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Elektrische
Maschinen werden nach dem Stand der Technik für vielerlei Anwendungen, unter anderem
zum Verstellen beweglicher Teile, verwendet. Dabei sind beispielsweise
permanentmagnetisch erregte Gleichstrommotoren bekannt, welche elektronisch
und mechanisch kommutierbar sind. Hierbei können zwei Ausführungsarten
erschieden werden, nämlich
eine erste, bei dem der Permanentmagnet am Stator angeordnet, und
eine zweite, bei dem der Permanentmagnet am Rotor angebracht ist. Das
kommutierte bewegliche Magnetfeld zwischen den Permanentmagneten
und den am anderen Bauteil angeordneten Spulen bewirkt eine Übertragung des
Drehmoments auf die Rotorwelle.
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Die
EP-0 872 945 A1 zeigt
beispielsweise eine elektrische Maschine, bei der als Permanentmagnet
zwei Ringmagnete auf einen Rotorkörper der Ankerwelle aufgeklebt
sind. Um einen Ringmagnet mit einer sehr hohen Magnetfeldkonzentration
zu erhalten, wird dieser aus einen Sintermaterial, beispielsweise
Seltene-Erden-Elemente enthaltend, hergestellt. Dabei kann ein solcher
Ringmagnet fertigungstechnisch nur mit einer begrenzten axialen Länge, bei
einem vorgegebenen Durchmesser hergestellt werden. Um einen Ringmagneten
mit größerer axialer
Ausdehnung zu erhalten, werden bei der Vorrichtung nach der
EP-0 872 945 A1 beispielsweise
zwei solche Ringmagneten axial nebeneinander angeordnet und fest
auf den Rotorkörper
geklebt. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturausdehnung der
unterschiedlichen Materialien von Magnet, Klebstoff und Rotorkörper/welle,
sowie aufgrund von Fertigungstoleranzen und aufgrund des bei Verwendung
eines Klebstoffs notwendigen Abstand zwischen den Ringmagneten und
dem Rotorkörper
treten an den Verbindungsflächen
große
Materialspannungen zwischen den einzelnen Komponenten auf, die bis
zum Bruch der Ringmagneten führen
können. Daher
bereitet der Einsatz von temperaturempfindlichem Kleber, insbesondere
bei einem großen
Betriebstemperaturbereich einer elektrischen Maschine, große Probleme
für die
mechanische Stabilität des
Systems. Außerdem
bereitet ein solches Klebeverfahren große Schwierigkeiten, beispielsweise zwei
vormagnetisierte Ringmagneten derart axial nebeneinander anzuordnen,
dass die Polteilung des einen Ringmagneten axial exakt mit der Polteilung
des zweiten übereinstimmt.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Ringmagnet
mit dem Merkmal des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass durch
die Ausbildung einer axialen Struktur an den Stirnseiten des Ringmagneten
dieser formschlüssig
mit weiteren Ringmagneten verbunden, oder befestigt werden kann
ohne dass hierzu Klebstoff verwendet werden muss. Dies erlaubt eine Anwendung
auch bei hohen Betriebstemperaturen, wobei auch bei stark unterschiedlichen
Materialausdehnungen keine Brüche
zwischen verschiedenen Magnetsegmenten, oder zwischen den Ringmagneten
und einem diese aufnehmenden Lagerkörper auftreten. Durch das Anformen
solcher axialer Fortsätze können auch
mehrere Ringmagneten positionsgenau in einer definierten Drehlage
zueinander angeordnet werden, so dass die über den Umfang wechselnden Polbereiche
ohne Justieraufwand exakt zueinander ausgerichtet werden können.
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Hierzu
ist es besonders günstig,
wenn die axiale Ausformungen formschlüssig in korrespondierende axiale
Gegenausformungen eines weiteren Ringmagnet-Segments oder eines
Halteelements der Ringmagneten greifen. Dabei können vorteilhaft beliebig viele
identisch ausgebildete Ringmagneten axial nebeneinander angeordnet
werden. Weist das letzte Ringmagnet-Segment an seinem abschließenden Ende
ebenfalls eine solche axiale Struktur auf, kann diese formschlüssig mit
einer entsprechenden axialen Struktur einer Haltevorrichtung zusammenwirken,
die beispielsweise an beiden Enden der aneinandergereihten Ringmagnete
eine Axialkraft aufbringt, die sowohl die einzelnen Ringmagnet-Segmente
miteinander drehfest verbindet, als dies auch beispielsweise auf
einer Rotorwelle fixiert.
