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Die Erfindung betrifft einen Rotationsmotor mit einem ringförmigen Aktor.
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Aus der
US 4,634,916 ist beispielsweise ein piezoelektrischer Rotationsmotor bekannt, bei dem das entsprechende ringförmige Piezoelement derart elektrisch angesteuert ist, dass sich in ihm eine Wanderwelle ausbildet. Diese Wanderwelle wird auf Umfangselemente übertragen, die sowohl am Innen-, wie auch am Außenumfang des Piezoelements angeordnet sind. Mit den Umfangselementen sind anzutreibende Elemente verbindbar, so dass die im Piezoelement generierte Wanderwelle letztlich zum Antrieb dieser anzutreibenden Elemente nutzbar ist.
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Sowohl die am Innenumfang, als auch am Außenumfang des Piezoelements angeordneten Umfangselemente sind jeweils halbkreisförmig und besitzen einen Radius, der dem entsprechenden Radius des Piezoelements entspricht. An den Umfangselementen sind verschiedenste Bohrungen vorgesehen, um weitere Komponenten daran bzw. darin anzuordnen. Im Falle der am Innenumfang des Piezoelements angeordneten Umfangselemente sind diese an ihren jeweiligen Enden mit Bohrungen in Umfangsrichtung versehen, in welche ein stabförmiges Element eingesetzt wird, um die beiden Umfangselemente miteinander zu verbinden. Um den notwendigen Druck zum Anpressen des Umfangselements am Innenumfang des Piezoelements zu erreichen, sind die stabförmigen Elemente von Druckfedern umgeben. Auf dem Außenumfang der Umfangselemente ist jeweils ein über deren gesamte Länge verlaufendes Friktionselement angeordnet, das zum (Reib-)Kontakt mit dem Piezoelement vorgesehen ist.
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In ähnlicher Weise besitzen die am Außenumfang des Piezoelements angeordneten Umfangselemente in ihrem jeweiligen Endbereich Bohrungen in radialer Richtung, mit deren Hilfe Befestigungskörper an den Umfangselementen anbringbar sind. An den Befestigungskörpern sind Zugfedern befestigt, welche die beiden Umfangselemente in Richtung des Piezoelements ziehen und gegen dieses anpresst. Zum (Reib-)Kontakt zwischen den Umfangselementen und dem Piezoelement sind die Umfangselemente jeweils an ihrem Innenumfang mit einem über deren gesamte Länge verlaufendes Friktionselement versehen.
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Sowohl die Herstellung, als auch die Montage der Umfangselemente gemäß der
US 4,634,916 gestaltet sich aufwändig und ist daher nachteilig. So müssen die Radien der entsprechenden Umfangsflächen der Umfangselemente exakt mit den korrespondierenden Radien des Piezoelements übereinstimmen, damit der notwendige großflächige Kontakt zwischen Friktionselement und Piezoelement gewährleistet ist. Denn nur über einen großflächigen Kontakt können entsprechend hohe (Reib-)Kräfte übertragen werden. Die notwendige exakte Übereinstimmung der Radien erfordert jedoch einen hohen Fertigungsaufwand.
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Auch die Radien der am Innen- bzw. Außenumfang der Umfangselemente angeordneten Friktionselemente müssen exakt mit den Radien der zugeordneten Umfangsflächen des Piezoelements übereinstimmen.
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Insbesondere die Bohrungen in Umfangsrichtung an den am Innenumfang des Piezoelements anliegenden Umfangselementen müssen exakt ausgerichtet und ausgeführt sein, sonst ist ebenfalls keine ideale Anlage des Friktionselements am Piezoelement zu erwarten.
