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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Axialflussmaschine, umfassend einen Stator, und einen Rotor, wobei der Rotor eine insbesondere als Hohlwelle ausgeformte Rotorwelle mit zumindest einem ersten scheibenförmig ausgebildeten, auf der Rotorwelle dreh- und verschiebefest angeordneten, Rotorkörper aufweist, wobei der Stator einen ersten ringscheibenförmigen Statorkörper und einen zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper umfasst, welche koaxial zueinander und zu der Rotorwelle angeordnet und axial unter Zwischenanordnung des Rotors voneinander beabstandet sind und wobei zwischen dem ersten ringscheibenförmigen Statorkörper und dem Rotor in axialer Richtung beabstandet ein erster Luftspalt und zwischen dem zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper und dem Rotor ein zweiter Luftspalt ausgebildet ist, wobei der Rotor eine Mehrzahl von äquidistant über den Umfang verteilter, radial durch den Rotorkörper verlaufender Aufnahmeschlitze aufweist, in denen jeweils ein Rotormagnet fixiert ist, wobei die Axialflussmaschine des Weiteren ein zylinderringförmiges Motorgehäuse aufweist, dass in axialer Richtung den ersten ringscheibenförmigen Statorkörper, den Rotor sowie den zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper einfasst.
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Eine Axialflussmaschine bezeichnet eine dynamoelektrische Maschine, bei der der magnetische Fluss zwischen Rotor und Stator parallel zur Drehachse des Rotors verläuft. Häufig sind sowohl Stator als auch Rotor weitgehend scheibenförmig ausgebildet. Axialflussmaschinen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn der axial zur Verfügung stehende Bauraum in einem gegebenen Anwendungsfall begrenzt ist. Dies ist beispielsweise vielfach bei elektrischen Antriebsystemen für Elektrofahrzeuge der Fall.
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Neben der verkürzten axialen Baulänge liegt ein weiterer Vorteil der Axialflussmaschine in ihrer vergleichsweise hohen Drehmomentdichte. Ursächlich hierfür ist die im Vergleich zu Radialflussmaschinen größere Luftspaltfläche, die bei einem gegebenen Bauraum zur Verfügung steht. Ferner ist auch ein geringeres Eisenvolumen im Vergleich zu konventionellen Maschinen notwendig, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirkt.
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In der Regel umfasst eine Axialflussmaschine mindestens einen Stator, der Wicklungen zur Erzeugung des axial ausgerichteten magnetischen Feldes aufweist. Mindestens ein Rotor ist beispielsweise mit Permanentmagneten bestückt, deren magnetisches Feld in Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld der Statorwicklungen über einen Luftspalt ein Antriebsmoment erzeugt.
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Um eine besonders kompakt bauende und hochintegrierte Axialflussmaschine zu realisieren ist es des Weiteren bekannt, die Statoren als gedruckte Schaltungen auszubilden. Aus der
EP 2863524 A1 ist beispielsweise ein Stator für eine Axialflussmaschine bekannt, der in Form eines Printed Circuit Boards (PCB) ausgebildet ist. Die PCB ist als Multilayerplatine ausgeführt, d.h. sie umfasst mehrere aufeinanderliegende Layer mit Leiterbahnen. Hierdurch können die Wicklungen einer Spule auf diese mehreren Layer verteilt werden. Aus der Schrift ist ebenfalls bekannt, dass sich eine Windung einer Wicklung auf mehrere Lagen der Multilayer-Platine erstrecken kann.
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Derartige Axialflussmaschinen kommen beispielsweise auch bei unbemannten Drohnen zum Einsatz. Konstruktionsbedingt kann bei derartigen Axialflussmaschinen ein Teil des Magnetfeldes auch am Umfang des Rotors austreten und erzeugt dann im Motorgehäuse Wirbelströme. Diese führen zu erhöhten Motorverlusten, was regelmäßig unerwünscht ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Axialflussmaschine bereitzustellen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermindert oder vollständig vermeidet und eine Axialflussmaschine mit verbessertem Wirkungsgrad unter Beibehaltung einer kompakten Bauform bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Axialflussmaschine, umfassend einen Stator, und einen Rotor, wobei der Rotor eine insbesondere als Hohlwelle ausgeformte Rotorwelle mit zumindest einem ersten scheibenförmig ausgebildeten, auf der Rotorwelle dreh- und verschiebefest angeordneten, Rotorkörper aufweist, wobei der Stator einen ersten ringscheibenförmigen Statorkörper und einen zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper umfasst, welche koaxial zueinander und zu der Rotorwelle angeordnet und axial unter Zwischenanordnung des Rotors voneinander beabstandet sind und wobei zwischen dem ersten ringscheibenförmigen Statorkörper und dem Rotor in axialer Richtung beabstandet ein erster Luftspalt und zwischen dem zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper und dem Rotor ein zweiter Luftspalt ausgebildet ist, wobei der Rotor eine Mehrzahl von äquidistant über den Umfang verteilter, radial durch den Rotorkörper verlaufender Aufnahmeschlitze aufweist, in denen jeweils ein Rotormagnet fixiert ist, wobei die Axialflussmaschine des Weiteren ein zylinderringförmiges Motorgehäuse aufweist, dass in axialer Richtung den ersten ringscheibenförmigen Statorkörper, den Rotor sowie den zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper einfasst, wobei das zylinderringförmige Motorgehäuse in seiner Mantelfläche eine Mehrzahl von über den Umfang verteilte Öffnungen aufweist.
