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Die Erfindung betrifft eine Isolationseinrichtung für eine elektrische Maschine. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer intrinsisch selbstheilenden Isolationseinrichtung einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum intrinsischen Selbstheilen einer Isolationseinrichtung einer elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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Magnetische Felder von elektrischen Maschinen können mittels Stromflüssen durch elektrische Leiter der elektrischen Maschinen elektrisch erzeugt werden. Dabei wird der Strom durch einen oder mehrere elektrische Leiter geführt, um gegebenenfalls eine Verstärkung von Einzelfeldern zu erreichen. Zusätzlich werden die Leiter in magnetisch gut leitfähigen Materialien möglichst gebündelt angeordnet, um die durch sie erzeugten Felder möglichst verlustfrei durch Magnetkreise der elektrischen Maschinen zu führen.
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Aus dem beschriebenen Aufbau ergibt sich die Notwendigkeit, dass Leiterschleifen gegeneinander und gegen magnetisch leitfähiges Material (Stator- bzw. Rotorblechpaket) isoliert sein müssen. Jeder Leiter ist daher mit einem elektrisch isolierenden Medium beschichtet, das ihn von benachbarten Leitern elektrisch isoliert, ohne aber die Leiterabmessungen signifikant zu erhöhen, damit ein Verhältnis von elektrisch wirksamer Leiterfläche zur Gesamtfläche der Wicklung maximiert ist.
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Isolationssysteme werden großtechnisch durch Lackierprozesse kostengünstig in geringen Schichtdicken auf das grundlegende Leitermaterial aufgebracht. Dabei bestehen die Isolations- bzw Lacksysteme aus mehreren nacheinander aufgebrachten Lackschichten. Eine derartig hergestellte elektrisch isolierte Leitung wird als Lackdraht bezeichnet.
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In der Praxis wird versucht, die erforderlichen Schichtdicken der Leiterisolation so weit wie möglich zu reduzieren. Durch mechanische Belastungen während eines Herstellungsprozesses einer elektrische Maschine oder durch mechanische (z.B. Vibrationsbelastungen), thermische oder chemische (z.B. durch Oxidation verursachte) Belastungen während des Betriebs der elektrischen Maschine kann die dünne Isolationsschicht verletzt werden. Ein derartiger Schaden kann letztlich zu einem Isolatordurchschlag führen, welcher Kurzschlüsse zwischen benachbarten Leitern (Windungsschluss) oder zwischen einem Leiter und dem Stator- bzw. Rotorblechpaket (Masseschluss) auslösen und die Notwendigkeit einer teuren Motorreparatur zur Folge haben kann.
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DE 10 2010 054 779 A1 offenbart ein Verfahren zu einer Korrektur von Isoliereigenschaften einer Magnetdrahtisolierung. Das Verfahren sieht einen Einbau von in Mikrokapseln abgesonderten polymerisierbaren Materialien in der Isolierschicht vor. Wenn die Isolierschicht Zuständen unterworfen wird, die ausreichen, um ihren Isoliercharakter zu beeinträchtigen, reißen die Mikrokapseln und setzen ihren Inhalt frei, der dann polymerisiert und die Isoliereigenschaften der Schicht wiederherstellt. Erforderlich für dieses Verfahren sind allerdings relativ große Lackschichtdicken, was ein ungünstiges Verhältnis von Lackschichtdicke zu Durchmesser der Mikrokapseln zur Folge haben kann. Zudem können die Mikrokapseln bereits im Herstellungsprozess aufplatzen.
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Eine intrinsische Selbstheilung von Lacken auf Polymerbasis ist aus der Automobiltechnik bekannt, wobei dieser Effekt zu Korrosionsschutzzwecken verwendet wird. Die Selbstheilung wird dabei bei relativ niedrigen Temperaturen angestrebt.