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Jedoch nicht nur die Herstellung der Umfangselemente gemäß der
US 4,634,916 gestaltet sich als aufwändig; auch das Zusammenfügen dieses Motors ist sehr aufwändig, da viele Arbeitsschritte notwendig sind.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Rotationsmotor mit einem ringförmigen Aktor bereitzustellen, der die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Rotationsmotor bereitzustellen, der einfach und kostengünstig herzustellen und zu montieren ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotationsmotor nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Rotationsmotors sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Rotationsmotor umfasst einen ring- oder scheibenförmigen förmigen Aktor, zumindest ein an dem Aktor angeordnetes Friktionselement, ein mit dem Friktionselement in Reibverbindung stehendes und mehr als die Hälfte des Außenumfangs des Aktors umgebendes Umfangselement, und einen über das Umfangselement angetriebenen Rotor, wobei das Umfangselement einstückig ausgeführt ist. Aufgrund seiner speziellen Ausführung gelingt eine besonders einfache Montage des Umfangselements, und die Herstellung des einteiligen bzw. einstückigen Umfangselements ist ebenso einfach und kostengünstig realisierbar. Eine Nachbearbeitung oder die Montage zusätzlicher Teile zur Realisierung des Umfangselements kann dabei entfallen.
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Es kann von Vorteil sein, dass das Umfangselement in unmontiertem Zustand eine von der Umfangsgeometrie des Aktors abweichende Geometrie aufweist und vorzugsweise in unmontiertem Zustand eine langgestreckte Form aufweist. Dadurch, dass das Umfangselement gerade nicht die Umfangsgeometrie des Aktors aufweist, ist die Herstellung deutlich vereinfacht. Enge Fertigungstoleranzen, wie sie bei vorgeformten Umfangselementen einzuhalten wären, sind hierbei nicht erforderlich. Insbesondere die langgestreckte Form ist einfach realisierbar.
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Es kann zudem von Vorteil sein, dass das Umfangselement durch ein Formpressverfahren, vorzugsweise durch ein Gießverfahren, hergestellt ist. Entsprechende Herstellverfahren erlauben eine besonders kostengünstige Fertigung des Umfangselements bei gleichzeitig hoher Maßgenauigkeit. Vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist die Herstellung des Umfangselements durch das Spritzgießverfahren.
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Es kann auch von Vorteil sein, dass das Umfangselement einen thermoplastischen Kunststoff aufweist und vorzugsweise aus diesem besteht. Diese Werkstoffe sind vergleichsweise günstig und darüber hinaus einfach verarbeitbar mit einem zugleich sehr weitreichenden Eigenschaftsspektrum. Insbesondere verfügen diese Werkstoffe in der Regel über hervorragende Dämpfungseigenschaften, so dass ungewünschte Vibrationen oder Geräuschentwicklungen wirkungsvoll reduziert oder sogar vollständig vermieden werden können.
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Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass das Umfangselement wenigstens einen Gelenkabschnitt aufweist. Dieser verleiht dem Umfangselement eine erhöhte Flexibilität, so dass während der Montage ein besonders einfaches Anordnen des Umfangselements am Außenumfang des Aktors gelingt.
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Außerdem kann es von Vorteil sein, dass der Gelenkabschnitt wenigstens ein im Wesentlichen bogenförmiges Element aufweist. Ein so geformter Gelenkabschnitt lässt sich einfach realisieren und resultiert in einer sehr hohen Flexibilität des Umfangselements.
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Es kann sich als günstig erweisen, dass der Gelenkabschnitt das Friktionselement derart kontaktiert, dass eine Führung des Umfangselements entlang des Friktionselements realisiert ist. Somit kann der Gelenkabschnitt gleichzeitig zwei Funktionen übernehmen, wodurch eine Einsparung von Teilen gelingt, was den erfindungsgemäßen Rotationsmotor sowohl kostengünstiger, als auch montagefreundlicher macht.
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Ebenso kann es sich als günstig erweisen, dass das Umfangselement wenigstens einen Halteabschnitt zur Aufnahme eines Reibelements aufweist. Hierdurch gelingt eine besonders einfache Integration von Reibelementen, welche in montiertem Zustand des Rotationsmotors mit dem Friktionselement in Wirkverbindung stehen.
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Weiterhin kann es sich als günstig erweisen, dass der Halteabschnitt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gelenkabschnitten angeordnet ist.
