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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
lamellierte magnetische Baugruppen, wie sie etwa in Transformatoren
oder anderen elektrischen Geräten
verwendet werden können.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bekanntlich werden Blechpakete, die
aus Blechen aus Eisenwerkstoff bestehen, in verschiedenen elektrischen
Geräten
verwendet und stellen einen magnetischen Weg zur Verfügung. In
Transformatoren sorgen die Blechpakete für einen magnetischen Weg um
einen elektrischen Strom herum, der in einer Wicklung oder einem
anderen elektrischen Leiter erzeugt wird.
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Bei gewissen Anwendungen, wie etwa,
wenn die lamellierte Baugruppe als ein elektrischer Sensorkern in
einem Überlastrelais
verwendet wird und gefordert wird, dass sie bei niedrigen Stromstärken linear
reagiert und in dem gesamten gewünschten Strombereich
weiterhin einen linearen Ausgang aufweist, wobei sie gleichzeitig
einen angemessenen hohen Sättigkeitsgrad
besitzen soll, erfordert die lamellierte Baugruppe eine große Querschnittsfläche mit
minimalen Luftspalten. Auf herkömmliche
Weise wurde dies durch die Verwendung von Blechpaketen aus relativ
dünnen
Blechen aus Eisenwerkstoff erreicht, die im Allgemeinen in der Form
eines "U" oder eines "D" gestaltet waren. Die Blechpakete werden hergestellt,
indem "U-U"- oder "D-U"-Lamellen in einer
bestimmten Reihenfolge gestapelt werden. Bei dieser Bauweise ist
gewöhnlich
eine zusätzliche Breite
an den Enden der Blechpakete erforderlich, um die zwischen Gruppen
von Lamellen verbliebenen Luftspalte zu kompensieren. Auch sind
die Lamellen normalerweise zusammengenietet oder durch Kleben unter
Verwendung von Lack oder Epoxidharz zusammengefügt, oder sie werden sogar mit
Federklammern zusammengehalten. Falls die zusätzliche Breite aufgrund räumlicher
Erfordernisse eines gegebenen Verwendungszweckes nicht zulässig ist,
werden zwei Lamellen pro Schicht verwendet, um den Luftspalt zu
minimieren. Wenn jedoch die zusätzliche Breite
beseitigt ist und die Baugruppe schmaler wird, wird es zunehmend
schwieriger, Niete zu verwenden, um die Lamellen aneinander zu befestigen.
Wenn die Baugruppe dicker wird, verlieren außerdem Federklammern ihre Wirksamkeit,
und bei der Verwendung von Lack und/oder Epoxidharz als Klebstoff
besteht die Tendenz, dass dies unordentlich und zeitaufwendig wird.
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Infolgedessen waren aus Lamellen
zusammengesetzte magnetische Baugruppen zur Verwendung in Transformatoren
und ähnlichem
entweder sperrig, d. h. unerwünscht
groß,
was zur Folge hatte, dass das Volumen des Gerätes, in dem sie verwendet werden,
vergrößert wird,
oder wenn sie eine angemessene Größe hatten, die mit der für den speziellen
Verwendungszweck erforderlichen magnetischen Leistungsfähigkeit
im Einklang stand, war ihre Herstellung unerwünscht teuer.
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Die vorliegende Erfindung ist darauf
gerichtet, eine kompakte magnetische Baugruppe des Typs, der in
einem Transformator verwendet werden kann, bereitzustellen, welche
sich wirtschaftlich herstellen lässt.
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In EP-A2-0 353 029 werden ein erstes
Paket und ein zweites Paket von komplementären Lamellen zur Herstellung
eines Kerns eines elektromagnetischen Geräts offenbart, wobei das erste
und das zweite Paket von Lamellen zusammenpassen und durch elastische
oder bleibende Verformungen zusammengehalten werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es,
eine neue und verbesserte magnetische Baugruppe zur Verwendung in
einem Transformator oder ähnlichem
bereitzustellen. Spezieller, es ist eine Aufgabe der Erfindung,
eine solche Baugruppe bereitzustellen, welche sich wirtschaftlich
herstellen lässt
und trotzdem ein kleines Volumen haben kann, so dass der von ihr
eingenommene Raum in einem gegebenen speziellen elektrischen Gerät verringert
wird.
