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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blechelement einer elektrischen Maschine, ein aktives Element der elektrischen Maschine, eine elektrische Maschine sowie ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine.
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Aktive Elemente elektrischer Maschinen, bestehen aus gestapelten Blechelementen, welche auch als Elektrobleche bezeichnet werden. Die Blechelemente aktiver Elemente, insbesondere von Rotoren und auch Statoren werden meist gestanzt. Dabei wird von einer großen Spule, dem sogenannten Coil Elektroblech in die Stanzmaschine gezogen, wo die Blechelemente mittels mehrerer Stanzschritten gefertigt werden. Diese Blechelemente werden dann zu Blechpaketen, sogenannten Stacks gestapelt. Dies kann durch Verkleben (z.B. Backlack) oder auch durch Stanzpaketieren oder Schweißen geschehen. Dabei ist es wichtig, die Blechelemente korrekt zueinander zu orientieren. Insbesondere bei Blechelementen für Rotoren sind Aussparungen für Magnete, sogenannte Magnettaschen ausgestanzt. In diese sind in den assemblierten Blechpaketen Magnete eingebracht. Fluchten die Magnettaschen der Blechelemente nicht korrekt, so können die Magnete nicht eingebracht werden.
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Neben fertigungstechnischen Gründen ist die sogenannte Verschränkung des Rotors ein Grund dafür, dass ein kompletter Rotor meist aus mehreren Blechpaketen besteht. Die Blechpakete werden leicht verdreht zueinander angeordnet, was bewirkt, dass die Magnete desselben Magnetpols in Umfangsrichtung versetzt zueinander platziert sind. Auf diese Weise kann ein gleichmäßigerer Lauf des Rotors erreicht werden - das sog. Torque Ripple wird reduziert.
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Die Blechelemente vom Coil sind nicht ideal eben oder parallel. Das liegt in der Fertigung des Coil-Rohmaterials begründet. Werden die gestanzten Blechelemente nun gleichorientiert zu Blechpaketen gestapelt, so summiert sich die Unebenheit im Blechpaket auf. Unebenheiten im Blechpaket bedeuten einen ungleichmäßigeren Lauf im Betrieb (Unwucht), erschwerte Montage und gegebenenfalls Lufteinschlüsse zwischen Blechpaketen, die eine Verschränkung zueinander aufweisen.
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DE 102019119244 A1 beschreibt einen permanenterregten geschrägten Elektromotor-Rotor mit mindestens einem Paar aus zwei im Querschnitt zueinander identischen und rotatorisch zueinander versetzten Rotorsegmenten, wobei die Rotorsegmente jeweils aus einem ferromagnetischen Grundkörper mit mehreren axial zugänglichen Magnettaschen bestehen.
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Aus der
DE102018112195 A1 ist bekannt, dass zur Verankerung aneinander in den Rotorblechen, vorzugsweise allen Rotorblechen, napf- oder hutartigen Durchstellungen, die auf der einen Rotorblechseite Vertiefungen und auf der anderen Rotorblechseite Erhabenheiten besitzen, vorhanden sind, welche in ihren Abmessungen zur Befestigung aneinander aufeinander abgestimmt sind. Das heißt, dass durch das Vorhandensein der Vertiefungen bzw. Erhabenheiten auf den jeweiligen Seiten der Rotorbleche die Umsetzung der Verschränkung der einzelnen Rotorbleche/Rotorblechpakete zueinander vereinfacht ist.
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DE102012022084 A1 beschreibt eine Rotoranordnung umfassend ein oder mehrere aus Blechen gestapelte Blechpakete, welche in einer bezüglich einer Rotationsachse der Rotoranordnung axialen Richtung aneinandergereiht sind. Die Blechpakete weisen an axialen Stirnflächen Positionierungsmittel auf, zur Realisierung wenigstens eines vorgebbaren Schrägungswinkels um die Rotationsachse je zweier axial benachbarter Blechpakete.
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Ein Blechelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 ist aus
DE102018112195 A1 bekannt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch eine konstruktive Lösung kostengünstige und gleichzeitig präzise Alternativen zur Realisierung von Verschränkungen zwischen Blechpaketen bereitzustellen sowie die fertigungsbedingten Unwuchten in geblechten aktiven Elementen elektrischer Maschinen zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt weist ein Blechelement eines aktiven Elements einer elektrischen Maschine eine Rotationsachse sowie einen ersten radialen Bereich, der zur Erfüllung der elektromagnetischen Funktion relevant ist, auf.
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Das Blechelement umfasst weiter ein erstes Stanzbild im ersten radialen Bereich, welches insbesondere Aussparungen zur Aufnahme für elektromagnetische Komponenten sowie Bereiche zur Leitung des magnetischen Flusses aufweist. Dabei ist das Stanzbild mehrfach rotationssymmetrisch bezüglich der Rotationsachse ausgebildet. Das Blechelement umfasst weiter einen zweiten radialen Bereich, der zur Montage des Blechelements relevant ist.
