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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet von einer Windkraft-Stromerzeugung, insbesondere betrifft ein Verfahren zum Ändern von einer Last einer belasteten Komponente eines Pitchlagers. Darüber hinaus betrifft die Erfindung noch ein System zum Ändern von einer Last einer belasteten Komponente eines Pitchlagers.
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STAND DER TECHNIK
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In den letzten Jahren hat der Bereich von sauberer Energiequelle einen rasanten Entwicklungstrend gezeigt, weil die Länder der Umwelt mehr Aufmerksamkeit schenken. Als eine neue Art von Energiequelle hat saubere Energiequelle im Vergleich zu traditionellen fossilen Brennstoffen die Vorteile von einer weiten Verteilung, einer Erneuerbarkeit und einer geringen Umweltverschmutzung. Als Vertreter sauberer Energiequelle nimmt eine Anwendung von Windkraftanlagen ständig zu.
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Eine wichtige Komponente von einer Windkraftanlage (oder abgekürzt als WKA) ist ein Pitchlager, der zum Einstellen eines einschließenden Winkels zwischen einer WKA-Schaufel und einer Rotationsebene der Schaufel dient, sodass daraufhin ein luvseitiger Winkel der Schaufel eingestellt wird und somit die Leistung der WKA erhöht wird. Im Allgemeinen ist zum Wechseln des Pitchlagers die Demontage der Schaufel notwendig, und nach dem Wechseln wird die Schaufel wieder hochgehoben und montiert. Die Schaufel von der WKA ist üblicherweise Dutzende von Meter lang, wie z.B. 30m, und wiegt Hunderte von Kilogramm. Wenn ein Pitchlager zu wechseln ist, entstehen relativ hohe Kosten und auch gewisse Risiken. Wie die Lebensdauer des Pitchlagers erhöht wird, ist daher ein Thema in der Industrie.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Damit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ändern von einer Last einer belasteten Komponente eines Pitchlagers und ein entsprechendes System bereitzustellen. Durch das Verfahren und/oder das System kann eine Wahrscheinlichkeit, dass sich eine und dieselbe belastete Komponente eines Pitchlagers stets in einem Schwerlastbereich befindet, großartig verringert werden, wodurch die Lebensdauer des Pitchlagers großartig erhöht wird.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Ändern von einer Last einer belasteten Komponente eines Pitchlagers gelöst, welches folgende Schritte umfasst:
- Bestimmen einer Drehzahldifferenz zwischen einem Innenring und einer belasteten Komponente des Pitchlagers, wobei der Innenring zur Verbindung mit einer Schaufel dient; und
- Drehen des Innenrings relativ zur belasteten Komponente um einen bestimmten Winkel derart, dass die Last der belasteten Komponente sich ändert.
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Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die Formulierungsweise „Drehzahldifferenz zwischen einem Innenring und einer belasteten Komponente des Pitchlagers“ sich auf eine Differenz von einer Drehzahl des Innenrings des Pitchlagers um eine Drehwelle des Pitchlagers und einer Drehzahl der belasteten Komponente um der Drehwelle des Pitchlagers bezieht. Die Drehzahl kann beispielsweise eine Lineargeschwindigkeit und eine Winkelgeschwindigkeit umfassen. Ferner entdeckt der Erfinder, dass eine Geschwindigkeitsdifferenz von einer belasteten Komponente, wie einer Kugel und einem Halter und dergleichen, und dem Innenring abhängig von der Drehzahl der Innenring ist. Daher ist ein gewünschter relativer Drehwinkel zwischen der belasteten Komponente und dem Innenring realisierbar, nachdem der Innenring um einen bestimmten Winkel sich drehte. Ferner ist darauf hinzuweisen, dass die Fachwörter „Innenring“ und „Außenring“ in der vorliegenden Erfindung lediglich zum Unterscheiden dienen und die Beziehung von zwei Ringkörpern bezüglich deren inneren und äußeren Anordnung nicht definieren; hingegen ist dabei der Innenring ein drehbarer Ringkörper, der mit Schaufeln verbunden sind, und der Außenring ist ein undrehbarer Ringkörper, der an einer Nabe befestigt ist. Daher ist es in einigen Ausführungsbeispielen möglich, dass ein Innenring außerhalb eines Außenrings bzw. auch innerhalb eines Außenrings angeordnet ist, aber alle diesen Szenen unter dem Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
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In einer bevorzugten Konzeption der vorliegenden Erfindung wird vorgesehen, dass die belastete Komponente zumindest eine der Folgenden umfasst: eine Kugel des Pitchlagers und einen Halter des Pitchlagers. Die Kugel und der Halter sind Komponenten des Pitchlagers, die unter einer relativ großen Kraft leiden und leicht beschädigt sind. Die Lebensdauer des Pitchlagers kann somit dann großartig erhöht werden, wenn solche Komponenten sich nicht stets in einem Schwerlastbereich befindet. Es ist darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemäße belastete Komponente nicht auf eine Kugel bzw. auf einen Halter begrenzt ist, sondern bei einer anderen Pitchlagerstruktur noch weitere Komponenten zwischen dem Innenring und dem Außenring des Pitchlagers eingeschlossen werden können, sowie jeweilige belastete Segmente des Außenrings enthalten werden können.
