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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für einen von einem Verbrennungsmotor
angetriebenen Fahrzeug-Wechselstromgenerator nach Anspruch 1 und
betrifft auch ein Verfahren zu dessen Herstellung nach Anspruch
6.
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Aus
WO 97/40567 A ist eine verbesserte Auskleidung für die Wicklung einer elektrischen
Maschine, beispielsweise eines bürstenlosen
Gleichstrommotors aus anodisiertem Aluminium bekannt. Die Auskleidung
liegt in dem Wicklungsraum zwischen den Statorpolen, so daß sie sich
zwischen der Wicklung und dem Stator befindet. Die Auskleidung ist
mit einer Kappe verschlossen. Das anodisierte Aluminium liefert
einen elektrischen Widerstand, einen mechanischen Schutz für die Wicklung
und einen Wärmeleitungsweg
für die
Wärme,
die in der Wicklung entsteht, durch den Stator in die Atmosphäre. Die
Auskleidung kann auch geerdet werden, um elektromagnetische Störungen durch
die Wicklung abzuschirmen. Gemäß dieser
bekannten Konstruktion besteht der Statorkern aus einer Schichtstruktur aus
Blechen mit einer Vielzahl von Nuten, die in Ausschnittrichtung
ausgeschnitten sind, um die Leitersegmente der Wicklung aufzunehmen.
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Darüber hinaus
ist bekannt, eine Vielzahl von Leitersegmenten zu verschweißen, um
eine Statorwicklung zu bilden. WO 92/06527 offenbart eine Statorwicklung,
die aus einer Vielzahl von U-förmigen Leitersegmenten
besteht. Die U-förmigen
Statorsegmente werden von einem axialen Ende des Statorkerns eingefügt und an
ihren Abschnitten am anderen Ende des Statorkerns miteinander verbunden,
so daß die
Spulen des Stators leichter regelmäßig angeordnet werden können als
bei einem Stator mit einer Statorwicklung, die aus kontinuierlich
gewickelten Magnetdrähten
besteht.
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Obwohl
die WO 92/06527 keine Beschreibung von Isolatoren enthält, die
in den Nuten angeordnet werden, sind solche elektrischen Isolatoren unter
gewissen Umständen
manchmal notwendig. Falls ein Isolator aus einer einfachen Isolierlage
gebildet wird, kann solch ein Isolator in axialer Richtung in der
Nut verrutschen oder verschoben werden, wenn ein Leitersegment in
die Nut, die von dem Isolator bedeckt wird, eingefügt wird.
Infolgedessen können
die nackten Oberflächen
des Stators nicht vollständig
abgedeckt werden, und die Leitersegmente sind nicht gut isoliert.
Falls die Isolatoren durch ein Haftmittel oder dergleichen am Statorkern
befestigt werden, sind zusätzliche
Schritte und Kosten erforderlich.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stator für einen
Fahrzeug-Wechselstromgenerator
sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, womit
verhindert wird, daß die
Isolatoren verschoben werden, wenn die Leitersegmente in die Nuten
des Statorkerns eingefügt
werden.
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Im
Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Statorkonstruktion wird
dieses Problem durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Verbesserte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Stators
ergeben sich aus den Unteransprüchen
2 bis 5.
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Im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung
des Stators wird das obige Problem gemäß den Merkmalen von Anspruch
6 gelöst.
