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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehrichtungsumkehr und/oder
zur Verstellung der Kohlebürsten für einen reversiblen
Elektromotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Solche
Vorrichtungen, insbesondere in der Art eines Stellrings, werden
in Elektrowerkzeugen, die mittels Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC)
betrieben werden, verwendet. Diese Elektrowerkzeuge können
mit einer Elektroniksteuerung versehen sein. Bei dem Elektromotor
für das Elektrohandwerkzeug kann es sich um einen bürstenlosen (EC-)Motor
handeln.
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Es
ist aus der
EP 0 778
655 A2 eine Vorrichtung zur Verstellung der Kohlebürsten
in der Art eines Stellrings für einen reversiblen Elektromotor
mit einem Sockel und mit einem verschwenkbar am Sockel gelagerten
Träger bekannt. Am Träger sind Bürstenhalter
für die auf dem Kollektor des Elektromotors schleifenden
Kohlebürsten angeordnet. Der Stellring dient damit als
Halterung für die Kohlebürsten des mechanischen
Stromwenders oder Kommutators des Elektromotors. Durch Drehen des
Stellrings erreicht man den Wechsel der Drehrichtung der elektrischen
Maschine. Weiter erlaubt der Stellring eine optimale Kommutierung
beim Links- und/oder Rechtslauf des Elektromotors, wodurch eine
Reduzierung des Bürstenfeuers, der Funkstörung
und eine längere Lebensdauer der Kohlebürsten
erzielt wird.
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An
den Bürstenhaltern befinden sich Schaltkontakte in der
Art von Kontaktflügeln, die mit den Kohlebürsten
in elektrischer Verbindung stehen. Festkontakte, die mit den Feldwicklungen
des Elektromotors in elektrischer Verbindung stehen, sind am Sockel
angeordnet. Die Festkontakte wirken mit den Schaltkontakten als
Gegenkontakte in einer wechselweisen Kontaktierung der Kohlebürsten
zur Drehrichtungsumkehr des Elektromotors bei Verschwenkung des
Trägers zusammen. Der Festkontakt besteht aus einem federnden
Kontaktarm, welcher auf den nicht federnden Gegenkontakt des Schaltkontakts
in einer Einfachkontaktierung eine Kraft ausübt. Es hat
sich herausgestellt, daß eine solche Kontaktanordnung in manchen
extremen Einsatzfällen des Elektrowerkzeugs nicht immer
betriebssicher ist sowie einem gewissen, gegebenenfalls vorzeitigen
Verschleiß unterworfen ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung zur Drehrichtungsumkehr
und/oder zur Verstellung der Kohlebürsten so weiterzuentwickeln,
daß die Kontaktsicherheit verbessert ist. Insbesondere
soll eine optimierte toleranzunempfindliche Kontaktierung geschaffen
werden, welche extremen Vibrationen standhält, wie sie
zum Beispiel im Schlagbohrbetrieb auftreten.
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Diese
Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung
zur Drehrichtungsumkehr und/oder zur Verstellung der Kohlebürsten
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Drehrichtungsumkehr
und/oder zur Verstellung der Kohlebürsten ist der Festkontakt
als U-förmig gebogener Kontaktarm ausgestaltet und es sind
zwei Gegenkontakte als Schaltkontakte angeordnet, derart daß der
Festkontakt beidseitig gegen die Gegenkontakte des Schaltkontakts
eine Kraft ausübt. Die Erfindung schafft somit eine Doppelkontaktierung
für Stellringe und Schalter, wobei ein U-förmig
gebogener, federnder Kontaktarm gegen zwei nicht federnde Gegenkontakte
beidseitig eine Kraft ausübt. Damit wird auch unter extremen
Belastungen eine hohe Kontakt- sowie Betriebssicherheit erzielt
und die Lebensdauer der Vorrichtung weiter gesteigert. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
Bürstenhalter kann zweiteilig ausgestaltet sein. Zweckmäßigerweise
besteht der Bürstenhalter aus einer Grundplatte aus Kupfer
und einer Halterung aus Messing. In einer bevorzugten Ausbildung sind
die Kontaktarme des Festkontakts federnd sowie die Gegenkontakte
am Schaltkontakt feststehend, also nicht federnd, ausgestaltet.