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Es kann sich auch als günstig erweisen, dass das Umfangselement gebildet ist durch eine periodische Abfolge von Gelenkabschnitten und Halteabschnitten und vorzugsweise durch eine abwechselnde Abfolge von Gelenkabschnitten und Halteabschnitten. Diese Periodizität des Umfangsabschnitts per se kann bereits zur Positionserkennung des Umfangselements anhand entsprechender Sensoren genutzt werden. Zur genaueren Positionierung kann das Umfangselement zusätzlich mit einer Encoderstruktur versehen sein, die günstigstenfalls bei der Herstellung des Umfangselements eingeprägt wird, beispielsweise während des Spritzgießverfahrens.
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Zudem kann es sich als günstig erweisen, dass das Reibelement eine zylinderartige Form aufweist. Hierdurch gelingt eine besonders einfache Realisierung eines geeigneten bzw. definierten Reibkontakts zwischen Reibelement und Friktionselement. Zudem sind zylinderartige Reibelemente einfach und kostengünstig verfügbar.
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Es kann vorteilhaft sein, dass das Umfangselement von einem Spannelement umgeben ist. Dadurch ist ein verlässliches und gleichmäßiges Anpressen des Reibelements an das Friktionselement über den gesamten Umfang des Aktors gewährleistet.
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Es kann auch vorteilhaft sein, dass die Enden des Spannelements über ein Federelement miteinander verbunden sind, so dass das Spannelement gegen den Außenumfang des Umfangselements und dadurch das Reibelement gegen das Friktionselement gedrückt ist. Dadurch gelingt auf sehr einfache und montagefreundliche Weise ein definiertes Anpressen des Reibelements gegen das Friktionselement.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass das Friktionselement am Außenumfang des Aktors angeordnet ist, wobei sich der Außenumfang des Aktors in axialer Richtung stetig verändert und das Friktionselement eine zur Außenumfangsgeometrie des Aktors komplementäre Innenumfangsgeometrie aufweist. Hierdurch ist es auf einfache Art und Weise möglich, eine exakte Ausrichtung und Positionierung des Friktionselements am Aktor zu erzielen.
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Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, dass der Aktor in Form einer einschichtigen oder mehrschichtigen flachen Platte aus piezoelektrischem Material vorliegt und bei welchem zumindest eine Schicht sowohl auf deren Oberseite als auch deren Unterseite jeweils zwei voneinander durch einen Trennbereich beabstandete Elektroden in gegenüberliegender Anordnung aufweist, und die Elektroden der Oberseite um im Wesentlichen 90° versetzt zu den Elektroden der Unterseite angeordnet sind. Ein solcher Aktor baut sehr klein bzw. flach und ist bei relativ einfachem Aufbau in der Lage, rotatorische Antriebsbewegungen zu erzeugen. Durch die Art der Elektrodenanordnung und der spezifischen elektrischen Ansteuerung ergibt sich ein sehr effektives elektrisches Feld in Dickenrichtung des Aktors, so dass bereits bei vergleichsweise niedrigen elektrischen Spannungen eine hohe Antriebskraft des Motors erzeugt wird.
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Zudem kann es vorteilhaft sein, dass das elektrische Spannungssignal zum Ansteuern der Elektroden der Oberseite des Aktors eine Phasendifferenz von 90° zum elektrischen Spannungssignal zum Ansteuern der Elektroden der Unterseite des Aktors aufweist. Dadurch gelingt die Realisierung einer rotatorischen Bewegung des Aktors, die einer Hula-Hoop-Bewegung gleicht.
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Außerdem kann es vorteilhaft sein, dass das elektrische Spannungssignal zum Ansteuern der Elektroden der Oberseite des Aktors eine vom elektrischen Spannungssignal zum Ansteuern der Elektroden der Unterseite des Aktors abweichende Frequenz aufweist. Hierdurch kann eine vibrierende oder Scan-Bewegung des Aktors und damit des durch ihn über das Umfangselement angetriebenen Rotors erreicht werden. Die Frequenz der Vibration bzw. der Scan-Bewegung ist dabei direkt abhängig vom Unterschied der Frequenzen des Ansteuersignals und ist insbesondere gleich dem Unterschied zwischen den Ansteuerfrequenzen.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch Kombinationen der in den Ansprüchen, in der Beschreibung und in den Zeichnungen offenbarten Merkmale.