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In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgesehen, dass das Bestimmen der Drehzahldifferenz zwischen dem Innenring und der belasteten Komponente des Pitchlagers umfasst:
- Berechnen einer Drehzahldifferenz zwischen der Kugel und/oder dem Halter und der Schaufel des Innenrings abhängig von Spezifikationsparametern des Pitchlagers. Durch diese Weiterbildung kann die Drehdifferenz einfach bestimmt. Weitere Vorgehensweise zum Bestimmen der Drehzahl ist auch denkbar, z.B.: Durchführen einer Drehzahlmessung durch einen Geschwindigkeitssensor; Durchführen einer Druckmessung durch einen Drucksensor, dadurch eine Winkelposition einer belasteten Komponente zu bestimmen; Bestimmen der Position der belasteten Komponenten durch einen Näherungssensor, dadurch eine Drehzahldifferenz zu bestimmen, usw.
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In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgesehen, dass das Drehen des Innenrings und der belasteten Komponente relativ um einen bestimmten Winkel derart, dass die Last der belasteten Komponente sich ändert, folgende Schritte umfasst:
- Bestimmen einer belasteten Komponente, die aktuell am größten belastet ist; und
- Drehen des Innenrings und der belasteten Komponente, die am größten belastet ist, relativ um einen bestimmten Winkel derart, dass die belastete Komponente, die am größten belastet ist, nicht mehr die belastete Komponente, die am größten belastet ist, ist.
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In einer bevorzugten Konzeption der vorliegenden Erfindung wird vorgesehen, dass der Winkel zwischen 120° und 140° beträgt. Durch diese bevorzugte Konzeption kann mit einem relativ geringen Drehwinkel die belastete Komponente wirksam aus dem Schwerlastbereich ausgenommen werden.
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In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgesehen, dass das Drehen des Innenrings und der belasteten Komponente relativ um einen bestimmten Winkel derart, dass die Last der belasteten Komponente sich ändert, umfasst:
- das Drehen des Innenrings und der belasteten Komponente relativ um einen bestimmten Winkel derart, dass sich die belastete Komponente nicht mehr in einem Schwerlastbereich befindet, wobei der Schwerlastbereich ein Bereich ist, der mit der maximalen Schwerkraft der Schaufel belastet ist.
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In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgesehen, dass das Verfahren periodisch durchgeführt wird.
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In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch ein System zum Ändern von einer Last einer belasteten Komponente eines Pitchlagers gelöst, welches umfasst:
- einen Kontroller, der zur Durchführung folgender Aktionen ausgestaltet ist:
- Bestimmen einer Drehzahldifferenz zwischen einem Innenring und einer belasteten Komponente des Pitchlagers, wobei der Innenring zur Verbindung mit einer Schaufel dient; und
- Erzeugen eines Steuersignals abhängig von der Drehzahldifferenz;
- einen Aktuator, der dazu ausgestaltet ist, dass der Innenrings und die belastete Komponente relativ um einen bestimmten Winkel abhängig von dem Steuersignal derart gedreht werden, dass die Last der belasteten Komponente sich ändert.
