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Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor und eine Welle oder eine Lagerbuchse für diesen Spindelmotor nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Spindelmotoren sind in der Regel elektrische Gleichstrommaschinen, die für vielfältige Antriebszwecke, beispielsweise für Festplattenlaufwerke, Laser, optische Geräte oder andere Zwecke verwendet werden.
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Hierbei sind zwei grundlegende Bauformen üblich, zum einen Motoren mit einer drehenden Welle, die in einer Lagerbuchse drehgelagert ist und die Nabe des Spindelmotors trägt, sowie Spindelmotoren mit feststehender Welle, auf welcher eine sich drehende Lagerbuchse gelagert ist, wobei in dieser Bauform die Lagerbuchse mit der Nabe verbunden ist.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf alle Arten von Spindelmotoren mit drehender Welle, welche eine in der Welle angeordnete axiale Gewindebohrung aufweisen. Diese Gewindebohrung dient zur Befestigung einer Halterung zur Befestigung einer Last auf der Nabe des Spindelmotors, wobei die Halterung mittels einer Schraube in der Gewindebohrung festgelegt wird.
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Ein solcher Spindelmotor umfasst in der Regel ein feststehendes Motorbauteil, das eine Basisplatte und eine damit verbundene Lagerbuchse umfasst, und ein drehbares Motorbauteil, das die in der Lagerbuchse drehbar gelagerte Welle und die damit verbundene Nabe umfasst. Hierbei weist ein Ende der Welle vorzugsweise einen Wellenzapfen auf, der mittels einer Pressverbindung mit der Nabe verbunden ist.
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In der Regel umfasst ein solcher Spindelmotor ein fluiddynamisches Lagersystem, welches beispielsweise zwei Radiallager aufweist, die entlang eines axial verlaufenden Lagerspalts zwischen Lagerflächen der Welle und Lagerflächen der Lagerbuchse angeordnet sind. Die axialen Kräfte werden durch ein oder mehrere Axiallager aufgenommen.
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Das erste fluiddynamische Radiallager weist Lagerflächen auf, die sich in axialer Richtung an den Wellenzapfen anschließen. In einem Abstand zu diesem ersten fluiddynamischen Radiallager ist das zweite fluiddynamische Radiallager mit entsprechenden Lagerflächen angeordnet.
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Für den Einsatz in Festplattenlaufwerken oder beispielsweise Laserscannern werden an die Laufgenauigkeit der Spindelmotoren immer höhere Anforderungen gestellt. Daher müssen die Herstellung und Montage der Bauteile sehr genau erfolgen, um die spezifizierte Laufgenauigkeit der Spindelmotoren zu erreichen.
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Hierbei besteht das Problem, dass die Welle mittels einer Pressverbindung mit der Nabe verbunden ist, wobei durch diese Pressverbindung sehr hohe Kräfte auf die Welle wirken. Durch die auf die Welle einwirkenden Kräfte wird die Welle radial nach innen verformt, insbesondere im Bereich der Pressverbindung sowie im Bereich der angrenzenden Lagerfläche des oberen fluiddynamischen Radiallagers.
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Diese Verformung wird noch dadurch verstärkt, dass die Welle im Bereich des Wellenzapfens und des erstens Radiallagers eine axiale Gewindebohrung zur Befestigung der Halteschraube aufweist.
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Auch durch das Eindrehen der Halteschraube in die axiale Bohrung der Welle werden Kräfte erzeugt, die jedoch radial nach außen auf die Welle wirken.
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Die
DE 10 2013 022 267 A1 beschäftigt sich mit diesem Problem und offenbart in
3 einen Spindelmotor der eingangs beschriebenen Art mit einer zentralen Halteschraube, bei dem der Einfluss der Aufweitung der Welle durch die Halteschraube im Bereich des Radiallagers verringert werden soll, dadurch dass das Gewinde der Halteschraube erst unterhalb des Radiallagers, also zwischen den beiden fluiddynamischen Radiallagern im sogenannten Separatorbereich mit vergrößerter Spaltbreite, angeordnet ist.
Dadurch hat die Aufweitung der Welle durch Eindrehen der Halteschraube keinen negativen Einfluss auf die Geometrie der Radiallagerflächen bzw. die Spaltbreite des Lagerspalts in diesem Wellenabschnitt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor mit einer für diesen Spindelmotor geeigneten Welle bzw. Lagerbuchse anzugeben, bei dem die Gefahr einer Verformung der Welle, insbesondere durch die Pressverbindung zwischen Welle und Nabe, größtenteils kompensierbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor und eine Welle oder eine Lagerbuchse mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein Spindelmotor vorgeschlagen, bei dem ein Teil der Lagerfläche des ersten Radiallagers, welche an den Wellenzapfen angrenzt, eine konische Aufweitung aufweist, derart, dass der Durchmesser der Welle im Bereich der konischen Aufweitung in Richtung des Wellenzapfens zunimmt.