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Eine
solche axiale Struktur kann vorteilhaft als regelmäßig umlaufende
axiale Verzahnung hergestellt werden, wobei die Zahnform beispielsweise dreieckig,
rechteckig, trapezförmig
oder gemäß eines beliebigen
Kurvenverlaufs geformt sein kann. Greifen die Zähne des einen Ringmagneten
in die entsprechenden Zahnlücken
des anderen Ringmagneten, treten zwischen den beiden Magneten praktisch
keine Scherkräfte,
sondern lediglich Druckkräfte
auf, wodurch die mechanische Belastung der Ringmagneten deutlich
reduziert wird. Für
die Anordnung der magnetischen Polbereiche auf den Ringmagneten mittels
eines Magnetisierwerkzeugs, ist es herstellungstechnisch besonders
einfach, die Pol-Bereiche derart anzuordnen, dass deren Trennlinien
näherungsweise
parallel zur Achse der Ringmagneten verlaufen.
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Die
Drehlage der axialen Zähne
ist vorteilhaft derart angeordnet, dass beispielsweise ein Zahn
bei jedem Ringmagneten immer bezüglich
der Umfangsrichtung definiert einer Trennlinie der Polbereiche angeordnet
ist. Dadurch können
die Trennlinien der verschiedenen Ringmagnet-Segmente immer eindeutig bezüglich einer
Verdrehung zueinander angeordnet werden, beispielsweise dass die
Trennlienien der einzelnen Ringmagnete auf einer Linie liegen. Sind über den
Umfang eines Pol-Bereichs zwischen zwei Trennlinien ein oder mehrere
komplette Zähne
angeordnet, können
die Pol-Bereiche der unterschiedlichen Segmente auch um einen Bruchteil
eines Pol-Bereichs gegeneinander verdreht werden, um beispielsweise
einen Permanentmagneten mit einen Drall herzustellen, wodurch insbesondere
die Momentenwelligkeit oder das Rastmoment reduziert wird.
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Um
ein einfaches axiales Aneinanderfügen der einzelnen Ringmagnet-Segmente
zu erleichtern, ist die Verzahnung an den beiden Sternseiten jeweils derart
angeordnet, dass die Anordnung der Pol-Bereiche auch bei einem seitenverkehrten
Einbau der Ringmagneten (Drehung um eine Achse senkrecht zur Zylinderachse)
identisch erhalten bleibt. Dabei werden aufgrund des Schwundmaß beim Sintern herstellungstechnisch
günstig
jeder Zahn immer axial einer Zahnlücke gegenüberliegend angeformt, damit sich
der Ringmagnet beim Abkühlen
nicht ungleichmäßig verformt.
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Die
Verbindung einzelner Ringmagnet-Segmente mittels einer solchen axialen
Struktur eignet sich besonders für
die Verwendung von Magneten aus Sinterwerkstoffen, da diese als
Hohlzylinder-Magneten fertigungstechnisch bezüglich eines bestimmten Durchmessers
nur mit einer begrenzten axialen Länge hergestellt werden können. Durch
das aneinanderfügen
solcher gesinterten Ringmagnet-Segmente kann der Durchmesser des
Permanentmagneten, und somit der Gesamtdurchmesser der elektrischen
Maschine gering gehalten werden, wodurch ein geringerer Bauraum
beansprucht wird.
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Durch
die erfindungsgemäße axiale
Verzahnung der Ringmagnete können
aus beliebig vielen identischen Segmenten ein Permanentmagnet entsprechender
Länge gemäß der gewünschten
Anforderung zusammengefügt
werden. Dies reduziert die Teilevielfalt, wodurch Lager- und Montagekosten
für die
Herstellung einer elektrischen Maschine reduziert werden.
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Durch
die Verwendung eines axialen Klemmelements, das eine korrespondierende
axiale Struktur zu der der Ringmagneten aufweist, können auch
die Ringmagnet-Segmente am offenen Rand des Permanentmagneten identisch
zu den mittigen Ringmagnet-Segmenten, ausgebildet sein. Die Verzahnung
zwischen dem axialen Klemmelement und dem Ringmagneten bewirkt eine
verdrehsichere Verbindung zwischen den einzelnen Segmenten und zwischen
dem Permanentmagneten und beispielsweise dem Rotor, wodurch hohe
Drehmomente übertragen
werden können.
Die axialen Klemmelemente können
vorteilhaft derart ausgebildet sein, dass sie axiale und radiale
Schwankungen der Materialausdehnung aufgrund der Temperaturunterschiede
oder Fertigungstoleranzen elastisch kompensieren.