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Erfindungsgemäß wird das Motorgehäuse, das die beiden Statorkörper umhaust und den Rotorbereich überstreicht, im Rotorbereich umlaufend mit Öffnungen versehen, welche bevorzugt als axial verlaufenden Schlitze ausgestaltet sind. Dadurch können umlaufende bzw. wandernde Wirbelströme weitestgehend unterdrückt und so der Wirkungsgrad der Axialflussmaschine optimiert werden. Das Ausbilden der Öffnungen in dem Motorgehäusesind ohne größere Änderungen an den Gehäuseabmessungen und kostengünstig möglich. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn das Motorgehäuse in vorteilhafter Weise als Tiefziehteil ausgeführt wird.
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Der magnetische Fluss in einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine (AFM) ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial zu einer Rotationsrichtung des Rotors der Axialflussmaschine gerichtet. Es gibt unterschiedliche Typen von Axialflussmaschinen. Ein bekannter Typ ist eine sogenannte I-Anordnung, bei der der Rotor axial neben einem Stator oder zwischen zwei Statoren angeordnet ist. Ein anderer bekannter Typ ist eine sogenannte H-Anordnung, bei der zwei Rotoren auf gegenüberliegenden axialen Seiten eines Stators angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Axialflussmaschine kann insbesondere als I-Typ konfiguriert. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass eine Mehrzahl von Rotor-Stator-Konfigurationen als I-Typ und/oder H-Typ axial nebeneinander angeordnet sind. Auch wäre es in diesem Zusammenhang möglich, sowohl eine oder mehrere Rotor-Stator-Konfigurationen des I-Typs sowie eine oder mehrere Rotor-Stator-Konfigurationen des H-Typs in axialer Richtung nebeneinander anzuordnen. Insbesondere ist es auch zu bevorzugen, dass die Rotor-Stator-Konfiguration des H-Typs und/oder des I-Typs jeweils im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, so dass diese modulartig zu einer Gesamtkonfiguration zusammengefügt werden können. Derartige Rotor-Stator-Konfigurationen können insbesondere koaxial zueinander angeordnet sein sowie mit einer gemeinsamen Rotorwelle oder mit mehrere Rotorwellen verbunden sein.
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Der Rotor einer elektrischen Axialflussmaschine kann bevorzugt zumindest in Teilen als geblechter Rotor ausgebildet sein. Ein geblechter Rotor ist in axialer Richtung geschichtet ausgebildet. Der Rotor einer Axialflussmaschine kann alternativ auch einen Rotorträger bzw. Rotorkörper aufweisen, der entsprechend mit Magnetblechen und/oder SMC-Material und mit als Permanentmagneten ausgebildeten Magnetelementen bestückt ausgebildet ist.
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Ein Rotorkörper weist in bevorzugter Weise ein Innenteil, über das der Rotor drehfest mit einer Welle verbindbar ist, und ein Außenteil auf, das den Rotor in radialer Richtung nach außen begrenzt. Der Rotorkörper kann zwischen Innenteil und Außenteil mit mehreren Rotorstreben ausgebildet sein, über das das Innenteil und das Außenteil miteinander verbunden sind und welches gemeinsam mit der radialen Außenfläche des Innenteils und der radialen Innenfläche des Außenteils einen Aufnahmeraum für die Aufnahme der Magnetelemente und der Flussleitelemente des Rotors bildet. Alternativ zu dem Aufnahmeraum können die Magnetelemente auf dem Rotorträger angeordnet bzw. aufgesetzt sein.
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Ein Magnetelement kann als Permanentmagnet in Form eines Stabmagneten oder in Form kleinerer als Klötze ausgebildeter Magnetblöcke gebildet sein. Die Magnetelemente sind in der Regel in, an oder auf einem Rotorträger angeordnet. Das als Permanentmagnet ausgebildete Magnetelement eines Rotors einer Axialflussmaschine steht in Wechselwirkung mit einem rotierenden Magnetfeld welches durch die in der Regel mit einem Drehstrom beaufschlagten Statorwicklungspulen erzeugt ist.
