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Die
Erfindung betrifft einen Kommutatormotor (100), bestehend
aus einem Stator (400), einem Rotor (500), einer
Kommutierungseinrichtung (200), einer Entstörungseinrichtung
(300), einem Gehäuse (410)
mit einer Durchführung
(411) für
Anschussleitungen (700). Derartige Kommutatormotoren werden in
einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, insbesondere im Kfz-Bereich.
Bekanntermaßen
werden in der Hauptsache Drosseln und Kondensatoren als Entstörbauteile
eingesetzt, wobei Drosseln in Reihe mit Spannungsversorgungsleitungen
angeordnet und vornehmlich für
die Entstörung
im UKW-Bereich dienen,
während
parallel geschaltete Kondensatoren vornehmlich als Entstörbauteile
im Langwellenbereich wirksam sind. Es ist bekannt Durchführungskondensatoren
als kapazitive Entstörelemente
einzusetzen um im höherfrequenten
Bereich Störungen
zu verringern. Eine Entstöreinrichtung
kann nur bei spezifischer Auslegung auf den jeweiligen Motor und
den Einsatzort optimale Entstörwirkungen
liefern. Deshalb ist es gerade bei kundenspezifischen Produkten wichtig
eine Vielzahl an Variationsmöglichkeiten
bezüglich
Kapazität
der Kondensatoren zur Verfügung zu
haben. Aus wirtschaftlichen Gründen
werden Durchführungskondensatoren
nur für
eine relativ begrenzte Anzahl an Kapazitätwerten hergestellt, daher ist
es schwierig mit deren Hilfe eine optimierte Entstörungslösung zu
finden.
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Wie
aus der
DE 10
2004 046 299 A1 bekannt, ist es schwierig Durchführungskondensatoren einerseits
platzsparend und wirksam im Motor anzuordnen, zu montieren und andererseits
sicher zu kontaktieren. Bei dem bekannten Motor sind die Durchführungskondensatoren
aufwändig
in Erdungsblechen befestigt, die relativ umständlich in das Polgehäuse eingefügt werden
müssen.
Hier besteht auch die Gefahr, dass sich die abschirmende Wirkung
des Polgehäuses
verschlechtert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es einen Kommutatormotor bereitzustellen, der
eine sehr gute breitbandige Entstörung aufweist, wobei eine einfach
aufgebaute Entstöreinrichtung
zum Einsatz kommt für deren
Herstellung und Montage bekannte, erprobte und prozesssichere Verfahren
Verwendung finden können
und der sich ohne Schwierigkeiten an kundenspezifische Anforderungen
anpassen lässt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass eine Anschlussleitung (700) für die Spannungsversorgung des
Kommutatormotors durch eine Leiterplatte (600) hindurchgeführt ist,
die eine Vielzahl von Kondensatoren (610) aufweist und die
Kondensatoren (610) auf der Leiterplatte (600) sternförmig um
die Anschlussleitung (700) herum angeordnet sind. Durch
die sternförmige
Anordnung der Kondensatoren wird der Effekt eines Durchführungskondensators
erzielt, wobei diskrete Standardkondensatoren verwendet werden können, die
in einer großen
Anzahl von Abstufungen bezüglich
der Kapazität
der Größe und der
Anschlussmöglichkeiten
erhältlich
sind. Durch Anordnen der Kondensatoren auf einer Leiterplatte, lassen
sich die Kondensatoren auf einfache erprobte Weise montieren. Bei
der sternförmigen
Anordnung der Kondensatoren kommt es nicht auf eine exakte radiale
Anordnung an, es ist aber die optimalste Form um möglichst
kurze Distanzen zwischen dem Kondensatorpol und der Anschlussleitung
zu erhalten. Auch sehr kurze Leitungsstücke wirken physikalisch als
Serieninduktivität
und verringern die Wirkung der Kondensatoren, deshalb wird eine
möglichst
sternförmige
Anordnung der Kondensatoren bevorzugt.
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Weiterbildungen
der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargestellt. Damit die
Kondensatoren elektrisch kontaktiert werden können ist eine ringförmige Leiterbahn
(620) vorgesehen, die auf der Leiterplatte um die Anschlussleitung
(700) herum angeordnet ist. Die Leiterplatte kann im Bereich
der Durchführung
durchkontaktiert sein um einen großflächigen elektrischen Kontakt
herzustellen.
