DE2855375A1 - Regelvorrichtung fuer die einstellung der rotorblaetter eines windmotors - Google Patents

Regelvorrichtung fuer die einstellung der rotorblaetter eines windmotors

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DE2855375A1 DE19782855375 DE2855375A DE2855375A1 DE 2855375 A1 DE2855375 A1 DE 2855375A1 DE 19782855375 DE19782855375 DE 19782855375 DE 2855375 A DE2855375 A DE 2855375A DE 2855375 A1 DE2855375 A1 DE 2855375A1
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Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H.\Feickmann, Dipl.-Phys. Dr.K. Fincke
Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber ür. tag H
SB/kr
8 MÜNCHEN 86, DEN O \. ΟβΖ. 19/Ö POSTFACH 860820 r MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22
FIAT Societä per Azioni
Corso Marconi IO
Turin, Italien
Regelvorrichtung für die Einstellung der Rotorblätter eines
Windmotors
909827/0845
Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für die Einstellung der um ihre in Längsrichtung verlaufenden Verstellachsen drehbaren Rotorblätter eines Windmotors.
Bekanntlich steigt die von einem Windmotor mit feststehenden Rotorblättern abgegebene Leistung proportional mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit an, während die auf die Blätter einwirkenden Kräfte proportional zum Quadrat der Windgeschwindigkeit ansteigen.
Es ist deshalb erforderlich, den Windmotor gegen Schäden zu schützen, die auftreten können, wenn die-Windgeschwindigkeit einen vorbestimmten Wert überschreitet. Wenn die auf die Rotorblätter einwirkenden Kräfte und die von dem Windmotor aufgenommene Leistung übermäßig große Werte erreichen, kann der" Windmotor mit seinen ihm zugeordneten Mechanismen sogar zerstört werden.
Es ist bereits bekannt, Windmotore durch geeignete Veränderung der Steigung der Rotorblätter zu schützen. Die Blattsteigung kann dann so eingestellt werden, 3aß die auf die Blätter einwirkenden Kräfte und die von dem Motor aufgenommene Leistung 30 geregelt werden, daß die schädlichen Grenzwerte nicht überschritten werden.
Eine aolqhe Steigungaänderung erfolgt allgemein dadurch*, daß an dem Windmotor eine entsprechende Einstellvorrichtung vorgesehen wird. Bekannte Vorrichtungen zur Änderung der Blattsteigung ainä jsedoofc kqmpliziert und kostspielig, aufgebaut, da sie eine große Anaabi von Einzelteilen benötigen,
> Λ ν- Biβ Aufa***1 4·ρ Erfindung bs»at;eh> «Sarin, «ine !(QgeXvccPx^ontung anäugaböny mit der die Steigung d«i* Rotorblätter eines Windmotors
909827/0846
in vorstehend angegebenem Sinne geregelt werden kann und die gleichzeitig einfach aufgebaut ist, jedoch trotzdem eine einwandfreie Steuerung der von dem Windmotor abgegebenen Leistung ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Regelvorrichtung eingangs genannter Art erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß auf der Rotorachse verschiebbar ein mit den Blättern zugeordneten Armen versehenes Element vorgesehen ist, daß jeder Arm über einen Gelenkmechanismus und einen Schwenkhebel mit dem jeweiligen Blatt so gekoppelt ist, daß eine Drehung des Blatts eine Verschiebung des Elements bewirkt,~und daß eine das Element mit einer durch auf die Blätter einwirkenden Wind verursachten Verschiebung entgegengesetzt gerichteten Kraft beaufschlagende elastische Vorrichtung vorgesehen ist.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist einfach aufgebaut, und der Gelenkmechanismus sowie die elastische Vorrichtung können leicht so ausgewählt bzw. in einigen Fällen auch eingestellt sein, daß sich eine automatische Einstellung der Blattsteigqng derart ergibt, daß die Blattbelastung verringert wird, wenn die Windkraft einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Dadurch wird eine Überlastung des Rotors oder des gesamten Windmotors vermieden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:
Pig. 1 eine teilweise geschnittene Vorderanaldht eines
der Begelvorrichtung*
Fig,. 2 eine sahematisohe und teilweise geaohnfttene
Seitenansicht eines Teils der Regelvorrichtung in Blickrichtung II nach Pig. I, und
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Fig. 3 eine graphische Darstellung der von dem Windmotor abgegebenen Leistung in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit für unterschiedliche Blattsteigungswinkel .
