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Verfahren zum Imprägnieren von Kondensatoren mit Folien aus
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Kunststoff.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zUm Imprägnieren
von Kondensatoren mit Folien aus Kunststoff, insbesondere Starkstromkondensatoren
für hohe Betriebsspannung.
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Bei der Herstellung von elektrischen mit einem Imprägniermittel imprägnierten
Kondensatoren werden die früher üblichen Folien aus Papier oder Papier und Kunststoff
mehr und mehr durch die Verwendung von Sunststoffolien verdrängt. Hierbei treten
jedoch bei der Imprägnierung der fertigen Wickel Probleme auf, die bei Anwendung
von Papierlagen nicht aufgetreten sind. Die Imprägnierung von Kondensatorwickeln
mit einer oder mehreren Papierfolien mit einem flüssigen Imprägniermittel, z.B.
Clophen, Oppanol, Chloralkylene oder dem unter dem Handelsnamen bekannten Imprägniermittel
'Shell K 8', bereitet keine Schwierigkeiten, da dieses vom Papier aufgesaugt wird
und sich entlang der langgestreckten Zellulosemoleküle ausbreitet. Weiterhin besitzt
das Papier immer eine gewisse Oberflächenrauhigkeit, so daß sich das Imprägniermittel
auch entlang der Oberflächen in den Kondensatorwickel hinein ausbreiten kann.
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Auf diese Weise sind auch Kondensatoren mit breiten Kondensatorwickeln,
wie sie für die Starkstromtechnik in Leistungskondensatoren Anwendung finden, ohne
Schwierigkeiten durchzumimprägnieren.
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Völlig anders liegen die Verhältnisse bei Kondensatoren mit einem
Kunststoffoliendielektrikum. Kunststoffolien absorbieren Imprägnierflüssigkeiten
in so geringem Maße, daß eine Ausbreitung innerhalb der Folie nicht möglich ist.
Die Oberfläche der Kunststoffolien ist so glatt, daß die Folien durch Adhäsionskräfte
eng aneinander liegen. Eine Imprägnierung entlandader Oberflächen ist daher besonders
bei Wickeln größerer-Breite nur sehr untollständig möglich. Es bleiben unbenetzte
Gebiee mit -Lufteinschlüßsen, in denen dann beim Betrieb des Kondensators durch
die dort vorhandene erhöhte elektrische Feldstärke Glimmen und schließlich Foliendurchschläge
auftreten.
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-Ein Kondensator mit einem Eunststoffolien-Dielektrium besitzt andererseits
entscheidende Vorteile gegenüber einem Papier-Di
elektrikum oder
einem Mischdielektrikum Papier/Kunststoff. Diese Vorteile sind eine höhere Durchschlagsfestigkeit
und wesentlich kleinere dielektrische Verluste. Der tg ö ist z.B. für Polypropylen
rund um den Stator 10 kleiner als für Papier. Kleinere dielektrische Verluste bedeuten
kleinere Eigenerwärmung und höhere Durchschlagsfestigkeit, kleinere Stärke des Dielektrikums
oder auch dünnere Kunststoffolien. Dies wiederum bedeutet weniger Naterialaufwand,
was neben kleineren Bauformen der Kondensatoren vor allem entscheidend kleinere
Herstellkosten zur Folge hat.
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Um nun bei Kondensatoren mit Kunststoffolien, die keine saugfähigen
Wickelbeilagen besitzen, eine gute Durchimprägnierung zu erreichen ist bereits bekannt,
die Oberfläche der Eunststofffolie mit einer Noppenstruktur zu versehen. Durch die
Noppen soll erreicht werden, daß sich ein Abstand zwischen den Folien zur Ausbreitung
der Imprägnierflüssigkeit bildet. Eine Verschlechterung der elektrischen Werte,
insbesondere der Durchschlagsspannung, der so modifizierten Kunststoffolie, sowie
höhere Folienpreise sind die hauptsächlichen Gründe, da3 dieser Vorschlag bisher
keine Lösung des Problems gebracht hat.
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In einem anderen Vorschlag (DII-OS 2 403 125) wird die Kunststofffolie
während des Wickelvorgangs imprägniert, indem sie durch ein Imprägniermittelbad
gezogen wird oder gemäß einem weiteren Vorschlag mit dem Imprägniermittel besprüht
wird. Auch diese Vorschläge haben bisher zu keinen positiven Resultaten geführt.
