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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine modulare Wechselrichteranordnung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Wechselrichter ist eine elektrische Vorrichtung, die die Erzeugung einer Spannung mit einer variablen Frequenz ermöglicht. Normalerweise werden Wechselrichter in Verbindung mit Motoren zum Steuern derselben mit einer variablen Frequenz oder entsprechend verwendet, wenn elektrischer Strom zurück in das Netz gesendet wird, wobei der Wechselrichter eine Spannung mit einer Frequenz erzeugen muss, die der Frequenz des Netzes entspricht. Ein derartiger Wechselrichter, der das Netz speist, wird im allgemeinen als Netzwechselrichter bezeichnet. Ein Wechselrichter kann zudem Teil eines Frequenzwandlers sein, der für die Steuerung eines Motors oder eines anderen Verbrauchers verwendet wird. Ein Frequenzwandler besteht normalerweise aus zwei Wandlern, d. h. einem Gleichrichter und einem Wechselrichter, zwischen denen sich ein Gleichspannungs- oder ein Gleichstromzwischenschaltkreis befindet. Der Gleichrichter und der Wechselrichter können auch physisch voneinander getrennt angeordnet sein, wobei ein Gleichrichter zahlreiche Wechselrichter über einen gemeinsamen Zwischenschaltkreis versorgen kann oder alternativ zahlreiche Gleichrichter einen Wechselrichter versorgen können. Ein Beispiel eines Gleichrichters ist eine Diodenbrücke oder eine Thyristorbrücke. Frequenzwandler umfassen zudem normalerweise eine oder mehrere Drosselspulenvorrichtungen. Beispiele derartiger Drosselspulenvorrichtungen, die in oder in Verbindung mit Frequenzwandlern verwendet werden, umfassen eine Eingangsdrosselspule, die mit dem Eingang des Gleichrichters des Frequenzwandlers verbunden ist, und eine Ausgangsdrosselspule, die mit dem Ausgang des Wechselrichters des Frequenzwandlers verbunden ist.
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Frequenzwandlerstrukturen, die derzeit in Verwendung sind, verwenden normalerweise eine Eingangsdrosselspule, eine Eingangsbrücke, eine Kondensatorbatterie und ein IGBT-Modul (IGBT – Isolierter bipolarer Gate-Transistor). Die Kondensatorbatterie ist normalerweise ein komplizierter Satz mehrerer Kondensatoren und erfordert in der Regel eine Kühlung. Bis zur Schutzklasse IP20 (Ingress Protection) sind mechanische Vorrichtungen normalerweise mit einem Gebläse ausgestattet, bei dem der Hauptstrom eines Kühlmediums, wie etwa Luft, zu dem Kühlelement der Leistungshalbleiter und zu anderen Gegenständen mit Hilfe der Art von Verteilung geleitet wird, die sie erfordern. Das Kühlelement ist in der Regel ein einteiliges oder mehrteiliges Element, wobei die Teile mit Haltemechaniken zusammengefasst sind.
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In der Schutzklasse IP21 oder in höheren Schutzklassen sind der Raum für die Elektronik (als sauberer Raum bezeichnet) und der Raum für das Kühlelement (als unreiner Raum bezeichnet) aus praktischen Gründen normalerweise voneinander getrennt. Damit beide Räume über die richtige Luftmenge verfügen, sind beide Räume im allgemeinen mit ihrem eigenen Gebläse versehen. Die mögliche Eingangsdrosselspule ist oft auf der unreinen Seite entweder in einem separaten Luftraum oder in dem Raum angeordnet, der dem Kühlelement folgt. Alternativ kann die mögliche Wechselstrom-Eingangsdrosselspule auch durch eine Gleichstrom-Drosselspule ersetzt sein, die mit dem Zwischenschaltkreis verbunden ist, wobei jedoch auch in diesem Fall die mechanische Position der Drosselspule an derselben Stelle ist. Die mögliche strukturspezifische Ausgangsdrosselspule ist oft mechanisch an derselben Stelle angeordnet wie die Eingangsdrosselspule. Bei einigen Aufbauten sind die möglichen Drosselspulen vollständig außerhalb der Vorrichtung angeordnet, wobei sie in diesem Fall infolge der Kühlung und ihres eigenen Haltemechanismus größer sind, als wenn sie integriert wären.
