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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Erreger, wie beispielsweise einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine, der aus mindestens einem Polrad besteht. Aufgabe dieser Erfindung ist es, die elektrische und magnetische Leistungsfähigkeit der elektrischen Rotationsmaschine zu verbessern.
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Die Erfindung findet eine besonders vorteilhafte, aber nicht ausschließliche Anwendung bei den Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen oder Anlasser-Lichtmaschinen oder reversiblen Maschinen und ganz allgemein bei allen elektrischen Maschinen im Automobilbereich, deren Rotor Klauen aufweist.
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Eine Maschine mit Klauen ist eine Maschine, die im Falle von Lichtmaschinen mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Sie wandelt im Falle von Elektromotoren elektrische Energie in mechanische Energie um.
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Sie ist aus einem Rotor und einem Stator gebildet. Der Rotor ist aus zwei Polrädern gebildet, die entgegengesetzt montiert sind und Nordrad und Südrad genannt werden. Sie sind auf einer Welle montiert, die von Lagern getragen wird, die es dem Rotor ermöglichen, sich im Inneren eines gewickelten Stators zu drehen, der mehrere Leiterwicklungen umfasst. Im Inneren des Rotors, zwischen den Rädern, ist eine Spule aus elektrischen Leitern aufgeschoben oder angeordnet und dient dazu, durch das Fließen eines elektrischen Stroms ein magnetisches Feld zu erzeugen. Die Polräder dienen dazu, den magnetischen Fluss zum Statorblechpaket zu leiten.
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Der Rotor ist ein rotierendes Teil mit einem Drehzahlbereich von beispielsweise 0 bis 20000 Umdrehungen pro Minute. Bei seiner maximalen Geschwindigkeit öffnen sich die Polradklauen um mehrere zehntel Millimeter. Aus diesem Grund besteht ein Spalt zwischen Rotor und Stator, der das mögliche Öffnen der Klauen bei sehr hoher Geschwindigkeit berücksichtigt. Schließlich, wenn ein Magnetfeld das Polrad durchdringt, kommt es zur Erzeugung von elektrischen Strömen, die dem oben genannten Feld entgegen gerichtet sind. Ein weiterer wichtiger Parameter ist der elektrische Widerstand, der so hoch wie möglich sein muss, um die Wirbelströme zu begrenzen.
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Polarräder können aus Kostengründen durch Schmieden oder Biegen hergestellt werden. Beim Schmieden wird ein Materialrohling etwa zwischen 1000°C und 1250°C gebracht und dann mit Hilfe einer Schmiede verformt, um die Morphologie der Klauen zu erhalten. Im Allgemeinen sind mehrere Heißpressvorgänge, in der Regel drei, erforderlich, um die Formen einer Klaue zu erhalten. Da die Fähigkeiten des Schmiedeprozesses, in der Größenordnung von Millimetern, bezogen auf die dem Produkt auferlegten Toleranzbereiche zu hoch sind, ist es notwendig, an den Warmschmiedeoperationen zusätzliche Kaltschmiedeoperationen anzuhängen, die vom Fachmann als Kalibriervorgänge bezeichnet werden. Trotz Rückgriff auf diese Operationen liegen die Herstellungsstreuung in der Größenordnung von 0,5 mm.
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Im Falle des Biegens wird zunächst eine Sternform ausgeschnitten, deren Zweige gebogen werden, um die Klauen zu bilden. Dieses Verfahren, das weniger kostspielig ist, ermöglicht es weder, komplexe Formen herzustellen, noch gute Prozesseigenschaften zu erreichen, die Toleranzbereiche bleiben erhöht.
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Um die Leistungsfähigkeit einer elektrischen Maschine zu verbessern, ist es notwendig, den Spalt zwischen Rotor und Stator maximal zu reduzieren. Dieser Spalt ist definiert als der Abstand zwischen dem Innenradius des Stators und dem Außenradius des Rotors. Aus diesem Grund wird der Außendurchmesser des Rotors so bearbeitet, dass eine gute Beherrschung seiner Abmessungen mit einer besseren Eigenschaft erreicht wird.
