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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, sowie einem Verfahren zum Herstellen der elektrischen Maschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Mit der
US 8,307,533 ist ein Elektromotor bekannt geworden, bei dem ein Polgehäuse zwei gegenüberliegende kreissegmentförmige Seitenwände und dazwischen zwei ebne Seitenwände aufweist. An den kreissegmentförmigen Seitenwänden sind gegenüberliegend zwei Permanentmagnete angeordnet, wobei an den ebenen Seitenwänden jeweils eine Bügelfeder angeordnet ist, die die Permanentmagnete gegen die Innenseite der Poltopfwand pressen. Bei dieser Ausführung sind für die Befestigung zweier Magneten zwei Federelemente notwendig, was die Gesamtanzahl der verbauten Teile erhöht und deren Montage relativ aufwändig ist. Bei diesem abgeflachten Polgehäuse bilden die ebenen Seitenwände eine Anlagefläche für die schalenförmigen Magnete, wodurch die Magnete bezüglich der Umfangsrichtung positioniert werden. Bei der Verwendung eines kreisrunden Polgehäuses würde das Befestigungsprinzip mit zwei Bügelfedern nicht mehr funktionieren, da die ebenen Seitenwände als Anlagefläche und als Verdrehsicherung der Magneten entfallen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine, sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer solchen Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Ausbildung der radial ausgerichteten Fixierelemente bzw. Halteelemente die Permanentmagnete einen festen Anschlag haben, der die Permanentmagnete zuverlässig gegen ein Verdrehen innerhalb des Polgehäuses sichert. Bei der Verwendung eines kreisrunden Polgehäusequerschnittes kann der gesamte Umfang des Stators für die Ausbildung eines Magnetfeldes besser genutzt werden. Durch die Anlage der Permanentmagnete an dem Fixierelement kann ein zusätzliches Federelement zur Fixierung der Magneten entfallen, so dass beispielsweise für die Befestigung von zwei Magneten – im Gegensatz zum Stand der Technik – nur eine Magnethaltefeder notwendig ist, wodurch die Anzahl der Bauteile reduziert wird und die Montage der Permanentmagnete vereinfacht wird. Durch die einteilige Ausformung der Fixierelemente mit der Polgehäusewand können diese beim Stanz-Biege-Prozess der Polgehäusefertigung angeformt werden, wodurch die Montage separater Fixierelemente entfällt.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei der Ausformung der Fixierelemente aus der Polgehäusewand in dieser keine durchgehenden Löcher ausgeschnitten werden. Dadurch bleibt das Polgehäuse dicht abgeschlossen, wodurch das Eindringen von Schmutzpartikel und Feuchtigkeit unterbunden, und die Geräuschentwicklung reduziert wird. Durch den Verzicht auf eine einer spanenden Bearbeitung oder Stanzen kommen auch keine Metallsplitter in das Gehäuseinnere, die den Magnetkreis, die elektrische Isolation oder die Rotation des Rotors im Gehäuseinneren beeinträchtigen könnten.
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Besonders günstig ist es, wenn die Fixierelemente durch plastische Materialdeformation der Polgehäusewand ausgeformt werden. Letztere besteht bevorzugt aus beschichtetem – beispielsweise verzinktem – Stahl, der sehr einfach nach einer Art Fließpress-Verfahren plastisch umgeformt werden kann. Durch das Prägen der Fixierelemente mittels Stempeln – insbesondere mit einer Gegenform auf der gegenüberliegende Blechseite – kann ein definierter radialer Zapfen als Fixierelement angeformt werden, ohne dass die Polgehäusewand aufreißt, oder Material aufgeschnitten oder ausgestanzt wird.
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Um eine ausreichende radiale Erstreckung der Fixierelemente zu erzielen, werden diese vorteilhaft als Zapfen ausgebildet, die vorzugsweise innen hohl ausgebildet sind. Dadurch kann das Material der Polgehäusewand günstig besonders weit radial nach innen umgeformt werden, um einen zuverlässigen Anschlag für die Magnete zu bilden. Die Fixierelemente sind in radialer Richtung betrachtet bevorzugt rund ausgebildet, können jedoch auch einen ovalen oder länglichen Querschnitt aufweisen. Durch den Holraum, der durch den von außen eingepressten Stempel erzeugt wird, kann der Zapfen hülsen- oder rohrförmig ausgebildet werden, jedoch an der radial inneren Seite geschlossen.