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Die vorliegenden Wechselrichter- und Frequenzwandlerstrukturen, oder allgemeiner die Motorssteuereinheitsstrukturen bereiten insbesondere hinsichtlich der Anordnung und der Kühlung Probleme. Wenngleich sich die Größe des erforderlichen Kühlelementes oder der Kühlelemente infolge eines präziseren Designs, geringerer Verluste und physikalisch kleinerer Leistungshalbleiter kontinuierlich verringert hat, hat die erforderliche Luftmenge (oder die Menge eines anderen Kühlmediums) in Bezug auf die Außenabmessungen der Vorrichtung sogar zugenommen. Zudem erfolgt die Verteilung einer ausreichenden Menge von Luft vorzugsweise mit Hilfe eines großen Gebläses mit einer geringen Blasrate, wobei die Leistung, die Geräuschentwicklung und die Lebensdauer des Gebläses berücksichtigt werden. Aus diesem Grund ist der Raum, der durch die Kühlung beansprucht wird, in Bezug auf die Größe der Vorrichtung bei Lösungen, die derzeit in Verwendung sind, relativ groß. Dies wird insbesondere bei IP21 oder höheren Schutzklassen weiter verstärkt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung derart anzugeben, dass die obigen Probleme gelöst oder wenigstens abgemindert werden können. Das Ziel der Erfindung wird mit einer Anordnung und einem modularen Wechselrichter erreicht, die durch das gekennzeichnet sind, was in den unabhängigen Ansprüchen erwähnt ist. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
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Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass Leistungshalbleiter und Kühlelemente, die mit diesen assoziiert sind, um eine zentrale Anordnungsachse herum im Inneren wenigstens eines rohrförmigen Ringfolienkondensators derart angeordnet sind, dass die Kühlelemente einen Kanal um die zentrale Achse herum von wenigstens drei Seiten begrenzen, zu dem sich Kanalkühloberflächen der Kühlelemente erstrecken, und in dem ein Kühlmedium in der Richtung der zentralen Achse strömen kann.
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Ein Vorteil der Lösung besteht darin, dass der Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung einen natürlichen Kanal für den Fluss des Kühlmediums bereitstellt, der eine kontrollierte Zirkulation des Kühlmediums, wie etwa Luft, durch die Vorrichtung ermöglicht, weil der röhrenförmige Kondensator die Leistungsstufen und die Kühlelemente umgibt. Infolgedessen kann die Kühlung wirkungsvoll ausgeführt werden, während gleichzeitig Platz eingespart wird. Zudem gestattet die Erfindung die unabhängige Ausführung der Kühlung in unterschiedlichen Teilen der Vorrichtung. Daneben ermöglicht die Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung einen modularen Aufbau, der beispielsweise Vorteile für die Herstellung und Wartung der Vorrichtung bereitstellt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nun detaillierter in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt die Anordnung gemäß einer Ausführungsform einer Wechselrichtereinheit von oben betrachtet;
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2 zeigt die Anordnung gemäß einer Ausführungsform einer Kombination aus einer Wechselrichtereinheit und einer Wechselrichter-Versorgungseinheit von oben betrachtet;
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3 zeigt die Anordnung gemäß einer Ausführungsform einer Dreiebenen-Wechselrichtereinheit von oben betrachtet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung kann in Verbindung mit unterschiedlichen Wechselrichterlösungen angewendet werden und ist somit nicht darauf beschränkt, in Verbindung mit einem speziellen Typ von Vorrichtung verwendet zu werden. Als Beispiel werden hier eine Wechselrichtereinheit, eine Kombination einer Wechselrichtereinheit und einer Wechselrichter-Versorgungseinheit und eine Dreiebenen-Wechselrichtereinheit als Ausführungsformen der Erfindung vorgestellt. Die Erfindung sollte jedoch nicht als auf diese drei Vorrichtungen oder eine Kombination aus diesen beschränkt betrachtet werden, wie ein beliebiger Fachmann verstehen wird. Die Typen der Wechselrichterversorgung, des Verbrauchers, der durch den Wechselrichter gesteuert wird, oder der Verbindungen zwischen diesen, wie etwa der Spannungspegel oder die Anzahl der Phasen, ist für den grundlegenden Gedanken der Erfindung ebenfalls nicht von Bedeutung. Zudem sind die internen oder die externen Verbindungen des Wechselrichters, mit denen die Erfindung angewendet wird, für die Erfindung nicht von Bedeutung, so dass die elektrischen Verbindungen aus Gründen der Klarheit in den Zeichnungen nicht dargestellt sind. Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Beispiele beschränkt und kann auch auf andere Lösungen von Wechselrichtern angewendet werden.