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Eine als Beispiel dienende Ausführungsform der
Erfindung, welche die obenstehende Aufgabe löst, wird in Anspruch 1 offenbart.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sind die ersten Flächen
einander zugewandt, während
die zweiten Flächen
voneinander abgewandt sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine der ersten und zweiten Flächen konkav, und die andere
der ersten und zweiten Flächen
ist konvex.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform
sind die ersten und zweiten Flächen
im Wesentlichen parallel zueinander.
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Bei einer Ausführungsform weisen die erste und
vierte Reihe von Lamellen dieselbe Gestalt auf, und die zweite und
dritte Reihe von Lamellen weisen dieselbe Gestalt auf. Bei dieser
Ausführungsform
der Erfindung werden die erste und dritte Reihe in einer Position,
in der sie aneinandergrenzen, zusammengebaut, und die zweite und
vierte Reihe befinden sich in einer Position, in der sie aneinandergrenzen,
um das Vorhandensein von wesentlichen Luftspalten zu minimieren.
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Weitere Aufgaben und Vorteile der
Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt und
werden zum Teil aus der Beschreibung offensichtlich, oder sie können durch
die praktische Anwendung der Erfindung in Erfahrung gebracht werden.
Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können mit Hilfe der Mittel und
Kombinationen realisiert und erzielt werden, die in den beigefügten Ansprüchen im Einzelnen
aufgezeigt sind.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die beigefügten Zeichnungen, die in die
Patentbeschreibung einbezogen sind und einen Bestandteil derselben
darstellen, zeigen eine gegenwärtig
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung und dienen zusammen mit der oben gegebenen allgemeinen
Beschreibung und der unten gegebenen ausführlichen Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines die Erfindung verkörpernden
Sensor-Transformators;
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2 ist
eine Explosionsdarstellung des Sensorkerns, wobei dessen Spule entfernt
wurde;
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3 ist
eine vergrößerte Teil-Schnittansicht
einer sogenannten "partiellen
Perforierungs"- oder
Verkerbungs-Verriegelung-Konstruktion,
die benutzt wird, um die Lamellen zusammenzuhalten;
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4 ist
eine Seitenansicht einer ersten und zweiten Reihe von Lamellen,
die in der Ausführungsform
von 1 verwendet werden;
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5 ist
eine Seitenansicht einer dritten und vierten Reihe von Lamellen,
die in der Ausführungsform
von 1 verwendet werden;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
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7 ist
eine Explosionsdarstellung der in 6 dargestellten
Ausführungsform;
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8 ist
eine Ansicht von zwei Lamellen-Baugruppen, die bei der in 6 und 7 dargestellten Ausführungsform verwendet werden;
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9 ist
eine Seitenansicht einer Lamellen-Konfiguration, die bei der Ausführungsform
von 6 verwendet wird;
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10 ist
eine Seitenansicht einer anderen Lamellen-Konfiguration, die bei der Ausführungsform von 6 verwendet wird;
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11 ist
eine Seitenansicht einer Konfiguration des Zusammenbaus der Lamellen
von 9 und 10; und
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12 ist
eine Seitenansicht einer anderen Konfiguration des Zusammenbaus
der Lamellen von 9 und 10.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine als Beispiel dienende Ausführungsform einer
magnetischen Baugruppe zur Verwendung beispielsweise in einem Sensorkern-Transformator der Art,
wie er in einem Überlastrelais
verwendet wird, ist in den 1, 2, 4 und 5 dargestellt.
Diese umfasst, wie aus den Abbildungen ersichtlich ist, eine erste, allgemein
mit 10 bezeichnete Lamellenbaugruppe, eine zweite, allgemein
mit 12 bezeichnete Lamellenbaugruppe, die an eine Seite
der Lamellenbaugruppe 10 angrenzt, und eine allgemein mit 14 bezeichnete elektrische
Spulenbaugruppe, die daran angebracht ist. Bekanntlich wird in einem
Sensorkern-Transformator normalerweise ein anderer Leiter verwendet, wie
zum Beispiel eine herkömmliche
Sammelschiene (nicht dargestellt), die so angeordnet ist, dass sie
sich auf eine herkömmliche
Weise durch die Lamellenbaugruppen 10 und 12 hindurch
erstreckt.