In einer anderen Ausbildung sind die Kontaktarme des Festkontakts
feststehend, also nicht federnd, sowie die Gegenkontakte am Schaltkontakt
federnd ausgestaltet. Dabei kann als federndes Element für
den Gegenkontakt die Grundplatte des Bürstenhalters dienen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Festkontakt in der Art einer
Kontaktbahn derart gebogen, daß zwei federnde Kontaktarme
von außen her gegen die beiden Gegenkontakte eine Kraft
ausüben.
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Um
noch höhere Ströme schalten zu können, können
längliche Kontaktnieten an den als Keilflächen
ausgestalteten Kontaktarmen des Festkontakts angebracht sein. Damit
kann dann auch sicher unter Last-Strom geschaltet werden. Zweckmäßigerweise sind
die Gegenkontakte mit Kontaktnieten versehen. Weiter können
zur Erhöhung der Lebensdauer die Kontakte beschichtet sein,
beispielsweise mit einem Edelmetall.
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Für
bestimmte Ausführungen ist nachfolgendes festzustellen.
Derartige Bürstenhaltersysteme mit Rechts-/Linkslaufumschaltung
weisen auf:
- – Kohlehalter, bestehend
aus zwei Teilen, nämlich einer Grundplatte aus Kupfer und
einer Halterung aus Messing.
- – Kontaktbahn so gebogen, daß die federnden Kontaktarme
von außen her statt von innen her gegen zwei Gegenkontakte
eine Kraft ausüben.
- – Kontaktbahn als nicht federndes Teil ausgebildet.
Als federndes Element dient dann die Grundplatte.
- – Längliche Kontaktnieten sind an den Keilflächen angebracht,
damit auch unter Strom geschaltet werden kann. Der Gegenkontakt
kann oder kann nicht mit Kontaktnieten versehen sein.
- – Die Kontakte können beschichtet werden.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die Kontaktierung im Stellring optimiert ist, insbesondere
bezüglich der Toleranzempfindlichkeit, der Montagesicherheit,
der Vibrationsfestigkeit, der Kontaktsicherheit, der Temperaturerhöhung
sowie der Strombelastbarkeit. Wenn durch Vibrationen eine Kontaktierung
unterbrochen wird, kann immer noch die zweite Kontaktstelle Strom führen,
womit eine permanente Stromübertragung sichergestellt ist.
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Weiter
ergeben sich folgende Vorteile:
- – Die
Temperaturerhöhung unter Last ist geringer im Vergleich
zur bisherigen Kontaktierung mit einem federnden Arm. Dies ergibt
sich wegen der zwei parallelen und somit redundanten Kontaktübergänge.
- – Erhöhte Kontaktsicherheit durch gegenseitige Abstützung
unter Vibrationen sowie kleinerer Übergangswiderstand wie
bisher.
- – Es ist eine geringere Kontaktkraft als bisher möglich.
Dadurch ergibt sich auch ein geringerer Abrieb an den Kontakten.
- – Die geometrischen Maße, die die Kontaktkraft beeinflussen,
sind in der Fertigung leichter einhaltbar und kontrollierbar.
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Die
Abhängigkeit und Beeinflussung der Kontaktkraft ergibt
sich bei der bisherigen Lösung durch:
- – Mehrere
Biegungen an der Kontaktbahn.
- – Aufnahme der Kontaktbahn im Sockel.
- – Verzug im Sockel.
- – Führung Sockel – Oberteil.
- – Anschlag Sockel – Oberteil.
- – Verzug Oberteil.
- – Aufnahme Kohlehalter auf Sockel.
- – Maßhaltigkeit Kohlehalter (Materialkonstanten) und
Einschubtiefe.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung hingegen
wird die Kontaktkraft lediglich durch das Öffnungsmaß der
Festkontakte, das Öffnungsmaß des U-Bügels
der Kontaktbahn sowie durch die Einschubtiefe beeinflußt,
womit die Toleranzunempfindlichkeit verbessert ist.
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Eine
Ausführung nach dem Stand der Technik, also mit konventionellem
Rechts-/Links-Umschalter und ohne Stellring, ist in 1 dargestellt. Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen
und Ausgestaltungen ist in den Zeichnungen gemäß 2 ff.