WO 96/10595 offenbart in diesem Zusammenhang reaktive, zweiteilige Polyurethan-Zusammensetzungen, sowie daraus hergestellte, gegebenenfalls selbstheilende und kratzfeste Beschichtungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Reparieren von beschädigten Isolationen von elektrischen Maschinen bereitzustellen. Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer Isolationseinrichtung für eine elektrische Maschine, aufweisend wenigstens eine auf einer Oberfläche der Isolationseinrichtung angeordnete erste Polymerschicht. Die Isolationseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Polymerschicht derart ausgebildet ist, dass sie bei einer definierten Temperatur, die oberhalb einer Betriebstemperatur der elektrischen Maschine mit, rückfliesst und sich neu vernetzt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer intrinsisch selbstheilenden Isolationseinrichtung einer elektrischen Maschine, aufweisend:
- – Aufbringen von wenigstens einer ersten Polymerschicht auf einen zu isolierenden Abschnitt der elektrischen Maschine, wobei die erste Polymerschicht derart ausgebildet ist, dass sie bei einer definierten Temperatur, die oberhalb einer Betriebstemperatur der elektrischen Maschine liegt, rückfliesst und sich neu vernetzt.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum intrinsischen Selbstheilen einer Isolationseinrichtung elektrischen Maschine, aufweisend:
- – Feststellen einer Schädigung der Isolationseinrichtung; und
- – Zuführen von Aktivierungsenergie auf eine intrinsisch selbstheilende Schicht der Isolationseinrichtung, wobei durch das Zuführen der Aktivierungsenergie eine Temperatur in der intrinsisch selbstheilenden Schicht erreicht wird, die innerhalb eines vordefinierten Temperaturbandes liegt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Isolationseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens eine erste Polymerschicht auf einer Innenfläche der Isolationseinrichtung angeordnet ist. Dadurch wird eine Kontaktierung der intrinsisch selbstheilenden Polymerschicht mit einem zu isolierenden Abschnitt der elektrischen Maschine ermöglicht, wodurch eine besonders einfache Aktivierung des Selbstheilungseffekts durch Eigenwärme der elektrischen Maschine unterstützt ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der Isolationseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Innenfläche der ersten Polymerschicht wenigstens eine Haftschicht angeordnet ist. Mittels der Haftschicht wird vorteilhaft eine verbesserte Haftbarkeit für die erste Polymerschicht bereitgestellt, wodurch zudem ein mechanisch stabiler Aufbau der Isolationseinrichtung unterstützt ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Isolationseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass über der ersten Polymerschicht wenigstens eine zweite Polymerschicht angeordnet ist. Auf diese Weise ist vorteilhaft ein flexibel geschichteter Aufbau der Isolationseinrichtung unterstützt. Zudem kann mittels der zweiten Polymerschicht ein mechanischer Schutz für die Isolationseinrichtung bereitgestellt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Isolationseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Polymerschicht auf einer Oberfläche einer zweiten Polymerschicht der Isolationseinrichtung angeordnet ist. Dadurch ist vorteilhaft eine flexible Anordnung der erfindungsgemäßen ersten Polymerschicht innerhalb des Isolierschichtenverbunds der Isolationseinrichtung unterstützt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Isolationseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Polymerschicht Polyurethan ist. Damit wird ein Polymermaterial bereitgestellt, welches besonders gut ausgeprägte Rückfliessund Neuvernetzungseigenschaften aufweist. Dies unterstützt vorteilhaft ein effizientes Reparieren von Schäden der Isolationseinrichtung.