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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft Elektromotoren und insbesondere einen Gleichstrommotor mit einem Kommutator und einem Permanentmagnetläufer.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gleichstrommotoren mit einem Permanentmagnetläufer, gewickelten Ständerspulen, einem Kommutator und Bürsten sind allgemein bekannt, wie in der japanischen Patentpublikation
JP4-200259 gezeigt ist. Der Kommutator dient zum Konvertieren von Gleichstromenergie in Wechselstromenergie in einer Anzahl von Phasen, um die Ständerspulen zu versorgen. Die Unterdrückung von Elektrorauschen ist ein wesentliches Thema bei solchen Motoren, wenn deren Leistung erhöht wird. Normalerweise sind Rauschunterdrückungselemente wie Kondensatoren und Drosseln zwischen die Bürste und die Stromquelle geschaltet. Um einen annehmbaren Grad der Unterdrückung zu erzielen, sind die Drosseln oftmals groß, so dass auch der Motor größer wird.
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Das Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen Motors, der die vorstehend genannten Probleme lösen oder zumindest mildern kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gleichstrom-Bürstenmotor angegeben, umfassend: eine Mehrzahl von Spulen, die N Phasen entsprechen; einen Läufer mit einer Welle und mit 2P radial polarisierten Permanentmagnetpolen; einen an der Welle befestigten Kommutator, umfassend: einen ersten leitenden Ring; einen zweiten leitenden Ring, der von dem ersten leitenden Ring beabstandet ist; eine Mehrzahl von ersten Schienen, die sich von dem ersten leitenden Ring erstrecken; eine Mehrzahl von zweiten Schienen, die sich von dem zweiten leitenden Ring erstrecken; eine Mehrzahl von Übergangsplatten; einen Körper, der den ersten leitenden Ring, die ersten Schienen, den zweiten leitenden Ring, die zweiten Schienen und die Übergangsplatten stützt; und eine Mehrzahl von Resistoren; wobei die ersten und die zweiten Schienen alternierend entlang eines Bürstenweges angeordnet sind, wobei mindestens eine der Übergangsplatten zwischen jeder der ersten Schienen und der zweiten Schienen angeordnet ist und wobei einer der Resistoren zwischen jeweils eine der Übergangsplatten und eine der benachbarten ersten und zweiten Schienen geschaltet ist; zwei erste Bürsten, die jeweils derart angeordnet sind, dass sie sich in elektrischem Gleitkontakt mit dem ersten und dem zweiten elektrisch leitenden Ring befinden; und eine Mehrzahl von zweiten Bürsten, die derart angeordnet sind, dass sie sich mit den ersten Schienen, den zweiten Schienen und den Übergangsplatten in elektrischem Gleitkontakt befinden und mit den N Phasen elektrisch verbunden sind.
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Vorzugsweise sind zwei Übergangsplatten zwischen jeder der ersten und der zweiten Schienen angeordnet, wobei jede der beiden Übergangsplatten über einen jeweiligen Resistor mit ihrer benachbarten ersten oder zweiten Schiene verbunden ist.
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Vorzugsweise umfasst der Kommutator ferner eine Mehrzahl von Kondensatoren, und jeder Kondensator ist jeweils über jeden der Resistoren geschaltet.
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Vorzugsweise hat der Kommutator eine zylindrische Bürstenkontaktfläche, die durch den ersten und den zweiten leitenden Ring und die ersten und zweiten Schienen gebildet wird, die sich in der axialen Richtung der Welle erstrecken.
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Vorzugsweise hat der Kommutator eine ebene Bürstenkontaktfläche, die durch den ersten und den zweiten leitenden Ring und die ersten und zweiten Schienen gebildet wird, die sich in der axialen Richtung der Welle erstrecken.
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Vorzugsweise umfasst der Ständer ferner ein kreisförmiges Joch und eine Anzahl von Zähnen, die von der Innenfläche des Jochs vorspringen, wobei benachbarte Zähne einen Schlitz definieren und wobei die Anzahl von Schlitzen S = k·N·2P beträgt, wobei k, N und P eine beliebige ganze Zahl größer als 1 sind.
