DE2429007A1 - Schutzvorrichtung fuer einen elektromotor - Google Patents

Description

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Essex Internationair Inc., Fort Wayne, Indiana/ USA Schutzvorrichtung für einen Elektromotor

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für einen Elektromotor mit einer Wicklung und elektrisch leitenden Elementen zur Verbindung der Wicklung in einer elektrischen Schaltung. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Schutzvorrichtung für einen Motoranker gegen Zerstörung durch hohe Temperaturen infolge eines übergroßen Stromes, die auf Temperaturänderungen entweder der Umgebungstemperatur oder der durch den Strom bewirkten Temperaturänderung anspricht und den Anker von der Spannungsquelle trennt und so eine Zerstörung des Motors verhindert.

Das Einschalten des Ankers eines Motors mit Permanentmagnet wird von einem verhältnismäßig großen, kurzen Stromstoß begleitet, dem die Teile des Motors standhalten können. Falls der Anker "' festgestellt ist und sich nicht drehen kann, kann der Stromstoß jedoch eine irreparab Ie Zerstörung des Ankers zur Folge haben. Falls der Anker sich zu drehen beginnt und anschließend blockiert wird, dann wird der Anker wieder einem abnormal großen Strom ausgesetzt, der über eine längere Zeit dauernd den Anker zerstören kann.

Obwohl eine Anzahl von Schutzvorrichtungen für die Verwendung mit Motoren zum Verhindern der Zerstörung als Folge abnormal großer Ströme bekannt sind, haben diese doch den Nachteil, daß sie verhältnismäßig komplex und teuer sind. Permanentmagnetmotoren, um die es sich hier dreht, sind verhältnismäßig billig und sehr zuverlässig, wodurch die Verwendung von herkömmlichen Uberlaststromschutzvorrichtungen ausgeschlossen wird.

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Eö ist daher Aufgabe der Erfindung, eine billige, temperaturempfindliche Motorschutzvorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, durch die eine Zerstörung des Motors infolge abnormaler Stromwerte vermieden wird.

Die Vorrichtung soll ferner bezüglich Änderungen der Umgebungstemperatur selbstkompensierend ausgebildet sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Schutzvorrichtung der eingangs beschriebenen Art gelöst, welche gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß eines der Elemente einen zusammendrückbaren und expandierbaren Krper aufweist, welcher in zusammengedrücktem Zustand elektrisch leitend und in expandiertem Zustand nicht leitend ist und ein Material aufweist, welches sich als Antwort auf eine Temperaturerhöhung des Materials ausdehnt und auf fine Temperaturerniedrigung zusammenzieht, und daß ein zweites/Elemente federnd ausgebildet ist und auf den Körper eine solche Druckkraft ausübt, daß dieser normalerweise leitend gehalten wird, wobei die Elastizität des zweiten Elementes eine thermische Ausdehnung des Materials in einem solchen Ausmaße, daß der Körper nicht leitend gehalten wird, zuläßt.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Schutzvorrichtung ist insbesondere zur Verwendung in Verbindung mit einem herkömmlichen Motor mit Permanentmagneten mit einer zur Drehung innerhalb eines Permanentmagneten montierten Ankerwicklung und mit einem Kommutator verbundenen Zuführungen geeignet. Elektrisch leitende Bürsten schleifen an dem Kommutator und sind in Bürstenhaltern montiert, welche mit Klemmen verbunden sind, die zu positiven und negativen Polen einer Batterie oder einer anderen Spannungsquelle führen. Bei Normalbetrieb macht das Schließen der Schaltung von der Spannungsquelle zu den Motorklemmen den Anker stromführend und bewirkt das Drehen desselben.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus. der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand

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der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht in teilweise gebrochener Darstellung eines herkömmlichen Permanentmagnetmotors mit einer Schutzvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Motor;

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Linie 3-3 in Figur 2;

Fig. 4 eine Seitenansicht in vergrößertem Maßstab von einem Element der Schutzvorrichtung;

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Fig. 5 eine \a:größerte Schnittdarstellung entlang der Linie 5-5 in Fig. 3; und

Fig. 6 eine Darstellung ähnlich der in Fig. 3 von einer abgewandelten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist ein herkömmlicher Elektromotor mit Permanentmagnet gezeigt, welcher ein becherförmiges Gehäuse 1 aufweist, welches oben an einem Ende offen und an seinem anderen Ende geschlossen ist, sowie einen ringförmigen Permanentmagneten 2, der an dessen innerer Oberfläche befestigt ist. Innerhalb des Gehäuses ist ein Rotor oder Anker 3 mit einer Welle 4, auf der Polteile 5 montiert sind, und einer Wicklung 6, deren entgegengesetzte Enden mit einem Segmentkommutator 7 in gewöhnlicher Weise verbunden sind, untergebracht. Ein Ende der Welle 4 erstreckt sich durch eine öffnung in dem geschlossenen Ende des Gehäuses 1, um an ein nicht gezeigtes Getriebe oder ähnliches angeschlossen zu werden, und das entgegengesetzte Ende der Welle 4 ist in einem Sockel 8 (Fig. 2) gelagert, welcher von einer Anschlußklemmleiste 9 getragen wird, die mit dem offenen Ende des Gehäuses 1 verbunden ist.