Durch Absorption im Imprägniermittelbad oder in noch stärkerem Maße durch den Sprühvorgang
werden Spuren von Luft und Feuchtigkeit ins Dielektrikum mit eingeschlossen, die
sich auch durch noch so lange nachfolgende Temperprozesse nicht mehr entfernen lassen.
Durch den so erhaltenen Imprägniermittelfilm sind zwischen den Windungen nur sehr
geringe Reibungskräfte vorhanden, so da3 die benachbarten Lagen leicht gegeneinander
verschiebbar sind. Dieses 'Schwimmen' der einzelnen Lagen verursacht während des
Wickelvorgangs ein ständiges Verlaufen der einzelnen Lagen, was sich schädlich auf
die Spannungsfestigkeit auswirkt und auberdem eine Verkleinerung der Kapazität bei
gleichem Volumen hervorruft. Weiterhin wird beim Wickeln Imprägniermittel an den
Stirnseiten herausgepreßt und bei hoher Wickelgeschwindigkeit mit großer Kraft tangential
weggeschleudert, so daß der Wickelvorgang verlangsamt werden muß.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, in
einfacher Weise unter Beibehaltung der bisherigen Wickelgeschwindigkeit und Sauberkeit
bei der Fertigung eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie ein Kondensator der genannten
Art vollkommen durchimprägniert und damit sehr spannungsfest und verlustarm gemacht
werden kann und dabei gegebenenfalls noch die Fertigungazeit verkürzbar ist.
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ErfindungsgemäJ wird dies dadurch erreicht, daß jeweils eine von zwei
aufeinanderliegenden Folien mit Ausnahme der Randbereiche vor oder während des Wickelprozesses
in einem Vorimprägnierungsprozeb derart mit Imprägniermittel benetzt wird, daß die
freien Randstreifen eine ein Verlaufen der Lagen verhindernde Reibungskraft erzeugen
und anschließend der Kondensatorwickel im Randbereich durch einen Nachimprägnierprozeß
imprägniert wird. Die Breite des frei zu lassenden Randstreifens bzw. der Randstreifen
ist außer von den aufeinanderliegenden Folien abhängig vom verwendeten Imprägniermittel,
z.B. dessen Viskosität und Benetzbarkeit, vom Benetzungsprozeß, z.B. der Dicke und/oder
Verteilung des Imprägniermittels, und von den nachfolgenden Prozessen, z.B. Temperatur-
und/oder Vakuumbehandlung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird für den
Benetzungsprozeß und gegebenenfalls die Nachimprägnierung zwecks Imprägnierung der
freien Randbereiche ein Imprägniermittel besonders hoher Qualität verwendet, z.B.
Silikonöl, das neben hoher Glimmspannungsfestigkeit und Durchschlagsfeldstärke,
kleinem Verlustwinkel tg 6 auch einen möglichst kleinen Absportionskoeffizienten
für Gase und Wasser hat. Das Imprägniermittel für die Nachimprägnierung und Füllung
eines Kondensatorbehälters soll zwar ebenfalls eine hohe Glimmspannungsfestigkeit
und hohe Durchschlagsfeldstärke besitzen; bezüglich der Absorption von Gasen und
Flüssigkeiten brauchen jedoch nicht so strenge Maßstäbe angelegt zu werden. Es kann
also für die Benetzung und gegebenenfalls die Imprägnierung der Randbereiche eine
kleine Menge sehr teueres und hochwertiges Imprägniermittel verwendet werden und
zur Nachimprägnierung und zur Füllung des Eondensatorbehälters, gegebenenfalls auch
bereits zur Imprägnierung der freien Ränder, ein billigeres Imprägniermittel ausreichender
Qualität, z.B. 'Clophen', 'Shell K 8', verwendet werden. Es darf allerdings nicht
mit dem ersteren reagieren und die elektrischen Werte verschlechtern und soll keine
allzu verschiedene Dielektrizitätskonstante zu ersterem aufweisen.
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Die dünne Benetzung der Kunststoffolien mit seitlich unbenetzten Streifen
kann durch '2berträger' erfolgen, die das Imprägniermittel in geeigneter und gut
reproduzierbarer Dosis aufnehmen und an die Folie abgeben können. Diese tberträger
können rakelartige Gebilde aus Silikongummi sein, aber auch modifizierte, breite
Pinsel oder abrollende Schwämme sind geeignet. Ungeeignet sind tberträger, die chemisch
durch das Imprägniermittel angegriffen werden und die Staub- oder irgendwelche Faserteilchen
abgeben.
