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Die Erfindung betrifft einen Rotor, ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors und eine elektrische Rotationsmaschine.
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Elektrische Rotationsmaschinen sind für unterschiedlichste Anwendungszwecke bekannt. Diese Maschinen umfassen einen feststehenden Stator und einen diesbezüglich drehbaren Rotor. Die Effizienz einer derartigen elektrischen Rotationsmaschine lässt sich steigern, wenn der Körper des Stators und/oder des Rotors aus gestapelten Elektroblechen gefertigt ist.
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Zur rotationsfesten Anordnung von Rotorkörpern auf Wellen sind Welle-Nabe-Verbindungen bekannt. Häufig wird dabei das Kalt-Warm-Fügen zwischen den Bauteilen verwendet, um einen Querpressverband herzustellen, da dieser einen geringen Bauraum beansprucht und dabei relativ hoch belastbar ist. Allerdings werden dabei auch Eigenspannungen in den beteiligten Bauteilen erzeugt, welche sich bei Belastung des Rotors im Betrieb als ungünstig hinsichtlich der Lebensdauer aufweisen können.
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Eine alternatives Befestigungsdesign des Rotorkörpers auf der Welle ist eine axiale Fixierung, welche jedoch aufgrund einer benötigten größeren axialen Länge des Rotorkörpers und/oder der Welle aufgrund der üblicherweise herrschenden Bauraum-Restriktionen oftmals nicht verwendet wird.
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Die
DE 10 2021 126 103 A1 P211664 offenbart eine Möglichkeit der drehfesten Anordnung des Rotorkörpers auf der Welle, bei der ein Kunststoffelement radial zwischen Welle und Rotorkörper angeordnet ist.
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Der
US 2019/0140504 A1 ist ein Elektromotor mit einem Stator entnehmbar, in dem ein Anker drehbar gelagert ist, wobei der Anker eine Ankerwelle aufweist, auf der ein Ankerblechpaket mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten gehalten ist, wobei das Ankerblechpaket gegenüber der Ankerwelle mittels einer Vergussmasse elektrisch isoliert ist. Weiterhin sind Wuchtringe vorhanden, die an ihren zentralen Ausnehmungen mit Formschlusselementen versehen sind, die etwa als Sicken ausgestaltet sind, so dass sich nach dem Aushärten der Vergussmasse eine formschlüssige Verbindung mit der Vergussmasse ergibt.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung des Rotors zur Verfügung zu stellen, die einen kostengünstigen, Bauraum-effizienten und langlebigen Aufbau des Rotors gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Rotor gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zur Herstellung eines Rotors gemäß 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Rotors sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Rotors ist in Unteranspruch 9 angegeben. Ergänzend wird eine elektrische Rotationsmaschine gemäß Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.
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Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Merkmale „axial“, „radial“ sowie „in Umfangsrichtung“ beziehen sich auf die Rotationsachse des Rotors.
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Die Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine, umfassend eine Welle und einen Rotorkörper, der als Nabe mittels einer Welle-Nabe-Verbindung auf der Welle angeordnet ist. Die Welle-Nabe-Verbindung umfasst an einer radialen Begrenzungsseite von einem der beiden Elemente Welle und Rotorkörper zumindest einen sich radial erstreckenden Vorsprung. Des Weiteren weist die Welle-Nabe-Verbindung in einer radialen Begrenzungsseite von dem jeweils anderen der beiden Elemente Welle und Rotorkörper wenigstens eine Ausnehmung auf, in die der Vorsprung axial hineinragt. Entlang der Umfangsrichtung ist zwischen dem Vorsprung und zumindest einer Begrenzungswandung der Ausnehmung Kunststoff angeordnet. Die Welle kann eine Vollwelle oder auch eine Hohlwelle sein. Der Rotorkörper kann durch ein Blechpaket ausgebildet sein, welches einen Stapel an Elektroblechen umfasst. Der Vorsprung sowie die Ausnehmung sind an einer jeweiligen UmfangsSeite von einem der beiden Elemente Welle und Rotorkörper ausgebildet.
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Die Ausnehmung ist dabei eine konkave Vertiefung und/ oder eine Nut, die sich achsparallel erstreckt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere dieser Welle-Nabe-Verbindungen am Umfang der Welle verteilt angeordnet. Die konkrete Anzahl der Welle-Nabe-Verbindungen ist je nach zu erwartender Belastung des Rotors auszulegen.
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Durch den Vorsprung in der Ausnehmung wird hinsichtlich der Drehmoment-Übertragung ein Formschluss realisiert, mit einem Spiel in Umfangsrichtung, welches allerdings mittels des Kunststoffs eingeschränkt bzw. vollständig aufgehoben wird. Der Vorsprung kann ein integraler Bestandteil des Elements sein, von dessen radialer Begrenzungsseite er sich erstreckt, oder aber der Vorsprung ist ein Element welches als extra Bauteil form- und/ oder kraftschlüssig mit dem betreffenden Element verbunden ist.
