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Elektrische Batterieladeeinrichtung,'insbesondere für Kraftfahrzeuge
Die Erfindung betrifft eine elektrische Batterieladeei.nrichtung. Der Zweck der
Erfindung ist, eine elektrische Batterieladeeinrichtung -zu schaffen, die insbesondere
für Kraftfahrzeuge geeignet ist und eine unbedingte Gewähr dafür gibt, daß die Sammlerbatterie
in voll aufgeladenem Zustande erhalten bleibt, aber niemals überladen wird. Batterieladeeinrichtungen
mit einer verschiedene Ladeströme liefernden Lademaschine, einem Regler, einem Unterbrecher
und einer thermisch wirkenden Vorrichtung zum Verändern der Batterieladespannung
entsprechend etwaigen Temperaturwechseln sind bekannt. Bei keiner der bis jetzt
bekannten Batterieladeeinrichtungen dieser Art besteht jedoch die Möglichkeit, daß
der Ladezustand der Batterie sowohl entsprechend der Außentemperatur als auch entsprechend
der Spannung derBatterie überwacht wird, dieBatterie selbst lediglich nur mitschwimmt,
solange die Lichtmaschine läuft, und die Stromerzeugung der Lichtmaschine selbsttätig
auf eine höhere Stufe geschaltet wird, sobald die Batterie vollständig aufgeladen
ist und die Belastung im Verbraucherstromkreis größer wird als die Leistungsabgabe
der Lichtmaschine in deren untere Leistungsstufe. Erfindungsgemäß ist eine elektrische
Batterieladeeinrichtung mit einer Sammlerbatterie, einer Lademaschine für verschiedene
Ladeströme, einem selbsttätigen Regler mit mehreren Wicklungen, einem selbsttätigen
Unterbrecher. und einer thermisch wirkenden Vorrichtung zum Verändern der Batterieladespannung
entsprechend etwaigen Temperaturwechseln durch eine besondere Kombination einer
Reihe von Einzelmerkmalen verbessert worden, die wohl für sich allein nichts Neues
darstellen, jedoch in ihrerKombination etwas Neues und Fortschrittliches bedeuten,
indem sie den obengenannten Zweck in vollendetster Form erfüllen. In diesem Zusammenhang
sei erklärt, daß alle Einzelmerkmale, die im folgenden noch des näheren aufgezählt
werden, unbedingt zusammengehören und keines der Einzelmerkmale aus der erfindungsgemäß
-geschaffenen Kombination ausgeschlossen werden kann, ohne die Erfindung hinfällig
zu machen. In der Tat würde man bei Weglassung des einen oder des anderen Erfindungsmerkmales
niemals das erreichen können, was mit der Erfindung beabsichtigt ist.
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Die erfindungsgemäß geschaffene neue Kombination für elektrische Batterieladeeinrichtungen
der
oben kurz umrissenen Art ist nun dadurch gekennzeichnet, daß um den Kern des Reglers
drei Wicklungen herumgelegt sind, nämlich: a) eine Wicklung, die mit ihrem einen
Ende unmittelbar geerdet und mit ihrem anderen Ende durch einen mit einer Feldwicklung
der Lademaschine verbundenen Widerstand an Erde gelegt ist, b) eine auf die Ladestromspannung
ansprechende Wicklung, die der ersterwähnten Wicklung entgegengesetzt wirkend gewickelt
und mit ihrem einen Ende an eine der Lademaschinenleitungen, mit ihrem anderen Ende
der thermisch wirkenden Vorrichtung angeschlossen ist, und c) eine Wicklung verhältnismäßig
geringen Widerstandes, die bei Ladestrom zu der zweiterwähnten Wicklung gleichsinnig
wirkend gewickelt, mit ihrem einen Ende an die Sammlerbatterie und mit ihrem anderen
Ende einer auf dem Kern des Unterbrechers sitzen-. den Wicklung verhältnismäßig
geringen Widerstandes sowie auch dem Verbraucherstromkreis angeschlossen ist, und
daß der Unterbrecher neben seiner Wicklung geringen Widerstandes noch mit einer
zweiten Wicklung hohen Widerstandes versehen ist, deren eines Ende geerdet und deren
anderes Ende durch den Eisenkern des Unterbrechers mit jener Lademaschinenleitung
verbunden ist, an welche die Spannungswicklung des Reglers angeschlossen ist, wobei
diese mit der Spannungswicklung des Reglers verbundene Lademaschinenleitung der
Sammlerbatterie vermittels einer Heizwicklung angeschlossen ist, die eine Beeinflussung
der thermisch wirkenden Vorrichtung entsprechend -der Ladestromspannung bewirkt.
