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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Proportionalstellglied gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus der von Linsmeier, Klaus-Dieter, „Elektromagnetische Aktoren", 1995, ISBN 3-478-93134-7 ist bereits ein elektromagnetisches Proportionalstellglied bekannt, bei welchem radial innerhalb einer Spule ein Anker in die auf einen Polkern mit einem Steuerkonus weisenden Richtung axialverschieblich geführt ist. Der Außendurchmesser des Steuerkonus ist in die auf den Anker weisende Richtung entlang eines Bereichs über einen gleichbleibenden Innendurchmesser verjüngt. Auf den Seiten 30 ff. wird die Funktion dieses Steuerkonus näher erläutert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektromagnetisches Proportionalstellglied zu schaffen, das auch bei einem größeren Magnethub einen großen Gestaltungsspielraum bei der Magnet-Hubkennlinie – insbesondere mit einem linearen Kraft/Weg-Verlauf – bietet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird dazu eine Formgebung des Steuerkonus vorgeschlagen, die einen solchen linearen Kraft/Weg-Verlauf ermöglicht und dennoch technisch zu fertigen ist. So hat sich herausgestellt, dass ein über eine große axiale Länge sehr dünn werdender Steuerkonus einen linearen Kraft/Weg-Verlauf ermöglicht. Ein solcher Steuerkonus ist jedoch mit fertigungstechnischen Nachteilen und Bauraumnachteilen verbunden. Die erfindungsgemäße Formgebung mit einem Endbereich, der sich sowohl am Außendurchmesser als auch am Innendurchmesser wieder aufweitet, hat den gleichen linearen Kraft/Weg-Verlauf. Jedoch ist diese erfindungsgemäße „Trompetenform” herstellbar. So kann der Steuerkonus beispielsweise gedreht, gefräst, quergewalzt oder fließgepresst werden. Zudem kann der Steuerkonus einteilig mit dem Polkern oder zweiteilig aus einem Rohr und einem Ring gefertigt sein.
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Mit der Trompetenform lässt sich eine Kombination aus luftspaltgesteuertem und konusquerschnittgesteuertem Magnetkennfeld verwirklichen. Das heißt, bei der beanspruchten Steuerkonusform wird der Magnetfluss nicht hauptsächlich über die Änderung der Wandstärke des Steuerkonus gesteuert. Stattdessen wird der Magnetfluss über die Breite des Luftspaltes durch den größer werdenden Abstand zwischen Steuerkonus und Anker gesteuert.
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Mittels dieser trompetenförmigen Steuerkonusform ist es auch bei größeren Magnethüben möglich, verschiedene und dennoch präzise einhaltbare Magnet-Hubkennlinien zu schaffen.
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Ein besonders linearer Kraft/Weg-Verlauf lässt sich erreichen, wenn sich der trompetenförmige Endbereich mit zunehmender Steigung aufweitet. Dabei kann die Wandstärke des Endbereiches in besonders vorteilhafter Weise konstant bleiben. In weiteren Ausgestaltungen kann die Wandstärke aber auch abnehmen.
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Der Steuerkonus kann in besonders vorteilhafter Weise Anwendung bei einem elektromagnetischen Proportionalstellglied für einen hydraulischen Aktuator zur Betätigung einer Lamellenkupplung finden, da das elektromagnetische Proportionalstellglied für einen solchen Aktuator zum Aufbringen des Hydraulikdruckes sehr groß und mit einem langen Linearhub dimensioniert sein muss. Anwendungsfälle für solche Lammellenkupplungen sind insbesondere
- – regelbare Querdifferentialsperren,
- – regelbare Längsdifferentialsperren,
- – Torque Vectoring Systeme und
- – die Ankupplung einer zusätzlichen Achse bei einem zuschaltbaren Allradantrieb.
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Solche Anwendungsfälle sind teilweise in der
US 4,862,769 und der
WO 2008/004974 A1 dargestellt.
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Dabei sind als Lamellenkupplung auch Lameilenbremsen anzusehen.