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Der
erfindungsgemäße Kommutatormotor lässt eine
Vielzahl an Anschlussleiterquerschnitten zu, bevorzugt sind runde,
quadratische oder rechteckige Querschnitte, wobei zumindest die
Innenbegrenzung der ringförmigen
Leiterbahn (620) an die Form der Anschlussleitung (700)
angepasst ist.
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Bei
Verwendung einer im Querschnitt rechteckigen Anschlussleitung (700)
wird diese vorzugsweise als Leitblech ausgebildet, wobei dieses
einstückig
mit einer Steckerfahne (720) ist. Dadurch entfällt ein
Verbindungsprozess zwischen der Anschlussleitung (700)
und der Steckerfahne (720).
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Aus
Gründen
der Bauraumeinsparung ist es üblich
anschlussdrahtlose SMD-Kondensatoren zu verwenden, die unmittelbar
auf der Oberfläche
der Leiterbahn (620) anliegen und mit dieser elektrisch kontaktiert
sind. Lange Bauteilanschlüsse
sind in der Regel ungünstig
für eine
gute Entstörwirkung.
Bei der vorliegenden Erfindung kommt die Tatsache hinzu, dass die
Kondensator eng beieinander angeordnet sind und am gleichen Kontaktbereich
angeschlossen werden müssen,
deshalb eignen sich SMD-Kondensatoren hier besonders.
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Eine
optimale Entstörwirkung
wird erreicht, wenn zwei Anschlussleitungen (700) durch
die Leiterplatte (600) hindurchgeführt und Kondensatoren (610)
um beide Anschlussleitungen (700) herum angeordnet sind,
wobei um jede Anschlussleitung (700) eine ringförmige Leiterbahn
(620) angeordnet ist, an der die Kondensatoren (610)
elektrisch angeschlossen sind.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen,
dass ein Querkondensator (611) zwischen den beiden ringförmigen Leiterbahnen
(620) angeordnet und mit einem Pol an der ersten ringförmigen Leiterbahn
(620) und mit dem anderen Pol an der zweiten ringförmigen Leiterbahn (620)
angeschlossen ist, wobei der Querkondensator (611) eine
größere Kapazität als die übrigen Kondensatoren
(610) aufweist. Hierdurch ist ein Kondensator weniger zu
montieren. Der Querkondensator wird auch als X-Kondensator bezeichnet
und wirkt vornehmlich im untersten Frequenzbereich (0,15 – ca. 1 MHz).
Wegen des relativ niedrig liegenden Frequenzbereichs ist eine größere Kapazität erforderlich
(im unten beschriebenen Beispiel 1 μF).
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Beim
Layout der Leiterplatte ist vorgesehen, dass die beiden ringförmigen Leiterbahnen
(620) galvanisch von der restlichen Leiterplattenfläche (623), die
eine Massefläche
bilden, getrennt sind. Die große Massefläche eignet
sich als Kontaktfläche
und als Abschirmung.
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Zweckmäßigerweise
besteht ein Lagerschild (430) des Kommutatormotors (100)
aus Metall. Dies erlaubt ein komplett abgeschirmtes Gehäuse. Diese Abschirmung
ist wichtig, damit keine Störungen
an den Entstörbauteilen
vorbei in die äußeren Leitungen eingekoppelt
werden können.
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Es
ist vorgesehen, dass eine große
kupferkaschierte Fläche
der Leiterplatte (600) an dem Lagerschild (430)
großflächig anliegt
und elektrisch damit verbunden ist. Durch den großflächigen Kontakt ist
stets eine ausreichende Leitfähigkeit
zwischen der Leiterplatte und dem Lagerschild gegeben. Diese Maßnahme erhöht die Zuverlässigkeit
der Entstörung.
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Im
einfachsten Fall handelt es sich bei der Leiterplatte (600)
um eine einseitig mit Kondensatoren (610) bestückte Leiterplatte.
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Die
Leiterplatte (600) kann beidseitig kupferkaschiert sein.
In diesem Fall sind eine Vielzahl von Durchkontaktierungen (630)
vorgesehen, welche die beiden Kupferschichten elektrisch miteinander
verbinden. Damit die abschirmende Wirkung der Kupferkaschierung
nicht nennenswert beeinträchtigt
wird sind eine Vielzahl von im Querschnitt kleinen Durchkontaktierungen
vorgesehen, die eine niedrige Impedanz zwischen den beiden Kupferkaschierungen
der Leiterplatte (600) gewährleisten. Während sich
die für
die Verschaltung der Kondensatoren notwendigen freigesparten Bereiche
(622) auf der Leiterplatte in Bezug auf die abschirmende
Wirkung der Kaschierung negativ bemerkbar macht, wirkt sich die
Kupferfläche
auf der gegenüberliegenden
Seite der Leiterplatte positiv aus.
