DE1513144C - Aus einer Stromquelle und einem Asynchron motor bestehendes vielphasiges System - Google Patents
Aus einer Stromquelle und einem Asynchron motor bestehendes vielphasiges SystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein aus einer Stromquelle und einem Asynchronmotor bestehendes vielphasiges
(/n-phasiges) System, bei dem die im Motor wirksamen Spannungen nach Höhe und Phasenlage mit
Hilfe von Zusatzgeräten in Form von Polpaarwählern gewählt werden können.
Vielphasige Asynchronmotoren haben in der Regel zwei- oder dreiphasige Ständerwicklungen, die um
den gesamten Umfang der Ständerböhrung gleichmäßig verteilt sind. Die Zahl der Polpaare ρ des von
den in der Ständerwicklung fließenden Strömen erzeugten magnetischen Drehfeldes kann fest oder zwischen
einem Mindestwert pmin und einem Höchstwert pmax wählbar sein. Die gewählte Polpaarzahl
bestimmt zusammen mit der Frequenz der den Motor speisenden Stromquelle die Umdrehungszahl des magnetischen
Feldes. Um die Polpaarzahl wählen zu können, werden, bekanntlich zwischen der Stromquelle
und der Ständerwicklung Zusatzgeräte eingefügt. Zusatzgeräte, wie Sterndreieckumschalter oder
Anlaßtransformatoren, dienen dazu, bei festgehaltener Spannung der Stromquelle die an der Ständerwicklung
wirksamen Spannungen zu wählen..
Auch ist durch die USA.-Patentschrift 1 291 424 ein aus einer Stromquelle und einem Asynchronmotor
bestehendes vielphasiges System bekannt, bei dem die im Motor wirksamen Spannungen nach
Höhe und Phasenlage mit Hilfe von Zusatzgeräten in Form von galvanisch arbeitenden Polpaarwählern
gewählt werden können.
. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Systeme zu verbessern.
. Gemäß der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, daß als solche Zusatzgeräte Drehumschalter in Form
von galvanischen Polpaarwählern dienen, welche die Zuordnungen von Strom- bzw. Flußpfaden zyklisch
vertauschen.
Auch können als Zusatzgeräte Polpaarwähler dienen, die nach dem magnetischen Verfahren arbeiten,
d. h. durch An- und Abkoppeln der Primär- und Sekundärspulen des Speisetransformators. Dabei vertauschen
diese magnetischen Polpaarwähler in gleicher Weise erfindungsgemäß zyklisch die Zuordnungen
von Strom- bzw. Flußpfaden.
Die erfindungsgemäßen Motoren besitzen gegenüber den bekannten polumschaltbaren Motoren folgende
Vorteile: .
Die Zahl der wählbaren Polpaarzahlen ist unbegrenzt,
da sie mit der frei wählbaren Phasenzahl wächst.
Die an der Ständerwickluhg wirksamen Spannungen
können in mehreren Stufen und in weiten Grenzen bei festgehaltener Spannung der Stromquelle gewählt werden, wodurch bei jeder
wählbaren Polpaarzahl die günstigsten Betriebsverhältnisse erzeugt werden können.
Der Oberwcllengehalt des Drehfeldes ist bedeutend geringer als bei bekannten polumschaltbaren Motoren.
Der Oberwcllengehalt des Drehfeldes ist bedeutend geringer als bei bekannten polumschaltbaren Motoren.
Das Drehfeld bleibt /w-phasig symmetrisch bei jeder wählbaren Polpaarzahl und bei jeder wählbaren
Höhe der an der gespeisten Wicklung wirksamen Spannungen.