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Zur weiteren Beschreibung der Erfindung, die, wie schon oben zum Ausdruck
gebracht, lediglich in der soeben dargelegten und ganz bestimmten Kombination einer
Reihe von Einzelmerkmalen besteht, die als solche für sich allein sehr wohlbekanrit
sind, sei nunmehr auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen. Es stellt dar Fig.
i ein Schaltungsschema, und zwar mit voll ausgezogenen Linien die wesentlichen Teile
einer im Sinne der Erfindung verbesserten Anlage; die Konstruktion eines Temperaturreglers
besonderer Art ist mit punktierten Linien eingezeichnet.
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Fig. 2 veranschaulicht den in Fig. i mit voll ausgezogenen Linien
angedeuteten Temperaturregler in seiner bevorzugten Ausführung, längs aufgeschnitten.
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In der Darstellung bezeichnet io den Anker eines Stromerzeugers. Es
handelt sich hier um einen Stromerzeuger einer für Kraftfahrzeuge allgemein üblichen
Art. Der Stromerzeuger ist als Nebenschlußmaschine ausgeführt. Die Nebenschlußwicklung
ist mit i i bezeichnet. Das eine Ende der Wicklung i i ist dem Maschinenstromleiter
12 angeschlossen. Das andere Ende der Wicklung ist bei 13 an Erde bzw. an
Masse gelegt, und zwar über einen festen Widerstand 1q.. Die Wicklung I I liegt
nicht nur über den Widerstand 14 dauernd an Masse oder. Erde, sondern auch über
eine zum Regler gehörige Wicklung 15 dauernd an Masse oder Erde. Die Nebenschlußwicklung
i i kann durch bewegliche Kontakte des Reglers aber auch unmittelbar an Erde oder
Masse gelegt werden, also kann bei jeder beliebigen Geschwindigkeit eine von zwei
möglichen Leistungsabgaben des Stromerzeugers erzielt werden. Die Leistungsabgabe
des Stromerzeugers wird am. größten sein, wenn die Wicklung i i unmittelbar an Masse
oder Erde liegt, und andererseits am kleinsten, wenn die Wicklung i i sowohl in
Reihe mit dem Widerstand 14 als auch in Reihe mit der Wicklung 15 an Masse
oder Erde gelegt ist.
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Wie der Fig. i zu entnehmen, ist noch neben dem Regler ein Unterbrecher
üblicher Art vorhanden. Zum Unterbrecher gehört ein Magnetkern 16 mit angelenktem
beweglichem Anker 17. Fest an diesem Anker sitzt ein Kontakt 18, der, wenn der Anker
erregt wird, gegen einen ortsfesten zweiten Kontakt i9 zu liegen kommt. In diesem
Unterbrecher sind, wie üblich, zwei Wicklungen enthalten. Die Wicklung 2o ist eine
Wicklung hohen Widerstandes, deren eines Ende an Erde bzw. an Masse gelegt und deren
anderes Ende dem Magnetkern 16 elektrisch leitend angeschlossen ist. Die von dem
Stromerzeuger kommende Leitung 12 ist ebenfalls dem Magnetkern 16 angeschlossen,
sö daß also die Wicklung 2o und der Anker 17 unter der Spannung des Stromerzeugers
stehen werden. Die zweite, zum Unterbrecher gehörige bzw. auf dem Magnetkern 16
sitzende Wicklung 21 ist eine Wicklung geringen Widerstandes mit verhältnismäßig
wenigen Windungen. Das eine Ende der Wicklung 21 ist mit dem ortsfesten Kontakt
icg und das andere Ende der Wicklung 2i unmittelbar mit der negativen Seite des
Verbraucherstromkreises - verbunden. In dem Verbraucherstromkreis sind hier beispielsweise
zwei Lampen 22 angedeutet. Im übrigen liegen selbstverständlich alle Stromverbraucher
des Fahrzeuges in diesem Stromkreis. Die Akkumulatorenbatterie ist mit 23 bezeichnet;
ihre positive Klemme ist der positiven Seite des Ladestromkreises angeschlossen
und weiterhin bei 24 geerdet bzw. an Masse gelegt. Bemerkt sei, daß das freie Ende
der Wicklung 2i mit der negativen Klemme der Akkumulatorenbatterie in Reihe
über
eine zum Regler gehörige Wicklung 30 verbunden ist, deren Zweck weiter unten noch
des näheren beschrieben wird.