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Als Rotorwelle wird eine drehbar gelagerte Welle einer elektrischen Maschine bezeichnet, mit der der Rotor bzw. Rotorkörper drehfest gekoppelt ist.
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Der Stator einer elektrischen Axialflussmaschine weist bevorzugt einen Statorkörper mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Statorwicklungen auf. Der Statorkörper kann in Umfangsrichtung gesehen einteilig oder segmentiert ausgebildet sein. Der Statorkörper kann aus einem Statorblechpaket mit mehreren laminierten Elektroblechen gebildet sein. Alternativ kann der Statorkörper auch aus einem verpresstem weichmagnetischem Material, wie dem sogenannten SMC-Material (Soft Magnetic Compound) gebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste ringscheibenförmige Statorkörper und/oder der zweite ringscheibenförmigen Statorkörper als Leiterplatte, insbesondere als gedruckte Schaltung, ausgebildet sind, wodurch der Statorkörper besonders kompakt und kostengünstig herstellbar ist. Die Leiterplatte ist bevorzugt eine Multilayer-Platine mit mehreren Kupferlagen, über die sich die Statorwicklungen erstrecken. Eine weitere mögliche Ausführungsform ist die Ausführung des Statorkörpers als Sandwich mehrerer Multilayer-Platinen.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Motorgehäuse aus einer ersten Ringscheibe und einer zweiten Ringscheibe gebildet ist, welche durch sich in axialer Richtung erstreckende Verbindungsstege formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Eine weitere mögliche Ausführungsform ist somit die Ausführung des Motorgehäuses als mehrteiliges Motorgehäuse, bei dem die Statoren jeweils in elektrisch isolierenden Gehäuseteilen sitzen und die Verbindungsstege, die die beiden Gehäuseteile verbinden. Die Verbindungsstege können beispielsweise als Nadeln stoff-, form und/oder kraftschlüssig mit den Ringescheiben verbunden sein. Dadurch kann ein Stromfluss entlang der Außenkante der Öffnungen im Vollmaterial unterbunden werden.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das wenigstens eine der Ringscheiben, aus einer der als Leiterplatten ausgebildeten Statorkörper, gebildet ist/sind, wodurch eine besonders kompakte Ausbildung der Axialflussmaschine mit einer hohen Komponentenintegration ermöglicht wird.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Öffnungen in der Mantelfläche des Motorgehäuses den Rotorkörper in seiner axialen Erstreckung vollständig überstreichen. Eine weitere mögliche Verbesserung kann somit erreicht werden, indem die beispielsweise schlitzartigen Öffnungen in axialer Richtung deutlich verlängert werden und in axialer Richtung über die Statoren hinaus reichen, um Wirbelströme, die an den Außenkanten der Öffnungen durch das Vollmaterial des Motorgehäuses verlaufen, zu reduzieren. Daher ist es insbesondere zu bevorzugen, dass die Öffnungen in der Mantelfläche des Motorgehäuses den ersten ringscheibenförmigen Statorkörper und/oder den zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper in axialer Richtung zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig überstreichen.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der erste ringscheibenförmige Statorkörper und/oder der zweite ringscheibenförmigen Statorkörper drehfest in dem Motorgehäuse aufgenommen und mit diesem verbunden sind/ist, so dass auf gesonderte Abstandselemente zwischen den Statoren verzichtet werden kann.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Öffnungen eine im Wesentlichen rechteckförmige Kontur besitzen, deren axiale Erstreckung größer ist als ihre umfängliche Erstreckung, was sich als ein guter Kompromiss aus struktureller Stabilität des Motorgehäuses und der Reduktion von Wirbelströmen herausgestellt hat.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass das Motorgehäuse aus einem metallischen Material und/oder Keramik und/oder einem Kunststoff und/oder aus einem Verbundmaterial geformt ist.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass das Gehäuse ein Nadellagerkäfig ist, welches insbesondere als Taschenkäfig konfiguriert und zur Verwendung in einem Nadelwälzlager vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, auf ein bereits existierendes Bauteil, welches in hohen Stückzahlen gefertigt wird, zurückzugreifen, wodurch die Herstellkosten der Axialflussmaschine weiter optimierbar sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine Axialflussmaschine in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
- 2 eine erste ausführungsform einer Axialflussmaschine in einer perspektivischen Ansicht, einer Seitenansicht sowie einer Axialschnittansicht,
- 3 eine zweite Ausführungsform einer Axialflussmaschine in einer perspektivischen Ansicht, und
- 4 eine dritte Ausführungsform einer Axialflussmaschine in einer perspektivischen Ansicht.