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Isolationseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Polymerschicht mehrere übereinander angeordnete Schichten von wenigstens einem Material aus der folgenden Gruppe aufweist: THEIC-Polyester, THEIC-Polyesterimid, Polyimid, Polyamid, Polyamidimid. Die genannten Materialien weisen allesamt ebenfalls bis zu einem gewissen Grad Rückfließeigenschaften auf, wodurch eine günstige, geringfügig bewegliche Schichtanordnung mit der erfindungsgemäßen ersten Polymerschicht unterstützt ist. Zudem kann mit den Materialien eine mechanisch robuste Deckschicht für die Isolationseinrichtung der elektrischen Maschine bereitgestellt gestellt werden. Eine gute Oberflächendeformierbarkeit der Isolationseinrichtung ist mit den genannten Materialien ebenfalls unterstützt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Isolationseinrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass die Isolationseinrichtung eine Isolation von Leitermaterial oder eine Nutisolation der elektrischen Maschine ist. Dadurch wird vorteilhaft eine vielfältige Anwendung für die erfindungsgemäße Isolationseinrichtung unterstützt.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum intrinsischen Selbstheilen einer Isolationseinrichtung sieht vor, dass das Temperaturband derart dimensioniert ist, dass eine Betriebstemperatur der elektrischen Maschine überschritten wird, wobei die elektrische Maschine nicht geschädigt wird. Dadurch wird das Temperaturband vorteilhaft zur intrinsischen Selbstheilung von Isolationsschäden optimiert.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein Aktivieren der Selbstheilung durch ein zeitlich definiertes Überhitzen der elektrischen Maschine durchgeführt wird, wobei das Überhitzen nach erfolgter Selbstheilung wieder beendet wird. Dadurch kann auch in zeitlicher Hinsicht vordefiniert werden, bei welcher Zeitdauer des Zuführens von thermischer Energie die gewünschte Selbstheilung bestmöglich bewirkt wird.
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Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Aktivieren der Selbstheilung durch ein zeitlich definiertes Überlasten der elektrischen Maschine durchgeführt wird. Dadurch kann die Selbstheilung von Isolationsschäden vorteilhaft auch während des Betriebs der elektrischen Maschine auf einfache Weise durchgeführt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass das Aktivieren durch eine Zufuhr von elektromagnetischer Strahlungsenergie auf die intrinsisch selbstheilende Schicht durchgeführt wird. Ein Vorteil dieser Art von Aktivierung ist, dass damit eine geringere thermische Belastung von Komponenten der elektrischen Maschine einhergeht.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die elektromagnetische Strahlungsenergie UV-Strahlung ist. Dadurch wird eine besonders günstige Strahlungsart genutzt, mit der die Rückfließeigenschaften der ersten Polymerschicht besonders günstig angeregt werden.
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Als besonders vorteilhaft wird bei der Erfindung angesehen, dass es mittels der intrinsisch selbstheilenden Schicht in Form der ersten Polymerschicht möglich ist, durch eine gezielte Zufuhr von Aktivierungsenergie Rückfliess- bzw. Neuvernetzungsprozesse der Lackmatrix zu aktivieren und dadurch Schädigungen der Isolationseinrichtung auf einfache Weise zu reparieren. Dadurch kann bei elektrischen Maschinen, bei denen ein Wicklungsschaden (z.B. in einem Endstadium eines Fertigungsprozesses oder im Feldbetrieb) detektiert wird, dessen Behebung unter Umständen sehr aufwendig wäre, auf einfache Weise eine Reparatur der genannten Schäden durchgeführt werden. Eine Betriebsdauer sowie ein Wirkungsgrad der elektrischen Maschine können auf diese Weise vorteilhaft bedeutend erhöht sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand einer Figur detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Figur. Die Figur ist vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen.
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1 zeigt eine prinzipielle Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Isolationseinrichtung.
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Die Isolationseinrichtung 10 ist dabei als eine elektrische Isolierung eines Wicklungsdrahts einer elektrischen Maschine (nicht dargestellt) ausgebildet. Auf einem Leitermaterial 3 (z.B. Kupfer, Aluminium, Silber usw.) des Wicklungsdrahts ist wenigstens eine Haftschicht 2 angeordnet, die ein verbessertes Haften einer darauf angeordneten wenigstens ersten Polymerschicht 1 unterstützt. Vorzugsweise umfasst die erste Polymerschicht 1 mehrere Schichten (nicht dargestellt), die nacheinander in Schritten eines Lackierprozesses auflackiert werden und dadurch aneinander haftende, bis zu einem gewissen Grad gegeneinander bewegliche Hülsen ausbilden.