In F i g. I als Beispiel sind die Umschaltungen durch einen Drehumschalter dargestellt. Er besteht
aus zwei Kontaktträgern 2 und 3 aus Isoliermaterial, die gegeneinander verdrehbar sind. Jeder von ihnen
trägt m Klemmen mit der gleichen Anzahl zugehöriger Kontaktstücke. Die von je einem Kontaktstück
beider Träger gebildeten einpoligen Schaltelemente sind im Betrieb geschlossen. Die Eingänge der
Spulengruppen der Sekundärwicklung werden im Ausführungsbeispiel an die Klemmen des Trägers 2
geführt, die mit den Bezugsziffern 200 bis 210 bezeichnet sind. Die Ausgänge werden an die Klemmen
des. Trägers 3 in der gleichen Reihenfolge geführt, • die nun identisch mit den Klemmen 100 bis 110 der
ίο Stromquelle sind. Unter den m möglichen Stellungen
.des Umschalters ergibt eine Stellung den Kurzschluß
der Sekundärgruppen, während die übrigen zu Spannungsvielecken in beiden Sinnen der Phasenfolge
führen. Der Drehumschalter dient also auch zur Umkehr der Drehrichtung des Motors.
Um die Polpaarzahl des erfindungsgemäßen Motors wählen zu können, wird zwischen der Stromquelle
und der Ständerwicklung ein Drehumschalter eingefügt, der im folgenden als »Polpaarwähler« bezeichnet
wird. Um seine.Wirkungsweise zu erläutern, wird eine Spulenständergruppe als »Basisgruppe« be-^
zeichnet und die an ihr wirksame Spannung als »Basisspannung«. Jede andere Spulengruppe ist
gegenüber der Basisgruppe am Umfang des Ständers um ig· — J räumlich versetzt, wobei g die Ordnungszahl
der Spulengruppe ist und alle ganzzahligen Werte zwischen 1 und (τη — 1) durchläuft. Sind nun
an allen Spulengruppen Spannungen wirksam, die gleiche Höhe wie die Basisspannung besitzen und die
gegenüber der Basisspannung zeitliche Verschiebungen aufweisen, die gleich den räumlichen Versetzungen
der jeweiligen Gruppen oder deren ganzzahligen Vielfachen sind, so. entsteht im Luftspalt ein Drehfeld.
Die Polpaarzahl ρ des Drehfeldes wird nun gleich dem Quotienten der jeweiligen zeitlichen Verschiebung
und der zugehörigen räumlichen Versetzung. Im erfindungsgemäßen Motor kann ρ alle
positiven und negativen Werte zwischen plus und minus "1T" annehmen. Die beiden Vorzeichen
entsprechen den beiden möglichen Umlaufsinnen des Drehfeldes.
Die Aufgabe des Polpaarwählers besteht nun darin, an allen Spulengruppen mit Ausnahme der Basisgruppe gleichzeitig Spannungen gleicher Höhe wirksam
werden zu lassen, deren zeitliche Verschiebungen gegenüber der Basisspannung gleich (p-g- ■ )
sind, wobei ρ alle oder einen Teil der theoretisch möglichen Werte annehmen kann. Dies kann beispielsweise
durch eine Kombination galvanischer Kontakte nach Art des bekannten Kreuzschienenwählers
erreicht werden, der es gestattet, jede Klemme der Ständergruppen mit jeder Klemme der
Stromquelle zu verbinden. Eine derartige Anordnung führt jedoch bei hoher Zahl wählbarer Polpaare und
bei der sich dabei ergebenden hohen Phasenzahl m zu einer sehr großen Anzahl von Schaltstellen.
Es hat sich aber gezeigt, daß sieh nach diesem Verfahren eine eindeutige symmetrische Zuordnung
zwischen den Ständergruppen und den Spannungen der Stromquelle nur ergibt, wenn keine der wählbaren
Polpaarzahlen einen gemeinsamen Teiler mit der Phasenzahl hat.
Um die Zahl der Übertrittsstellen der elektrischen Ströme bzw. der magnetischen Flüsse auf ein Minimum
zu bringen, kann für eine Phasenzahl m, die
eine Primzahl ist, in Vervollkommnung der Erfindung der Polpaarwähler als Drehwähler mit (m — 1)
möglichen Stellungen ausgebildet werden, an dessen räumlich aufeinanderfolgenden (m — l) Übertrittsstellen die Ströme bzw. die Flüsse in derartiger
Reihenfolge auftreten, daß ihre zeitlichen Verschiebungen gegenüber denjenigen, die der Basisgruppe
zugeordnet sind, nach Potenzen einer ganzen Zahl k wachsen, deren Absolutwert' größer als eins und
kleiner als (m — 1) ist.
