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Uber einen Umrichter gespeiste, dauermägneterregte Maschine
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Die Erfindung betrifft eine über einen Umrichter gespeiste und durch
im Läufer angeordnete Dauermagnete erregte elektrische Maschine, die mit einer den
Strom in der Wicklung der Maschine beeinflussenden Regeleinrichtung versehen ist.
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Eine solche Maschine ist aus der Zeitschrift ETZ Band 100 (1979),
Seiten 1382 bis 1386 bekannt. Bei dieser Maschine kann die Erregung und damit die
bei einer gegebenen Drehzahl induzierte Spannung (EMK) nicht beeinflußt werden.
Aufgrund der maximalen Klemmenspannung des Umrichters und der drehzahlproportionalen
EMK der Maschine ist der Drehmoment-Drehzahlbereich dieser Maschine fest vorgegeben.
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Aus der Habilitationsschrift "Die Einführung der Drehstromtechnik
bei elektrischen Servoantrieben" kl 982) von Dr.-Ing. H. Grotstollen ist es bekannt,
zur Erweiterung des Drehmoment-Drehzahlbereichs bei dauermagneterregten Maschinen
einen entmagnetisierenden Dauerstrom in der Längsachse der Maschine- vorzugeben.
Dabei erfolgt nur für die Dauer der Stromführung eine reversible Entmagnetisierung
der Dauermagnete, welche nach Rücknahme des Stromes wieder in ihren ursprünglichen
Magnetisierungszustand zurückkehren.
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Nachteilig an dieser Methode der Feldschwächung ist, daß eine starke
thermische oberlastung der Maschine auftritt, da die Verluste wegen des zusätzlich
erforderlichen hohen Dauerstromes in der Längsachse weit über den Verlusten im Nennbetrieb
liegen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dauermagneterregte
Maschine und die ihr zugeordnete Regeleinrichtung so auszubilden, daß eine Anderung
des Drehmoment-Drehzahl-
bereiches ohne einen die Maschine thermisch
stark beanspruchenden und hohe Verluste verursachenden Dauerstrom möglich ist.
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Die tösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch,
daß in Abhängigkeit von einer oder mehreren Betriebsgrößen die Regeleinrichtung
mittels einer ihr vorgeschalteten Ablaufsteuerung derart angesteuert ist, daß der
Maschinenwicklung über den Umrichter kurzzeitig ein Strom in der Längsachse der
Maschine von solcher Größe zugeführt ist, daß die von diesem Strom in der Längsachse
hervorgerufene Durchflutung eine irreversible Anderung des Magnetisierungszustandes
der Dauermagnete bewirkt. Durch Vorgabe eines kurzzeitigen, entmagnetisierenden
Stromes in der Längsachse ist es möglich, die Dauermagnete irreversibel abzumagnetisieren,
so daß diese einen neuen Magnetisierungszustand mit einer geringeren Permanenzflußdichte
annehmen.
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Nach dem Abbau des entmagnetisierenden Stromes bleibt der neue Magnetisierungszustand
erhalten. Infolge des geschwächten Erregerfeldes der Maschine ist eine Ausweitung
des Drehmoment-Drehzahlbereiches zu höheren Drehzahlen hin möglich. Wird der Maschine
in der Längsachse ein Strom entgegengesetzter Richtung zugeführt, so können die
Dauermagnete wieder aufmagnetisiert und der Erregerfluß dadurch erhöht werden, so
daß der Drehmoment-Drehzahlbereich wieder die ursprünglichen Grenzen aufweist.
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Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip der Peldschwächung durch
irreversible Anderung des Magnetisierungszustandes der Dauermagnete ist unabhängig
davon, ob die Maschine motorisch oder generatorisch betrieben wird. Auch spielt
die Art der Regeleinrichtung, ob Strom- oder Spannungsregeleinrichtung, keine Rolle.
Es muß lediglich die Führung der Maschinenströme nach dem beschriebenen Prinzip
gewährleistet sein. Dies kann auf besonders einfache Weise mit einer Stromregeleinrichtung
erreicht werden.