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Durch
die Anordnung einer ganzzahligen Anzahl von Zähnen über den Umfang eines Pol-Bereichs
können
mittels eines einzigen Typs eines Ringmagneten sowohl Permanentmagneten
mit axial auf einer Gerade liegenden Trennlinien, als auch Permanentmagneten
mit abschnittsweise gegeneinander verdrehten Pol-Bereichen realisiert
werden, um beispielsweise die Momentenwelligkeit und/oder das Rastmoment
entsprechend zu beeinflussen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung
mit der Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Teile jeweils mit gleichen
Bezugszeichen bezeichnet sind.
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Es
zeigen
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1 eine schematische Ansicht
eines Ringmagneten,
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2 eine Schnittansicht gemäß II-II
des in 1 dargestellten
Ringmagneten,
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3 das Zusammenfügen dreier
einzelner Ringmagneten-Segmente zu einem Permanentmagneten,
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines auf einer Rotorwelle montierten Permanentmagneten und
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5 eine Schnittansicht eines
Stators mit einer weiteren Ausführungsform
eines Permanentmagneten.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In
den 1 und 2 ist ein Ringmagnet 10, der
im Wesentlichen als Hohlzylinder 12 ausgebildet ist dargestellt.
Zur Erzielung einer hohen Magnetfelddichte ist der Ringmagnet 10 aus
stark magnetisierbaren Material – beispielsweise Seltene-Erde-Verbindungen – hergestellt,
das mittels Sintern zu einem Ringmagneten 10 geformt wird.
Herstellungstechnisch lässt
sich hierbei lediglich ein Hohlzylinder 12 mit einem bestimmten
Verhältnis
von Durchmesser zur axialen Länge
herstellen, so dass für
die Verwendung eines längeren
Hohlzylinders 12 mehrere Ringmagnet-Segmente 10 axial
aneinandergefügt
werden. Hierzu weist der Ringmagnet 10 an seinen beiden
Stirnflächen 14, 16 eine
axiale Struktur 20 auf, die in entsprechende Gegenausformungen 21 eines weiteren
Ringmagneten 10 oder von Halteelementen 18 greift.
In 1 ist an den Seitenflächen 14, 16 als axiale
Struktur 20 jeweils eine Hirtverzahnung 26 angeformt,
bei der im wesentlichen dreiecksförmige Zähne 22 abwechselnd
mit Zahnlücken 24 gleichmäßig über den
gesamten Umfang des Hohlzylinders 12 angeordnet sind. Werden
die Zähne 22 axial
in korrespondierende Zahnlücken 24 eines
weiteren Ringmagneten 10 eingefügt, so bilden die Flanken 28 der Zähne 22 einen
Formschluss mit den korrespondierenden Flanken 30 der entsprechenden
Zahnlücke 24.
Bei einer Drehmomentübertragung
zwischen einem beweglichen Magnetfeld eines Stators 32 und den
auf einer Ankerwelle 34 angeordneten Ringmagneten 10 wird
das Drehmoment zwischen den einzelnen Ringmagnet-Segmenten 10 über die
Flanken 28, 30 der Zähne 22 und Zahnlücken 24 übertragen.
Zur Drehmomentübertragung
weist der Ringmagnet 10 in Umfangsrichtung Bereiche 36 abwechselnder
magnetischer Polung auf, die durch dazwischenliegende Trennlinien 38 begrenzt
sind (N = Nordpol, S = Südpol).
Die Pol-Bereiche 36 sind
beispielsweise radial magnetisiert, so dass die einzelnen Polbereiche 36 über ein
Rückschlusselement,
beispielsweise der Ankerwelle 34 oder ein Gehäuse 33 magnetisch
miteinander verbunden sind. Alternativ ist auch eine tangentiale
Magnetisierung möglich,
bei der kein magnetisches Rückschlusselement
notwendig ist. Die Trennlinien 38 zwischen den Polbereichen 36 erstrecken
sich im Ausführungsbeispiel
in etwa parallel zur Achse 40 des Ringmagneten 10 und
sind mehr oder weniger scharf ausgeprägt. In 1 erstreckt sich ein Polbereich 36 (beispielsweise
Nordpol N) über
einen Winkelbereich 42 als Bruchteil eines vollen Umfangs.
In und gegen Uhrzeigersinn schließt sich dann jeweils ein weiterer
Polbereich 36 (beispielsweise jeweils ein Südpol S)
an, so dass in diesem Ausführungsbeispiel über den
gesamten Umfang 6 Polpaare (N+ S) angeordnet sind. In einer
alternativen Ausführung
beträgt
die Anzahl der Polpaare 3, 5, 7, ...
mit den entsprechenden Winkelbereichen 42 von 360°/6, 360°/10, 360°/14... .