Die Anschlußklemmleiste 9 ist aus isolierendem Material hergestellt und ausgerüstet mit von außen zugänglichen Klemmen 10 und 11 zur Verbindung mit Batterieklemme!! (nicht gezeigt) oder einer anderen elektrischen Energiequelle. Die Klemme 10 kann mit der negativen Klemme einer Batterie verbunden werden. Die Klemme 11 ist die Speiseklemme und kann mit der positiven Klemme einer Spannungsquelle verbunden werden. Die Klemmen 10 und 11 werden durch eine Schutzwand 12 eingeschlossen, welche einen nicht gezeigten Stecker mit Leitungen zur Verbindung mit der Spannungsquelle aufnehmen kann.

Die Klemme 10 ist mit einem elektrisch leitenden Bürstenhalter 13 vernietet oder sonstwie fest verbunden, welcher an der Innenoberfläche der Anschlußklemmleiste 9 festgemacht ist, und die Zuführungsklemme 11 ist in einer im folg enden beschriebenen

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Weise mit einem gleichen Bürstenhalter 14 verbunden. In dem Bürstenhalter 13 ist eine Bürste 15 gleitbar aufgenommen, und eine gleiche Bürste 16 ist in dem Halter 14 aufgenommen. Neben jedem Bürstenhalter ist ein Stift 17 vorgesehen, welcher von der Anschlußklemmleiste 9 -herabhängt und eine Klinkenfederspule 18 aufnimmt. Ein Schenkel 19 von jeder Klinkenfeder sitzt in einer Kerbe 20 in dem zugehörigen Bürstenhalter, und der andere Schenkel 21 jeder Klinkenfeder drückt gegen.die zugehörige Bürste und zwingt so die letztere in Kontakt mit dem Kommutator 7.

Die Zuführungsklemme 11 besitzt einen Flansch 22a, der die Basis eines Absatzes 22 in der'Abschlußklemmleiste 9 bildet. Eine Schutzschalteinrichtung oder ein Dämpfungsstück (Pad) 23, welches im weiteren noch genauer beschrieben wird, nimmt den Absatz 22 ein und liegt an der Klemme 11 an. Das Pad 23 hat eine solche Länge, daß es über die innere Oberfläche der Anschlußklemme 9 hervorsteht, so daß es mit dem freien Ende einer elektrisch leitenden, eine Kraft ausübenden Feder 24 in Eingriff gelangt, deren entgegengesetztes Ende mit dem Bürstenhalter 14 verbunden ist. Die Glieder 7, 10, 11, 13, 14, 15, 16, 23 und 24 bilden die leitenden Komponenten zur Verbindung der Wicklung 6 mit der Energiequelle, und das Glied 23 befindet sich in stetigem Eingriff mit den Komponenten 11 und 24.

Das Schutzpad 23 entspricht den in der britischen Patentschrift 1 290 963 vom 24. Januar 1973 beschriebenen Pads, auf die bezüglich der detaillierten Beschreibung Bezug genommen wird. Das Pad weist einen Boden aus federnd zusammendrückbarem und expandierbarem, nicht leitenden Material wie Silikongummi mit einem verhältnismäßig großen thermischen Ausdehnungs- und Kontraktionskoeffizienten auf. Das Pad 23 enthält eine große Menge elektrisch leitender Teilchen 25, die sich gegeneinander bei Zusammendrücken oder Ausdehnen des Pads bewegen können und so in Kontakt miteinander gelangen oder aus einem vorhandenen Kontakt herausgelangen. Wird das Pad 23 zusammengedrückt, dann bewegen sich eine ausrei-

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chende Zahl von Teilchen 25 In Eingriff miteinander und bilden wenigstens eine Spur von in Eingriff befindlichen Teilchen durch das Pad, wodurch wenigstens ein leitender Pfad durch das Pad gebildet wird. Das Pad 23 wird vorzugsweise unter Kompression in bekannter Weise geformt, so daß das Pad ohne Anliegen eines äußeren Druckes elektrisch leitend ist. Das Pad kann aber auch so geformt werden, daß es ohne Anliegen einer äußeren Kraft nicht leitend ist.

