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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für einen Stellantrieb mit einem Elektromotor sowie einen zugehörigen Stellantrieb.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Stellantriebe mit Kleinmotoren, welche eine kompakte Bauweise und ein geringes Gewicht haben, insbesondere mit klein bauenden bürstenlosen Gleichstrommotoren, die im Automobilbereich zur Anwendung kommen, z. B. als Kleinmotoren-Verstellglied, Lüftermotor, Antrieb für Klappensteller beispielsweise in Klimaanlagen und zur Motorkühlung und so weiter, wobei die Erfindung auf diese Anwendungen nicht beschränkt ist.
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Die erfindungsgemäße Antriebseinheit ist insbesondere für solche Stellantriebe geeignet, die eine im Vergleich zur Drehzahl des Elektromotors langsame Verstellung des Stellgliedes erzeugen, beispielsweise in einer Lüftungsklappe. Als Antriebsmotor kommen bevorzugte bürstenlose Gleichstrommotoren zum Einsatz, die eine Drehzahl der Antriebswelle von z. B. bis 4000 U/min erzeugen können, vorzugsweise im Bereich von etwa 500 bis 2500 U/min, während die am Abtrieb für den Klappensteller erforderliche Drehzahl z. B. im Bereich von 3 bis 10 U/min Hegt. Die erforderlichen Drehmomente liegen im Bereich von beispielsweise 1 bis 2 Nm. In solchen Stellantrieben muss die Antriebseinheit somit ein Übersetzungsverhältnis größer als 1 (Untersetzung), zwischen Antrieb und Abtrieb erzeugen, wobei diese Übersetzung beispielsweise im Bereich von 2 bis 8 oder von 4 bis 5 pro Getriebestufe liegt, d. h. 4 ≤ i ≤ 5 für i = zAbtrieb/zAntrieb, wobei z die Anzahl der Zähne der Zahnräder einer Getriebestufe bezeichnet. Umgekehrt zur Drehzahl verhält sich das übertragene Drehmoment. Je niedriger die Abtriebsdrehzahl im Verhältnis zur Antriebsdrehzahl ist, desto stärker ist somit die Drehmomenterhöhung vom Antrieb zum Abtrieb.
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In der Praxis besteht bei solchen Antriebseinheiten, die ein mehrstufiges Getriebe verwenden, das Problem, dass das von dem Stellantrieb insgesamt übertragbare Drehmoment – neben dem Elektromotor – von der Getriebestufe bestimmt wird, die der stärksten Belastung ausgesetzt ist, also der Getriebestufe unmittelbar vor dem Abtrieb. Theoretisch müssten die Getriebestufen in ihrer Festigkeit jeweils im Verhältnis zur Übersetzung von einer zur nächsten Getriebestufe ausgelegt werden, was erfordert, dass die Zahnräder höherer Getriebestufen aus einem belastbareren Material, mit dickeren Wellen und/oder mit Maßnahmen zur Stabilisierung der Zähne ausgeführt werden. Die Übertragung eines steigenden Drehmomentes von einer zur nächsten Getriebestufe führt nämlich zu einer stärkeren Beanspruchung der einzelnen Zahnräder, insbesondere der Zähne, sowie zu einer stärkeren Durchbiegung der Wellen der jeweils höheren Getriebestufen sowie des Abtriebs. Das Getriebe muss daher so ausgelegt werden, dass es der zunehmenden Beanspruchung in den höheren Getriebestufen standhält. Eine Maßnahme ist z. B. die Ausbildung dickerer Wellen, die jedoch einen größeren Bauraum erfordern. Eine weitere Maßnahme ist es, die Zahnräder der letzten Getriebestufe und am Abtrieb sowohl in sich als auch in ihrer Verbindung mit der Welle stabiler herzustellen. Dazu können diese größer und/oder aus hochwertigerem, stabilerem Kunststoff hergestellt oder möglicherweise mit Metallbuchsen versehen werden, die z. B. als Einsatz im Metall-Spritzgussverfahren in die Zahnräder eingeformt werden. Solche Lösungen sind jedoch aufwändig und teuer, sie erhöhen den Platzbedarf und führen möglicherweise zu neuen Problemen aufgrund von Materialpaarungen bei Verwendung unterschiedlicher Kunststoffe und/oder Metalle.
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Aus dem Stand der Technik sind grundsätzlich Getriebe mit Leistungsverzweigung bekannt, welche zwei Vorlegewellen aufweisen, deren Zahnräder mit einem gemeinsamen ersten Zahnrad kämmen wie in der
DE 10 2008 038 069 A1 . Aus der
DE 195 14 361 C2 ist ebenfalls eine Drehmomentteilungsvorrichtung zum gleichmäßigen Verteilen eines Drehmoments auf eine erste Antriebswelle und eine zweite Antriebswelle bekannt, wobei zwei identische Zahnräder mit einem Getrieberad kämmen. Die zuerst genannte Schrift findet Anwendung in Windkraftanlagen, wo die langsame Rotordrehzahl des Hauptrotors in eine schnelle Generatordrehzahl umgesetzt werden muss. Das Anwendungsgebiet in der zweiten Schrift ist im Bereich von Hubschraubern, um die Drehbewegung, die ein Motor erzeugt, auf einen Hauptrotor des Hubschraubers zu übertragen. Diese Schriften zeigen somit zwar, dass es grundsätzlich bekannt ist, für die Kraftübertragung in einem Getriebe das Drehmoment auf zwei Zahnräder zu verteilen, eine geeignete Lösung für einen Stellantrieb auf der Grundlage von Kleinmotoren ergibt sich aus diesen Schriften jedoch nicht.