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Gemäß dem Hauptmerkmal
der Erfindung wird ein Statorkern eines Wechselstromgenerators für ein Fahrzeug
aus einer Schichtung einer Vielzahl von Stahlblechen geformt, und
eine Vielzahl von Nuten werden aus den Stahlblechen in einer Ausschnittrichtung
ausgeschnitten, wodurch Grate bereitgestellt werden, die in Ausschnittrichtung
vorstehen. Eine Vielzahl von verformbaren Isolierlagen wird zunächst in
die Vielzahl von Nuten eingefügt,
und eine Vielzahl von elektrischen Leitern wird in die Vielzahl von
Nuten in entgegengesetzter Richtung zur Ausschnittrichtung eingefügt. Da die
scharfkantigen Grate so geformt werden, daß sie in Ausschnittrichtung vorstehen,
werden die Isolatoren von den scharfkantigen Graten aufgehalten,
wenn die Leitersegmente in entgegengesetzt zur Ausschnittrichtung
in die Nuten eingefügt
werden.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung weist jeder der elektrischen Leiter
einen U-Windungsabschnitt an dessen in Ausschnittrichtung vorderem
Ende auf. Dadurch kann verhindert werden, daß die Isolatoren sich bewegen,
wenn die Leitersegmente eingefügt
werden.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung weist jeder Isolator eine Falzlippe
auf, die an dessen in Ausschnittrichtung vorderem Ende angeordnet
ist. Durch die Falzlippen kann zuverlässig verhindert werden, daß die Isolatoren
sich axial verschieben, wenn die Leitersegmente eingefügt werden.
Jeder der Isolatoren kann eine Falzlippe an dessen in Nutausschnittrichtung
hinterem Ende aufweisen. In diesem Fall schützen die Falzlippen die Isolatoren
vor einer Beschädigung,
wenn die Spulenenden in Form gedrückt werden. Wenn die Spulenenden
geformt werden, werden die Isolatoren zwischen den Leitersegmenten
und dem Statorkern stark gezogen oder geschoben. Die Falzlippe verhindert
jedoch, daß der
Isolator beschädigt
wird.
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Gemäß einem
weiteren Hauptmerkmal der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Herstellen
eines Statorkerns für
einen Fahrzeug-Wechselstromgenerator einen ersten Schritt des Formens
einer Schichtung aus Stahlblechen, einen zweiten Schritt des Ausschneidens
einer Vielzahl von Nuten aus der Schichtung in einer Ausschnittrichtung,
einen dritten Schritt des Einfügens
von Isolatoren in die Nuten, einen vierten Schritt des Einfügens von
Leitersegmenten in die von Isolatoren bedeckten Nuten entgegengesetzt
zur Ausschnittrichtung, und einen fünften Schritt des Verbindens
der in die Nuten eingefügten Leitersegmente
miteinander. Daher werden die Isolatoren von den scharfkantigen
Graten festgehalten, wenn die Leitersegmente eingefügt werden.
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Andere
Ziele, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ebenso
wie die Funktionen von mit der vorliegenden Erfindung in Beziehung stehenden
Teilen werden aus der Lektüre
der folgenden detaillierten Beschreibung, der Ansprüche und der
Zeichnung deutlich. In der Zeichnung sind:
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1 eine
Querschnittsansicht, welche einen Fahrzeug-Wechselstromgenerator
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung darstellt;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Leitersegments, das einen Teil einer
Statorwicklung eines Stators gemäß einer
ersten Ausführungsform der
Erfindung darstellt;
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3 eine
Teil-Seitenansicht eines Stators gemäß der ersten Ausführungsform;
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4 eine
Teil-Querschnittsansicht des in 3 dargestellten
Stators;
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5 eine
Querschnittsansicht des in 4 dargestellten
Stators entlang der Linie V-V;
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6 eine
Darstellung der Bildung eines laminierten Statorkerns aus Stahlblechen;
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7 eine
perspektivische Ansicht, die darstellt, wie ein Isolator in eine
Nut des Stators gemäß der ersten
Ausführungsform
eingefügt
wird;
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8 eine
perspektivische Darstellung, welche die Spulenenden an beiden Enden
des Stators gemäß der ersten
Ausführungsform
darstellt;
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9 eine
Teil-Querschnittsansicht des Stators gemäß der ersten Ausführungsform
mit einem Isolator mit einer Falzlippe an einem seiner Enden;
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10 eine
Teil-Querschnittsansicht einer Variante des Stators gemäß der ersten
Ausführungsform
mit einem Isolator mit Falzlippen an dessen anderem Ende;
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11 eine
Teil-Querschnittsansicht eines Stators gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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12 eine
Teil-Querschnittsansicht des Stators gemäß der zweiten Ausführungsform;
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13 eine
perspektivische Ansicht, die eine Variante des Leitersegments ohne
U-Windungsabschnitt; und
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14 eine
Seitenansicht eines Stators gemäß einer
dritten Ausführungsform
mit den in 13 dargestellten Leitersegmenten.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
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In 1 schließt ein Wechselstromgenerator 1 mit
einem erfindungsgemäßen Stator
einen Rotor 3, einen Rahmen 4, einen Gleichrichter 5 usw.