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es
zeigen
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1 die
Anordnung der Leistungselektronik in einem Elektrowerkzeug nach
dem Stand der Technik in schematischer Art,
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2 die
erfindungsgemäße Anordnung der Leistungselektronik
in einem Elektrowerkzeug als schematisches Blockschaltbild,
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3 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verstellung der
Kohlebürsten in perspektivischer Ansicht,
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4 die
Vorrichtung nach 3 in einer anderen perspektivischen
Ansicht,
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5 die
Vorrichtung entsprechend 3, wobei einzelne Teile weggelassen
sind,
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6 die
Vorrichtung entsprechend 4, wobei einzelne Teile weggelassen
sind,
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7 die
Kontaktanordnung in der Vorrichtung entsprechend einer weiteren
Ausführung und
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8 die
Kontaktanordnung in der Vorrichtung entsprechend einer noch weiteren
Ausführung.
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Wie
in 1 zu sehen ist, ist bisher der Schalter 1 mit
Leistungselektronik nicht im Luftstrom für den Elektromotor 2 befindlich.
Es wird ein konventioneller Rechts- /Links(RL)-Umschalter verwendet. Dies
erfordert große Kühlkörper, teure Bauteile,
viele Leitungen u. dgl. sowie setzt enge Leistungsgrenzen. Gemäß der 2 ist
bei der Erfindung die Leistungselektronik für das Elektrowerkzeug,
wie für eine Bohrmaschine oder einen Schrauber, vom Schalter 4 in den
mechanisch verstellbaren Kohlebürstenhalter und damit in
den Stellring 3 zur Drehrichtungsumkehr verlagert. Dadurch
befindet sich die Leistungselektronik im Kühlluftstrom
für den Elektromotor 2. Somit sind höhere
Leistungen und/oder billigere Bauteile möglich sowie weniger
elektrische Leitungen erforderlich. Beispielsweise sind statt 8
leistungsführenden Leitungen nur noch 2 leistungsführende
Leitungen plus 2 Signalleitungen erforderlich.
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Wie
man nun weiter anhand der 3 sieht, weist
der Stellring 3 als Vorrichtung zur Verstellung der Kohlebürsten 7 für
den reversiblen Elektromotor eines Elektrohandwerkzeugs einen Sockel 5 und
einen verschwenkbar am Sockel 5 gelagerten Träger 6 auf.
Am Träger 6, der mittels seitlicher Betätigungsnocken 8 verschwenkbar
ist, sind Bürstenhalter 9 für die auf
dem Kollektor des Elektromotors schleifenden Kohlebürsten 7 angeordnet.
Der Elektromotor ist mittels einer Leistungselektronik 10,
die in 6 zu sehen ist, und bei der es sich um eine Pulsweitensteuerung,
eine Phasenanschnittsteuerung, eine Phasenabschnittsteuerung o.
dgl. handelt, ansteuerbar. Die auf einer Leiterplatte 11 befindliche
Leistungselektronik 10 ist am Sockel 5 angeordnet.
Falls gewünscht, kann sich die Leistungselektronik 10 auch am
Träger 6 befinden, was vorliegend jedoch nicht weiter
gezeigt ist.
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Wie
in 5 zu sehen ist, befinden sich Schaltkontakte 12 in
der Art von Kontaktflügeln an den Bürstenhaltern 9,
die mit den Kohlebürsten 7 in elektrischer Verbindung
stehen. Weiter sind Festkontakte 13, die mit den Feldwicklungen
des Elektromotors in elektrischer Verbindung stehen, am Sockel 5 angeordnet,
und zwar auf die Leiterplatte 11 aufgelötet. Die
Festkontakte 13 wirken mit den Schaltkontakten 12 als
Gegenkontakte in einer wechselweisen Kontaktierung der Kohlebürsten 7 zur
Drehrichtungsumkehr des Elektromotors bei Verschwenkung des Trägers 6 zusammen.
Im übrigen kann für einen bürstenlosen
Elektromotor, bei dem die Kohlebürsten 7 entfallen,
die beschriebene Vorrichtung als Drehrichtungsumschalter wirken,
wobei wiederum die Leistungselektronik 10 am Sockel 5 und/oder
am Träger 6 angeordnet ist.