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Zur Kompensation von Leckageverluste des Hydraulikfluids dieser Hydraulikpumpe kann eine entsprechende Einrichtung vorgesehen sein.
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Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung vor.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Dabei zeigen
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1 einen elektromagnetischen Aktuator mit einem Polkern und
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2 den Polkern aus 1 in einer Ansicht als Einzelteil.
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1 zeigt in einer geschnittenen Darstellung einen hydraulischen Aktuator 1 mit einem elektromagnetischen Proportionalstellglied 46. Der Aktuator 1 ist an einem nicht näher dargestellten Aufnahmegehäuse befestigt und bringt den hydraulischen Druck für eine Lamellenkupplung auf, mit der die Hinterachse eines standardmäßig frontgetriebenen Fahrzeugs in den Antrieb eingebunden werden kann.
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Das Proportionalstellglied 46 umfasst eine Spule 2, an die über einen nicht näher dargestellten Anschlussstecker eine Versorgungsspannung anlegbar ist. Diese Versorgungsspannung kann insbesondere eine Gleichspannung sein. Ebenso kann eine Wechselspannung über Brückengleichrichter, eine pulsweitenmodulierte Spannung oder es können auch Dithersignale auf einer Gleichspannung angelegt werden. Mit dem Aktuator 1 ist ein hydraulischer Druck erzeugbar, der weitgehend proportional zum angelegten Strom und unabhängig vom Weg ist. Verantwortlich hierfür ist hauptsächlich die Formgebung eines Polkerns 16 bzw. von dessen Steuerkonus 15.
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Die Spule 2 ist mit einem Spulenträger 3 aus nicht leitendem Kunststoff gänzlich umspritzt. Dabei weist der Spulenträger 3 am vorderen Ende einen verdickten Bund 4 auf, von dem Gussansätze 22 in eine magnetisierbare Verstärkungsblechbuchse 25 greifen. Diese Verstärkungsblechbuchse 25 weist am hinteren Ende einen radial nach innen gebogenen Bund 27 auf. Die Verstärkungsblechbuchse 25 und der Spulenträger 3 sind gemeinsam mit der Spule 2 in ein abgesetzt topfförmiges Gehäuse 5 aus magnetisierbarem Stahlblech eingesetzt. Dabei ist ungefähr am hinteren Drittel des Gehäuses 5 der Absatz 29 vorgesehen. An diesem Absatz 29 des Gehäuses 5 liegt eine Seite einer Polscheibe 6 an. An der anderen Seite der Polscheibe 6 stützt sich die Spule 2 ab. Diese Polscheibe 6 ist sehr dick. Diese Dicke h ist notwenig, da ein großer Durchmesser DA eines weiter unten erläuterten Ankers 26 eine geringes Radialmaß r der Polscheibe 6 notwendig macht. Eine solches geringes Radialmaß r bedingt jedoch am Übergangsbereich des magnetischen Flusses von der Polscheibe 6 zum Anker 26 eine große Fläche. Über die Dicke h liegt zudem die Verstärkungsblechbuchse 25 an der Mantelfläche 31 der Polscheibe 6 an, wobei der besagte Bund 27 in eine ringförmige Ausnehmung der Polscheibe 6 greift.
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Durch eine zentrische Ausnehmung 8 der Polscheibe 6 ragt eine magnetisierbare Stahlhülse 10. Diese Stahlhülse 10 stützt sich mit einem Absatz 11 in die nach hinten auf einen Topfboden 9 des topfförmigen Gehäuses 5 weisenden Richtung axial an der Polscheibe 6 ab. Die Stahlhülse 10 ist an deren Innenwand mit einer den Reibwert vermindernden Trennschicht versehen, die beispielsweise ein Gleitlack, PTFE oder eine Nickel-PTFE-Beschichtung sein kann. Alternativ kann auch der Anker 26 an dessen Mantelfläche mit einer solchen Trennschicht versehen sein.
