DE102020203623A1 - Schaltung und Verfahren zur Ansteuerung einer elektromechanischen Haltebremse, Frequenzumrichter und System - Google Patents

Schaltung und Verfahren zur Ansteuerung einer elektromechanischen Haltebremse, Frequenzumrichter und System Download PDF

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Abstract

Schaltung (1000) zur Ansteuerung einer elektromechanischen Haltebremse (2), aufweisend:- mindestens einen Einweggleichrichter (3, 4), der aus einer Netzwechselspannung (UL1, UL2) eine gepulste Gleichspannung (UB) erzeugt, und- eine Phasenabschnitt-Schaltung (100), die dazu ausgebildet ist, aus der gepulsten Gleichspannung (UB) mittels Phasenabschnitt ein Ansteuersignal (ubr, ibr) für die elektromechanische Haltebremse (2) zu erzeugen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektromechanischen Haltebremse, einen Frequenzumrichter und ein elektrisches Antriebssystem.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung und ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektromechanischen Haltebremse, einen Frequenzumrichter und elektrisches Antriebssystem zur Verfügung zu stellen, die möglichst flexibel einsetzbar sind.
  • Die erfindungsgemäße Schaltung dient zur Ansteuerung einer elektromechanischen Haltebremse bzw. Federkraftbremse, wie diese typisch zum Festsetzen einer Abtriebswelle eines Elektromotors verwendet werden. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
  • Die Schaltung weist mindestens einen, insbesondere ungesteuerten, Einweggleichrichter auf, der aus einer Netzwechselspannung bzw. einer Phasenspannung der Netzwechselspannung eine gepulste Gleichspannung erzeugt. Der Einweggleichrichter, auch als Einzweigschaltung bezeichnet, richtet nur eine Halbschwingung der Netzwechselspannung gleich, die andere wird nicht verwendet, so dass die gepulste Gleichspannung entsteht. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
  • Die Schaltung weist weiter eine Phasenabschnitt-Schaltung auf, die dazu ausgebildet ist, aus der gepulsten Gleichspannung mittels Phasenabschnitt ein Ansteuersignal, beispielsweise in Form einer Ansteuerspannung und/oder eines Ansteuerstroms, für die elektromechanische Haltebremse bzw. deren Ansteuerspule zu erzeugen. Hinsichtlich der grundlegenden Funktionen und Schaltungen zur Phasenabschnittsteuerung sei ebenfalls auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Schaltung weiter einen Haltebremsen-Anschluss mit einem ersten Anschlusspol und einem zweiten Anschlusspol und einen Kondensator auf, der zwischen den ersten Anschlusspol und den zweiten Anschlusspol eingeschleift ist. An den Haltebremsen-Anschluss ist bestimmungsgemäß eine Ansteuerspule der elektromechanischen Haltebremse anzuschließen, wobei nur bei ausreichender Bestromung der Ansteuerspule die elektromechanische Haltebremse ausrückt und eine Drehung ermöglicht.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Schaltung weiter ein erstes Schaltmittel und ein zweites Schaltmittel auf, wobei das erste Schaltmittel, der Kondensator und das zweite Schaltmittel in Reihe zwischen einen Ausgang des mindestens einen Einweggleichrichters und ein negatives Zwischenkreispotential eingeschleift sind.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Schaltung weiter eine erste Diode auf, die in Sperrrichtung zwischen den ersten Anschlusspol und das negative Zwischenkreispotential eingeschleift ist, und eine zweite Diode auf, die in Durchlassrichtung zwischen den zweiten Anschlusspol und ein positives Zwischenkreispotential eingeschleift ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Schaltung weiter eine Steuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, das erste Schaltmittel und das zweite Schaltmittel derart anzusteuern, dass das Ansteuersignal für die elektromechanische Haltebremse unabhängig von einer Amplitude bzw. einem Effektivwert der Netzwechselspannung einem für die elektromechanische Haltebremse vorgesehenen Ansteuersignal, beispielsweise einem Spannungsnennwert der Haltebremse, entspricht.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist das Ansteuersignal eine Ansteuerspannung, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das erste Schaltmittel und das zweite Schaltmittel derart anzusteuern, dass die Ansteuerspannung für die elektromechanische Haltebremse unabhängig von einer Amplitude der Netzwechselspannung im zeitlichen Mittel einen vorgegebenen Pegel aufweist, der beispielsweise einer Nennspannung der elektromechanischen Haltebremse entspricht. Der Pegel bzw. die Nennspannung kann beispielsweise 180 V betragen.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, das erste Schaltmittel zu schließen, sobald die gepulste Gleichspannung einen vorgegebenen Schwellenpegel unterschreitet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, das erste Schaltmittel zu schließen, sobald die gepulste Gleichspannung ihren Minimalwert aufweist.