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<Die Nachimprägnierung erfolgt z.B. wie üblich unter Vakuum) Die
beschriebene Benetzung der Kunststoffolie mit dem Imprägniermittel oder einer Imprägnierlösung
kann vorteilhaft auch durch Aufdampfen dieser Lösung im Hochvakuum in einem kontinuierlichen
Prozeß erfolgen, wobei die benetzungsfreien seitlichen Zonen durch geeignete Blenden
erreicht werden. Dieser Imprägnierprozeß schließt eine Verunreinigung des Imprägniermittels
durch Gase und andere Stoffe weitgehend aus und führt zu ei r besonders gleichmäßigen
und reproduzierbaren Imprägnierun J durch diesen Prozeß sollen die noch unbenetzten
Randzonen der Kunststoffolien, sowie das Äußere des Eondensatorwickels imprägniert
werden. Bei Leistungskondensatoren benützt man vorteilhafterweise Clophen als Imprägniermittel.
Wenn Kostengründe dies nicht verbieten würden, könnte man natürlich auch Silikonöl
verwenden.
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Wie schon erwähnt, hängt die Breite der bei der Vorimprägnierung unbenetzten
Kunststoffolienzone von einer optimalen Wickeltechnik einerseits und andererseits
von einer einwandfreien Nachimprägnierung dieser Zonen ab. Diese Nachimprägnierung
wird dadurch erleicBert und beschleunigt, daß diese Zonen von zwei Seiten gleichzeitig
durchdrungen werden. Vom Wickelinneren dringt das Imprägniermittel der Vorimprägnierung
nach außen, während das Imprägniermittel der Nachimprägnierung yon auch nach innen
diffundiert. Gegenüber der normalen Vakuumimprägnierung in einem Schritt kommt man
also wegen der geringen Breite der unbenetzten Zonen und der Durchdringungen von
beiden Seiten mit wesentlich kürzeren Imprägnierzeiten aus.
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In einer Abwandlung des beschriebenen zweistufigen Imprägnierungsprozesses
kann die Nachimprägnierung durch einen reinen Temperaturprozeß im Vakuum ersetzt
werden, dessen Ziel die Imprägnierung der nach dem Vorimprägnierungsprozeß noch
unbenetzten Randzonen der
Kunststoffolien ist, indem das Vorimprägniermittel
vom Wickelinneren nach außen in diese Randzone dringt. Daran schließt sich das Füllen
des Kondensatorgehäuses mit demselben oder einem billigeren Imprägniermittel an,
das den Kondensatorwickel von außen umgibt. Es handelt sich also in diesem Fall
um einen zweistufigen der Nachimprägnierprozeß. Bezüglich elektrischen Sigenßchaften
ist diese Abwandlung des allgemeinen Prozesses am optimalsten, da das gesamte Dielektrikum
von dem hochwertigsten Imprägniermittel durchdrungen ist.
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Es soll nicht unerwähnt bleiben, daß es zwar aus der DT-PS 644 280
bereits bei der Herstellung von Elektrolytkondensatoren bekannt ist, einen Teil,
z.B. die Mittelbahn, der aus Bahnen aus Papier oder ähnlichen Faserstoffen bestehenden
Abstandhalter während des Wikkelns mit Elektrolyt vorzutränken. Hierbei handelt
es sich jedoch darum, die Reißfestigkeit des Papiers zu erhalten und trotzdem eine
Vorimprägnierung vornehmen zu können. Dieses Verfahren soll dort deshalb angewandt
werden, weil eine Imprägnierung unter Vakuum wegen des wasserhaltigen Elektrolyts
nicht möglich ist. Es gibt jedoch keinen Hinweis darauf, daß und wie die bahnweise
Vorimprägnierung bei Kunststoffolienkondensatoren angewendet werden kann.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Fig. 1 zeigt einen Kondensatorwickel mit versetzten Elektroden (Al-Folien)
vor der Nachimprägnierung, Fig. 2 einen solchen, dessen Al-Folien schmaler sind
als die Kunstatoffolien, Fig. 3 neigt einen gemäß der Erfindung hergestellten Kondensator,
Fig. 4 zeigt einen Kondensatorwickel mit beidseitig metallisiertem (saugfähigem)
Isolierstoffträger und je einer Dielektrikumsfolie, Fig. 5 einen Kondensatorwickel
mit beidseitig metallisertem aug-und fähigem) Isolierstofiträger und je zwei Dielektrikumsfolien,
Fig. 6 verschiedene Vorrichtungen zur Ausübung des Verfahrens.
