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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von elektrischen Maschinen, insbesondere in Form von geschalteten Reluktanzmaschinen.
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Stand der Technik
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Als Transversalflussmaschinen ausgebildete elektrische Maschinen zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte bei einem vergleichsweise geringen Gewicht aus. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
WO 2009/115247 A1 eine Transversalflussmaschine mit einem Scheibenrotor bekannt. In eine Rotorscheibe des Scheibenrotors sind in konstantem Abstand von einer Drehachse Permanentmagnete eingebettet, die in Umfangsrichtung magnetisiert sind. Benachbarte Permanentmagnete sind zueinander entgegengesetzt magnetisiert, so dass die einander zugewandten Pole zweier benachbarter Permanentmagnete jeweils gleichartig sind. Die Feldlinien zwischen diesen gleichartigen Polen werden damit so überlagert, dass ein sich in axialer und radialer Richtung von dem Polzwischenraum ausbreitendes Rotormagnetfeld erzeugt wird.
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Der Scheibenrotor ist axial zwischen zwei Statoreinheiten angeordnet, die jeweils eine konzentrisch um eine Motorachse verlaufende Statorwicklung aufweisen. Zu jeder der Statorwicklungen radial nach innen und außen versetzt weist jede der Statoreinheiten sich in Umfangsrichtung erstreckende und in Richtung des Scheibenrotors hervorstehende innere und äußere Statorzähne auf.
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Bei der Bestromung der Statorwicklung einer Statoreinheit wirkt eine Kraft auf die Magnetpole des Scheibenrotors in Richtung des in Umfangsrichtung am nächsten gelegenen Magnetpols der Statoreinheiten, der eine zu dem betreffenden Magnetpol entgegengesetzte Magnetisierung aufweist. Dadurch kann ein von der Position des Scheibenrotors sowie vom Betrag und Vorzeichen des Statorstroms abhängiges Drehmoment erzeugt werden.
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Weiterhin sind geschaltete Reluktanzmaschinen bekannt, bei denen ein Läufer weichmagnetisches strukturiertes Material aufweist und ohne Permanentmagnete, sondern ausschließlich durch Lenken eines Teils des Statormagnetfelds magnetisiert wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Transversalflussmaschine zur Verfügung zu stellen, die kostengünstiger ausgebildet sein kann und ohne die Verwendung von Permanentmagneten auskommt.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch den Scheibenrotor für eine Transversalflussmaschine gemäß Anspruch 1 sowie die Transversalflussmaschine, das Motorsystem und die Verwendung des Scheibenrotors in einer Transversalflussmaschine gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Scheibenrotor für eine Transversalflussmaschine vorgesehen, umfassend:
einen scheibenförmigen Rotorkörper aus magnetisch und elektrisch nicht leitendem Material; und
eine in oder an dem Rotorkörper befindliche ringförmige Anordnung aus weichmagnetischem Material, die in radialer Richtung nach innen und außen hervorstehende Strukturierungen aufweist, die Rotorzähne ausbilden.
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Der obige Scheibenrotor kann in einer Transversalflussmaschine eingesetzt werden, die in Form einer geschalteten Reluktanzmaschine ausgebildet ist. Daher werden zur Magnetisierung keine Permanentmagnete im Scheibenrotor benötigt. Eine mit einem derartigen Scheibenrotor ausgebildete Transversalflussmaschine weist gegenüber einer elektrischen Maschine mit einem herkömmlichen Zylinderläufer geringere Wechselmomente auf, da die magnetischen Aktivteile günstiger angeordnet sind. Die bisherige Ausbildung von Transversalflussmaschinen als permanentmagneterregte Synchronmaschinen ist nachteilig, da die Permanentmagnete in magnetisiertem Zustand verbaut werden müssen, was einen erheblichen Mehraufwand während der Herstellung darstellt.
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Auch die Ausbildung der Transversalflussmaschine als Asynchronmaschine ist nachteilig, da aufgrund der Kurzflussströme im Scheibenrotor hohe Wärmeverluste auftreten. Auch dies kann durch die Ausbildung als Reluktanzmaschine vermieden werden.
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Die Verwendung eines Scheibenrotors, der als motorisch aktives Bauteil eine ringförmige Anordnung aus weichmagnetischem Material enthält, ermöglicht die Realisierung der Transversalflussmaschine als geschaltete Reluktanzmaschine. Die ringförmige Anordnung ist strukturiert, um eine Anzahl von Rotorzähnen auszubilden, die in radialer Richtung von der ringförmigen Anordnung nach innen und/oder außen hervorstehen und den aus der Statoreinheit hervorstehenden Statorzähnen in axialer Richtung gegenüberliegen. Die Verwendung eines Scheibenrotors mit eingebrachtem weichmagnetischem Material ermöglicht eine kostengünstigere Ausgestaltung einer Transversalflussmaschine als dies bei herkömmlichen Transversalflussmaschinen bekannt ist. Die ringförmige Anordnung aus weichmagnetischem Material ermöglicht zudem eine gewichtsreduzierte Aufbauweise des Scheibenrotors und somit der gesamten Transversalflussmaschine.
