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Die Erfindung betrifft einen elektrischer Antrieb, insbesondere für ein sich in einem Fluid bewegendes Fahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik sind Luftfahrzeuge, insbesondere Leichtflugzeuge bekannt, welche mit elektrischen Antrieben ausgestattet sind. Die hierfür eingesetzten elektrischen Antriebe sind oftmals, wie beispielsweise aus
DE 10 2013 219 724 A1 bekannt, als Direktantriebe ausgeführt, d. h. ein Rotor des elektrischen Antriebs ist typischerweise mit einer Welle einer Luftschraube oder eines Propellers ohne dazwischen geschaltetes Übersetzungsgetriebe verbindbar.
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Elektrische Antriebe können insbesondere zwei als Außenläufermotoren ausgebildete Antriebsaggregate umfassen, die gegebenenfalls, wie beispielsweise aus
DE 10 2013 102 194 A1 bekannt, axial hintereinander angeordnet sind. Die dort beschriebenen Antriebsaggregate können getrennt voneinander betrieben werden und sind mittels Freiläufe mit einem Propeller drehfest verbindbar. Eine derartige Anordnung ermöglicht unter anderem, lediglich eine der beiden Antriebsaggregate in einem Teillastbetrieb zu betreiben. Zudem weisen derartig ausgebildete Antriebe eine Teilredundanz auf, die insbesondere beim Einsatz in Luftfahrzeugen aus Sicherheitsaspekten relevant ist.
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Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Antrieb anzugeben, der hinsichtlich der Betriebs- bzw. Ausfallsicherheit weiterhin verbessert ist.
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Gemäß der Erfindung wird die vorstehende genannte Aufgabe gelöst durch einen elektrischen Antrieb der eingangs genannten Art mit den weiteren Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein elektrischer Antrieb, insbesondere für ein sich in einem Fluid bewegendes Fahrzeug, umfasst zumindest zwei unabhängig voneinander betreibbare elektrische Antriebsaggregate und zumindest zwei Wellen, wobei jedem Antriebsaggregat eine der Wellen zugeordnet ist. Jedes Antriebsaggregat weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei jeder Rotor mit der dem jeweiligen Antriebsaggregat zugeordneten Welle drehfest verbunden oder verbindbar ist.
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Der elektrische Antrieb verfügt auf Grund des Aufbaus aus zwei voneinander unabhängig betreibbaren Antriebsaggregaten über eine elektrische Redundanz. Darüber hinaus ist eine mechanische Redundanz durch die Bereitstellung von zwei Wellen gegeben, die jeweils nur mit einem der beiden Antriebsaggregate verbunden oder verbindbar sind. Die elektrische und mechanische Redundanz hat unter anderem zu Folge, dass eines der beiden Antriebaggregate weiter betrieben kann, wenn das andere ausfällt und/oder mechanisch blockiert ist.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein hohes Maß an Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit. Der elektrische Antrieb gemäß der Erfindung eignet sich folglich besonders für den Einsatz in Luftfahrzeugen. In anderen Fällen kann auch ein Einsatz als Boots- bzw. Schiffsantrieb angestrebt werden. Generell ist es vorteilhaft, ein sich in einem Fluid bewegendes Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb gemäß der Erfindung auszustatten, wobei „Fluid“ im Rahmen der vorliegenden Spezifizierung als Sammelbegriff für ein gasförmiges oder flüssiges Medium verstanden wird.
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Die Erfindung eröffnet zusätzlich die Möglichkeit, den elektrischen Antrieb beispielsweise zum Reiseflug in einem Teillastbetrieb zu betreiben, wobei eines der beiden Antriebsaggregate im Teillastbetrieb jeweils wechselweise abgeschaltet wird, um den Wirkungsgrad und in Folge die Flugdauer und/oder die Reichweite des Luftfahrzeugs zu erhöhen.
