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Die Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Maschine eines Elektrofahrzeugs, mit mehreren Permanentmagneten, und einem Rotorkern, welches mehrere Magnetaufnahmehohlräume aufweist, in welchen jeweils ein Permanentmagnet angeordnet ist, wobei die Permanentmagnete über jeweils eine Feder-Nut-Verbindung derart formschlüssig mit dem Rotorkern verbunden sind, dass eine Verlagerung der Permanentmagnete in Richtung einer Außenumfangsfläche des Rotorkerns gesperrt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine.
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Derartige permanenterregte Rotoren werden üblicherweise in elektrischen Maschinen eingesetzt und wirken mit einem Stator, d.h. mit einem durch die Bestromung des Stators verursachtes Magnetfeld, zusammen. Der Rotor weist hierfür ein Rotorkern und eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Permanentmagneten auf. Jeder Permanentmagnet ist in jeweils einem Magnetaufnahmehohlraum angeordnet, so dass die Permanentmagnete in dem Rotorkern eingebettet sind. Dabei können zwei benachbarte Magnetaufnahmehohlräume auch miteinander verbunden sein. Die Magnetaufnahmehohlräume und die Permanentmagnete weisen üblicherweise jeweils einen rechteckigen Querschnitt und damit eine quaderförmige Form auf, wobei die Permanentmagnete üblicherweise mit dem Rotorkern verklebt sind.
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Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine zu erhalten, sollten die Permanentmagnete so weit wie möglich radial außen am Rotorkern, d.h. möglichst nah am Radialspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, angeordnet sein. Dies kann beispielsweise erzielt werden, indem die Magnetaufnahmehohlräume sich bis zu einer Außenumfangsfläche des Rotorkerns erstrecken, so dass die Magnetaufnahmehohlräume an der Außenumfangsfläche des Rotorkerns offen sind und die in dem Rotorkern eingebetteten Permanentmagnete sich bis unmittelbar an den Radialspalt erstrecken. Problematisch dabei ist, dass bei hohen Drehzahlen des Rotors die Permanentmagnete aufgrund der auf sie ausgeübten Fliehkraft aus den jeweiligen Taschen und sich in den Radialspalt verlagern. Dies führt zu einem Ausfall und einer Beschädigung der elektrischen Maschine. Zusätzlich erwärmen sich der Rotorkern und die Permanentmagnete im Betrieb, wobei durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Rotorkerns und der Permanentmagnete die Gefahr, dass die Permanentmagnete sich in Richtung des Radialspalts verlagern, erhöht wird.
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Um eine derartige Verlagerung der Permanentmagnete zu verhindern, kann an einer Seitenfläche der Magnetaufnahmehohlräume ein Vorsprung vorgesehen werden, wobei die Permanentmagnete an den Vorsprüngen radial anliegen. Auf diese Weise können die Permanentmagnete formschlüssig gegen eine Verlagerung in Richtung des Radialspalts gesichert werden. Dies führt jedoch dazu, dass die Permanentmagnete in Richtung der Rotationsachse, d.h. weg vom Radialspalt, versetzt werden müssen, um die Vorsprünge ausbilden zu können. Dies verursacht eine Reduktion des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine. Eine derartige Ausgestaltung ist beispielsweise in der
DE 10 2019 117 686 A1 offenbart.
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Um einerseits die Permanentmagnete gegen eine Verlagerung in Richtung des Radialspalts formschlüssig zu sichern und andererseits die Permanentmagnete relativ nah am Radialspalt anzuordnen und damit einen hohen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine bereitzustellen, können die Permanentmagnete über jeweils eine Feder-Nut-Verbindung formschlüssig gegen ein Verlagern in Richtung des Radialspalts zwischen dem Rotor und dem Stator gesichert werden. Eine derartige Ausführung offenbart die
DE 10 2018 210 967 A1 . Dabei weisen die Permanentmagnete an einer an einer Seitenfläche des Magnetaufnahmehohlraums anliegenden Seite eine halbkreisförmige Aussparung auf, in welche ein an der Seitenfläche des Magnetaufnahmehohlraums vorgesehener, halbkreisförmiger Vorsprung eingreift.