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Die 1 zeigt eine elektrische Axialflussmaschine 1, umfassend einen Stator 2, und einen Rotor 3, wobei der Rotor 3 eine insbesondere als Hohlwelle ausgeformte Rotorwelle 30 mit einem ersten scheibenförmig ausgebildeten, auf der Rotorwelle 30 dreh- und verschiebefest angeordneten, Rotorkörper 31 aufweist. Der Stator 2 besitzt einen ersten ringscheibenförmigen Statorkörper 21 und einen zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper 22, welche koaxial zueinander und zu der Rotorwelle 30 angeordnet und axial unter Zwischenanordnung des Rotors 3 voneinander beabstandet sind.
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Zwischen dem ersten ringscheibenförmigen Statorkörper 21 und dem Rotor 3 ist in axialer Richtung beabstandet ein erster Luftspalt und zwischen dem zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper 22 und dem Rotor 3 ein zweiter Luftspalt ausgebildet. Der Rotor 3 besitzt eine Mehrzahl von äquidistant über den Umfang verteilter, radial durch den Rotorkörper 31 verlaufender Aufnahmeschlitze 32, in denen jeweils ein Rotormagnet 33 fixiert ist.
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Die Axialflussmaschine 1 umfasst des Weiteren ein zylinderringförmiges Motorgehäuse 4, dass in axialer Richtung den ersten ringscheibenförmigen Statorkörper 21, den Rotor 3 sowie den zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper 22 einfasst.
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Das zylinderringförmige Motorgehäuse 4 weist in seiner Mantelfläche 41 eine Mehrzahl von über den Umfang verteilte Öffnungen 42 auf, was in der Darstellung der 1 nicht gezeigt ist, jedoch aus den entsprechenden Abbildungen der 2 ersichtlich wird. Die Öffnungen 42 in der Mantelfläche 41 des Motorgehäuses 4 überstreichen den Rotorkörper 31 in seiner axialen Erstreckung vollständig. Die Öffnungen 42 besitzen eine im Wesentlichen rechteckförmige Kontur, deren axiale Erstreckung größer ist als ihre umfängliche Erstreckung. Das Motorgehäuse 4 ist aus einem metallischen Material geformt.
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Das in der 2 gezeigte Motorgehäuse 4 kann insbesondere auch ein Nadellagerkäfig sein, welches insbesondere als Taschenkäfig konfiguriert und zur Verwendung in einem Nadelwälzlager vorgesehen ist.
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Der erste ringscheibenförmige Statorkörper 21 und der zweite ringscheibenförmige Statorkörper 22 sind als Leiterplatte, insbesondere als gedruckte Schaltung, ausgebildet, was gelegentlich als PCB (Printed Circuit Board) bezeichnet wird.
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In der 3 ist eine Ausführungsform der Axialflussmaschine gezeigt, bei der die Öffnungen 42 in der Mantelfläche 41 des Motorgehäuses 4 den ersten ringscheibenförmigen Statorkörper 21 und den zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper 22 in axialer Richtung vollständig überstreichen. Der erste ringscheibenförmige Statorkörper 21 und der zweite ringscheibenförmigen Statorkörper 22 sind hierbei drehfest in dem Motorgehäuse 4 aufgenommen und mit diesem verbunden.
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In der 4 ist eine Ausführungsform der Axialflussmaschine widergegeben, bei der das Motorgehäuse 4 aus einer ersten Ringscheibe 43 und einer zweiten Ringscheibe 44 gebildet ist, welche durch sich in axialer Richtung erstreckende Verbindungsstege 45 formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besitzen die Ringscheiben 43,44 in Umfangsrichtung äquidistant angeordnete Aufnahmen für die Verbindungsstege 45, in welche die Verbindungsstege 45 eingesetzt werden können, insbesondere form- und/oder kraftschlüssig. Die Verbindungsstege 45 können aus dem gleichen Material wie die Ringscheiben 43,44 gebildet sein oder von diesem verschieden sein. Wenigstens eine der Ringscheiben 43,44 kann auch aus einem der als Leiterplatten ausgebildeten Statorkörpern 21,22 gebildet sein.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Axialflussmaschine
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Motorgehäuse
- 21
- Statorkörper
- 22
- Statorkörper
- 30
- Rotorwelle
- 31
- Rotorkörper
- 32
- Aufnahmeschlitze
- 33
- Rotormagnet
- 41
- Mantelfläche
- 42
- Öffnungen
- 43
- Ringscheibe
- 44
- Ringscheibe
- 45
- Verbindungsstege
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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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