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Die Rotoren bzw. Wellen sind – gegebenenfalls mit Ausnahme von Bereichen, die Wälzlager und deren Freiläufe umfassen – zueinander berührungslos beweglich geführt. Auf Schmierflüssigkeiten oder Ähnliches wird weitgehend verzichtet. Dies führt dazu, dass der elektrische Antrieb sehr wartungsarm ist.
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Generell sind neben einer hohen Ausfallsicherheit und einem geringen Wartungsbedarf insbesondere im Bereich der Luftfahrzeuge ein niedriges Leistungsgewicht, eine effiziente Kühlung und geringe Betriebskosten wünschenswert. Um diese Anforderungen zu erfüllen ist der elektrische Antrieb, insbesondere sofern dieser für den Einsatz in Luftfahrzeugen vorgesehen ist, vollständig luftgekühlt ausgeführt. Die Kühlluft wird bei Luftfahrzeugen als Stauluft dem elektrischen Antrieb zugeführt. Alternativ hierzu sind insbesondere für Boots- bzw. Schiffsanwendungen Flüssigkeitskühlungen zu bevorzugen. Luftfahrzeuge, die bauartbedingt für sehr große Flughöhen ausgelegt sind, werden bevorzugt alternativ oder zusätzlich mit Flüssigkeitskühlungen ausgestattet, da die in großen Höhen auftretende geringe Luftdichte unter Umständen nicht ausreicht, um eine hinreichende Luftkühlung sicherzustellen.
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Die Antriebsaggregate sind vorzugsweise als elektrische Außenläufermotoren mit jeweils einen den Stator zumindest teilweise umschließende Rotorglocke ausgeführt. Antriebsaggregate dieser Bauart umfassen in an sich bekannter Art und Weise eine Radialwandung und eine den insbesondere permanenterregten Rotor tragende Umfangswandung. Die Rotorglocken sind bevorzugt aus hochfestem Aluminium oder aus Kohlefaser-Verbundmaterial gefertigt.
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Zur Unterstützung der Kühlung bei geringen Staudrücken und hohen Umgebungstemperaturen kann eine Nachverdichtung der zentral an der Rückseite des elektrischen Antriebs zugeführten Stauluft vorgesehen sein. Hierzu sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel an der Innenseite der Rotorglocken mehrere schaufelähnlich ausgebildete Rippen vorgesehen, die bei Betrieb des Antriebs als Radialverdichter wirken. Die Rippen stehen innenseitig von der Radialwandung hervor und verlaufen geradlinig oder abschnittsweise gekrümmt bezüglich einer radialen Richtung. Beim Betrieb des Antriebs wird somit der Luftstrom nachverdichtet, während er in radialer Richtung strömt. Anschließend strömt der Luftstrom durch die Magnetspulen bzw. die Wicklungen das Stators, an denen typischer Weise die meiste Wärme entsteht. Hierbei können auch am Rotor angeordnete Magnete gekühlt werden. Das hier schematisch skizzierte Kühlkonzept ist Gegenstand des parallelen Gebrauchsmusters (20 2015 106 371.7) der Anmelderin. Die motorinternen Kühlluftkanäle bzw. Kühlluftführungen des Kühlsystems sind vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt, um Gewicht einzusparen.
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Die zumindest zwei Wellen sind vorzugsweise zueinander koaxial angeordnet, d. h. zumindest ein Abschnitt einer inneren Welle ist umfänglich von einer äußeren Welle umgeben. Jedes Antriebsaggregat verfügt somit über eine eigene Welle, wobei die Wellen konzentrisch angeordnet sind. Die Wellen sind weiterhin vorzugsweise aus hochfestem Aluminium oder aus Kohlefaser-Verbundmaterial gefertigt.