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Problematisch daran ist die aufwendige Herstellung der Permanentmagnete mit einer Aussparung zur Bereitstellung einer Feder-Nut-Verbindung. Die Permanentmagnete werden durch einen Sinterprozess hergestellt, wobei ein Grünteil durch einen Pressvorgang eines Metallpulvers hergestellt wird und das Grünteil anschließend gesintert wird. Kleine, filigrane Geometrien, d.h. die für die Feder-Nut-Verbindung erforderliche Aussparung, sind dabei im Sinterprozess nicht herstellbar. Daher müssen derartige Aussparung an den gesinterten Permanentmagneten in einem nachfolgenden, separaten Schritt mechanisch hergestellt werden. Hierbei können die Aussparungen durch Fräsen hergestellt werden, wobei auch dies ein aufwendiger und komplexer Vorgang ist, da die gesinterten Permanentmagnete relativ spröde sind und dadurch das Fräsen aufwendig und kompliziert ist. Außerdem können die Aussparungen durch Schleifen hergestellt werden, wobei das Schleifen sehr zeitintensiv ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Rotor für eine elektrische Maschine bereitzustellen, welcher mehrere in dem Rotorkern eingebettete und zuverlässig gegen eine Verlagerung in Richtung des Radialspalts der elektrischen Maschine formschlüssig gesicherte Permanentmagnete aufweist, wobei die Permanentmagnete einfach und kostengünstig hergestellt werden können und die elektrische Maschine einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Die Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass die Permanentmagnete jeweils einstückig und durch Metallpulverspritzgießen hergestellt sind, können die Permanentmagnete trotz einer vorliegenden Feder-Nut-Verbindung zwischen den Permanentmagneten und dem Rotorkern kostengünstig sowie zeitsparend hergestellt werden. Durch das Metallpulverspritzgießen können die Permanentmagnete auf eine einfache und kostengünstige Weise mit einer beliebigen Geometrie, insbesondere mit filigranen Geometrien, hergestellt werden. Insbesondere können Vorsprünge und/oder Aussparungen an den Permanentmagneten im Herstellungsprozess der Permanentmagnete, d.h. im Sinterprozess, hergestellt werden. Ein nachfolgender Herstellungsschritt, insbesondere eine mechanische Bearbeitung der Permanentmagnete zur Herstellung eines Vorsprungs oder einer Aussparung, entfällt, wodurch der Herstellungsaufwand reduziert werden kann.
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Beim Metallpulverspritzgießen wird Metallpulver mit einem Binder, welcher insbesondere aus einem Kunststoff hergestellt ist, vermischt und ein Grünteil mit einer gewünschten Form durch Spritzgießen hergestellt. Anschließend wird der Binder durch eine thermische Entbindung oder eine Lösemittelentbindung wieder entfernt, wobei die Form des Grünteils erhalten bleibt. Dabei entsteht ein sogenanntes Braunteil. Abschließend wird das Braunteil einem Ofen zugeführt, in welchem ein Sintervorgang erfolgt und das endgültige Bauteil, d.h. im vorliegenden Fall die Permanentmagnete, entsteht. Damit kann durch das Metallpulverspritzgießen ein gesinterter, metallischer Permanentmagnet unter Ausnutzung der vorteilhaften, großen Formgebungsvielfalt des Spritzgießens hergestellt werden.
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Vorzugsweise weist der Rotorkern jeweils einen in die Magnetaufnahmehohlräume ragenden Vorsprung auf, wobei die Vorsprünge in jeweils eine Aussparung der in den Magnetaufnahmehohlräumen angeordneten Permanentmagnete eingreifen. Alternativ weisen die Permanentmagnete jeweils einen Vorsprung auf, welche in jeweils eine am Rotorkern ausgebildete Aussparung eingreifen, wobei jeweils eine Aussparung an einer den jeweiligen Magnetaufnahmehohlraum begrenzenden Fläche angeordnet ist. Durch die durch einen Vorsprung und eine Aussparung gebildete Feder-Nut-Verbindung kann auf eine einfache Weise jeweils eine formschlüssige Verbindung zwischen den Permanentmagnet und dem Rotorkern gebildet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen der Rotorkern an zwei, sich gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils eine Aussparung und die Permanentmagnete an zwei, sich entgegengesetzten Seiten jeweils einen Vorsprung auf oder der Rotorkern an zwei, sich gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils einen Vorsprung und die Permanentmagnete an zwei, sich entgegengesetzten Seiten jeweils eine Aussparung auf. Dadurch kann die Verlagerung der Permanentmagnete in den Radialspalt besonders zuverlässig vermieden werden.