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Die Spulenbaugruppe 14 ist
von herkömmlicher
Art und umfasst einen Spulenkörper 16,
der aus einem herkömmlichen
Isolationsmaterial wie zum Beispiel einem Kunststoff hergestellt
ist. Ein elektrischer Leiter 18 ist um den Spulenkörper 16 gewickelt, so
dass eine elektrische Spule gebildet wird.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, ist die Lamellenbaugruppe 10 aus
einer Reihe von U-förmigen
Lamellen 20 zusammengesetzt, welche einander gegenüberliegende,
im Wesentlichen parallele Schenkel 22 und 24 aufweist,
die durch einen Steg 26 verbunden sind. Dadurch wird ein
zentraler offener Bereich 28 definiert. Wie dargestellt,
weist der offene Bereich 28 ein etwas verbreitertes oberes
Ende 30 auf. Wie aus 1 ersichtlich
ist, ist der Spulenkörper 16 auf
den Schenkel 24 aufgesteckt und so beschaffen, dass er
den zentralen Bereich 28 im Wesentlichen ausfüllt, mit
Ausnahme des verbreiterten Bereiches 30. Der letztere ist
für die
weiter oben erwähnte
Sammelschiene (nicht dargestellt) bestimmt.
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Die Schenkel 22, 24 enden
in einander gegenüberliegenden
konkaven Flächen 32 bzw. 34.
Die Enden der Schenkel 22 und 24 sind außerdem für Zwecke,
die noch erläutert
werden, mit Einkerbungen 36 ausgestattet.
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Zwischen den konkaven Flächen 32 und 34 erstreckt
sich eine zweite Reihe von Lamellen 38, welche zusammen
mit der ersten Reihe 20 eine geschlossene Schleife des
Eisenwerkstoffes definiert. Die Lamellen 38 enden in entgegengesetzt
gerichteten konvexen Flächen 40 und 42,
welche zu den Flächen 32 und 34 komplementär sind und
sich mit diesen im Eingriff befinden, wie in 4 am besten zu erkennen ist.
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Die zweite Lamellenbaugruppe 12 umfasst, wie
in 5 am besten zu erkennen
ist, ebenfalls eine Reihe von im Wesentlichen U-förmigen
Lamellen 50, die wie zuvor einen offenen zentralen Bereich 28 mit
einem verbreiterten oberen Ende 30 aufweisen. Der offene
Bereich 28 kann durch eine vierte Reihe von Lamellen 52 abgeschlossen
sein, welcher die Schenkel 54, 56 der Lamellen 50 überbrückt, so dass
erneut eine geschlossene Schleife des Eisenwerkstoffes gebildet
wird.
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Es ist wichtig anzumerken, dass der
Abstand zwischen den einander zugewandten Flächen 32 und 34 der
Lamellenbaugruppe 10 ein wenig kleiner ist als der Abstand
zwischen den gegenüberliegenden, entgegengesetzt
gerichteten Flächen 40, 42 der
Lamellen 38. Normalerweise hat die Differenz zwischen den
Abständen
einen Wert in der Größenordnung von
0,51 mm (0,020 Zoll). Dadurch wird ein Mittel erzeugt, durch das,
wenn die Fläche 32 an
die Fläche 40 angelegt
wird und die Fläche 34 an
die Fläche 42 angelegt
wird, eine Presspassung resultiert, welche die Lamellen 38 mit
den Lamellen 20 zusammenhält.
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Um die einzelnen Lamellen 20 zusammenzuhalten
und in einer zueinander ausgerichteten Position zu halten, werden
sie normalerweise mittels einer Konstruktion zusammengehalten, die
als partielle Perforierung (partial perfing) oder Verkerbungs-Verriegelung (stake
locking) bekannt ist. Ein Beispiel einer Verkerbungs-Verriegelung
ist in 3 dargestellt,
und die letzte Lamelle 60 in einem Stapel weist eine Öffnung 62 auf.
