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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrohydraulikaggregats.
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Hintergrund der Erfindung
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Der Erfindung zugrundeliegende Elektrohydraulikaggregate (sog. Motor-Pumpen-Einheiten) weisen eine Hydraulikpumpe mit variablem Verdrängungsvolumen pro Arbeitsspiel (sog. hydraulische Verdrängermaschine, z.B. Axialkolbenmaschine) auf, welche mittels eines Elektroantriebs (Motor) mit variabler Drehzahl angetrieben wird. Das Verdrängungsvolumen kann kontinuierlich oder stufenweise verstellbar sein. Beim Betrieb solcher Elektrohydraulikaggregate werden üblicherweise der Volumenstrom und/oder der Förderdruck (d.h. Druckdifferenz zwischen Zulauf und Ablauf) durch entsprechende Anpassung der Drehzahl und des Verdrängungsvolumens der Hydraulikpumpe geregelt, d.h. solche Elektrohydraulikaggregate besitzen grundsätzlich zwei Freiheitsgrade bei der Regelung.
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Die
DE 10 2007 007 005 A1 zeigt eine elektrohydraulische Steueranordnung mit einer verstellbaren Fluidpumpe und mit einem drehzahlvariablen elektrischen Antrieb. Eine Druckerfassungseinrichtung erlaubt die Erfassung des Fluiddrucks. Der Hauptregelkreis dieser elektrohydraulischen Steueranordnung besitzt ein Drehzahlstellglied des elektrischen Antriebs als Stellglied. Mittels des Hauptregelkreises lässt sich der Fluiddruck und damit z.B. eine durch einen Zylinder ausgeübte Kraft oder eine nachgeordnete Stellgröße wie z. B. eine Position oder eine Geschwindigkeit regeln. Ein Verdrängungsvolumenstellglied der Fluidpumpe wird mittels einer Nebenstellkette in Abhängigkeit von dem erfassten Fluiddruck angesteuert. Eine besonders einfache Ausgestaltung sieht vor, dass die Nebenstellkette eine Steuereinrichtung, insbesondere einen Zweipunktregler umfasst, durch den das Verdrängungsvolumen der verstellbaren Fluidpumpe zwischen einem vorgegebenen Minimalwert und einem Maximalwert in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Umschaltbedingung umstellbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrohydraulikaggregats sowie ein Elektrohydraulikaggregat, ein Computerprogramm und ein Datenträger mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die vorliegende Erfindung führt bei elektrohydraulischen Systemen zu einer Erhöhung der Verfügbarkeit der Pumpe, verhindert Maschinenstillstand und vermeidet bzw. verringert Beschädigung bzw. zusätzlichen Verschleiß der Pumpe. Insbesondere bei einem sog. Druck-Volumenstrom-Betrieb (p-Q) einer Pumpe, bei dem der Druck mittels der Drehzahl als Stellgröße geregelt und sich der Volumenstrom daraus als Produkt aus Drehzahl und Verdrängungsvolumen ergibt, kann sichergestellt werden, dass nur Arbeitspunkte (d.h. Druck/Drehzahl-Kombinationen) angefahren werden, die im zulässigen Bereich liegen. Sollten durch die Sollwertvorgabe oder Konfiguration unzulässige Arbeitspunkte angefahren werden, wird dies im Rahmen der Erfindung verhindert, indem das Verdrängungsvolumen umgeschaltet, insbesondere verkleinert wird. Bei kleinem Verdrängungsvolumen liegen üblicherweise keine Arbeitspunkteinschränkungen vor. Für jede Hydraulikpumpe sind zulässige bzw. unzulässige Arbeitspunkte vorab bekannt und insbesondere in einem Datenblatt festgelegt. Sie können entsprechend in einem Speicher der ansteuernden Recheneinheit hinterlegt und überwacht werden.