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Die
Leistungselektronik 10 weist wenigstens einen Leistungshalbleiter 14 auf,
welcher die Ströme in den Motorwindungen des Elektromotors
schaltet beziehungsweise steuert. Beispielsweise kann es sich bei
dem Leistungshalbleiter 14 um einen Triac, einen Thyristor,
einen MosFET, eine Leistungsdiode, eine H-Brücke mit Leistungshalbleitern,
Relais und/oder elektrischen Schaltern o. dgl. handeln. Eine nicht
weiter gezeigte Signalverarbeitungselektronik, die Sensoren, wie
Stromsensoren und/oder Sensoren für die Rotorposition des
Elektromotors, aufweist, kann ebenfalls am Sockel 5 und/oder
am Träger 6 angeordnet sein. Zweckmäßigerweise
kann zum Schutz die Signalverarbeitungselektronik und/oder die Leistungselektronik 10 gekapselt
oder vergossen sein.
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In
Weiterbildungen der Vorrichtung 3 zur Verstellung der Kohlebürsten 7,
die im Einzelnen jedoch in den Figuren nicht näher dargestellt
sind, kann der Sockel 5 und/oder der Träger 6 Elemente
des Elektromotors umfassen, insbesondere eine Lagerschale für
ein Kugellager der Rotorwelle des Elektromotors. Der Sockel 5 und/oder
der Träger 6 können ein Teil des Gehäuses
oder der tragenden Struktur des Elektrohandwerkzeugs bilden. Zweckmäßigerweise
kann die tragende Struktur des Sockels 5 und/oder des Trägers 6 aus
Metall bestehen, derart daß die tragende Struktur gleichzeitig
der Wärmespreizung, der Wärmeleitung, der Wärmeabgabe
o. dgl. an die Luft und/oder ein anderes Fluid dient. Weiter kann
der Sockel 5 und/oder der Träger 6 räumlich
derart strukturiert sein, daß eine Abschirmung zur Verbesserung der
EMV oder die Verhinderung eines Wärmeflusses von den Kohlebürsten 7 auf
die wärmeempfindlichen Teile, beispielsweise der Leistungselektronik 10,
ermöglicht ist.
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Es
können Leitflossen zur Führung eines, insbesondere
für die Kühlung des Elektromotors dienenden Kühlluftstroms
am Sockel 5 und/oder am Träger 6 angeordnet
sein, derart daß der Kühlluftstrom die Leistungselektronik 10 kühlt.
Außerdem kann auch ein Kühlkörper am
Sockel 5 und/oder am Träger 6 zur Kühlung
der Leistungselektronik 10 angeordnet sein. Die metallischen
Teile der Bürstenhalter 9 für die Kohlebürsten 7 können
als Wärme leitende und/oder Wärme an die Luft
abgebende Teile ausgebildet sein. Schließlich kann ein
Lüfter zur Erzeugung eines Kühlluftstroms am Sockel 5 und/oder
am Träger 6 zur Kühlung der Leistungselektronik 10 angeordnet
sein, wobei der Lüfter den Leistungsstellring 3 oder
dann auch den Elektromotor im Blockierfall kühlt. Die Lüfterleistung
des Lüfters läßt sich hierfür steuern
und/oder regeln. Darüberhinaus können die Pole
der Leistungshalbleiter 14 in der Leistungselektronik 10 direkt
auf die Bürstenhalter 9 für die Kohlebürsten 7 elektrisch
und/oder wärmetechnisch kontaktieren.
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Am
Sockel 5 ist gemäß 4 ein
Stecker 23, beispielsweise mit Push-In-Klemmen oder Buchsen-Klemmen,
für einen Netzanschluß angeordnet. Der Stecker 23 dient
als Anschluß für die Spannungsversorgung zur Leistungselektronik 10.
Desweiteren kann der Stecker 23 gemäß 3 auch
für den mechanisch und/oder elektrisch kontaktierenden Anschluß zu
einem Stellelement mit Potentiometer o. dgl. dienen. Falls die Leistungselektronik 10 auf
dem Träger 6 befindlich ist, kann der Stecker 23 auch
am Träger 6 angeordnet sein. Am Sockel 5 und/oder
am Träger 6 kann noch ein nicht weiter gezeigtes
Drehpotentiometer als Stellglied für die Leistungselektronik 10 angeordnet
sein. Der Leistungsstellring 3 kann beispielsweise auf
der Seite des Handgriffs des Elektrowerkzeugs eine Anschlußmöglichkeit
aufweisen, mittels welcher das Potentiometer mechanisch und elektrisch
kontaktiert werden kann.