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Durch den neben dem Vorsprung eingebrachten Kunststoff können zwischen Welle und Rotorkörper auftretende Kräfte besser verteilt werden, sodass insgesamt die Belastbarkeit bzw. das am Rotor maximal übertragbare Drehmoment gesteigert ist. Es wird zudem dadurch eine sichere Drehmomentübertragung auch in einem Fehlerfall realisiert, da bei Alterung des Kunststoffs - gegebenenfalls aufgrund von aufgetretenen Belastungen und/ oder Temperaturwechsel - und damit gegebenenfalls Schwindung des Kunststoffs weiterhin eine Drehmomentübertragung mittels des Vorsprungs in der Aussparung gewährleistet ist.
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Der Vorsprung kann in Form einer sich achsparallel sowie radial erstreckenden Nocke ausgebildet sein. Neben der Drehmoment-Übertragungsfunktion kann der Vorsprung auch als Zentrierungselement zwischen Rotorkörper und Welle dienen. Entsprechend lässt sich durch den beschriebenen Rotor unabhängig davon, ob zwischen Rotorkörper und Welle eine quer Pressverbindung realisiert ist, die Drehmomentübertragbarkeit erhöhen.
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Das Material des Kunststoffs kann ein Epoxidharz, ein Duroplast oder ein Thermoplast sein. Gegebenenfalls kann der Kunststoff durch Fasern verstärkt sein, um eine höhere Festigkeit zu gewährleisten.
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Der Vorsprung kann am Rotorkörper ausgebildet sein, und die Ausnehmung kann in der Welle ausgebildet sein. Dabei soll jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass auch eine umgekehrte Anordnung realisiert werden kann, nämlich dass die Ausnehmung im Rotorkörper angeordnet ist, und der Vorsprung an der Welle ausgebildet ist.
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Der Kunststoff kann zwischen dem Vorsprung und beiden Begrenzungswandungen der Ausnehmung angeordnet sein. Entsprechend ist also in dieser Ausführungsform der Kunststoff entlang der Umfangsrichtung beidseitig des Vorsprungs vorhanden. Insbesondere diese Ausführungsform bewirkt, dass auch bei einer Drehzahl- und/oder Drehmomentwechselbeanspruchung keine Hysterese im Rotor vorhanden ist. Es ist entsprechend entlang der Umfangsrichtung kein Spiel zwischen Welle und Rotorkörper vorhanden, welches z.B. Genauigkeit eines mit dem Rotor zusammenwirkenden Rotor-Lage-Sensor mindern würde. Der Kunststoff wird in dieser Ausführungsform unabhängig von der Drehrichtung des Rotors auf Druck beansprucht.
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Eine weitere Ausführungsform des Rotors sieht vor, dass Kunststoff auch radial zwischen dem Vorsprung und einer radialen Begrenzungswandung der Ausnehmung angeordnet ist. In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Kunststoff ausschließlich entlang der Umfangsrichtung zwischen dem Vorsprung und zumindest einer der Begrenzungswandungen vorhanden ist, nicht aber an der radialen Seite des Vorsprungs. Hier kann der Vorsprung passgenau, ggf. mit einer Presspassung, am Grund der Ausnehmung anliegen.
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Der Rotorkörper kann mehrere zueinander jeweils benachbarte Rotorkörperabschnitte umfassen, die entlang der Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind, so dass an den Rotorkörperabschnitten angeordnete Vorsprünge ebenfalls entlang der Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Die Ausnehmung ist in der Welle achsparallel ausgebildet und entlang der Umfangsrichtung derart breit ausgebildet, dass an allen in die Ausnehmung ragenden Vorsprüngen der Rotorkörperabschnitte beidseitig der Umfangsrichtung Kunststoff angeordnet ist. Ein einem jeweiligen Rotorkörperabschnitt zugeordneter Kunststoffabschnitt ist mittels Kunststoffs mit dem im selben Winkelbereich wie dieser Kunststoffabschnitt angeordneten, dem jeweils benachbarten Rotorkörperabschnitt zugeordneten Kunststoffabschnitt verbunden.
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Ein Rotorkörperabschnitt kann auch als sogenanntes Stack bezeichnet werden. Ein solcher Rotorkörperabschnitt bzw. ein solches Stack kann dabei in einem Stapel zusammengefasste Elektrobleche aufweisen.