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Zum Betreiben eines drehzahlvariablen Elektrohydraulikaggregats, bei dem eine in einem Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel zwischen einem ersten größeren und einem zweiten kleineren Verdrängungsvolumenwert verstellbare Hydraulikpumpe mittels eines drehzahlvariablen Elektroantriebs angetrieben wird, wird ein Sollwert einer Drehzahl des drehzahlvariablen Elektroantriebs ermittelt und dem Elektroantrieb vorgegeben. Dies kann anhand einer übergeordneten Vorgabe, z.B. einer Druck- und/oder Volumenstromregelung, erfolgen, wobei der Sollwert der Drehzahl des drehzahlvariablen Elektroantriebs als Stellgröße einer übergeordneten Druckregelung ermittelt wird, der als Eingangsgröße ein Sollwert des Förderdrucks über der Hydraulikpumpe bzw. allgemein ein Druck an einer bestimmten Stelle des Systems zugeführt wird. Dabei wird das Verdrängungsvolumen auf den ersten größeren oder den zweiten kleineren Verdrängungsvolumenwert gesetzt, zweckmäßigerweise ebenfalls durch eine übergeordnete Vorgabe, wie z.B. eine Betriebsstrategie. Z.B. ist die Momentenbelastung des Elektroantriebs bei kleinem Verdrängungsvolumenwert reduziert, da sich das Lastmoment als Produkt aus Förderdruck und Verdrängungsvolumen ergibt. Z. B. kann bei kleinem Verdrängungsvolumen ein hoher Druck mit geringem Moment gehalten werden. Dabei kommt es insbesondere nicht zu thermischer Überlast von Elektromotor und Umrichter des Elektroantriebs.
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Wenn nun das Verdrängungsvolumen den ersten größeren Verdrängungsvolumenwert hat, wird im Rahmen der Erfindung eine Überwachung durchgeführt, bei der ein Istwert des Förderdrucks über der Hydraulikpumpe und ein Istwert der Drehzahl der Hydraulikpumpe (bzw. des Elektroantriebs, da diese üblicherweise 1:1 übersetzt sind bzw. zumindest ein bekanntes Übersetzungsverhältnis haben) ermittelt. Es wird bestimmt, ob sich aus dem Istwert des Förderdrucks und dem Istwert der Drehzahl der Hydraulikpumpe ein zulässiger Arbeitspunkt ergibt, und wenn sich kein zulässiger Arbeitspunkt ergibt, wird das Verdrängungsvolumen auf den zweiten kleineren Verdrängungsvolumenwert eingestellt.
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Vorzugsweise kann durch Überwachung des aktuellen Drehmoments, d.h. durch Ermitteln eines Istwerts eines Drehmoments des drehzahlvariablen Elektroantriebs bestimmt werden, ob das Einstellen des zweiten kleineren Verdrängungsvolumenwerts erfolgt ist bzw. erfolgreich war, da sich das Drehmoment dadurch verändert, insbesondere sinkt.
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Alternativ oder zusätzlich kann der aktuell eingestellte Verdrängungsvolumenwert mittels eines Rechenmodells bzw. modellbasierten Beobachters bestimmt werden, in das vorhandene Messgrößen wie Drehzahl, Drehmoment bzw. Antriebsstrom, Förderdruck eingehen. Auch dieser Verdrängungsvolumenwert kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob das Einstellen des zweiten kleineren Verdrängungsvolumenwerts erfolgt ist bzw. erfolgreich war.