Die aneinander angrenzenden Lamellen 64, 66, 68 und 70 weisen
alle jeweils eine Perforation auf, die in die angrenzende Lamelle
hinein versetzt ist. So weist die Lamelle 64 eine Perforation 72 auf,
die in die Öffnung 62 hinein
versetzt ist, während
die Lamelle 66 eine Perforation 74 umfasst, die
in die Perforation 72 hinein versetzt ist. Die Lamelle 68 umfasst
eine Perforation 76, die in die Perforation 74 hinein
versetzt ist, während
die Lamelle 70 eine Perforation 78 umfasst, die
in die Perforation 76 hinein versetzt ist. Dieser Konstruktionstyp
ist in der Technik bekannt und wird hier nicht weiter beschrieben.
Ausrüstung
zur Herstellung der partiellen Perforationen oder Verkerbungs-Haltestruktur
kann zum Beispiel von der Swanbro Corporation, Elk Grove Village,
Illinois oder von der L. H. Carbide, Fort Wayne, Indiana bezogen
werden.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, sind an solchen Stellen,
wie sie in 80 dargestellt sind, die Lamellen 50,
aus denen die zweite Lamellenbaugruppe 12 besteht, mit
Hilfe von Verriegelungsmitteln der soeben beschriebenen Art zusammengesetzt
und mit den Lamellen 20, aus denen die erste Lamellenbaugruppe 10 besteht,
zusammengebaut, und sie werden auf diese Weise alle in ihrer Position
gehalten. Eine ähnliche
Konstruktion, wie in 80 dargestellt, kann verwendet werden,
um die Lamellen 52 aneinander und an den Lamellen 38 zu
befestigen.
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Bei der in den 1–5 dargestellten Ausführungsform
können
die Schenkel 22 und 24 der ersten Lamellenbaugruppe 10 leicht
gespreizt werden, indem ein Werkzeug in die Einkerbungen 36 eingeführt wird
und eine auf eine Aufweitung gerichtete Kraft auf diese ausgeübt wird.
Dies ermöglicht
es, dass der aus den Lamellen 38 bestehende Teil der Lamellenbaugruppe 10 und
der aus den Lamellen 52 bestehende Teil der Lamellenbaugruppe 12 von
der Seite her in ihre Position eingesetzt werden, natürlich nachdem
die Wicklungsbaugruppe 14 auf die Lamellenbaugruppen aufgesteckt
worden ist. Wenn die auf die Einkerbungen 36 einwirkende
aufweitende Kraft nicht mehr ausgeübt wird, resultiert eine Presspassung.
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Es ist besonders anzumerken, dass
bei dieser Ausführungsform
der Erfindung die Gestalt der Lamellen 20 von der der Lamellen 50 verschieden
ist, welche wiederum von der der Lamellen 38 verschieden
ist, welche wiederum von der der Lamellen 52 verschieden
ist. Im zusammengebauten Zustand sind die Lamellen 38 im
Wesentlichen zu den Lamellen 52 ausgerichtet, während die
Lamellen 20 im Wesentlichen zu den Lamellen 50 ausgerichtet
sind. Aufgrund ihres Unterschiedes in der Gestalt ist jedoch eine
beträchtliche Überlappung
vorhanden, so dass ein einziger zusammenhängender Luftspalt verhindert
wird, welcher die magnetische Wirksamkeit der Baugruppe beeinträchtigen
könnte.
Indem die Anzahl der Lamellen in jeder der Baugruppen 10 und 12 auf geeignete
Weise gewählt
wird, können
die Luftspalte, die vorhanden sind, so eingestellt werden, dass
das System auf einen Stromstärkebereich
eingestellt wird, der für
das spezielle Gerät,
für das
die Kerne verwendet werden sollen, erwünscht ist.
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Eine weitere und in starkem Maße bevorzugte
Ausführungsform
ist in den 6–12 dargestellt. Bei dieser
Ausführungsform
wird die Spulenbaugruppe 14 erneut verwendet und umfasst
den Spulenkörper 16 zusammen
mit einer darauf angebrachten elektrischen Wicklung 18.