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Auf das vordere Ende der Stahlhülse 10 ist ein dünnwandiges nicht magnetisierbares Stahlrohr 13 aufgesteckt, welches an dessen anderem Ende auf einen zylindrischen Bereich 7 des Polkerns 16 aufgesteckt ist. Zum erleichterten Aufstecken des Stahlrohres 13 und zur Liniearisierung der Magnetkraft ist die Stahlhülse 10 an deren dem Polkern 16 zugewandten Ende radial außen konisch angefast. Ein in eine Ringnut am Außenumfang der Ringscheibe 14 eingesetzter O-Ring 17 dichtet dabei die Ringscheibe 14 Hydraulikpumpe 1 ab, so dass kein Hydraulikfluid aus dem Gehäuse 5 gelangen kann.
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Der Polkern
16 weist einen sich nach hinten radial innerhalb der Spule
2 erstreckenden Steuerkonus
15 und einen sich nach vorne erstreckenden Anschlusszapfen
18 auf. Dieser vordere Abschlusszapfen
18 ist in nicht näher dargestellter Weise in eine Bohrung des besagten Aufnahmegehäuses eingesteckt und zentriert somit den Aktuator
1 gegenüber dem Aufnahmegehäuse. Dabei ist der Aktuator
1 über Bohrungen
32 an einem Flansch
19 des Gehäuses
5 fest mit dem Aufnahmegehäuse verschraubt. Zur Herstellung dieser Verbindung kann aber auch beispielsweise ein Axial-Sicherungsring oder ein Stift gemäß
DE 10 2007 030 165 verwendet werden. Ferner kann der Abschlusszapfen
18 alternativ ein Außengewinde aufweisen und in das Aufnahmegehäuses eingeschraubt sein.
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In einer Position radial zwischen dem Steuerkonus 15 und dem Anschlusszapfen 18 sind Ausgleichsbohrungen 20, 21 vorgesehen, die einen Ankerraum 28 beim Ausrücken eines Kolbens 23 mit vom Tank T kommenden Hydraulikfluid versorgen bzw. dieses wieder beim Einrücken des Kolbens 23 in den Tank T führen.
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Dabei ragt der Kolben 23 zur Herstellung des Druckes in einem Hochdruckbereich 30 axial in eine zentrische durchgehende Ausnehmung 38 des Polkerns 16. Der Kolben 23 weist ein Radialspiel zum Polkern 16 auf. Der Kolben 23 ist aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff gefertigt und bewegungsfest mit dem Anker 26 verbunden. Dazu ist der Kolben 23 in eine Ausnehmung des Ankers 26 eingepresst. Ein einseitig öffnender Dichtring 24 ist vorgesehen, der das Radialspiel überbrückt und damit den unter Druck zu setzenden Hochdruckbereich 30 gegen den vorderen Ankerraum 28 innerhalb des Steuerkonus 15 abdichtet. Dazu ist dieser Dichtring 24 in eine Ringnut am Ende des Kolbens 23 eingesetzt und liegt an einer Zylinderlaufbahn bzw. Innenwand 42 der zentrischen Ausnehmung 38 im Polkern 16 an.
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Wie in 2 ersichtlich ist, weist der Polkern 16 an der dem Ankerraum 28 zugewandten Seite einen zweifach geschlitzten Führungsring 39 auf. Dieser geschlitzte Führungsring 39 weist dabei 3 Funktionen auf.
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Als erste Funktion führt der Führungsring 39 eine Schraubendruckfeder 40, welche
- – sich einerseits an einer stirnseitig in den Polkern 18 eingelassenen Ringnut 33 und
- – sich andererseits an einer stirnseitig in den Anker 26 eingelassenen Ringnut 34
abstützt.
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Als zweite Funktion übernimmt der Führungsring 39 die Funktion einer Antiklebscheibe, da er in die auf den Anker 26 weisenden Richtung spitz zulaufend ist so dass nur eine geringe magnetische Klebfläche für den Anker 26 zur Verfügung steht. Dabei kommt zugute, dass der Anker 26 im üblichen Betriebsbereich des Aktuators 1 nur selten und dann aber stark gedämpft zum Anschlag an den Führungsring 39 kommt.
