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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Antriebsmodul für ein elektrohydraulisches System, insbesondere für relativ einfache hydraulische Steuerungen mit geringen Anforderungen an die Präzision, wie die Steuerung eines Aufbaus mit doppeltwirkenden Zylindern. Besonders gut einsetzbar ist dieses System in Containerpressen.
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Containerpressen als elektrohydraulische Systeme sind im Wesentlichen bekannt. Sie dienen dazu, ein Füllgut, beispielsweise Hausmüll, Papier, Altkleider oder dergleichen, zu verdichten, um beim Transport oder der Entsorgung Platz zu sparen. Zudem kann durch das Zusammendrücken bei bestimmten Anwendungen auch eine Separation erfolgen, indem beispielsweise Fluide wie Wasser durch das Zusammenpressen aus Feststoffen extrahiert werden.
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Eine herkömmliche Containerpresse umfasst einen Elektromotor, der eine Hydraulikpumpe antreibt, einen oder mehrere (meist doppeltwirkende) Zylinder, die eine Druckplatte in einem Container verschieben, sowie eine Hydraulikschaltung mit einem 2/2 oder 2/3-Wegeventil zwischen Pumpe und Zylinder. Das Hydraulikventil wird so geschaltet, dass der Zylinder bei laufender Pumpe die Druckplatte vorschiebt, um ein vor der Druckplatte liegendes Material im Container zu verdichten. Bei ausreichender Verdichtung (erkennbar am Zylinderweg oder dem Druckanstieg im System) wird der Vorschub gestoppt, und es kann beispielsweise durch Umschalten des Ventils der Zylinder wieder eingezogen werden, um die Druckplatte zurückzuziehen und neuen Platz für weiteres zu verdichtendes Material zu schaffen.
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Üblicherweise erfolgt die Energieversorgung derartiger Systeme entweder über einen lokalen Stromanschluss, vorzugsweise einen Drehstromanschluss für den Pumpenmotor oder, insbesondere bei mobilen Systemen wie z.B. Müllwagen, durch elektrischen Strom, der von einem mittels Brennkraftmaschine angetriebenen Generator bereitgestellt wird. Im Fall des Antriebs über eine Brennkraftmaschine beispielsweise eines stehenden LKWs ergibt sich der Nachteil, dass dessen Brennkraftmaschine zum Betrieb der Presse gewissermaßen mit Standgas laufen muss, was außerhalb eines günstigen Betriebspunkts liegt, und folglich unverhältnismäßig hohe Emissionen erzeugt werden. Dennoch wird so eine einfache Steuerung der Pumpe und damit der Leistung der Presse über den zugeführten Strom ermöglicht. Bei der Steuerung können noch weitere Parameter erfasst werden, so kann die Pumpe abgeschaltet werden, wenn der Hydraulikdruck ein bestimmtes Maß übersteigt (weil die weitere Verdichtung des Füllguts nicht mehr möglich ist), oder sich der Zylinder in einer Endlage befindet.
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Sofern diese bekannten Containerpressen nicht wie vorstehend beschrieben im Fahrzeug eingebaut sind und über ein Fahrzeugbordnetz versorgt werden, weisen sie meist einen Energieversorgungsanschluss für den Motor über von außen zugeführten Drehstrom auf. Dadurch sind diese Pressen ortsgebunden bzw. nur dort einsetzbar, wo ein entsprechender Stromanschluss vorhanden ist. Ist die Stromversorgung unmöglich, weil der Einsatzort verlegt werden muss oder schlicht der Strom ausfällt, kann auch die Containerpresse nicht betrieben werden. Vergleichbare Schwierigkeiten können auch bei anderen (teil-)stationären hydraulischen Maschinen auftreten, die standardmäßig mit einer elektrisch angetriebenen Pumpe betrieben werden, wie Häckslern, Schreddern, Holzspaltern, Mischern, Scherenhubtischen oder Kleinpressen etc.
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Obwohl in dieser Anmeldung ausschließlich elektrohydraulische Systeme genauer erläutert werden, ist für Fachleute offensichtlich, dass auch elektropneumatisch betriebene Systeme analog einsetzbar sind, die Elektrohydraulik also auch als „Elektrofluidik“ bezeichnet werden könnte. Da dieser Begriff aber im Fachgebiet nicht üblich ist, wird im Folgenden weiter der Begriff „Elektrohydraulik“ statt „Elektrofluidik“ verwendet, selbst wenn sich pneumatische Anwendungen prinzipiell hinsichtlich des Wirkprinzips der vorliegenden Erfindung nicht von elektrohydraulischen Anwendungen unterscheiden und daher auch unter den Schutzbereich der Ansprüche fallen.