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Prinzipiell kann für die Erregung der Maschine ein einziger dauermagnetischer
Werkstoff, dessen Magnetisierungszustand irreversibel beeinflußbar ist, verwendet
werden. Fertigungstechnische Vorteile ergeben sich dadurch, daß mehrere Teilmagnete
in magnetischer Parallel- oder Reihenschaltung angeordnet sind und mindestens bei
einem Teilmagnet, der eine kleinere Koerzitivfeldstärke als die übrigen Teilmagnete
aufweist, der Magnetisierungszustand durch den Strom in der Längsachse irreversibel
veränderbar ist. Als vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, pro Pol mindestens
drei Teilmagnete in magnetischer Parallelschaltung vorzusehen, von denen der in
der Mitte angeordnete Teilmagnet eine kleinere Koerzitivfeldstärke aufweist als
die außen angeordneten Teilmagnete. Da das ab- bzw. aufmagnetisierende Feld vor
allem in der Polmitte auftritt, wird der entsprechende Teilmagnet voll von diesem
Feld erfaßt. Die äußeren Teilmagnete erfahren keine irreversible Anderung ihres
Magnetisierungszustandes, so daß ein Mindesterregerfeld mit Sicherheit erhalten
bleibt. Dies gilt auch bei einer Reihenschaltung der Teilmagnete.
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Der Teilmagnet mit der kleineren Koerzitivfeldstärke sollte aus AlNiCo-
oder FeCrCo-Magnetwerkst-off bestehen. Da Magnete aus diesen Werkstoffen eine hohe
Remanenzinduktion besitzen, wird im aufmagnetisierten Zustand der Teilmagnete ein
hoher Erregerfluß erzielt. Wegen ihrer geringen Koerzitivfeldstärke sind solche
Magnete jedoch leicht ab- bzw. aufzumagnetisieren.
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Ferritwerkstoffe kommen für den umzumagnetisierenden Magneten dann
in Frage, wenn wirtschaftliche Gründe eine besondere Rolle spielen.
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Die Anordnungen der Dauermagnete im Läufer können dadurch weiter modifiziert
werden, daß ein aus weichmagnetischem Material bestehender Pol schuh auf alle oder
einen Teil der Dauermagnete aufgesetzt ist. Mitt.els der Polschuhe wird das durch
den drehmomentbildenden Strom in der Querachse verursachte Ankerquerfeld von den
Dauermagneten ferngehalten, so
daß das Ankerquerfeld bei der Dimensionierung
der Magnete) die irreversibel unmagnetislert werden sollen, nicht besonders berücksichtigt
werden muß. Die einzelnen Pole des Läufers können auch verschiedenartig aufgebaut
werden, z.B.
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kann bei einzelnen Polen wahlweise eine Reihen- oder Parallelschaltung
der Teilmagnete vorgesehen und/oder es können auch unterschiedliche Magnetwerkstoffe
verwendet werden.
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Die Ummagnetisierungsvorgänge in der Maschine werden zweckmäßigerweise
von einer Ablaufsteuerung koordiniert, die auf die Regeleinrichtung-Einfluß nimmt.
Hierbei können die Ummagnetisierungsvorgänge sowohl in Abhängigkeit von einer vorgegebenen
Grenzdrehzahl als auch in Abhängigkeit von der Klemmenspannung der Maschine eingeleitet
werden. Für den Auf- und Abmagnetisierungsvorgang können unterschiedliche Grenzwerte
gewählt werden.
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Eine Beeinflussung der Ummagnetisierung durch den jeweiligen Betriebszustand
der Maschine wird dadurch ausgeschaltet, daß während eines Ummagnetisierungsvorganges
zumindest der Soll wert für den Strom in der Längsachse allein durch die Ablaufsteuerung
vorgegeben ist. Die Größe des Sollwertes kann vom angestrebten Magnetisierungszustand
abhängen oder der Betrag des Sollwertes kann einem Maximalwert entsprechen.
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Dieser Sollwert wrd von der Ablaufsteuerung entweder für eine feste,
jedoch wählbare Zeitdauer, die von dem jeweils gewünschten Erregerfluß abhängt,
vorgegeben oder er wird solange vorgegeben, bis der Betrag der Differenz zwischen
Soll- und Istwert des Stromes in der Längsachse einen festen5 jedoch frei wählbaren
Wert unterschreitet. Als günstig hat es sich ferner erwiesen, daß während des Ummagnetisierungsvorg-anges
der Sollwert für den Strom in der Querachse auf Null herabgesetzt ist.
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Vorteilhaft ist es weiterhin, der Maschinenwicklung nach einer irreversiblen
Abmagnetisierung der Dauermagnete bzw.