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Es zeigt:
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1: einen erfindungsgemäßen Rotationsmotor in montiertem Zustand
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2: den Rotationsmotor gemäß 1 in anderer Ansicht
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3: Umfangselement des Rotationsmotors gemäß 1 in unmontiertem, langgestrecktem Zustand
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4: Umfangselement des Rotationsmotors gemäß 1 in unmontiertem, gekrümmtem Zustand
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5: Weitere Ausführungsform eines Umfangselements in unmontiertem, langgestrecktem Zustand
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6: Umfangselement gemäß 5 in unmontiertem, gekrümmtem Zustand
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7: Einzelheit des Rotationsmotors gemäß 1 enthaltend den Aktor mit an diesem angeordneten Friktionselementen
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8: Schnittdarstellung des Aktors mit an diesem angeordneten Friktionselementen gemäß 7
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9: Aktor für einen erfindungsgemäßen Rotationsmotor mit an dessen Außenumfang angeordnetem Friktionselement
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10: Schnittdarstellung des Aktors gemäß 9
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11: Einzelheit des Rotationsmotors gemäß 1 enthaltend das Umfangselement mit diesem umgebenden Spannelement
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12: Einzelheit des Rotationsmotors gemäß 1 enthaltend das Umfangselement mit Spannelement und den Aktor mit an diesem angeordneten Friktionselementen
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1 zeigt den erfindungsgemäßen Rotationsmotor in perspektivischer Darstellung mit Blick auf den oberen Teil des Motors, d.h. des Teils des Motors oberhalb einer Montageplatte 5. Ein im Zentrum des Motors angeordneter und anzutreibender Rotor 4 befindet sich über einen Stegabschnitt 15 in Eingriff mit einem aus einem thermoplastischen Material bestehenden einstückigen Umfangselement 3. Es ist jedoch denkbar, dass der Rotor 4 über mehr als einen Stegabschnitt 15 in Eingriff mit dem Umfangselement 3 steht.
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Das Umfangselement 3 seinerseits wird über einen piezoelektrischen Aktor 1 in Form eines Rings durch geeignete elektrische Ansteuerung angetrieben, wobei am Aktor 1 angeordnete Friktionselemente 2 aus Al2O3 in Reibkontakt mit in Halteabschnitten 9 des Umfangselements 3 eingesetzten, plattenförmigen Reibelementen 10 aus Al2O3 stehen. Hierbei sind die Friktionselemente ebenfalls ringförmig und sowohl an der Oberseite, als auch an der Unterseite des Aktors konzentrisch zu diesem angeordnet.
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Beispielsweise ist eine solche elektrische Ansteuerung des Aktors möglich, bei welcher der Aktor eine Hula-Hoop-artige Bewegung vollführt. Besagte Bewegung machen in analoger Weise die am Aktor angeordneten Friktionselemente 2. Durch den Reibkontakt zwischen den Friktionselementen 2 und den Reibelementen 10 erfolgt durch die Bewegung des Aktors ein rotatorischer Antrieb des Umfangselements 3 und damit des mit dem Umfangselement 3 in Eingriff stehenden Rotors 4.
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Um ein gleichmäßiges und verlässliches Anpressen der Reibelemente 10 an die Friktionselemente 2 zu erreichen, ist das Umfangselement 3 von einem Spannelement 11 in Form eines flachen Stahlbandes umgeben, wobei die beiden Enden des Spannelements über ein Federelement 12 miteinander verbunden sind, wobei das Federelement 12 eine Zugfeder darstellt und die beiden Enden des Spannelements 11 aufeinander zu zieht.
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Das Umfangselement setzt sich zusammen aus einer sich abwechselnden Abfolge von Halteabschnitten 9 und Gelenkabschnitten 7, wobei jeder Gelenkabschnitt 7 zwei bogenförmige Elemente 8 aufweist, wovon eines das an der Oberseite des Aktors 1 angeordnete Friktionselement 2 kontaktiert, und ein bogenförmiges Element 8 das an der Unterseite des Aktors 1 angeordnete Friktionselement 2 kontaktiert. Dadurch ist das Umfangselement 3 gegenüber dem Aktor 1 bzw. den an diesem angeordneten Friktionselementen 2 geführt.