Jedes leitende Teilchen 25 weist vorzugsweise einen Bereich (eine Kugel) aus einem Grundmetall wie Kupfer mit einer Oberflächenbeschichtung aus einem Edelmetall wie Silber auf. Teilchen mit einest solchen zusammengesetzten Aufbau sind billiger als solche, die vollständig aus Edelmetall gebildet sind, aber der elektrische Widerstand solcher zusammengesetzten Teilchen entspricht im wesentlichen dem Widerstand von dem Edelmetall. Die Größe der Teilchen kann entsprechend dem Stromwert schwanken, den sie aufnehmen sollen. Das heißt, je niedriger der Strom ist, je kleiner sind die Teilchen, und umgekehrt. Die Größe der Teilchen wird vorzugsweise so gewählt, daß die Teilchen Stromwerte bis zu einer vorbestimmten Größe über eine begrenzte Zeitdauer aufnehmen können, daß sie aber Ströme, die einen vorbestimmten Wert übersteigen, über eine längere Zeitdauer nicht aufnehmen können. Das heißt, wenn ein über einen vorbestimmten Wert hinausgehender Strom länger als für eine kurze Zeitperiode an die Teilchen angelegt wird, dann werden sie durch die durch einen solchen Strom erzeugte Hitze zersetzt oder verbraucht. Auf diese Weise wirken die Teilchen in derselben Weise wie eine temperaturempfindliche Sicherung oder Schaltungsunterbrechung.

Die mit der Teilchengrößenauswahl zusammenhängenden Prinzipien sind im wesentlichen dieselben wie die Prinzipien für die Auswahl der Größe eines Drahtes oder eines anderen stromleitenden Materials. Die Kapazität für die Stromleitung der Teilchen kann ferner empirisch bestimmt werden.

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Das Äußere des Pads 23 wird vorzugsweise mit einem hochresistenten, aber leitenden Material wie einem kolloidalen Karbon beschichtet, wie es bei der Bezeichnung Electrodag 440 in den Handel kommt. Der Zweck der Beschichtung 26 wird im folgenden erläutert.

Wenn die Teile des so weit beschriebenen Gerätes in der in Fig. 1 gezeigten Weise zusammengesetzt sind, dann kann der Motor betriebsfertig gemacht werden durch Verbinden der Klemmen 10 und 11 über einen nicht gezeigten Schalter mit der negativen und der positiven Klemme einer Spannungsquelle, worauf ein Strom von der Quelle zu der Zuführungsklemme 11 durch das Pad 23 durch die Feder 24 zu dem Bürstenhalter 14 und durch die Bürste 16 zu dem Kommutator 7 fließt. Der Strom fließt von dem Kommutator durch die Wicklung 6, über die Bürste 15 zu dem Bürstenhalter 13 und dann über die Klemme 10 zur Spannungsquelle.

Wenn der Anker 3 sich nicht drehen kann, wenn die Wicklung 6 mit der Spannungsquelle verbunden wird, dann erzeugt der der Wicklung zugeführte Strom eine verhältnismäßig hohe Temperatur in dem Pad 23. Wird die Temperatur ausreichend hoch, dann dehnt sich das Pad aus und eines oder mehrere der ineinandergreifenden Teilchen können verbraucht oder zersetzt werden, wodurch der Stromweg durch das Pad 23 unterbrochen und eine Zerstörung der Ankerwicklung verhindert wird. Der Verbrauch von einigen wenigen Teilen verhindert nicht, daß das Pad nach einem Wiederzusammendrücken wieder leitend wird, insofern das Pad so viele Teilchen enthält, daß andere einen Leitungsweg bilden können. Ist die von dem Strom erzeugte Temperatur nicht so hoch, daß leitende Teilchen verbraucht oder zersetzt werden, aber höher als die Temperatur, der die Wicklung über längere Zeit standhalten kann, dann bewirkt die vergrößerte Temperatur, daß das Pad 23 sich ausdehnt, wodurch ein Disengagement von einigen der Teilchen erfolgt und der Stromweg durch das Pad dadurch unterbrochen wird. Auf diese Weise wird eine Zerstörung der Ankerwicklung verhi ndert. _409881/0430