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Als dritte Funktion sorgen Schlitze 35 in dem Führungsring 39 dafür, dass der Hochdruckbereich 30 bei entsprechend geneigter Einbaulage des Aktuators 1 bei eingerücktem Kolben 23 entlüftet wird und zum anderen als Sicherheitsfunktion bei Unterbrechung der Stromversorgung die Lamellenkupplung frei von Druck stellt.
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Der Kolben 23 ist mit einer Sacklochbohrung 36 und einer Querbohrung 37 versehen, so dass der Ankerraum 28 über eine zentrisch im Anker 26 eingearbeiteten Kanal 41 mit dem Raum 43 hinter dem Anker 26 verbunden ist, so dass ein Druckausgleich des Ankerraumes 28 mit dem Raum 43 hergestellt ist.
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Radial außerhalb des Kolbens 23 und der Schraubendruckfeder 40 liegt der Steuerkonus 15. Dieser Steuerkonus 15 erstreckt sich von der Ringscheibe 14 ausgehend axial bis über die ihm zugewandte Stirnfläche 44 des Ankers 26 hinaus.
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Damit bildet sich ein Überlappungsbereich, der eine ausreichend hohen Anlaufkraft des Ankers 26 sicherstellt.
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Ausgehend von der Ringscheibe 14 weist der Außendurchmesser des Steuerkonus 15 zunächst den gleichbleibend zylindrischen Bereich 7 auf, auf welchem das Stahlrohr 13 und der Bund 4 aufgesetzt sind. Diesem ersten Bereich 7 schließt sich axial dahinter ein weiterer Bereich 8 an, der sich in die auf den Anker 26 weisenden Richtung am Außendurchmesser des Steuerkonus 15 verjüngt. Über diese Verjüngung bleibt hingegen der Innendurchmesser gleich. Ab dem Ende dieser Verjüngung – d. h. nach ungefähr ¾ der Gesamtstrecke – weiten sich der Außendurchmesser und der Innendurchmesser in einem anschließenden Endbereich 45 wieder auf. Über die Länge des sich aufweitenden Außen- und Innendurchmessers nimmt dabei die Steigung zu. Die Wandstärke des sich trompetenförmig aufweitenden Endbereiches 45 bleibt somit bis zum Ende hin konstant.
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Mittels dieser besonderen Formgebung wird erreicht, dass die Kraft des Ankers über dessen axialen Verschiebeweg nahezu linear ansteigt.
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Die Wandstärke des Endbereiches muss nicht konstant bleiben. Alternativ kann die Steigung des Innendurchmessers im größeren Maße zunehmen, als die Steigung des Außendurchmessers. Eine solche Ausgestaltung hat zur Folge, dass die Wandstärke des sich trompetenförmig aufweitenden Endbereiches 45 zum Ende hin abnimmt.
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Die aus nicht magnetisierbaren Stahl bestehenden Bauteile können insbesondere aus einem austenitischen Stahl bestehen. Diese Bauteil können jedoch auch aus einem anderen nicht magnetisierbaren Material, wie beispielsweise Messing, hergestellt sein. Auch kann eine reibwertvermindernde Beschichtung bzw. Trennschicht auf dem Kolben und/oder der Innenwand des Polkerns vorgesehen sein. Oder es kann ein Kunststoff verwendet werden.
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Der Kolben kann gegenüber dem Anker auch ausschließlich axialfest sein. D. h. radiale und/oder rotatorische Relativbeweglichkeit wäre möglich. Ein mögliche Verbindung des Kolbens mit dem Anker ist ein Sprengring, der einerseits in eine ausgerundete umlaufende Außenringnut des Kolbens und andererseits in eine ausgerundete umlaufende Innenringnut des Ankers eingreift. Für eine solche Verbindung kann anstelle eines Sprengringes auch eine geschlossen umlaufende Schlauchfeder verwendet werden, wie eine solche bereits von Radialwellendichtringen bekannt ist. Eine solche Schlauchfeder ist erheblich weicher und weniger scharfkantig als ein Sprengring. Somit kann sogar ein Kolben aus einem spröden Material, wie beispielsweise einem duroplastischen Kunststoffverwendet werden, ohne dass bei der Montage die Gefahr eines Abplatzens von Teilen des Kunststoffkolbens besteht. Ein praxistauglicher duroplastischer Kunststoff ist im Handel unter dem Markennamen Vyncolit erhältlich.