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der ents-prechenden Teilmagnete mittels einer übergeordneten
Regeleinrichtung
einen in der Längsachse wirkenden Dauerstrom zuzuführen, durch deh zusätzlich noch
eine reversible Anderung des Magnetisierungszustandes der Magnete bewirkt wird.
Hierdurch kann der Drehmoment-Drehzahlbereich nochmals erweitert werden. Da diese
weitere Schwächung des Erregerfeldes im abmagnetisierten Zustand der Dauermagnete
erfolgt, ist nur ein entsprechend geringer Dauerstrom für die reversible Abmagnetisierung
erforderlich, durch den die Maschine thermisch nicht überlastet wird.
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Anhand von den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
wird der Anmeldungsgegenstand nachfolgend näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild
einer Maschine mit Umrichter und Regeleinrichtung, Fig. 2 die Parallelanordnung
von mehreren Teilmagneten eines Erregerpoles, Fig. 3 die Reihenanordnung von zwei
Teilmagneten, Fig. 4 die Ablaufsteuerung zur Koordinierung der Ummagnetisierung.
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In Fig. 1 ist mit 1 eine dreiphasige Maschine mit Dauermagneterregung
im Läufer bezeichnet, die über einen Umrichter 2 von einem 380 V Drehstromnetz gespeist
wird. Dem Umrichter 2 ist eine Stromregeleinrichtung 3 zugeordnet, der von einer
Ablaufsteuerung 4 ein Sollwert 7 dw für den Strom in der Längsachse und ein Sollwert
iqwt für den Strom in der Querachse zugeführt wird. Während der Betriebsphasen,
in denen keine Ummagnetisierungsvorgänge stattfinden, übernimmt die Ablaufsteuerung
4 von einer übergeordneten Regeleinrichtung 8 die Sollwerte i dw für den Strom in
der Längsachse und i qw für den Strom in der Querachse und.schaltet diese unverändert
auf die Stromregeleinrichtung 3 durch.
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ueber eine mit der Maschine gekoppelte DrehzahlmeReinrichtung 5 wird
der Ablaufsteuerung 4 die jeweilige Drehzahl der Maschine gemeldet. Bei Erreichen
eines Grenzwertes der
Ma«chinendrehzahl tritt die Ablaufste-uerung
4 in Tätigkeit und gibt der Stromregeleinrichtung 3 3 einen neuen Sollwert idW,
für den Strom in der Längsachse vor. Durch diesen von der Stromregeleinrichtung
3 mittels des Umrichters 2 in der Längsachse der Maschine 1 eingeregelten Strom
erfolgt eine irreversible Ab- oder Aufmagnetisierung der im Läufer angeordneten
Dauermagnete. Die Ablaufsteuerung 4 beendet den Ummagnetisierungsvorgang, wenn der
Betrag der Differenz zwischen Sollwert idw, und Istwert d des Stromes in der Längsachse
einen festen Wert unterschreitet. Mit der Maschine 1 ist ferner eine Winkelmeßeinrichtung
6 (Rotorlagegeber) gekoppelt, deren Ausgangssignal einer Einrichtung 7 zur Koordinatentransformation
zugeführt ist. Derselben Einrichtung 7 werden auch drei den Maschinenströmen ia,
ib und ic proportionale Signale zugeführt. Durch die Koordinatentransformation werden
die Istwerte der Ströme ia, ib und c im statorfesten Koordinatensystem in die Istwerte
der Ströme d und i im rotorfesten Koordinatensystem umgeq wandelt. Der Ausgang der
Einrichtung 7 zur Koordinatentransformation ist milder Stromregeleinrichtung 3 verbunden,
so daß diese die jeweiligen Istwerte zugeführt erhält. Zur Realisierung des gewählten
Stromregelkonzeptes ist es weiterhin notwendig, der Stromregeleinrichtung 3 das
Ausgangssignal der Winkelmeßeinrichtung 6 zuzuführen.
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Die Eingangssignale der übergeordneten Regeleinrichtung 8 bestehen
aus dem Drehzahlsollwert nw und dem Drehzahlistwert n. Letzterer stellt das Ausgangssignal
einer Drehzahlmeßeinrichtung 5 dar. Die übergeordnete Regeleinrichtung 8 besteht
aus einem Drehzahlregler mit Proportional-Integral-Verhalten, welcher ein Ausgangssignal
1 zur Einstellung qw des Stromes in der Querachse liefert, und aus einer Steuerung,
welche ein Ausgangssignal idW zur drehzahlabhängigen Vorgabe eines zu keiner irreversiblen
Anderung des Magnetisierungszustandes der Dauermagnete führenden Dauerstromes in
der Längsachse abgibt.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung sind an einem Erregerpol
mit der Polteitung t drei Teilmagnete 11, 12 und 13 magnetisch parallelgeschaltet.
