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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Temperaturerfassung einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs, wie diese beispielsweise mit der
EP 2 837 085 B1 offenbart ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einer derartigen Anordnung.
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Zum sicheren Betreiben einer elektrischen Maschine ist es bekannt, an einem Wicklungssystems des Stators oder an einer Verschaltungseinrichtung des Wicklungssystems einen Temperatursensor zur Überwachung einer Betriebstemperatur anzuordnen. Dadurch kann die Maschine elektrisch so geregelt werden, dass eine Überhitzung einer Statorwicklung oder eine unzulässig hohe Temperatur einer Magnetanordnung des Rotors vermieden werden und die Maschine thermisch stabil arbeiten kann.
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Bei der mit der
EP 2 837 085 B1 bekannt gewordenen elektrischen Maschine sind die Enden von Statorwicklungen in einer vorbestimmten Weise mit mehreren Verbindungsleitern verbunden, welche stirnseitig am Stator innerhalb eines etwa ringscheibenförmigen Kunststoffträgerelements angeordnet sind und gemeinsam eine Verschaltungseinrichtung ausbilden. Zur Anordnung eines Temperatursensors sind in einem radial äußeren Bereich des Trägerelements Schlitze eingebracht, in welche Anschlussfahnen des Sensors eingelegt werden und an der dem Stator zugewandten Seite durch Verlöten mit dort vorgesehenen Pads elektrisch verbunden werden können. Der Sensor selbst ist durch eine Verformung der Anschlussfahnen um einen äu-ßeren Rand der Verschaltungseinrichtung herumgeführt und an der dem Stator abgewandten Seite innerhalb einer Ausnehmung in Anlagekontakt mit einem Verbindungsleiter eingeführt und dort positioniert. Der Sensor wird zudem durch die Wirkung eines am Trägerelement befestigten Deckelements in Richtung des Verbindungsleiters mit einer Anpresskraft beaufschlagt, um einen sicheren thermischen Kontakt zu dem Verbindungsleiter zu erzeugen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Temperaturerfassung einer elektrischen Maschine bereitzustellen, bei welcher ein Temperatursensor auf eine möglichst einfache und kostengünstige Weise an der Maschine festgelegt ist.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt mittels einer Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs und gemäß einem weiteren Aspekt mit einer elektrischen Maschine gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, den Figuren und den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung zur Temperaturerfassung einer elektrischen Maschine bereitgestellt, welche zunächst eine Verschaltungseinrichtung mit mehreren Verbindungsleitern umfasst, an denen Wicklungsanschlussbereiche zur Verbindung mit Wicklungsenden einer Statorwicklung vorgesehen sind. Weiter weist ein Verbindungsleiter einen Phasenanschlussbereich zur Verbindung des Stators mit einer elektrischen Energiequelle auf. Zur Erfassung einer Temperatur der elektrischen Maschine ist an der Verschaltungseinrichtung ein Temperatursensor mit einem Sensorkopf und mit einem Sensorkabel vorgesehen, welches mit einer Auswerte- und Steuerelektronik der Maschine verbindbar ist. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Temperatursensor an dem Phasenanschlussbereich der Verschaltungseinrichtung angeordnet ist und sich zu dem Phasenanschlussbereich im Wärmeübertragungskontakt befindet.
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Durch die vorgeschlagene Anordnung an einem Phasenanschlussbereich einer elektrischen Maschine kann der Temperatursensor unmittelbar oder zumindest im Bereich eines Schaltkastens angeordnet werden, an welchem externe Stromkabel zur Energieversorgung des Stators angeschlossen werden. Dadurch wird grundsätzlich eine gute Zugänglichkeit des Temperatursensors zu Prüfzwecken und eine leichte Austauschbarkeit im Reparaturfall ermöglicht. Zudem ist für elektrische Maschinen auch bei unterschiedlichen Baugrößen und Wicklungsauslegungen eine einheitliche Position des Temperatursensors möglich. Die zur Festlegung des Temperatursensors erforderlichen Elemente können für viele unterschiedliche Elektromaschinen vereinfacht und standardisiert werden. Der Temperatursensor befindet sich an der hier vorgeschlagenen Position somit entfernt von dessen sonst üblichen Anordnungspositionen, insbesondere von der Statorwicklung oder von Verbindungsleitern. Eine Aussage über die an besonders kritischen Stellen auftretende Temperatur, zum Beispiel innerhalb der Statorwicklung, kann mittels der Temperaturerfassung an einem Phasenanschlussbereich unter Anwendung eines thermischen Modells der Maschine getroffen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Anordnung wird vorgeschlagen, dass die Verbindungsleiter gegenseitig elektrisch isoliert in einem Kunststoffkörper unter Ausbildung eines Metall-Kunststoff-Verbundteils eingegossen sind. Dabei soll weiter gleichfalls auch der Phasenanschlussbereich zumindest mit einem zu dem Verbindungsleiter weisenden Endbereich in dem Kunststoffkörper eingebettet sein. Zur Anordnung des Temperatursensors ist zwischen dem Phasenanschlussbereich und dem Kunststoffkörper ein Raumbereich vorgesehen, von welchem zumindest der Sensorkopf aufgenommen ist.