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Die
nähere Ausgestaltung der Kontaktanordnung 12, 13 ist
in 5 und 6 sowie in einer weiteren Ausführung
in 7 zu sehen. Der Festkontakt 13 gemäß 7 ist
als ein länglicher federnder Kontaktarm 15 ausgebildet.
Der Schaltkontakt 12 ist als seitlicher, abstehender und
im wesentlichen nichtfedernder Kontaktflügel am Bürstenhalter 9 ausgebildet.
Der Kontaktarm 15 wirkt mit dem Schaltkontakt 12 als
Gegenkontakt schaltend in einer Einfachkontaktierung zusammen.
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Die
nähere Ausgestaltung der Kontaktanordnung 12, 13 ist
in noch einer weiteren Ausführung in 8 zu
sehen. Dort besteht der Festkontakt 13 aus einer Kontaktbahn 16 mit
einem U-förmig gebogenen Kontaktarm 17, 18.
Am Bürstenhalter 9 sind zwei Gegenkontakte 19, 20 als
Schaltkontakte 12 angeordnet, derart daß der Festkontakt 13 beidseitig
gegen die Gegenkontakte 19, 20 eine Kraft in einer
Doppelkontaktierung ausübt.
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Der
Bürstenhalter 9 ist einteilig oder zweiteilig
ausgestaltet, und zwar im letzteren Fall bestehend aus einer Grundplatte 21 aus
Kupfer und einer Halterung 22 aus Messing. Wie man sieht
sind die Kontaktarme 17, 18 des Festkontakts 13 federnd
sowie die Gegenkontakte 19, 20 des Schaltkontakts 12 feststehend,
also nicht federnd, ausgestaltet. Selbstverständlich können
auch umgekehrt die Kontaktarme des Festkontakts 13 feststehend
sowie nicht federnd und die Gegenkontakte des Schaltkontakts 12 federnd
ausgestaltet sein, was jedoch nicht weiter gezeigt ist. In letzterem
Fall dient dann die Grundplatte 21 als federndes Element
für die Gegenkontakte 19, 20. Desweiteren
kann, was ebenfalls nicht weiter gezeigt ist, der Festkontakt 13 in
der Art einer Kontaktbahn derart gebogen sein, daß zwei
federnde Kontaktarme 17, 18 von außen
her statt wie in 8 von innen her gegen die beiden
Gegenkontakte 19, 20 eine Kraft ausüben.
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Es
können in an sich bekannter Art längliche Kontaktnieten
mit den als Keilflächen ausgestalteten Kontaktarmen 17, 18 des
Festkontakts 13 zusammenwirken. Diese Ausgestaltung unterstützt
das Schalten unter Strom. Die Kontaktnieten sind am Gegenkontakt 19, 20 angebracht.
Schließlich können die Kontakte der Kontaktanordnung 12, 13 beispielsweise
mit einem Edelmetall beschichtet sein.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Sie umfaßt vielmehr auch alle fachmännischen
Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche
definierten Erfindung. So kann der erfindungsgemäße
Stellring 3 nicht nur für Elektrowerkzeuge sondern
auch für weitere Elektrogeräte mit mechanischer
oder elektronischer Drehrichtungsumkehr Verwendung finden. Desweiteren
kann der Stellring 3 auch die Funktion eines Drehpotentiometers
aufweisen und so beispielsweise bei einem Polierer in Winkelschleifer-Bauform
mit einer „Gasgebe”-Funktion eingesetzt werden.
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- 1
- Schalter
(nach Stand der Technik)
- 2
- Elektromotor
- 3
- Stellring
(für Elektrowerkzeug nach der Erfindung)/Leistungsstellring/Vorrichtung
zur Verstellung der Kohlebürsten
- 4
- Schalter
(für Elektrowerkzeug nach der Erfindung)
- 5
- Sockel
- 6
- Träger
- 7
- Kohlebürste
- 8
- Betätigungsnocken
- 9
- Bürstenhalter
- 10
- Leistungselektronik
- 11
- Leiterplatte
- 12
- Schaltkontakt/Kontaktanordnung
- 13
- Festkontakt/Kontaktanordnung
- 14
- Leistungshalbleiter
- 15
- Kontaktarm
- 16
- Kontaktbahn
- 17,
18
- Kontaktarm
- 19,
20
- Gegenkontakt
- 21
- Grundplatte
(von Bürstenhalter)
- 22
- Halterung
(von Bürstenhalter)
- 23
- Stecker
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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