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Die
DE 3041630 A1 erläutert ein Müllfahrzeug, das einen elektrohydraulischen Antrieb zum Verdichten des gesammelten Mülls aufweist. Dabei beschäftigt sich diese Druckschrift mit der elektrohydraulischen Steuerung des Belade-, Press und Entleerungseinrichtung des Müllfahrzeugs. Die Kernidee der Druckschrift ist es, bei längerem Stillstand des Fahrzeugs, z.B. zum Einladen des Mülls, den elektrohydraulischen Antrieb über einen Akkumulator zu versorgen, der während der Fahrt über den Dieselmotor des Fahrzeugs geladen wird. Dadurch wird die benötigte Energie während des Fahrbetriebs durch „Mitlaufen“, Rekuperation etc. gewonnen, wodurch sich eine bessere Kraftstoffnutzung sowie die Möglichkeit ergibt, die Brennkraftmaschine (den Dieselmotor) bei stehendem Fahrzeug abzuschalten, was zur Verminderung von Lärm- und Gasemissionen führt.
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Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik schlägt die vorliegende Erfindung vor, ein Antriebsmodul für eine fluidbetriebene Vorrichtung mit einem Elektromotor, einer durch den Elektromotor antreibbaren Fluidpumpe und einer Stromversorgung für den Elektromotor zu schaffen. Die Stromversorgung umfasst mindestens eine Akkumulatoranordnung, die dazu fähig ist, den Elektromotor zumindest zeitweise mit Energie zu versorgen. Erfindungsgemäß sind sämtliche Bauteile des Antriebsmoduls auf ein Trägergestell montiert, das in unterschiedlichen Geräten einsetzbar ist.
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Beim Einbau eines derartigen Moduls in eine dafür vorgesehene Presse (oder ein anderes elektrohydraulisch betriebenes Gerät wie einen Häcksler oder dergleichen) müssen lediglich die Hydraulikleitungen angeflanscht und eventuelle Sensorikleitungen zusammengesteckt werden. Dadurch ergibt sich ein einfacherer Einbau und eine Kostenersparnis durch Lose mit größeren Stückzahlen, weil für verschiedene Maschinen dasselbe Modul eingesetzt werden kann.
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Das Modul umfasst vorzugsweise zusätzlich einen Anschluss für eine externe Stromversorgung sowie eine elektrische Steuerung, die dazu fähig ist, dem Elektromotor wahlweise Strom von der externen Stromversorgung und/oder der Akkumulatoranordnung zuzuführen, die Akkumulatoranordnung mit extern zugeführtem Strom zu laden sowie Strom aus der Akkumulatoranordnung an externe Verbraucher abzugeben. Um eine einfache und verlustfreie Umsetzung des gespeicherten Stroms zu erzielen, ist der Motor dabei vorzugsweise ein Gleichstrommotor, der den Strom aus der Akkumulatoranordnung ohne weitere Wandlung nutzen kann. Falls extern Wechselstrom zu Verfügung steht, gibt eine externe Stromversorgung den Strom beispielsweise über einen AC/DC-Wandler ab, der den Elektromotor versorgen, die Akkumulatoranordnung laden sowie eventuell Gleichspannung für weitere Aufgaben wie das Laden externen Akkus bereitstellen kann. Alternativ ist insbesondere beim normalerweise stationären Einsatz an einem Wechsel- oder Drehstromnetz auch vorstellbar, einen Wechselstrommotor zu nutzen, dem Energie aus der Akkumulatoranordnung eher selten und dann über einen passenden Wechselrichter zugeführt wird.
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Besonders bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Antriebsmodul einen weiteren Anschluss für eine Gleichstromversorgung und ist dazu fähig, Gleichstrom von einer externen Quelle aufzunehmen und den aufgenommenen Gleichstrom geeignet zu wandeln und zum Betrieb des Elektromotors, zum Laden der Akkumulatoranordnung und/oder zur Abgabe an externe Verbraucher einzusetzen. Ein solcher externer Gleichstromanschluss kann Gleichstrom von verschiedenen Quellen aufnehmen, beispielsweise von Solarkollektoren oder aus dem Bordnetz von Fahrzeugen. Dieser Gleichstrom kann dann entweder direkt oder nach einer DC/DC-Wandlung zum Betrieb des Antriebsmoduls und/oder zum Laden der Akkumulatoren eingesetzt werden.