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Zur Erzielung eines guten thermischen Kontakts des Temperatursensors an der Messposition kann der Phasenanschlussbereich mit Vorteil eine ebene Fläche zur Anlage des Temperatursensors ausbilden. Zu diesem Zweck kann insbesondere der Phasenanschlussbereich als ein von einem der Verbindungsleiter abstehender Bolzen oder als eine abstehende Platte oder als ein plattenförmiger Abschnitt eines Verbindungsleiters ausgebildet sein.
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Eine weitere Verbesserung bei der Temperaturmessung sieht vor, den Temperatursensor und den damit zusammenwirkenden Phasenanschlussbereich so auszubilden, dass der Raumbereich als ein Aufnahmeraum ausgebildet ist, wobei der Sensorkopf beim Einführen in den Aufnahmeraum eine in einer Einführrichtung zunehmende Anpresskraft an den Phasenanschlussbereich erfährt. Dazu können die Verbindungspartner insbesondere keilförmig ausgebildet werden. Ein Keilwinkel kann so gewählt werden, dass die Verbindungspartner eine selbstsichernde Verbindung ausbilden. Alternativ oder zusätzlich können Temperatursensor oder Kunststoffkörper eine oder mehrere verformbare Quetschrippen ausgebildet sein. Die Einführrichtung des Sensors kann insbesondere mit einer Haupterstreckungsrichtung des Phasenanschlussbereichs zusammenfallen und insbesondere bei Verwendung von Strombolzen mit deren Axialrichtung zusammenfallen.
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Bevorzugt kann der Sensorkopf mit dem Sensorkabel an einem separaten Sensorhalter festgelegt und mit diesem vorkonfektioniert sein und dann mit diesem Sensorhalter in dem am Kunststoffkörper vorgesehenem Aufnahmeraum angeordnet werden. Der Sensorhalter kann kostengünstig aus Kunststoff hergestellt werden und kann gleichfalls Halteabschnitte bzw. Aufnahmen zur Führung und Zugentlastung des Sensorkabels umfassen. Die verliersichere Festlegung des Sensorhalters an der Verschaltungseinrichtung kann beispielsweise mittels einer Rastverbindung erfolgen, wodurch die Montagezeit gering und die Montagesicherheit hoch ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Sensorhalter mittels einer Krallverbindung, genauer mittels einer Kralle und an einem sich in einer Montagerichtung des Sensors abstehenden Krallfuß an dem Kunststoffkörper festgelegt werden. Zur betriebssicheren Festlegung unter dem Einfluss von Betriebsschwingungen kann die Kralle zur Erzeugung einer höheren Haltekraft ein Federblech umfassen.
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Eine weitere oder auch alleinige Zugentlastung des Sensorkabels kann mittels eines an dem Kunststoffkörper selbst ausgebildeten Halteabschnitt realisiert werden, welcher vorzugsweise integral mit dem Kunststoffkörper, das heißt während des Umspritzens der Verschaltungseinrichtung ausgebildet sein kann.
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Gemäß einer alternativen Festlegung des Temperatursensors an der Verschaltungseinrichtung kann der Temperatursensor zur Umspritzung der Verschaltungseinrichtung mit in das Spritzgusswerkzeug eingelegt und direkt am Phasenanschlussbereich positioniert werden, so dass der Sensorkopf bei der Ausbildung des Kunststoffkörpers gemeinsam mit dem Phasenanschlussbereich von Kunststoff umspritzt wird. in diesem Fall bildet also der Raumbereich keinen vorgefertigten Aufnahmeraum aus.