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Die geschmiedeten Polarräder haben eine innere Anisotropie. Diese Anisotropie wird durch das Herstellungsverfahren des zu schmiedenden Stücks erzeugt. Auf der Ebene der metallographischen Struktur können die während des Herstellungsprozesses verursachten plastischen Verformungen zu einer topologischen Orientierung der Mikrostruktur führen, d.h. zu einer Ausrichtung oder einer Ausdehnung von Einschlüssen und Körnern. Diese anisotrope Strukturierung des Materials, allgemein als Faserverlauf bekannt, behindert den Fluss des Magnetfeldes im Inneren des Polrades.
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Darüber hinaus entsteht auch eine kristallographische Orientierung, Textur genannt, durch die Warmumformung eines polykristallinen Materials, und das unabhängig vom Prozess. Diese makroskopische Orientierung der Kristalle kann, wenn sie beherrscht wird, ebenfalls die elektromagnetische Leistungsfähigkeit des Polrades beeinflussen.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Leistungsfähigkeit des Polrades zu verbessern, indem sie ein Polrad für einen Erreger einer elektrischen Rotationsmaschine vorschlägt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine Platte, Krallen und einen Halbkern umfasst und dass es aus einem Material auf Metallbasis hergestellt ist, das eine Mikrostruktur aufweist, die zumindest in den Klauen im Wesentlichen frei ist von einem Faserverlauf.
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Die Erfindung ermöglicht es somit, die Induktionskurve des Polrades und insbesondere seine magnetische Permeabilität zu verbessern. Dadurch wird die magnetische und elektrische Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine verbessert. Die Herstellungskosten des Rotors werden ebenfalls vorteilhafterweise reduziert.
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Gemäß einer Ausführungsvariante weist das besagte Polrad eine Mikrostruktur auf, die zumindest in den Klauen im Wesentlichen isotrop ist.
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Gemäß einer Ausführungsvariante weist das besagte Polrad eine Mikrostruktur auf, die über das gesamte Polrad frei ist von einem Faserverlauf.
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Gemäß einer Ausführungsvariante weist das besagte Polrad eine Mikrostruktur auf, die über das gesamte Polrad im Wesentlichen isotrop ist.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist das besagte Polrad nach einem Thixoschmiedeverfahren herstellbar.
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Gemäß einer Ausführungsvariante variiert eine durchschnittliche Korngröße des Materials fortschreitend vom Halbkern zur Platte und weiter zu den Klauen.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist ein Formschrägenwinkel in einem Zwischenpolschuhbereich kleiner als 1,5 Grad.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist ein Kohlenstoffgehalt des Materials kleiner oder gleich 0,08%.
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Gemäß einer Ausführungsvariante weist das Material einen Gehalt von Nickel oder Kobalt oder irgendeines Elements zur Verbesserung der magnetischen Permeabilität auf.
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Gemäß einer Ausführungsvariante weist das besagte Polrad geometrische Formen, insbesondere Lippen auf, die Permanentmagnete aufnehmen können.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist die Dicke einer Lippe kleiner oder gleich 1,5 mm.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist eine Verbindungslinie zwischen einer Lippe und einer korrespondierenden Seitenfläche einer Klaue kleiner als 0,5 mm.
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Die Erfindung hat ebenfalls einen Erreger zum Gegenstand umfassend mindestens ein Polrad, wie es vorstehend definiert ist.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine elektrische Rotationsmaschine, umfassend einen Erreger, wie er vorstehend definiert ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Polrades für einen Erreger einer elektrischen Rotationsmaschine, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst:
- - einen Schritt zum Erwärmen eines aus einem Material auf Metallbasis hergestellten Rohlings auf eine Temperatur, bei der sich der Rohling in einem halbfesten Zustand befindet,
- - einen Schritt zum Umformen des Rohlings mittels Matrizen, um ein Teil in Form eines Polrads zu erhalten, und
- - einen Schritt zum Auswerfen des Teils.