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Bezüglich der Lagerung der beiden koaxial zueinander angeordneten Wellen werden im Folgenden zwei zueinander alternative vorteilhafte Möglichkeiten vorgeschlagen:
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die innere Welle bezüglich einer Tragstruktur des Stators drehbeweglich und bezüglich axialer Verschiebung fest gelagert. Zur Bereitstellung einer hinreichenden mechanisch stabilen Lagerung ist vorzugsweise eine Kombination von zumindest einem Fest- und zumindest einem Loslager vorgesehen. Die äußere Welle ist auf der inneren Welle gelagert. Hierzu ist insbesondere eine Kombination von Fest- und Loslagern vorgesehen.
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In einem hierzu alternativen Ausführungsbeispiel ist die äußere Welle bezüglich der Tragstruktur des Stators drehbeweglich und bezüglich axialer Verschiebung fest gelagert. Die innere Welle ist entsprechend bezüglich der äußeren Welle drehbeweglich und bezüglich axialer Verschiebung fest gelagert. Hierzu sind vorzugsweise zwischen der Tragstruktur und der äußeren Welle bzw. zwischen der äußeren Welle und der inneren Welle Fest- und Loslager vorgesehen.
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In jedem der oben aufgeführten, die Lagerung betreffenden Ausführungsbeispiele können Freiläufe vorgesehen sein, um die Drehbewegungen der inneren und äußeren Wellen aneinander zu koppeln. Dies ist insbesondere bei Anwendungen sinnvoll, in denen die Wellen zum Betrieb eines gemeinsamen Antriebmittels, beispielsweise eines gemeinsamen Propellers, vorgesehen sind.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die beiden Antriebsaggregate zum Antrieb eines gegenläufigen Antriebmittels gegensinnig zueinander betreibbar ausgebildet. Ein gegenläufiges Antriebsmittel im Sinne der vorliegenden Spezifizierung ist beispielweise ein gegenläufiger Propeller mit zwei Antriebs- bzw. Luftschrauben, die zueinander in entgegengesetzten Drehrichtungen rotieren.
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Die beiden zueinander drehbeweglich gelagerten Antriebsschrauben eines gegenläufigen Antriebmittels können somit unabhängig voneinander betrieben werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden Antriebsschrauben jeweils drehfest mit einer der beiden Wellen verbunden.
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Auf der anderen Seite können die beiden Antriebsaggregate in einem anderen Ausführungsbeispiel auch zum Antrieb eines gemeinsamen Antriebmittels vorgesehen sein. Ein gemeinsames Antriebsmittel im Sinne der vorliegenden Spezifizierung ist zum Beispiel ein gemeinsamer Propeller mit lediglich einer schuberzeugenden Antriebs- bzw. Luftschraube. Die zum Betrieb dieser Antriebsschraube vorgesehenen Antriebsaggregate sind entsprechend gleichsinnig zueinander betreibbar ausgebildet.
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In Ausführungsbeispielen, in denen das gemeinsame Antriebmittel eine Antriebsschraube aufweist, ist diese vorzugsweise mittels Freiläufen mit der inneren und/oder äußeren Welle bezüglich zumindest eines Drehsinns drehfest verbindbar.
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Zur Verbindung mit der jeweiligen inneren und/oder äußeren Welle weist die Antriebsschraube vorzugsweise einen Antriebsflansch auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten erläutert. In diesen zeigen:
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1 schematisch ein Luftfahrzeug in einer Seitenansicht;
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2 einen elektrischen Antrieb gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung;
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3 einen elektrischen Antrieb gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Fahrzeug 1, welches in dem exemplarisch gezeigten Beispiel als Luftfahrzeug ausgeführt ist. Das Fahrzeug 1 weist einen elektrischen Antrieb 2 auf, der ein als Luftschraube ausgebildetes Antriebsmittel 3 antreibt.
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Der elektrische Antrieb 2 wird von einem Kühlsystem luftgekühlt, welches auf Stauluft basiert. Ein Lufteinlass 4 für das nicht näher dargestellte Kühlsystem ist an einer Rumpfunterseite hinter dem Antriebsmittel 3 angeordnet.