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1 zeigt eine Aufsicht der Anordnung gemäß einer Ausführungsform. Die Anordnung, die in 1 gezeigt ist, umfasst drei Leistungshableiter 5 oder drei Gruppen von Leistungshalbleitern sowie drei Kühlelemente 2, die mit den Leistungshalbleitern, jeweils eines für jeden Leistungshalbleiter 5, verbunden sind. Die Leistungshalbleiter bilden drei identische Leistungsstufen U, V, W. Gemäß der Ausführungsform sind die Leistungshalbleiter 5 wie auch die Kühlelemente 2 um eine zentrale Achse 9 der Anordnung derart angeordnet, dass sich die Kühloberflächen 8 der Kühlelemente von vier Verbindungen zwischen den Leistungshalbleitern 5 und den Kühlelementen 2 im wesentlichen zu der zentralen Achse 9 erstrecken und sich die Leistungshalbleiter 5 von den Verbindungen zwischen den Leistungshalbleitern und den Kühlelementen im wesentlichen weg von der zentralen Achse 9 derart erstrecken, dass ein Kanal 10 um die zentrale Achse von wenigstens drei Seiten begrenzt wird, wobei sich in diesem Kanal die Kühloberflächen 8 der Kühlelemente befinden und in diesem das Kühlmedium in der Richtung der zentralen Achse 9 strömen kann. Das Kühlmedium kann beispielsweise unreine Luft oder eine Flüssigkeit sein. Die Leistungshalbleiter und die entsprechenden gedruckten Leiterplatten befinden sich in einem sauberen Raum zwischen der Innenfläche eines ersten Ringfolienkondensators 11 und den Kühlelementen 2.
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Bei der Anordnung des Beispiels in 1 ist der Kanal 10 um die zentrale Achse 9 begrenzt. Die Kühlelemente 2 und die Leistungshalbleiter 5 sind in einen rohrförmigen Ringfolienkondensator 11 eingefügt, der einen kreisförmigen Querschnitt hat. Der Ringfolienkondensator 11 muss in der Richtung der zentralen Achse 9 nicht unbedingt rund sein, wobei beispielsweise ebenfalls ein Rohr verwendet werden kann, das einen Querschnitt eines Dreiecks mit abgerundeten Ecken oder eines Quadrates hat. Der Ringfolienkondensator umfasst eine Spule eines leitenden und isolierenden Materials. Der Ringfolienkondensator hat eine bestimmte Kapazität, die beispielsweise von der Zahl der Wicklungen der Spule, der Dicke des Isolators und der Höhe der Spule abhängt. Die Handhabungskapazität von Strom und Spannung kann durch Verwendung eines dickeren Leitungsmediums bzw. eines dickeren Isolators verbessert werden.
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Vorzugsweise werden zwei Kondensatoren verwendet, wobei der zweite Ringfolienkondensator 12 dieselbe Form wie der erste Ringfolienkondensator 11, jedoch eine andere physikalische Größe hat, so dass der erste Ringfolienkondensator 11 in den zweiten Ringfolienkondensator 12 passt. Daher hat der erste Ringfolienkondensator 11 einen geringeren Durchmesser und vorzugsweise mehr Wicklungen als der zweite Ringfolienkondensator 12, um mit der Kapazität des zweiten Ringfolienkondensators übereinzustimmen. Die Kondensatoren sind durch Verbinden eines Anschlusses jedes der Kondensatoren miteinander in Reihe geschaltet. Diese Verbindung erzeugt zudem einen neutralen Punkt darin. In einer Ausführungsform umfasst der Kondensator ein Kühlelement, wie etwa eine Kühlrippe oder einen Satz von Kühlrippen, das an dem neutralen Punkt befestigt sein kann.