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Vorzugsweise ist die Breite der ersten oder der zweiten Schiene in Umfangsrichtung der Welle im Wesentlichen gleich der Bogenlänge, die dem Stromflusswinkel der Phase weniger der Summe der Breite der zweiten Bürste und einer Abstandsbreite entspricht.
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Vorzugsweise beträgt die Abstandsbreite zwischen 0,1 und 2 Millimeter.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Kommutator angegeben, umfassend: einen ersten leitenden Ring; einen zweiten leitenden Ring, der von dem ersten leitenden Ring beabstandet ist; eine Mehrzahl von ersten Schienen, die sich von dem ersten leitenden Ring erstrecken; eine Mehrzahl von zweiten Schienen, die sich von dem zweiten leitenden Ring erstrecken; eine Mehrzahl von Übergangsplatten; einen Körper, der für die Festlegung an einer Welle und zum Stützen des ersten leitenden Rings, des zweiten leitenden Rings, der ersten Schienen des zweiten leitenden Rings, der zweiten Schienen und der Übergangsplatten ausgebildet ist; und eine Mehrzahl von Resistoren, wobei die ersten und zweiten Schienen alternierend entlang eines Bürstenweges angeordnet sind, wobei mindestens eine der Übergangsplatten zwischen jeder der ersten und der zweiten Schienen angeordnet ist und wobei einer der Resistoren jeweils zwischen jede der Übergangsplatten und eine der benachbarten ersten und zweiten Schienen geschaltet ist.
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Vorzugsweise sind zwei Übergangsplatten zwischen jeder der ersten Schienen und zweiten Schienen angeordnet, und jede der beiden Übergangsplatten ist über einen jeweiligen Resistor mit ihrer benachbarten ersten oder zweiten Schiene verbunden.
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Vorzugsweise sind die Kondensatoren jeweils über die Resistoren geschaltet.
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Vorzugsweise hat der Kommutator eine zylindrische Bürstenkontaktfläche, die durch den ersten und den zweiten leitenden Ring und die ersten und zweiten Schienen gebildet ist, die sich in der axialen Richtung der Welle erstrecken.
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Vorzugsweise hat der Kommutator eine ebene Bürstenkontaktfläche, die durch den ersten und den zweiten leitenden Ring und die ersten und zweiten Schienen gebildet ist, die sich in der radialen Richtung der Welle erstrecken.
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Da in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Übergangsplatte über einen Resistor mit der Schiene verbunden ist, ist zwischen der Schiene und der Übergangsplatte ein Spannungsabfall vorhanden. Dadurch ist die Änderung des Stroms der zweiten Bürste bei deren Gleiten von der Schiene zur Übergangsplatte und weiter zu der benachbarten Schiene relativ sanft. Auf diese Weise werden keine intensiven Stromimpulse erzeugt, weshalb eine Funkenbildung in dem Moment, in dem sich die Bürste von dem Stab löst, eingeschränkt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen, die in den Figuren dargestellt sind, sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines Gleichstrom-Bürstenmotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der einen Kommutator und eine Anzahl von Spulen aufweist, die drei Phasen entsprechen;
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2 ist eine zum Teil Explosionsdarstellung des Motors von 1;
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3 ist eine Schnittansicht des Motors von 1;
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4 ist eine schematische entfaltete Ansicht des Kommutators von 1;
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5A–5C zeigen die Phasen von Spannungen, die den Wicklungen des Motors von 1 hinzugefügt sind;
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6 ist eine perspektivische Ansicht eines Gleichstrom-Bürstenmotors ohne Gehäuse gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der ebenfalls einen Kommutator aufweist;
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7 ist eine schematische entfaltete Ansicht des Kommutators von 6; und
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8 ist eine Draufsicht eines Kommutators gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es wird auf die 1 bis 4 Bezug genommen, in denen ein Gleichstrom-Bürstenmotor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Ständer 10, einen Läufer 20, einen Kommutator 30, ein Gehäuse 50, eine Anzahl von ersten Bürsten 60 und eine Anzahl von zweiten Bürsten 70 umfasst.