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Das gezeigte Fahrzeug 1 ist in 1 lediglich beispielhaft als Elektro-Leichtbauflugzeug ausgeführt. Es versteht sich, dass sich der im Folgenden im Detail näher beschriebene elektrische Antrieb 2 für andere Fahrzeuge 1, die sich in einem Fluid bewegen, geeignet ist. Insbesondere ist der elektrische Antrieb 2 u. a. für Wasserfahrzeuge wie Schiffe, Boote und/oder Jet-Skis geeignet.
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2 zeigt den elektrischen Antrieb 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der elektrische Antrieb 2 umfasst zwei unabhängig betreibbare Antriebsaggregate 5, 6, die axial hintereinander angeordnet sind. Die Antriebsaggregate 5, 6 sind jeweils als Außenläufermotoren ausgeführt und umfassen Rotoren 7, 8, die von Rotorglocken 9, 10 getragen werden, welche hierzu Radialwandungen 11, 12 und Umfangswandungen 13, 14 aufweisen. Die Rotorenglocken 9, 10 umschließen zwei Statoren 15, 16, die mittels einer gemeinsamen Tragstruktur 17 befestigt sind.
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Die Statoren 15, 16 umfassen Magnetspulen, die während des Betrieb gekühlt werden müssen. Hierzu ist vorgesehen, einen Luftstrom innenseitig an den Rotorglocken 9, 10 und an den Magnetspulen vorbeizuführen, der über eine Kühlluftzufuhr 18 in den Innenbereich des elektrischen Antriebs 2 angesaugt wird. Hierzu ist die Kühlluftzufuhr 18 insbesondere bei Luftfahrzeugen mit dem in 1 dargestellten Lufteinlauf 4 strömungstechnisch verbunden. Der Kühlluftstrom strömt in radialer Richtung zwischen den Statoren 15, 16 und den jeweilig angrenzenden Radialwandungen 11, 12 hindurch, wobei er verdichtet wird. Hierzu sind die Radialwandungen 11, 12 der Rotorenglocken 9, 10 in nicht näherdargestellter Weise mit schaufelähnlichen Rippen versehen, die den Luftstrom radial beschleunigen. Der beschleunigte Luftstrom prallt im weiteren Verlauf auf die jeweils angrenzenden Umfangswandungen 13, 14, wobei dieser in axialer Richtung umgelenkt wird. Anschließend wird der Luftstrom an den Magnetspulen der Statoren 15, 16 vorbeigeführt und über nicht näher dargestellte Bohrungen ausgestoßen.
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Jede der beiden Rotorglocken 9, 10 ist fest mit jeweils einer Welle 19, 20 verbunden, die zueinander koaxial und parallel zu einer Rotationsachse 21 des Antriebmittels 3 verlaufen. Die hintere Rotorglocke 9 ist mit der inneren Welle 20 verbunden, die abschnittsweise von der mit der vorderen Rotorenglocke 10 verbundenen äußeren Welle 19 umgeben ist.
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Die innere und äußere Welle 19, 20 sind mittels Freiläufe 22 derart mit dem exemplarisch als Luftschraube ausgeführten Antriebsmittel 3 verbindbar, dass ein Drehmoment zumindest bezüglich eines zur Erzeugung von Vorwärtsschub vorgegebenen Drehsinns von den Antriebsaggregaten 5, 6 übertragen werden kann. Die Freiläufe 22 sind zwischen den Wellen 19, 20 und einem Antriebsflansch 23 angeordnet, der starr mit einer Nabe des Antriebmittels 3 verbunden ist.
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Die Freiläufe 22 weisen Innen- und Außenringe auf, die mittels Presssitzen mit den Wellen 19, 20 bzw. mit dem Antriebsflansch 23 verbunden sind. Die Presssitze sind derart ausgelegt, dass das vom jeweiligen Antriebsaggregat 5, 6 bereitgestellte Drehmoment bei tiefen und hohen Umgebungstemperaturen übertragen werden kann.