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Entsprechend der genannten Ausführungsform ist die Ausnehmung bzw. Nut in der Welle so breit dimensioniert, dass Kunststoff trotz Verschränkung der einzelnen Rotorkörperabschnitte in Bezug zueinander beidseitig der Vorsprünge mit einem Spritz- oder Gießvorgang eingebracht werden kann. Die Verschränkung zueinander benachbarter Rotorkörperabschnitte ist dabei beispielsweise weniger als 1°, wobei jedoch auch größere Winkel nicht ausgeschlossen sein sollen.
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Der Kunststoff kann eine Klebewirkung aufweisen. Das heißt, es besteht ein adhäsiver Effekt des Kunststoffs. Durch diese Ausführung des Rotors ist der Kunststoff nicht nur auf Druck belastet, sondern er ist entlang der Umfangsrichtung auch auf Zug belastet und nimmt demzufolge auch eine Scherbelastung auf. Damit wird die Belastbarkeit des gesamten Rotors bzw. dessen Drehmomentübertragbarkeit der Welle-Nabe-Verbindung gesteigert.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass mehrere durch den Kunststoff in Ausnehmungen ausgebildete Kunststoffabschnitte miteinander über die Kunststoffabschnitte entlang eines Umfangs verbindende Verbindungselemente verbunden sind. Die Verbindungselemente können ebenfalls aus Kunststoff bestehen. Dadurch ergibt sich ein Kunststoff-Gesamtsystem, welches als integrale Bestandteile einzelne Kunststoffabschnitte umfasst, die in den Ausnehmungen verlaufen und die miteinander über die Verbindungselemente verbunden sind. Die Verbindungselemente können axial einseitig oder auch axial beidseitig des Rotors vorhanden sein.
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Weiterhin kann ein Pressverband, wie z.B. ein Querpressverband, zwischen Rotorkörper und Welle realisiert sein.
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Das bedeutet, dass zusätzlich zur Drehmoment-Übertragung über Vorsprung und Ausnehmung sowie über den Kunststoff auch noch eine Pressverbindung zwischen der Welle und dem Rotorkörper zumindest anteilig der Drehmoment-Übertragung dient.
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Neben den genannten Vorteilen hinsichtlich der gesteigerten Drehmoment-Übertragung weist der beschriebene Rotor den Vorteil auf, dass er kostengünstig herstellbar ist, da die Welle an ihrer radialen Außenseite in einfacher Weise rund herstellbar ist, und lediglich eine oder mehrere Ausnehmungen in die Oberfläche der Welle einzubringen sind.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines beschriebenen Rotors, bei dem eine Welle und ein Rotorkörper bereitgestellt werden und der Rotorkörper auf der Welle angeordnet wird. An einer radialen Begrenzungsseite von einem der beiden Elemente Welle und Rotorkörper ist zumindest ein sich radial erstreckender Vorsprung ausgebildet und in einer radialen Begrenzungsseite von dem jeweils anderen der beiden Elemente Welle und Rotorkörper ist wenigstens eine Ausnehmung ausgebildet. Es wird eine Welle-Nabe-Verbindung zwischen dem Rotorkörper und der Welle hergestellt, indem der Vorsprung in der Ausnehmung positioniert wird und Kunststoff in einem Urformverfahren in die Ausnehmung eingebracht wird, so dass der Kunststoff entlang der Umfangsrichtung zwischen dem Vorsprung und zumindest einer Begrenzungswandung der Ausnehmung Kunststoff angeordnet ist.
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Die Weite bzw. Breite der Ausnehmung entlang der Umfangsrichtung und/oder deren radiale Tiefe ist entsprechend der benötigten Breite des Vorsprungs in der Ausnehmung sowie des daneben angeordneten Kunststoffs auszulegen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Weite bzw. Breite der Ausnehmung entlang der Umfangsrichtung mindestens 3 mm beträgt. Der Wellendurchmesser kann bei in einem Bereich von 45 und 70 mm liegen, wie z.B. zwischen 48 und 65 mm, wobei aber auch Wellendurchmesser bis zu 250 mm nicht ausgeschlossen werden sollen.
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Der Kunststoff kann dabei als Formmasse in einem Spritzpressverfahren in die Ausnehmung eingebracht werden. Mittels dem Spritzpressverfahren, dem sogenannten Transfer-Molding, wird der Kunststoff in die Ausnehmung bzw. Ausnehmungen eingebracht, wo er nach Verfestigung auf einer Seite des Vorsprungs, die zur Wandung der Ausnehmung beabstandet ist, einen Materialstrang bzw. einen Kunststoffabschnitt ausbildet.