  • Der erfindungsgemäße Frequenzumrichter dient zur Ansteuerung eines Elektromotors und einer elektro-mechanischen Haltebremse, die herkömmlich zum Festsetzen einer Abtriebswelle des Elektromotors dient.
  • Der Frequenzumrichter weist eine oben beschriebene Schaltung auf.
  • Der Frequenzumrichter weist weiter einen herkömmlichen (Gleichspannungs-) Zwischenkreis auf. Der Zwischenkreis weist herkömmlich einen ersten Zwischenkreisleiter auf, auf dem das positive Zwischenkreispotential ansteht, und einem zweiten Zwischenkreisleiter auf, auf dem das negative Zwischenkreispotential ansteht. Eine Differenz zwischen dem positiven Zwischenkreispotential und dem negativen Zwischenkreispotential entspricht einer Zwischenkreisspannung. Die Zwischenkreisleiter können mit Zwischenkreisanschlüssen des Frequenzumrichters verbunden sein, die zum Anschließen des Frequenzumrichters an einen Zwischenkreisverbund dienen. Die Zwischenkreisleiter können zusätzlich oder alternativ mit einem ein- oder mehrphasigen Gleichrichter des Frequenzumrichters verbunden sein, der aus einer Netzwechselspannung durch Gleichrichten die Zwischenkreisspannung erzeugt. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. Die Netzwechselspannung des Frequenzumrichters kann der Netzwechselspannung der Schaltung zur Ansteuerung der elektromechanischen Haltebremse entsprechen.
  • Der Frequenzumrichter weist weiter einen Wechselrichter auf, der dazu ausgebildet ist, aus einer Differenz zwischen dem positiven Zwischenkreispotential und dem negativen Zwischenkreispotential, d.h. der Zwischenkreisspannung, Ansteuerspannungen für den Elektromotor zu erzeugen. Insoweit sei ebenfalls auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
  • Das elektrische Antriebssystem weist einen oben beschriebenen Frequenzumrichter, eine elektromechanische Haltebremse und einen Elektromotor auf.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Ansteuerung einer elektromechanischen Haltebremse und weist folgende Schritte auf: Erzeugen einer gepulsten Gleichspannung durch Einweggleichrichten einer Netzwechselspannung, und Erzeugen eines Ansteuersignals für die elektromechanische Haltebremse mittels Phasenabschnittssteuerung der gepulsten Gleichspannung.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird nach einer vorgegebenen Einschaltzeitdauer das Ansteuersignal, insbesondere in Form einer Ansteuerspannung, derart verändert bzw. verringert, dass ein Strom in die elektromechanische Haltebremse abnimmt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
    • 1 eine erfindungsgemäße Schaltung zur Ansteuerung einer elektromechanischen Haltebremse,
    • 2 Signalverläufe über der Zeit der in 1 gezeigten Schaltung und
    • 3 ein elektrisches Antriebssystem mit einem erfindungsgemäßen Frequenzumrichter, einem Elektromotor und einer elektromechanischen Haltebremse.
  • 1 zeigt eine Schaltung 1000 zur Ansteuerung einer herkömmlichen elektromechanischen Haltebremse 2.