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Weiter vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Antriebsmodul auch Sensoren zur Erfassung von Betriebsparametern sowie eine Steuervorrichtung, die die Steuerung des Antriebsmoduls anhand der Betriebsparameter und von Eingaben eines Benutzers vornimmt. Die Steuervorrichtung ist vorzugsweise programmierbar, um das Antriebsmodul flexibel an unterschiedliche Anforderungen anpassen zu können. Die Sensoren können alternativ auch an der fluidbetriebenen Vorrichtung vorgesehen sein. In diesem Fall werden sie mit der Steuervorrichtung über Steckverbinder so gekoppelt, dass die Steuervorrichtung die Betriebsparameter verarbeiten kann. Zu den Betriebsparametern können ein Druck im Fluidsystem, ein zurückgelegter Weg eines ausgefahrenen Zylinderkolbens, ein Ladezustand der Akkumulatoranordnung, diverse Verschlei-ßindikatoren wie die Häufigkeit einer Bewegung oder die Anzahl der Ladezyklen der Akkumulatoranordnung, Benutzereingaben und dergleichen gehören. Auf der Grundlage dieser Betriebsparameter wird das Antriebsmodul und damit die fluidbetriebene Vorrichtung gesteuert. Zudem können die Betriebsparameter auch abgefragt und an weitere Geräte bzw. das IoT („Internet of Things“) übermittelt sowie per Fernsteuerung abgefragt und umprogrammiert werden.
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Besonders bevorzugt ist der vorstehend beschriebene externe Wechselstromanschluss ein Anschluss an den üblichen Haushaltsstrom, also beispielsweise in Europa ein Anschluss für 230 V/50 Hz Wechselstrom. Dadurch lässt sich das Antriebsmodul in verschiedenste Maschinen einbauen, die mit derartigem Haushaltsstrom betreibbar sind, so dass es in großen Stückzahlen und damit wirtschaftlicher zu fertigen ist.
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Das komplette erfindungsgemäße Modul kann kompakt aufgebaut und als Gleichteil in unterschiedlichen Maschinen einsetzbar sein. Zudem ist vorstellbar, eine entsprechende Baureihe, beispielsweise mit unterschiedlich starken Akkumulatoren und/oder Elektromotoren und Pumpen mit Modulen zu gestalten, die im Wesentlichen gleiche Einbaumaße aufweisen. Dadurch können die Module diversifiziert in Maschinen beispielsweise mit unterschiedlicher Leistung eingesetzt werden, ohne die Montageabläufe zu beeinträchtigen. Dies führt zu einer Kostenersparnis bei der Montage.
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Besonders bevorzugt wird ein Pressenaufbau, beispielsweise eine Containerpresse, mit einem Antriebsmodul wie vorstehend beschrieben verwendet. Eine derartige Containerpresse muss im Gegensatz zu bisher üblichen Pressen nicht mehr an Drehstrom angeschlossen werden, sondern kann dank der geringeren benötigten Leistung mit Wechselstrom (Haushaltsstrom) arbeiten, weil kurzfristig erforderliche Mehrleistung über die Akkumulatoranordnung bereitgestellt werden kann. Dadurch wird die Installation einfacher. Bevorzugt kann das Antriebsmodul inklusive der Akkumulatoranordnung außerdem direkt an einem Steuerblock der Presse angeflanscht werden, der die Ventilanordnung und eventuell zugehörige Sensoren enthält. Dadurch werden Schwingungen im Gesamtsystem reduziert und somit ergibt sich eine Geräuschdämmung. Zudem kann das System dadurch sehr kompakt sein, so dass trotz der zusätzlichen Funktionen für das Modul kein Platz im eigentlichen Pressenraum benötigt wird. Schließlich ist auf diese Weise auch eine Wärmeübertragung zwischen Akkumulatoranordnung und Steuerblock möglich, die zu einem Temperaturausgleich und damit zu günstigeren Betriebsbedingungen führen kann.