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Weiter vorteilhaft kann der aktuell eingestellte Verdrängungsvolumenwert als eine Regelstreckeneigenschaft bei der Druckregelung berücksichtigt werden. Insbesondere wird nach dem eigentlichen Regler, welcher eine Stellgröße ausgibt, eine Funktion zur Streckenadaption vorgesehen, welche die Stellgröße (beispielsweise eine Drehzahl-Sollwert) in Abhängigkeit vom aktuell eingestellten Verdrängungsvolumenwert verändert. Dadurch ist z.B. eine Adaption von Reglerparametern (Beiwerte wie Proportionalverstellung, Nachstellzeit usw.) nicht nötig und die geforderte Dynamik der Regelung kann gehalten werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei einer Veränderung des Sollwerts der Drehzahl des drehzahlvariablen Elektroantriebs die Änderungsrate des Sollwerts auf eine Maximaldrehzahländerungsrate begrenzt. Änderungen des Sollwerts der Drehzahl ergeben sich insbesondere im Normalbetrieb aus der übergeordneten Vorgabe, aber auch in Folge der Veränderung des Verdrängungsvolumens auf den zweiten kleineren Verdrängungsvolumenwert, d.h. wenn das Verdrängungsvolumen reduziert wird, muss zur Aufrechterhaltung des Volumenstroms bzw. Drucks die Drehzahl erhöht werden. Die Veränderung des Drehzahlsollwertes erfolgt mit definiert begrenzter Winkelbeschleunigung. Damit kann ein weiterer Komponentenschutz, insbesondere Pumpenschutz erreicht werden. Die Drehzahländerungsrate ist insbesondere eine Drehbeschleunigung und kann in [Winkel/Zeit2] angegeben werden. Wird die Beschleunigung/Verzögerung der Pumpendrehung beschränkt, können dadurch mechanische Schäden an internen Komponenten vermieden werden. Auf der Systemseite kann eine hohe Beschleunigung zur Bildung eines lokalen Unterdrucks in der Hydraulikflüssigkeit führen, da diese dynamisch nicht in der Lage ist, der Bewegung des Pumpenrotors zu folgen. Dadurch kann es zu Kavitation kommen. In einem Datenblatt der Pumpe können Grenzen für Beschleunigung und Verzögerung aufgeführt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in der Druckregelung eine Änderungsrate des Sollwerts des Drucks auf eine Maximaldruckänderungsrate begrenzt und/oder der Sollwert selbst auf einen Maximaldruckwert (z.B. den Nenndruck der Pumpe) begrenzt. Dies stellt zwei weitere vorteilhafte Komponentenschutzmechanismen dar, um die Pumpe vor Überlastungen bzw. Schäden zu schützen. Wird bereits (also eingangsseitig) die Solldruckveränderungsrate begrenzt, führt dies automatisch auch zu einer zeitlichen Verzögerung am Ausgang, d.h. insbesondere einer Drehzahländerungsrate, und hat somit ebenso die o.g. Vorteile. Die Druckänderungsrate kann insbesondere in [Druck/Zeit] angegeben werden. Da eine Überschreitung des Maximaldruckwerts je nach Bauart und Auslegung kurzzeitig zulässig sein kann, umfasst das Begrenzen des Sollwerts des Drucks auf einen Maximaldruckwert vorzugsweise, dass vor dem Begrenzen des Sollwerts des Drucks, d.h. vor einem Abregeln, zunächst eine zulässige Überlastzeit abgewartet wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Sollwert der Drehzahl des drehzahlvariablen Elektroantriebs auf eine Minimaldrehzahl begrenzt, wenn der Istwert des Förderdrucks höchstens einem Minimaldruckwert entspricht. Üblicherweise soll die Hydraulikpumpe aus energetischen und dynamischen Gründen mit dem größtmöglichen Verdrängungsvolumen betrieben werden, d.h. vorliegend soll das Verdrängungsvolumen den ersten größeren Verdrängungsvolumenwert haben. Dies bedeutet jedoch ein großes hydraulisches Moment, so dass dabei besonders geringe oder gar negative Drehzahlen (z.B. < 200 U/min) bei hohen Drücken (über einem Schwellwert von z.B. 5 bar oder 50 bar) nur kurzzeitig (z.B. wenige Sekunden) zulässig sind (es versteht sich, dass die jeweiligen Werte von der konkreten Pumpe abhängen und rein beispielhaft zu verstehen sind). Als weiterer Komponentenschutzmechanismus können also ein Minimaldruckwert und eine Minimaldrehzahl überwacht werden, um Kavitation der Pumpe zu verhindern. Kann die Drehzahl infolge der Begrenzung nicht weiter reduziert werden, wird das Verdrängungsvolumen reduziert (und die Drehzahl dementsprechend erhöht), um den Volumenstrom aufrechtzuerhalten. Die Begrenzung kann unmittelbar oder zeitverzögert umgesetzt sein, d.h. eine kurzzeitige Unterschreitung der Minimaldrehzahl kann ggf. zugelassen werden. Deutet sich jedoch im zweiten Fall eine Überschreitung der zulässigen Zeit an, wird, insbesondere unter Berücksichtigung der Schwenkzeit, auf das kleine Verdrängungsvolumen umgeschaltet. Unter Berücksichtigung der Schwenkzeit heißt, dass die zulässige Zeit nicht überschritten wird, bis das Verdrängungsvolumen den kleinen Verdrängungsvolumenwert erreicht hat (und dann nicht mehr überschritten werden kann, da ein unkritischer Arbeitspunkt vorliegt).