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Der Kunststoff kann dabei in die Ausnehmung seitlich des Vorsprunges gedrückt und gegebenenfalls unter Wärme und Druck ausgehärtet werden. Nach Erstarrung des Kunststoffes kann eine stoffschlüssige Verbindung entstehen, je nach KlebeEigenschaften des Kunststoffs. Ein Einspritzdruck beim Spritzpressen des Kunststoffs kann in Abhängigkeit der Spaltgröße eingestellt werden. Eine alternative Einbringungsweise des Kunststoffes in die Ausnehmungen kann mittels Spritzgusses erfolgen.
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Zudem wird gemäß der Erfindung eine elektrische Rotationsmaschine zur Verfügung gestellt, welche einen beschriebenen Rotor oder einen gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Rotors hergestellten Rotor umfasst.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung, welche eine Ausgestaltung zeigt, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematische Zeichnung in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass das in der Zeichnung gezeigte Ausführungsbeispiel nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
- 1: eine axiale Ansicht einer Hälfte des Rotors.
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Von dem Rotor 1 ist in 1 nur eine Hälfte in axialer Ansicht dargestellt. Der Rotor 1 umfasst eine Welle 10 und darauf mit einer Welle-Nabe-Verbindung befestigt einen Rotorkörper 20, der die Nabe auf der Welle 10 ausbildet.
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Im Rotorkörper 20 sind mehrere Taschen 22 ausgebildet, in denen Magnete 23 angeordnet sind. Der Rotorkörper 20 sitzt mit seiner radialen Innenseite auf der radialen Außenseite der Welle 10. Hier kann ein Pressverband, wie z.B. eine Querpressverbindung ausgebildet sein.
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In der dem Rotorkörper 20 zugewandten radialen Begrenzungsseite 11 der Welle 10 ist eine Ausnehmung 12 in Form einer Nut ausgebildet. An derselben Winkelposition bzw. im selben Winkelbereich weist der Rotorkörper 20 einen Vorsprung 30 auf, der sich von der der Welle 10 zugewandten radialen Begrenzungsseite 21 des Rotorkörpers 20 nach radial innen und in die Ausnehmung 12 in der Welle 10 erstreckt.
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Entlang der Umfangsrichtung der Außenseite der Welle 10 ist die Ausnehmung 12 in der Welle 10 breiter ausgeführt als der Vorsprung 30 am Rotorkörper 20. In den dadurch gebildeten Hohlräumen ist Kunststoff 40 angeordnet, gegebenenfalls durch einen Urformprozess eingegossen oder eingepresst, so dass entlang der Umfangsrichtung der Welle 10 beidseitig des Vorsprungs 30 und somit zwischen einer 1. Begrenzungswandung 14 der Ausnehmung 12 und dem Vorsprung 30, sowie zwischen einer 2. Begrenzungswandung 15 der Ausnehmung 12 und dem Vorsprung 30 der Kunststoff 40 vorhanden ist.
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In der hier dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der Vorsprung 30 in radialer Richtung bis zu einer Grundfläche 13 der Ausnehmung 12 in der Welle 10, sodass die beiden Kunststoff-Abschnitte beidseitig des Vorsprungs 30 an derselben axialen Position nicht mittels Kunststoffs miteinander verbunden sind.
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Dies schließt jedoch eine andere Ausführungsform nicht aus, bei der der Vorsprung 30 nicht so tief reicht wie die Ausnehmung 12, sodass beidseitig des Vorsprungs 30 angeordneter Kunststoff an der radialen Begrenzungsseite des Vorsprungs 30 miteinander verbunden ist.
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Des Weiteren ist in der hier dargestellten Ausführungsform entlang der Umfangsrichtung der radialen Begrenzung Seite 21 des Rotorkörpers 20 beidseitig des Vorsprungs 30 jeweils ein Hohlraum 24 ausgebildet, der ebenfalls mit Kunststoff 40 gefüllt ist. Diese Ausführungsform hat überwiegend fertigungstechnische Gründe, wobei der beschriebene Rotor 1 nicht auf diese Ausführungsform eingeschränkt ist, sondern der Rotor 1 auch ohne derartige Hohlräume 24 beidseitig des Vorsprungs 30 ausgeführt sein kann.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine sowie dem Verfahren zur Herstellung des Rotors werden Rotoren zur Verfügung gestellt, die einen kostengünstigen, Bauraum-effizienten Aufbau und einen langlebigen Betrieb gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 10
- Welle
- 11
- radiale Begrenzungsseite der Welle
- 12
- Ausnehmung
- 13
- Grundfläche der Ausnehmung
- 14
- Erste Begrenzungswandung
- 15
- zweite Begrenzungswandung
- 20
- Rotorkörper
- 21
- radiale Begrenzungsseite des Rotorkörpers
- 22
- Tasche
- 23
- Magnet
- 24
- Hohlraum
- 30
- Vorsprung
- 40
- Kunststoff
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021126103 A1 [0005]
- US 20190140504 A1 [0006]