Bei dieser Ausführungsform
der Erfindung werden zwei allgemein mit 100 und 102 bezeichnete
Lamellenbaugruppen verwendet. Jede besteht aus einer Vielzahl von
Lamellen 104, die mittels Presspassung mit einer Vielzahl
von Lamellen 106 zusammengefügt sind. Wie dargestellt ist
die Anzahl der in jeder der Baugruppen 100 und 102 verwendeten
Lamellen dieselbe, und wie alle Lamellen besteht jede von ihnen
aus einem dünnen Blech
aus einem Eisenwerkstoff, gewöhnlich
aus Stahl. In bestimmten Fällen
kann jedoch eine unterschiedliche Anzahl von Lamellen und/oder eine
unterschiedliche Dicke der Baugruppen 100 und 102 verwendet
werden, um spezielle magnetische charakteristische Eigenschaften
zu bewirken.
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Jede der Baugruppen 100 und 102 ist
wiederum aus einer Reihe der Lamellen 104 zusammen mit
einer Reihe der Lamellen 106 zusammengesetzt. Die Gestalt
der Lamellen 104 ist in 9 dargestellt und
ist im Wesentlichen die eines flachen "U",
das einen zentralen Steg 110 aufweist, der von Schenkeln 112 und 114 flankiert
wird. Die Schenkel 112 und 114 weisen einander
zugewandte, im Wesentlichen parallele Flächen 116 bzw. 118 auf.
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Der Zwischenraum zwischen den Schenkeln 112 und 114 definiert
einen zentralen offenen Bereich 120, wie er in 11 zu erkennen ist und welcher abgeschlossen
werden kann, indem die Lamellen 106, wie in 11 dargestellt, an die Lamellen 104 angebaut
werden, so dass eine geschlossene Schleife aus magnetischem Werkstoff
gebildet wird. Der offene Bereich 120 weist abermals ein
verbreitertes oberes Ende 122 zur Aufnahme einer Sammelschiene
o. ä. auf,
während
der restliche Teil des offenen Bereiches 120 einen Teil
des Spulenkörpers 16 aufnimmt.
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Jede Lamelle 106 ist ebenfalls
in gewissem Maße
U-förmig,
doch in diesem Falle sind die beiden Schenkel 124 und 126 etwas
näher beieinander
angeordnet als die Schenkel 112 und 114 und weisen solche
Abmessungen auf, dass sie innerhalb der Schenkel 112 und 114 eingefügt werden
können.
In diesem Zusammenhang weisen die Schenkel 124 und 126 voneinander
abgewandte, im Wesentlichen parallele Flächen 128 und 130 auf,
die so beschaffen sind, dass sie durch Presspassung mit den Flächen 116 und 118 an
den Schenkeln 112 und 114 der Lamellen 104 verbunden
werden können.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen den Flächen 128 und 130 um
ca. 0,51 mm (0,020 Zoll) größer als
der zwischen den Flächen 116 und 118,
um die gewünschte Presspassung
zu erzielen.
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Der Steg 132 jeder der Lamellen 106 ist
ein wenig an den Schenkeln 124 und 126 vorbei
verlängert,
so dass Verlängerungen 134 und 136 gebildet werden,
welche zusammen mit den äußeren Flächen der
Schenkel 112 und 114 eine rechteckige Umfangsform
bilden, wie in den 11 und 12 zu erkennen ist.
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11 zeigt,
wie die Lamellen 104 und 106 angeordnet sind,
um die erste Lamellenbaugruppe 100 herzustellen, während 12 die Anordnung der Lamellen 104 und 106 zur
Bildung der zweiten Lamellenbaugruppe 102 zeigt.
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Vorzugsweise können die äußersten Ecken der Schenkel 124 und 126 leicht
abgeschrägt
sein, wie in 140. Eine ähnliche
Abschrägung 142 kann
sich an den inneren Ecken der Schenkel 112 und 114 befinden,
um den Zusammenbau zu erleichtern, so dass die Schenkel 112, 114 durch
die Schenkel 124 und 126 etwas auseinandergedrückt werden,
um die gewünschte
Presspassung zwischen den Flächen 116 und 128 sowie
zwischen den Flächen 118 und 130 zu
erzielen.
