtigt wird. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der chemische Prozess vorteilhaft derart ausgebildet sein kann, dass die chemische Verbindung ausschließlich zwischen dem elektrisch unisolierten Verbindungsende, also beispielsweise dem Kupfer, und der antikorrosiven Isolierung erfolgt. Somit ist von vornherein sichergestellt, dass die antikorrosiven Isolierung ausschließlich die Verbindungsenden bedeckt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Beschichtung eine metallische Beschichtung ist. Eine metallische Beschichtung eignet sich vorteilhaft als in einem chemischen Prozess aufbringbare Beschichtung, da die Verbindungsenden ihrerseits aus Kupfer, also ebenfalls einem Metall, bestehen, so dass sich eine ganz besonders feste chemische Verbindung der Beschichtung mit den Verbindungsenden ergibt. Zudem können Metalle in vielen Fällen eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber Hitze und Öl aufweisen. Dadurch wird weiterhin auch begünstigt, dass die antikorrosiven Isolierung ausschließlich die Verbindungsenden bedeckt.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Beschichtung eine Nickel-Beschichtung, eine Silber-Beschichtung und/oder eine Gold-Beschichtung ist. Diese Metalle bzw. diese Beschichtungen haben sich dabei als besonders geeignet für die Korrosionsbeständigkeit gegenüber Hitze und Öl erwiesen.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die antikorrosive Isolierung während des chemischen Prozesses als Elektrolyt bereitgestellt wird. Somit kann der Statorkern auf einfache Weise in ein den Elektrolyten enthaltendes Bad eingetaucht werden, so dass die chemische Verbindung zwischen der metallischen Beschichtung, welche die antikorrosive Isolierung darstellt, und den Verbindungsenden entstehen kann. Indem die elektrische Isolierung ausschließlich im Bereich der Verbindungsenden entfernt wurde, kann auch ausschließlich hier eine Verbindung des Kupfers der Verbindungsenden mit dem Metall der Metallsalzlösung entstehen. Somit sind also auch in diesem Fall ausschließlich die Verbindungsenden mit der antikorrosiven Isolierung versehen.
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Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der chemische Prozess unter einer Strombeaufschlagung erfolgt. In diesem Fall handelt es sich bevorzugt um einen sog. Galvanisierungsprozess. Ein Galvanisierungsprozess ermöglicht über das Vorgeben einer Stromstärke und über eine ebenfalls vorgebbare Zeitdauer eine weitgehend exakte Steuerung der Entstehung der Beschichtung, insbesondere der Ablagerungsgeschwindigkeit der Beschichtung auf dem Kupfer sowie der Dicke der Beschichtung auf dem Kupfer. Da der elektrische Strom zudem ausschließlich über die Verbindungsenden fließen kann, welche keine elektrische Isolierung aufweisen, ist auch in diesem Fall einfach und wirkungsvoll gewährleistet, dass die antikorrosive Isolierung ausschließlich die Verbindungsenden bedeckt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Statorkern in Haarnadelbauweise. Der erfindungsgemäße Statorkern zeichnet sich dadurch aus, dass er nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Statorkern.
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Die Erfindung betrifft schließlich auch einen elektrischen Motor. Der erfindungsgemäße elektrische Motor zeichnet sich dadurch aus, dass er einen erfindungsgemäßen Statorkern umfasst.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform einer sog. Haarnadel,
- 2 beispielhaft und schematisch eine Vielzahl von Haarnadeln, welche ringförmig umlaufend in einem Statorkern angeordnet sind,
- 3 beispielhaft und schematisch einen Ausschnitt der 2 mit einer Vielzahl von Haarnadeln und
- 4 eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Statorkerns in Haarnadelbauweise in Form eines Flussdiagramms.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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1 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform einer sog. Haarnadel 1. Die Haarnadel 1 besteht beispielsgemäß aus einem U-förmig vorgebogenen Kupferdraht mit rechteckigem Querschnitt. Sie weist zwei Verbindungsenden 2,2' auf sowie einen Bereich 3 abseits der Verbindungsenden 2, 2'. Der Bereich 3 weist zudem eine elektrische Isolierung in Form eines elektrisch isolierenden Lacks (nicht dargestellt in 1) auf. Der Lack stellt gleichzeitig auch eine antikorrosive Isolierung dar, welche den Bereich 3 vor korrosiven Einflüssen durch Öl und Hitze schützt.