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Diese konische Aufweitung der Lagerfläche beträgt beispielsweise einen oder mehrere Mikrometer und wird derart gewählt, dass die Einschnürung oder Verformung der Lagerfläche durch die Pressverbindung zwischen Welle und Nabe in ihrem Betrag möglichst kompensiert wird.
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Dabei ist die Aufweitung der Welle im Bereich der Lagerfläche, die durch die Befestigungsschraube in der zentralen Bohrung der Welle hervorgerufen wird, ebenfalls zu berücksichtigen.
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Diese Aufweitung ist jedoch im Vergleich mit der Einschnürung durch die Pressverbindung relativ klein, sodass die Einschnürung durch die Befestigungsschraube nur wenig verringert wird.
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Die größte Kompensation der durch die Pressverbindung hervorgerufenen Einschnürung der Welle ist daher durch die konische Aufweitung der Welle zu erreichen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die konische Aufweitung über mindestens die Hälfte der dem Wellenzapfen am nächsten liegenden Lagerfläche des ersten Radiallagers, da insbesondere in diesem Bereich der Lagerfläche eine deutliche Einschnürung der Welle durch den Einfluss der Pressverbindung hervorgerufen wird.
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Es wird ebenfalls eine Welle für ein fluiddynamisches Lagersystem beansprucht, welche einen Wellenzapfen und eine sich an den Wellenzapfen anschließende erste Lagerfläche eines fluiddynamischen Radiallagers aufweist, wobei zumindest ein Teil dieser Lagerfläche der Welle eine konische Aufweitung aufweist, derart, dass der Durchmesser der Welle im Bereich dieser konischen Aufweitung in Richtung des Wellenzapfens zunimmt.
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Natürlich ist es im Sinne der Erfindung auch möglich, bei einem Spindelmotor nicht die Welle 12 im Bereich der Lagerfläche 22a mit einer konischen Aufweitung 28 zu versehen, sondern es kann in Umkehrung auch vorgesehen sein, die Bohrung in der Lagerbuchse 10 derart zu gestalten, dass die Lagerfläche der Lagerbuchse 10 im Bereich des oberen Radiallagers 22 und insbesondere oberhalb der Apexlinie 26 eine konische Einschnürung aufweist.
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D. h. in diesem Fall ist der Durchmesser der Lagerbohrung der Lagerbuchse 10 nicht konstant, sondern verringert sich oberhalb der Apexlinie 22 in Richtung des Wellenzapfens 12a bzw. der nächstliegenden Stirnseite der Lagerbuchse 10 jeweils um den Betrag d/2.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
- 1 zeigt eine Ansicht einer Welle eines Spindelmotors mit aufgepresster Nabe und einer in die axiale Gewindebohrung eingedrehten Befestigungsschraube.
- 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt von 1 im Bereich der Welle mit schematischer Darstellung der Lagerbuchse.
- 3 zeigt ein Diagramm der Deformation der Welle durch äußere Einflüsse.
- 4 zeigt eine Ansicht der erfindungsgemäßen Welle.
- 5 zeigt ein vergrößertes Detail der erfindungsgemäßen Welle von 4.
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1 zeigt einen Schnitt eines Teils eines Spindelmotors, insbesondere die Welle 12 des Spindelmotors und die Nabe 20, die mittels einer Pressverbindung auf einem Wellenzapfen 12a der Welle 12 angeordnet ist.
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Auf einer Stirnseite der Welle 12 ist eine axiale Gewindebohrung 12b vorgesehen, in welche eine Schraube 14 eindrehbar ist, die zur Befestigung einer Last bzw. einer Halterung (nicht dargestellt) zur Festlegung einer Last auf der Nabe 20 dient.
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2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Welle 12 von 1.
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Die Welle 12 umfasst an ihrem oberen Ende einen Wellenzapfen 12a, auf welchem die Nabe 20 mittels Pressverbindung aufgepresst ist.
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Man erkennt ferner die axiale Gewindebohrung 12b auf der oberen Stirnseite der Welle 12, die sich über einen Großteil der axialen Länge der Welle 12 erstreckt.
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In diese Gewindebohrung 12b wird die Befestigungsschraube 14 eingedreht, die zur Befestigung einer Last auf der Nabe 20 dient.
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Die Welle 12 ist drehbar in einer Lagerbuchse 10 gelagert, die hier lediglich schematisch dargestellt ist.
