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Die
Erfindung betrifft eine Hysteresebremse mit einer Hystereseeinrichtung,
insbesondere eine Ventilsteuervorrichtungs-Hysteresebremse einer Brennkraftmaschine,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
Phasenlage einer Nockenwelle kann durch passive, d.h. antriebslose,
Nockenwellensteller verändert
werden. Es ist bekannt, hierzu berührungslos und verschließfrei arbeitende
Hysteresebremsen einzusetzen. In einer derartigen Hysteresebremse wird
ein in einer Polstruktur eines Elektromagneten bewegte, magnetisch
halbhartes Hystereseelement durch ständige Ummagnetisierung gebremst.
Unter magnetisch halbhart ist zu verstehen, dass das Material eine
ausgeprägte
Hystereseschleife im Induktions-Magnetfeld-(B-H)-Diagramm aufweist.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
103 24 45 A1 ist eine Hysteresebremse für eine Ventilsteuervorrichtung
für eine
Brennkraftmaschine offenbart, die ein in Umfangsrichtung innerhalb
eines Stators rotierendes Hystereseelements aufweist. Der Stator
ist aus zwei konzentrisch angeordneten Statorteilen gebildet, welche
einander gegenüberliegende
Polzahnreihen aufweisen, wobei Polzähne des einen Statorteils jeweils
in Lücken
zwischen Polzähnen
des anderen Statorteils weisen. Das Hystereseband rotiert zwischen
den Polzahnreihen der beiden Statorteile und wird durch Ummagnetisierung
gebremst. Ein Problem derartiger Hysteresebremsen ist deren Größe und ihr
hohes Gewicht, was besonders bei üblicherweise sehr knappen Platzverhältnissen
in Fahrzeugen ungünstig
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hysteresebremse anzugeben,
welche bei verbessertem Moment kompakt baut, und die insbesondere
als Ventilsteuervorrichtungs-Hysteresebremse geeignet
ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen
und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu
entnehmen.
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Eine
erfindungsgemäße Hysteresebremse, insbesondere
eine Ventilsteuervorrichtungs-Hysteresebremse einer Brennkraftmaschine,
umfasst eine Hystereseeinrichtung, die mindestens zwei in axialer und/oder
radialer Richtung beabstandete Magnetfeldwirkungsbereiche aufweist.
Ein Magnetfeldwirkungsbereich ist dabei ein von magnetischen Polen des
Stators oder von Statorteilen mit magnetischem Fluss beaufschlagter
bzw. von magnetischem Fluss durchfluteter Bereich der Hystereseeinrichtung. Durch
eine derartige mehrfache Nutzung des magnetischen Flusses im Stator
wird bei gleicher Baugröße verglichen
mit einer konventionellen Hysteresebremse ein verbessertes Bremsmoment
erzielt. Entsprechend ist durch die mehrfache Durchflutung der Hystereseeinrichtung
im gleichen Magnetkreis alternativ eine Verringerung von Baugröße und Gewicht
möglich,
so dass bei gleichem Bremsmoment Baugröße und Gewicht verkleinerbar
sind. Die Hystereseeinrichtung kann einteilig mit einem Hystereseelement oder
auch mehrteilig mit mehreren Hystereseelementen ausgebildet sein.
Der magnetische Fluss im Magnetkreis ist, unabhängig von der Zahl der sich darin befindlichen
Hystereseelemente, bei gleicher Erregung, d.h. bei gleicher elektrischer
Leistungsaufnahme einer Spule, die das Magnetfeld erzeugt, näherungsweise
konstant oder steigt nur in geringem Maße an. Im gemeinsamen magnetischen
Kreis des durch die elektrische Spule magnetisch erregten Stators
können
zwei oder mehr als Bänder
oder Scheiben ausgebildete Hystereseelemente rotieren. Für jedes
Hystereseelement ist vorzugsweise eine Polstruktur im Stator vorgesehen,
welche jeweils einen Magnetfeldwirkungsbereich im Hystereseelement hervorruft.
Der magnetische Fluss ist im Magnetkreis konstant und auf jedes
rotierende Hystereseelement der Hystereseeinrichtung wird durch
die erfolgende Ummagnetisierung ein Bremsmoment ausgeübt. Ein vergleichbarer
Effekt tritt auf, wenn eine mehrfache magnetische Durchflutung nur
eines als Band oder einer Scheibe ausgebildeten Hystereseelements
vorgesehen ist.