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Normalerweise werden Verkerbungs-Halteelemente,
wie sie in 144 dargestellt sind und die im Wesentlichen
so beschaffen sind, wie im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform
beschrieben wurde, als Haltemittel verwendet. Sie werden nicht nur
verwendet, um die Lamellen 104 und die Lamellen 106 in
einer Position zu halten, in der sie aneinandergrenzen, sondern
können
auch an der Grenzfläche
der Baugruppen 100 und 102 verwendet werden, um
diese ebenfalls in einer zusammengebauten Position relativ zueinander
zu halten.
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Die in den 6–12 dargestellte Ausführungsform
ist eine bevorzugte Ausführungsform
in dem Sinne, dass nur zwei unterschiedliche Lamellenformen benötigt werden,
das heißt,
es werden nur die Lamellenformen der Lamellen 104 und 106 benötigt. Dagegen
werden für
die Ausführungsform
der 1–5 vier verschiedene Lamellenformen
benötigt,
was wiederum bedeutet, dass deren maschinelle Bearbeitung teurer
ist.
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Bei der in den 6–12 dargestellten Ausführungsform
werden Überlappungen
zur Begrenzung der Luftspalt-Verluste einfach dadurch erreicht, dass
die Lamellen 104 und 106 von unterschiedlicher Gestalt
hergestellt werden, dass jedoch ihre Anordnung nebeneinander umgekehrt
wird, wenn sie gestapelt werden, indem die Baugruppe 100 an
die Baugruppe 102 angefügt
wird, wie in den Zeichnungen dargestellt ist.
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Aufgrund des Obenstehenden ist leicht
einzusehen, dass ein Kern für
einen Transformator oder ähnliches,
der gemäß der Erfindung
hergestellt ist, mit einer relativ geringen Größe hergestellt werden kann.
Breite Teile der Lamellen, die zuvor erforderlich waren, um ein
Zusammenbauen der Lamellen mit Hilfe von Nieten zu ermöglichen,
werden vermieden. Die Verwendung der Verkerbungs-Haltemittel zum Zusammenbauen
der einzelnen Lamellen in einer gegebenen Reihe stellt gleichfalls
ein Mittel dar, um auf andere Befestigungsmethoden wie etwa Federklammern
oder Klebstoffe, die zuvor verwendet wurden, verzichten zu können. Gleichzeitig
stellt die Verwendung einer Presspassung zur Befestigung von Lamellenteilen
aneinander, so dass eine geschlossene Schleife aus Eisenwerkstoff
definiert wird, welche wenigstens teilweise von der Spule ausgefüllt wird, ein
weiteres Mittel dar, durch das herkömmliche Befestigungsmethoden
vermieden werden können. Letzten
Endes resultiert aus den verwendeten besonderen Konstruktionen und
Methoden eine Sensorspule, die wirtschaftlich herstellbar ist und
trotzdem relativ geringe Abmessungen hat, so dass sie ohne weiteres
und auf vorteilhafte Weise in elektrische Geräte eingebaut werden kann, die
eine geringe Größe erfordern.
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Ferner ermöglicht es die besondere Anordnung
von Lamellen von unterschiedlicher Gestalt, Luftspalte innerhalb
der Gesamtbaugruppe so zu regeln, dass eine gewünschte magnetische Wirksamkeit
erreicht wird, in Abhängigkeit
von dem letztendlichen Verwendungszweck, für den die Sensorkerne eingesetzt
werden sollen.
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Weitere Vorteile und Modifikationen
sind für Fachleute
leicht erkennbar. Deshalb ist die Erfindung in der umfassenderen
Betrachtungsweise nicht auf die speziellen Einzelheiten und typischen
Vorrichtungen beschränkt,
die hier dargestellt und beschrieben wurden. Dementsprechend können verschiedene Modifikationen
vorgenommen werden, ohne dass dadurch der Rahmen der allgemeinen
erfinderischen Idee verlassen wird, die durch die beigefügten Ansprüche definiert
ist.