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Damit ausreichend Material zur Ausbildung radial sich nach innen erstreckender Fixierelemente zur Verfügung steht, wird an der Außenseite der Polgehäusewand im Bereich des Fixierelements eine größflächigere Vertiefung ausgebildet, deren radiale Tiefe geringer ist, als die Wandstärke der Gehäusewand. Das Material dieser Vertiefung wird radial nach innen geformt. Dadurch dass der nach innen gerichtete Zapfen einen kleineren Durchmesser aufweist, als die äußere Vertiefung, und insbesondere der Zapfen hohl ausgebildet ist, kann sich der Zapfen deutlich weiter radial nach Innen erstrecken, als die Wandstärke der Gehäusewand.
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Besonders günstig ist es, wenn das Fixierelement von der Innenseite etwa 2,0 bis 3,0 mm nach Innen ragt, damit der anliegende Permanentmagnet auch bei einer angeformten äußeren Fase, sicher fixiert wird. Vorteilhaft erstreckt sich das Zentrierelement radial nicht weiter nach innen, als die radiale Dicke des anliegenden Permanentmagneten, damit der Innenraum für den Rotor nicht beeinträchtigt wird.
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Bildet das Fixierelement bezüglich der Umfangsrichtung an beiden Seiten je einen Anschlag, gegen den jeweils ein (Permanent-)Magnet mittels einer Magnethaltefeder verspannt wird, sind für jeweils zwei Magnete immer nur eine separat ausgebildete Magnethaltefeder notwendig, was die Bauteile-Anzahl und den Montageaufwand reduziert.
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Besonders günstig ist die Magnethaltefeder als Bügelfeder mit zwei gegenüberliegenden Schenkeln ausgebildet, die in Umfangsrichtung zwischen zwei Magneten eine Spannkraft ausüben. Diese presst die beiden Magnete in entgegengesetzter Richtung gegen das an der anderen Seite der Magneten anliegende Fixierelement. Durch die schalenförmige Ausbildung der Magneten werden diese dabei radial nach außen gegen die Innenseite der Polgehäusewand gedrückt, und dadurch zuverlässig fixiert.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Schenkel eine ebene Außenfläche aufweisen, mit denen sie in Umfangsrichtung an den Seitenflächen der Magnete anliegen. Der Querschnitt ist beispielsweise rechteckig ausgebildet, wobei die längere Seite des Rechtecks am Magneten anliegt.
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Damit die Magnethaltefeder nicht radial nach innen rutscht, weisen die Schenkel entlang der Umfangswand einen abgewinkelten Bereich auf, der einen Formschluss mit den Magneten bezüglich der Radialrichtung bildet. Dazu weisen die Magnete an ihren äußeren Längskanten eine Fase auf, so dass der abgewinkelte Bereich der Schenkel in diesen Freiraum eingreifen kann. Die Freiräume der in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Fasen können vorteilhaft einen Radius aufnehmen, der zwischen den Zentrierelementen und der Gehäuseinnenwand beim plastischen Umformen ausgebildet worden ist.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann zwei-polig sein mit genau einer Magnethaltefeder und genaue einer Stellen am Umfang für die Fixierelemente. Alternativ kann die elektrische Maschine vier-polig sein mit genau zwei Magnethaltefedern und genaue zwei Stellen am Umfang für die Fixierelemente. Alternativ kann die elektrische Maschine sechs-polig sein mit genau drei Magnethaltefedern und genaue drei Stellen am Umfang für die Fixierelemente. Alternativ kann die elektrische Maschine vacht-polig sein mit genau vier Magnethaltefedern und genaue vier Stellen am Umfang für die Fixierelemente. Dabei drücken die Magnethaltefedern, die an den Schenkeln anliegenden Magnete in Umfangsrichtung voneinander weg, gegen die an der anderen Seitenfläche der Magneten angeordneten Fixierelemente. An einer Stelle am Umfang sind zur eindeutigen Positionierung der Magnete bevorzugt zwei Fixierelemente entlang der Längsrichtung angeordnet.