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Der Ständer 10 hat ein kreisförmiges Joch 12, eine Anzahl von Zähnen 14 und eine Anzahl von Spulen 16. Die Zähne 14 springen von der Innenfläche des Jochs 12 vor, so dass sie eine Anzahl von Schlitzen 13 definieren. Die Spulen 16 entsprechen N Phasen und sind um die entsprechenden Zähne 14 gewickelt. In der vorliegenden Ausführungsform besteht die Spule 16 aus Aluminium. Die Spule 16 entspricht drei Phasen, der Ständer 10 hat sechs Zähne 14, und es sind drei zweite Bürsten 70 vorgesehen. Die Spulen 16 können eine Sternschaltung bilden, was bedeutet, dass ein Ende jeder Spule mit einer jeweiligen zweiten Bürste 70 verbunden ist, wohingegen die Spulen an ihrem anderen Ende zusammengeschaltet sind. Gemäß einer Alternative können die Spulen eine Deltaschaltung bilden, was bedeutet, dass jede Spule zwischen zwei der zweiten Bürsten 70 geschaltet ist.
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Der Läufer 20 ist in dem Ständer 10 angeordnet, hat eine Welle 22 und eine Anzahl von Permanentmagneten 24, die in der typischen Weise über einen Läuferkern an der Welle 22 befestigt sind und radial polarisiert sind. In der vorliegenden Ausführungsform sind vier Magnete 24 in gleichen Abständen an der Welle 22 befestigt, wobei die Polarität jedes Magnetpols 24 von jener der beiden benachbarten Magnetpole 24 verschieden ist. Vorzugsweise sind die Magnete des Läufers durch einen einzelnen Ringmagnet gebildet, der eine Anzahl von Polen alternierender Polarität hat, die in Umfangsrichtung um den Läufer herum beabstandet sind. Auf diese Weise hat der Läufer 2P Permanentmagnetpole.
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Der Kommutator 30 ist an der Welle 22 befestigt und hat einen Isolierkörper, der eine Anzahl von Kommutator-Elementen einschließlich eines ersten kreisförmigen leitenden Rings 32, einer Anzahl erster Schienen 34, eines zweiten kreisförmigen leitenden Rings 36, einer Anzahl zweiter Schienen 38 und einer Anzahl von Übergangsplatten 33 und einer Anzahl von Resistoren 35 stützt. Der erste und der zweite leitende Ring 32 und 36 sind entlang der Welle 22 voneinander beabstandet. Die ersten Schienen 34 erstrecken sich axial von dem ersten leitenden Ring 32 in Richtung auf den zweiten leitenden Ring 36. Vorzugsweise sind die ersten Schienen und der erste Ring als ein Stanzteil in einem Stück ausgebildet. Die zweiten Schienen 38 erstecken sich axial von dem zweiten leitenden Ring 36 in Richtung auf den ersten leitenden Ring 32. Vorzugsweise sind die zweiten Schienen und der zweite Ring als ein Stanzteil in einem Stück ausgebildet. Die ersten und zweiten Schienen 34 und 38 sind in Umfangsrichtung der Welle 22 in gleichen Abständen alternierend angeordnet. Die Übergangsplatten 33 sind jeweils zwischen den ersten Schienen 34 und den zweiten Schienen 38 angeordnet. Die ersten Schienen 34, die zweiten Schienen 38 und die Übergangsplatten 33 sind voneinander elektrisch isoliert. Jeder Resistor 35 ist mit einer der Übergangsplatten 33 und einer benachbarten ersten oder zweiten Schiene 34, 38 elektrisch verbunden.