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Mit l und 2 sowie 3 und 4 ist Je eine Kunsstoffolie bezeichnet, wobei
jeweils zwei, nämlich 1 und 2 bzw. 3 und 4, unmittelbar aufeinanderliegen. Diese
dienen als Dielektrikum zwischen zwei als Kondensatorelektroden 5 und 6 wirkenden
Metallfolien, insbesondere Aluminiumfolien. Die Breite aller Folien ist hier gleichgroß;
aufeinanderfolgende Lagen sind jedoch gegenseitig versetzt vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Folien
1, 2; 2, 6; 6, 3; 3, 4; 4, 5 vor oder während des Wickelprozesses ein Imprägniermittel
7 derart im mittleren Bereich der Folien aufgebracht, daß auf beiden Seiten ein
Randstreifen 8 frei bleibt. Dieser Randstreifen 8 ist so breit belassen, daß beim
Wickeln die Reibungskräfte im Bereich der Randstreifen 8 zwischen den aufeinanderliegenden
Folien so groß bleiben, daß ein Verlaufen der einzelnen Windungslagen beim Wickeln
vermieden wird.
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In einem nachfolgenden Vakuum- und/oder Ausheizprozeß kann erreicht
werden, daß das Imprägniermittel von innen her den Randstreifen benetzt oder es
kann, gegebenenfalls gleichzeitig damit, ein gleiches oder ein anderes Imprägniermittel
von außen zugeführt werden, so daß dieses den Randstreifen 8 von außen her vollkommen
benetzt und die Zwischenräume ausfüllt.
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In Fig. 2 sind die Kondensatorfolien 5 und 6 schmaler ausgeführt als
das ats den hier z.B. einlagig vorgesehenen Kunststoffolien 1 und 3 bestehende Dielektrikum.
Entsprechend ist der Randstreifen 8 breiter als im vorherigen Ausführungeispiel,
da die Reibungskraft zwischen den Kondensatorfolien 5 bzw. 6 und den angrenzenden
Kunststoffolien 1 und 3 auftreten muß.
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In Fig. 3 ist ein Beistungskondensator gezeigt, bei dem erfindungsgemäß
hergestellte Kondensatorflachwickel 9 zu einem Kondensatorblock zusammengefaßt und
in einem Behälter 10 untergebracht sind.
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Erfindungsgemäß ist der Behälter 10 mit einem Imprägniermittel 11
gefüllt, das gegenüber dem für die Kondensatorwickel verwendeten sehr hochwertigen
teueren Imprägniermittel aus billigerem Material besteht, das jedoch mit dem teueren
nicht derart reagiert, daß sich dessen elektrische Eigenschaften merkbar verschlechtern.
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Für die Kondensatorbeläge kann eine metallisierte Trägerfolie, z.B.
auch eine metallisierte Lackfolie verwendet werden. Es ist auch möglich, jeweils
eine zwischen zwei Folien vorgesehene Folie beidseitig mit Imprägniermittel zu benetzen
und die angrenzenden jeweils überhaupt nicht oder nur auf der der beidseitig benetzten
gegenüberliegenden Seite statt jede Folie einseitig zu benetzen.
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U.U. kann es auch zweckmäßig sein, insbesondere z.B. bei sehr niedrigviskosen
ImBxagniermittein, alle oder einen Teil der Folien beidseitig gemäß der Erfindung
zu imprägnieren. Die Erfindung ist auch anwendbar auf Kondensatoren, bei denen die
Metallfolie durch eine beidseitig bedampfte Papierfolie als Elektrode ersetzt ist.
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Die Metallfilme auf beiden Papierseiten sind kurzgeschlossen und erzeugen
daher im Papier einen feldfreien Raum. Das Papier ist also elektrisch nicht wirksam.
Es erlaubt andererseits innerhalb der Papierfolie die Ausbreitung von Imprägniermittel.