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Gemäß dem eingangs genannten weiteren Aspekt wird im Rahmen der Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Stator und mit einem dazu drehbar gelagerten Rotor vorgeschlagen, wobei der Stator eine Anordnung zur Temperaturerfassung mit einem der zuvor erläuterten Merkmale aufweist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrische Maschine mit einem Rotor, einem Stator und mit einer Anordnung zur Temperaturerfassung, welche eine Verschaltungseinrichtung umfasst;
- 2 eine Verschaltungseinrichtung mit Phasen-Verbindungsleitern und mit daran festgelegten bolzenförmigen Phasenanschlussbereichen vor einer Umspritzung mit Kunststoff;
- 3 eine mit Kunststoff umspritzte Verschaltungseinrichtung mit Phasen-Verbindungsleitern, wobei im Bereich der Phasenanschlussbereiche verschiedene Varianten zur Anordnung eines Temperatursensors an dem Kunststoffkörper dargestellt sind;
- 4a-c eine erste Anordnungsvariante eines Temperatursensors an einem Phasenanschlussbereich in verschiedenen Ansichten;
- 5a, b eine zweite Anordnungsvariante eines Temperatursensors an einem Phasenanschlussbereich mittels eines Sensorhalters in verschiedenen Ansichten;
- 6a, b eine dritte Anordnungsvariante eines Temperatursensors an einem Phasenanschlussbereich mittels eines zu den 5 alternativen Sensorhalters in verschiedenen Ansichten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrische Maschine 10 mit einem Maschinengehäuse 12, einem Stator 14 und mit einem dazu um eine Achse R drehbar gelagerten Rotor 16. Der Stator 14 umfasst ein in üblicher Weise ausgebildetes Blechpaket 18 mit einer Statorwicklung 20, deren Wicklungsenden mit einer Verschaltungseinrichtung 22 verbunden sind. Die Verschaltungseinrichtung 22 umfasst mit Blick auf 2 dazu mehrere, hier ringsegmentförmige Verbindungsleiter 24, 26, 28 aus einem bandförmigen Kupferwerkstoff, welche bezüglich der Achse R axial gestaffelt am Stator 14 angeordnet sind. Am äußeren Umfangsbereich der Verbindungsleiter 24-28 sind zur Verbindung mit Wicklungsenden der Statorwicklung 20 jeweils mehrere radial abstehende und axial ausgerichtete Wicklungsanschlussbereiche 24a, 26a, 28a vorgesehen. Zur Verbindung des Stators 14 mit einem elektrischen Energiespeicher oder einer Energiequelle 6, insbesondere über einen Ausgang eines mehrphasigen Wechselrichters 8 ist an den Verbindungsleitern 24-28 jeweils ein Phasenanschlussbereich 24b, 26b, 28b vorhanden. Die dargestellten drei Phasenanschlussbereiche 24b-28b sind im besprochenen Ausführungsbeispiel in Form eines hier etwa senkrecht von der Fläche jedes der Verbindungsleiter 24-28 abstehenden und stoffschlüssig zum Beispiel mittels Schweißen verbundenen Anschlussbolzens 32 ausgebildet. Diese Anschlussbolzen 32 sind gleichfalls aus einem Kupferwerkstoff gefertigt und an der Verschaltungseinrichtung 22 in Umfangsrichtung benachbart angeordnet, wobei an den in 2 oberen Lagen der Verbindungsleiter 24-28 Ausnehmungen für einen jeweils davon unterhalb angeschlossenen Bolzen 32 eingebracht sind.
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Die Verbindungsleiter 24-28 sind gegenseitig elektrisch isoliert in einem Kunststoffkörper 36 unter Ausbildung eines Metall-Kunststoff-Verbundteils 38 eingegossen. Es ist in den Figuren erkennbar, dass der Phasenanschlussbereich 24b-28b zumindest mit einem zu dem Verbindungsleiter 24-28 weisenden Endbereich 32a gleichfalls in dem Kunststoffkörper 36 eingebettet ist. Der jeweils andere Endbereich 32b ist mit einem Innengewinde ausgeführt und kann somit mittels einer Verschraubung mit einem externen Stromkabel 46 verbunden werden. In 2 ist die Verschaltungseinrichtung 22 mit den drei Phasen-Verbindungsleitern 24-28 und mit den daran festgelegten bolzenförmigen Phasenanschlussbereichen 24b-28b vor einer Umspritzung mit Kunststoff dargestellt.