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Gemäß einer Ausführung beträgt ein Anteil an Metall im flüssigen Zustand im Rohling am Ende des Erwärmungsschrittes weniger als 30%, insbesondere zwischen 1,5% und 30%.
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Gemäß einer Ausführung wird der Erwärmungsschritt bis zu einer Temperatur in der Größenordnung von oder höher als 1470°C durchgeführt.
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Gemäß einer Ausführung kann das genannte Verfahren einen zusätzlichen Schritt zur Behandlung der Oberfläche umfassen, wie z.B. Kugelstrahlen oder Sandstrahlen.
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Die Erfindung wird besser verstanden, wenn man die folgende Beschreibung liest und die begleitenden Figuren betrachtet. Diese Figuren dienen nur zur Veranschaulichung, nicht aber als Einschränkung der Erfindung.
- Die 1a bis 1d sind Ansichten, die die verschiedenen Schritte der Herstellung eines Polrades gemäß der vorliegenden Erfindung mittels Thixoschmieden veranschaulichen;
- Die 2 ist eine grafische Darstellung des Verlaufs eines Flüssiganteils in einem Material auf Stahlbasis des Typs XC05 in Abhängigkeit der Temperatur;
- Die 3a und 3b sind perspektivische Ansichten eines Polrades gemäß der vorliegenden Erfindung aus verschiedenen Winkeln;
- Die 4a und 4b sind Ansichten entlang einer Schnittebene und nach Freilegung des Faserverlaufs entsprechen bei einem Polrad gemäß der Erfindung und einem Polrad nach dem Stand der Technik;
- Die 5 ist eine grafische Darstellung des Stromflusses einer elektrischen Rotationsmaschine, die entsprechend mit Polarrädern nach dem Stand der Technik, mit Polarrädern gemäß der Erfindung, die durch Thixoschmieden erhalten wurden, und mit Polarrädern ausgestattet sind, die durch Thixoschmieden erhalten und einem Glühvorgang unterzogen wurden.
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Identische, ähnliche oder analoge Elemente behalten von einer Figur zur anderen dasselbe Bezugszeichen.
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Erfindungsgemäß wird das Polrad des Erregers der elektrischen Rotationsmaschine durch ein Thixoschmiedeverfahren hergestellt, dessen Schritte in den 1a bis 1d dargestellt sind.
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Nach einem ersten Schritt, der in 1a dargestellt ist, stellt eine Heizzelle 10 die Erwärmung eines aus Stahl gebildeten Materialrohlings 11 sicher, der bevorzugt starke magnetische Eigenschaften aufweist. Zu diesem Zweck weist Stahl einen niedrigen Kohlenstoffgehalt auf, der insbesondere kleiner oder gleich 0,08% ist und vorteilhafterweise zwischen 0,04% und 0,08% liegt. Diese Art von Stahllegierung kann Elemente zur Verbesserung der magnetischen Permeabilität enthalten, wie z.B. Kobalt oder Nickel, oder eines beliebigen anderen Elements zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften.
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Die Heizzelle 10 kann beispielsweise eine Induktions-Heizzelle mit Windungen 12 sein, die um einen nichtmagnetischen Träger 13 angeordnet ist. Diese Windungen 12 werden von einem Wechselstrom durchflossen, um Wirbelströme zu erzeugen, die eine Aufheizung des Rohlings 11 bewirken. Das Heizen kann in einer inerten Atmosphäre stattfinden, um eine Oxidation des Materials des Rohlings 11 zu vermeiden.
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Die Temperatur des Materials des Rohlings 11 am Ausgang der Heizzelle 10 ist so bemessen, dass sich das Metall in einem halbfesten Zustand befindet, d. h., dass es einen Flüssigkeitsanteil aufweist. Vorzugsweise beträgt der Anteil des Metalls im flüssigen Zustand weniger als 30%, insbesondere zwischen 1,5% und 30%, und seine Volumenverteilung ist nicht homogen.