Dies hilft aber acht zur Imprägnierung von zwei oder mehr aneinanderliegenden Kunststoffolien.
Hier ist dasselbe Problem wie bei den Kondensatoren mit Metallfolien und Kunststoffolien
vorhanden. Eine derartige Ausführung mit einer Kunststoffolienlage zeigt die Fig.
4 und mit zwei Kunststoffolienlagen die Fig. 5. Mit 34 und 35 ist je eine saugfähige
Isolierstoffolie, insbesondere ein Papierband bezeichnest, das beidseitig mit einer
vorzugsweise aus Aluminium bestehenden Metallschicht 36, 37 bzw. 38, 39 versehen
ist. In Fig. 4 ist eine Kunststoffolie 1 bzw. 3, z.B. aus Polypropylen, und in Fig.5
sind zwei Kunstatoffolien 1, 2 und 3, 4 vorgesehen.
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In der in Fig. 6 gezeigten Wickelvorrichtung sind als Beispiel für
eine Imprägniermittelauftragung je Folie eine besondere Auftrag vorrichtung gewählt.
Da, von Sonderfällen abgesehen, üblicherweise nur mit einem Imprägniermittel gearbeitet
wird, sind für das Verfahren für jeden Auftragozeß die gleichen AuStragvrorrichtungen
vorgesehen und nur in den Sonderfällen verschiedene AuStrag~ vorrichtungen erforderlich.
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Von einer Vorratsrolle 12 gelangt eine Kondensatorfolie 5, z.B.
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ein Aluminiumband, zu einer Auftrag:orrichtung 13, die aus einem Vorratsbehälter
14, vorzugsweise mit einem Zuflußregler 15, und einer unterhalb eines vorteilhaft
justierbaren Auslaufschlitzes 16 befindlichen Ubertragungswalze 17 besteht, unter
der sich die Kondensatorfolie 5 beim Aufwickeln des Wickels 18 hinbewegt. Unter
der Kondensatorfolie 5 kann eine Gegendruckrolle 19 vorgesehen sein. Diese Vorrichtung
ist besonders geeignet für mittel- bis hochviskose Imprägniermittel.
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Eine auf einer Vorratsrolle 20 befindliche Kunststoffolie 1 wird unter
einem porösen, z.B. filz-, schwamm- oder bürstenartigen Streifen 21 hinbewegt, der
in eine zweckmäßig absperrbare Aus-Aauföffnung, insbesondere einen Schlitz eines
Vorratsbehälters a2, eingesetzt ist. Unterhalb der Folie 1 ist unter dem Streifen
21 eine Gegendruckrolle 23 vorgesehen. Diese Vorrichtung ist besonders für mittel-
bis niedrigviskose Imprägniermittel geeignet.
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Eine weitere Auftragvorrichtung 24 nach Art einer Rakel ist bei der
Kondensatorfolie 6 vorgesehen, die von einer Vorratsrolle 25-abgewickelt
wird.
Hierbei dient die Vorderwand 26 als Rakelwand und die untere vorzugsweise in der
Höhe einstellbare Kante 27 als Abstreifkante. Auch hier ist eine Gegendruckrolle
28 vorgesehen. Die Vorrichtung eignet sich vor allem für höherviskose Imprägniermittel.
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Die Kondensatorfolie 6 kann gleichzeitig von unten mit Imprägniermittel
benetzt werden, indem von einer Tauchwalze 29, die in einen mit Imprägniermittel
gefüllten Behälter 30 eintaucht, und die auf der Oberfläche der Tauchwalze 29 befindliche
Imprägniermittelschicht wird durch eine auf dieser gegebenenfalls mit geringerem
Abstand abrollende Ubertragerwalze 31 auf die Unterseite der Kondensatorfolie 6
übertragen, indem letztere über die Ubertragerwalze gezogen wird.
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Da die Kondensatorfolie 6 beidseitig mit Imprägniermittel benetzt
bzw. beschichtet ist, kann die zweite von einer Vorratsrolle 32 abwickelbare Kunststoffolie
3 unbeschichtet bleiben.
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Alle Folien 1, 2, 5, 6 werden über Umlenkrollen 33 bzw. 31 bei Anwendung
der Tauchwalze 29 der Wickelvorrichtung, z.B. einem Wickeldorn etc. zugeführt und
gemeinsam zu einem Kondensatorwickel 18 gewickelt.
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L e e r s e i t e