ein. Der Stator 2 besteht aus einem Statorkern 32,
einer Vielzahl von Leitersegmenten 33 und einer Vielzahl von
Isolatoren 34. Der Statorkern 32 ist eine Schichtung
aus einer Vielzahl von Stahlblechen, in denen eine Anzahl von Nuten
ausgebildet sind. Die Vielzahl von Leitersegmenten 33 ragt über die
gegenüberliegenden
Enden des Statorkerns 32 hinaus, um Spulenenden 31 zu
bilden und sind miteinander verbunden, um eine Statorwicklung zu
bilden.
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Der
Rotor 3 weist eine Feldspule 8, ein Paar aus vorderen
und hinteren Polkernen 7 und eine Welle 6 auf.
Die vorderen bzw. hinteren Polkerne 7 weisen sechs Klauenpolstücke auf,
die in Axialrichtung verlaufen, so daß sie die Feldspule 8 einschließen. Die
Feldspule 8 weist einen zylindrischen Körper auf, der von einer Isolierbeschichtung
bedeckt ist. Ein Axialströmungs-Kühlgebläse ist an
dem vorderseitigen Polkern 7 angeschweißt. Das Kühlgebläse 11 bläst Kühlluft aus
seiner Vorderseite in radialer und axialer Richtung. Ein Zentrifugen-Kühlgebläse 12 ist
am rückseitigen
Polkern 7 angeschweißt,
um Kühlluft
radial aus dessen Rückseite
zu blasen. Das Zentrifugen-Kühlgebläse 11 ist
am rückseitigen
Polkern 7 angeschweißt,
um Kühlluft
von dessen Rückseite
aus radial nach außen
zu blasen.
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Der
Rahmen 4 nimmt den Stator 2 und den Rotor 3 auf
und stützt
den Rotor 3, so daß er
sich zusammen mit der Welle 6 dreht. Der Stator 2 ist
um das Paar Polkerne 7 herum mit einem bestimmten Abstand
zu diesen am Rahmen 4 befestigt. Der Rahmen 4 weist
Entlüftungsöffnungen 42 an
Bereichen gegenüber
den Spulenenden 31 des Stators 2 und Luftansaugöffnungen 41 an
deren axialen Enden auf.
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Der
oben beschriebene Wechselstromgenerator 1 wird von einem
(nicht dargestellten) Verbrennungsmotor über einen Riemenscheibenantrieb 20 in einer
bestimmten Richtung gedreht. Wenn die Feldspule 8 von einer
externen Leistungsquelle angeregt wird, wird jedes der Polstücke angeregt,
so daß die Statorwicklung
eine dreiphasige Wechselspannung erzeugen kann. Somit stellt der
Gleichrichter 5 eine gewisse Menge an Gleichstrom an den
Ausgangsklemmen bereit.
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Wie
in 2 dargestellt, sind die Leitersegmente 33 U-förmige Elemente
aus einer leitfähigen Metall-
(z.B. Kupfer-) Stange oder Platte mit einem U-förmigen Abschnitt 33c.
Das Leitersegment 33 weist einen inneren Leiterabschnitt 33a,
einen äußeren Leiterabschnitt 33b und
einen U-Windungsabschnitt 33c auf, der zwischen dem inneren
und dem äußeren Leiterabschnitt 33a, 33b angeordnet
ist. Jeder der radial inneren Leiterabschnitte 33a weist
einen geraden Innenabschnitt auf, der in der radial inneren Schicht
der Wicklung angeordnet ist, und jeder der äußeren Leiterabschnitte 33b ist
in der radial äußeren Schicht
der Wicklung angeordnet.