Fig. 2a zeigt die theoretischen zeitlichen Verschiebungen
an den Übertrittsstellen des erfindungsgemäßen Polpaarwählers gegenüber dem Basisstrom
bzw. dem Basisfluß für m = 11 und k — +2. Es zeigt sich, daß die meisten Verschiebungen größer
als 360° werden. Die physikalischen Verschiebungen ergeben sich nun aus den theoretischen Werten dadurch, daß alle vollen Umläufe abgezogen werden.
Die so erhaltenen tatsächlichen Verschiebungen sind in Fig. 2b dargestellt.
Es zeigt sich ferner, daß für jeden absoluten Wert von k entweder der negative oder der positive Wert
zu einer eindeutigen Zuordnung aller Übertrittsstellen zu den (m — 1) Strömen bzw. Flüssen ergibt.
F i g. 3 dient zur Erläuterung der Wirkungsweise as
des erfindungsgemäßen galvanischen Wählers. Mit 6 ist das dreiphasige Versorgungsnetz, mit 7 der
primärseitige Leistungsschalter bezeichnet. Mit 1 ist der Transformator bezeichnet, der die dreiphasige
Energie in m-phasige umformt. Seine sekundären Spulengruppen werden durch den Drehumschalter 23
geschaltet, der entsprechend F i g. 1 ausgebildet ist. Die Bezugsziffer 5 ist dem Polpaarwähler zugeordnet,
der gemäß Fig. 2b ausgebildet ist. Um die Darstellung
zu vereinfachen, sind die Leiterbündel, die von einem zum anderen Gerät führen, durch eine
Linie mit Angabe der Leiterzahl dargestellt.
Der Punkt 100 ... 110 entspricht den Klemmen der Stromquelle, von denen aus m gleich große, symmetrisch
phasenverschobene Ströme /0 bis /10 zum
Polpaarwähler und zum Ständer fließen.
Der von der Klemme 100 ausgehende Strom /0
wird als Basisstrom betrachtet. Er fließt direkt zur Eingangsklemme der Basisspule 400. Die restlichen
Klemmen der Stromquelle sind mit den äußeren Kontaktstücken des Wählers verbunden, während die
Eingangsklemmen der Ständerspulen mit den inneren Kontaktstücken verbunden sind. Die räumliche
Reihenfolge der Ströme im Wähler entspricht dem potentiellen Anwachsen der Phasenverschiebungen.
In dem vorliegenden Beispiel folgen an den Übertrittsstellen die Ströme:
I1, h> 1V h>
75' 7IO' 79>
1T h und 76 ·
Die Ausgangsklemmen der Ständerspulen sind miteinander zu einem Sternpunkt vereinigt.
Die Stellung des Wählers möge derart sein, daß die Verschiebungen der durch die Ständerspulen fließenden
Ströme gegenüber /0 gleich sind mit den
räumlichen Versetzungen der jeweiligen Spulen gegenüber der Spule 400.
Werden nun die inneren Kontaktstücke mit ihrem Träger im Uhrzeigersinn um eine Teilung des Polpaarwählers
gedreht, so wachsen die zeitlichen Verschiebungen der Ströme in den Ständerspulen um
das /k-fache. Im vorliegenden Beispiel verdoppeln sie
sich. Dadurch geht die Polpaarzahl des Drehfeldes von 1 auf 2. Bei einem darauffolgenden Schritt
wachsen die Phasenverschiebungen wieder um das &-fache, und die Polpaarzahl wächst im Beispiel
auf 4.