Im Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ist jedem Polbereich 36 ein
Zahn 22 bzw. eine Zahnlücke 24 zugeordnet,
so dass beim axialen Aneinanderfügen
zweier Ringmagnete 10 die Trennlinien 38 immer
auf einer Linie angeordnet sind.
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Dies
ist in 3 dargestellt,
wo drei Ringmagnete 10 axial zu einem Permanentmagneten 11 zusammengefügt werden.
In dem Winkelbereich 42 des Polbereichs 36 sind
hierbei zwei Zähne 22 bzw. Zahnlücken 24 angeordnet,
die jeweils in eine korrespondierende axiale Struktur 21 der
entsprechenden axialen Stirnfläche 16, 14 des
anderen Ringmagneten 10 eingreifen. Die Zähne 22 und
Zahnlücken 24 in
jedem Polbereich 36 sind dabei so angeformt, dass diese
spiegelsymmetrisch zu einer Drehachse 44 senkrecht zur
Achse 40 sind, wobei sich bei einer Drehung von 180° die identische
Anordnung der Polbereiche 36 ergibt. Dadurch ist es nicht
notwendig beim Zusammenbau der Ringmagneten 10 auf deren Einbaurichtung
zu achten. Da in diesem Ausführungsbeispiel
mehr als ein Zahn 22 bzw. mehr als eine Zahnlücke 24 pro
Polbereich 36 angeformt ist, lassen sich bei dieser Ausführung die
Polbereiche 36 der jeweiligen Ringmagneten 10 gegeneinander
verdrehen, so dass der resultierende Permanentmagnet 11 einen
Drall 46 der Polbereiche 36 aufweist. Die Ringmagnete 10 am
Rand des Permanentmagneten 11 weisen jeweils an einer Endseite 48 beispielsweise eine
glatte axiale Fläche 50 auf,
mit der der Permanentmagnet 11 axial verspannt und/oder
beispielsweise auf einer Rotorwelle 34 befestigt wird.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 4 sind alle Ringmagnete 10,
hier beispielsweise zwei, völlig identisch
ausgebildet, so dass es an den Endseiten 48 des Permanentmagneten 11 kein
zweiter Typ von Ringmagneten 10 mit flachen axialen Flächen 50 notwendig
ist. Vielmehr sind auf der Ankerwelle 34 Halteelemente 18 angeordnet,
die eine zu der axialen Struktur 20 korrespondierende axiale
Struktur 21 aufweisen. Im Ausführungsbeispiel wird die axiale
Struktur 20 durch eine Rechteckverzahnung 51 gebildet, die
in einer alternativen Ausführung
trapezförmig ausgebildet
ist. Bei der Montage wird zuerst ein Halteelement 18 beispielsweise
axial und drehfest auf der Ankerwelle 34 befestigt. Danach
wird eine definierte Anzahl von Ringmagneten 10 mit der
Verzahnung 20 in die korrespondierende Verzahnung 21 des
Halteelements 18 oder der anderen Ringmagneten 10 eingefügt, und
zuletzt das zweite Halteelement 18 mit seiner korrespondierenden
Struktur 21 aufgeschoben und mittels eines elastischen
Klemmrings 52 axial unter Vorspannung gehalten. Dadurch
können
insbesondere axiale Längenänderungen
ausgeglichen werden, ohne dass der Formschluss der axialen Struktur 20 mit
der korrespondierenden Struktur 21 beeinträchtigt wird.
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5 zeigt einen Stator 32,
der als Polgehäuse 33 einer
elektrischen Maschine ausgebildet ist, und als Permanentmagnet 11 mehrere
axial aneinandergefügte
Ringmagnete 10 – beispielsweise
vier – aufweist.
Innerhalb des als Hohlzylinder 12 ausgebildeten Permanentmagneten 11 ist
ein nicht näher dargestellter
Rotor 34 einführbar,
dessen Spulen ein umlaufendes Magnetfeld erzeugen, aufgrund dessen Wechselwirkungen
mit dem Permanentmagneten 11 sich der Rotor 34 dreht.
Zur Glättung
der Momentenwelligkeit sind hierbei je Pol-Bereich 36 vier
Zähne 22 bzw.
Zahnlücken 24 angeordnet
und jeder Ringmagnet 10 jeweils um einen Zahn 22 verdreht
in eine korrespondierende Zahnlücke 24 des
benachbarten Ringmagneten eingefügt.