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Insbesondere ist im zweiten Bereich eine zentrale Aussparung beinhaltet, mittels welcher eine Wirkverbindung zu einer Welle hergestellt ist. Insbesondere kann es sich dabei um eine kraftschlüssige Verbindung in Form eines Querpressverbades oder eine formschlüssige Verbindung in Form eines Keilwellenprofils handeln.
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Der zweite Bereich umfasst weiter ein zweites Stanzbild, welches ein Muster aufweist. Das Muster umfasst mehrere Aussparungen, die auf einer zur Rotationsachse konzentrisch angeordneten Kreisbahn liegen. Das Muster weist keine Rotationssymmetrie bezüglich der Rotationsachse auf. Die in Umfangsrichtung benachbarten Aussparungen des Musters sind um einen Winkel WA beabstandet.
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Durch die beschriebene Ausgestaltung kann vorteilhafterweise eine eindeutige Positionierbarkeit des Blechelements erreicht werden, da somit ein Verdrehen bei Vorliegen einer Rotationssymmetrie verhindert wird. Weiter sind die Aussparungen derart ausgestaltet, dass bei Verwendung insbesondere eines Stifts als Montagehilfe der Stift nur in einer eindeutigen Position eingebracht werden kann.
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Unter Stanzbild wird im Rahmen dieser Schrift eine Gruppe von eingebrachten Aussparungen im Blechelement verstanden. Die Realisierung der Aussparungen ist dabei mittels verschiedener Fertigungsverfahren möglich. Insbesondere sind trennende Verfahren wie Zerteilen, Spanen mit bestimmter oder unbestimmter Schneide sowie Abtragen möglich.
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Vorteilhafterweise erstreckt sich das Muster auf der zur Rotationsachse konzentrisch angeordneten Kreisbahn dabei in einem durch einen Bemusterungswinkel beta definierten angularen Bereich.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Aussparungen des Musters als Langlöcher ausgeführt. Insbesondere ist dabei die Richtung der Längung der Langlöcher radial ausgeführt.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist das zweite Stanzbild das Muster und eine weitere Aussparung auf. Die weitere Aussparung ist in Lage und Größe derart angeordnet, dass Unwuchtkräfte des zweiten Stanzbildes kompensiert sind.
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Die weitere Aussparung kann dabei radial beabstandet von der der zur Rotationsachse konzentrisch angeordneten Kreisbahn angeordnet sein und eine zu den Aussparungen des Musters unterschiedliche Form als auch interschiedliche Größe aufweisen.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist das zweite Stanzbild mindestens zwei Muster auf, wobei die Muster so auf der konzentrisch angeordneten Kreisbahn liegen, dass Unwuchtkräfte des zweiten Stanzbildes kompensiert sind.
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Insbesondere sind die Muster derart angeordnet, dass eine Rotationssymmetrie bezüglich der Anordnung der mindestens zwei Muster im zweiten Stanzbild entsteht. Somit ergibt sich im Rahmen der Fertigungstoleranzen der der für die Kompensation von Unwuchtkräften notwendige Ausgleich aufgrund der geometrischen Anordnung der mindestens zwei Muster.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist eine erste Aussparung eines ersten Musters, welche zu einer zweiten Aussparung eines zweiten Musters in Umfangsrichtung unmittelbar benachbart ist, einen Abstand in Umfangsrichtung auf, der unterschiedlich zu dem Winkel WA ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind die Aussparungen des Musters zur Definition eines Verschränkungswinkels α bezüglich des ersten Stanzbildes realisiert. Der Winkel WA ist dabei größer als der Verschränkungswinkel α.
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Für die Berechnung des Winkel WA bei beabsichtigtem Verschränkungswinkel alpha sind die folgenden Größen zu berücksichtigen: Die Anzahl A von Blechpaketen die verschränkt zueinander sind. Diese definiert insbesondere die Anzahl der Aussparungen des Musters, die Anzahl B an Wiederholungen des Musters, die Anzahl an Polen X der elektromagnetischen Komponente sowie die Anzahl Y an Polen, die zwischen zwei Aussparungen liegen soll.
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Der Winkel WA ist dabei definiert gemäß
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Der Bemusterungswinkel β ist definiert gemäß β = 360°/B.
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Die Anzahl C an Aussparungen im zweiten Stanzbild ohne Berücksichtigung der zentralen Aussparung ergibt sich zu C = A · B + 1 für B = 1 und zu C = A · B für B > 1.