In Fig. 1 und 2 ist ein Teil einer aerodynamisch geformten Nabenhaube 4 dargestellt, die zum Schutz des Windmotors gegen den Wind dient. Die Nabenhaube 4 ist aus Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material hergestellt. Die Rotornabe trägt mehrere Rotorblätter 6 unter übereinstimmenden gegenseitigen Winkelabständen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei derartige Rotorblätter 6 vorgesehen jedoch nur eines gezeigt. Die Rotornabe enthält ferner eine flache Nabenscheibe 7, an der das hintere Ende der Nabenhaube 4 befestigt ist. Die Scheibe 7 ist wiederum an einem Ende einer Rotorwelle 8 böfestigt.
Der Regelmechanismus für ein Rotorblatt 6 wird im folgenden beschrieben, wobei vorauszusetzen ist, daß den anderen Rotorblättern 6 gleichartige Mechanismen zugeordnet sind.
Die Einstellachse 9 des dargestellten Rotorblatts 6 (in Fig. 2 strichpunktiert gezeigt) ist relativ zum Mittelpunkt 10 der am Rotorblatt 6 auftretenden aerodynamischen Kraftwirkung 11 derart angeordnet, daß diese Kraftwirkung ein Moment um die ■Einstellachse 9 in einer Richtung erzeugt, die die Steigung "des Rotorblatts 6 erhöht.
Die auf das Rotorblatt 6 einwirkenden Zentrifugalkräfte sind durch bekannte Mittel ausgeglichen, beispielsweise durch nicht dargestellte Gegengewichte.
Das Rotorblatt 6 ist auf einer Welle 12 gehalten, die koaxial mit der Einstellachse 9 und quer zur Nabenhaube 4 liegt. Die
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Welle 12 ist in zwei Lagern 16 angeordnet, zwischen denen ein Abstandselement 18 vorgesehen ist. Die Lager 16 sind in einer Büchse 20 angeordnet, die an der Nabenscheibe 7 mit zwei an ihr verschweißten Befestigungen 22 gehalten ist.
An ihrem dem Rotorblatt 6 abgewandten Ende ist die Welle 12 mit einem Gewindeabschnitt 24 sowie mit einem Endabschnitt 2.6 verringerten Durchmessers versehen. Eine Ringmutter 28 ist auf den Gewindeabschnitt 24 aufgeschraubt, so daß die Stirnflächen der Lager 16 in axialer Richtung gegen das Abstandselement 18 gedruckt sind.
Ein Schwenkhebel 14 ist an dem Endabschnitt 26 der Welle 12 befestigt und mit einem Seegerring 30 gehalten. Der Schwenkhebel 14 ist auf der Welle 12 so verkeilt, daß er mit ihr starr verbunden ist.
Eine Mitnehmerrolle 32 ist an dem freien Ende des Schwenkhebels 14 angeordnet. Sie kann in einem mit geeignetem Profil versehenen Schlitz 33 bewegt werden, der in einem von mehreren Armen 34 vorgesehen ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Arme unter übereinstimmenden gegenseitigen Winkelabständen an einem Ringelement 36 vorgesehen. Der gegenseitige Winkelabstand dieser Arme 34 beträgt 120°, und sie haben übereinstimmende Schlitzformen für die jeweilige Mitnehmerrolle 32.