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Vorzugsweise weisen der Vorsprung und die Aussparung einen rechteckigen Querschnitt auf. Alternativ weisen der Vorsprung und die Aussparung einen dreieckigen Querschnitt auf. In beiden Ausführungen ist die der Außenumfangsfläche des Rotorkerns abgewandte Seite der Vorsprünge und der Aussparrungen senkrecht zur Anlagefläche zwischen den Permanentmagneten und dem Rotorkern ausgerichtet. Dadurch kann verhindert werden, dass auch bei einem geringfügigen Aufweiten der Magnetaufnahmehohlräume aufgrund von Wärmedehnungen und mechanischen Belastungen aufgrund von Fliehkräften die Permanentmagnete sich in Richtung des Radialspalts zwischen dem Rotor und dem Stator, d.h. in Richtung der Außenumfangsfläche des Rotorkerns, verlagern.
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Vorzugsweise sind die Magnetaufnahmehohlräume an einer Außenumfangsfläche des Rotorkerns offen. Dadurch können die Permanentmagnete relativ nah am Radialspalt zwischen dem Rotor und dem Stator angeordnet werden und dadurch der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erhöht werden.
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Vorzugsweise ist an der Außenumfangsfläche des Rotorkerns eine Bandage angeordnet, wodurch die Drehzahlfestigkeit erhöht werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind an der Außenumfangsfläche des Rotorkerns mehrere Oberflächenpermanentmagnete angeordnet, wobei zwischen jeweils einem Oberflächenpermanentmagnet und zwei V-förmig angeordneten Permanentmagneten ein Zwischenelement angeordnet ist, welches mit einer ersten Seite an dem Oberflächenpermanentmagnet und mit einer zweiten, zur ersten Seite entgegengesetzten Seite an den Permanentmagneten anliegt. Dadurch kann die Montage der Permanentmagnete und der Oberflächenpermanentmagnete am Rotor vereinfacht werden, wobei zunächst die Permanentmagnete montiert werden, anschließend das Zwischenelement und die Oberflächenpermanentmagnete montiert werden und abschließend die Bandage montiert wird. Durch eine derartige Montage können die Feder-Nut-Verbindungen zwischen den Permanentmagneten und dem Rotorkern einfach und zuverlässig hergestellt werden.
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Die Aufgabe wird außerdem durch eine elektrische Maschine mit einem Stator, und einem Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gelöst. Zu den Vorteilen der elektrischen Maschine wird auf die vorhergehenden Absätze verwiesen.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine eines Elektrofahrzeugs im Querschnitt,
- 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Rotors der elektrischen Maschine aus 1, und
- 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Rotors der elektrischen Maschine aus 1.
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Die 1 zeigt eine elektrischen Maschine 10, welche beispielsweise als Traktionsmaschine eines Elektrofahrzeugs genutzt wird. Die elektrische Maschine 10 umfasst ein Gehäuse 12, welches einen Gehäuseinnenraum begrenzt. In dem Gehäuse 12, d.h. in dem Gehäuseinnenraum sind ein Stator 14 und ein Rotor 16 angeordnet. Der Stator 14 ist über die Außenumfangsfläche an dem Gehäuse 12, d.h. an einer Gehäusewandung, befestigt und ist damit starr in dem Gehäuse 12 angeordnet. Eine Innenumfangsfläche des Stators 14 begrenzt eine Durchgangsöffnung, in welcher der Rotor 16 angeordnet ist, wobei die Innenumfangsfläche des Stators 14 und die Außenumfangsfläche des Rotors 16 einen Radialspalt 15 begrenzen. Der Rotor 16 weist eine Rotorwelle 17 und einen Rotorkern 18 auf, wobei der Rotorkern insbesondere als Rotorblechpaket ausgeführt ist. Die Rotorwelle 17 ist drehbar an dem Gehäuse 12 gelagert, wobei hierfür an beiden Axialenden der Rotorwelle 17 jeweils ein Lagerelement 20, 22 angeordnet ist. Der Rotorkern 18 ist an einer Umfangsfläche der Rotorwelle 17 befestigt und rotiert gemeinsam mit der Rotorwelle 17. Die elektrische Maschine 10 ist als permanenterregte elektrische Maschine ausgeführt.
