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Die Erfindung betrifft einen ein Elektronikmodul umfassenden Elektromotor, vorzugsweise einen elektrisch kommutierten Motor, umfassend ein Gehäuse, in welchem ein Elektronikmodul, bestehend aus einer Elektronikeinheit und einer Wärmesenke, angeordnet ist, wobei das Gehäuse von einer Wärmesenke abgeschlossen ist und die an einem Stator abgegriffenen elektrischen Motorphasen mit einer Steckereinheit verbunden sind.
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Elektrisch kommutierte Motoren werden beispielsweise in Kupplungs- und Getriebeansteuerungen von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Zur Ansteuerung solcher elektrisch kommutierten Motoren, wie beispielsweise BLDC-Motoren, werden Steuereinheiten und Umrichterschaltungen benötigt. Solche Steuereinheiten und Umrichterschaltungen werden in einem Elektronikmodul zusammengefasst, wo sie beispielsweise als separate Elektronikeinheit abgetrennt vom Gehäuse des Elektromotors angeordnet sind.
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Alternativ ist es auch bekannt, dass die Elektronikeinheit im Gehäuse des Elektromotors angeordnet ist, wobei die Elektronikeinheit mit einer Wärmesenke zu einem Elektronikmodul verbunden ist, welche den Abschluss des Gehäuses bildet. Allerdings sind diese Anordnungen sehr kompakt und nehmen viel Bauraum ein, wodurch zusätzliche Kosten für die Abdichtung und die Ausbildung der Gehäuseteile notwendig werden.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor zusammen mit seiner Ansteuerung anzugeben, welcher trotz integriertem Elektronikmodul in dem Gehäuse kleine radiale und axiale Abmessungen aufweist, die gleichzeitig mit geringen Herstellungskosten verbunden sind.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die mechanischen Verbindungen der Elektronikeinheit mit der Wärmesenke und/oder dem Gehäuse und/oder die elektrische Verbindung der elektrischen Motorphasen des Stators und der Elektronikeinheit mit der Steckereinheit schraubverbindungsfrei ausgeführt sind. Durch die schraubverbindungsfreien Ausführungen der elektrischen bzw. mechanischen Verbindungen wird Bauraum eingespart, so dass sich das Elektronikmodul sowohl in radialer als auch in axialer Richtung gut in einem Gehäuse des Elektromotors positionieren lässt.
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In einer Weiterbildung ist die Elektronikeinheit direkt auf der Wärmesenke positioniert. Durch Verzicht auf einen Zwischenträger für die Elektronikeinheit wird der Bauraum des Elektromotors samt Ansteuerung minimiert.
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Vorteilhafterweise weist die Wärmesenke einen umlaufenden Kanal zur Aufnahme eines Dichtelementes auf, welches in radialer Richtung gegenüber dem Gehäuse angeordnet ist. Für die Ausbildung des Dichtelementes, welches vorzugsweise als O-Ring gestaltet ist, wird ein sehr geringer Bauraum in axialer und radialer Richtung benötigt und trotzdem eine ausreichende Dichtigkeit gewährleistet. Durch dieses Dichtelement ist das Elektronikmodul mit hoher Zuverlässigkeit unter den üblichen Kraftfahrzeugumgebungsbedingungen für den Verbrennungsraum abgedichtet und elektronisch kontaktiert. Die Dichtigkeit wird auch bei einer hohen thermischen Zyklizität gewährleistet, wobei die Elektronikeinheit gegen Vibration und Feuchtigkeit, wie bspw. Salzsprühnebel, abgedichtet ist.
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In einer Ausgestaltung weist das Gehäuse mindestens eine, vorzugsweise einteilig aus dem Gehäuse ausgebildete Biegelasche auf, welche radial von außen in Richtung der Wärmesenke gebogen ist. Durch eine solche Biegelasche, welche nach Einbringen des Elektronikmoduls, bestehend aus der Elektronikeinheit und der Wärmesenke, in das Gehäuse umgebogen wird, wird sowohl eine mechanische Stabilität des Elektronikmoduls in dem Gehäuse gewährleistet, als auch die Dichtigkeit gegenüber dem Gehäuse unterstützt, da durch die Biegelaschen die Wärmesenke gegen das Dichtelement und somit auch gegen das Gehäuse des Elektromotors gepresst wird.