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Der Kontroller kann z.B. mittels einer Software, einer Hardware, einer Firmware oder einer Kombination davon implementiert werden, während der Aktuator z.B. mittels eines in der Nabe liegenden Motors zum Drehen der Schaufel implementiert werden kann, d.h. der Innenring kann durch Drehen der Schaufel gedreht werden.
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In einer bevorzugten Konzeption der vorliegenden Erfindung wird vorgesehen, dass die belastete Komponente zumindest eine der Folgenden umfasst: eine Kugel des Pitchlagers und einen Halter des Pitchlagers.
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Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung noch eine Windkraftanlage, umfassend das System gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung besitzt mindestens folgende vorteilhafte Wirkungen: Der Erfinder kommt nach einer Studie zum folgenden eindeutigen Einblick: Die Lebensdauer des Pitchlagers wird hauptsächlich von seiner belasteten Komponente, wie einer Kugel, einem Halter und dergleichen, bestimmt, während der Pitchumfang von Schaufeln einer WKA immer bei 0° bis 90° liegt. Als Folge fungiert das Pitchlager auf eine schwenkende Weise, daher arbeiten einige Kugeln und Halter stetig im Schwerlastbereich, was zur Reduktion der Lebensdauer des Pitchlagers führt. Gleichzeitig entdeckt der Erfinder, dass eine Geschwindigkeitsdifferenz von einer belasteten Komponente, wie einer Kugel und einem Halter und dergleichen, und dem Innenring abhängig von der Drehzahl der Innenring ist. Daher ist ein gewünschter relativer Drehwinkel zwischen der belasteten Komponente und dem Innenring realisierbar, nachdem der Innenring um einen bestimmten Winkel sich drehte. Dadurch kann die vorliegende Erfindung mit einer Drehzahldifferenz von einer Kombination aus einer Kugel und einem Halter eines Pitchlagers und einem Innenring nach dem Drehen des Innenrings (der Schaufel) um einen gewissen Winkel ermöglichen, dass sich die Kombination aus der Kugel und dem Halter bezüglich des Innenrings (der Schaufel) um einen bestimmten Winkel dreht. Durch Ausführen dieser Konzeption wie z.B. in regelmäßigen Zeitabständen ist es realisierbar, dass eine belastete Komponente wie eine Kugel, ein Halter und dergleichen während der Dienstzeit gleichmäßig belastet wird, wodurch die Lebensdauer des Pitchlagers wirksam verlängert wird.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden in Kombination mit konkreten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren weiter beschrieben.
- 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Pitchlager einer Windkraftanlage; und
- 2A bis 2B zeigen das Prinzip der erfindungsgemäßen Konzeptionen.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Es ist darauf hingewiesen, dass die jeweiligen Baugruppen in den jeweiligen Figuren zum Zweck einer Veranschaulichung übertrieben dargestellt würden und nicht unbedingt maßstabgerecht sind. In den jeweiligen Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Baugruppen mit einem identischen Bezugszeichen versehen.
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Sofern nicht anders angegeben, schließen in der vorliegenden Erfindung die Formulierungen „auf ... angeordnet wird“, „oberhalb ... angeordnet wird“, „über .... angeordnet wird“ nicht aus, dass dazwischen ein Zwischenmittel vorhanden ist. Außerdem geht es bei der Formulierung „auf oder oberhalb ... angeordnet wird“ lediglich um eine relative Positionsbeziehung zwischen zwei Komponenten; und in bestimmten Fällen wie z.B. nach Reversierung einer Produktrichtung kann sie ebenfalls zu „unter oder unterhalb ... angeordnet wird“ umgewandelt werden, und umgekehrt.
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In der vorliegenden Erfindung dienen die jeweiligen Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der Konzeptionen der vorliegenden Erfindung und sind nicht als einschränkend zu verstehen.
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Sofern nicht anders angegeben, schließen die Zählwörter „ein“, „eine“ nicht die Szene des Vorhandenseins von mehreren Elementen aus.