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Bevorzugt
sind die Magnetfeldwirkungsbereiche jeweils durch die Polstruktur
eines gemeinsamen, mehrteiligen Stators verursacht. Dies ermöglicht eine
vorteilhaft kompakte Bauweise. Eine elektrische Spule zur magnetischen
Erregung des Stators bzw. des Hystereseelements kann platz sparend
in den Stator integriert sein. Es können jedoch auch Anordnungen
mit mehreren Statoren und Hystereseeinrichtungen denkbar sein. Der
Stator kann aus konzentrisch angeordneten Statorteilen oder auch
aus koaxial angeordneten Statorteilen aufgebaut sein.
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Umfasst
die Hystereseeinrichtung einen bandförmigen magnetischen Körper, kann
eine magnetische Durchflutung der Hystereseeinrichtung in radialer
Richtung oder auch in Umfangsrichtung erfolgen, abhängig von
der verwendeten Polstruktur. Sind die Pole der Statorteile gegeneinander versetzt, ist
die Durchflutung in Umfangsrichtung, stehen sie sich gegenüber, ist
die Durchflutung radial ausgebildet.
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Im
allgemein bekannten Stand der Technik weist die Hystereseeinrichtung
ein in Umfangsrichtung innerhalb des Stators rotierbares Band auf.
Die Hystereseeinrichtung rotiert dabei um eine Rotationsachse, die
auch die Symmetrieachse des Stators ist.
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In
einer ersten günstigen
Ausgestaltung weist die Hystereseeinrichtung zwei in Bezug auf deren
Rotationsachse axial versetzte, in Umfangsrichtung innerhalb des
Stators rotierbare Bänder
auf.
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In
einer weiteren günstigen
Ausgestaltung weist die Hystereseeinrichtung zwei in Bezug auf deren
Rotationsachse radial versetzte, in Umfangsrichtung innerhalb des
Stators rotierbare Bänder
auf.
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Das
Band ist oder die Bänder
sind bezogen auf deren Rotationsachse in radialer Richtung magnetisch
durchflutet.
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Sind
mehrere Bänder
vorgesehen, können diese
auf einem gemeinsamen rotierbaren Träger angeordnet sein. Es ist
jedoch auch denkbar, dass die Bänder
jeweils auf einem separaten Träger
angeordnet sind.
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In
einer vorteilhaften alternativen Ausgestaltung umfasst die Hystereseeinrichtung
einen scheibenförmigen
magnetischen Körper.
Dabei weist die Hystereseeinrichtung zumindest eine innerhalb des Stators
rotierbare Scheibe auf.
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In
einer günstigen
Weiterbildung weist die Hystereseeinrichtung zwei axial versetzte,
innerhalb des Stators rotierbare Scheiben auf. Bei dieser Anordnung
ist das mechanische Trägheitsmoment
geringer als bei einer radialen Anordnung, ebenso ist die Ausnutzung
des magnetischen Flusses verbessert und das Bremsmoment bei gleicher
elektrischer Leistungsaufnahme verbessert.
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Die
Scheibe ist oder die Scheiben sind bezogen auf deren Rotationsachse
vorzugsweise in Umfangsrichtung magnetisch durchflutet.