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Zur zusätzlichen axialen Fixierung der Magnete können noch weitere Zentrierelemente angeformt werden, an denen die Magnete mit ihrer Stirnseite axial anliegen.
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Die Permanentmagnete sind bevorzugt radial magnetisiert, so dass die radialen Innenseiten der Magnete abwechselnd in Umfangsrichtung aufeinander folgende Süd- und Nordpole bilden. Die Befestigungsweise der Magneten eignet sich sowohl für Ferritmagnete, als auch für Seltene Erden Magnete, insbesondere FeNdB-Magnete, die mechanisch relativ empfindlich sind. Durch die definierten Anlageflächen der Fixierelemente und der Magnethaltefedern werden kritische innere Spannungen im Magnetmaterial vermieden.
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Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren des Stators werden beim Zuschneiden des Blechschnitts für das Rollieren des Polgehäuses die Fixierelemente in der Polgehäusewand angeformt. Die Fixierelemente können dabei besonders einfach mittels Stempelwerkzeugen geprägt werden, ohne dass dabei ein Durchbruch in der Polgehäusewand entsteht. Durch das Ausbilden der einstückig aus dem Material der Polgehäusewand ausgeformten Fixierelemente kann die Anzahl der zu montierenden Magnethaltefedern oder zusätzlicher separat gefertigter Befestigungselemente reduziert werden.
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Durch das zweistufige Prägen der Fixierelemente mit unterschiedlichen Stempelquerschnitten, kann aus dem zur Verfügung stehenden Material der Polgehäusewand besonders günstig eine radiale Erstreckung der Fixierelemente erzielt werden, die größer ist, als die Wandstärke der Polgehäusewand. Die plastische Umformung erfolgt entsprechend einem Fließpress-Verfahren, wobei das Material durch die Stempel vorteilhaft in eine Prägeform eingedrückt wird, die die äußere Form des Zentrierzapfens an der Innenseite der Polgehäusewand bildet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines Stators einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine
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2: einen Längsschnitt gemäß 1 durch den Stator eines weiteren
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Ausführungsbeispiels
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In 1 ist eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 10 dargestellt, die als Elektromotor 11 ausgebildet ist. Der Elektromotor 11 ist beispielsweise Bestandteil einer Getriebe-Antriebseinheit, wie sie zum Verstellen eines Schiebedachs, einer Scheibe einer Klappe oder eines Sitzteils im Kraftfahrzeug verwendet wird. Die elektrische Maschine 10 weist einen Stator 12 auf, der aus einem Polgehäuse 14 mit einem kreisförmigen Querschnitt gebildet ist. Das Polgehäuse 14 weist eine zylindrische Umfangswand 16 auf, an der Permanentmagnete 18 befestigt sind. Die Permanentmagnete 18 sind schalenförmig ausgebildet und liegen mit ihrer radialen Außenseite 19 an der Innenseite 17 der Umfangswand 16 an. Die Permanentmagnete 18 können beispielsweise als Ferritmagnete oder Seltene Erden Magnete – insbesondere auch NdFeB-Magnete – ausgebildet sein. In diesem Ausführungsbeispiel einer 4-plogen Maschine 10 mit vier Permanentmagneten 18 sind am Polgehäuse 14 an zwei gegenüberliegenden Stellen 21 der Umfangswand 16 Halteelemente 20, bzw. Fixierelemente angeformt, an denen die Permanentmagnete 18 in Umfangsrichtung 40 anliegen. Die Halteelemente 20 sind als integraler Bestandteil der Umfangswand 16 ausgebildet, indem die Umfangswand 16 von außen radial nach Innen eingedrückt wird. Dabei bildet die Umfangswand 16 eine geschlossene, dichte Fläche, die keinen Schlitz oder Durchbruch im Bereich 75 der Halteelemente 20 aufweist. Die Haltelemente 20 sind im Ausführungsbeispiel als radiale Zapfen 24 ausgebildet, die einen kreisförmigen oder ovalen bzw. länglichen Querschnitt aufweisen. Aufgrund der plastischen Materialumformung weisen die Zapfen 24 einen Radius 26 zur Innenseite 17 hin auf. Die Abmessung der Halteelemente 20 in Radialrichtung 41 sind größer, als die Wandstärke 30 der Umfangswand 16, jedoch kleiner als die radiale Dicke 32 der Permanentmagnete 18, und liegt im Bereich von 1,5 mm bis 4,0 mm. In Umfangsrichtung 40 zwischen den Stellen 21 mit den Halteelementen 20 sind zwischen den Permanentmagneten 18 jeweils Magnethaltefedern 34 angeordnet, die die Permanentmagnete 18 in Umfangsrichtung 40 gegen die Halteelemente 20 pressen. Die Federkraft in Umfangsrichtung 40 bewirkt, dass die Permanentmagnete 18 radial nach außen gegen die Innenseite 17 gedrückt werden. Da die Halteelemente 20 ein Verdrehen der Permanentmagnete 18 im Polgehäuse 14 verhindern, sind die Permanentmagnete 18 somit radial und tangential zuverlässig fixiert. Zur Fixierung bezüglich der Axialrichtung 42 können optional zusätzliche Halteelemente 20 angeformt werden, die einen axialen Anschlag 77 für die Permanentmagnete 18 bilden.