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Es ist dabei noch darauf hingewiesen, dass der Klarheit und der Einfachheit halber in den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wohl nur ein Teil von Komponenten bzw. Baugruppen dargestellt werden. Jedoch kann der allgemeine Fachmann auf dem Gebiet verstehen, dass unter Heranziehung der Lehre aus dieser Erfindung bei Bedarf in einer spezifischen Szene benötigte Komponenten bzw. Baugruppen hinzugefügt werden können.
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Es ist dabei noch darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Ausdrücke „gleich“, „identisch“, „äquivalent“ oder dergleichen nicht bedeuten, dass Werte der Beiden absolut gleich sind; hingegen ist ein gewisser rationaler Fehler erlaubt. D.h. diese Ausdrücke schließen auch „im Wesentlichen gleich“, „im Wesentlichen identisch“, „im Wesentlichen äquivalent“ ein. Analog dazu beinhalten die Fachwörter, die Richtungen betreffen, nämlich „senkrecht zu“, „parallel zu“ und dergleichen, in der vorliegenden Erfindung auch die Bedeutungen von „im Wesentlichen senkrecht zu“, „im Wesentlichen parallel zu“.
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Darüber hinaus schränkt die Ziffern der Schritte der jeweiligen Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht die Reihenfolge für die Durchführung der Verfahrensschritte ein. Sofern nicht anders angegeben, können die jeweiligen Verfahrensschritte nach unterschiedlicher Reihenfolge durchgeführt werden.
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In der vorliegenden Erfindung kann der Kontroller mittels einer Software, einer Hardware, einer Firmware oder einer Kombination davon implementiert werden. Der Kontroller kann gesondert vorliegen, kann auch als ein Teil einer Komponente sein.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden weitergehend in Kombination mit konkreten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein Pitchlager 100 einer Windkraftanlage.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst das Pitchlager 100 einen Innenring 101 und einen Außenring 102. Schaufeln (nicht dargestellt) sind durch Bolzen mit dem Innenring 101 des Pitchlagers verbunden, der Innenring 101 und der Außenring 102 des Pitchlagers sind über einen Vier-Punkt-Kontakt der Kugel 103 verbunden und übertragen Ladungen. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die Fachwörter „Innenring“ und „Außenring“ lediglich zum Unterscheiden dienen und die Beziehung von zwei Ringkörpern bezüglich deren inneren und äußeren Anordnung nicht definieren; hingegen ist der Innenring ein drehbarer Ringkörper, der mit Schaufeln verbunden ist, und der Außenring ist ein undrehbarer Ringkörper, der an einer Nabe befestigt ist. Daher ist es in einigen Ausführungsbeispielen möglich, dass ein Innenring außerhalb eines Außenrings bzw. auch innerhalb eines Außenrings angeordnet ist, aber alle diesen Szenen unter dem Umfang der vorliegenden Erfindung fallen. Dabei ist der Innenring 101 mit Schaufeln verbunden, daher ist er drehbar zur Einstellung eines Blattwinkels von Schaufeln, nämlich eines einschließenden Winkels zwischen einer WKA-Schaufel und einer Rotationsebene der Schaufel. Aus 1 ist erkennbar, dass wegen des Vorhandenseins der relativ großen Schwerkraft der Schaufel und des Anordnens des Pitchlagers nicht in einer horizontalen Richtung (normalerweise befindet es sich mit der Drehung der Nabe auf unterschiedlichen Ebenen) einige Komponenten des Pitchlagers (z.B. Kugel und Halter zum Halten von Kugeln) sich wohl in einem Bereich mit großen Ladungen befinden, während eine weitere Komponente sich wohl in einem Bereich mit geringen Ladungen befindet.
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2A bis 2B zeigen das Prinzip der erfindungsgemäßen Konzeptionen.