Auf diese Weise wachsen bei aufeinanderfolgenden Schritten die theoretischen Polpaarzahlen mit den
Potenzen von k. Praktisch müssen sie jedoch zwi-
(tYI
1
—=— !liegen. Es zeigt sich,
ähnlich wie bei der Bestimmung der tatsächlichen Phasenverschiebungen, daß sich die tatsächlichen
Polpaarzahlen von den theoretischen dadurch ableiten, daß von den letzteren ganzzahlige Vielfache
von m abzuziehen sind, bis der Wert innerhalb obiger Grenzen zu liegen kommt.
Für die (m — 1) = 10 Stellungen des Drehwählers ergeben sich im Beispiel nacheinander folgende Polpaarzahlen:
ρ = 1; 2; 4; -3; 5; -1; -2; -4; +3; -5; 1.
Wäre man bei m = 11 von k — —3 ausgegangen,
dann wäre die Reihenfolge der Polpaarzahlen:
ρ = 1; -3; -2; -5; 4; -1; 3; 2; 5; -4; 1.
Wie bereits erwähnt, entsprechen beide Vorzeichen der Polpaarzahlen beiden Drehsinnen des Drehfeldes.
Es zeigt sich, daß der Oberwellengehalt des Drehfeldes mit steigender Polpaarzahl wächst. Andererseits
können die Oberwellen durch Verteilung der Spulen jeder Gruppe herabgesetzt werden. Darum
hängt die maximale, praktisch ausnutzbare Polpaarzahl von der Ausbildung der Spulengruppen ab. Sie
ist stets niedriger als der theoretische Höchstwert (-^-—) wächst jedoch proportional mit der
Phasenzahl m.
F i g. 4 zeigt das der F i g. 3 entsprechende Schaltbild für die Schaltung der Ständerspulen im Vieleck
statt im Stern.
Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die wirksamen Spannungen unabhängig von der Schaltung
der Stromquelle zu wählen. Es entfällt der Drehumschalter 23 auf der Seite der Stromquelle. An
seine Stelle tritt der motorseitige Drehumschalter 8. Der Polpaarwähler muß doppelt ausgeführt werden,
um gleichzeitig die Ein- und Ausgänge der Ständerspulen umzuschalten; er ist mit den Bezugsziffern 51,
52 bezeichnet. Es ist übrigens möglich, den Polpaarwähler mit zwei feststehenden Kontaktsystemen auszuführen,
die über den drehbaren Teil miteinander verbunden werden. Die Verbindungen der beiden
Kontaktsysteme des drehbaren Teils bewirken die Umgruppierung der Ströme an den Übertrittsstellen
von der linearen Folge der Phasenverschiebungen zur exponentialen Folge.
Bei magnetischer Polpaarwahl entfallen die Umschaltkontakte, wodurch die Betriebssicherheit der
Anordnung erhöht wird. Der Polpaarwähler selbst bildet dabei den wesentlichen Teil der Anordnung,
die die dreiphasige Energie in m-phasige umformt. Diese Anordnung besteht aus einem Einphasentransformator
10 (F i g. 5) und dem eigentlichen magnetischen Polpaarwähler 9. Dieser baut sich auf einem
rotationssymmetrischen magnetischen Kreis mit (m—l) bewickelten Hauptschenkeln 17 und ebenso
vielen unbewickelten schwachen Rückschlußschenkeln 18 auf. Diese Schenkel und damit der magnetische
Kreis werden durch einen zylindrischen Luftspalt 22 in einen primären Teil 91 und einen sekundären Teil
Claims (13)
1. Aus einer Stromquelle und einem Asynchronmotor bestehendes vielphasiges (m-phasiges)
System, bei dem die im Motor wirksamen Spannungen nach Höhe und Phasenlage mit Hilfe
von Zusatzgeräten in Form von Polpaarwählern gewählt werden können, dadurch gekennzeichnet,
daß als solche Zusatzgeräte Drehumschalter in Form von galvanischen Polpaar-. Wählern dienen, welche die Zuordnungen von
Strom- bzw. von Flußpfaden zyklisch vertauschen.
