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Schaltungsanordnung zur Erfassung von
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Drehgrößen einer Welle Stand der Technik Die Erfindung geht aus von
einer Schaltungsanordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Aus dem Buch von Rohrbach, Handbuch für elektrisches Messen mechanischer
Größen, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1967, Seite 518 ff sind sogenannte magnetoelastische
Transformatorgeber bekannt. Diese Geber sind auf einer Welle angeordnet, die das
zu messende Drehmoment überträgt bzw. die zu messende Drehzahl hat. Die Geber weisen
einen primären Jochring und nach beiden Seiten seitlich dazu versetzte sekundäre
Jochringe auf, wobei durch den primären Jochring in der Welle ein bestimmtes magnetisches
Feld erzeugt wird und die sekundären Jochringe so abgestimmt sind, daß, wenn kein
Drehmoment übertragen wird, die Ausgangs spannung an den sekundären Jochringen gerade
Null wird. Tritt jedoch an der Welle infolge des übertragenen Drehmoment es eine
Torsion auf, wird das vom primären Jochring in der
Welle erzeugte
Magnetfeld aufgrund des magnetoelastischen Effektes verzerrt und an den sekundären
Jochringen ist eine Spannung abnehmbar, aus der eine Größe für das übertragene Drehmoment
abgeleitet werden kann. Ein änlicher Geber ist auch in der ASEA Zeitschrift, 1960,
Heft 4 Seite 155 ff beschrieben.
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Nachteil dieser bekannten Drehmomentgeber und der damit verbundenen
Auswerteschaltungen ist, daß zur Speisung des primären Jochringes erhebliche Wirkleistungen
aufgebracht werden mußten, die üblicherweise dem Netz entnommen wurden.
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Hierdurch ergibt sich eine Frequenz von 50 oder o0 Hz, die ihrerseits
den Drehzahlbereich der zu messenden, ein Drehmoment übertragenden Wellen begrenzt,
da es zu erheblichen Störungen kommt, wenn die Drehzahl der Welle gleich einer harmonischen
Oberschwigung der Netzfrequenz wird. Weiterhin haben die bekannten Vorrichtungen
den Nachteil, daß durch die auftretenden Oberwellen nur ein geringer Signal-Störabstand
erzielt werden kann.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß
zur Speisung des Gebers nur eine geringe Wirkleistung erforderlich ist, so daß die
Schaltungsanordnung auch für mobile Einsatzfälle, beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeuges
eingesetzt werden kann. Dies ermöglicht, magnetoelastische Drehmoment- und Drehzahlgeber
beispielsweise zur Steuerung eines automatischen Getriebes oder einer Brennkraftmaschine
in einem Kraftfahrzeug zu verwenden. Weiterhin hat die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
den Vorteil, daß im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen neben einem Drehmoment
signal auch ein Drehzahlsignal gewonnen
werden kann. Ferner wird
durch Verwendung eines phasenselektiven Gleichrichters zur Auswertung des Gebersignals
erreicht, daß auch das Vorzeichen des jeweils gemessenen Drehmomentes gemessen werden
kann.
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Schließlich bewirkt der Kurzschlußbetrieb des Gebers, daß die Oberwellen
unterdrückt werden, so daß ein besonders hoher Signal-Störabstand erreicht wird.
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Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig.
1 das von einem Drehmomentgeber nach dem Stande der Technik in einer unbelasteten
Welle erzeugte Feld; Fig. 2 das Feld bei belasteter Welle; Fig. 3 eine elektronische
Schaltung zur Ansteuerung und Auswertung des Gebers; Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel
zur Beschaltung der Spulen des Gebers; Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur
Beschaltung der Spulen des Gebers; Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
elektronischen Schaltung zur Ansteuerung und Auswertung des Gebers.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Bei den magnetoelastischen Transformatorgebern
nach dem Stande der Technik werden von den Polen des pirmären Jochrings, die jeweils
gegensinnig gepolt sind, auf der unbelasteten Welle Felder erzeugt, wie sie in Fig.
1 dargestellt sind. Die Projektion der Pole des primären Jochrings sind hier mit
N und S bezeichnet, wobei N einen magnetischen Nordpol, S einen magnetischen Südpol
darstellt. In der Projektion sind auch die Lage der Pole a und b der beiden sekundären
Jochringe abgebildet, wobei je ein sekundärer Jochring über und unter dem primären
Jochring gelagert ist. Weiterhin sind die
sekundären Jochringe so
angeordnet, daß in der Projektion auf die Welle dem*Pol a axial ein Pol b gegenübersteht.