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Falls der Pressenaufbau wie vorstehend beschrieben einen Gleichstromversorgungsanschluss aufweist, kann dieser zur Versorgung über Solarmodule vorgesehen sein. Insbesondere bei stationären Pressen im Freien, beispielsweise zur Kartonagenverdichtung, kann die Stromversorgung je nach Häufigkeit und Dauer des Einsatzes weitgehend oder ausschließlich über Solarmodule erfolgen. Dadurch kann das System energieautark werden. Selbstverständlich sind neben Solarmodulen auch andere Stromerzeuger für die Energieversorgung denkbar, wie Brennstoffzellen, Kleinwindkraftanlagen oder Wasserturbinen. Falls das System beispielsweise auf einem Kraftfahrzeug, insbesondere ein Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, montiert ist, kann darüber hinaus ein Anschluss ans Bordnetz dieses Kraftfahrzeugs erfolgen, so dass eine (teil-) autarke Stromversorgung durch das Fahrzeug möglich ist.
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Durch die Erfindung wird somit ein kompaktes, hoch integriertes Antriebsmodul beispielsweise für Containerpressen geschaffen, das als Hauptenergiequelle eine Akkumulatoranordnung nutzt.
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Außerdem führt der Aufbau des Motors mit (relativ schweren) Akkumulatoren und festen Anschlüssen für die Zu- und Abfuhr von Hydrauliköl durch die kompakt angeordnete Masse zu geringerer Schwingungsanfälligkeit und dadurch zu verringertem Lärm und Verschleiß. Da ein gesonderter Pumpenträger wegfällt und auch die Verrohrung im Modul und zu Anschlüssen einer externen Maschine optimiert werden kann, ergibt sich zudem eine Kosten- und Platzeinsparung. Wird diese komplette Antriebslösung zudem einbaufertig für beliebige Maschinen mit ähnlichen elektrohydraulischen Kennwerten vorgehalten, ergeben sich weitere Einsparungen bei Konstruktion und Installation.
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Durch die Akkumulatoranordnung kann, wenn das System am Stromnetz angeschlossen ist, eine Spitzenleitung abgerufen werden, die höher ist als die, mit der das Stromnetz belastet wird. Daher kann die Stromversorgung schwächer ausgelegt werden und es reicht beispielsweise eine Stromversorgung über eine haushaltsübliche Schuko-Steckdose aus, selbst wenn die Spitzenleitung des Antriebsmoduls (und der damit bestückten Vorrichtung) den Anschlusswert einer derartigen Steckdose übersteigt.
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Weil das Antriebsmodul kompakt ist und nur wenige genormte Anschlüsse aufweist, kann der Einbau in eine Gesamtvorrichtung vereinfacht werden. Aufgrund der wenigen beim Einbau anzuschließenden Hydraulikanschlüsse (die Verbindungen innerhalb des Moduls sind ja bereits vormontiert) sinkt zudem die Gefahr einer Leckage im Betrieb.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Figuren deutlich.
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1 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Aufbaus eines Presscontainers mit einem Antriebsmodul gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung auf der Basis der zugehörigen Figur beschrieben.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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1 zeigt schematisch einen Hydraulikschaltplan einer Containerpresse als ein Beispiel einer Vorrichtung, in der ein erfindungsgemäßes Antriebsmodul 10 einsetzbar ist. In diesem Beispiel umfasst das Antriebsmodul 10 neben einem Elektromotor (im Folgenden kurz: Motor) 1, einer Pumpe 4 und einer Akkumulatoranordnung 20 zusätzlich eine Ventilschaltung zum Betrieb einer (nicht gezeigten) Containerpresse mit Presszylindern 7. Die Ventilschaltung ermöglicht, von der Pumpe 4 gefördertes Hydrauliköl aus einem Ölsumpf (Ölbehälter) derart zu den Presszylindern 7 und von diesen weg zu fördern, dass die Kolben der Presszylinder 7 ein- und ausgefahren werden. Auf dem Modul 10 sind zudem diverse Sicherheitsventile vorgesehen, deren Einsatz jedoch Fachleuten bekannt ist und die daher hier nicht weiter erläutert werden. Ferner können (hier nicht gezeigte) Sensoren beispielsweise für Öldruck, Öltemperatur, Akkulademanagement oder Motorbetriebsparameter vorgesehen sein. Schließlich sind Hydraulikanschlüsse zum Anflanschen an die entsprechenden Leitungen der Containerpresse vorgesehen.