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Zum Regler gehört ein Magnetkern 25 mit angelenktem beweglichem Anker
26. An dem Anker 26 sitzt ein Kontakt 39, der in unwirksamer Stellung des Ankers
gegen einen an Erde oder Masse liegenden Kontakt 27 stößt. Auf dem Magnetkern des
Reglers sitzen drei Wicklungen. Über die eine Wicklung 15
ist alles Notwendige
bereits oben schon gesagt worden. Die zweite Wicklung 28 hat einen Wicklungssinn
entgegengesetzt dem der Wicklung 15 und ist mit ihrem einen Ende dein Maschinenstromleiter
12, dahingegen mit ihrem anderen Ende einer Klemme des Temperaturreglers angeschlossen.
Einzelheiten dieses Temperaturreglers sind aus Fig. 2 ersichtlich. Die dritte Wicklung
30 ist eine Wicklung mit verhältnismäßig geringem Widerstand und nur verhältnismäßig
wenigen Windungen eines kräftigen Drahtes. Für Wicklung 30 ist der Wicklungssinn
bei Ladestrom der gleiche wie für Wicklung 28. Das zine Ende der Wicklung
30 ist mit dem freien Ende der Wicklung 21 verbunden. Das andere Ende der
Wicklung 30 ist dem negativen Pol der Batterie 23 angeschlossen. Hieraus
folgt, daß sowohl beim Laden als auch beim Entladen bzw. bei Stromentnahme aus der
Batterie stets Strom durch die Wicklung 30 hindurchfließen wird.
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Der Zweck des Temperaturreglers ist, zu verhindern, daß der'Batterie
ein übermäßiger Ladestrom zugeführt wird, andererseits aber, zu ermöglichen, daß
die Batterie bei allen vorkommenden Temperaturen voll aufgeladen werden kann. Hersteller
von Akkumulatorenbatterien empfehlen für dreizellige Batterien im allgemeinen die
nachstehenden Ladestromhöchstspannungen bei verschiedenen Temperaturen, und zwar
| für -i7,5° C . . . . . . . . . . . . 8,3 Volt, |
| für - 6,5° C . . . . . . . . . . . . 8 .Volt,. |
| für + 4,50 C . . . . . . . . . . . . 7,75 Volt, |
| für --r5,50 C ... . .... . ... 7,5 Volt, |
| für -r-26,5° C . . . . . . . . . . . . 7,2 Volt, |
| für -r37,5° C . . . . . . . . . . . . 6,9 Volt. |
Die obige Tabelle zeigt die Höchstspannungen, mit denen das Laden der Batterie geschehen
kann, ohne die Zellen gasen bzw. kochen zu lassen. Selbstverständlich können Batterien
unter noch höherer Spannung geladen werden, jedoch mnß man alsdann ein Gasen bzw.
Kochen der Zellen und im Zusammenhang hiermit eine baldige Zerstörung der Platten
mit in Kauf nehmen.