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Die Lagerbuchse 10 umfasst eine Lagerbohrung, die etwas größer ist als der Außendurchmesser der Welle 12, sodass zwischen der Welle 12 und der Lagerbuchse ein Lagerspalt 18 verbleibt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Das untere Ende der Lagerbuchse 10 ist mittels einer Abdeckung 16 verschlossen.
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An dem in der Lagerbuchse 10 befindlichen Ende der Welle kann ein Stopperring 12c angeordnet sein, der in einer vergrößerten Aussparung der Lagerbuchse 10 aufgenommen ist und ein Herausfallen der Welle 12 aus der Lagerbuchse 10 verhindert.
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Entlang des axialen Verlaufs des Lagerspalts 18 sind an der Welle 12 und der Lagerbuchse 10 Lagerflächen 22a, 24a angeordnet, die zusammen ein erstes fluiddynamisches Radiallager 22 sowie ein zweites fluiddynamisches Radiallager 24 bilden. Die Lagerflächen auf der Welle 12 und der Lagerbuchse 10 sind durch den mit Lagerfluid gefüllten ringförmigen Lagerspalt 18 voneinander getrennt.
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Im Bereich des Wellenzapfens 12a ist die Nabe 20 mittels einer Pressverbindung mit der Welle 12 gefügt.
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Auf Grund dieser Pressverbindung im Bereich des Wellenzapfens 12a und insbesondere durch die Schwächung der Welle 12 durch die axial verlaufende Gewindebohrung 12b kommt es zu einer Verformung der Welle 12 radial nach innen überwiegend im Bereich der Pressverbindung, also im Bereich des Wellenzapfens 12a, aber auch im Bereich der sich an den Wellenzapfen 12a anschließenden Lagerfläche 22a der Welle 12.
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Auf Grund dessen, dass sich die Lagerfläche 22a der Welle 12 im Bereich des oberen ersten Radiallagers 22 nach innen verformt, vergrößert sich die Breite des Lagerspalts 18 im Bereich des ersten Radiallagers 22.
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Der Lagerspalt ist in der Regel einige Mikrometer breit, sodass bereits eine Verbreiterung des Lagerspalts um 0,5 bis 1 Mikrometer deutliche Auswirkungen auf die Lagereigenschaften des Radiallagers hat.
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Die Welle 12 verformt sich im Bereich der Pressverbindung stärker als im unteren Bereich weiter entfernt von der Pressverbindung, sodass sich eine etwa konische Verformung und konische Aufweitung des Lagerspalts im Bereich des ersten Radiallagers 22 ergibt.
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Dadurch wirken die einzelnen Bereiche des Radiallagers 22 ungleichmäßig stark und erzeugen ungleichmäßige Lagerkräfte, die die Leistungsfähigkeit des Lagers herabsetzen, wobei insbesondere dieses obere Radiallager 22 einen Großteil der Lagerkräfte des Lagersystems aufnimmt, da es in der Nähe des Schwerpunktes liegt.
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3 zeigt eine schematische Grafik der radialen Verformung der Welle 12 über ihre Länge, zum einen hervorgerufen durch die Pressverbindung und zum anderen durch zusätzliche Verwendung der Befestigungsschraube 14.
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Die Verformung ist dargestellt bezogen auf eine Nulllinie, wobei auf der Ordinate jeweils die radiale Verformung der Welle 12 in beiden Richtungen senkrecht zu ihrer Längsachse dargestellt ist.
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Die Kurven 30 und 32 zeigen die Gesamtverformung der Welle 12 hervorgerufen durch die Pressverbindung zwischen Welle 12 und Nabe 20.
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Auf der Abszisse ist die axiale Länge der Welle 12 aufgetragen, wobei sich entlang des Bereichs 22' der Welle 12 die Lagerfläche 22a des ersten Radiallagers 22 erstreckt und entlang des Bereichs 24' der Welle 12 die Lagerfläche 24a des zweiten Radiallagers 24.
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Die Lagerflächen 22a, 24a sind mit Lagerrillenstrukturen versehen, die schräg zur Drehrichtung angeordnet sind und links und rechts einer Apexlinie 26 eine unterschiedlich gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Lagerspalt 18 ausüben.
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Man erkennt, dass gemäß den Kurven 30 und 32 die Einschnürung der Welle 12 durch die Pressverbindung hauptsächlich in dem Bereich 22' der Lagerfläche 22a links von der Apexlinie 26, d. h. in nächster Nähe des Wellenzapfens 12a erfolgt.
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Hierbei beträgt die maximale Einschnürung der Welle jeweils etwa einen Mikrometer, wodurch sich im Bereich der Pressverbindung insgesamt eine maximale Durchmesserverringerung der Welle von zwei Mikrometern ergibt.