Wenn die durch den Strom erzeugte Temperatur ausreicht, eines oder mehrere Teilchen zu verbrauchen oder eine Ausdehnung des Pads 23 und folglich eine Unterbrechung des Stromweges durch dasselbe hindurch zu bewirken, dann hat die Unterbrechung des Stromweges ein Abkühlen und Zusammenziehen des Pads zur Folge. In beiden Fällen wird der Stromweg durch das Pad wieder hergestellt. Der Zyklus von Unterbrechung und Leitung kann wiederholt erfolgen. In vielen Fällen ist eine sich wiederholende Herstellung und Unterbrechung einer Schaltung durch das Pad 23 insofern unerwünscht, als ein sich wiederholendes Unterbrechen einen Akkumulator wie etwa in einem Kraftfahrzeug schnell entleeren kann. Ein wiederholtes Unterbrechen und Wiedereinschalten kann durch die leitende Beschichtung 26 verhindert werden, welche vorzugsweise einen solchen Widerstand besitzt, daß ein Strom mit einigen Milliampere hindurch gelangen kann. Ein solcher kleiner Strom reicht nicht zur Zerstörung der Wicklung 6 oder zum Entleeren einer herkömmlichen Kraftfahrzeugbatterie aus, es sei denn nach einem langen Stromdurchgang, aber ein solcher Strom kann eine Temperatur erzeugen, die das Pad 23 in seinem expandierten Zustand hält und so ein Wiederherstellen eines Stromweges durch das Pad verhindert.

Es ist allgemein bekannt, daß die Wicklung eines Elektromotors ohne Zerstörung bei tieferen Aißentemperaturen höheren Strömen standhalten kann als bei höheren Umgebungstemperaturen. Beispielsweise kann die Wicklung 6 des in Fig. 1 gezeigten Motors einem bestimmten Strom ohne Zerstörung über eine Minute lang bei Zimmertemperatur standhalten. Bei 93°C (2OO°F) kann dieselbe Wicklung dem Strom ohne Zerstörung jedoch nur etwa eine halbe Minute standhalten. Auf der anderen Seite kann die Wicklung bei 4,4°C (4O°F) demselben Strom über zwei Minuten standhalten, ohne zerstört zu werden.

Die vorgenannten Eigenschaften einer Elektromotorwicklung können vorteilhafterweise bei der Bildung der kraftausübenden Feder 24 als Bimetallelement mit aneinanderliegenden Streifen 27 und 28 aus verschiedenen Metallen mit jeweils unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden. In der ge-

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zeigten Ausfuhrungsform besitzt der Streifen' 27 den höheren Koeffizienten und befindet sich in Eingriff mit dem Pad 23. Auf diese Weise dehnt sich der Streifen 27 bei verhältnismässig hoher Umgebungstemperatur in einem größeren Maße aus als der Streifen 28 und bewegt das freie Ende des Gliedes 24 in eine !Richtung weg von dem Pad 23 und vermindert die Druckkraft auf das Pad 23, wodurch eine schnellere Ausdehnung des Pads 23 und Unterbrechung des Stromweges durch das Pad in kürzerer Zeit erfolgen können. Umgekehrt wird durch eine niedrigere Umgebungstemperatur der Streifen 27 stärker zusammengezogen als der Streifen 28, wodurch sich das freie Ende des Gliedes 24 in der Richtung zu dem Pad 23 hin bewegt und so die auf das Pad ausgeübte Kraft größer wird und fo-lglich die zur Unterbrechung des Stromweges durch das Pad benötigte Zeit größer wird. Auf diese Weise wird die Motor schutzvorrichtung bezüglich der Änderungen der Umgebungstemperaturen selbstkompensierend und .. hält den Schutz für die Motorwicklung aufrecht.

Die anfänglich von dem Glied 24 auf das Pad 23 ausgeübte Kraft variiert entsprechend dem speziellen Aufbau des Pads in Abh ängigkeit von Faktoren wie der Kompressibilität und der Länge des Pads und der Anzahl und Größe der Teilchen in dem Pad. Vorzugsweise hat die auf das Pad durch das Glied 24 ausgeübte Kraft eine solche Größe, wie sie erforderlich ist, um einen adäquaten Motorschutz bei Zimmertemperatur auszuüben.

Das Ende des Gliedes 24, welches an dem Pad 23 anliegt, weist vorzugsweise eine in Richtung des Pads konvexe Vertiefung 29 auf. Diese Ausbildung stellt einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Pad und dem Glied 24 unter Bedingungen, bei denen die Umgebungstemperatur verh ältnismäßig niedrig ist, sicher.