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Der Temperaturregler besteht in seiner bevorzugten Ausführung-aus
einem Bimetallstreifen 34, dessen eines Ende auf einem Halter 35 (Fig. 2) festgelegt
und mitsamt diesem im Rahmen des Fahrzeuges nahe der Batterie befestigten Halter
an Masse angeschlossen bzw. geerdet ist. Ein zweiter Bimetallstreifen 36 ist oberhalb
des Streifens 34 und isoliert von demselben angeordnet. Dieser zweite Streifen 36
trägt einenKontakt, der mit einem Kontakt des Streifens 34 zusammenarbeitet und
einen Stromkreis schließt, sobald er gegen den Kontakt des Streifens 34 bewegt wird.
Um den Streifen 36 ist eine Heizspule 40 herumgelegt. Diese Spule 40 ist mit einem
Leitungsdraht 38 in Reihe in den Außenstromkreis des Stromerzeugers eingeschaltet
und so bemessen, daß eine vorausbestimmte Klemmenspannung des Stromerzeugers eine
ganz bestimmte Ablenkung des Bimetallstreifens 36 veranlaßt und eine Spannungssteigerung
dann - den Streifen 36 zu einer Verstellung in Richtung nach unten zwingt. Der untere
Streifen 34 ist ebenfalls ein Bimetallstreifen und spricht allein nur auf die in
der Umgebung derBatterie herrschende Außentemperatur an. Eine Verringerung dieser
Temperatur hat zur Folge, daß der Streifen 34 sich gegenüber dem Streifen 36 zurückbewegt.
Beide Streifen sind so eingerichtet,. daß ein durch die Heizwicklung 40 hindurchgehender
Strom von 6,9 Volt Spannung in dem betreffenden Bimetallstreifen eine Formveränderung
vor sich gehen läßt, die als solche zum Schließen des Stromkreises völlig ausreicht,
bei einer Batterietemperatur von 37,5° C (roo° F). Geht die Temperatur zurück, wird
auch der Bimetallstreifen 34 sich zurückstellen, so daß nun eine größere Spannung
in der Heizspule erforderlich wird, um den Stromkreis zu schließen. Diese Spannung
wird entsprechend den in der obigen Tabelle angegebenen maximalen Spannungen geregelt.
Wenn der Stromkreis durch den Temperaturregler geschlossen wird, wird die Wicklung
28 unter Strom kommen und ein Magnetfeld erzeugen, dessen Stärke sich der Stärke
des Magnetfeldes der Wicklung 30 hinzu addiert. Demzufolge wird der Anker
26
angezogen bzw. eine hin und her schwingende Bewegung dieses Ankers eingeleitet.
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Der thermostatische Streifen 36 trägt noch eine zweite Heizspule 37,
die mit der Nebenschlußwicklung 28 des Reglers in Reihe liegt. Der Zweck dieser
zweiten Heizspule ist, zu verhindern, daß die Kontakte der thermostatischen Streifen
sich infolge einer Spannungsverringerung bei Inbetriebsetzung des mit seinem Anker
hin und her schwingbaren Reglers voneinander ablösen können. Bei Leerlaufgeschwindigkeiten
des Antriebsmotors des Stromerzeugers beträgt die Maschinenspannung weniger als
die Klemmenspannung der unbelasteten Batterie. Die Kontakte der
thermostatischen
Streifen gehen alsdann wieder in die Offenstellung zurück. Bei Steigerung der Maschinendrehzahl
und Leistungsabgabe des Stromerzeugers wird die Folge der Vorgänge sich wiederholen,
sobald der Zustand der Batterie sich dem voll aufgeladenen Zustande nähert.
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Zum Ausgleichen von Veränderungen der Batterietemperatur ist in Fig.
i noch ein anderes Schema-mit punktierten Linien angedeutet. Gemäß dieser Konstruktion,
bei welcher ein veränderlicher Widerstand an die Stelle des Temperaturreglers 34,
36, 37, 40 tritt, ist ein nichtmetallischer Widerstand 29 mit der Reglerwicklung
28 in Reihe geschaltet. Der Temperaturkoeffizient dieses Widerstandes ist ein negativer.