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Die erste Polymerschicht 1 ist vorzugsweise ein Polymerlack auf Polyurethanbasis, welcher bei einer Temperatur, die über einer Betriebstemperatur der elektrischen Maschine liegt, rückfliesst und sich neu vernetzt. Es handelt sich bei der ersten Polymerschicht 1 somit um einen gezielt modifizierten Polymerlack, der fertigungs- und/oder betriebsbedingte Schädigungen der Isolationseinrichtung 10 durch thermische oder elektromagnetisch induzierte „Reflow“-Effekte (Rückfließen und Neuvernetzen der Lackmatrix) zu heilen vermag.
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Polyurethane eignen sich besonders für die Ausbildung einer Heilungsschicht zur Ausnutzung von „Reflow“-Effekten, da sowohl die Heilungstemperaturen als auch die notwendigen Heilungsdauern geringer sind, als bei sonst üblichen Isolationslacken. Generell können aber auch andere Polymere mit günstigen intrinsischen Selbstheilungseigenschaften zur Ausbildung einer Heilungsschicht verwendet werden.
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Auf einer äußeren Oberfläche der ersten Polymerschicht 1 ist optional wenigstens eine weitere Polymerschicht 4 aufgebracht, die wenigstens eine Schicht der folgenden Materialien umfasst: THEIC-Polyester, THEIC-Polyesterimid, Polyimid, Polyamid oder Polyamidimid. Mit den genannten Materialien wird eine mechanisch robuste Deckschicht für die Isolationseinrichtung 10 bereitgestellt, die eine mechanische Stabilität der Isolationseinrichtung 10 erhöht und aufgrund ihrer ebenfalls vorhandenen Rückfließeigenschaften mit der ersten Polymerschicht 1 gut kombinierbar ist.
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Die erste Polymerschicht 1 wird während einer Herstellung von Kupferlackdraht erfindungsgemäß gezielt aufgetragen, entweder als Grundlage direkt auf das Leitermaterial 3, oder als Decklack auf einem mittels der zweiten Polymerschicht 4 bereits isolierten Kupferlackdraht. Letztlich ist es somit für die Ausnutzung des erfindungsgemäßen Selbstheilungseffekts nicht von Belang, wo die erfindungsgemäße erste Polymerschicht 1 innerhalb des Schichtenverbunds angeordnet ist.
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In einem späteren Verlauf der Herstellung oder des Betriebs der elektrischen Maschine kann die erste Polymerschicht 1 thermisch durch Stromfluss oder mittels Aufbringen von elektromagnetischer Strahlungsenergie aktiviert werden. Dadurch tritt der genannte intrinsische „Reflow“-Effekt bzw. Rückfließeffekt auf, wodurch vorhandene Lackschäden repariert werden können.
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Besonders vorteilhaft ist eine thermische Aktivierung des intrinsischen Selbstheilungseffekts durch eine kurzzeitig erhöhte Stromaufnahme der Wicklungen der elektrischen Maschine bzw. eine Erwärmung der zu reparierenden Maschinenkomponenten auf eine definierte Temperatur möglich. Bei gekapselten elektrischen Maschinen, deren Wicklungen nur schwer zugänglich sind, ist dies eine sehr gute Möglichkeit, die Aktivierungswärme gleichmäßig auf die geschädigte Lackschicht der Isolationseinrichtung 10 aufzubringen.
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Alternativ kann die erforferliche Wärme natürlich auch ohne Stromfluss von extern zugeführt werden (z.B. mittels Ofenlagerung).