  • Die Schaltung 1000 weist einen Einweggleichrichter in Form einer Gleichrichterdiode 3 auf, wobei der Einweggleichrichter bzw. die Gleichrichterdiode 3 aus einer Netzwechselspannung bzw. einer zugehörigen Netz-Phase UL1 eine gepulste Gleichspannung UB erzeugt. Die Schaltung kann optional einen weiteren Einweggleichrichter 4 in Form einer weiteren Gleichrichterdiode aufweisen, wobei der Einweggleichrichter bzw. die Gleichrichterdiode 4 aus einer weiteren Netzwechselspannung bzw. einer zugehörigen Netz-Phase UL2 in Verbindung mit der Gleichrichterdiode 3 die gepulste Gleichspannung UB erzeugt.
  • Die Schaltung 1000 weist weiter eine Phasenabschnitt-Schaltung 100 auf, die dazu ausgebildet ist, aus der gepulsten Gleichspannung UB mittels Phasenabschnitt, siehe 2, ein Ansteuersignal in Form einer Ansteuerspannung ubr bzw. eines Ansteuerstroms ibr für die elektromechanische Haltebremse 2 bzw. deren Ansteuerspule 2a zu erzeugen.
  • Die Schaltung 1000 weist einen Haltebremsen-Anschluss 5 mit einem ersten Anschlusspol 5a und einem zweiten Anschlusspol 5b auf, an den korrespondierende Anschlusspole der elektromechanischen Haltebremse 2 bzw. deren Ansteuerspule 2a anzuschließen bzw. angeschlossen sind.
  • Die Schaltung 1000 weist einen Kondensator 6 auf, der zwischen den ersten Anschlusspol 5a und den zweiten Anschlusspol 5b eingeschleift ist.
  • Die Schaltung 1000 weist weiter einen Shunt-Widerstand 12 zur Strommessung auf.
  • Die Schaltung 1000 weist weiter ein erstes Schaltmittel 7 und ein zweites Schaltmittel 8 auf, jeweils beispielsweise in Form von Schalttransistoren, wobei das erste Schaltmittel 7, der Kondensator 6, das zweite Schaltmittel 8 und der Shunt-Widerstand 12 in Reihe zwischen einen Ausgang 3a des Einweggleichrichters 3, 4 und ein negatives Zwischenkreispotential UZK- eingeschleift sind.
  • Die Schaltung 1000 weist weiter eine erste Diode 9 und eine zweite Diode 10 auf. Die Anode der ersten Diode 9 ist mit dem negativen Zwischenkreispotential UZK- verbunden und die Kathode der ersten Diode 9 ist mit dem ersten Anschlusspol 5a verbunden. Die Anode der zweiten Diode 10 ist mit dem zweiten Anschlusspol 5b verbunden und die Kathode der zweiten Diode 10 ist mit einem positiven Zwischenkreispotential UZK+ verbunden.
  • Die Schaltung 1000 weist weiter eine Steuereinheit 11 auf, beispielsweise in Form eines Microcontrollers, die dazu ausgebildet ist, das erste Schaltmittel 7 und das zweite Schaltmittel 8 derart anzusteuern, dass das Ansteuersignal ubr bzw. ibr für die elektromechanische Haltebremse 2 unabhängig von einer Amplitude bzw. einem Effektivwert der Netzwechselspannung UL1 und/oder UL2 einem für die elektromechanische Haltebremse 2 vorgesehenen Ansteuersignal entspricht. Insbesondere ist die Steuereinheit 11 dazu ausgebildet, das erste Schaltmittel 7 und das zweite Schaltmittel 8 derart anzusteuern, dass ein Pegel der Ansteuerspannung ubr unabhängig von einer Amplitude bzw. einem Effektivwert der Netzwechselspannung UL1 und/oder UL2 einer Nennspannung, beispielsweise 180 V, für die elektromechanische Haltebremse 2 entspricht.