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Aus der
DE 195 47 513 C2 ist eine Verstellvorrichtung für Kraftfahrzeugsitze bekannt, mit einem verschwenkbaren Betätigungshebel, der fest mit einer Verzahnung verbunden ist, die in ihrer Mittelstellung gleichzeitig mit zwei achsparallel angeordneten Zahnrädern in Eingriff steht, Diese Zahnräder sind über gegensinnig orientierte Freiläufe mit fluchtenden Zahnrädern verbunden, die mit einem gemeinsamen Antriebsrad kämmen. Beim Verschwenken des Betätigungshebels aus der Mittellage heraus, kommt dessen Verzahnung nur noch mit einem der beiden parallelen Zahnräder in Eingriff, um den Verschwenkbereich des Hebels zu erhöhen. Auch die in dieser Schrift beschriebene Lösung eignet sich nicht für einen Stellantrieb auf der Grundlage eines Elektromotors; sie ist auf eine manuelle Hebel-Verstellung beschränkt.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Antriebseinheit für einen Stellantrieb auf der Grundlage eines Elektromotors anzugeben, die ein Übersetzungsverhältnis größer als eins von dem Antriebsrad des Elektromotors zum Abtrieb über mehrere Getriebestufen realisiert, wobei die Antriebseinheit für das von ihr zu übertragende Drehmoment optimiert sein soll.
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Diese Aufgabe wird durch eine Antriebseinheit für einen Stellantrieb mit einem Elektromotor gemäß Patentanspruch 1 und durch einen Stellantrieb gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung sieht eine Antriebseinheit für einen Stellantrieb mit einem Elektromotor vor, die eine Getriebekette mit mindestens einer ersten Getriebestufe und einer letzten Getriebestufe umfasst, welche ein Übersetzungsverhältnis größer als eins von dem Elektromotor zu einem Abtriebsrad realisiert. Jede Getriebestufe ist durch ein Zahnradgetriebe gebildet, wobei in der letzten Getriebestufe wahlweise ein Zahnrad oder zwei parallel geschaltete Zahnräder vorgesehen sind, die jeweils mit einem vorhergehenden Zahnrad der Getriebekette und mit dem Abtriebsrad kämmen, um das auf die letzte Getriebestufe wirkende Drehmoment wahlweise über das eine Zahnrad oder verteilt auf die zwei parallel geschalteten Zahnräder auf dieses zu übertragen. Um in der Antriebseinheit das eine oder die zwei parallel geschalteten Zahnräder wahlweise vorsehen zu können, ist diese in einem Gehäuse des Stellantriebs aufgenommen, das wenigstens einen ersten und einen zweiten Lagersitz für die Zahnräder der letzten Getriebestufe aufweist. Zur Bildung dieser letzten Getriebestufe werden diese zwei Lagersitze wahlweise nur mit dem einen oder mit den zwei parallel geschalteten Zahnrädern bestückt. Die Erfindung sieht somit eine Antriebseinheit mit einer Getriebekette vor, in der die letzte Getriebestufe wahlweise mit einem oder mit zwei parallel geschalteten Zahnrädern bestückt werden kann. Hierzu werden stets zwei Lagersitze vorgesehen, von denen nach Bedarf jedoch nur eines oder beide genutzt werden. Dadurch schafft die Erfindung eine variable Antriebseinheit, die je nach zu erwartender Last am Abtrieb variabel mit einem oder zwei parallelen Zahnräder bestückt werden kann. Die Zahnräder können aus demselben Material, mit dem gleichen oder ähnlichem Wellendurchmesser und mit gleicher oder ähnlicher Zahngeometrie wie die Zahnräder der vorhergehenden Getriebestufen aufgebaut sein, weil die erhöhte Belastung der letzten Getriebestufe bei Bedarf dadurch kompensiert werden kann, dass in der letzten Getriebestufe das Drehmoment nicht nur mit einem sondern mit den zwei parallel geschalteten Zahnrädern übertragen wird. Dadurch kann die Antriebseinheit an die Bedürfnisse des Stellantriebs angepasst werden und flexibel zur Übertragung größerer Drehmomente am Abtrieb mit zwei Zahnrädern sowie zur Übertragung kleinerer Drehmomente mit nur einem Zahnrad bestückt werden. Dies führt einerseits zu einer Kostenersparnis, weil die gesamte Getriebekette mit weitgehend einheitlichen Zahnrädern aufgebaut werden kann. Andererseits kann das Vorsehen der zwei parallel geschalteten Zahnräder in der letzten Getriebestufe sogar zu einer Platzersparnis führen, weil darauf verzichtet werden kann, ein einzelnes Zahnrad der letzten Getriebestufe für die Übertragung eines maximal auftretenden Drehmomentes z. B. mit einer stärkeren Welle auszulegen, was eine entsprechende Anpassung der Lagersitze erfordern würde. Auf die Verwendung höherwertigerer und somit teurerer Materialien sowie zusätzlicher Verstärkungsmaßnahmen, wie das Ausbüchsen der Zahnräder etc., kann verzichtet werden.
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Die Erfindung ist besonders vorteilhaft in solchen Anwendungen, in denen zwischen der letzten Getriebestufe und dem Abtriebsrad nochmals ein Übersetzungsverhältnis größer eins vorgesehen ist, in denen also das Abtriebsrad langsamer dreht als das Zahnrad bzw. die Zahnräder der letzten Getriebestufe.
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In der bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Zahnräder Stirnräder, das Getriebe ist somit ein Stirnradgetriebe.