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Die in Reihe geschalteten Ringfolienkondensatoren 11, 12 fungieren als Gleichstromkondensator der Wechselrichteranordnung. Auf einen separaten Klemmkondensator kann bei der Wechselrichteranordnung verzichtet werden, da der Gleichstromkondensator sehr dicht an den Leistungshalbleitern 5 gelegen ist. Die Konstruktion der Anordnung bietet zudem zahlreiche andere Vorteile. Eine hohe Kapazität kann mit einer einfachen Anordnung der beiden Ringkondensatoren erreicht werden. Die Kondensatoren blockieren nicht den Kanal 10, der für die Kühlung der Leistungshalbleiter 5 verwendet wird, und die Kühlung der Kondensatoren kann weiterhin auf einfache Art und Weise realisiert werden. Der Kanal kann zudem ohne Probleme auf einfache Weise zu Wasserkühlzwecken umgerüstet werden. Ein System mit einer sehr geringen Induktanz kann mit der Wechselrichteranordnung unter Verwendung von Ringfolienkondensatoren eingerichtet sein, die eine sehr kurze Länge haben. Die Wechselrichteranordnung kann zudem auf einfache Art und Weise für Hochleistungspegel skaliert werden, indem die Kondensatoren länger und dicker ausgebildet werden und/oder die Zahl von Wicklungen in dem Kondensator erhöht wird.
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Die Leistungshalbleiter 5 oder Gruppe von Leistungshalbleitern sind an der Wechselrichteranordnung vorzugsweise modular angebracht, so dass sie bei einer Beschädigung einzeln entfernt und ersetzt werden können. Vorzugsweise ist jeder Leistungshalbleiter 5 an einem separaten Kühlelement 2 angebracht, so dass im Falle einer Beschädigung der beschädigte Leistungshalbleiter mit seinem Kühlelement entfernt werden kann, während die anderen Leistungshalbleiter und Kühlelemente an Ort und Stelle bleiben. Die Paare von Leistungshalbleitern 5 und Kühlelementen 2 können beispielsweise mit Hilfe von Führungen und Schlitzen oder auf Schienen installiert werden, oder sie können an der Wechselrichtervorrichtung vorzugsweise jedoch nicht aneinander befestigt werden.
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Die Wechselrichteranordnung kann wenigstens eine Drosselspule umfassen. Die wenigstens eine Drosselspule kann an einer Ober- oder Unterseite der Kühlelemente angebracht sein. Die wenigstens eine Drosselspule kann eine Luftkerndrosselspule sein. Weiterhin kann die wenigstens eine Drosselspule eine Eingangsdrosselspule und/oder eine Ausgangsdrosselspule sein.
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Die Anordnung der beispielhaften Ausführungsform aus 2 umfasst sechs Leistungshalbleiter 5, 7 oder sechs Halbleitergruppen und drei Kühlelemente 2. Die Kühlelemente 2 umfassen plattenähnliche oder rippenähnliche Kühlflächen, die den Kühlflächen 8 aus 1 gleichen, wenngleich die Kühlflächen in 2 nicht dargestellt sind. Die Kühlelemente 2 begrenzen einen Kanal 10, in dem ein Kühlmedium in der Richtung der zentralen Achse 9 strömen kann. Das Kühlmedium kann beispielsweise unreine Luft oder eine Flüssigkeit sein. Die Leistungshalbleiter und die entsprechenden gedruckten Leiterplatten befinden sich in einem sauberen Raum zwischen einer Innenfläche eines Ringfolienkondensators 11 und den Kühlelementen 2.
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Die Anordnung von 2 kann als eine Wechselrichtereinheit mit einem ersten Satz von Leistungshalbleitern 5 und als Wechselrichter-Versorgungseinheit mit einem zweiten Satz von Leistungshalbleitern 7 verwendet werden. Die Wechselrichteranordnung kann wenigstens eine Drosselspule 1 umfassen. Die wenigstens eine Drosselspule 1 kann an einer Ober- oder einer Unterseite der Kühlelemente angebracht sein. Diese wenigstens eine Drosselspule kann eine Luftkerndrosselspule sein. Weiterhin kann diese wenigstens eine Drosselspule 1 eine Eingangsdrosselspule und/oder eine Ausgangsdrosselspule sein. Aluminium- oder Kupfer-Kühlelemente 2 reagieren beispielsweise nicht stark auf den magnetischen Fluss der Drosselspule 1. Somit sind die Halteteile und äußeren Gehäuse (nicht gezeigt) der Kühlelemente 2 so weit wie möglich von der Drosselspule 1 entfernt, so dass der magnetische Fluss, der von der Drosselspule 1 verursacht wird, externe Vorrichtungen oder die eigene Elektronik des Wandlers nicht stören kann. Darüber hinaus wird einer möglichen Erwärmung der Haltestrukturen, die durch den Magnetfluss verursacht wird, durch die Kühlmedienströmung direkt oder indirekt über die Kühlelemente 2 Rechung getragen.