Durch die fein abgestufte Verdrehung der Polbereiche 36 entsteht
bezogen auf den Permanentmagneten 11 ein Gesamt-Pol-Bereich 36' der in erster
Näherung
spiralförmig
auf dem Hohlzylinder 12 angeordnet ist. Dadurch kann mittels
der technisch einfacheren Magnetisierung der Ringmagneten 10 parallel
zur Achse 40 im Gesamtergebnis des Ringmagneten 11 ebenfalls
ein Drall 46 des Pol-Bereichs 36' realisiert werden.
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Die
beiden Ringmagnete 10 mit den Endseiten 48 des
Permanentmagneten 11 weisen hier wieder axiale Flächen 50 auf,
die geeignet sind, mit den axialen Klemmelementen 52 zur
Befestigung des Permanentmagenten 11 im Gehäuse 33 zu
befestigen. In einer Variation Können
die beiden Ringmagnete 10 an den Endseiten 48 im
Innern des Hohlzylinders 12 jeweils einen Konus oder dergleichen
aufweisen, der mit einer entsprechenden Ausformung der Halteelemente 18 zusammenwirkt.
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Bei
der Herstellung der Ringmagneten 10 mittels Sinterns werden
vorzugsweise schon die Bereiche 36 mit einer entsprechenden
Vororientierung der mikroskopischen magnetischen Dipole erzeugt. Die
endgültige
Magnetisierung des Permanentmagnets 11 kann dann entweder
vor oder nach dem Zusammenbau der einzelnen Ringmagneten 10 vorgenommen
werden. In beiden Fällen
ist es entscheidend, dass entweder die vormagnetisierten oder endgültig magnetisierten
Polbereiche 36 in einer definierten Drehlage zueinander
zusammengefügt
werden, wobei die Trennlinien 38 sowohl auf einer Geraden
parallel zur Rotationsachse 40 oder um einen gewissen Bruchteil
des Winkelbereichs 42 gegeneinander verdreht angeordnet
werden können.
Dabei ist vorzugsweise einem Zahn 22 an der ersten Stirnfläche 14 des
Hohlzylinders axial gegenüber
auf der zweiten Stirnfläche 16 eine
Zahnlücke
angeordnet. Durch die Ausformung der Verzahnung spiegelsymmetrisch
zur Achse 44 bleibt die Anordnung der Polbereiche 36 unabhängig von
der Einbaurichtung der Ringmagneten 10 unverändert erhalten.
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Eine
bevorzugte Anwendung des erfindungemäßen Ringmagneten 10 stellt
die Drehmomentübertragung
einer elektrischen Maschine dar, ist jedoch nicht auf eine solche
beschränkt.
Der erfindungsgemäße Ringmagnet 10 kann
dabei auf vielerlei Weise auf einer Welle 34 oder in einem
Gehäuse 33 gelagert
werden. Wesentlich ist dabei, dass die axiale Struktur 20 durch
axiale Spannkräfte
mit einer entsprechenden korrespondierenden axialen Struktur 21 der
anderen Ringmagnete 10 oder der Halteelemente 18 zusammenwirkt.
Dabei kann vollständig auf
Klebemittel verzichtet werden. Es kann jedoch auch ein Füllstoff
zwischen den Verzahnungen 20, 21, 26, 51 eingefügt werden,
der eine gleichmäßige Kraftverteilung über die
Zahnflanken 28, 30 gewährleistet. Ein solcher Füllstoff
kann dem gewünschten Temperaturbereich
angepasst werden, da er keine Klebewirkung aufweisen muss. Die Anordnung
der magnetischen Polbereiche 36 kann beliebig an die geforderte
Anwendung angepasst werden, ebenso die Ausrichtung der Magnetisierung
(axial, radial, tangential, zirkular) mit den Trennlinien 38.
Auch kann die Ausgestaltung der axialen Struktur 20, 21 beliebig
variiert werden, wobei die Struktur 20 nicht auf eine gleichmäßig über den
Umfang angeordnete Verzahnung beschränkt ist. So kann beispielsweise die
Stirnfläche 14, 16 auch
als axial gewellte Verzahnung ausgebildet sein, wobei die Flanken
vorzugsweise in etwa senkrecht zur Mantelfläche des Hohlzylinders 12 ausgerichtet
ist. Des Weiteren umfasst die Erfindung auch einzelne Merkmale der
Ausführungsbeispiele
oder eine beliebige Kombination der Merkmale von unterschiedlichen
Ausführungsbeispielen.