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In einer Variante ist das Elektronikmodul in radialer und/oder axialer Richtung fixiert. Das hat den Vorteil, dass Vibrationen des Kraftfahrzeuges keine Auswirkungen auf das Elektronikmodul und dessen Betrieb haben.
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In einer Weiterbildung sind an der Innenseite des Gehäuses Stützelemente, vorzugsweise als lokale Einprägung des Gehäuses, zur Abstützung der Elektronikmoduls radial ausgebildet. Diese Stützelemente gewährleisten eine Abstützung des Elektronikmoduls in axialer Richtung und sind einfach herstellbar.
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In einer Alternative sind die Stützelemente, vorzugsweise einteiliger, Bestandteil der Wärmesenke, welche in axialer Richtung durch je eine Aussparung einer Leiterplatte des Elektronikmoduls als Distanzhalter zum Stator hindurch in das Gehäuse hineinragen. Solche Distanzhalter sind umlaufend als geometrischer Teil der Wärmesenke ausgebildet und enden am Stator. Aussparungen in der Leiterplatte des Elektronikmoduls gewährleisten den lateralen Bauraum für die Distanzhalter im Zusammenbau.
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Alternativ weist die Wärmesenke an ihrem Umfang partielle radiale Kontaktflächen zum Gehäuse als radiale Führung des Elektronikmoduls auf.
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Vorteilhafterweise ist die Steckereinheit in der Wärmesenke verankert und vorzugsweise an dieser mit Kunststoff umspritzt. Durch diese Ausbildung kann auf einen zusätzlichen Träger der Steckereinheit innerhalb des Elektronikmoduls verzichtet werden, wodurch der Bauraum des Elektromotors weiter verkleinert wird.
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Alternativ kann anstelle des Steckers auch ein abgedichteter Kabelbaum durch die Wärmesenke geführt sein.
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In einer Variante weist die Steckereinheit ein umspritztes Stanzgitter auf, an welchem je eine Schneid-Klemm-Verbindung für eine der im Stator ausgebildeten Motorphasen angeordnet ist, wobei die Schneid-Klemm-Verbindungen vorzugsweise integraler Bestandteil des Stanzgitters sind. Die Schneid-Klemm-Verbindungen stellen eine kostengünstige Lösung dar und benötigen im Gegensatz zu Schraubverbindungen einen wesentlich kleineren Bauraum innerhalb des Elektromotors, welcher demzufolge wesentlich kompakter ausgebildet werden kann. Darüber hinaus vereinfacht sich die Montage des Elektromotors durch den Einsatz der Schneid-Klemm-Verbindungen, da die elektrische Kontaktierung zwischen Steckereinheit und Stator in einem Verfahrensschritt erfolgen kann.
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Alternativ sind die Schneidklemmen mit den Motorphasen des Stators verbunden, vorzugsweise gecrimt, wobei die Schneidklemmen in Ausnehmungen des Stators geführt sind und in das Stanzgitter der Steckereinheit eingreifen. Auch diese Ausgestaltung führt zur Einsparung von Bauraum und zu einer sehr kompakten Ausgestaltung des Elektromotors bei minimierten Montagekosten.
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In einer Weiterbildung ist die Elektronikeinheit mindestens zweiteilig aufgebaut, wobei die zwei Teile auf unterschiedlichem Niveau in axialer Richtung im Gehäuse angeordnet sind. Dies führt ebenfalls zu einer sehr kompakten Gestaltung des Elektromotors, wenn für bestimmte Anwendungsfälle die vorhandene Fläche der Elektronikeinheit nicht ausreicht und eine radiale Ausrichtung des Elektronikmoduls vermieden werden soll, um die Kompaktheit des Elektromotors zu gewährleisten.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigt
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1: Prinzipdarstellung des Elektromotors mit einem Elektronikmodul
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2: einen Schnitt durch den Elektromotor mit dem Elektronikmodul
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3: Ausschnitt aus dem Elektromotor mit dem Dichtelement
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4: Distanzhalter als Teil der Wärmesenke
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5: Einprägungen am Gehäuse des Elektromotors
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6: radiale Führung des Elektronikmoduls im Motorgehäuse.