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Wie in 2 dargestellt, entspricht bei einem Stahl des Typs XC05 ein Flüssigkeitsanteil in einem Bereich P1 zwischen 1,5% und 30% einem Temperaturbereich P2 zwischen 1470°C und 1519°C.
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Generell kann die Heiztemperatur in der Größenordnung von 1470°C oder höher liegen. Der mögliche Temperaturbereich ist abhängig von dem verwendeten Material und den verwendeten Legierungen.
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Bei diesem Temperaturniveau ist die flüssige Phase ausreichend, aber nicht zu hoch, um den Transport des Rohlings 11 vom Heizbereich zum Werkzeugbereich zu ermöglichen. Der Transport des Rohlings erfolgt mittels eines geeigneten Greifmittel 14, das manuell oder automatisiert sein kann, wie es in der 1b dargestellt ist.
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Der Rohling 11 wird zwischen zwei Matrizen 16, 17 platziert und anschließend durch Schließen der Matrizen 1 6, 17 umgeformt, wie dies in 1c dargestellt ist. Der Vorgang, der schnell durchgeführt wird, entspricht den Geschwindigkeitsbedingungen, die mit den Temperaturen des Rohlings 11 und des Werkzeugs verbunden sind.
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Nach der Umformung wird das Polradformteil 18 ausgeworfen, wie in 1d dargestellt ist. Das Polrad 18 kann dann gegebenenfalls einem Oberflächenbehandlungsverfahren unterzogen werden, um seine mechanische Festigkeit zu verbessern, wie z.B. Kugelstrahlen oder Sandstrahlen.
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Das Verfahren kann vorteilhafterweise durch einen Glühvorgang vervollständigt werden, um die magnetische und mechanische Leistungsfähigkeit des Polrades 18 deutlich zu verbessern.
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Alternativ wird der Erwärmungsschritt direkt in dem Werkzeug durchgeführt, so dass der Transportschritt des Rohlings von der Heizzelle zu den Matrizen entfallen kann.
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Wie man in den 3a und 3b sehen kann, weist das Polrad 18 mit der Achse X, das am Endes des vorstehend beschriebenen Verfahrens erhalten wird, eine Platte 20 auf, deren Außenumfang mit Klauen 21 zum Beispiel trapezförmig und mit axialer Ausrichtung versehen ist. Eine Klaue 21 entspricht dem Teil des Polrades 18, der in Bezug zur Platte vorsteht.
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Zwei neben einander liegende Klauen 21 des Polrads 18 sind durch einen Raum 22 voneinander beabstandet, der dazu bestimmt ist, eine Klaue von einem anderen Polrad aufzunehmen. Somit sind die Klauen 21 zweier Polräder 18 des Rotors der Maschine ineinander verschachtelt.
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Das Polrad 18 weist auch geometrische Formen auf, insbesondere Lippen 23, die Permanentmagnete aufnehmen können, welche zwischen zwei benachbarten Klauen 21 angeordnet sind, die jeweils zu einem der beiden sich gegenüberliegenden Räder gehören. Die Dicke L1 einer Lippe 23 ist kleiner oder gleich 1,5 mm.
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Eine Verbindungslinie R zwischen einer Lippe 23 und einer entsprechenden Seitenfläche einer Klaue 21 beträgt weniger als 0,5 mm.
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Das Polrad 18 weist in seinem zentralen Bereich auch einen zylindrischen Abschnitt 24 auf, der sich axial in dieselbe Richtung wie die Klauen 21 erstreckt. Dieser zylindrische Abschnitt entspricht einem Halbkern 24, der dazu bestimmt ist, in der Verlängerung eines entsprechenden Halbkerns 24 des gegenüberliegenden Polrades 18 zu liegen, um einen Kern zu bilden, der an seinem Außenumfang eine Rotorerregerwicklung trägt.
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In einer Ausführungsvariante kann das Polrad 18 einen ganzen Kern aufweisen, während das andere zugehörige Polrad 18 keinen Kern aufweist. Darüber hinaus kann in einer weiteren Ausführungsvariante der Kern separat von den Polrädern 18 ausgebildet sein.