Der Arm 34 kann mit einer äußeren Nockenfläche oder einem anderen Nockenelement anstelle des Schlitzes 33 versehen sein. Beispielsweise kann ein Nocken an dem Arm 34 auswechselbar vorgesehen sein, wozu er beispielsweise mit Schrauben befestigt sein kann. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß bei einer gewünschten Änderung der Bewegungsübertragungseigenschaften des Nockens lediglich ein einfacher Wechsel des
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Nockenprofils nötig ist.
Eine weitere alternative Aueführungsform der Positionen der Mitnehmerrolle 32 und des Nockenschlitzes 33 am Schwenkhebel 14 bzw. am Arm 34 ist durch eine Umkehrung dieser Elemente möglich, so daß die Mitnehmerrolle 32 an dem Arm 34 und der Schlitz 33 oder ein ihm äquivalentes Nockenelement am Schwenkhebel 14 vorgesehen ist. Ferner kann ein gleitendes Mitnehmerelement anstelle der Rolle 32 mit dem Nocken zusammenwirken.
Das Ringelement 36 ist auf einem Hohlzylinder 38 in axialer Richtung verschiebbar, der Hohlzylinder-58 ist koaxial mit der Rotorachse angeordnet. Ein Endabschnitt des Hohlzylinders 38 ist mit einem Außengewinde versehen, auf das eine Ringmutter 42 aufgesehraubt ist. Der Hohlzylinder 38 ist an der Rotornabenscheibe 7 befestigt. Die Ringmutter 42 hat ein abgestuftes Außenprofil mit zwei.unterschiedlichen Durchmessern, und ihre Außenfläche 44 geringeren Durehmessers ist innerhalb eines Endes einer Schraubendruckfeder 46 angeordnet, die an der Kante zwischen den beiden Außenflächen unterschiedliehen Durchmessers der Ringmutter 42 anliegt. Das andere Ende der Feder 46 liegt an einer Ringkante 47 am Ringelement 36 an. Der von der Feder 46 ausgeübte Druck kann durch Einstellung der Position der Ringmutter 42 auf dem Gewindeabschnitt 40 des Hohlzylinders 38 geändert werden.
Der Hohlzylinder 38 ist an seiner Außenfläche mit mehreren in Längsrichtung verlaufenden Kanälen 48 (im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Kanäle) versehen, in denen jeweils ein Keilelement 50 angeordnet ist, mit dem das Ringelement 36 mit dem Hohlzylinder 38 verkeilt ist, während gleichzeitig eine Schiebebewegung des Ringelements 36 auf dem Hohlzylinder 38 in axialer Richtung möglich ist.
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Ein Kolben 52 ist in dem Hohlzylinder 38 in dichter Führung verschiebbar angeordnet. Der Kolben 52 hat mindestens zwei Längsbohrungen 52a unterschiedlichen Durchmessers, die jeweils mit einem Einrichtungsventil versehen sind, um mechanische Vibrationen des jeweils zugeordneten Rotorblatts 6 um seine Einstellachse 9 zu dämpfen. Der Hohlzylinder 38 und der Kolben 52 wirken somit als ein Dämpfer. Der Kolben 52 ist mit dem Ringelement 36 über eine Scheibe 53 verbunden, die mit ihm über eine Kolbenstange 60 und mit dem Ringelement 36 über eine Außenstange 62 verbunden ist. Der Hohlzylinder 38 hat eine der Scheibe 53 zugewandte Endwand 64, durch die die Kolbenstange in einer geeigneten Pührung-hindurchgeführt ist. Eine ringförmige Dichtungskappe 68 ist auf einen mit Gewinde versehenen Vorsprung 66 der Kappe 68 aufgeschraubt. Ringförmige Nuten sind in der Endwand 64 und in der Kappe 68 vorgesehen, um elastische Dichtungsringe 70 aufzunehmen.