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Die 2 und 3 zeigen jeweils einen Ausschnitt des Rotors 16. Die in den 2 und 3 gezeigten Ausschnitte sind über den gesamten Umfang verteilt angeordnet, wobei die Ausschnitte identisch ausgeführt sind.
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Die 2 zeigt eine erste Ausführungsform des Rotors 16. Rotor 16 umfasst den Rotorkern 18, mehrere Permanentmagnete 40, 42, mehrere Oberflächenpermanentmagnete 44 sowie eine Bandage 50. Der Rotorkern 18 setzt sich aus einem Grundkörper 30 sowie mehreren Zwischenelementen 32 zusammen, wobei die Zwischenelemente 32 in jeweils einer Aussparung 33 des Grundkörpers 30 angeordnet sind. Sowohl der Grundkörper 30 als auch die Zwischenelemente 32 sind insbesondere durch mehrere, gestapelte Bleche gebildet. Die Zwischenelemente 32 sind derart kleiner als die entsprechenden Aussparungen 33 ausgeführt, dass die jeweils einem Zwischenelement 32 zugewandten Flächen der Aussparungen 33 des Grundkörpers 30 und die dem Grundkörper 30 zugewandten Flächen des jeweiligen Zwischenelements 32 zwei Magnetaufnahmehohlräume 34, 36 begrenzen. Hierbei verlaufen die den Magnetaufnahmehohlräume 34, 36 begrenzenden Flächen der Aussparung 33 und des Zwischenelements 32 parallel zueinander, wobei die Aussparungen 33 und die Zwischenelemente 32 derart ausgeführt sind, dass die beiden Magnetaufnahmehohlräume 34, 36 eine V-Form bilden. Die zwei Magnetaufnahmehohlräume 34, 36 sind an der der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 18 zugewandten Seite offen.
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In den beiden Magnetaufnahmehohlräumen 34, 36 ist jeweils ein Permanentmagnet 40, 42 angeordnet, welche jeweils einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und im endmontierten Zustand mit jeweils einer Seitenfläche an dem Zwischenelement 32 anliegt und mit einer entgegengesetzten Seitenfläche an dem Grundkörper 30 anliegen. Durch die zuvor erläuterte Ausführung der Magnetaufnahmehohlräume 34, 36 sind die beiden Permanentmagnete 40, 42 V-förmig angeordnet.
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Die Oberflächenpermanentmagnete 44 sind an einer dem Grundkörper 30 abgewandten Seite der Zwischenelemente 32 angeordnet, wobei die Zwischenelemente 32 zur Aufnahme der Oberflächenpermanentmagnete 44 jeweils eine nutartige Aussparung 38 aufweisen.
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Bei der Montage des Rotorkerns 18 werden zunächst die eingebetteten Permanentmagnete 40, 42 in die Aussparungen 33 des Grundkörpers 30 eingelegt, anschließend die Zwischenelemente 32 mit den bereits vormontierten Oberflächenpermanentmagneten 44 in die Aussparungen 33 eingelegt. Abschließend wird die Bandage 50 montiert, wobei über die Bandage 50 die Permanentmagnete 40, 42 über die Oberflächenpermanentmagnete 44 und die Zwischenelemente 32 an den Grundkörper 30 gepresst werden. Damit erfolgt die endgültige Befestigung der Permanentmagnete 40, 42, der Zwischenelemente 32 und der Oberflächenpermanentmagnete 44 durch die Bandage 50.