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Wie ebenfalls schematisch in 1 dargestellt wird, umfasst das Modul 10 eine Steuervorrichtung 30, die den Motor 1, die Akkumulatoranordnung 20 und die Ventilanordnung steuert. Die Steuervorrichtung 30 ist in dieser Ausführungsform ein programmierbarer RC-Controller. Auf dem Controller können intelligente Steuerungs- und Regelungsfunktionen für den Motor 1, die Gesamtvorrichtung (die Containerpresse, beispielsweise den Hub der Zylinder), und/oder für das Lademanagement der Akkumulatoranordnung 20 realisiert werden. So kann beim Ausführungsbeispiel als Containerpresse über das Motordrehmoment bzw. den hydraulischen Druck erkannt werden, dass das Material geschoben und (noch) nicht verdichtet wird. Dadurch kann die Presskraft und somit der Energieverbrauch reduziert werden. Zudem kann die Steuervorrichtung 30 bei entsprechenden Geräten auch eine Rekuperation bei einem Nachlaufen oder elastischem „Rückfedern“ des Motors 1 ermöglichen. Ferner ist auch möglich, in die Steuervorrichtung Funktionalitäten des „Internet of Things“ (IoT) zu implementieren.
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Parallel zur Akkumulatoranordnung 20 sind auf dem Modul 10 der Ausführungsform auch Anschlüsse für Gleich- und Wechselstrom vorgesehen. Der Gleichstrom kann beispielsweise von Solarkollektoren, einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, einer Brennstoffzelle oder dergleichen abgegeben werden und dient in der vorliegenden Ausführungsform dazu, ohne weitere Umwandlung die Akkumulatoranordnung 20 zu laden und/oder den Motor zu betreiben. Der Wechselstrom wird typischerweise über einen herkömmlichen (Haus-) Wechselstromanschluss z.B. mit 230V/50Hz eingespeist, kann aber auch über einen Drehstromanschluss eingespeist werden. Jedenfalls wird der Dreh- bzw. Wechselstrom in dieser Ausführungsform vor dem Einspeisen in das Hauptsystem über einen (nicht gezeigten) Laderegler bzw. AC/DC-Wandler gleichgerichtet und von der Steuervorrichtung nach dem jeweiligen Bedarf an den Motor 1, die Akkumulatoranordnung 20 und/oder weitere Verbraucher wie einen (nicht gezeigten) zusätzlichen Anschluss für weitere Geräte abgegeben.
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Die erfindungsgemäße Akkumulatoranordnung 20 umfasst vorzugsweise Li-Ionen-Akkus, beispielsweise mit einer DC-Betriebsspannung von 48V. Diese Akkus können wahlweise fest eingebaut oder einfach entnehmbar und wechselbar, also lösbar im Antriebsmodul 10 eingebaut sein. Dadurch kann über eine Kapazitätsänderung der Akkus bei ansonsten gleichen Modulen auch eine einfache Angebotsdiversifizierung erfolgen. Der Motor 1 ist an die Abgabespannung der Akkumulatoranordnung 20 angepasst, ebenso auch die weiteren elektrischen Komponenten des Moduls 10. Dadurch ergibt sich eine weitere Energieeinsparung durch Eliminierung von Wandlerverlusten.
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Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, ist ein Laden der Akkumulatoranordnung 20 auf verschiedene Weise möglich: So können Akkus extern geladen und gewechselt werden, das Laden kann über den Stromanschluss erfolgen, oder regenerative Energiequellen wie Solarpanels werden neben oder auf dem Container aufgebaut, um die Akkus zu laden. Derartige Solarpanels können beispielsweise während der Fahrt zum Einsatz auf einem Kraftfahrzeug und/oder während des Einsatzes der Containerpresse Sonnenenergie zum Laden der Akkumulatoranordnung 20 umwandeln.
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Durch den modularen Aufbau des Antriebsmoduls wie in der vorliegenden Ausführungsform und in den Ansprüchen dargelegt kann die Sensorik angepasst und dazu genutzt werden, beispielsweise Leistungsspitzen zu erkennen und dadurch vorzeitigem Verschleiß vorzubeugen. Im speziellen Fall einer Containerpresse können Sensordaten dazu genutzt werden, die Füllmenge und das Füllmaterial zu dokumentieren. Werden der Steuervorrichtung zudem weitere Parameter, z.B. Lokalisierung über GPS (auch als Diebstahlschutz) oder die Müllsorte, eingelesen, können daraus auch Containergewicht, ideale Presscharakteristik, oder der Füllstand und damit ein passender Zeitpunkt zum Abholen abgeleitet werden. Eine Bedienung der des Antriebsmoduls und damit der Presse kann dabei entweder manuell über Schalter am Modul oder auch online bzw. per Fernsteuerung erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motor
- 4
- Pumpe
- 7
- Presszylinder
- 10
- Antriebsmodul
- 20
- Akkumulatoranordnung
- 30
- Steuervorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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