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Elektrohydraulikaggregats, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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- 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen drehzahlvariablen Elektrohydraulikaggregats.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen drehzahlvariablen Elektrohydraulikaggregats schematisch dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Das Elektrohydraulikaggregat 10 verfügt über eine verstellbare Hydraulikpumpe 20 (welche im vorliegenden Beispiel in zwei Richtungen fördern kann), einen drehzahlvariablen Elektroantrieb 30 und eine Recheneinheit 40 zum Betrieb des Elektrohydraulikaggregats.
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Die Hydraulikpumpe 20 ist als Axialkolbenpumpe mit einem zwischen zwei Stellungen verstellbaren Schwenkwinkel α für eine Schrägscheibe oder Schrägachse ausgebildet. Dadurch lässt sich das Verdrängungsvolumen zwischen einem ersten größeren und einem zweiten kleineren Verdrängungsvolumenwert verstellen. Dazu kann ein Stellsignal von der Recheneinheit 40 an die Axialkolbenpumpe 20 verwendet werden. Das Stellsignal kann bspw. ein Stellwert für ein sog. Pilotventil 21 auf der Pumpe sein.
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Der Elektroantrieb ist hier als sog. Normmotor ausgebildet, der einen Synchron-Servomotor 31 und einen Frequenzumrichter 32 aufweist. Im Prinzip können auch Asynchronmotoren eingesetzt werden. Die Drehzahl n des Asynchronmotors 31 ist variabel. Dazu wird eine Soll-Drehzahl von der Recheneinheit 40 an den Elektroantrieb 30 vorgegeben. Die Ist-Drehzahl kann über einen Winkelgeber bestimmt werden. Jedoch ist ebenso eine Steuerung ohne Rückkopplung möglich.
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Für die Regelung der Pumpe 10 dient die Recheneinheit 40, der ein Soll-Förderdruck ps und/oder ein Soll-Volumenstrom Qs zugeführt werden. Die Recheneinheit 40 kann als sog. Elektroantriebsregler ausgebildet sein und bestimmt daraus im Rahmen der Erfindung die Drehzahl n als Stellgröße. Die Recheneinheit kann auch vom Antriebsregler separat und diesem übergeordnet sein und mit diesem über eine Schnittstelle kommunizieren (Drehzahlsollwert, Drehzahlistwert, ...). Eine Bestimmung des Ist-Förderdrucks erfolgt zweckmäßigerweise über einen Sensor. Daraus ist eine Druckregelung möglich.