Rechts von der Apexlinie 26 ist kaum eine Verformung der Lagerfläche zu erkennen, auch nicht im weiteren Verlauf der Welle oder im Radiallagerbereich 24' des zweiten Radiallagers 24.
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Durch Eindrehen der Befestigungsschraube 14 in die Gewindebohrung 12b der Welle 12 wird die Welle 12 etwas radial nach außen gedehnt, sodass sich gemäß den Kurven 34 und 36 insgesamt eine geringere Durchmessereinschnürung der Welle 12 ergibt, die am nächsten Punkt zum Wellenzapfen 12a maximal 2 × 0,75 Mikrometer beträgt und ebenfalls etwa bis zur Apexlinie 26 reicht.
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Durch Einschrauben der Befestigungsschraube 14 wird die Durchmesserverringerung der Welle 12 um etwa ein Viertel reduziert, was jedoch immer noch eine Gesamteinschnürung des Durchmessers von 1,5 Mikrometer bedeutet.
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Bei einer Spaltbreite des Lagerspalts 18 von drei bis vier Mikrometer führt die Einschnürung der Welle 12 um bis zu 1,5 Mikrometer zu einer Vergrößerung der Lagerspaltbreite um 30 % und mehr, was die Leistungsfähigkeit des Lagers gerade im Bereich links von der Apexlinie 26 deutlich verschlechtert.
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Die in 3 dargestellte Einschnürung der Welle 12 hat in etwa einen konischen Verlauf, d. h. ausgehend etwa von der Apexlinie 26 verringert sich der Durchmesser der Welle 12 in Richtung des Wellenzapfens 12a kontinuierlich.
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Erfindungsgemäß ist es gemäß den 4 und 5 vorgesehen, dass im Bereich 22' des ersten Radiallagers 22 die Lagerfläche 22a bzw. ein Teil der Lagerfläche 22a der Welle 12 oberhalb der Apexlinie 26 eine konische Aufweitung 28 erhält.
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In 5 ist dargestellt, dass die Welle 12 ausgehend von der Apexlinie 26 der Lagerfläche 22a derart hergestellt wird, dass sich ihr Durchmesser D in Richtung des Wellenzapfens 12a vergrößert in Form einer konischen Aufweitung 28.
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Der Durchmesser D der Welle 12 vergrößert sich in Richtung des Wellenzapfens insgesamt um einen Betrag d, wobei der Betrag d bzw. 2*d/2 der Aufweitung 28 etwa dem Betrag der Einschnürung ausgehend von der Mittelachse der Welle 12 gemäß 3 entspricht.
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Gemäß den Beispielen aus 3 kann für den Betrag d/2 etwa 0,75 Mikrometer angesetzt werden, sodass die Durchmesservergrößerung d der Welle 1,5 Mikrometer beträgt.
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Der Wellendurchmesser D beträgt beispielsweise 3,5 Millimeter, wobei der Durchmesser der Gewindebohrung 12b für die Gewindeschraube 14 je nach Ausführung des Spindelmotors zwischen 1,3 und 1,6 Millimeter beträgt.
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Durch diese Aufweitung des Durchmessers D der Welle 12 um den Betrag d im Bereich der Lagerfläche 22a des oberen Radiallagers 22, insbesondere einem Teil der Lagerfläche 22a, wird die durch die Pressverbindung hervorgerufene Einschnürung der Welle 12 im Wesentlichen kompensiert, sodass der Wellendurchmesser D im Bereich 22' der Lagerfläche 22a des oberen Radiallagers 22 etwa konstant bleibt und dem spezifizierten Wellendurchmesser D entspricht.
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Somit ändert sich die Spaltbreite des Lagerspalts 18 im Bereich des oberen Radiallagers 22 nicht, und das Radiallager behält seine volle Leistungsfähigkeit.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lagerbuchse
- 12
- Welle
- 12a
- Wellenzapfen
- 12b
- Gewindebohrung
- 12c
- Stopperring
- 14
- Schraube
- 16
- Abdeckung
- 18
- Lagerspalt
- 20
- Nabe
- 22
- fluiddynamisches Radiallager
- 22a
- Lagerfläche
- 22'
- Lagerbereich
- 24
- fluiddynamisches Radiallager
- 24a
- Lagerfläche
- 24'
- Lagerbereich
- 26
- Apexlinie
- 28
- konische Aufweitung
- 30
- Kurve
- 32
- Kurve
- 34
- Kurve
- 36
- Kurve
- D
- Außendurchmesser Welle
- d
- Betrag der Verformung des Wellendurchmessers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013022267 A1 [0012]