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2 zeigt den Rotationsmotor gemäß 1 in perspektivischer Darstellung mit Blick auf den unteren Teil des Motors, d.h. des Teils des Motors unterhalb der Montageplatte 5. Durch die Montageplatte 5 tritt der Wellenabschnitt 6 des Rotors hindurch, mit dem das durch den Motor (in 2 nicht dargestellte) anzutreibende Element verbindbar ist.
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3 zeigt das Umfangselement des Rotationsmotors gemäß 1 in unmontiertem und von äußeren Kräften freiem Zustand. Dabei liegt es in der Form vor, in der es in einem Formgießprozess hergestellt wurde, nämlich als flaches, langgestrecktes Element. In jeden dritten Halteabschnitt 9 ist ein plattenförmiges Reibelement 10 eingesetzt. Es ist jedoch auch denkbar, dass in jeden zweiten oder aber in jeden Halteabschnitt 9 ein Reibelement 10 eingesetzt ist.
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4 zeigt das Umfangselement gemäß 3 in gekrümmtem oder gebogenem Zustand ähnlich der Anordnung wie in am Rotationsmotor montiertem Zustand.
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5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Umfangselements 3 des erfindungsgemäßen Rotationsmotors, bei welchem in den Halteabschnitten 9 zylinderförmige Reibelemente 10 eingesetzt sind. Dazu weisen die Halteabschnitte entsprechende und komplementär geformte Ausnehmungen auf.
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6 zeigt das Umfangselement 3 gemäß 5 in gekrümmtem bzw. gebogenem Zustand.
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7 zeigt den Aktor des Rotationsmotors mit an diesem angeordneten Friktionselementen 2 gemäß 1. Der Aktor weist zwei an seiner Oberseite angeordnete, im Wesentlichen halbkreisförmige Elektroden 14 auf, die durch zwei Trennbereiche 13 voneinander getrennt sind. Auch an seiner Unterseite weist der Aktor zwei im Wesentlichen halbkreisförmige und durch zwei Trennbereiche voneinander getrennte Elektroden 14 auf, wobei diese um 90° versetzt zu den Elektroden der Oberseite des Aktors angeordnet sind (in 7 nicht dargestellt). Konzentrisch zu dem ringförmigen Aktor sind die Friktionselemente 2 an Ober- und Unterseite des Aktors angeordnet, wobei deren Außenumfang jeweils bündig mit dem Außenumfang des Aktors abschließt.
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8 zeigt eine Schnittdarstellung des Aktors mit an diesem angeordneten Friktionselementen gemäß 7 zur Verdeutlichung der Anordnung von Aktor und Friktionselementen zueinander.
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9 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Aktors mit daran angeordnetem Friktionselement des erfindungsgemäßen Rotationsmotors. Hierbei weist der Aktor die gleiche Elektrodenanordnung wie der Aktor gemäß 7 auf. Im Gegensatz hierzu ist jedoch nur ein Friktionselement 2 vorhanden, welches am Außenumfang des Aktors angeordnet ist.
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10 verdeutlicht anhand einer Schnittdarstellung bezüglich 9 die Anordnung bzw. Geometrie von Aktor und Friktionselement. Der Innenumfang des Friktionselements verjüngt sich dabei ausgehend von der Oberseite des Aktors in Richtung der Unterseite des Aktors, wobei das Friktionselement jeweils bündig mit Ober- und Unterseite des Aktors abschließt. Der Außenumfang des Aktors weist eine hierzu komplementäre Geometrie auf und verjüngt sich ausgehend von dessen Unterseite in Richtung seiner Oberseite.
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11 zeigt als Teil oder Einzelheit des Rotationsmotors gemäß 1 das Umfangselement 3 mit dem dieses umgebenden Spannelement 11.
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12 zeigt ebenso ein Teil oder eine Einzelheit des Rotationsmotors gemäß 1, wobei 12 gegenüber 11 zusätzlich noch den Aktor mit an diesem angeordneten Friktionselementen enthält.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4634916 [0002, 0005, 0008]