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Wie
in 3 dargestellt, sind die U-Windungsabschnitte 33c an
einem axialen Ende des Statorkerns 32 angeordnet und weisen
schräge
Abschnitte 33e mit Spulenenden 31 am anderen axialen Ende
des Stators 2 auf. Die schrägen Abschnitte 33e der
Leitersegmente 33 in der radial äußeren Schicht der Statorwicklung
verlaufen in einer Richtung. Andererseits verlaufen die schrägen Abschnitte 33e in
der radial inneren Schicht der Statorwicklung in der anderen Richtung.
Gerade Enden 33d der Leitersegmente 33 werden
durch Ultraschallwellen-Schweißen
oder Lichtbogenschweißen
verschweißt
oder werden verlötet
oder mechanisch verbunden.
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Ein
Paar Leitersegmente 33 ist in jeder der Nuten 35 angeordnet
und untereinander verbunden. Wie in 4 dargestellt,
weisen innere und äußere Leiterabschnitte 33a, 33b aller
Leitersegmente 33 einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei
die Umfangsseiten länger
als die Radialseiten sind. Die Leitersegmente 33 sind mit
einer Isolierfolie überzogen, um
ein Segment gegen das andere zu isolieren. Die Isolatoren 34 isolieren
jedes der Leitersegmente gegen die Innenflächen der Nuten 35.
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Der
Statorkern 32 ist eine Schichtung aus einem spiralförmig gewickelten
bandartigen Stahlblech 36 wie in 6 dargestellt.
Eine Vielzahl von Ausnehmungen 37 werden aus einer bandartigen
Stahlplatte in einer Richtung ausgeschnitten, um eine Vielzahl von
Nuten 35 mit scharfkantigen Graten 35a zu bilden,
die in Ausschnittrichtung überstehen.
In 5 sind U-Windungsabschnitte 33c am vorderen
Ende des Statorkerns in Richtung des Ausschnitts angeordnet. Jedes
der Leitersegmente 33 weist Seitenflächen auf, die parallel zur
Innenwand der Nut 35 verlaufen, wodurch ein hoher Füllfaktor
der Leitersegmente 33 bereitgestellt wird.
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Wie
in 7 dargestellt, besteht der Isolator 34 aus
einer Isolierlage. Die Isolierlage ist so geformt, daß sie sich
an den Innenumfang jeder Nut anlegt. Vorzugsweise wird jeder der
Isolatoren 34 in eine der Nuten 35 vom hinteren
Ende des Statorkerns in Ausschnittrichtung eingeführt, so
daß die
Isolatoren 34 glatt in die Nuten (35) eingefügt werden
können.
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Nachdem
jeder der Isolatoren 34 in eine der Nuten 35 eingeführt wurde,
wird ein Anzahl von U-förmigen
Leitersegmenten 33 so aneinandergereiht, daß die U-förmigen Windungsabschnitte 33c am
vorderen Ende in Ausschnittrichtung des Statorkerns 32 angeordnet
werden können.
Wie in 4 dargestellt, werden äußere Leiterabschnitte 33b in den
inneren Bereich der Nuten 35 eingefügt, und innere Leiterabschnitte 33a werden
in den äußeren Bereich
der Nuten 35 eingefügt,
die von den Isolatoren 34 bedeckt sind. Jedes der Leitersegmente 33 besteht
aus einer U-förmigen
Kupferplatte und wird formschlüssig
in eine der Nuten 35 gedrückt, so daß gegenüberliegende Oberflächen der äußeren und
inneren Leiterabschnitte 33b, 33a über den
Isolator 34 einen Formschluß mit den parallelen Wänden der
Nut 34 bilden können.
Somit halten die scharfen Kanten der Grate 35a die Isolatoren 34 fest
und hindern diese daran, sich entlang der Leitersegmente 33 zu
bewegen. Danach werden die zwei geraden Enden 33d jedes
Leitersegments 33 jeweils in entgegengesetzten Richtungen
gebogen, um sie mit den jeweiligen geraden Enden 33d, die
aus anderen Lagen anderer Nuten 35 ausgehen, zu verbinden,
wie in 8 dargestellt.