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Eine Umschaltung des Verdrängungsvolumens während des Betriebs kann beispielsweise anhand einer Betriebsstrategie erfolgen. Beispielsweise kann die Recheneinheit 40 bestimmen, ob sich der Elektroantrieb in einem Volllastbetrieb oder einem Teillastbetrieb befindet, bspw. durch Überwachung des elektrischen Stroms, um so das von dem Elektroantrieb 30 gelieferte Elektroantriebsmoment zu bestimmen und mit dem für die momentane Drehzahl maximal möglichen Elektroantriebsmoment zu vergleichen, oder durch Überwachung der Drehzahl. Insbesondere kann ein Schwellwertvergleich vorgesehen sein, wobei ein Elektroantriebsmoment unter einem Schwellwert (von z.B. 75%) bzw. eine Drehzahl unter einem Schwellwert als Teillast erkannt wird. Der Drehzahlschwellwert wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit vom Einsatzzweck vorgegeben.
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Im Volllastbetrieb wird ein Stellsignal für den Schwenkwinkel der Pumpe 20 ausgegeben, der zu dem ersten größeren Verdrängungsvolumenwert führt. Im Teillastbetrieb wird ein Stellsignal für den Schwenkwinkel der Pumpe 20 ausgegeben, der zu einem zweiten, niedrigeren Verdrängungsvolumen führt. Insbesondere kann eine Abhängigkeit des zweiten, niedrigeren Verdrängungsvolumens von der Drehzahl einem Kennfeld o.ä. in der Recheneinheit entnommen werden.
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Die Einstellung des Verdrängungsvolumens kann zweckmäßigerweise durch Ansteuerung des Pilotventils bzw. Steuerventils 21 erfolgen. Es kann dabei ein Schaltventil (oder ein Proportionalventil) eingesetzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden nun unterschiedliche Schutzmechanismen eingesetzt, um das Elektrohydraulikaggregat bzw. dessen Komponenten vor Beschädigungen zu schützen. Dazu werden (insbesondere) wenn das Verdrängungsvolumen den ersten größeren Verdrängungsvolumenwert hat, ein Istwert des Förderdrucks über der Hydraulikpumpe und ein Istwert der Drehzahl n des Asynchronmotors 31 (als Drehzahl der Hydraulikpumpe) ermittelt und daraus bestimmt, ob ein zulässiger Arbeitspunkt vorliegt. Wenn kein zulässiger Arbeitspunkt vorliegt (weil insbesondere die Drehzahl zu klein und/oder der Druck zu groß ist), wird das Verdrängungsvolumen auf den zweiten kleineren Verdrängungsvolumenwert eingestellt. Zur Aufrechterhaltung des Drucks ps bzw. Volumenstroms Qs wird die Drehzahl entsprechend erhöht und der unzulässige Arbeitspunkt verlassen. Wie oben erläutert, liegen bei kleinem Verdrängungsvolumen üblicherweise keine Arbeitspunkteinschränkungen vor.
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Weitere vorteilhafte Schutzmechanismen umfassen
- - eine Begrenzung einer Änderungsrate des Sollwerts der Drehzahl des drehzahlvariablen Elektroantriebs (30) auf eine Maximaldrehzahländerungsrate,
- - eine Begrenzung einer Änderungsrate des Sollwerts des Förderdrucks über der Hydraulikpumpe (20) auf eine Maximaldruckänderungsrate,
- - eine Begrenzung des Sollwerts des Förderdrucks über der Hydraulikpumpe (20) auf einen Maximaldruckwert, ggf. nach Überschreiten einer zulässigen Überlastzeit,
- - eine Begrenzung des Sollwerts der Drehzahl des drehzahlvariablen Elektroantriebs (30) auf eine Minimaldrehzahl, wenn der Istwert des Förderdrucks höchstens einem Minimaldruckwert entspricht, ggf. nach Überschreiten einer zulässigen Überlastzeit.
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Die vorliegende Erfindung führt bei elektrohydraulischen Systemen zu einer Erhöhung der Verfügbarkeit der Pumpe, verhindert Maschinenstillstand und vermeidet bzw. verringert Beschädigung bzw. übermäßigen Verschleiß der Pumpe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007007005 A1 [0003]