Die beiden äußeren Teilmagnete 11 und 12 bestehen aus einem magnetischen Werkstoff
mit hoher Koerzitivfeldstärke. Der Magnetisierungszustand dieser Magnete wird auch
bei Ummagnetisierungsvorgängen nicht irreversibel beeinflußt. Der in der Mitte angeordnete
Teilmagnet besteht dagegen aus einem Werkstoff mit kleinerer Koerzitivfeldstärke.
Bestehen die äußeren Teilmagnete 11 und 12 aus einem Ferritwerkstoff, dann kann
der mittlere Teilmagnet 13 ein AlNiCo-Magnet sein. Werden für die äußeren Teilmagnete
Selten-Erde-Magnete verwendet, dann kann der mittlere Teilmagnet aus Ferritwerkstoff
oder auch aus AlNiCo bestehen.
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Die Breite des mittleren Teilmagneten 13 entspricht etwa einem Viertel
der Polteilung t. Durch diese Bemessung des mittleren Teilmagneten 13 wird erreicht,
daß auch noch an den Kanten dieses Teilmagneten eine zur irreversiblen Ummagnetisierung
ausreichende Feldstärke auftritt. Das Auf-bzw. Abmagnetisieren erfolgt durch einen
kurzzeitigen Stromstoß in der Längsachse der Maschine, wobei dessen Höhe vom gewünschten
Magnetisierungszustand sowie der Koerzitivf-eldstärke der jeweiligen Dauermagnete
abhängt. Die Anordnung von mehreren Teilmagneten entsprechend der Fig. 2 hat ferner
den Vorteil, daß infolge der höheren Remanenzinduktion des mittleren Teilmagneten
13 der Verlauf der Polradinduktion bei voll aufmagnetisierter Maschine der Sinusform
sehr gut angenähert ist, was bei dauermagneterregten Maschinen im allgemeinen nicht
der Fall ist.
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Fig. 3 zeigt eine Reihenschaltung von zwei Teilmagneten 31 und 32.
Der Teilmagnet 32 weist eine kleinere Koerzitivfeldstärke auf als der Teilmagnet
31 und ist dem Ständer der Maschine 1 gegenüber benachbart angeordnet. Hierdurch
kann der Teilmagnet 32 leichter durch das von dem Strom in der Längsachse hervorgerufene
magnetische Feld unmagnetisiert
werden. Es sei noch erwähnt, daß
in den Fig. 2 und 3 die Anordnung der Magnete jeweils in abgewickelter Darstellung
des Läufers und Ständers gezeigt ist. Durch die Linie 9 ist der Ständer und durch
die Linie 10 der Läufer angedeutet.
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Bei der in Fig 4 dargestellten Ablaufsteuerung zur Koordinierung der
Ummagnetisierung werden Ummagnetisierungsvorgänge durch Uberschreiten vorgegebener
Grenzdrehzahlen eingeleitet. Der Betrag des DrehzahlistwertesInlwird einem ersten
Komparator 21 zugeführt. Die Schaltung dieses Komparators weist eine Hysterese auf.
Ein H-Signal am Ausgang des ersten Komparators 21 bedeutet, daß die Maschine mit
reduziertem Erregerfeld betrieben werden soll. Durch ein L-Signal wird der Betrieb
der Maschine mit vollem Erregerfeld angezeigt. Die Grenzdrehzahl für die Aufmagnetisierung
der Maschine wurde niedriger als die Grenzdrehzahl für die Abmagnetisierung gewählt,
da beim Aufmagnetisieren die ansteigende EMK den Aufmagnetisierungsvorgang behindert,
während beim Abmagnetisieren die absinkende EMK den Abmagnetisierungsvorgang begünstigt.
Da die dargestellte Ablaufsteuerung die Ummagnetisierungsvorgänge dann beendet,
wenn der Istwert d des Stromes in der Längsachse einen festen Grenzwert erreicht
hat, ist ein zweiter Komparator 22 für den Strom in der Längsachse erforderlich.