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In 1 sind die beiden Magnethaltefedern 34 im Schnitt durch ihre beiden Schenkel 36 dargestellt, die näherungsweise einen rechteckigen Querschnitt 37 aufweisen. Hierbei liegt eine Längsseite 44 des Rechteckquerschnitts 37 des einen Schenkels 36 an einer Seitenfläche 46 des einen Permanentmagneten 18 an, und eine Längsseite 44 des anderen Schenkels 36 an dem benachbarten Permanentmagneten 18 an. Der Rechteckquerschnitt 37 ist am radial äußeren Abschnitt 47 abgewinkelt ausgebildet und greift hier in einen Freiraum 52, der durch eine Fase 50 entlang der radial äußern Kanten der Permanentmagnete 18 in Axialrichtung 42 gebildet ist. Die Magnethaltefeder 34 bildet somit einen Hinterschnitt mit den Permanentmagneten 18 in Radialrichtung 41 und kann dadurch nicht radial nach Innen entweichen. Die beiden Schenkel 36 sind mittels eines Bügels 38 miteinander verbunden, der die in Umfangsrichtung 40 wirkende Federkraft der beiden Schenkel 36 bewirkt. Die in Umfangsrichtung 40 gegenüberliegende Fase 50 bildet einen Freiraum 52 für den Radius 26 der Halteelemente 20.
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Die Permanentmagnete 18 sind in Radialrichtung 41 magnetisiert, was durch die Pfeile N-S, S-N in 1 dargestellt ist. In Umfangsrichtung 40 bilden die Permanentmagnete 18 an ihrer radialen Innenfläche 54 jeweils abwechselnd Nord- und Süd-Pole aus. In 1 ist zu erkennen, dass die Permanentmagnete 18 auch an ihren Stirnseiten 56 in Radialrichtung 41 und Umfangsrichtung 40 Fasen 58 aufweisen, die die Montage der Permanentmagneten 18 erleichtern. Am axialen Ende der Umfangswand 16 ist ein Lagerschild 60 angeordnet, in dem der nicht dargestellte Rotor mittels einer Rotorwelle gelagert wird.