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Es ist besonders zweckmäßig, wenn die zwei parallel geschalteten Zahnräder der letzten Getriebestufe identisch sind, weil dann eine gleichmäßige Verteilung des Drehmomentes auf die beiden Zahnräder und somit eine gleichmäßige Beanspruchung der Zahnräder gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß sind in dem Gehäuse des Stellantriebes wenigstens die zwei Lagersitze für die Zahnräder der letzten Getriebestufe vorgesehen. Vorzugsweise ist das Gehäuse des Stellantriebs so konfiguriert, dass es die gesamte Getriebekette aufnehmen und die Zahnräder der einzelnen Getriebestufe relativ zueinander und relativ zu dem Elektromotor positionieren kann. Hierzu weist das Gehäuse des Stellantriebs zweckmäßig zur Lagerung der Achsen der Zahnräder an seiner Innenwand Lagersitze auf. Die Lagersitze können beispielsweise Stifte enthalten, auf welche die Zahnräder aufgesteckt werden.
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In dem Gehäuse des Stellantriebs können erfindungsgemäß weitere Befestigungsmittel, beispielsweise Stifte, zur Positionierung und Fixierung weiterer Funktionseinheiten, wie einer Leiterplatte, angeformt sein. Dadurch erhält man einen besonders kompakten Stellantrieb.
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Erfindungsgemäß kann ferner an der Innenseite des Gehäuses des Stellantriebs ein Topf angeformt sein, der den Elektromotor aufnimmt, wobei an dem Topf vorzugsweise Befestigungsmittel angeformt sind, um den in dem Topf aufgenommenen Elektromotor zu positionieren und insbesondere verdrehsicher zu fixieren. Auch dies trägt dazu bei, einen kompakten Stellantrieb zu schaffen. Der Topf ist vorzugsweise so dimensioniert, dass er den Außenumfang des Elektromotors eng umschließt und ein Motorgehäuse bildet.
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In der erfindungsgemäßen Antriebseinheit ist die Getriebekette beispielsweise so konfiguriert, dass jede Getriebestufe ein Übersetzungsverhältnis in der Größenordnung von 2 bis 8, vorzugsweise von 4 bis 5 realisiert.
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Die Erfindung sieht auch einen Stellantrieb für einen Klappensteller in einem Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinheit gemäß der obigen Beschreibung vor. Der Stellantrieb umfasst als Elektromotor vorzugsweise einen bürstenlosen Gleichstrommotor, dessen Außenumfang kleiner oder gleich 60 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 30 mm ist.
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Die Erfindung ist im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
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1 eine Explosionsdarstellung eines Stellantriebs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die letzte Stufe der Getriebekette mit nur einem Zahnrad bestückt ist,
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2a und 2b eine Ansicht von unten und eine perspektivische Ansicht des Gehäuses des Stellantriebs mit einem eingesetzten Stator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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3a bis 3c einen Längsschnitt durch einen Rotor sowie eine perspektivische Darstellung und eine Stirnansicht des Rotors, wie er in einer Stellantrieb gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann,
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4 eine Explosionsdarstellung der Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die letzte Stufe der Getriebekette mit zwei parallel geschalteten Zahnrädern bestückt ist, und
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5 eine Unteransicht der Antriebseinheit der 4,
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6 eine Draufsicht auf die Antriebseinheit der 4, und
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7 eine perspektivische Darstellung der letzten Stufen der Getriebekette der erfindungsgemäßen Antriebseinheit mit zwei parallel geschalteten Zahnrädern.
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1 zeigt einen Stellantrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Explosionsdarstellung. Der Stellantrieb 1 weist einen Gleichstrommotor mit einem Stator 3 und einem Rotor 5, eine Leiterplatte 7 zur Ansteuerung des Gleichstrommotors und ein Getriebe 9 auf, das von dem Gleichstrommotor angetrieben wird. Der Gleichstrommotor, die Leiterplatte 7 und das Getriebe 9 sind in einem Gehäuse 11 angeordnet, das mit einem Deckel 11' verschlossen werden kann. Der Deckel 11' kann zusätzlich eine Dichtung aufweisen, um das Innere des Stellantriebs 1 vor Verschmutzungen und anderen Außeneinflüssen zu schützen.
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Der Gleichstrommotor ist in dem Gehäuse 11 in einem Topf 13 aufgenommen, der an einer Innenseite des Gehäuses 11 angeformt ist. Der Topf 13 hat einen Innendurchmesser, der dem Außendurchmesser des Stators 3 weitgehend entspricht, so dass der Topf 13 den Stator 3 eng umschließt. An dem Topf 13 sind Stifte 15 zur Positionierung und Fixierung des Gleichstrommotors angeformt. Der Stator 3 ist mit einer Nutisolation 17 versehen, die an einer Stirnseite einen Flansch 19 aufweist, an dem Ösen 21 angeformt sind, die von dem Außenumfang der Nutisolation 17 in radialer Richtung abstehen. Durch die Ösen 21 werden die Stifte 15 geführt, um den Stator 3 im Topf 13 relativ zum Gehäuse 11 zu positionieren und an dem Gehäuse 11 zu fixieren. Die Stifte 15 sind dazu derart am Rand des Topfes 13 ausgebildet, dass der Topfrand eine Auflagefläche für den Flansch 19 und die Ösen 21 der Nutisolation 17 bildet und die Stifte 15 durch die Ösen 21 geführt werden. Hierdurch wird der Stator 3 gegen eine radiale Verschiebung und ein Verdrehen gesichert. Die durch die Ösen 21 geführten Stifte 15 können z. B. heißverstemmt werden, so dass der Stator 3 ebenfalls gegen eine axiale Verschiebung gesichert werden kann.
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Zur Befestigung des Gleichstrommotors am Gehäuse 11 wird der Stator 3 direkt durch den Topf 13 und die angeformten Stifte 15 relativ zum Gehäuse 11 positioniert und an dem Gehäuse 11 fixiert. Hierdurch wird die Montage des Gleichstrommotors im Gehäuse 11 erheblich vereinfacht.