Zur Verwendung als Widerstandsmaterial ist Kohle geeignet. Der Zweck des Widerstandes
29 ist, bei erhöhten Temperaturen die gewünschte Verringerung der Höchstspannung
herbeizuführen. Der Widerstand 29 ist nahe der Batterie gelegen und so bemessen,
daß der durch die Wicklung 28 fließende Strom auf den Anker 26 ein Anzugsmoment
ausübt, das durch das Magnetfeld der Wicklung 3o noch unterstützt wird und in Übereinstimmung
mit der obigen Tabelle eine Bewegung des Ankers 26 in Richtung nach unten veranlaßt,
d. h. bei -17,5o° C (o° F) wird der Widerstand 29 so groß, daß ihm und der Wicklung
28 ein Strom von 8,3 Volt Spannung zugeführt werden muß, um den Anker in Bewegung
zu setzen, während bei -f- 37,5° C (ioo° F) der Widerstand so weit zurückgeht, daß
schon ein Strom von 6,9 Volt Spannung zum Betätigen des Ankers genüge.
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Die Wirkungsweise des Reglers ist im wesentlichen wie folgt: Im Ruhezustand
liegt der Anker 26 an Erde oder an Masse, während die Unterbrecherkontakte 18, 19
offenstehen. Beim Ingangsetzen des Stromerzeugers ist die Nebenschlußfeldwicklung
i i über die Kontakte 27 unmittelbar geerdet bztw. mit Masse verbunden, also wird
der Stromerzeuger unter größter Leistungsabgabe arbeiten können. Wenn.eine Spannung
von ungefähr 6,5 Volt erzeugt wird, wird der Anker 17 des Unterbrechers nach unten
gezogen und demgemäß der Stromerzeuger über die Wicklung 3o mit der Batterie 23
verbunden. Die Wicklung 30 ist jetzt erregt und somit bestrebt, den Anker 26 zu
öffnen, also eine Unterbrechung an den Kontakten 27, 39 herbeizuführen. Aber erst
wenn die Maschinenspannung einen Wert entsprechend der für die jeweilige Batterietemperatur
in Frage kommenden maximalen Ladespannung erreicht, wird infolge der Wirkung der
vom Temperaturregler gesteuerten Wicklung 28 das auf den Anker 26 ausgeübte Anzugsmoment
groß genug sein, um die Kontakte 27- und 39 zu trennen und somit die Leistungsabgabe
des Stromerzeugers zu vermindern. Sobald dies geschieht, wird die Wicklung 15 von
einem Strom durchflossen, der die Entstehung eines entgegengesetzt wirkenden Magnetfeldes
zur Folge hat, so daß der Anker 26 sich wieder zurückbewegen kann und auf diese
Weise eine hin und her schwingende Bewegung des Ankers zustande kommen muß. Eine
solche hin und her schwingende Bewegung des Ankers wird jedoch immer nur nach erfolgter
vollständiger Auflädung der Batterie eintreten.
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Die normale Richtung deß Stromverlaufes bei geladener Batterie ist
durch die Pfeile 31
angegeben. Der Strom läuft also vom Stromerzeuger über
Erde bzw. über Masse zur Batterie, durch die Batterie hindurch, dann weiter durch
die Wicklung 30 und schließlich über die Wicklung 21 zurück zum Stromerzeuger.
Wenn nun die Belastung bei 22 die verminderte Leistungsabgabe des Stromerzeugers
übersteigt und die Batterie voll aufgeladen ist, wird der erzeugte Strom vom Verbrauchsstromkreis
aus in der Richtung des Pfeiles 32 zur Wicklung 21 fließen. Die Batterit muß nun
einen Teil der Belastung mit aufnehmen, also wird der von der Batterie gelieferte
restliche bzw. für die Gesamtbelastung noch erforderliche Verbrauchsstrom die Wicklung
30 in der Richtung des Pfeiles 33 (zurück zur Batterie) durchströmen müssen.