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In
der Regel ordnet man die Leiterplatte (600) so an, dass
die bestückte
Seite zum Motorinnenraum hin ausgerichtet ist, es ist aber denkbar, dass
die bestückte
Seite der Leiterplatte (600) mit dem Lagerschild (430)
verbunden ist. In diesem Fall kann auch eine einseitig kupferkaschierte
und einseitig bestückte
Leiterplatte verwendet werden, wenn dies aus wirtschaftlichen Gründen notwendig
ist.
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Die
bessere technische und physikalische Lösung besteht wahrscheinlich
darin, dass die Leiterplatte (600) beidseitig bestückt ist.
Auf diese Weise sind die Anschlussleitungen großflächiger von Kondensatoren, den
sogenannten Y-Kondensatoren umgeben. Als Y-Kondensatoren werden solche Kondensatoren
bezeichnet, die zwischen Anschlussleitung und Masse geschaltet sind.
Auch ein weiterer X-Kondensator ließe sich hierbei einbauen. Aus
wirtschaftlichen Gründen
wird diese Lösung
jedoch nur bei besonders hohen Ansprüchen an die Entstörwirkung eingesetzt
werden. Dabei sind Kondensatoren auf beiden Seiten der Leiterplatte
sternförmig
um die Anschlussleitungen (700) angeordnet. Bevorzugt sind die
Kondensatoren (610) so angeordnet, dass sie auf der einen
Seite um einen Winkelbetrag zueinander versetzt sind und die Kondensatoren
der anderen Seite um den halben Winkelbetrag zu den gegenüberliegenden
Kondensatoren versetzt sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist festgelegt, dass auf einer mit Kondensatoren bestückten Seite
der Leiterplatte (600) je Anschlussleitung (700)
drei Y-Kondensatoren
vorgesehen sind und zwischen den beiden Anschlussleitungen (700)
ein X-Kondensator
angeordnet ist. Dabei sind die drei Y-Kondensatoren und der X-Kondensator
zweckmäßig jeweils
um ca. 90° zueinander
angeordnet. Hierdurch ergeben sich kürzeste Leitungswege und damit
eine optimale Entstörwirkung.
Weiter werden an den Leiterplatten-Bestückungsprozess keine
außerordentlichen
Anforderungen gestellt.
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Zur
Herstellung eines Massekontakts zwischen der Leiterplatte (600)
und dem metallischen Lagerschild ist es möglich, dass eine bestückte Seite der
Leiterplatte (600) über
ihre Kupferkaschierung mit dem Lagerschild (430) großflächig anliegt
und elektrisch damit verbunden ist. In diesem Fall sind Freisparungen
(431) im Lagerschild (430) vorgesehen, in denen
die Kondensatoren (610), die auf der Leiterplatte (600)
angeordnet sind, eintauchen können.
Dabei ist es wichtig, dass die Freisparungen ausreichend groß dimensioniert
sind, dass keine Berührungen
der Kondensatoren mit dem Lagerschild auftreten können.
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Es
ist zweckmäßig, dass
die Leiterplatte (600) mit dem Lagerschild (430)
fest verbunden ist. Vorzugsweise sollte die Leiterplatte deshalb
mit dem Lagerschild (430) vernietet sein. Hier bietet sich
beispielhaft Taumelnieten an oder die Verstemmung von durch Befestigungsausnehmungen
(650) der Leiterplatte (600) ragende und mit dem
Lagerschild (430) einstückige
Befestigungszapfen (432). Selbstverständlich kann die Leiterplatte
(600) auch mit dem Lagerschild (430) verschraubt
sein.
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Die
Leiterplatte kann je nach Applikation kreisringsegmentförmig, kreisringförmig, rechteckig oder
vieleckig sein und sie kann auch als Bürstenhalteplatte ausgebildet
sein.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
unbestückte
Leiterplatte,
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2 die
Leiterplatte bestückt,
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3 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus der unbestückten
Leiterplatte,
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4 ein
Kommutatormotor mit zweiseitig bestückter Leiterplatte,
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5 ein
Kommutatormotor mit einseitig bestückter Leiterplatte und
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6 ein
Kommutatormotor mit alternativ angeordneter Leiterplatte.