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Insbesondere bei hohen Drehzahlen des Rotors 16 wirken auf die Permanentmagnete 40, 42 relativ hohe Fliehkräfte, wodurch die Gefahr besteht, dass die Permanentmagnete 40, 42 sich in Richtung der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 18 bzw. in den Radialspalt 15 zwischen dem Rotor 16 und dem Stator 14 verlagern. Zusätzlich kommt noch hinzu, dass der Rotor 16 sich im Betrieb erwärmt und durch die dadurch verursachten und voneinander abweichenden Wärmedehnungen Komponenten des Rotors 16 sich die Magnetaufnahmehohlräume 34, 36 ggfs. aufweiten, wodurch eine Fixierung der Permanentmagnete 40, 42 entlang der Flächen des Zwischenelements 32 und des Grundkörpers 30 aufgehoben wird. Um eine derartige Verlagerung der Permanentmagnete 40, 42 zu verhindern, ist je Magnetaufnahmehohlraum 34, 36 jeweils eine Feder-Nut-Verbindung 60, 70 vorgesehen. Jede Feder-Nut-Verbindung 60, 70 umfasst zwei Vorsprünge 62, 66, 72, 76, wobei jeweils ein Vorsprung 62, 72 an einer die Aussparung 33 begrenzenden Fläche des Grundkörpers 30 ausgebildet ist und jeweils ein Vorsprung 66, 76 an den die Magnetaufnahmehohlräume 34, 36 begrenzenden Flächen des Zwischenelements 32 ausgebildet ist. Damit sind alle Vorsprünge 62, 66, 72, 76 an dem Rotorkern 18 vorgesehen. Die Vorsprünge 62, 66, 72, 76 greifen in jeweils eine an den Permanentmagneten 40, 42 ausgebildete Aussparung 64, 68, 74, 78 ein. Die Aussparungen 64, 68, 74, 78 und die Vorsprünge 62, 66, 72, 76 weisen jeweils einen rechteckigen Querschnitt auf. Alternativ können die Vorsprünge auch an den Permanentmagneten 40, 42 vorgesehen sein und die Aussparungen am Rotorkern 18 vorgesehen sein. Dadurch sind die Permanentmagnete 40, 42 entlang der die Magnetaufnahmehohlräume 34, 36 begrenzenden Flächen des Zwischenelements 32 und des Grundkörpers 30 formschlüssig gesichert.
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Um die Permanentmagnete 40, 42 mit derartigen Aussparungen 64, 68, 74, 78 oder in einer alternativen Ausführung mit Vorsprüngen auszustatten, werden die Permanentmagnete 40, 42 durch Metallpulverspritzgießen hergestellt. Beim Metallpulverspritzgießen wird Metallpulver mit einem Kunststoffbinder vermischt und ein Grünteil mit einer gewünschten Form, d.h. im vorliegenden Fall mit einem rechteckigen Querschnitt und den Aussparungen bzw. Vorsprüngen, durch Spritzgießen hergestellt. Anschließend wird der Kunststoffbinder durch eine thermische Entbindung oder eine Lösemittelentbindung wieder entfernt, wobei die Form des Grünteils erhalten bleibt. Dabei entsteht ein sogenanntes Braunteil. Abschließend wird das Braunteil einem Ofen zugeführt, in welchem ein Sintervorgang erfolgt und das endgültige Bauteil, d.h. im vorliegenden Fall die Permanentmagnete mit den Aussparungen und/oder Vorsprüngen, entsteht.
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Dadurch können die einstückigen Permanentmagnete 40, 42 mit den Aussparungen 64, 68, 74, 78 auf eine einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden.
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Die 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Rotors 16. Die entscheidenden Unterschiede der zweiten Ausführungsform zur ersten Ausführungsform nach 2 sind, dass lediglich ein einziger Vorsprung 82, 92 und eine einzige Aussparung 84, 94 je Magnetaufnahmehohlraum 34, 36 bzw. je Feder-Nut-Verbindung 80, 90 vorliegt, die Vorsprünge 82, 92 und die Aussparungen 84, 94 einen dreieckigen Querschnitt aufweisen und die Permanentmagnete 40`, 42` sich bis zur offenen, dem Radialspalt 15 zugewandten Seite der Magnetaufnahmehohlräume 34, 36 erstrecken.
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Damit wird ein Rotor für eine elektrische Maschine bereitgestellt, wobei die Permanentmagnete trotz einer vorhandenen Feder-Nut-Verbindung zwischen den Permanentmagneten und dem Rotorkern kostengünstig sowie zeitsparend hergestellt werden können und die elektrische Maschine mit einem hohen Wirkungsgrad ausgeführt werden kann.
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Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen. Beispielsweise können die Permanentmagnete eine andere Form aufweisen und/oder der Rotorkern kann anders ausgeführt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019117686 A1 [0004]
- DE 102018210967 A1 [0005]