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3 zeigt eine bereits mit Kunststoff umspritzte Verschaltungseinrichtung 22 mit den Phasen-Verbindungsleitern 24-28. Zur Erfassung einer Temperatur der elektrischen Maschine 10 ist eine Anordnung 40 vorgesehen, bei welcher ein Temperatursensor 42 an der Verschaltungseinrichtung 22, insbesondere an zumindest einem der Phasenanschlussbereiche 24b-28b angeordnet ist und sich zu diesem im Wärmeübertragungskontakt befindet. Über die bereits genannten Wicklungsanschlussbereiche 24a, 26a, 28a sind dort weitere Wicklungsanschlussbereiche erkennbar, welche einem gleichfalls im Kunststoff eingebetteten und daher in der 3 nicht sichtbaren Sternpunktleiter zugeordnet sind.
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Mit Blick auf 3 ist der Kunststoffkörper 36 zur Anordnung des Temperatursensors 42 im Bereich der Phasenanschlussbereiche 24b-28b jeweils unterschiedlich ausgestaltet, wobei drei verschiedene Varianten A, B, C exemplarisch dargestellt sind. Bei einer elektrischen Maschine 10 kann also auch lediglich eine der nachfolgend genauer beschriebenen Varianten A-C an einem oder an mehreren der Anschlussbolzen 32 auftreten.
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Der verwendete Temperatursensor 42 kann grundsätzlich beispielsweise als ein NTC- oder PTC-Widerstandselement ausgebildet sein, was jedoch für die nachfolgenden Erläuterungen unbeachtlich ist. Der Temperatursensor 42 umfasst einen Sensorkopf 44 mit einem daran angeschlossenen Sensor-Anschlusskabel 46, welche mit einer Auswerte- oder einer Steuerelektronik einer elektrischen Maschine 10 verbindbar ist. Der Sensorkopf 44 und ein Anfangsabschnitt der Anschlusskabel 46 sind von einer äußeren Schutzhülle 48 umgeben, welche beispielsweise eine Kunststoffhülle, einen angespritzten Kunststoffmantel oder dergleichen ausbilden kann und wobei der sensorkopfseitige Endabschnitt des Temperatursensors 42 verschlossen sein kann. Der an einem Phasenanschlussbereich 24b-28b vorgesehene Temperatursensor 42 ist hier insgesamt stabförmig und im Wesentlichen eindimensional geformt, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Bei der hier beschriebenen Anordnung 40 ist der Temperatursensor 42, also insbesondere mit dessen Sensorkopf 44 in einem Raumbereich 50 zwischen einem der Phasenanschlussbereiche 24b-28b und dem Kunststoffkörper 36 aufgenommen.
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In den 2 und 3 ist weiter sichtbar, dass die dort dargestellten Phasenanschlussbereiche 24b-28b bzw. Anschlussbolzen 32 eine ebene Fläche 32c ausbilden, um einen möglichst guten thermischen Kontakt zur Anlage des Temperatursensors 42 zu erzielen. Der zuvor genannte Raumbereich 50 kann bei der Umspritzung der Phasenanschlussbereiche 24b-28b als ein vom Kunststoff ausgespartes Volumen in Form eines Aufnahmeraums 52 ausgebildet werden, in welchen der Temperatursensor 42 nach der Ausbildung des Metall-Kunststoff-Verbundteils 38 eingeführt werden kann. Die Montageposition und Montagerichtung sind dabei so gewählt, dass der Temperatursensor 42 vorzugsweise im Bereich eines hier nicht dargestellten Anschaltkastens der elektrischen Maschine 10 durch eine Öffnung entlang der Axialrichtung eines Phasenanschlussbereichs 24b-28b leicht in den vorgenannten Aufnahmeraum 52 eingeführt werden kann.