Unter diesen Umständen muß also notwendigerweise eine Stromumkehr in der Wicklung
30 zustande kommen. Die Folge ist, daß das magnetische Feld der Wicklung
30 dem magnetischen Feld der Wicklung 28 entgegenwirkt und nun der Anker 26 die
Möglichkeit erhält, die Nebenschlußfeldwicklung i i unmittelbar an Erde bzw. Masse
zu legen, d. h. den Stromerzeuger sofort und ohne Rücksicht auf den Zustand der
Batterie auf volle Leistungsabgabe umzuschalten. Im Betrieb wird eine Stromumkehr
in der Wicklung 3o nur selten vorkommen, denn wenn die Belastung der verminderten
Leistungsabgabe des Stromerzeugers gleich wird, geht der Stromdurchgang in der Wicklung
3o bis auf Null zurück, und dadurch wird das auf den Anker 26 ausgeübte Anzugmoment
schon so gering, daß eine sofortige Übernahme der je-
weiligen Belastung durch
den ebenfalls sofort auf erhöhte Leistungsabgabe umgestellten Stromerzeuger erfolgt.
Die Batterie bleibt wohl an der Leitung hängen, aber die Belastung wird von dem
auf seine maximale Leistungsabgabe umgestellten Stromerzeuger übernommen.
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Die oben beschriebene Wirkungsweise ist von der Wirkungsweise gewöhnlicher
bzw.
üblicher Regulierungseinrichtungen zu unterscheiden. Bei den
gewöhnlichen bzw. allgemein üblichen Anlagen wird die Batterie von der Maschine
aus so lange geladen, bis eine völlige Aufladung erzielt ist, worauf die Leistungsabgabe
des Stromerzeugers auf eine geringere Spannung vermindert wird, und zwar so lange,
bis der Ladezustand der Batterie um einen vorausbestimmten Betrag sich verringert
hat. In diesem Falle wird der Stromerzeuger nicht eher auf seine maximale Leistungsabgabe
zurückgebracht, bevor nicht die Batteriespannung um das zur Betätigung des Reglers
erforderliche Maß zurückgegangen ist. Die Wirkung ist hierbei die, daß die Batterie;
solange der Stromerzeuger überhaupt läuft, entweder geladen oder entladen wird.
Bei einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Batterie in voll
.aufgeladenen Zustand gebracht, und wenn dann eine Belastung bzw. ein Stromverbrauch
größer als die verminderte Stromabgabe des Stromerzeugers vorkommen sollte, wird
der Stromerzeuger sofort auf seine höhere Leistungsabgabe umgeschaltet, so daß der
entsprechend der Belastung bzw. entsprechend dem Verbrauch erforderliche Strom statt
von der Batterie anmittelbar vom Stromerzeuger geliefert wird. Unter diesen Verhältnissen
ergibt sich eine wesentliche Steigerung der Lebensdauer der Batterie. Hierin liegt
eines der wichtigsten Merkmale der Erfindung. Nur wenn die Belastung die maximale
Leistungsfähigkeit des Stromerzeugers übersteigt, wird die Batterie in Anspruch
genommen, um den entsprechend der Belastung erforderlichen Zusatzstrom zu liefern.
Das wird) jedoch selten vorkommen, da die maximale Ladeleistung eines Stromerzeugers
mit Spannungsregulierung wesentlich höher liegt als ohne solche Regulierung.
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Die Vorteile der verbesserten Einrichtung werden darin gesehen, daß
die Batterie niemals mit einer Spannung geladen wird, die ein Gasen bzw. Kochen
des Elektrolyten zur Folge haben muß. Hinzu kommt, daß die Batterie zur Leistungsabgabe
nur dann gebraucht wird, wenn der Stromerzeuger nicht in Betrieb ist. Zu allen anderen
Zeiten hängt die Batterie lediglich nur an der Leitung, während der Verbrauchsstrom
unmittelbar vom Stromerzeuger geliefert wird. Weiterhin ist geltend zu machen, daß
die zu Regelungszwecken sonst übliche dritte Bürste fortgelassen werden kann, ohne
den Betrieb der Anlage zu beeinträchtigen.
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In der Anordnung, Ausführung und Zusammenstellung der einzelnen Teile
können selbstverständlich noch Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Grundgedanken
der Erfindung abzuweichen.