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Die
Anzahl der Hystereseelemente in der Hystereseeinrichtung in Form
von Bändern
oder Scheiben lässt
sich auf drei oder auch beliebige Anzahlen erhöhen. Denkbar ist außerdem eine
Kombination aller oder einzelner der beschriebenen Ausgestaltungen
in einem einzigen Magnetkreis.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale
in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten
und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
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Dabei
zeigen schematisch:
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1a,
b, c eine vereinfachte Darstellung eines Magnetkreises einer bevorzugten
Hysteresebremse nach der Erfindung (a) und einer konventionellen
Hysteresebremse (b und c), sowie ein Detail einer Flusslinienverteilung
der konventionellen Hysteresebremse,
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2a,
b eine bevorzugte Anordnung mit koaxial angeordneten Statorteilen
(a) und eine Schnittdarstellung mit Durchflutung in Umfangsrichtung
(b),
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3a,
b eine bevorzugte Anordnung mit konzentrisch angeordneten Statorteilen
(a) und eine Schnittdarstellung mit radialer Durchflutung (b),
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4a,
b einen vereinfachte Darstellung eines Magnetkreises mit einer mehrteiligen
Hystereseeinrichtung (a) und eine Schnittdarstellung einer bevorzugten
Ausgestaltung mit axial beabstandeten topfförmigen Hystereseelementen (b),
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5 eine
Schnittdarstellung mit einer radialer Richtung durchfluteten mehrteiligen
Hystereseeinrichtung mit axial beabstandeten Hystereseelementen,
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6 eine
Schnittdarstellung mit einer radialer Richtung durchfluteten mehrteiligen
Hystereseeinrichtung mit radial beabstandeten Hystereseelementen,
und
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7 eine
Schnittdarstellung einer bevorzugten Hysteresebremse mit zwei in
Umfangsrichtung durchfluteten Scheiben einer Hystereseeinrichtung.
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In
den Figuren sind im Wesentlichen gleich bleibende oder sich entsprechende
Teile mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
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1 zeigt eine vereinfachte Darstellung
eines Magnetkreises einer bevorzugten Hysteresebremse nach der Erfindung
(
1a) und einer konventionellen Hysteresebremse
(
1b), sowie eine Flusslinienverteilung des magnetischen
Flusses. Bei der konventionellen Hysterese bremse, wie sie aus der
DE 103 24 45 A1 bekannt
ist, ist ein magnetisch halbhartes Material in Form einer als Band
ausgebildeten Hystereseeinrichtung
25' in einem Magnetkreis zwischen
zwei konzentrisch angeordneten Statorteilen
12',
13' angeordnet.
Der Magnetkreis wird durch eine Spule
26' elektrisch erregt. Durch die jeweils
gegeneinander versetzten Pole N, S der beiden Statorteile
12',
13' teilt sich
der durch jeden Pol fließende magnetische
Fluss in zwei Teile und muss auf dem Weg vom äußeren Statorteil
12' zum inneren
Statorteil
13' das
zwischen den Polen liegende Band in Umfangsrichtung tangential durchqueren.
Dabei wird die Hystereseeinrichtung
25' entsprechend aufmagnetisiert,
und es bildet sich im Wirkungsbereich der Pole in der Hystereseeinrichtung
25' ein Magnetwirkungsbereich
aus. Die Hystereseeinrichtung
25' ist mit einer nicht dargestellten
Nockenwelle verbunden, insbesondere über ein Stellgetriebe zum Verstellen
einer Phasenlage der Nockenwelle gegenüber einer diese antreibenden
Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine. Zur Steuerung der Verstellung
wird die Spule
26 entsprechend angesteuert, um ein gewünschtes Bremsmoment
zu verursachen. Details hierzu sind nicht dargestellt, dem Fachmann
jedoch geläufig.
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Die
Richtungen der beiden von einem einzigen Pol ausgehenden Teilflüsse sind
im Idealfall um 180° verschieden
(1c). Dreht sich nun das Band weiter, wird z.B.
bei einer Verdrehung um einen Zahn, beispielsweise vom Nordpol N
zum Südpol
S, der Polstruktur die eben noch durchflossene Stelle genau in die
entgegengesetzte Richtung vom magnetischen Fluss durchsetzt. Hierdurch
wird das Band in die entgegengesetzte Richtung magnetisiert. Die
dabei verrichtete Arbeit entspricht der Fläche der Hystereseschleife in
dem B-H-Diagramm
und wird Ummagnetisierungsarbeit genannt.
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Die
in den Figuren unterschiedlich ausgebildete Hystereseeinrichtung 25 ist
mit demselben Bezugszeichen beziffert, zur Unterscheidung der einzelnen
Ausführungsbeispiele
jedoch zusätzlich
mit einem angehängten
Buchstaben gekennzeichnet.