Wie es am besten in Fig. 5 gezeigt ist, ist der Hohlraum 22 zylindrisch, während das Pad 23 einen quadratischen-Querschnitt aufweist. Dieser Aufbau wird insofern bevorzugt, als er den Zusammenbau in dem Hohlraum erleichtert, während genügend Raum

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für die seitliche Ausdehnung des Pads bleibt, wenn dasselbe zusammengedrückt wird oder sich als Antwort auf eine Vergrösserung der Temperatur ausdehnt.

Die in Fig. 6 gezeigte Ausfuhrungsform ist in vielen Punkten ähnlich dem oben beschriebenen, und gleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform weist die Zuführungsklemme 11a einen Ansatz 30 auf, welcher sich vollständig durch den Hohlraum 22 hindurch erstreckt und an einem Schenkel 31 des Bürstenhalters 14 mithilfe eines isolierenden Scheibchens 32 befestigt ist. Ein eine Hittelöffnung aufweisendes Pad 23a umgibt den Ansatz 30 und sitzt auf dem Schenkel 31. Das Pad 23a hat alle die Eigenschaften des Pads 23 und unterscheidet sich bez üglich des letzteren nur in der Konfiguration. Oben auf dem Pad 23a sitzt eine elektrisch leitende Scheibe 33, auf der eine elektrisch leitende Spiralfeder 34 aufsitzt. Die Feder 34 besitzt eine konisch konvexe Seite, welche gegen eine Schulter 35 der Klemme 11a drückt.

Die Feder 34 wird beim Einbau in die zugehörige Vorrichtung soeingestellt, daß sie eine vorbestimmte Kraft auf das Pad 23 ausübt, um dieses normalerweise leitend zu halten, oder das Pad kann gewünschtenfalls auch unabhängig vom Anliegen einer Kraft durch die Feder 34 leitend gehalten werden. In jedem Fall kann Strom von der Klemme 11 a zu dem. Bürstenhalter 14 über die Schulter 35, die Feder 34, die Scheibe 33, das Pad 23a und den Schenkel 31 fließen. Wird die Temperatur des Pads 23a erhöht, dann dehnt sich das Pad 23a aus und drückt die Feder 34 zusammen, worauf sich die gegeneinander berührenden Teilchen in dem Pad voneinander weg bewegen, so daß der Stromweg durch das Pad unterbrochen wird. Bei einem Abfallen der Temperatur des Pads 23a expandiert die Feder 34 axial, so daß die Leitfähigkeit durch das Pad wiederhergestellt wird.

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Claims (10)

1. Patentansprüche

   ( 1·)Schutzvorrichtung für einen Elektromotor mit einer Wicklung und elektrisch leitenden Elementen zur Verbindung der Wicklung in einer elektrischen Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Elemente (23) einen zusammendrückbaren und expandierbaren Körper aufweist, welcher in zusammengedrücktem Zustand elektrisch leitend und in expandiertem Zustand nicht leitend ist und ein Material aufweist, welches sich als Antwort auf eine Temperaturerhöhung des Materials ausdehnt und auf eine Temperaturerniedrigung zusammenzieht, und daß ein zweites der Elemente (24, 34) federnd ausgebildet ist und auf den Körper eine solche Druckkraft ausübt, daß dieser normalerweise leitend gehalten wird, wobei die Elastizität des zweiten Elementes (24) eine thermische Ausdehnung des Materials in einem solchen Ausmaße, daß der Körper nicht leitend gehalten wird, zuläßt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Element eine Feder (34) aufweist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (34) gewickelt ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gewickelte Feder eine konische Konfiguration aufweist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Element (24) infolge einer Änderung seiner Temperatur die auf den Körper ausgeübte Kraft ändert.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Element (24) ein Bimetallelement ist.

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7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper eine hochresistive, elektrisch leitende Beschichtung (26) aufweist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper eine Mehrzahl von in dem Material verteilten elektrisch leitenden Teilchen (25) aufweist, wobei die Menge der Teilchen so gewählt ist, daß eine Anzahl derselben als Antwort auf eine Kompression bzw. Expansion des Körpers sich aufeinanderzu in Kontakt oder voneinander weg aus dem Kontakt heraus bewegen und so einen Leitungsweg durch den Körper bilden bzw. diesen unterbrechen.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe und der Widerstand der Teilchen so gewählt sind, daß die Teilchen einen Strom von vorbestimmter Größe leiten können, um eine Handbetätigung des Motors zu ermöglichen, daß sie aber bei einem diese vorbestimmte Größe überschreitenden Strom verbrauchbar sind.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Teilchen so gewählt ist, daß bei einem Verbrauch von einem oder mehreren der Teilchen infolge der Kompression des Körpers andere der Teilchen den Leitungsweg durch den Körper wieder herstellen können.

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