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Die innere Welle 20 ist zusammen mit dem hinteren Rotor 7 bezüglich der Tragstruktur 17 gelagert. Die äußere Welle 19 ist mit dem vorderen Rotor 8 zusammen auf der inneren Welle 20 gelagert. Zur Übertragung von Axialkräften, insbesondere zum Übertragen des Vorwärtsschubes, sind einige der zur Lagerung vorgesehenen Wälzlager als Festlager 24 ausgeführt. Diese Festlager 24 werden von Loslagern 25 komplementiert, die ein zumindest geringfügiges Axialspiel aufweisen.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des elektrischen Antriebs 2. Das dort exemplarisch gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel lediglich hinsichtlich der Konfiguration und Lagerung der Wellen 19, 20, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen zunächst auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
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Bei der in 3 gezeigten Variante erfolgt die Lagerung der äußeren Welle 19, die mit der vorderen Rotorglocke 10 verbunden ist, direkt in der Tragstruktur 17. Die innere Welle 20 wird in der äußeren Welle 19 gelagert. Hierzu sind Kombinationen von Loslagern 25 und Festlagern 24 vorgesehen, wobei mittels letzteren auch Axialkräfte übertragen werden können.
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In den Figuren sind lediglich Ausführungsbeispiele skizziert, in denen die Antriebsaggregate 5, 6 zum Antrieb eines gemeinsamen Antriebsmittel 3 Verwendung finden. Es versteht sich, dass dies nicht einschränkend aufzufassen ist. Der vorstehend beschriebene Antrieb 2 ist gleichermaßen zum Antrieb eines gegenläufigen Antriebmittels 3 geeignet, das beispielsweise zwei gegensinnig rotierende Luftschrauben umfasst. In diesem Fall kann insbesondere vorgesehen sein, die Wellen 19, 20 mit den jeweilig gegenläufigen Luftschrauben drehfest bzw. starr zu verbinden.
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Der vorstehend beschriebene Antrieb 2 weist eine integrale Bauweise und ist zum größten Teil aus hochfesten Leichtbauwerkstoffen gefertigt, um das Gewicht zu minimieren. Mit Ausnahme der Lager 24, 25, Freiläufe 22 und der in den Magnetspulen des Stators 15, 16 angeordneten Eisenkerne sind alle Komponenten, insbesondere die Wellen 19, 20, aus hochfestem Aluminium gefertigt und beschichtet. Alternativ dazu können die Tragstruktur 17 und die Rotorglocken 9, 10 sowie das Nabengehäuse mit dem Antriebsflansch 23 auch aus Kohlefaser-Verbundmaterial bestehen.
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Die Erfindung, wie anhand der vorstehenden Beispiele erläutert, ermöglicht eine elektrische und mechanische redundante Ausführung des elektrischen Antriebs 2. Dies qualifiziert den erfindungsgemäßen Antrieb 2 insbesondere für den Einsatz in Luftfahrzeugen, da ein hohes Maß an Betriebssicherheit gegeben ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Antriebs 2 beschränkt, sondern ergibt sich aus einer Zusammenschau sämtlicher hierin offenbarter Merkmale.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Antrieb
- 3
- Antriebsmittel
- 4
- Lufteinlauf
- 5
- Antriebsaggregat
- 6
- Antriebsaggregat
- 7
- Rotor
- 8
- Rotor
- 9
- Rotorglocke
- 10
- Rotorglocke
- 11
- Radialwandung
- 12
- Radialwandung
- 13
- Umfangswandung
- 14
- Umfangswandung
- 15
- Stator
- 16
- Stator
- 17
- Tragstruktur
- 18
- Kühlluftzufuhr
- 19
- Welle
- 20
- Welle
- 21
- Rotationsachse
- 22
- Freilauf
- 23
- Antriebsflansch
- 24
- Festlager
- 25
- Loslager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013219724 A1 [0002]
- DE 102013102194 A1 [0003]