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7: Schneid-Klemm-Verbindung am Stator
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8: Gehäuse des Elektromotors mit Kabelbaum
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9: Anordnung der Steckereinheit am Elektromotor
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10: verschiedene geometrische Konfigurationen des Elektronikmoduls im Elektromotor
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ein elektrisch kommutierter Motor samt Steuerungselektronik 1 dargestellt, wie er beispielsweise zur Ansteuerung eines Kupplungsaktors in einem Kraftfahrzeug verwendet wird. Es handelt sich dabei um einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der auch als BLDC-Motor (Brushless DC Motor) bezeichnet wird, bei welchem der sonst übliche mechanische Kommutator mit Brüsten zur Stromwendung durch eine elektronische Schaltung ersetzt ist. Dieser Elektromotor 1 besteht gemäß 1a aus einem tiefgezogenen Gehäuse 2, welches durch eine aus einem Aluminium-Druckguss-Teil hergestellte Wärmesenke 3 abgedichtet ist. Eine Steckereinheit 4 aus Kunststoff ist Bestandteil der Wärmesenke 3 und in diese beispielsweise eingespritzt oder geklebt. Das zylinderähnliche Gehäuse 2 des Elektromotors 1 weist an seinem radialen Umfang, der Wärmesenke 3 zugewandt, mehrere Biegelaschen 5 auf, welche einteilig aus dem Gehäuse 2 ausgebildet und in Richtung der Wärmesenke 3 umgeklappt sind, um so eine axiale Fixierung eines, aus der Elektronikeinheit und der Wärmesenke 3 bestehenden Elektronikmoduls 7 zu erreichen. Wie in 1b dargestellt, umfasst die Elektronikeinheit 6, 9 eine Leiterplatte 6, welche mit elektrischen Bauteilen 9 bestückt ist. Diese Leiterplatte 6 ist auf der Wärmesenke 3 direkt aufgeklebt und anschließend mit den Steckerpins 10 der Steckereinheit 4 elektrisch verbunden, was beispielsweise durch Verlötung oder Press-Fit-Pins erfolgen kann. Die Leiterplatte 6 weist eine Aussparung 8 auf, durch welche die Steckereinheit 4 zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit den drei Motorphasen des Elektromotors 1 hindurch ragt.
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In 2 ist ein Querschnitt durch den Elektromotor samt Steuerungselektronik 1 dargestellt. Hinter der Leiterplatte 6 ist im Inneren des Gehäuses 2 ein Stator 11 des Elektromotors 1 positioniert, welcher aus drei nicht weiter dargestellten Statorphasen bzw. Motorphasen besteht. Die Motorphase wird dabei über eine Schneid-Klemm-Verbindung 12 mit der Steckereinheit 4 verbunden, die durch die Ausnehmung 8 der Leiterplatte 6 hindurchgreift. Die Schneid-Klemm-Verbindung 12 der Steckereinheit 4 besteht dabei aus einem Stanzgitter 16, welches Schneidelemente 15 aufweist, wobei die Schneidelemente 15 integrale Bestandteile des Stanzgitters 16 sind. Das Stanzgitter 16 mit den Schneid-Klemm-Verbindungen 12 ist in der Steckereinheit 4 umspritzt.
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3a zeigt die Abdichtung des Elektromotors 1 gegenüber den Umgebungsbedingungen. Ein radial umlaufendes Dichtelement 13 verläuft dabei in einem Kanal der Wärmesenke 3, wobei das umlaufende Dichtelement 13 beispielsweise als O-Ring ausgebildet ist. Die Wärmesenke 3 weist in vorgegebenen Abständen an ihrem Umfang Einschnürung 14 auf, die sich in radialer Richtung der Wärmesenke 3 erstrecken, wobei diese Einschnürung 14 von je einer Biegelasche 5 des Gehäuses 2 umfasst wird, um die Wärmesenke 3 und somit das gesamte Elektronikmodul 7 zuverlässig und vibrationsfest an dem Gehäuse 2 zu befestigen (3b). Nach dem Zusammenbau des Elektromotors 1 wird das Dichtelement 13 nach dem Umlegen der Biegelaschen 5 durch die Wärmesenke 3 gegen das Gehäuse 2 gedrückt, wodurch eine zuverlässige Abdichtung gegen Feuchtigkeit wie beispielsweise gegen Salzsprühnebel und ähnliches gewährleistet wird.