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1 zeigt
eine Leiterplatte 600, mit Befestigungsausnehmungen 650 die
zur Vernietung oder Verschraubung der Leiterplatte dienen, eine
Reihe im Randbereich angeordneter Durchkontaktierungen 630 mit
der eine Massefläche 623 der
bestückten
Leiterplattenseite mit einer Massefläche der unbestückten Leiterplattenseite
elektrisch verbunden ist, Anschlussleiterdurchführungen 670, die von
einer Kontaktfläche
begrenzt werden, die galvanisch mit einer ringförmigen Leiterbahn 620 verbunden
ist, die um die Anschlussleiterdurchführungen 670 herum
angeordnet ist. Die ringförmige
Leiterbahn 620 weist vergrößerte Kontaktbereiche 621 auf,
die zur elektrischen Kontaktierung mit Entstörbauteilen dienen. Um die ringförmigen Leiterbahnen 620 schließt ein schmaler
freigesparter Bereich 622 an, der die Massefläche 623 von
der Leiterbahn 620 galvanisch trennt. Jede ringförmige Leiterbahn 620 umfasst
vier Kontaktbereiche 621, die sternförmig oder kreuzförmig angeordnet
sind. Die Außenkontur
der Leiterplatte 600 ist für den Einbau in ein Lagerschild
eines Kommutatormotors vorgesehen und beschreibt deshalb grob angenähert ein
Kreisringsegment. Je nach Einbaugeometrie, sind nahezu beliebige
andere Leiterplattenkonturen wählbar.
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2 zeigt
die bestückte
Leiterplatte 600, durch welche Anschlussleitungen 700 hindurchgeführt sind.
Auf der Leiterplatte 600 sind Kondensatoren 610 sternförmig angeordnet.
Je drei Kondensatoren 610 sind als Y-Kondensatoren verschaltet
und ein Kondensator 611, der die beiden Anschlussleitungen 700 miteinander
verbindet ist somit als X-Kondensator verschaltet. Die Kondensatoren 610 und 611 bilden
zusammen jeweils einen Durchführungskondensator.
Es hat sich gezeigt, dass sich mit der dargestellten Anordnung eine
sehr gute Entstörwirkung über eine
große
Bandbreite (150 KHz bis 1 GHz) erzielen lässt. Der X-Kondensator weist
hier eine Kapazität
im Mikro-Farad-Bereich (μF)
auf und ist für
die Entstörung
im Bereich kleinerer Frequenzen zwischen 150 KHz und 1 MHz besonders
wirksam. Für die
höheren
Frequenzen (bis 1 GHz) sind die Y-Kondensatoren wirksamer. Im vorliegenden
Beispiel ist eine Kapazität
der Y-Kondensatoren im Nano-Farad-Bereich (nF) geeignet.
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3 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt aus
einer unbestückten
Leiterplatte 600, die mit einer Anschlussleiterdurchführung 670 versehen
ist. Um die Anschlussleiterdurchführung 670 ist eine
ringförmige
Leiterbahn 620 angeordnet, an der vier Kontaktbereiche 621 anschließen. Die
ringförmige
Leiterbahn 620 mit den Kontaktbereichen 621 sind
durch einen von einer Kupferkaschierung freigesparten Bereich 622 vom
restlichen Bereich 623, der als Massefläche dient galvanisch getrennt.
Einer der Kontaktbereiche 621 sollte vorzugsweise an den
größeren X-Kondensator
angepasst etwas größer dimensioniert
sein als die übrigen
Kontaktbereiche. Die Kontaktbereiche 621 dienen zur Kontaktierung
eines ersten Pols der Y-Kondensatoren.
Zweite Pole der Y-Kondensatoren werden in zweiten Kontaktbereichen 625,
welche Teilbereiche der Massefläche 623 sind,
kontaktiert. Die zweiten Kontaktbereiche 625 sind durch
sogenannte Thermals 624 teilweise von der Massefläche 623 abgegrenzt.
Diese Thermals 624, bei denen die Kupferkaschierung teilweise
unterbrochen ist, dienen als thermische Isolierung und sollen verhindern,
dass sich die Lötstelle
(zweite Kontaktstelle 625) beim Löten zu schnell abkühlt.
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Die 4, 5 und 6 zeigen
einen erfindungsgemäßen Kommutatormotor 100,
mit einem Rotor 500, einem Stator 400, einer Kommutierungseinrichtung 200 und
einer Entstörungseinrichtung 300.