Am Ausgang dieses zweiten Kamparators 22 steht jeweils dann ein L-Signal an, wenn
das Istwertsignal id des Stromes in der Längsachse den durch die Schwellenspannungen
des zweiten Komparators 22 festgelegten Grenzwert erreicht hat. Solange das Istwertsignal
id diesen Wert noch nicht erreicht hat, liegt ein H-Signal am Ausgang des zweiten
Komparators 22 an. Der zweite Komparator 22 weist unterschiedliche Schwellwerte
auf, die vom gewünschten Magnetisierungszustand der Dauermagnete abhängig sind.
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Ein Abmagnetisierungsvorgang wird jeweils dann eingeleitet, wenn der
Betrag des Drehzahlistwertes Inl die Schwellenspannung des ersten Komparators 21
erreicht. Hierdurch wird
am Ausgang des ersten Komparators 21 ein
Übergang. Vom L-auf das H-Signal initiiert Durch das H-Signal wird eine flankengesteuerte
Flip-Flop-Stufe 23 für den Abmagnetisierungsvorgang gesetzt. ueber einen Umschalter
26, der vom Ausgang der Flip-Flop-Stufe 23 über ein Oder-Gatter 25 angesteuert wird,
wird der von der übergeordneten Regeleinrichtung 8 gelieferte Sollwert idw von der
Stromregeleinrichtung 3 abgeschaltet. Gleichzeitig wird durch den Umschalter 26
ein neuer Sollwert 1dgl' der im vorliegenden Fall ein fest vorgegebener Maximalwert
-10 V ist, an den Sollwerteingang der Stromregeleinrichtung 3 geschaltet.
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Mittels eines weiteren Umschalters 27, der vom Ausgang des ersten
Komparators 21 gesteuert wird, wird die Polarität des neuen Sollwerte i vorgegeben,
so daß je nach Polarität dieses Sollwertes i dwi eine Auf- oder Abmagnetisierung
erfolgt.
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Wie bereits erwähnt, wird der weitere Umschalter 27 entsprechend dem
Ausgangssignal des ersten Komparators 21 umgeschaltet. Erreicht der Istwert id des
Stromes in der Längsachse den gewünschten Wert, wird durch das L-Signal am Ausgang
des zweiten Komparators 22 die Flip-Flop-Stufe 23 für den Abmagnetisierungsvorgang
rückgesetzt. Hierdurch wird der Umschalter 26 wieder in seine andere Stellung umgeschaltet,
so daß wieder die von der übergeordneten Regeleinrichtung angebotenen Sollwerte
i dw und i für den Strom in der qw Längs- und Querachse an der Stromregeleinrichtung
3 liegen.
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Aufmagnetisierungsvorgänge laufen prinzipiell genauso~ab, wobei jedoch
eine ebenfalls flankengesteuerte Flip-Flop-Stufe 24 für den Aufmagnetisierungsvorgang
aktiviert wird.
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Das Ausgangssignal dieser Flip-Flop-Stufe 24 steuert ebenfalls über
das Oder-Gatter 25 den Umschalter 26. Durch diesen Umschalter 26 wird wieder der
neue Sollwert i idwl an die Stromregeleinrichtung 3 geschaltet. Da beim Aufmagnetisierungsvorgang
am Ausgang des ersten Komparators 21 ein L-Signal ansteht, wird der weitere Umschalter
27 in seine
andere Stellung gesteuert, so daß der Stromregeleinrichtung
3 nunmehr als neuer Sollwert i ein Maximalwert +10 V zugeführt wird.
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Zur Entlastung des Umrichters 2 ist es günstig, wenn während der Ummagnetisierungsvorgänge
der Sollwert iqXf, des Stromes in der Querachse zu Null gemacht wird. Dies kann
durch einen weiteren Kontakt des Umschalters 26 geschehen, durch den der Sollwert
i von der Stromregeleinrichtung abgeschaltet wird.
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Anzumerken ist noch, daß Ummagnetisierungsvorgänge in diesem Ausführungsbeispiel
bei festen Grenzdrehzahlen eingeleitet und bei Erreichen von festen Werten des Stromes
; in der Längsachse beendet werden. Für einige andere Anwendungsfälle ist es von
Vorteil, wenn die genannten Grenzwerte von Drehzahl und Strom in Abhängigkeit von
einer oder mehreren Betriebsgrößen der Maschine vorgegeben werden. In diesen Fällen
müssen die Schwellenspannungen der beiden Komparatoren 21 und 22 durch zusätzliche
Eingangssignale entsprechend vorgegeben werden.
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15 Patentansprüche 4 Figuren