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2 zeigt beispielhaft und schematisch eine Vielzahl von Haarnadeln 1, welche ringförmig umlaufend in einem Statorkern 4 angeordnet sind. Wie zu sehen ist, sind die Verbindungsenden 2, 2' in der Darstellung der 2 nach oben ausgerichtet und derart gebogen, dass jeweils zwei Verbindungsenden 2, 2' unterschiedlicher Haarnadeln 1 benachbarte Verbindungsenden 2, 2' darstellen. Der Statorkern 4 ist zur Verwendung in einem Elektromotor (nicht dargestellt in 2) vorgesehen. Aufgrund der durch die Haarnadeln 1 im Betrieb des Elektromotors fließenden elektrischen Ströme, können sie hohe Temperaturen erreichen, was eine Kühlung in der Regel durch Öl erforderlich macht.
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3 zeigt beispielhaft und schematisch einen Ausschnitt der 2 mit einer Vielzahl von Haarnadeln 1. Wie zu sehen ist, sind benachbarte Verbindungsenden 2, 2' unterschiedlicher Haarnadeln 1 jeweils parallel und aneinander anliegend ausgerichtet. Dadurch können sie beispielsgemäß mittels eines dafür eingerichteten Roboters paarweise miteinander verschweißt werden, so dass eine elektrisch leitende Verbindung entsteht.
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4 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Statorkerns 4 in Haarnadelbauweise in Form eines Flussdiagramms. In Verfahrensschritt 10 werden zunächst U-förmig vorgebogene Haarnadeln 1 ringförmig umlaufend im Statorkern 4 angeordnet. Im folgenden Verfahrensschritt 11 werden Verbindungsenden 2, 2' der im Statorkern 4 angeordneten Haarnadeln 1 gebogen, so dass jeweils zwei Verbindungsenden 2,2' unterschiedlicher Haarnadeln 1 benachbarte Verbindungsenden 2,2' darstellen. Die Haarnadeln 1 weisen dabei zumindest im Bereich 3 abseits der Verbindungsenden 2, 2' eine elektrische Isolierung auf, beispielsgemäß in Form eines elektrisch isolierenden Lacks. Der elektrisch isolierende Lack wirkt dabei auch als antikorrosive Isolierung gegenüber Öl und Hitze. In Verfahrensschritt 12 werden die die benachbarten Verbindungsenden 2, 2' elektrisch leitend miteinander verbunden, beispielsgemäß mittels eines Schweißprozesses.. Im folgenden Verfahrensschritt 13 nun wird der Statorkern 4 in ein Bad eingebracht, welches einen metallhaltigen Elektrolyten, beispielsgemäß ein nickelhaltiger Elektrolyt, enthält. In Schritt 14 werden die Haarnadeln 1 im Statorkern 4 und der Elektrolyt mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, so dass ein chemischer Prozess bzw. eine Galvanisierung einsetzt, welche dazu führt dass das Metall des Elektrolyten sich in Schritt 15 als antikorrosive Isolierung in Form einer Beschichtung auf den Verbindungsenden 2, 2' ablagert. Dabei werden ausschließlich die Verbindungsenden 2, 2' mit der antikorrosiven Isolierung versehen, da ausschließlich hier eine Wechselwirkung mit der blanken Kupferoberfläche stattfinden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Haarnadel
- 2, 2'
- Verbindungsenden
- 3
- Bereich abseits der Verbindungsenden
- 4
- Statorkern
- 10
- Anordnung der Haarnadeln im Statorkern
- 11
- Biegen der Haarnadeln
- 12
- Verbinden der Verbindungsenden
- 13
- Einbringen in Metallsalzlösung
- 14
- Strombeaufschlagung der Haarnadeln und der Metallsalzlösung
- 15
- Versehen der Verbindungsenden mit der antikorrosiven Isolierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10321702 A1 [0003]
- DE 102012219668 A1 [0004]