Der Rotor 500 umfasst eine Welle 520, mit einem
Rotorblechpaket 580, auf der eine Wicklung 560 angeordnet
ist, die mit Lamellen 511 eines Kommutators 510 kontaktiert
ist. Die Rotorwicklung 560 ist durch eine Isolierung 570 gegenüber der
Welle 520 und dem Rotorblechpaket 580 elektrisch
isoliert. Der Stator 400 besteht aus einem tiefgezogenen
Gehäusetopf 410,
Permanentmagnetsegmenten 420 und einem Lagerschild 430.
Zwischen Gehäusetopf 410 und
Lagerschild 430 ist eine Dichtung 433 (z.B. ein O-Ring)
angeordnet. Das Lagerschild 430 weist eine Durchführung 411 für Anschlussleitungen 700 und
einem Stecker 750 auf. Mit dem Lagerschild 430 ist eine
Leiterplatte 600 der Entstörungseinrichtung 300 verbunden.
Die Kommutierungseinrichtung 200 besteht neben dem Kommutator 510 aus
einer Bürstentragplatte 450,
die Bürstenköcher 451,
mit darin längsbeweglich
gelagerten und mit dem Kommutator 510 durch Bürstenfedern 454 in
elektrischen Kontakt gehaltenen Bürsten 452 (z.B. Kohlebürsten) umfasst. Die
Bürstentragplatte
ist axial zwischen dem Lagerschild 430 und dem Gehäusetopf 410 angeordnet und
trägt radial
die Dichtung 433. Axial ist die Bürstentragplatte 450 mit
Rippen 455 versehen, die sich an der Leiterplatte 600 abstützen. Der
Rotor 500 ist in Lagen 800 drehbar gelagert, wobei
ein Lager 800 im Gehäusetopf 410 aufgenommen
ist und ein weiteres Lager 800 im Lagerschild 430.
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In 4 zeigt
das Lagerschild Freisparungen 431, die zur Aufnahme von
elektronischen Bauteilen (hier Kondensatoren 610, 611)
dienen, wobei die Leiterplatte 600 hier beidseitig mit
elektronischen Bauteilen (Kondensatoren) bestückt ist. Die Leiterplatte 600 liegt
großflächig am
Lagerschild 430 an und die Massefläche 623 der Leiterplatte 600 ist
elektrisch mit dem Lagerschild 430 verbunden.
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In 5 ist
die Leiterplatte 600 nur einseitig mit Kondensatoren 610 bestückt. Auch
hier sind Freisparungen 431 im Lagerschild 430 vorhanden.
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In 6 ist
die Leiterplatte 600 auch nur einseitig bestückt, die
Leiterplatte 600 ist aber so angeordnet, dass die elektronischen
Bauteile (Kondensatoren) auf der dem Lagerschild 430 abgewandten Seite
der Leiterplatte angeordnet sind. Freisparungen für die Bauteile
sind daher nicht erforderlich und die Kontaktfläche lässt sich entsprechend vergrößern.
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- 100
- Kommutatormotor
- 200
- Kommutierungseinrichtung
- 300
- Entstörungseinrichtung
- 400
- Stator
- 410
- Gehäuse
- 411
- Durchführung
- 420
- Permanentmagnet
- 430
- Lagerschild
- 431
- Freisparung
- 432
- Befestigungszapfen
- 433
- Dichtung
- 450
- Bürstentragplatte
- 451
- Bürstenköcher
- 452
- Bürsten
- 454
- Bürstenfeder
- 455
- Rippe
- 500
- Rotor
- 510
- Kommutator
- 520
- Welle
- 560
- Wicklung
- 570
- Isolierung
- 580
- Rotorblechpaket
- 600
- Leiterplatte
- 610
- Kondensator
(Y-Kondensator)
- 611
- Querkondensator
(X-Kondensator)
- 620
- ringförmige Leiterbahn
- 621
- erster
Kontaktbereich
- 622
- freigesparter
Bereich
- 623
- restliche
Fläche/Massefläche
- 624
- Thermal
- 625
- zweiter
Kontaktbereich
- 630
- Durchkontaktierung
- 650
- Befestigungsausnehmung
- 670
- Anschlussleiterdurchführungen
- 700
- Anschlussleitung
- 720
- Steckerfahne
- 750
- Stecker
- 800
- Lager