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Der Kolben kann auch als Stößel ausgeführt sein und muss nicht in der Ausnehmung des Polkerns enden sondern kann über den Polkern hinaus stehen.
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Das elektromagnetische Proportionalstellglied muss nicht einer elektrohydraulischen Einheit zugehörig sein. Es ist auch möglich, mit dem elektromagnetischen Proportionalstellglied einen nichthydraulischen Kolben unmittelbar zu betätigen. Ein solches als Schaltmagnet ausgeführtes elektromagnetisches Proportionalstellglied ist beispielsweise in den und von Linsmeier, Klaus-Dieter, „Elektromagnetische Aktoren", 1995, ISBN 3-478-93134-7 gezeigt.
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Auch bei der Anwendung des elektromagnetischen Proportionalstellglieds für eine hydraulische Einheit muss diese nicht als Aktuator für eine Lamellenkupplung ausgeführt sein. Es ist auch möglich, das elektromagnetische Proportionalstellglied für ein Ventil, wie beispielsweise Volumenstromregelventil, eine Druckregelventil oder ein Cartridge-Ventil zu verwenden. Ein hydraulisch von einem Ventil zu steuernder Verbraucher ist beispielsweise ein Flügelzellennockenwellenversteller.
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Anstelle der Schlitze 35 können auch andere Formen von Ausnehmungen vorgesehen sein, wie beispielsweise Löcher oder Bohrungen.
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Der Polkern muss nicht einteilig gefertigt sein. Er kann insbesondere aus zwei Teilen gefertigt sein, wobei ein eher rohrförmiges Teil in ein eher ringförmiges Teil gesteckt wird. Dies macht eine Nachbearbeitung notwendig.
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Bei den beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich nur um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der beschriebenen Merkmale für unterschiedliche Ausführungsformen ist ebenfalls möglich. Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale der zur Erfindung gehörenden Vorrichtungsteile, sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien der Vorrichtungsteile zu entnehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktuator
- 2
- Spule
- 3
- Spulenträger
- 4
- Bund
- 5
- Gehäuse
- 6
- Polscheibe
- 7
- zylindrischer Bereich
- 8
- weiterer Bereich
- 9
- Topfboden
- 10
- Stahlhülse
- 11
- Absatz
- 12
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- 13
- Stahlrohr
- 14
- Ringscheibe
- 15
- Steuerkonus
- 16
- Polkern
- 17
- O-Ring
- 18
- Anschlusszapfen
- 19
- Flansch
- 20
- Ausgleichsbohrung
- 21
- Ausgleichsbohrung
- 22
- Gussansätze
- 23
- Kolben
- 24
- Dichtring
- 25
- Verstärkungsblechbuchse
- 26
- Anker
- 27
- Bund
- 28
- Ankerraum
- 29
- Absatz
- 30
- Hockdruckbereich
- 31
- Mantelfläche
- 32
- Bohrungen
- 33
- stirnseitige Ringnut
- 34
- stirnseitige Ringnut
- 35
- Schlitz
- 36
- Sacklochbohrung
- 37
- Querbohrung
- 38
- Ausnehmung des Polkerns 16
- 39
- Führungsring
- 40
- Schraubendruckfeder
- 41
- Kanal
- 42
- Innenwand
- 43
- Raum
- 44
- Stirnfläche
- 45
- Endbereich
- 46
- elektromagnetisches Proportionalstellglied
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4862769 [0010]
- WO 2008/004974 A1 [0010]
- DE 102007030165 [0023]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Linsmeier, Klaus-Dieter, „Elektromagnetische Aktoren”, 1995, ISBN 3-478-93134-7 [0002]
- Linsmeier, Klaus-Dieter, „Elektromagnetische Aktoren”, 1995, ISBN 3-478-93134-7 [0039]