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Die Lagerung des Stators 3 kann weiter dadurch optimiert werden, dass in einem Rückschlussring 25 des Stators 3 eine Längsnut 27 vorgesehen ist, in der ein korrespondierender Vorsprung (nicht gezeigt) in der Innenwand des Topfes 13 geführt werden kann. Darüber hinaus sind an einer dem Topfboden gegenüberliegenden bodenseitigen Stirnseite der Nutisolation 17 im Bereich der Statornuten gleichmäßig beabstandete Vertiefungen 29 ausgebildet, in die entsprechend geformte Vorsprünge (nicht gezeigt) im Boden des Topfes 13 eingreifen können. Sowohl die Vertiefungen 29 als auch die Längsnut 27 sichern somit zusätzlich zu den Ösen 21 der Nutisolation 17 den Stator 3 gegen ein Verdrehen im Topf 13.
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Um die Montage und Justierung des Stators 3 und somit des Gleichstrommotors im Topf 13 zu vereinfachen, ist an der Seitenwand des Topfes 13 ein Lagersitz 31 für eine Welle oder eine Achse der ersten Stufe des Getriebes 9 ausgebildet. Entsprechend weist der Flansch 19 der Nutisolation 17 eine Ausnehmung 33 auf, welche das Lagersitz 31 zumindest teilweise umschließt, wenn der Stator 3 im Topf 13 eingesetzt ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass der im Topf 13 eingesetzte Stator 3 stets eine vorgegebene Orientierung einnimmt. Ferner sichert das den Lagersitz 31 beinhaltende Lager den Stator 3 über die Nutisolation 17 zusätzlich gegen ein Verdrehen.
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Die Fixierung des Gleichstrommotors erfolgt zusätzlich durch die Leiterplatte 7, welche an der Stirnseite der Nutisolation 17 aufliegt und so den Stator 3 in axialer Richtung sichert. Die Leiterplatte 7 ist am Gehäuse 11 über Stege 37 befestigt, die eine Auflagefläche für die Leiterplatte 7 bilden, wobei Stifte der Stege 37 in entsprechende Öffnungen 39 in der Leiterplatte eingreifen. Vorzugsweise werden die Enden der Stifte heißverstemmt, um eine permanente Fixierung der Leiterplatte 7 zu erreichen. Die Erfindung ist jedoch in dieser Hinsicht nicht beschränkt. So können statt heißverstemmter Stifte andere form- und/oder kraftschlüssige Verbindungen, wie Rastverbindungen und Pressstifte verwendet werden. Die Nutisolation 17 weist an ihrer der Leiterplatte 7 zugewandten Stirnseite eine Reihe L-förmiger Vorsprünge 35 auf, die Drahtführungen für die Spulendrähte bilden.
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Der elektrische Kontakt zwischen der Leiterplatte 7 und dem Stator 3 erfolgt über Anschlussstifte 41, welche in die Vorsprünge 35 der Nutisolation 17 eingepresst sind und sich in axialer Richtung von der Stirnseite der Nutisolation 17 erstrecken. Die Anschlussstifte 41 sind durch korrespondierende Öffnungen in der Leiterplatte 7 geführt und darin verlötet. Die Anschlussstifte 41 sind wiederum mit den jeweiligen Spulen des Stators 3 verbunden, um einen elektrischen Kontakt zwischen der Leiterpatte 7 und den Spulen des Stators 3 herzustellen.
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Die Leiterplatte 7 kann neben einer Verarbeitungseinheit mehrere Sensoren umfassen, die die Drehlage des Rotors 5 bestimmen. Beispielsweise kann auf der Leiterplatte 7 mindestens ein Hall-Sensor zur direkten Erfassung des axialen Streufeldes des Rotors 5 angeordnet sein. Die Leiterplatte 7 kann ferner eine Schnittstelle zur Kommunikation und/oder Stromversorgung aufweisen, beispielsweise einen Anschluss an einen beliebigen Datenbus oder einen spezialisierten Feldbus, wie den LIN-Bus.
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Der Rotor 5 umfasst einen Magnetträger 43, auf dem ein ringförmiger Permanentmagnet 45 angeordnet ist. Der Magnetträger 43 ist einteilig mit einer Welle 47 ausgebildet, die durch eine Öffnung 49 in der Leiterplatte 7 geführt ist. Die Welle 47 weist ein Getrieberad 47' auf, das das nachgeschaltete Getriebe 9 antreibt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Getriebe 9 durch eine Getriebekette mit vier Getriebestufen gebildet, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die letzte Getriebestufe mit nur einem Zahnrad bestückt ist. Die erste Getriebestufe wird gebildet durch das Getrieberad 47' an der Welle 47 des Gleichstrommotors in Verbindung mit einem ersten Zahnrad 53. Eine zweite Getriebestufe wird durch das erste und ein zweites Zahnrad 53, 53' gebildet, eine dritte Getriebestufe wird durch das zweite und ein drittes Zahnrad 53', 53'' gebildet, und eine vierte Getriebestufe wird durch das dritte Zahnrad 53'' und ein Abtriebsrad 53''' gebildet. Das erste Zahnrad 53, das zweite Zahnrad 53' und das dritte Zahnrad 53'' sind jeweils als Doppelzahnräder ausgebildet, wobei jeweils ein Getrieberad mit niedriger Zahnzahl mit einem nachfolgenden Getrieberad mit höherer Zahnzahl kämmt, um das gewünschte Übersetzungsverhältnis größer als eins zu erzielen. Die Welle 47 des Gleichstrommotors sowie die Doppelzahnräder 53, 53' und 53'' sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auf Stiften/Achsen 55a, 55b, 55c und 55d gelagert, wobei die Achse 55a im Topf 13 angeordnet ist und die Achse 55b im Lagersitz 31 in der Seitenwand des Topfes 13 angeordnet ist. Die Achsen 55c und 55d sind in Lager an der Innenwand des Gehäuses 11 gehalten. Ferner ist die Welle des Getrieberads 53''' direkt in einem Lagersitz 62 im Gehäuse 11 gelagert.