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Im Gegensatz zu der in 3 dargestellten Abdichtung des Elektromotors 1 kann das Dichtelement 13 auch außen auf der Wärmesenke 3 aufliegen und dort von der Biegelasche 5 umspannt werden, wobei die Biegelasche 5 an ihrem freien Ende eine Abwinklung aufweist, die in eine Ausnehmungen der Wärmesenke 3 eingreift. Alternativ kann das Dichtelement 13 auch in einem radial verlaufenden Kanal, der in die Randseite der Wärmesenke 3 eingearbeitet ist, liegen, wobei die Wärmesenke 3 in diesem Bereich einen Vorsprung aufweist, den die Biegelasche 5 hintergreift. In einer weiteren Alternative ist auch denkbar, die Abdichtung als Klemmverbindung ausgebildet, wobei auf dem auf der Außenseite der Wärmesenke 3 positionierten Dichtelement 13 eine Abdeckung ausgebildet ist, an welche die Biegelasche 5 mit ihrer Abwinklung anliegt und gegen diese vorgespannt ist, so dass eine dichte Verbindung hergestellt wird.
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Um weiterhin die Leiterplatte 6, die auf der Wärmesenke 3 aufgeklebt ist, vibrationsfest zu lagern, weist die Wärmesenke 3 Distanzhalter 17 auf, welche zur axialen Abstützung des Elektronikmoduls 7 gegenüber dem Stator 11 dienen. Diese Distanzhalter 17 umgeben die Wärmesenke 3 radial und greifen durch partielle Aussparungen 18, die an dem Außenumfang der Leiterplatte 6 angeordnet sind, durch die Leiterplatte 6 hindurch. Die Distanzhalter 17 erstrecken sich somit axial im Elektromotor 1 (4).
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Eine andere Variante zur axialen Abstützung des Elektronikmoduls 7 ist in 5 dargestellt, wo das Gehäuse 2 an seinem Umfang mehrere lokale Einprägungen 19 aufweist, die nach innen gerichtet sind und auf welcher sich das Elektronikmodul 7, bestehend aus Leiterplatte 6 und Wärmesenke 3, abstützt. Die Dimensionierung der lokalen Einprägung ist dabei so ausgebildet, dass das Elektronikmodul 7 fest zwischen der durch die Biegelasche 5 fixierten Wärmesenke 3 und den lokalen Ausprägungen 19 des Gehäuses 2 eingeklemmt ist.
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Eine weitere Ausgestaltung zur Abstützung des Elektronikmoduls 7 ist in 6 ausgeführt, bei welcher sich an der Wärmesenke 3 radiale Vorsprünge 20 erstrecken, mittels welchen die Wärmesenke 3 und somit das Elektronikmodul 7 in das Gehäuse 2 gepresst ist. Die Vorsprünge 20 bilden dabei partielle Kontaktflächen zum Umfang des Gehäuses 2.
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Es gibt verschiedene Varianten für die elektrische Kontaktierung der drei Motorphasen des Stators 11 des Elektromotors 1 mit dem Elektronikmodul 7. Um eine kostengünstige Lösung zu erreichen, wird die Schneidklemmtechnik für die elektrische Verbindung des Stators 11 mit dem Elektronikmodul 7 bzw. dessen Steckereinheit 4 ausgewählt. Diese Verbindungstechnik kann in zwei verschiedenen Varianten angewendet werden. Erstens wird die Schneidklemmtechnik auf der Statorseite angewandt, wo die Schneidklemmen 15 mit den die Motorphasen bildenden Drahtausgängen der Statorspulen durch eine Crimp- bzw. Crimp-Schweißtechnik verbunden werden, wie es in 7 dargestellt ist. Die Schneidklemmen 15 sind dabei im Stator 11 in Ausnehmungen 22 geführt, wobei diese Ausnehmungen 22 entweder Teile einer kunststoffumspritzten Abdeckklappe des Stators 11 oder ein Teil einer Kunststoffumspritzung des Stators 11 selbst sein können. Auf der Seite der Steckereinheit 4 sind vorteilhafterweise drei Vertiefungen mit Einführschrägen ausgebildet, wo das Stanzgitter 16 umspritzt ist, in welche bei der Montage die Schneidklemmen 15 eingreifen. Bei der Montage des Elektronikmoduls 7 in das Gehäuse 2 erfolgt gleichzeitig auch die elektrische Verbindung der Motorphasen, da die Schneidklemmen 15, die an dem Stator 11 befestigt sind, mit dem Stanzgitter 16 der Steckereinheit 4 verpresst werden.