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In 2 ist ein Längsschnitt durch einen Stator 12 eines weiteren Ausführungsbeispiels dargestellt, bei dem das Polgehäuse 14 aus einem ebenen Blechschnitt 62 gebildet ist, der anschließend zu einer zylindrischen Umfangswand 16 gerollt wird. Hierbei greifen Blechlaschen 64 des Blechschnitts 62 formschlüssig ineinander. An den axialen Enden weist das Polgehäuse 14 axiale Fortsätze 66 auf, die zur Befestigung von Lagerschilden 60 und/oder einem Bürstenhalterbauteil dienen. In der oberen Bildhälfte sind im Schnitt Hohlräume 70 im Inneren der Halteelemente 20 zu erkennen, die radial nach außen hin offen sind. Die Halteelemente 20 sind hier hülsen- oder röhrenförmig ausgebildet, wobei diese radial innen geschlossen sind, so dass die Umfangswand 16 im Bereich 75 der Halteelemente 20 vollständig dicht geschlossen ausgebildet ist. An der Außenfläche 72 der Umfangswand 16 sind im Bereich 75 der Halteelemente 20 Sicken 74 bzw. Vertiefungen ausgebildet, um das Volumen dieses verdrängten Materials zu den radial nach innen gerichteten Halteelementen 20 umzuformen. Die Sicken 74 überdecken dabei eine größere Fläche, als der Querschnitt der Halteelemente 20. Nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren werden die Halteelemente 20 mittels Stempelwerkzeugen 82 eingeprägt, bevor der Blechschnitt 62 zum zylindrischen Polgehäuse 14 gerollt wird. (Ein solcher Stempel 82 ist in 1 schematisch dargestellt.) Dabei wird das Blechmaterial durch einen oder mehrere Stempel 82 in eine Gegenform gepresst, die auf der gegenüberliegenden Blechseite zum Stempel 82 angeordnet ist. An einer Stelle in Umfangsrichtung 40 sind beispielsweise axial hintereinander zwei Halteelemente 20 angeordnet, damit die Permanentmagnete 18 mit ihren Seitenflächen 46 bezüglich der Axialrichtung 42 exakt justiert werden.
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In der unteren Bildhälfte sind Variationen der Halteelemente 20 dargestellt, wobei das Halteelement 20 links keinen Holraum 70 aufweist, sondern nur durch eine äußere Sicke 74 mit einem entsprechend größerem Volumen gebildet ist. Auf der rechten Seite ist das Halteelement 20 durch das Eindrücken einer kegel- oder trichterförmigen Vertiefung 73 an der Außenfläche 72 ausgebildet. Des Weiteren ist hier an einem oder beiden axialen Enden der Umfangswand 16 ein zusätzliches Halteelement 20 angeformt, das einen axialen Anschlag 77 für die Permanentmagneten 18 bildet, um diese axial zu Positionieren. In 2 sind zwei der vier Permanentmagnete 18 dargestellt, wobei ersichtlich ist, dass sich die Halteelemente 20 radial über die Fase 50 der Längskante hinaus bis zur Seitenfläche 46 der Permanentmagneten 18 erstrecken. Die Magnethaltefeder 34 ist in der Seitenansicht mit dem Bügel 38 und den beiden Schenkeln 36 zu sehen, wobei die Schenkel 36 in Axialrichtung 42 unterschiedlich lang ausgebildet sind. Der abgewinkelte Abschnitt 47 der Schenkel 36 greift hier wieder hinter die beiden benachbarten Permanentmagnete 18, in den Freiraum 52, der durch die Fasen 50 gebildet wird.
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Beim Herstellungsverfahren der elektrischen Maschine 10 werden die Halteelemente 20 besonders günstig beim Stanzprozess des Blechschnitts 62 durch plastische Materialumformung – insbesondere des beschichteten Stahlblechs – angeformt.
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Danach wird der Blechschnitt 62 zum zylindrischen Umfangswand 16 umgeformt – insbesondere gerollt. Die Permanentmagneten 18 werden dann axial in das Polgehäuse 14 eingesetzt und an die Halteelemente 20 angelegt, bevor die Magnethaltefedern 34 zwischen die Permanentmagnete 18 eingefügt werden, um diese gegen die Halteelemente 20 in Umfangsrichtung 40 zu verspannen.
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Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise die Geometrie der Halteelemente 20, insbesondere deren Querschnitt 37 und deren radiale Erstreckung 80, sowie das Design der Sicken 74 an die Fertigungsprozesse oder die konkreten Anforderungen der Magnetfixierung angepasst werden. Ebenso kann die Anzahl der Permanentmagnete 18 und damit die Anzahl der Halteelemente 20 und der Magnethaltefedern 34 entsprechend der Polanzahl der elektrischen Maschine 10 variiert werden.
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Die elektrische Maschine 10 findet vorzugsweise Anwendung für Stellantriebe im Kraftfahrzeug, beispielsweise zur Verstellung von Sitzteilen, Fensterscheiben, Schiebedächern, Klappen und Abdeckungen von Öffnungen, ist jedoch nicht auf solche Anwendungen beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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