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Ist die Welle spannungsfrei, ist das Magnetfeld zwischen den verschiedenen
Nord- und Südpolen symmetrisch, so daß sich die sekundären Pole über Punkten mit
dem gleichen magnetischen Potential befinden. Ein Magnetfluß durch den Sekundärkreis
findet also nicht statt.
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Wird die Welle einer Drehbelastung ausgesetzt, so nimmt, wie Fig.
2 zeigt, die Permeabilität in der Spannungsrichtung, d.h. hier zwischen den Polen
b und S bzw. a und N zu, während sie in der Druckrichtung, also zwischen den Polen
b und N bzw. a S abnimmt. Auf diese Weise kommen alle a-Pole den N-Polen und alle
b-Polen den S-Polen magnetisch näher, d.h.
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die magnetischen Aquipotentiallinien werden verformt, so daß die Pole
a und b verschiedene magnetische Potentiale aufweisen. Die magnetische Potentialdifferenz
zwischen den Sekundärpolen bewirkt einen Magnetfluß durch den Sekundärkreis, so
daß eine Spannung in den Sekundärspulen induziert wird.
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Zur Erzeugung eines Magnetfeldes nach Fig. 1 und 2 sind die Spulen
des primären Jochringes mit einer Wechselspannung zu versorgen. Hierzu werden in
Fig. 3 die Spulen des primären Jochringes 1 über einen Kondensator 2 mit dem Ausgang
eines Verstärkers 3 verbunden. Der andere Ausgang der Spule des primären Joches
steht mit dem Eingang des Verstärkers 3 in Verbindung. Der Eingang des Verstärkers
3 ist über einen Widerstand 4 des weiteren mit Masse verbunden. An den Eingang des
Verstärkers 3 ist eine Signalformerstufe 5 angeschlossen. Ein Ausgang der Spulen
zweier sekundärer Jochringe 6 und 7 ist miteinander verbunden und einem Strom-Spannungswandler
8 zugeführt. Die anderen Seiten der Spulen der sekundären Jochringe 6 und 7 sind
jeweils an einen Eingang der Primärseite eines Differenztransformators 9 angeschlossen.
Die Mittelanzapfung der
Primärseite des Differenztransformators
9 ist über einen Kondensator 10 mit dem zweiten Eingang des Stron-Spannungswandlers
8 verbunden. Die Sekundärseite des Differenztransformators 9 ist ebenfalls an einen
Strom-Spannungswandler 11 angeschlossen, wobei in eine Zuleitung eisen Kondermator
12 geschaltet ist. Der Ausgang des Strom-Spannungsweandlers 8 ist mit dem Eingang
eines phasenselektiven Gleichrichters 13, der Ausgang des StrQm-Spannungswandlers
I1 mit dem Eingang eines phasenselektiven Gleichrichters 14 verbunden. Die Gleichrichter
13 und 14 sind weiterhin an die Signalformersttife 5 angeschlossen Die Ausgänge
der Gleichrichter 13 und 14 führen jeweils an die Tiefpaßfilter 15 bzw. 16 Am Ausgang
17 des Tiefpaßfilters 15 ist ein dem Drehmoment proportionales Signal, am Ausgang
18 des Tiefpaßfilters 16 ein der Drehzahl proportionales Signal abgreifbar.
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Soll der magnetoelastische Geber ein drehzahlunabhängiges Signal liefern,
so darf die Wellendrehzahl maxiaml 75 % der Synchrondrehzahl betragen. Die Synchrondrehzahl
ist dabei die Wellendrehzahl, bei der ein Punkt auf der Wellenoberfläche eine Polteilung
während einer halben Periode der Speisespannung zurücklegt. Daraus ergibt sich die
notwendige Speisefrequenz in Hz aus dem Produkt von Wellendrehzahl mit der Anzahl
der Pole pro Jochring dividiert durch 90, wobei die Wellendrehzahl in Umdrehungen
pro Minute anzugeben ist. Bei einer Wellendrehzahl von maximal 7500 Umdrehungen
pro Minute und bei 6 Polen pro Ring ergibt sich z.B. eine Speisefrequenz von mindestens