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Die Drehzahl des Rotors 5 kann z. B. bis 4.000 U/min betragen kann und liegt vorzugsweise im Bereich von 500 bis 2.500 U/min, um mit dem gezeigten Stellantrieb 1 eine Drehzahl am Abtrieb von z. B. 3 bis 10 U/min und ein Drehmoment von beispielsweise 1 bis 2 Nm zu erzeugen. Ein Anwendungsgebiet der Erfindung ist im Automotive-Bereich zur Ansteuerung von Klappenstellern, z. B. in Klimaanlagen, wobei die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Je nach erforderlichem Drehmoment an dem Abtriebsrad 53''' können in der letzten Getriebestufe ein oder zwei Doppelzahnräder 53'' vorgesehen werden, wie mit Bezug auf die im Folgenden beschriebenen 2a und 2b deutlicher wird. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist in der letzten Getriebestufe jedoch nur ein Doppelzahnrad 53'' eingesetzt.
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Das Gehäuse 11 des Stellantriebs 1 gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist in einer Ansicht von unten und in einer perspektivischen Darstellung in 2a bzw. 2b gezeigt. Wie in 2a und 2b zu erkennen ist, ist der Stator 3 im Topf 13 des Gehäuses 11 eingesetzt, wobei der Flansch 19 auf dem Rand des Topfes 13 aufliegt und die Stifte 15 durch die Ösen 21 greifen. Im Boden des Topfes 13 ist eine Anzahl von radial ausgerichteten Streben 57 ausgebildet, welche in die bodenseitigen Vertiefungen 29 der Nutisolation 17 eingreifen, um den Stator 3 gegen ein Verdrehen im Topf 13 zu sichern. Des weiteren ist neben dem Lagersitz 31 der Lagersitz 58 für die Achse 55a der Welle 47 im Boden des Topfes 13 dargestellt. Im Boden des Gehäuses 11 sind ferner zwei Lagersitze 59 für die zwischen einer ersten Achse 55d und einem ersten Doppelzahnrad 53'' der letzten Getriebestufe sowie zwischen einer zweiten Achse (nicht gezeigt) und einem zweiten Doppelzahnrad (nicht gezeigt) der letzten Getriebestufe ausgebildeten Gleitlager vorgesehen. Zusätzlich wird in den Lagersitzen 59 durch den Kontakt zwischen dem Boden und den Achsen jeweils ein Axiallager gebildet. In der in 1 dargestellten Ausführung ist nur einer der Lagersitze 59 mit einer Achse 55d und einem zugehörigen Doppelzahnrad 53'' bestückt, um die Drehbewegung von der letzten Getriebestufe auf das Abtriebsrad 53''' zu übertragen. Erfindungsgemäß ist es jedoch möglich, beide Lagersitze 59 mit entsprechenden Achsen und Doppelzahnrädern 53'' zu bestücken, wobei die beiden Doppelzahnräder 53'' (siehe auch die 4 bis 7) parallel geschaltet sind und sowohl mit dem Doppelzahnrad 53' der vorherigen Getriebestufe als auch mit dem Abtriebsrad 53''' kämmen. Der zweite Lagersitz 59 wird mit einem Doppelzahnrad 53'' der letzten Getriebestufe bestückt, wenn ein Drehmoment übertragen werden soll, das über einem Grenzwert liegt, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel z. B. über 1,5 Nm. In 2a und 2b ist ferner ein Lagersitz 60 für die Achse 55c zur Aufnahme des zweiten Doppelzahnrades 53' gezeigt, das ebenfalls in den Boden des Gehäuses 11 eingeformt ist. Ein Lagersitz 62 für das Abtriebsrad 53''' ist ebenfalls in dem Boden des Gehäuses 11 ausgebildet. Der Boden des Gehäuses 11 ist durch Streben 61 verstärkt, welche zu den Achsen 55b, 55c, 55d und den zugehörigen Lager radial verlaufen.
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Aus der Zusammenschau der 1, 2a und 2b ergibt sich somit, dass die erfindungsgemäße Antriebseinheit dazu eingerichtet ist, mit einem oder zwei Doppelzahnrädern in der letzten Getriebestufe betrieben zu werden, um nach Bedarf ein größeres oder kleineres Drehmoment übertragen zu können. Die beiden Doppelzahnräder 53'' der letzten Getriebestufe sind vorzugsweise identisch ausgebildet, um das Drehmoment auf die beiden Zahnräder gleichmäßig zu verteilen und den Aufwand für die Herstellung der Antriebseinheit gering zu halten.
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3a und 3b zeigen einen Schnitt sowie eine Explosionsdarstellung eines Rotors, wie er in einem Stellantrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Entsprechend werden korrespondierende Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet. Der Rotor 5 weist einen als Hohlwelle ausgebildeten Magnetträger 43 und einen kreiszylinderförmigen Permanentmagneten 45 auf, in dem eine Ausnehmung 63 vorgesehen ist, durch die der Magnetträger 43 geführt werden kann, um die Welle 47 mit dem Permanentmagneten 45 zu verbinden. Eine solche zweiteilige Ausführung des Rotors 5 ist insbesondere bei einer Herstellung in mittleren Stückzahlen, insbesondere von weniger als 1 Million Stück pro Jahr kostengünstiger als z. B. eine einteilige Herstellung.