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Es wird erneut auf 2 Bezug genommen, in der das Gehäuse 50 einen im Wesentlichen becherförmigen Hauptkörper 52 und eine Abdeckung 54 zum Verschließen des offenen Endes des Hauptkörpers 52 hat. Das untere Ende des Hauptkörpers 52 hat eine erste Öffnung (nicht gezeigt), während die Abdeckung 54 eine zweite Öffnung 56 hat. Der Kern des Ständers 10 ist fest sitzend an einer Innenumfangsfläche des Hauptkörpers 52 befestigt, wobei die Welle 22 des Läufers 20 über Lager 58, die in dem unteren Ende und in der Abdeckung montiert sind, durch die erste und die zweite Öffnung verläuft. Der Hauptkörper 52 definiert auch eine Anzahl von Befestigungsöffnungen 59. Jede Bürste ist gleitbeweglich in einem Bürstenkäfig aufgenommen. Die Bürstenkäfige der beiden ersten Bürsten 60 sind fest in den Befestigungsöffnungen 59 aufgenommen, so dass sie sich in der radialen Richtung der Welle 22 erstrecken und einen Gleitkontakt mit dem ersten beziehungsweise dem zweiten leitenden Ring 32, 36 herstellen können. Die Bürstenkäfige für die zweiten Bürsten 70 liegen axial zwischen den beiden ersten Bürsten und sind in entsprechenden Befestigungsöffnungen 59 befestigt, die in Umfangsrichtung um das Gehäuse herum gleich beabstandet. Die zweiten Bürsten sind derart angeordnet, dass sie sich mit den ersten Schienen 34, den zweiten Schienen 38 und den Übergangsplatten 33 in Gleitkontakt befinden, wenn sich der Läufer dreht.
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Die Breite der ersten und zweiten Schienen 34, 38 ist in Umfangsrichtung der Welle 22 gemessen annähernd gleich der Bogenlänge, die dem Stromflusswinkel der Phase weniger der Summe der Breite einer zweiten Bürste 70 und einer Abstandsbereite entspricht, vorzugsweise zwischen 0,1 und 2 Millimeter, um Stromkurzschlüsse zu vermeiden. Der Stromflusswinkel der Phase kann 180 oder 120 Grad betragen. Der Abstand zwischen der ersten Schiene 34 und der benachbarten Schiene 38 ist größer als die Breite der zweiten Bürste 70. Die Breite der Übergangsplatte 33 ist größer als die der zweiten Bürste 70. Der Abstand zwischen der Übergangsplatte 33 und der ersten oder zweiten Schiene 34, 38 ist kleiner als die Breite der zweiten Bürste 70.
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Im Betrieb wird Gleichstromenergie aus einer Gleichstromquelle (nicht gezeigt) der Reihe nach über die ersten Bürsten 60, den Kommutator 30 und die zweiten Bürsten 70 zu den Spulen 16 übertragen, so dass die Spulen 16 Magnetfelder erzeugen. Die durch diese Magnetfelder erzeugte Kraft setzt den Läufer 20 in Drehung. Während der Drehung wird die Gleichstromenergie durch den Kommutator 60 in N Phasen eines Wechselstroms konvertiert, der den Spulen 16 zugeleitet wird, wie das in den 5A bis 5C gezeigt ist, um auf diese Weise die Drehung des Läufers 20 aufrecht zu erhalten. Da die Übergangsplatten 33 über die Resistoren 35 mit den ersten oder zweiten Schienen 34, 38 verbunden sind, ist zwischen der Schiene 34, 38 und der Übergangsplatte 81 ein Spannungsabfall vorhanden, der zu einer relativ sanften Änderung des Stroms der zweiten Bürste 70 führt, wenn diese von der Schiene 34, 38 zur Übergangsplatte 81 und weiter zu der benachbarten Schiene 34, 38 gleitet. Auf diese Weise werden keine intensiven Stromimpulse erzeugt, weshalb eine Funkenbildung in dem Moment, in dem sich die Bürste von der Schien 34, 38 löst, eingeschränkt oder reduziert wird.
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Es wird erneut auf 4 Bezug genommen, in der in einer alternativen Ausführungsform ein Kondensator 37 über jedem Resistor 35 parallelgeschaltet ist, um die Ableitung von jeglichem Wechselstrom zu unterstützen, der während der Kommutation möglicherweise induziert wird.