Der Innenraum des Hohlzylinders 38 ist mit einem Medium gefüllt, das die Bewegung des Kolbens 52 innerhalb des Hohlzylinders 38 dämpft. Dieses Medium ist vorzugsweise Luft, so daß ein regelmäßiges Nachfüllen oder Wechseln des Hohl- Zylinders 38 überflüssig ist.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise so aufgebaut, daß sie die in Fig. 3 graphisch dargestellten Betriebseigenschaften hat. Hier ist die Windgeschwindigkeit V auf der Abszisse und die von dem Windmotor abgegebene Leitung P auf der Ordinate abgetragen.
V, ist die Anlaufwindgeschwindigkeit, bei der der Windmotor seine Drehung beginnt, und Vp ist die "Einschnitt"-Windgeschwindigkeit, -bei der die Regelung der Rotorblattsteigung wirksam wird: Zwischen den Windgeschwindigkeiten V_, und 7_
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arbeitet der Windmotor also mit fester Steigung der Rotorblätter. An dem Punkt 80, also bei der "Einschnitt"-Windgeschwindigkeit V„, steigt die von dem Windmotor abgegebene Leistung steil gemäß der Kurve 82 an. Um einen schnellen Anstieg der abgegebenen Leistung über den Punkt 8o hinaus, wodurch der Motor beschädigt werden könnte, zu vermeiden, wird die Leistung als Punktion der Windgeschwindigkeit V oberhalb der Windgeschwindigkeit Vp geregelt. Die Regelung kann gemäß der Linie 84 (konstante Leistung) oder gemäß den Kurven 86 und 88 durchgeführt werden. Diese Regelkennlinien können vom Konstrukteur gewählt werden. Der genaue Zusammenhang zwischen der gegebenen Leistung P und der Windgeschwindigkeit V (beispielsweise der Verlauf der Kurve 84, 86 oder 88) hängt in erster Linie von dem Profil der Nockenschlitze 33 oder äquivalenter Nockenelemente und danach von der Belastung der Feder 46 sowie von der Geometrie des Übertragungsmechanismus der Steigungsänderung für jedes Rotorblatt ab.
Je größer die radial nach innen verlaufende Neigung der Achse des Profils des Nockenschlitzes 33 relativ zum Kreisbogen ist, den die Mitte der Mitnehmerrolle 32 bei Änderung der Steigung des Rotorblatts 6 beschreibt (in Fig. 2 teilweise strichpunktiert dargestellt), je größer ist die Auslenkung der Feder 46 für eine vorgegebene Drehung des Rotorblatts 6 um seine Einstellachse 9j und umso größer ist daher das Reaktionsmoment, das die Feder 46 an der Welle 12 ausübt. Somit entspricht die Kurve 86 für zunehmende Leistung P mit zunehmender Windgeschwindigkeit VQ oberhalb der Windgeschwindigkeit VQp einem Nockenschlitz 33 mit größter radial nach innen gerichteter Neigung.-
Für jedes Rotorblatt 6 des Windmotors ist eine zugeordnete Welle 12 mit zugeordneten Lagern auf der Nabenscheibe Y, ein Schwenkhebel 14, ein Nockenschlitz 33 oder ein ihm äquivalentes
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Nockenelement und ein Arm 34 des Ringeleraents 36 in Kopplung mit dem Schwenkhebel l4 vorgesehen. Für jedes Rotorblatt 6 ist ferner eine Verbindungsstange 62 vorgesehen, die das Ringelement 36 mit der Seheibe 53 verbindet, und ferner ist diese wiederum über die Kolbenstange 60 mit dem Kolben 52 verbunden, der allen Rotorblättern 6 gemeinsam zugeordnet ist. Im folgenden wird nun die Arbeitsweise der Regelvorrichtung nach der Erfindung beschrieben.