  • 3 zeigt ein elektrisches Antriebssystem mit einem Frequenzumrichter 2000, einem Elektromotor 300 mit einer Abtriebswelle 17 und der elektromechanischen Haltebremse 2. Die Haltebremse 2 dient herkömmlich zum Festsetzen der Abtriebswelle 17 des Elektromotors 300.
  • Der Frequenzumrichter 2000 dient zur Ansteuerung des Elektromotors 300 und der elektromechanischen Haltebremse 2.
  • Der Frequenzumrichter 2000 weist die Schaltung 1000 aus 1 auf.
  • Der Frequenzumrichter 2000 weist weiter einen Zwischenkreis 14 mit einem ersten Zwischenkreisleiter 15, auf dem das positive Zwischenkreispotential UZK+ ansteht, und einem zweiten Zwischenkreisleiter 16 auf, auf dem das negative Zwischenkreispotential UZK- ansteht. Eine Zwischenkreisspannung UZK entspricht der Differenz zwischen dem positiven Zwischenkreispotential UZK+ und dem negativen Zwischenkreispotential UZK-.
  • Der Frequenzumrichter 2000 weist weiter einen herkömmlichen Wechselrichter 13 auf, der dazu ausgebildet ist, aus der Zwischenkreisspannung UZK Ansteuerspannungen U, V, W für den Elektromotor 300 zu erzeugen.
  • Der Frequenzumrichter 2000 weist weiter einen dreiphasigen Gleichrichter 18 auf, der aus den Netzspannungen bzw. Netzphasen UL1, UL2 und UL3 die Zwischenkreisspannung UZK erzeugt.
  • 2 zeigt Signalverläufe über der Zeit der in 1 gezeigten Schaltung. Hierbei ist UB die gepulste Gleichspannung (bezogen auf das negative Zwischenkreispotential), ubr die Spannung zwischen den Anschlusspolen 5a und 5b, ibr der Strom in die Ansteuerspule 2a der elektromechanischen Haltebremse 2, SC1 ein Ansteuersignal für das erste Schaltmittel 7 und SC2 ein Ansteuersignal für das zweite Schaltmittel 8.
  • Die Steuereinheit 11 ist mit der Gleichspannung UB beaufschlagt, kennt daher deren Pegel, und ist mit einer am Shunt-Widerstand 12 abfallenden Spannung beaufschlagt, die in bestimmten Schaltzyklen dem Strom ibr entspricht. Basierend auf diesen Spannungen erzeugt die Steuereinheit 11 die Ansteuersignale SC1 und SC2.
  • In einem Zeitabschnitt a), der beispielsweise 300 ms dauert, werden beide Schaltmittel 7 und 8 geschlossen bzw. in einen leitenden Zustand versetzt, um den Ansteuerstrom ibr zu erhöhen, so dass die elektromechanische Haltebremse 2 schließlich lüftet und eine Drehung des Motors 300 bzw. eine Drehung der Abtriebswelle 17 freigibt. Dieses Starten kann beispielsweise mittels der Wahl eines geeigneten Zustands eines Signals BR_ON eingeleitet werden, das mittels des Frequenzumrichters 2000 erzeugt wird.
  • In einem Zeitabschnitt b) erfolgt ein Phasenabschnitt, während dem der Ansteuerstrom ibr auf einen Wert verringert und anschließend gehalten wird, der ein mittels der Ansteuerspule 2a erzeugtes Magnetfeld bewirkt, das für ein zuverlässiges Lüften der elektromechanischen Haltebremse 2 noch ausreicht.
  • In einem Zeitabschnitt c) werden beide Schaltmittel 7 und 8 geöffnet, um eine Schnellabschaltung der elektromechanischen Haltebremse 2 zu bewirken, d.h. die elektromechanische Haltebremse 2 fällt mit minimaler Verzögerung ein und verhindert dann eine Drehung der Motorwelle 17.