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Gleichzeitig sollte, zumindest bei der genannten thermischen Aktivierung, sichergestellt sein, dass die Aktivierungstemperatur für die erste Polymerschicht 1 oberhalb einer Betriebstemperatur der elektrischen Maschine liegt, um ein übermäßiges Nachvernetzen und dadurch nachteiliges Verspröden der Isolationsschichten 1, 4 während eines Normalbetriebs zu vermeiden. Die Aktivierungstemperatur kann somit durch ein kurzzeitiges Betreiben der elektrischen Maschine bei Überlast erreicht werden, wobei nach Beendigung der Selbstheilung der Überlastbetrieb der elektrischen Maschine wieder beendet wird.
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Alternativ kann die Aktivierungsenergie auch mittels elektromagnetischer Strahlungsenergie (beispielsweise UV-Strahlung) aufgebracht werden, wodurch mittels eines Absorptionseffekts innerhalb der ersten Polymerschicht 1 ebenfalls eine thermische Aktivierung des Selbstheilungseffekts erreicht wird. In jedem Fall sollte darauf geachtet werden, dass nicht durch eine unnötige Zufuhr von Aktivierungsenergie ein vorzeitiges Vernetzen und dadurch Verspröden der Lackschicht herbeigeführt wird.
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Die Aktivierungstemperatur für die erste Polymerschicht 1 liegt somit in einem Temperaturband bzw. Temperaturbereich, der als eine (nicht unterschrittene) Untergrenze die Aktivierungstemperatur des intrinsischen Selbstheilungseffekts und als eine (nicht überschrittene) Obergrenze eine Schädigungstemperatur von Komponenten der elektrischen Maschine aufweist.
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Es ist auch denkbar, die Isolationseinrichtung 10 als eine Nutisolation eines Stator- oder Rotorblechpakets (nicht dargestellt) der elektrischen Maschine auszubilden, wobei in diesem Fall die erste Polymerschicht 1 während der Herstellung einer Isolationsmaske einzubringen ist.
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Zusammenfassend ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft durch ein Ausnutzen von „Reflow“-Effekten in einem sehr gut fließenden Grundlack möglich, Mikrorisse in Lack- bzw. Isoliersystemen zu reparieren. Dies geschieht durch ein Fließen der Polymerketten der verletzten Lackschicht und ein Ausbilden von Bindungskräften zwischen den Polymerketten – in Abhängigkeit vom verwendeten Basispolymer – bis zu Abmessungen von einigen Millimetern Länge und einigen Mikrometern Breite. Zu einer Auslösung des „Reflow“-Effekts kann eine thermische Aktivierung vorteilhaft durch mehrere alternative Formen der Zufuhr von Wärme eingesetzt werden kann.
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Ein von der Erfindung ausgenützter Effekt ist eine Schwächung einer Bindung zwischen Wasserstoffbrücken der ersten Polymerschicht, wodurch es zu einem Rückfließen und Neuvernetzen der Wasserstoffbrücken der Lackmatrix und dadurch zu einem Neuausbilden einer geschlossenen Oberfläche der ersten Polymerschicht kommt.
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Als ein beispielhafter Einsatz der Erfindung seien aufwendige Offshore-Windkraftanlagen genannt, deren Generatorwicklungsisolationen erfindungsgemäß auf relativ einfache Weise kostengünstig repariert werden können. Ebenso ist das erfindungsgemäße Verfahren für komplexe Elektromotoren im Automotivebereich (z.B. Motoren für die Lenkungsunterstützung) denkbar.
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Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass das erfindungsgemäße Prinzip nicht auf die genannten Beispiele beschränkt ist, sondern auf jegliche Art von Elektromaschinen, wie zum Beispiel rotierende elektrische Maschinen, Transformatoren, Magnetinjektoren, Magnetventile, Tauchspulen usw. anwendbar ist, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010054779 A1 [0006]
- WO 96/10595 [0007]