500 Hz.
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Der Oszillator, bestehend aus Spule 1, Kondensator 2 und Verstärker
3 kann in seiner Frequenz beliebig gewählt werden, so daß eine Anpassung an die
maximale Drehzahl leicht möglich ist und eine vorgegebene Netzfrequenz keine Rolle
spielt. Die von dem Verstärker 3 abzugebende Leistung ist durch eine gewisse Mindestdurchflutung
gegeben, die
erforderlich ist, um maximale Linearität und minimale
Hysterese zu erreichen. Die aufzubringende Durchflutung ist abhängig von der Härte
des Wellenwerkstoffes und von der Größe des Luftspaltes zwischen den Polen und der
Welle.
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Mit wachsender Speisefrequenz steigt der Blindwiderstand der Spule
des primären Jochringes an. Aus diesem Grunde wird der Blindwiderstand der Spulen
des primären Jochringes 1 durch den Kondensator 2 kompensiert. Die Spule des primären
Jochringes 1 und der Kondensator 2 bilden einen Serienresonanzkreis, der in dem
Ausführungsbeispiel in den Rückkcpplungskreis des Verstärkers 3 geschaltet ist und
so gleichzeitig die Schwingfrequenz des mitgekoppelten Verstärkers 3 bestimmt.
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Durch eine zusätzliche Gegenkopplung des Verstärkers kann die Amplitude
des als Oszillator arbeitenden Verstärkers 3 eingestellt werden. Im Gegensatz zu
den bekannten Anordnungen nach dem Stand der Technik, bei denen die Spulen der Jochringe
starr aus dem Netz gespeist wurden, sind bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
die Spule des primären Jochringes 1 Teil eines frequenzbestimmenden Gliedes eines
Oszillators, der durch den mitgekoppelten Verstärker 3 realisiert wird. Auf diese
Weise wird mit geringer Speiseleistung die erforderliche Mindestdurchflutung aufgebracht.
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Die Ausgangs spannung der Spulen der sekundären Jochringe 6, 7 ist
für gleich große positive und negative. Drehmomente der Welle gleich groß, jedoch
um 1800 phasenverschoben.
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Die Phasenlage der Ausgangs spannung muß daher ebenfalls erkannt und
beachtet werden. Dies geschieht erfindungsgemäß mit Hilfe eines phasenselektiven
Gleichrichters.
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Am Widerstand 4 ist ein Teil des vom Verstärker 3 abgegebenen Signales
abgreifbar, wobei das sinusförmig anliegende
Signal durch die
Signalformerstufe 5 in ein Rechtecksignal umgewandelt wird, mit dem synchron über
einen elektronischen Schalter, beispielsweise einen Feldeffekttransistor, die phasenselektiven
Gleichrichter 13 und 14 auf ihrer Referenzseite gesteuert werden. An den Meßeingängen
der phasenselektiven Gleichrichter 13, 14 werden die Ausgangssignale der sekundären
Jochringe 6, 7 empfangen.
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Die in den Spulen der sekundären Jochringe 6 und 7 induzierte Sekundärspannung
ist stark oberwellenhaltig. Die Information über das Drehmoment ist jedoch nur in
der Grundwelle des Ausgangssignals enthalten, d.h. die Oberwellen müssen herausgefiltert
oder mindestens unterdrückt werden.
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Messungen haben gezeigt, daß insbesondere die Sekundärleerlaufspannung
einen starken Oberwellengehalt aufweist. Außerdem weisen die Spulen bei den bekannten
Vorrichtungen in den sekundären Jochringen sehr hohe Windungszahlen auf, um die
erfor-derliche Ausgangsspannung zu erhalten. Im Gegensatz dazu wird bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung der Kurzschlußstrom gemessen, bei dem erheblich weniger Oberwellen auftreten,
da die den Oberwellen entsprechenden Ströme durch die induktive Quellimpedanz proportional
mit der Frequenz bedämpft werden Außerdem wird der Kurzschlußstrom umso größer je
weniger Windungen die Sekundärspulen haben. Wenige Windungen haben noch den weiteren
Vorteil, daß sie die Quellimpedanz verringern und damit das Signal-Rauschverhältnis
verbessern.