  • Erfindungsgemäß kann die Bremsenspannung ubr innerhalb gewisser Grenzen unabhängig von einer Amplitude bzw. einem Effektivwert der Netzspannung UL1 bzw. UL2 (bzw. UL3) eingestellt werden.
  • Die Schaltung 1000 wird herkömmlich aus einer oder zwei Netzspannungen bzw. Netzphasen UL1 und UL2 gespeist. Das Bezugspotential der Schaltung ist UZK-.
  • Das erste Schaltmittel 7 dient zur Einstellung der Ansteuerspannung ubr für die elektromechanische Haltebremse 2 mittels Phasenabschnitt. Das zweite Schaltmittel 8 ermöglicht eine Schnellabschaltung bzw. Entmagnetisierung der elektromechanischen Haltebremse 2 über die beiden Dioden 9 und 10. Die gespeicherte Energie wird dabei in den Zwischenkreis 14 zurückgespeist.
  • Der Kondensator 6 bewirkt, dass die abgeschnittene Sinusspannung keine steile Schaltflanke aufweist. Der Kondensator 6 übernimmt den Strom, sobald das Schaltmittel 7 abschaltet. Hierbei wird der Kondensator 6 bis auf ca. -0,7 V entladen.
  • Sobald die Spannung UB den tiefsten Punkt (ca. 0 V) erreicht hat, schaltet das Schaltmittel 7 wieder ein und erhöht wieder die Bremsenspannung ubr. Am Shunt-Widerstand 12 kann der Bremsenstrom ibr gemessen werden, was hauptsächlich zur Diagnose eines Kabelbruchs, eines Bremsenkurzschlusses, einer fehlerhaften Bremse, usw. dienen kann.
  • Die in einem Elektromotor verbaute elektromechanische Haltebremse 2 ist aufgrund der erfindungsgemäßen Schaltung 1000 nicht mehr abhängig von der Netzspannung UL1 bzw. UL2. Es kann beispielsweise eine 180 V Standardbremse für ein 230 V/AC bis 480 V/AC Netz verwendet werden. Herkömmlich sind hier drei verschiedene Ausführungen erforderlich.
  • Weiterhin ist eine Verlustleistungsreduzierung durch Stromabsenkung möglich, indem beispielsweise ein Pegel der Ansteuerspannung ubr nach einer vorgegebenen Einschaltzeitdauer, beispielsweise 300 ms, reduziert wird. Dies ermöglicht eine höhere Energieeffizienz und verhindert ein Durchbrennen der Bremse bei tiefen Drehzahlen (schlechte Motorkühlung).
  • Weiter ist eine Kurzschlussfestigkeit der Bremsenanschlüsse 5a, 5b untereinander und gegen ein Bezugspotential, beispielswiese Erdpotential, möglich, da die beiden Schaltmittel 7 und 8 im Kurzschlussfall nicht umgepolt werden können. Ein Umrichter wird somit nicht mehr zerstört, wenn die Bremse einen Erdschluss aufweist.
  • Aufgrund des Flankenverlangsamungskondensators 6 kann nun die Sinushalbwelle angeschnitten werden und so eine beliebige Bremsenspannung ubr generiert werden.

Claims (12)

  1. Schaltung (1000) zur Ansteuerung einer elektromechanischen Haltebremse (2), aufweisend: - mindestens einen Einweggleichrichter (3, 4), der aus einer Netzwechselspannung (UL1, UL2) eine gepulste Gleichspannung (UB) erzeugt, und - eine Phasenabschnitt-Schaltung (100), die dazu ausgebildet ist, aus der gepulsten Gleichspannung (UB) mittels Phasenabschnitt ein Ansteuersignal (ubr, ibr) für die elektromechanische Haltebremse (2) zu erzeugen.
  2. Schaltung (1000) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (1000) weiter aufweist: - einen Haltebremsen-Anschluss (5) mit einem ersten Anschlusspol (5a) und einem zweiten Anschlusspol (5b), und - einen Kondensator (6), der zwischen den ersten Anschlusspol (5a) und den zweiten Anschlusspol (5b) eingeschleift ist.