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Dabei ergibt sich für die Anzahl B eine Beschränkung B-Max in Abhängigkeit von der Anzahl an Polen sowie der Anzahl von Blechpaketen gemäß B-Max = ABRUNDEN (X/A).
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Gemäß einem Aspekt umfasst ein aktives Element einer elektrischen Maschine ein erfindungsgemäßes Blechpaket, welches aus mehreren Blechelementen besteht. Die Blechelemente sind koaxial bezüglich der Rotationsachse und kongruent bezüglich des ersten Stanzbildes und bezüglich des zweiten Stanzbildes ausgerichtet. Das Blechpaket weist weiter eine erste Aussparung des Musters sowie eine unmittelbar benachbarte zweite Aussparung des Musters auf. Insbesondere ergeben sich somit durchgängige Taschen, die in Form und Lage durch das erste Stanzbild definiert sind. Diese Taschen sind vorteilhafterweise ausgebildet, um elektromagnetische Komponenten wie Magnete aufzunehmen. Weiter ergeben sich durchgängige Bereiche, welche in Form und Lage durch das zweite Stanzbild definiert sind. Diese Bereiche dienen bei der Montage als Referenz für den einzustellenden Verschränkungswinkel alpha.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem aktiven Element um einen Rotor. Insbesondere handelt es sich bei dem aktiven Element um einen Rotor einer als Innenläufer ausgestalteten Radialflussmaschine.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfasst ein aktives Element ein erstes Blechpaket und ein zweites Blechpaket. Das erste Blechpaket ist zu dem zweiten Blechpaket derart um die Rotationsachse verdreht, dass die erste Aussparung des ersten Blechelements mit der zweiten Aussparung des zweiten Blechelements fluchtet, wodurch das zweite Stanzbild des ersten Blechpakets zu dem zweiten Stanzbild des zweiten Blechpakets einen Winkel WA aufweist. Das erste Stanzpaket des ersten Blechpakets weist zu dem ersten Stanzbild des zweiten Blechpakets einen Verschränkungswinkel alpha auf.
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Vorteilhafterweise lässt sich derart eine präzise Einstellung des Verschränkungswinkels alpha erreichen, da durch die beschriebene verdrehte Anordnung die erste Aussparung des ersten Blechelements mit der zweiten Aussparung des zweiten Blechelements einen durchgängigen Bereich bilden. In bevorzugter Weise kann in diesem durchgängigen Bereich ein Stift als Montagehilfe eingebracht sein.
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Gemäß einem Aspekt umfasst eine elektrische Maschine ein erfindungsgemäßes aktives Element.
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Gemäß einem Aspekt umfasst ein Fahrzeug eine erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
- 1 ein Blechelement mit einer Vorrichtung zur Einstellung der Verschränkung gemäß dem Stand der Technik
- 2 eine Ausführungsform eines Blechelements
- 3 eine Ausführungsform des Blechelements mit alternativem Muster
- 4 ein aktives Element einer elektrischen Maschine.
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1 zeigt ein Blechelement 1 mit einer Vorrichtung zur Einstellung der Verschränkung gemäß dem Stand der Technik. Das Blechelement 1 umfasst dabei in einem ersten radialen Bereich 4 mehrere Aussparungen 6. Die Aussparungen 6 sind in der vorliegenden Ausführungsform zur Aufnahme von Magneten vorgesehen. In einem zweiten radialen Bereich 7 befinden sich weitere Aussparungen 6, die jeweils durch einander überlappende kreisförmige Segmente definiert sind. Die Mittelpunkte der einzelnen kreisförmigen Segmente sind dabei in Umfangsrichtung gemäß einem beabsichtigten Verschränkungswinkel α beabstandet. Die Anzahl der kreisförmigen Segmente korrespondiert mit der Anzahl zu verschränkender Blechpakete 11.
In der Ausführungsform sind es drei Blechpakete 11. Bei der Montage findet vorteilhafterweise ein Stift 10 wie im unteren Bereich der 1 dargestellt Verwendung. Der Stift 10 definiert dabei durch eine formschlüssige Verbindung mit den jeweiligen kreisförmigen Segmenten die Rotation der einzelnen Blechpakete 11 zueinander und verhindert ein Verrutschen der Blechpakete 11.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines Blechelements 1. Da Blechelement umfasst in einem ersten radialen Bereich 4 ein erstes Stanzbild 5. Das Stanzbild wird durch mehrere Aussparungen 6 gebildet und ist mehrfach rotationssymmetrisch zur Rotationsachse 3 ausgebildet. Die Aussparungen 6 sind zur Aufnahme elektromagnetischer Komponenten ausgebildet sowie zur Leitung des magnetischen Flusses. Ein zweiter radialer Bereich 7, welcher radial innerhalb des ersten radialen Bereichs 4 angeordnet ist, umfasst ein zweites Stanzbild 8. In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet das zweite Stanzbild ein Muster 9, welches auf einem Bemusterungswinkel β von 180° vier Aussparungen 6 umfasst. Die vier Aussparungen 6 korrespondieren zu vier Blechpaketen 11, die nach der Montage im aktiven Element 2 gegeneinander verschränkt sind. Das Muster wird innerhalb des Stanzbildes rotationssymmetrisch derart wiederholt, dass insgesamt acht Aussparungen 6 in dem Muster 9 beinhaltet sind. Die Aussparungen 6 kompensieren aufgrund Ihrer Lage und der Rotationssymmetrie die Unwucht des zweiten Stanzbildes 8 einzelner Blechelemente.