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Alternativ ist auf der Seite der Steckereinheit 4 die Schneidklemmtechnik dahingehend ausgeführt, dass die Schneidklemmen 15 als Teil des umspritzten Stanzgitters 16 in der Steckereinheit 4 gefertigt sind. Die Stanzgitter 16 führen von einer Seite zurück in die Leiterplatte 6, um die elektrische Verbindung mit den elektrischen Bauelementen 9 der Leiterplatte 6 herzustellen. Von der anderen Seite bilden die Stanzgitter 16 mit den Drähten der Motorphasen des Stators 11 eine Schneid-Klemm-Verbindung. Bei der Montage des Elektronikmoduls 7 im Gehäuse 2 erfolgt ebenfalls gleichzeitig die elektrische Kontaktierung der Motorphasen.
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In 8 ist ein Schnitt durch den Elektromotor 1 im Bereich der Wärmesenke 3 dargestellt, bei welchem die Steckereinheit 4 durch einen Kabelbaum 21 ersetzt ist. Der Kabelbaum 21 ist dabei mit der Leiterplatte 6 verlötet und im Bereich der Wärmesenke 3 abgedichtet.
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Für die Montage der Steckereinheit 4 können unterschiedliche Technologien genutzt werden. Neben Umspritzen mit Kunststoff ist auch ein Kleben oder Verschrauben mit der Wärmesenke denkbar. Die Steckereinheit 4 kann mit ihrem Abgang in unterschiedliche Richtungen ausgeführt werden, wie es in 9 dargestellt ist, wo punktiert die möglichen Positionen der Steckereinheit 4 dargestellt sind. Die auszuwählende Position der Steckereinheit 4 wird dabei aufgrund der Bauraumvorgaben in dem Kupplungsaktor ausgewählt.
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In 10 sind unterschiedliche geometrische Konfigurationen des Elektronikmoduls 7 dargestellt, wobei insbesondere eine Draufsicht auf die Wärmesenke 3 gezeigt ist. Die unterschiedlichen Konfigurationen, ob rund, oval oder Kombinationen davon, stehen im Zusammenhang mit den Bauraumanforderungen des Kupplungsaktors und der Funktionalität des Elektronikmoduls 7. Sollte die vorhandene Fläche der Leiterplatte 6 für bestimmte Applikationen nicht ausreichen, ergibt sich die Möglichkeit der Vergrößerung des Elektronikmoduls 7 nicht nur in radialer Richtung, sondern es ist auch möglich, den größeren Flächenbedarf für die Bestückung mit elektrischen Bauelementen 9 durch zwei Leiterplatten 6 zu gewährleisten, welche auf einem unterschiedlichen Niveau in axialer Richtung übereinander im Gehäuse 2 angeordnet sind.
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Die beschriebene konstruktive Gestaltung des Elektromotors 1 erlaubt somit eine kompakte Integration des als Steuergerät dienenden Elektronikmoduls 7. Zusammen mit der kompakten Bauart bietet die Integrationslösung einen hohen Kostenvorteil.
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Bezugszeichenliste
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- Elektromotor
- Gehäuse
- Wärmesenke
- Steckereinheit
- Biegelasche
- Leiterplatte
- Elektronikmodul
- Aussparung
- Elektrisches
- Steckerpin
- Stator
- Elektrisches Bauelement
- Schneid-Klemm-Verbindung
- Dichtelement
- Einschnürung
- Scheidelement
- Stanzgitter
- Distanzhalter
- Aussparung
- Einprägung
- Vorsprung
- Kabelbaum
- Ausnehmung