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Die
in 1a gezeigt bevorzugte Ausgestaltung zeigt einen
Stator 10, der zweigeteilt angeordnet ist, und bei dem
zwischen durch die Aufteilung entstandenen zwei Polstrukturen eine
Hystereseeinrichtung 25a bewegbar ist, die als Scheibe
oder als Band ausgebildet sein kann. Die Hystereseeinrichtung 25a ist
in diesem Fall zweifach magnetisch durchflutet und bildet bezogen
auf die in der Figur gezeigte obere und untere Polstruktur zwei
voneinander beabstandete Magnetfeldwirkungsbereiche 31, 32 aus. Die
Magnetfeldwirkungsbereiche 31, 32 sind jeweils durch
die Polstruktur 33 bzw. durch die Polstrukturen 33 eines
gemeinsamen, mehrteiligen Stators 11 verursacht.
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2a,
b zeigt eine bevorzugte Anordnung mit koaxial angeordneten Statorteilen 12, 13 (2a)
und eine Schnittdarstellung mit Durchflutung in Umfangsrichtung
(2b), wobei zwischen den bezüglich ihrer Polzähne versetzt
angeordneten Statorteilen 12, 13 eine als Scheibe
ausgebildete Hystereseeinrichtung 25b um eine Rotationsachse 30 rotiert.
Im inneren Statorteil 13 ist eine Spule 26 zur
magnetischen Erregung der Anordnung angeordnet. Als Statorteile 14, 15 sind
massive Joche, magnetisch leitfähige
Stäbe oder
auch Blechpakete einsetzbar. Die als Scheibe ausgebildete Hystereseeinrichtung 25b wird
vom magnetischen Fluss zweimal in verschiedenen Richtungen in Magnetfeldwirkungsbereichen 31, 32 in
Umfangsrichtung durchflutet. Die Durchflutung findet auf unterschiedlichen
Radien der als Scheibe ausgebildeten Hystereseeinrichtung 25b statt.
Infolge der doppelten Durchflutung wird der magnetische Fluss zweifach
genutzt und die Bremswirkung erhöht.
Die Hysteresebremse baut bei gleichem Bremsmoment kleiner.
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Eine
bevorzugte Ausbildung einer Hysteresebremse 10 mit konzentrisch
angeordneten Statorteilen eines gemeinsamen Stators 11 ist
in 3a, b als schematische Ansicht (3a)
und als Schnittdarstellung dargestellt (3b). Ein
inneres und ein äußeres Statorteil 14, 15 sind
konzentrisch zueinander angeordnet. Im inneren Statorteil 15 ist
eine Spule 26 angeordnet. Zwischen den beiden, bezogen
auf deren Polzähne
in Umfangsrichtung versetzt angeordneten Statorteilen 14, 15 rotiert
ein als Band ausgebildetes Hystereseelement einer Hystereseeinrichtung 25c um
eine Rotationsachse 30, wobei die Hystereseeinrichtung 25c einmal
von außen
nach innen und einmal von innen nach außen magnetisch radial durchflutet
ist. In Richtung des Bandes besitzen die Statorteile 14, 15 die
beschriebene Polstruktur. Denkbar ist auch eine Anordnung mit separaten,
magnetischen Stäben
oder vorzugsweise Blechpakete, welche massive Joche mit der Polstruktur 33 ersetzen
können.
Durch die doppelte Durchflutung wird der magnetische Fluss besser
ausgenutzt. Möglich ist
auch, das Band in zwei Bänder
so aufzuteilen, dass in jeder Polstruktur 33 ein eigenes
Band der Hystereseeinrichtung 25c rotiert. Die Hysteresebremse 10 baut
bei gleichem Bremsmoment kleiner.
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4a,
b zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Magnetkreises mit einer
mehrteiligen Hystereseeinrichtung 25d (4a)
und eine Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausgestaltung mit
bezogen auf die Rotationsachse 30 axial beabstandeten topfförmigen Hystereseelementen
der Hystereseeinrichtung 25d (4b). Zur
Vermeidung unnötiger
Wiederholungen wird bei einzelnen, nicht beschriebenen Elementen
auf die vorstehenden Figurenbeschreibungen verwiesen und im Wesentlichen
nur die Unterschiede näher
eingegangen. Der magnetische Fluss kann besser ausgenutzt werden.