Bei Stillstand des Windmotors drückt die Feder 56 gegen die ringförmige Kante 47 des Ringelements 36, welches wiederum über den Nockenschlitz y^> und die Mitnehmerrolle 32, den zugeordneten Schwenkhebel 14 und die zugeordnete Welle 12 das Rotorblatt 6 in der Position minimalen Steigungswinkels (oder kleiner Steigung) hält. In dieser Stellung arbeitet" das Rotorblatt bei geringen Windgeschwindigke iten zwischen V , und Vp (Fig. 3) mit fester Steigung. Wird der Rotor durch Wind mit einer Geschwindigkeit unterhalb V 2 angetrieben, so reicht die aerodynamische Kraft 11 am Rotorblatt 6 nicht aus, um über die Welle 12, den Schwenkhebel 14, die Mitnehmerrolle 32, den Nockenschlitz 33 und das Ringelement 36 den von der Feder 46 auf das Ringelement 36 ausgeübten Druck zu überwinden, und das Rotorblatt 6 bleibt daher in seiner in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausgangsstellung.
Mit zunehmender Windgeschwindigkeit nimmt die" aerodynamische Kraft am Rotorblatt 6 zu, bis beim Erreichen der Windgeschwindigkeit V 2 das Bewegungsübertragungsgelenk die Kraft der Feder 46 überwindet. Das Rotorblatt 6 wird dann um seine Einstellachse 9 in Richtung zunehmenden Steigungswinkels verdreht, wodurch das Ringelement ^>6 bis zu einem Gleichgewichtszustand verschoben wird, der einem vorbestimmten Steigungswinkel für jede Windgeschwindigkeit entspricht und bei dem die
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Kompression der Feder 46 die auf das Ringelement 36 durch die Rotorblätter 6 ausgeübte Kraft ausgleicht.
Die axiale Verlagerung des Ringelements 36 auf dem Hohlzylinder 38 verschiebt auch den Kolben 52, der mit dem Ringelement 36 über die Stangen 62, die Scheibe 53 und die Kolbenstange 60 verbunden ist. Diese Verlagerung des Kolbens 52 im Hohlzylinder 38 hat einen Vibrationsdämpfungseffekt infolge einer Strömung durch die Bohrungen 52a und die ihnen zugeordneten Einrichtungsventile. Dadurch werden Schwingungen gedämpft, die durch Massenträgheit der Rotorblätter 6 und den mit ihnen verbundenen Mechanismus erzeugt werden könnten, wenn die Steigung der Rotorblätter 6 geändert wird.
Die Winkel-Gleichgewichtsstellung, d.h. der Steigungswinkel der Rotorblätter für eine vorgegebene Windgeschwindigkeit, hängt von dem Nockenmechanismus ab, der den Rotorblättern zugeordnet ist, sowie von dem Anfangsdruck der Feder 46. Die Nocken und die Feder können leicht geändert werden, um die Eigenschaften der Regelvorrichtung zu bestimmen.
Die Vorrichtung nach der Erfindung kann bei verschiedenen Windmotoren eingesetzt werden, beispielsweise bei solchen Maschinen, bei denen die Rotore auf der dem Wind zugewandten oder auch auf der dem Wind abgewandten Seite eines Ständers angeordnet sind. Der Umbau eines Rotors von der dem Wind zugewandten zu der dem Wind abgewandten Seite erfordert lediglich eine Drehung der Rotorblätter in ihrer Stellung kleinsten Steigungswinkels um I80 an ihren Einstellachsen.
- ORIGINAL INSPECTSD
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Claims (1)

  1. Pat en t a η s* ρ sr ü ο h e
    Regelvorrichtung für dia Einstellung der um ihre ins Längs- -^ richtung verlaufenden Versteliaohsen drehbaren Hatjorblätte» einea Windmotors, dadurch gekennzeichnet* da& auf * d*er Hotorachge verschiebbar ein mit den Blättern (6) zugeordneten Armen (34) versehenes Elements (36) vorgesehen, ist> dafi Jeder Arm (34) über einen Gelenkmechanismus (32, 34) und einen Schwenkhebel (14) mit dem Jeweiligen Blatt (6) so gekoppelt ist, daß eine Drehung des Blatts (6) eine Verschiebung des Elements (36) bewirkt, und daß eine das Element (36) mit einer durch auf die Blätter (6) einwirkenden Wind verursachten Verschiebung entgegengesetzt * gerichtete Kraft beaufschlagende elastische Vorrichtung (46) vorgesehen ist.