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Im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen ist es bei der erfindungsgemäßen
Anordnung in besonders vorteilhafter Weise möglich, zusätzlich zum Drehmoment auch
die Drehzahl der sich drehenden Welle zu messen. In die Spulen der sekundären Jochringe
6, 7 wird nämlich bei sich drehender Welle durch den sogenannten Strom mitnahmeeffekt"
ein Strom induziert, der von der Drehzahl
abhängig ist, wobei
das Vorzeichen dieses Stromes davon abhängt, auf welcher Seite des primären Jochringes
sich der sekundäre Jochring befindet Da sich bei der erfindungsgemEßen Anordnung
je ein sekundärer Jochring 6, 7 auf einer Seite des primären Foehringes befindet,
tritt in dem einen Jochring die Summe der Signale entsprechend Drehmoment und Drehzahl
auf und in dem anderen die Differenz. Schaltet man nun die Spulen der beiden sekundären
Jochringe 6 und T auf der einen Seite über einen Differenztransformator 9 zusammen,
so ist an der Mittelanzapfung der Primärseite des Differenztransformators 9 ein
Strom proportional zum Drehmoment abgreifbar, während an der Sekundärseite des Differenztransformators
9- ein Strom proportional der Drehzahl anliegt. Durch geeignete Wahl der Koppelkondensatoren
10 und 12 kann erreicht werden, daß die Kondensatoren 10 und 12 zusammen mit den
Spulen der sekundären Jochringe 6 und 7 und dem Differentransformator 9 Resonanzkreise
bilden, die in ihrer Resonanzfrequenz der des Oszillators 3 entsprechen. Durch die
Signalüberhöhung im Resonanzfall werden die Oberwellen schon weitgehend unterdrückt.
Da die Resonanzkreise jedoch nur schwach abfallende Flanken haben, werden nahe Oberwellen,
insbesondere die dritte Oberwelle, nur unzureichend unterdrückt.
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Der der Drehzahl und dem Drehmoment proportionale Strom wird mittels
bekannter Strom-Spannungswandler 8 und 11 in eine der Drehzahl bzw. dem Drehmoment
proportionale Spannung umgewandelt. Durch die phasenselektiven Gleichrichter 13,
14 wird die der Drehzahl bzw. dem Drehmoment proportionale Wechselspannung in eine
Gleichspannung umgewandelt. Selbstverständlich sind auch sonstige übliche Gleichrichterschaltungen,
die ein der Amplitude der Wechselspannung proportionales Gleichspannungssignal abgeben,
verwendbar. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung phasenselektiver Gleichrichter,
die durch eine Rechteckspannung im Takte der Meßspannung getaktet werden, die am
Ausgang der Signalformerstufe
5 anliegt. Die Signalformerstufe
5 wird von der. sinusförmigen Schwingungen des Verstärkers 3 angesteuert Am Ausgang
der phasenselektiven Gleichrichter 13 und 14 wird dann ein mit der Grundwelle synchron
und phasenrichtig gleichgerichtetes Signal abgegeben, bei dem alle Oberwellen ungerader
Ordnung, also auch die dritte Oberwelle stark unterdrückt werden. Die Bandbreite
der Ausgangsspannung der phasenselektiven Gleichrichter 13, 14 wird weiterhin durch
Tiefpaßfiler 15, 16 festgelegt, die vorzugsweise als zweipolige Bessel-Tiefpaßfilter
ausgeführt sind. Am Ausgang 17 des Tiefpaßfilters 15 steht nun eine Gleichspannung
zur Verfügung, die dem Drehmoment der Welle proportional und vorzeichenrichtig ist,
während am Ausgang 18 des Tiefpaßfilters 16 eine Gleichspannung abgreifbar ist,
die der Drehzahl der Welle proportional ist.
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In Fig. 4 sind die Spulen eines magnetoelastischen Transformatorgebers
mit ihrem jeweiligen Wickelsinn dargestellt.