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Wie in 2A gezeigt, kommt der Erfinder nach einer Studie zum folgenden eindeutigen Einblick: Die Lebensdauer des Pitchlagers wird hauptsächlich von seiner belasteten Komponente, wie einer Kugel 103, einem Halter 104 und dergleichen, bestimmt, während der Pitchumfang von Schaufeln einer WKA immer bei 0° bis 90° liegt. Als Folge fungiert das Pitchlager auf eine schwenkende Weise, daher arbeiten einige Kugeln 103 und Halter 104 stetig im Schwerlastbereich, was zur Reduktion der Lebensdauer des Pitchlagers führt. Gleichzeitig entdeckt der Erfinder, dass eine Geschwindigkeitsdifferenz von einer belasteten Komponente, wie einer Kugel 103 und einem Halter 104 und dergleichen, und dem Innenring 101 abhängig von der Drehzahl der Innenring 101 ist (siehe folgende Beschreibung für Einzelheiten). Daher ist ein gewünschter relativer Drehwinkel zwischen der belasteten Komponente - der Kugel 103 und dem Halter 104 - und dem Innenring 101 realisierbar, nachdem der Innenring 101 um einen bestimmten Winkel sich drehte. Dadurch kann die vorliegende Erfindung mit einer Drehzahldifferenz von einer Kombination aus einer Kugel 103 und einem Halter 104 eines Pitchlagers und einem Innenring 101 nach dem Drehen des Innenrings 101 (der Schaufel) um einen gewissen Winkel ermöglichen, dass sich die Kombination aus der Kugel 103 und dem Halter 104 bezüglich des Innenrings (der Schaufel) um einen bestimmten Winkel dreht, wodurch die Kraftverteilung der jeweiligen belasteten Komponenten verändert wird. Durch Ausführen dieser Konzeption wie z.B. in regelmäßigen Zeitabständen ist es realisierbar, dass eine belastete Komponente wie eine Kugel 103, ein Halter 104 und dergleichen während der Dienstzeit gleichmäßig belastet wird, wodurch die Lebensdauer des Pitchlagers wirksam verlängert wird.
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Es wird auf
2B verwiesen. Für die Geschwindigkeitsdifferenz von der Kugel 103 sowie dem Halter 104 und dem Innenring 101, und die Drehzahl der Innenring 101 gilt die folgende Beziehung:
wobei n
m die Drehzahl der Kombination aus der Kugel 103 und dem Halter 104 ist, n
i die Drehzahl des Innenrings 101 oder der Schaufel ist, D der Durchmesser der Kugel 103 ist, α ein Kontaktwinkel ist und d
m der Verteilungskreisdurchmesser eines rollenden Körpers ist.
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Nach einer Studie wird festgestellt, dass es wirksam vermieden werden kann, dass dieselben Kugeln sich immer im Schwerlastbereich befinden, indem die Kombination aus dem Halter 104 und der Kugel 103 in regelmäßigen Zeitabständen bezüglich des Innenrings 101 bzw. der Schaufel je um 140 bis 106 Grad gedreht wird.
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Ein Pitchlager 55.2430 wird als Beispiel genannt. Der Kugel-Durchmesser beträgt 55mm, der Rollenbahnverteilungskreisdurchmesser beträgt 2430, γ = 0,016, das Drehzahl-Verhältnis von nm und ni beträgt 0,4920. Wenn sich der Innenring (die Schaufel) des Pitchlagers um die ganzen 9 Kreise dreht, dreht sich die Kombination aus der Kugel und dem Halter auf 4,43 Kreise, die Kugel und der Halter drehen sich bezüglich des Innenrings (der Schaufel) um 154°. Es wird als Beispiel eine Ausführung alle zwei Jahre genannt. Während des Betriebs in 20 Jahren, wird die Zeit, in der sich derselbe Teil der Kugel sowie des Halters im Schwerlastbereich befinden, um das 9fache reduziert, wodurch die Lebensdauer des Pitchlagers großartig verlängert werden kann.
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Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden zwar in den vorliegenden Anmeldeunterlagen beschrieben, aber der Fachmann auf dem Gebiet kann verstehen, dass diese Ausführungsformen nur beispielhaft dargelegt sind. Unter der erfindungsgemäßen Lehre kann der Fachmann auf dem Gebiet auf viele Varianten, Alternativen sowie Weiterbildungen kommen, ohne über den Umfang der vorliegenden Erfindung hinauszugehen. Der beigefügte Anspruchssatz zielt darauf, den Umfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken und somit die Ansprüche per se sowie Verfahren und Strukturen im äquivalenten Umfang einzuschließen.