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Bei der gezeigten Ausführung des Rotors 5 ist die Ausnehmung 63 durch den Permanentmagneten 45 als Sechskant-Ausnehmung ausgeführt. Die Ausnehmung 63 kann jedoch auch eine andere Mehrkantausnehmung sein oder eine ovale Kontur oder eine beliebige andere nicht-kreisförmige Kontur aufweisen. Der Magnetträger 43 weist zur Verbindung mit dem Permanentmagneten 45 mindestens ein erstes Verbindungselement 65, das einen Formschluss mit der Ausnehmung 63 im Permanentmagneten 45 herstellt, sowie mindestens ein zweites Verbindungselement 67 auf, das einen Kraftschluss zwischen dem Magnetträger 43 und dem Permanentmagneten 45 herstellt.
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Der Formschluss über das erste Verbindungselement 65 wird insbesondere durch einen Linienkontakt hergestellt, der durch eine vorstehende Rippe 69, die in dem ersten Verbindungselement 65 parallel zur Wellenachse ausgebildet ist, vermittelt wird, die in eine Kante 71 der Ausnehmung 63 greift. Die vorstehende Rippe 69 ist vorzugsweise so hoch, dass zwischen den benachbarten Flächen des ersten Verbindungselements 65 und den zu der Kante 71 benachbarten Flächen der Ausnehmung 63 ein Spalt entsteht, so dass die benachbarten Flächen gar nicht oder nur zu einem geringen Teil aneinander anliegen. Zusätzlich kann die Kante 71 der Ausnehmung 63 selbst abgeschrägt sein, um einen Abstand zwischen den Flächen des ersten Verbindungselements 65 und der Ausnehmung 63 zu erzeugen. Durch diese besonders vorteilhafte Ausgestaltung des ersten Verbindungselements 65 verringert sich aufgrund der geringen Überdeckung die Klemmgefahr beim Zusammenbauen der beiden Bestandteile des Rotors 5.
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Das erste Verbindungselement 65 wird an einem Ende durch eine Vorsprung 73 begrenzt, der sich in radialer Richtung von der Welle 47 erstreckt und eine Auflagefläche für den auf den Magnetträger 43 aufgeschobenen Permanentmagneten 45 bildet. Das erste Verbindungselement 65 ist länger als die Ausnehmung 63, so dass das vollständig in die Ausnehmung 63 eingesteckte erste Verbindungselement 65 aus dem Permanentmagneten 45 in axialer Richtung leicht vorsteht und an der Stirnseite des Permanentmagneten 45 beispielsweise heißverstemmt werden kann, um den Magnetträger 43 am Permanentmagneten 45 zu befestigen. Hierzu weist der Permanentmagnet 45 am Rand der Ausnehmung 63 eine Abkantung 75 auf, welche das durch das Heißverstemmen verdrängte Material des ersten Verbindungselements 65 aufnehmen kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Magnetträger 43 Clips oder andere Befestigungsmittel aufweisen, um den Magnetträger 43 axial am Permanentmagneten 45 zu fixieren. Unabhängig von der Art der axialen Fixierung des Magnetträgers 43 am Permanentmagneten 45 kann durch die vorgesehenen ersten und zweiten Verbindungselemente 65, 67 das Problem von Verspannungen beim Zusammenbau des Rotors wirkungsvoll gelöst werden.
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Das zweite Verbindungselement 67, welches einen Kraftschluss mit dem Permanentmagneten 45 herstellt, kann als ein Biege- oder Rastelement ausgebildet sein. Wie in 3b gezeigt ist, umfasst das zweite Verbindungselement 67 zwei benachbarte Flügel 77a und 77b und einen parallel zur Wellenachse verlaufenden und radial abstehenden Steg, der die Flügel 77a und 77b nach Art eines Y-Profils verbindet. Wenn somit der Magnetträger 43 in den Permanentmagneten 45 eingesteckt ist, üben die Flügel 77a und 77b an ihren freiliegenden Längsenden einen Druck auf die benachbarten Flächen der Ausnehmung 63 aus, der so groß ist, dass er den Magnetträger 43 im Permanentmagneten 45 hält, jedoch so gering ist, dass der Magnetträger 43 von Hand in den Permanentmagneten 45 geschoben werden kann. Alternativ können die Flügel 77a und 77b derart dimensioniert sein, dass die freiliegenden Längsenden in die Kanten 71 der Ausnehmung 63 oder in entsprechende Abschrägungen der Kanten 71 greifen und so einen Druck auf den Permanentmagneten 45 ausüben.
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Durch das zweite Verbindungselement 67 kann somit besonders vorteilhaft neben dem Formschluss ein Kraftschluss hergestellt werden, der einen Ausgleich zu dem radialen Spiel schafft, welches durch Herstellungstoleranzen entsteht. Insbesondere im Hinblick auf die im Stand der Technik bekannte Verbindung mittels Presssitz und Aufspritzen des Magnetträgers 43, ermöglicht die dargestellte form- und kraftschlüssige Verbindung eine vereinfachte Montage und eine erhöhte Belastbarkeit im Betrieb.
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In der gezeigten Ausführung kann der Magnetträger 43 jeweils zwei gegenüberliegende erste Verbindungselemente 65 und hierzu um 90° versetzt zwei gegenüberliegende zweite Verbindungselemente 67 umfassen, so dass bei der gezeigten Sechskant-Ausnehmung 63 die Rippen 69 jeweils in die gegenüberliegenden Kanten 71 der Ausnehmung 63 eingesteckt werden und die Stege der zweiten Verbindungselemente 67 jeweils mittig und senkrecht zu einer Fläche der Ausnehmung 63 stehen. Bei hinreichend breiten Flügeln 77a, 77b ist somit jede Kante 71 der Ausnehmung 63 entweder formschlüssig oder kraftschlüssig mit dem Magnetträger 43 verbunden, wie in 3c dargestellt.