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Als
eine Variante kann, wie in 9 dargestellt,
der Isolator 34a an einem Ende eine Falzlippe 38 aufweisen.
Die Falzlippe 39 ist an einem Ende des Statorkerns 32 in
Richtung auf den U-Windungsabschnitt und am vorderen Ende in Nut-Ausschnittrich tung
angeordnet. Die Isolatoren 34a sind so in die Nuten 35 eingefügt, daß die Falzlippen 38 das
vordere Ende in Ausschnittrichtung des Statorkerns greifen können, und
die Leitersegmente 33 werden anschließend in die Nuten 35 eingeführt. Somit
können
die Isolatoren 34a sowohl von Falzlippen als auch von Graten 35a in
der korrekten Axialposition gehalten werden.
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In
einer weiteren, in 10 dargestellten Variante wird
jeder der Isolatoren 34b vom hinteren Ende des Statorkerns
eingefügt,
mit Falzlippen am hinteren Ende in Ausschnittrichtung. Andererseits werden
die Leitersegmente 33 in entgegengesetzter Richtung eingefügt. Somit
werden die Isolatoren 34 von den Falzlippen 39 verstärkt und
es wird verhindert, daß sie
beschädigt
werden, wenn die Segmentenden 33d gebogen werden, um Spulenenden
zu formen wie in 10 dargestellt.
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Die
Falzlippe 39 kann durch eine andere gleichwertige erweiterte
Struktur ersetzt werden, um den Isolator zu positionieren, wie eine
gebördelte
Lippe.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform kann
die Zahl der Leitersegmente in jeder Nut erhöht werden. Wie in 11 dargestellt,
weist ein Stator gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung in jeder der Nuten 135 vier Leitersegmente 133 auf, die
in radialer Richtung aufgereiht sind. Die Leitersegmente 133 sind
auf die in 12 dargestellte Weise verbunden.
Jedes der vier Leitersegmente 133 erstreckt sich von einer
der Nuten 135 in abwechselnd unterschiedlicher Richtung.
Die Leitersegmente 133 auf dieser Seite von 12 erstrecken
sich im Uhrzeigersinn, und die an der gegenüberliegenden Seite entgegen
dem Uhrzeigersinn. Der Endabschnitt 133d eines Leitersegments 133 ist mit
dem Endabschnitt 133d eines anderen Leitersegments 133 mit
einem bestimmten Abstand dazwischen verbunden. Die Leitersegmente 133 in
der innersten Schicht sind mit denen in der zweitinnersten Schicht
verbunden, und die Leitersegmente in der dritten Schicht sind mit
denen in der äußersten Schicht
verbunden.
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Ein
Stator gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung weist ein Paar I-förmiger oder J-förmiger Leitersegmente 233 auf,
wie in 13 dargestellt, und nicht die
U-förmigen
Leitersegmente 33. Jedes der Leitersegmente 233 weist
einen geraden inneren Leiterabschnitt 233h und zwei gerade äußere Abschnitte 233i auf,
die sich außerhalb
der gegenüberliegenden
Enden der inneren Leiterabschnitte 233h erstrecken. Einer
der äußeren Leiterabschnitte 233i wird
aus der in 13 gestrichelten Lage gebogen.
Jedes der Leitersegmente wird verschweißt, nachdem es angeordnet wurde.
Wie in 14 dargestellt, werden gegenüber liegende
Endabschnitte 233d eines Leitersegments 233 mit
Endabschnitten 233d mit einem anderen Leitersegment 233 verbunden,
das in einer anderen Nut angeordnet ist, um eine Statorwicklung
zu bilden. Die Leitersegmente 233 sind einfach geformt
und leicht herzustellen. Da jedes der Leitersegmente 233 einem
der Isolatoren 34 entspricht, ist es einfach, die Isolatoren 34 und
die Leitersegmente 233 in die Nuten 35 einzufügen.
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In
der vorangehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde
die Erfindung mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen beschrieben. Es liegt
jedoch auf der Hand, daß verschiedene
Modifizierungen und Änderungen
der speziellen Ausführungsformen
durchgeführt
werden können.