2. Aus einer Stromquelle und einem Asynchronmotor bestehendes vielphasiges (m-phasiges)
System, bei dem die im Motor wirksamen Spannungen nach Höhe und Phasenlage mit Hilfe
von Zusatzgeräten in Form von Polpaarwählern gewählt werden können, dadurch gekennzeichnet,
1 O 1 D
daß als Zusatzgeräte Drehumschalter in Form von magnetischen Polpaarwählern dienen, welche
die Zuordnungen von Strom- bzw. Flußpfaden zyklisch vertauschen.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Polpaarwähler voneinander
isolierte Spulengruppen einer Stromquelle in jeder Arbeitsstellung derartig zusammenschaltet,
daß die geometrische Addition ihrer zeitlichen Vektoren regelmäßig, mittels eines oder mehrerer,
in ihrer Anzahl wählbarer Umläufe geschlossene, Vielecke bildet.
4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Polpaarwähler voneinander
isolierte Spulengruppen einer Ständerwicklung des Asynchronmotors in jeder Arbeitsstellung
derartig zusammenschaltet, daß die geometrische Addition ihrer m zeitlichen Vektoren
regelmäßige, mittels eines oder mehrerer, in ihrer Anzahl wählbarer Umläufe geschlossene Vielecke
bildet.
5. System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Phasenverschiebungen der an den einzelnen
Spulengruppen des Ständers wirksamen Spannungen in bezug auf die Phasenlage der an einer
Spulengruppe (Basisgruppe) wirksamen Spannung (Basisspannung) ein wählbares ganzes Vielfaches
der räumlichen Versetzung der Gruppen gegenüber der Basisgruppe sind, wodurch die Polpaarzahl
des Drehfeldes im Luftspalt gewählt wird, bei dem fernerhin die Phasenzahl m keinen gemeinsamen
Teiler mit den wählbaren Polpaarzahlen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der
Drehumschalter m — 1 mögliche Stellungen besitzt und daß an dessen räumlich aufeinanderfolgenden
(m — 1) Uberschrittstellen die Ströme bzw. die Flüsse in derartiger Reihenfolge auftreten,
daß ihre zeitlichen Verschiebungen gegenüber denjenigen die der Basisgruppe zugeordnet sind,
nach Potenzen einer ganzen Zahl k wachsen, deren Absolutwert größer als 1 und kleiner als
(m— 1) ist.
6. System nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Polpaarwähler
zusammen mit einem Einphasentransformator die Umformung der dreiphasigen in m-phasige
Energie bewirkt.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis des Polpaarwählers
rotationssymmetrisch ist und durch einen zylindrischen Luftspalt in einen Primärteil und
einen konzentrischen, gegen den Primärteil verdrehbaren Sekundärteil ausgeteilt ist.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis des Polpaarwählers
aus zwei ringförmigen Jochen und aus (m — 1) bewickelten Hauptschenkeln und
ebenso vielen unbewickelten Rückschlußschenkeln besteht.
9. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärteil des magnetischen
Wählers in (m — 1) U-förmige magnetische Teilwege
aufgeteilt ist,, während der Sekundärteil aus einem ringförmigen Joch mit entsprechenden
Schenkelstümpfen besteht.
10. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärteil des Polpaarwählers
mit dem Ständer des Motors in der Weise zusammengefaßt ist, daß das Joch des Sekundärteils
mit dem Joch des Ständers vereinigt ist und daß die am Wählerluftspalt liegenden Leiter der
Sekundärspulen zusammen mit den am Motorluftspalt liegenden Leitern der Ständerspulen gemeinsame
Spulen bilden.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärteil starr mit dem Gehäuse
verbunden und der mit dem Ständer vereinigte Sekundärteil verdrehbar ist.
12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Einphasentransformator mit
dem verdrehbaren Teil starr verbunden ist.
13. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander vereinigten Sekundärspulen
jeweils aus einem Leiter bestehen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
009 548/160
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