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Der Permanentmagnet 45 kann als ein Spritzgussmagnet oder als gepresster Sintermagnet hergestellt sein. Die Polarisierung des Permanentmagneten 45 ist hierbei vorzugsweise derart an die Ausnehmung 63 angepasst, dass beispielsweise bei einer Ausnehmung 63 mit einer Polygonkontur die Polübergänge des Permanentmagneten 45 an den Kanten 71 oder Engstellen zwischen der Ausnehmung 63 und der Außenwand des Permanentmagneten 45 ausgebildet sind, wie in 3c gezeigt. So kann beispielsweise bei einer Sechskant-Ausnehmung ein sechspoliger Permanentmagnet vorgesehen sein. Der Magnetträger 43 ist bevorzugt einteilig in einem Spritzgussverfahren aus einem thermoplastischen Material hergestellt.
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4 bis 7 veranschaulichen die Antriebseinheit des Stellantriebs gemäß der vorliegenden Erfindung, die mit zwei parallel geschalteten Zahnrädern, hier den Doppelzahnrädern 83, 83', bestückt ist. Hierbei zeigt 4 eine Explosionsdarstellung der Antriebseinheit, 5 zeigt eine Ansicht auf die zusammengesetzte Antriebseinheit der 4 von unten und 6 zeigt eine Ansicht auf die zusammengesetzte Antriebseinheit der 4 von oben. 7 zeigt einen Teil der Getriebekette der erfindungsgemäßen Antriebseinheit, nämlich die letzte und die vorletzte Getriebestufe. Korrespondierende Bauteile in den 4 bis 7 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie in 1.
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Die Antriebseinheit des Stellantriebs 1 umfasst eine Reihe von Doppelzahnrädern, die in den 4 bis 7 mit 79a, 79b und 79c bezeichnet sind. Jedes der Doppelzahnräder nimmt an zwei Getriebestufen teil, wobei eine erste Getriebestufe zwischen dem Getrieberad 47' an der Welle des Elektromotors und dem ersten Doppelzahnrad 79a gebildet wird, eine zweite Getriebestufe wird zwischen dem ersten und dem zweiten Doppelzahnrad 79a, 79b gebildet, eine dritte Getriebestufe wird zwischen dem zweiten Doppelzahnrad und dem dritten Doppelzahnrad 79b und 79c gebildet und eine dritte Getriebestufe wird zwischen dem dritten Doppelzahnrad 79c und dem Abtriebsrad 81 gebildet. In der gezeigten Ausgestaltung umfasst das dritte Doppelzahnrad 79c zwei parallel geschaltete, identische Doppelzahnräder 83, 83', welche gemeinsam mit dem zweiten Doppelzahnrad 79b, zur Bildung der dritten Getriebestufe, und mit dem Abtriebsrad 81, zur Bildung der vierten Getriebestufe, kämmen. Das von dem zweiten Doppelzahnrad 79b übertragene Drehmoment wird also auf die beiden dritten Doppelzahnräder 83, 83' gleichmäßig verteilt und von diesen wieder auf dem Abtriebsrad 81 zusammengeführt.
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Wie eingangs erläutert, entsteht am Abtriebsrad 81 bei entsprechender Last aufgrund der Untersetzung in den jeweiligen Getriebestufen ein erhöhtes Drehmoment, das eine entsprechend robustere Auslegung der Geometrie und des Materials der Zahnräder am Abtrieb erfordert, so dass diese der höheren Belastung Stand halten. In der Praxis kann beispielsweise in der letzten Getriebestufe, also von dem dritten Doppelzahnrad 79c auf das Abtriebsrad 81, ein Drehmoment übertragen werden, dass das Zehnfache des von der ersten Stufe übertragenen Drehmomentes ist. Wenn man davon ausgeht, dass aus Kostengründen und zur Eingrenzung des Platzbedarfs jedes Zahnrad nur so groß und stabil ausgelegt wird, wie es die zu erwartende Belastung in seiner Getriebestufe erfordert, müssten somit bei Getriebeketten mit jeweils nur einem Zahnrad pro Stufe die Zahnräder aus unterschiedlich belastbaren Materialien und/oder mit unterschiedlichen Geometrien ausgebildet werden; insbesondere das Zahnrad der letzten Stufe müsste aus einem besonders belastbaren Material und/oder mit einer verstärkten Zahngeometrie und einer dickeren Welle hergestellt werden, um in allen Anwendungsfällen das maximale Drehmoment übertragen zu können. Dies führt zu erhöhten Herstellungskosten für die Antriebseinheit. Wenn nämlich die Antriebseinheit für unterschiedliche Anwendungen, in denen unterschiedlichen Nenn-Drehmomente zu übertragen sind, einsetzbar sein soll, muss sie immer für die potentiell größte Belastung ausgelegt sein. Die erfindungsgemäße Antriebseinheit erlaubt es dagegen, ein hohes Drehmoment auf das Abtriebsrad 81 zu übertragen und gleichzeitig die einzelnen Zahnräder 83, 83' der letzten Stufe zu entlasten. Bei Verwendung der zwei Doppelzahnräder 83, 83' werden diese von dem vorhergehenden Doppelzahnrad 79b parallel angetrieben und treiben selbst wiederum das Abtriebsrad 81 parallel an. Dadurch wird das Drehmoment, das auf die beiden Doppelzahnräder 83, 83' wirkt, halbiert, und entsprechend kann trotz einer geringeren Belastung der einzelnen Doppelzahnräder 83, 83' ein erhöhtes Drehmoment auf das Abtriebsrad 81 übertragen werden. Dies erlaubt wiederum die Verwendung eines vergleichsweise weniger robusten und somit kostengünstigeren Materials sowie einer kleineren Zahngeometrie, Wellendurchmesser etc.