Die Teile der mehrteiligen Hystereseeinrichtung 25d können an
einem oder an mehreren Rotoren angeordnet sein. Die vorstehend beschriebene
Polstruktur 33 bleibt erhalten. Der Stator 11 besteht
aus zwei Statorteilen 16, 17, in die die oben
beschriebene Postruktur 33 eingearbeitet ist. Die Hystereseelemente
sind topfförmig ausgebildet,
wobei deren Topfrand um die Rotationsachse 30 rotierende
Bänder
der Hystereseeinrichtung 25d mit entsprechenden, der mehrfachen,
vor und hinter der Bildebene ausgebildeten Polstruktur 33 zugeordneten
Magnetfeldwirkungsbereichen 31, 32 bilden. Vor
und hinter der Bildebene ist ein Nordpol N mit jeweils einem Südpol S und
ein Südpol
S jeweils mit einem Nordpol N benachbart, was sich um die Rotationsachse 33,
die auch die Symmetrieachse des Rotors bildet, fortsetzt, und bildet
die entsprechende Polstruktur 33 aus. Die Hystereseeinrichtung 25d wird
daher bei der Rotation bei einem Pol einmal von innen nach außen und
beim nächsten
Pol von außen
nach innen radial durchflutet. Da beide Hystereseelemente auf dem
gleichen Radius ummagnetisiert werden, erzeugen sie im Vergleich
zueinander das gleiche Bremsmoment.
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5 eine
Schnittdarstellung mit einer radialer Richtung durchfluteten mehrteiligen
Hystereseeinrichtung 25e mit bezogen auf eine Rotationsachse 30 axial
beabstandeten Hystereseelementen. Ein inneres Statorteil 18 ist
von einem entlang der Rotationsachse 30 kürzeren äußeren Statorteil 19 konzentrisch
umgeben und bildet mit dem äußeren Statorteil 19 eine
Polstruktur 33, welche zwei Magnetfeldwirkungsbereichen 31, 32 in
der Hystereseeinrichtung 25e ausbilden. Die Hystereseeinrichtung 25e ist
in form von zwei Bändern
ausgebildet, die zwischen den Statorteilen 18, 19 um
die Rotationsachse 30 rotieren. Da sie auf demselben Radius liegen,
liefern beide ein gleiches Bremsmoment. Die beiden Bänder können an
einem oder auch an getrennten rotierenden, nicht dargestellten Trägern angeordnet
sein. Denkbar ist auch, beide Bänder
der Hystereseeinrichtung 25e zu verbinden.
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6 zeigt
eine Schnittdarstellung mit einer radialer Richtung durchfluteten
mehrteiligen Hystereseeinrichtung 25f mit radial beabstandeten,
bandförmigen
Hystereseelementen, die auf verschiedenen Radien um eine Rotationsachse 30 rotieren.
Die beiden Hystereseelemente sind an einem rotierenden Träger 28 befestigt.
Statorteile 20, 21 eines mehrteiligen Stators
umgeben eine Spule 26. Der magnetische Fluss des mehrteiligen
Stators wird in den Hystereseelementen doppelt genutzt. Es können auch mehr
bandförmige
Hystereseelemente vorgesehen sein, um den magnetischen Fluss stärker auszunutzen.
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Eine
weitere bevorzugten Hysteresebremse zeigt in 7 als Schnittdarstellung
mit einer in Umfangsrichtung durchfluteten Hystereseeinrichtung 25g,
welche zwei bezüglich
ihrer Rotationsachse 30 axial beabstandete Scheiben umfasst.
Ein erstes Statorteil 23 ist topfartig ausgebildet und
enthält
eine Spule 26. Über
die Topföffnung
ist ein zweites, deckelartiges Statorteil 22 gestülpt, welches
den dem Statorteil 22 zugewandten Rand des ersten Statorteils 21 ein
kurzes Stück übergreift.
In diesem Übergriffsbereich
rotieren jeweils die Scheiben der Hystereseeinrichtung 25g.
Der magnetische Fluss durchflutet die beiden Scheiben bezogen auf
die Rotationsachse 30 in Umfangsrichtung und wird somit
doppelt genutzt. Durch diese Anordnung ist das mechanische Trägheitsmoment
geringer als bei einer radialen Anordnung. Ebenso ist die Ausnutzung
der Hystereseeigenschaften der Hystereseeinrichtung 25g besser
gestaltbar. Denkbar ist auch eine Anordnung, bei der die Hystereseeinrichtung 25g mehr
als zwei Scheiben aufweist.