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3 zeigt eine Aufsicht der Anordnung gemäß einer Ausführungsform eines Dreipegel-Wechselrichters. Die Anordnung der beispielhaften Ausführungsform in 3 umfasst neun Leistungshalbleiter 13, 15, 17 oder neun Gruppen von Leistungshalbleitern 13, 15, 17 und neun Kühlelemente 2. Die Leistungshalbleiter bilden drei identische Leistungsstufen U, V, W. Vorzugsweise ist der mittlere Leistungshalbleiter 15 jeder Leistungsstufe im Vergleich zu den anderen Leistungshalbleitern 13, 17 umgedreht, wodurch eine kurze Ausgangsverdrahtung ermöglicht wird. Die Kühlelemente 2 umfassen plattenähnliche oder rippenähnliche Kühloberflächen, die den Kühloberflächen 8 aus 1 gleichen, wenngleich die Kühlflächen in 2 nicht dargestellt sind. Die Kühlelemente 2 begrenzen einen Kanal 10, in dem ein Kühlmedium in der Richtung der zentralen Achse 9 strömen kann. Das Kühlmedium kann beispielsweise unreine Luft oder eine Flüssigkeit sein. Die Leistungshalbleiter und die entsprechenden gedruckten Leiterplatten befinden sich in einem sauberen Raum zwischen einer Innenoberfläche eines ersten Ringfolienkondensators 11 und den Kühlelementen 2. Die Wechselrichteranordnung kann wenigstens eine Drosselspule umfassen. Die wenigstens eine Drosselspule kann an der Ober- oder der Unterseite der Kühlelemente angebracht sein. Die wenigstens eine Drosselspule kann eine Luftkerndrosselspule sein. Weiterhin kann diese wenigstens eine Drosselspule eine Eingangs- und/oder eine Ausgangsdrosselspule sein.
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Es wird zudem darauf hingewiesen, dass aus Gründen der Klarheit auf zahlreiche Bauteile, die in der Vorrichtung vorhanden sind, die die Erfindung nutzt, in den Zeichnungen verzichtet wurde, die mit den obigen Beispielen assoziiert sind. Die mechanische Anbringung des Aufbaus ist in den Zeichnungen in einer stark vereinfachten Form dargestellt. Aus Gründen der Einfachheit wurde auf die mechanischen und elektrischen Verbindungen der Halbleitermodule 5, 7, 13, 15, 17 miteinander und die elektrischen Verbindungen der Module beispielsweise mit den Drosselspulen und Benutzerschnittstellen (nicht gezeigt), die auf zahlreiche alternative Arten ausgeführt sein können, in den Zeichnungen verzichtet.
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Innerhalb der Ausführungsformen, die oben beschrieben sind, oder zusätzlich zu diesen kann der Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl zusätzlicher Ausführungsformen verwendet werden. Der Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung kann für die Ausführung des Basisaufbaus eines Wechselrichters, Gleichrichters oder Frequenzwandlers verwendet werden.
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Wenn sie in Verbindung mit unterschiedlichen elektrischen Bauteilen verwendet wird, arbeitet der mechanische Aufbau gemäß der Erfindung normalerweise optimal in einem weitaus größeren Gebiet als die vorliegenden Aufbauten. Infolgedessen ermöglicht der Aufbau gemäß der Erfindung die Ausführung einer Modularität durch die gesamte Vorrichtung/die Abfolge von Vorrichtungen, wie etwa einen Frequenzwandler, die nicht nur eine Vorrichtung sondern auch dessen interne Aufbauten (z. B. ein Netzteil, eine Drosselspuleneinheit, eine Gebläseeinheit, eine Steuereinheit) beinhaltet. Modularität kann in diesem Sinn so betrachtet werden, dass sie sich auf die Standardisierung der Anbringungspunkte jeder internen Einheit bezieht. Die gesamten Vorteile, die man auf diese Weise für die Herstellung erhält, können beträchtlich sein.
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Der Fachmann wird verstehen, dass mit dem Fortschritt der Technik der grundlegende Gedanke der Erfindung auf vielfältige Art ausgeführt werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind somit nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern können innerhalb des Geltungsbereiches des Schutzansprüche variieren.