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Die Erfindung erlaubt auch, dass eines der Doppelzahnräder 83, 83', beispielsweise das Doppelzahnrad 83', nachträglich aus dem Getriebe 9 entfernt wird, wenn kein erhöhtes Drehmoment am Abtrieb 81 erforderlich ist. Die Funktion der Antriebseinheit 1 bleibt gleich, lediglich mit dem Unterschied, dass mit einem Doppelzahnrad 83 das maximale Drehmoment am Abtrieb 81 geringer ausfällt. Das Getriebe 9 ist somit besonders variabel einsetzbar.
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In einem Ausführungsbeispiel mit einem Übersetzungsverhältnis von ca. 4 bis 5 pro Getriebestufe und einer Drehzahl am Abtrieb 81 zwischen 3 bis 10 U/min kann z. B. mit einem Doppelzahnrad 83 in der letzten Stufe am Abtrieb 81 ein Nennmoment von ca. 1,2 Nm und mit zwei Doppelzahnrädern 83 und 83' ein Nennmoment von ca. 1,75 Nm übertragen werden. Diese Angaben sollen lediglich der Erläuterung der Größenordnung des erfindungsgemäßen Getriebes dienen.
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5 und 6 zeigen eine Unteransicht und eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Stellantrieb, wobei dieselben Komponenten wie in den zuvor beschriebenen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht nochmals im Einzelnen erläutert sind. In der Ausgestaltung der 5 und 6 ist die Antriebseinheit in der letzten Getriebestufe mit zwei Doppelzahnrädern 83, 83' bestückt. Aus den 5 und 6 ist gut zu erkennen, wie das Getrieberad 47' an der Welle 47 des Antriebsmotors mit dem größeren Zahnrad des ersten Doppelzahnrades 79a kämmt, um die erste Getriebestufe zu bilden, wie das kleinere Zahnrad des ersten Doppelzahnrades 79a mit dem größeren Zahnrad des zweiten Doppelzahnrads 79b kämmt, um die zweite Getriebestufe zu bilden, wie das kleinere Zahnrad des zweiten Doppelzahnrads 79b mit den größeren Zahnrädern der zwei parallel geschalteten Doppelzahnräder 83, 83' kämmt, um die dritte Getriebestufe zu bilden, und wie die kleineren Zahnräder der parallel geschalteten dritten Doppelzahnräder 83, 83' mit dem Abtriebsrad 81 kämmen, um die letzte Getriebestufe zu bilden. Es ist ohne weiteres erkennbar, dass die Antriebseinheit auch funktioniert, wenn eines der zwei parallel angeordneten Doppelzahnräder 83, 83' der letzten Stufe entfernt werden. Dies ist aufgrund der variablen. Konfiguration des Stellantriebs ohne weiteres möglich, weil hierzu lediglich die Lagersitze 59 mit einer oder mit zwei Achsen 55d und entsprechend mit einem oder zwei Doppelzahnrädern 83, 83' bestückt werden müssen. In 7 ist nochmals in perspektivischer Darstellung das Zusammenwirken des zweiten Doppelzahnrads 79b, der zwei parallel geschalteten dritten Doppelzahnräder 83, 83' und des Abtriebsrads 81 dargestellt.
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Vorzugsweise werden als Materialien Kunststoffe mit einem Füllstoff verwendet, beispielsweise Polyoxymethylen und verschiedene Polyamidtypen. Als Füllstoffe kommen Glasfaser, Glaskugeln oder mineralische Füllstoffe zur Anwendung, wodurch sich je nach verwendeten Kunststoff oder Kunststoffgemisch eine andere Festigkeit der Doppelzahnräder 83, 83' ergibt. Zusätzlich kann Polytetrafluorethylen zur Schmierung verwendet werden.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinheit
- 3
- Stator
- 5
- Rotor
- 7
- Leiterplatte
- 9
- Getriebe
- 11, 11
- Gehäuse und Deckel
- 13
- Topf
- 15
- Stifte
- 17
- Nutisolation
- 19
- Flansch
- 21
- Öse
- 25
- Rückschlussring
- 27
- Längsnut
- 29
- Vertiefung
- 31
- Lagersitz
- 33
- Ausnehmung
- 35
- Vorsprung
- 37
- Steg
- 39
- Öffnung
- 41
- Anschlussstift
- 43
- Magnetträger
- 45
- Permanentmagnet
- 47
- Welle
- 47'
- Getrieberad
- 49
- Öffnung
- 53, 53', 53'',
- Doppelzahnrad
- 53'''
- Abtriebsrad
- 55a, 55b, 55c, 55d
- Achsen
- 57
- Streben
- 58
- Lagersitz
- 59
- Lagersitz
- 60
- Lagersitz
- 61
- Streben
- 62
- Lagersitz
- 63
- Ausnehmung
- 65
- erstes Verbindungselement
- 67
- zweites Verbindungselement
- 69
- Rippe
- 71
- Kante der Ausnehmung
- 73
- Vorsprung
- 75
- Abkantung
- 77a, 77b
- Flügel
- 79a, 79b, 79c
- Doppelzahnräder
- 81
- Abtriebsrad
- 83, 83'
- Doppelzahnrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008038069 A1 [0005]
- DE 19514361 C2 [0005]
- DE 19547513 C2 [0006]