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Das Polrad 18 weist auch eine zentrale Öffnung 27 auf, die durch den Halbkern 24 hindurchgeführt ist, um ihn kraftschlüssig auf einer Welle der elektrischen Maschine zu befestigen.
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Vorteilhafterweise ist, wie man in 3b sehen kann, ein in einem Zwischenpolschuhbereich gemessener Formschrägenwinkel A kleiner als 1,5 Grad.
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Dieser Formschrägenwinkel A entspricht dem Winkel zwischen der Normalen N auf der Rückseite des Polrades 18 und einer Geraden D, die durch die Außenoberfläche des Bereichs verläuft, der sich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Polschuhen 25 des Polrades 18 erstreckt. Es sei daran erinnert, dass ein Polschuh 25 eine Klaue 21 und einen Verbindungsabschnitt 26 zwischen der Klaue 21 und der Platte 20 umfasst.
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Wie in 4a zu sehen ist, weist die Oberfläche des Polrades 18 keine Inhomogenitäten der Mikrostruktur wie bei einem Faserverlauf auf. Dieser Aspekt kann nach einem chemischen Angriff der Oberfläche beobachtet werden, um den Faserverlauf sichtbar zu machen. Dieser Vorgang wird durch Eintauchen der Schnittfläche entlang einer Ebene P des Rades 18 in eine ätzende Chemikalie durchgeführt. Mit anderen Worten weist das Polrad 18 eine Struktur auf, die zumindest partiell frei ist von einem Faserverlauf, im Gegensatz zur Struktur eines herkömmlichen Polrades 18, dargestellt in 4b. Das Polrad 18 weist eine Mikrostruktur auf, die zumindest in den Klauen 21 und vorteilhafterweise in allen seinen Teilen (Platte 20, Klauen 21 und Halbkern 24) frei ist von einem Faserlauf. In diesem Fall ist die Mikrostruktur zumindest in den Klauen 21 nahezu isotrop.
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Das erhaltene Polrad 18 weist eine durchschnittliche Größe der Körner 30 auf, die sich in fortschreitender Weise entwickelt und vom Halbkern 24, einen logischen Weg im Material folgend, bis zu den Klauen 21 verläuft. Diese Entwicklung geht nach der ASTM-Klasse von etwa der Größe 3 bis zu einer Größe von 6.
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Eine solche Struktur ermöglicht es, eine elektrische Leitfähigkeit des Polrades 18 von mehr als 5,8 MS/m zu erhalten. Darüber hinaus ist die maximale relative magnetische Permeabilität größer als 1200. Dies ermöglicht die magnetische und elektrische Leistungsfähigkeit der elektrischen Rotationsmaschine zu verbessern.
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Tatsächlich ist, wie in 5 dargestellt, bei einer elektrischen Rotationsmaschine, die entsprechend mit durch Thixoschmieden hergestellten Polrädern ausgestattet ist (siehe Kurve C2), der Durchflussstrom der elektrischen Maschine höher als jener bei einer elektrischen Maschine, die mit Polrädern ausgestatte ist, welche mit einem konventionellen Verfahren hergestellt sind (siehe Kurve C1).
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Der größte Durchflussstrom wird für eine elektrische Rotationsmaschine erreicht, die mit Polarrädern ausgestattet ist, welche durch Thixoschmieden hergestellt sind und ferner einem Glühvorgang unterzogen wurden (siehe Kurve C3).
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Natürlich ist die obige Beschreibung nur als Beispiel gegeben und schränkt das Gebiet der Erfindung nicht ein, welches man auch nicht verlassen würde, indem man die verschiedenen Elemente durch beliebige andere Äquivalente ersetzt.
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Darüber hinaus können die verschiedenen Merkmale, Varianten und/oder Realisierungsformen der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Kombinationen miteinander verbunden werden, sofern sie nicht unvereinbar sind oder sich gegenseitig ausschließen.