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Aufgrund der rotationssymmetrischen Wiederholung des Musters 9 innerhalb des zweiten Stanzbilds 8 können vorteilhafterweise geometrische Abweichungen des Rohmaterials ausgeglichen werden. Somit ist im gesamten aktiven Element 2 der elektrischen Maschine die Unwucht einzelner Blechelemente 1 bzw. Blechpakete 11 kompensiert.
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Innerhalb des Musters 9 sind benachbarte Aussparungen 6 in Umfangsrichtung um einen Winkel WA beabstandet. Der Winkel WA ergibt sich dabei aus der Anzahl an Polen Y, die zwischen zwei benachbarten Aussparungen 6 liegen soll, der Anzahl an Polen X sowie dem beabsichtigten Verschränkungswinkel α zu.
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Mit Y=1, X=10 sowie α=1,67° ergibt sich WA zu 37,67°.
Die Aussparungen 6 des Musters 9 sind als Langlöcher ausgebildet, um insbesondere Temperaturschwankungen sowie Fertigungstoleranzen auszugleichen. Das Langloch ist dabei derart ausgerichtet, dass die Längung in radialer Richtung orientiert ist.
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3 zeigt eine Ausführungsform des Blechelements 1 aus 2 mit einem alternativen Muster 9. Das Muster 9 ist dabei auf einen Bemusterungswinkel β von 360° verteilt. Weiter ist die Anzahl an Polen Y, die zwischen zwei benachbarten Aussparungen 6 liegen soll zu Y=2 definiert. Somit ergibt sich bei ansonsten gleichen Randbedingungen WA zu 73,67°.
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Da im zweiten Stanzbild 8 das Muster 9 nicht wiederholt wird, ist das zweite Stanzbild unwuchtbehaftet. Daher ist eine weitere Aussparung 63 notwendig, welche in Lage und Form derart definiert ist, dass die Unwucht innerhalb des zweiten Stanzbildes 8 kompensiert ist.
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4 zeigt im oberen Abschnitt ein aktives Element 2 einer elektrischen Maschine. Das aktive Element 2 umfasst dabei vier Blechpakete 11, welche Blechelemente 1 gemäß 3 beinhaltet. Die vier Blechpakete 11 sind dabei auf einer Welle 13 angeordnet.
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Im unteren Bereich ist rechts im Schnitt E-E ein erstes Blechpaket 11 dargestellt. Die erste Aussparung 6 des Musters 9 ist in Urzeigerrichtung 20,5° von der Vertikalen beabstandet. Das Blechpaket im Schnitt D-D ist im Uhrzeigersinn um den Winkel WA gegen das Blechpaket 11 des Schnitt E-E verdreht. Es ergibt sich ein Verschränkungswinkel α zu 1,67°. Die Verschränkung ist ersichtlich in den Aussparungen 6 im ersten Stanzbild 5.
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Ebenso verhält es sich bei dem Blechpaket 11 im Schnitt C-C. Dieses ist im Urzeigersinn um den Winkel WA gegenüber dem Schnitt D-D verdreht. Auch hier ergibt sich ein Verschränkungswinkel α zu 1,67°.
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Im Schnitt B-B ist ersichtlich, dass lediglich eine Aussparung 6 des zweiten Stanzbildes durch alle Blechpakete 11 durchgängig erhalten geblieben ist.
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Obgleich die vorliegende Erfindung vorhergehend anhand von Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich, dass verschiedene Ausgestaltungen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.
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Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird ausdrücklich auf die Offenbarung der Zeichnung verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Blechelement
- 2
- aktives Element
- 3
- Rotationsachse
- 4
- erster radialer Bereich
- 5
- erstes Stanzbild
- 6
- Aussparung
- 7
- zweiter radialer Bereich
- 8
- zweites Stanzbild
- 9
- Muster
- 10
- Stift11 Blechpaket
- 12
- kreisförmige Segmente
- 13
- Welle
- 63
- weitere Aussparung
- α
- Verschränkungswinkel
- WA
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019119244 A1 [0005]
- DE 102018112195 A1 [0006, 0008]
- DE 102012022084 A1 [0007]