  3. Schaltung (1000) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (1000) weiter aufweist: - ein erstes Schaltmittel (7), und - ein zweites Schaltmittel (8), - wobei das erste Schaltmittel (7), der Kondensator (6) und das zweite Schaltmittel (8) in Reihe zwischen einen Ausgang (3a) des mindestens einen Einweggleichrichters (3) und ein negatives Zwischenkreispotential (UZK-) eingeschleift sind.
  4. Schaltung (1000) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (1000) weiter aufweist: - eine erste Diode (9), die in Sperrrichtung zwischen den ersten Anschlusspol (5a) und das negative Zwischenkreispotential (UZK-) eingeschleift ist, und - eine zweite Diode (10), die in Durchlassrichtung zwischen den zweiten Anschlusspol (5b) und ein positives Zwischenkreispotential (UZK+) eingeschleift ist.
  5. Schaltung (1000) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (1000) weiter aufweist: - eine Steuereinheit (11), die dazu ausgebildet ist, das erste Schaltmittel (7) und das zweite Schaltmittel (8) derart anzusteuern, dass das Ansteuersignal (ubr, ibr) für die elektromechanische Haltebremse (2) unabhängig von einer Amplitude der Netzwechselspannung (UL1, UL2) einem für die elektromechanische Haltebremse (2) vorgesehenen Ansteuersignal entspricht.
  6. Schaltung (1000) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass - das Ansteuersignal (ubr) eine Ansteuerspannung ist, wobei die Steuereinheit (11) dazu ausgebildet ist, das erste Schaltmittel (7) und das zweite Schaltmittel (8) derart anzusteuern, dass die Ansteuerspannung (ubr) für die elektromechanische Haltebremse (2) unabhängig von einer Amplitude der Netzwechselspannung (UL1, UL2) im zeitlichen Mittel einen vorgegebenen Pegel aufweist.
  7. Schaltung (1000) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinheit (11) dazu ausgebildet ist, das erste Schaltmittel (7) zu schließen, sobald die gepulste Gleichspannung (UB) einen vorgegebenen Schwellenpegel unterschreitet.
  8. Schaltung (1000) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinheit (11) dazu ausgebildet ist, das erste Schaltmittel (7) zu schließen, sobald die gepulste Gleichspannung (UB) ihren Minimalwert aufweist.
  9. Frequenzumrichter (2000) zur Ansteuerung eines Elektromotors (300) und einer elektromechanischen Haltebremse (2), aufweisend: - eine Schaltung (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - einen Zwischenkreis (14) mit einem ersten Zwischenkreisleiter (15), auf dem ein positives Zwischenkreispotential (UZK+) ansteht, und einem zweiten Zwischenkreisleiter (16), auf dem ein negatives Zwischenkreispotential (UZK-) ansteht, und - einen Wechselrichter (13), der dazu ausgebildet ist, aus einer Differenz zwischen dem positiven Zwischenkreispotential (UZK+) und dem negativen Zwischenkreispotential (UZK-) Ansteuerspannungen (U, V, W) für den Elektromotor (300) zu erzeugen.
  10. Elektrisches Antriebssystem, aufweisend: - einen Frequenzumrichter (2000) nach Anspruch 9, - eine elektromechanische Haltebremse (2) und - einen Elektromotor (300).
  11. Verfahren zur Ansteuerung einer elektromechanischen Haltebremse (2) mit den Schritten: - Erzeugen einer gepulsten Gleichspannung (UB) durch Einweggleichrichten einer Netzwechselspannung (UL1, UL2), und - Erzeugen eines Ansteuersignals (ubr, ibr) für die elektromechanische Haltebremse (2) mittels Phasenabschnitt der gepulsten Gleichspannung (UB).
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass - nach einer vorgegebenen Einschaltzeitdauer das Ansteuersignal (ubr, ibr) derart verändert wird, dass ein Strom (ibr) in die elektromechanische Haltebremse (2) abnimmt.
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