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Eine weitere Ausführungsform ist in den 6 und 7 dargestellt, in der zwei Übergangsplatten 33 zwischen benachbarten ersten und zweiten Schienen 34, 38 angeordnet sind. Jede Übergangsplatte 33 ist über einen Resistor 35 oder einen Resistor 35 und einen dazu parallelgeschalteten Kondensator 37 mit der benachbarten Schiene 34, 38 verbunden. Auf diese Weise erfolgt im Betriebszustand die Änderung des Stroms der zweiten Bürste 70 sanfter als bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Aus diesem Grund sind die Stromimpulse noch schwächer, und die Funkenbildung wird noch effektiver eingedämmt. Diese Ausführungsform eignet sich auch für Motoren, die für einen Betrieb in beiden Richtungen ausgelegt sind.
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Der erste und der zweite leitende Ring 32 und 36, die ersten zweiten Schienen 34 und 38 und die ersten und zweiten Bürsten 60 und 70 werden als Stromkonvertierungsvorrichtung (kein Bezugszeichen) verwendet, um Strom aus einer Gleichstromquelle unter Zusammenwirken mit der Drehung des Läufers in N Phasen eines Wechselstroms zu konvertieren und die N-Phasenströme den Spulen 16 des Ständers 10 zuzuführen. Es versteht sich jedoch, dass der Kommutator nicht auf die vorliegende Ausführungsform beschränkt ist.
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In einer anderen Ausführungsform zum Beispiel, die in 8 dargestellt ist, kann der Kommutator eine ebene Kontaktfläche aufweisen. Die ersten Schienen 34 erstrecken sich von dem ersten leitenden Ring 32, der über einen Isolierkörper 40 an der Welle 22 befestigt ist, radial nach außen. Der zweite leitende Ring 36 ist an der radial äußeren Kante des Körpers 40 befestigt. Der Körper 40 stützt die Kommutator-Elemente, nämlich den ersten leitenden Ring 32, die ersten Schienen 34, die Übergangsplatten 33, den zweiten leitenden Ring 36 und die zweiten Schienen 38. Die zweiten Schienen 38 erstrecken sich von der Innenkante des zweiten leitenden Rings 36 radial nach innen. Die ersten und zweiten Schienen 34, 38 sind in Umfangsrichtung der Welle 22 in gleichen Abständen alternierend angeordnet. Die Übergangsplatten 33 sind zwischen benachbarten ersten und zweiten Schienen 44, 48 separat angeordnet, wobei jede Übergangsplatte 33 über einen Resistor (nicht gezeigt) mit der benachbarten Schiene 34, 38 verbunden ist. Der Spalt 41 zwischen den leitenden Ringen 32, 36, den Schienen 34, 38 und den Übergangsplatten 33 kann mit Isoliermaterial wie beispielsweise Duroplast gefüllt werden. In diesem Fall erstrecken sich die ersten und zweiten Bürsten 60 und 70 in der axialen Richtung der Welle 22 und sind radial von der Welle beabstandet, zur Verbindung mit den jeweiligen leitenden Ringen 32, 36 oder den Schienen 34, 38 und Übergangsplatten 33.
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In der vorliegenden Ausführungsform sind drei Phasen, vier Magnetpole und sechs Schlitze 13 vorgesehen. Jedoch versteht sich, dass die Anzahl von Phasen N, die Anzahl von Magnetpolen 2P und die Anzahl von Schlitzen S jeweils nicht auf drei, vier und sechs beschränkt ist. Es wurde festgestellt, dass bei S = k·N·2P, wobei k, N und P beliebige ganze Zahlen größer als 1 sind, die Effizienz des Motors relativ hoch ist. Ferner sollte, wenn die Anzahl von Phasen N gleich zwei ist, die Anzahl von zweiten Bürsten 70 gleich 2N sein. Wenn N gleich drei oder größer ist, sollte die Anzahl von Bürsten 70 nicht kleiner als N sein.
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Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
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Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedenen Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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