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Die Spulen des primären Jochringes 1 stehen über den nicht dargestellten
Kondensator 2 mit dem Verstärker 3 in Verbindung. Die Spulen auf den beiden sekundären
Jochringen 6 und 7 sind parallel geschaltet und stehen über den nicht dargestellten
Kondensator 10 mit dem Strom-Spannungswandler 8 in Verbindung. Durch den an den
Spulen eingezeichneten Punkt ist der Wicklungssinn der Spulen gekennzeichnet. In
die Spulen des einen äußeren Jochringes 7 wird bei dieser Anordnung dann ein Gesamt-Strom
induziert, der sich aus dem drehzahlproportionalen Strom und den drehmomentproportionalen
Strom zusammensetzt. In die Spulen des Jochringes 6 wird dagegen aufgrund des Wicklungssinnes
ein Cesamt-Strom induziert, der der Differenz des drehzahlprop)rtionalen und des
drehmomentproportionalen Stromes entspricht. Durch die Parallelschaltung der beiden
Spulengruppen tritt an Ausgang dieser Schaltung ein Strom auf, der nur noch dem
Drehmoment proportional ist und den
doppelten Betrag hat wie der
drehmomentproportionale Strom in den Spulen eines sekundären Jochringes. Bei einer
solchen Beschaltung ist daher nur das Drehmoment meßbar Bei der Schaltung gemäß
Fig. 5 ist demgegenüber nicht nur der drehmomentproportionale sondern auch der drehzahlproportionale
Strom jeweils getrennt erfaßbar. Hierzu sind die Spulengruppen nicht parallel geschaltet
sondern an einer Seite über die Primärseite eines Differenztransformators 9 miteinander
verbunden. An der Mittelanzapfung der Primärseite des Differenztransformators 9
ist dann wiederum die Summe der in den beiden sekundären Jochringen induzierten
Ströme, entsprechend dem Drehmoment, abgreifbar, während auf der sekundären Seite
des Differenztransformators 9 die Differenz der in den Spulen der jeweiligen Jochringe
induzierten Ströme, entsprechend der Drehzahl, meßbar ist. Die Schaltungsanordnung
nach Fig. 5 ist in vereinfachter Form auch in Fig. 3 dargestellt und verwendet.
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Fig. 6 zeigt eine weitere Möglichkeit, ein der Drehzahl und ein dem
Dremoment proportionales Ausgangssignal zu erhalten.
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Die Spulen der beiden sekundären Jochringe 6 und 7 sind jeweils einerseits
mit den beiden Eingängen eines Addierers 20, andererseits mit den Eingängen eines
Subtrahierers 19 verbunden. Die beiden anderen Enden der Spulen liegen an Masse.
Die Ausgänge des Subtrahierers 19 und des Addierers 20, die gleichzeitig als Strom-Spannungs-Wandler
dienen, führen an den Eingang der phasenselektiven Gleichrichter 13 und 14. Die
Gleichrichter 13 und 14 werden wie in Fig. 3 durch die nicht dargestellte Signalformerstufe
5 angesteuert. An die Ausgänge der Gleichrichter 13 und 14 sind Tiefpaßfilter 15
und 16 angeschlossen. Die Ausgänge der Tiefpaßfilter 15 und 16 sind auf einen Multiplizierbaustein
21 geführt. Am Ausgang des Tiefpaßfilters 15 liegt nun eine Gleichspannung an, die
im Drehmoment proportional
ist, während am Ausgang des Tiefpaßfilters
16 eine der Drehzahl proportionale Gleichspannung abgreifbar ist.
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Werden diese beiden Größen in dem Multiplizierbaustein 21 miteinander
multipliziert, so erhält man am Ausgang 22 eine Spannung, die der von der Welle
übertragenen Leistung proportional ist.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig. 6 ist aus bekannten Schaltungen
zusammensetzbar und kann leicht integriert ausgeführt werden.
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Schaltungsanordnung zur Erfassung von Drehgrößen einer Welle Zusammenfassung
Es wird eine Schaltungsanordnung zur Erfassung von Drehgrößen vorgeschlagen, die
als Geber einen auf einer Welle angeordneten ringförmigen Induktor, der nach dem
magnetoelastischen Prinzip arbeitet, verwendet. Erfindungsgemäß bilden die Spulen
des Gebers einen frequenzbestimmenden Teil eines Oszillators, dessen Ausgangsspannung
phasenselektiv gleichgerichtet wird, um auf diese Weise positive und negative Drehmomente
messen zu können. Der Geber ist im Kurzschlußbetrieb geschaltet, um auf diese Weise
die im Gebersignal auftretenden Oberwellen zu unterdrücken.
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Durch geeignete Verknüpfung der Spulensignale können weiterhin die
Drehzahl und die übertragene Leistnngdr Welle gemessen werden.