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Zur weiteren Verbesserung des Anlagekontakts sind der Temperatursensor 42 und der damit zusammenwirkende Phasenanschlussbereich 24b-28b zudem so ausgebildet, dass der Sensorkopf 44 beim Einführen in den Aufnahmeraum 52 eine in der Einführrichtung zunehmende Anpresskraft an den Phasenanschlussbereich 24b-28b erfährt.
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Mit den 4a-c ist die erste Anordnungsvariante A des Temperatursensors 42 an einem Phasenanschlussbereich 24b-28b gezeigt, wobei der Kunststoffkörper 36 zur Zugentlastung des Sensorkabels 46 einen Halteabschnitt 36a aufweist, um den das Sensorkabel 46 bei der Montage eingeführt werden kann. Derartige Halteabschnitte 36a können auch bei den weiteren Varianten vorgesehen sein.
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Die 5a, b und 6a, b zeigen zwei Anordnungsvarianten B, C eines Temperatursensors 42 an einem Phasenanschlussbereich 24b-28b, wobei der Sensorkopf 44 mit dem Sensorkabel 46 zunächst an einem separaten Sensorhalter 54 festgelegt und diese vorkonfektionierte Baueinheit danach gemeinsam mit dem Sensorhalter 54 an dem Kunststoffkörper 36 angeordnet wird. Der Sensorhalter 54a kann vorzugsweise gleichfalls als ein Kunststoffelement gefertigt sein und wie das als Variante B separat in 5 dargestellt ist, mittels einer Rastverbindung 56 verliersicher an der Verschaltungseinrichtung 22 festgelegt werden.
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Die 6a, b zeigen eine zu den 5a, b alternative Fixierung des Sensorhalters 54 gemäß der Variante B. Dabei ist der Sensorhalter 54b mittels einer Kralle 58a ausgeführt und an einem sich in der Montagerichtung des Sensors abstehenden Krallfuß 58b an dem Kunststoffkörper 36 festgelegt. Zur Erhöhung der Haltekraft dieser Krallverbindung 58 weist die Kralle 58a ein Federblech 58c auf.
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Eine noch weitere, hier jedoch zeichnerisch nicht dargestellte Anordnungsvariante sieht vor, zumindest den Sensorkopf bei Umspritzung der Verschaltungseinrichtung mit in das Spritzgusswerkzeug einzulegen und direkt an einem der Phasenanschlussbereiche 24b, 26b, 28b zu positionieren. Der Sensorkopf 44 wird dann bei der Ausbildung des Kunststoffkörpers 36 gemeinsam mit diesem Phasenanschlussbereich 24b, 26b, 28b von Kunststoff umspritzt, ohne dass es weiterer Befestigungsmittel bedarf. Der Temperatursensor 42 kann dabei so von dem Kunststoff umschlossen werden, dass eine unbeabsichtigte Trennung der Verbindungspartner bei bestimmungsgemäßen Gebrauch vermieden wird.
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Bezugszeichenliste
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- 6
- Energiespeicher
- 8
- Wechselrichter
- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Gehäuse
- 14
- Stator
- 16
- Rotor
- 18
- Blechpaket
- 20
- Statorwicklung
- 22
- Verschaltungseinrichtung
- 24
- Verbindungsleiter
- 26
- Verbindungsleiter
- 28
- Verbindungsleiter
- 24a
- Wicklungsanschlussbereich
- 26a
- Wicklungsanschlussbereich
- 28a
- Wicklungsanschlussbereich
- 24b
- Phasenanschlussbereich
- 26b
- Phasenanschlussbereich
- 28b
- Phasenanschlussbereich
- 32
- Anschlussbolzen
- 32a, b
- Endbereich
- 32c
- Fläche
- 36
- Kunststoffkörper
- 36a
- Halteabschnitt
- 38
- Metall-Kunststoff-Verbundteil
- 40
- Anordnung zur Temperaturerfassung
- 42
- Temperatursensor
- 44
- Sensorkopf
- 46
- Sensorkabel
- 48
- Schutzhülle
- 50
- Raumbereich
- 52
- Aufnahmeraum
- 54a, b
- Sensorhalter
- 56
- Rastverbindung
- 58
- Krallverbindung
- 58a
- Kralle
- 58b
- Krallfuß
- 58c
- Federblech
- R
- Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2837085 B1 [0001, 0003]