    2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet* 3el6nkm0f|iian}3mu» £ja4 34}. dur*h ein Mitnehmer-. {39) äft dem Schwenkhebel (l4) und ein No often-* elements ^33) äri dent jeweilig«» Ärn| (34) gtbUdetl ist.
    Regelvovviohtung fl»eh Anspruch 1», dadurolx g|ekennzf0ichnet4 daS ^eder Gelenkmeohanismus durch ein Mitnehmerelement an dem Jeweiligen Arm (34) und ein Nookenelement an dem Schwenkhebel ^14} gebildefc
    4. Regelvorrichtung naoh Anspruoh 9 oder 3, daduroh
    daü dft* Mitnehmertltm·!!* minm RpHe (33) ist«
    vorrichtung n*ch An*jJiU<h ί «d«i» 3, dadürqU gekcnndad da» Mitnehmeretiminti «in Gleitelement iat.
    ORIGINAL INSPECTED 909827/0845
    285537S
    Regelvorrichtung; naoh einem der Ansprüche 2 bis % dadurch gekennzeichnet^ daf? Jedes NoeKeneXement dureli einen SofilS^a 03) gebildet ist, in dem das Mitnehmerelemenfc (33) geführt
    f. Hegel verriaiitung nach einem der Ansprüche 2 bis % dadurch gekennzeichnete* daß jedes- llockenelement durch eine Außenkante oder Außenfläche des das- Nockenelement tragenden Teils gebildet ist.
    S. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7', dadurch gekennzeichnet, daß jedes Noekenelement an einem an dem es tragenden Teil auswechselbar befestigten Trägerelement vorgesehen ist.
    9. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche., dadurch gekennzeichnet^ daß die Verstellaehse (9) eines jeden Blatts (6) relativ zum Mittelpunkt (10) der an dem Blatt (6) auftretenden aeroäpiamlgehen If raft (12) sjq angg^ydnAfe IaIi4 daß das ööiol* c$£$~ aerodynamische Kraft (Jl) »ttf 4as- Biatti (U) um Mß Vgrat^llachse f^J auage-r tlot* Mcnnrst in Richtung auBeliroendfliR Steigungswinkels de» BljRttg (6) erzeugt wird.
    10. RegelVerrichtung nach einem der verhergehenden Ansprüche, dadurch ^^enn^eiQhneti* daß ä*^ SUf äfcr Rotoraehae(;:-vej?^- sohielabarcf Element 06} mit einei» Dämpfungsverrichtung (3&> 52) verbunden ist«
    33, Re$*VvorriGh,Hun$ nach Anspruoh 1O4 dadurch gekennaeiohnet, daÄ dl» EHnfiwiH|lvo**iohfu»ig eineif an dem Rotor (i) h»-, festigten ^liiMer (38) und einen darin verschieblichen Kolben (52) umfalt, der mit Strömungaverengungakanälen (52a)
    ORIGINAL INSPECTED
    versehen und außerhalb des Zylinders (58) mit dem auf der Rotorachse verschiebbaren Element {>ß) verbunden ' " leb. , '
    12. Regelvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenneeichnet, daß das auf der Rotorachse verschiebbare Element (36) ringförmig ausgebildet ist und mit dem von ihm umgebenen Zylinder (38) so gekoppelt ist, daß es in seiner Längsrichtung verschiebbar, gegen eine Drehbewegung relativ zum Zylinder (38) jedoch gesperrt ist.
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DE19782855375 1977-12-23 1978-12-21 Regelvorrichtung fuer die einstellung der rotorblaetter eines windmotors Withdrawn DE2855375A1 (de)

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