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Weiterhin ist die zur Ansteuerung der Transversalflussmaschine benötige Leistungselektronik weniger aufwändig, als dies bei permanenterregten Synchronmaschinen der Fall ist. Weitere Vorteile der Transversalflussmaschine bestehen in dem einfachen Aufbau der Statoreinheiten beidseitig des Scheibenrotors. Die Statoreinheiten können gleichartig ausgebildet sein und in Umfangsrichtung zueinander versetzt montiert werden, so dass der Scheibenrotor frei drehend zwischen den Statoreinheiten angeordnet ist.
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Weiterhin kann die ringförmige Anordnung ein Ringelement aufweisen, wobei das Ringelement einstückig in dem Rotorkörper vorgesehen ist.
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Gemäß einer Ausführungsform können die in radialer Richtung nach innen und außen hervorstehenden Strukturierungen einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt, insbesondere parallel zur Scheibenfläche des Rotorkörpers, aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform die ringförmige Anordnung einzelne gleichmäßig voneinander beabstandete Rotorzahnelemente aufweisen, die sich radial über einen Statorzahnbereich erstrecken und zumindest teilweise geneigt zur radialen Richtung ausgerichtet sind.
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Weiterhin können die einzelnen gleichmäßig voneinander beabstandeten Rotorzahnelemente V-förmig ausgebildet sein, wobei jedes der Rotorzahnelemente Schenkelelemente aufweist, die radial nach innen aufeinander zulaufend ausgebildet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Material der ringförmigen Anordnung ein SMC-Material oder Blechlamellen aufweist. Dies ermöglicht eine einfache Ausbildung der für die ringförmige Anordnung notwendige Form.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die ringförmige Anordnung einen weichmagnetischen Rotorring, der aus ringförmigen Blechlamellen aus einem weichmagnetischen Material ausgebildet ist, und Rotorzähne umfassen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Rotorzähne aus weiteren Blechlamellen aus einem weichmagnetischen Material oder aus einem SMC-Material ausgebildet sind.
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Die ringförmige Anordnung kann durch Umspritzen in das magnetisch und elektrisch nicht leitende Material des Rotorkörpers eingebettet sein. Dadurch kann die weichmagnetische ringförmige Anordnung in einfacher Weise durch das Material des Rotorkörpers geschützt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann eine elektrische Maschine, insbesondere eine Transversalflussmaschine, vorgesehen sein. Die elektrische Maschine umfasst:
- – den obigen Scheibenrotor; und
- – mindestens eine Statoreinheit, die axial versetzt zu dem Scheibenrotor angeordnet ist.
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Weiterhin kann die Statoreinheit Statorzähne aufweisen, die in einem äußeren und einen inneren Statorzahnring angeordnet sein können, wobei die Statorzähne gleichmäßig voneinander beabstandet sind und wobei der äußere und innere Statorzahnring jeweils eine radiale Breite aufweisen, die im Wesentlichen der radialen Breite des aktiven Ringelements des Scheibenrotors entspricht
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann ein Motorsystem mit der obigen elektrischen Maschine vorgesehen sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann eine Verwendung des obigen Scheibenrotors in einer Transversalflussmaschine vorgesehen sein.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlicher erläutert. Es zeigen:
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1a und 1b verschiedene Querschnittsansichten einer als geschaltete Reluktanzmaschine ausgebildeten Transversalflussmaschine;
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2 eine schematische Darstellung eines Scheibenrotors gemäß einer ersten Ausführungsform;
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3 eine schematische Darstellung eines Scheibenrotors gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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4 eine schematische Darstellung eines Scheibenrotors gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
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5 eine schematische Darstellung eines Scheibenrotors gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Die 1a und 1b zeigen Querschnittsdarstellungen einer Transversalflussmaschine 1 mit einem Scheibenrotor 2. Die Transversalflussmaschine 1 umfasst zwei Statoreinheiten 3, zwischen denen der Scheibenrotor 2 drehbeweglich um eine Drehachse angeordnet ist, die in einer axialen Richtung A verläuft.
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Der Scheibenrotor 2 ist mit einem Rotorkörper 21 aus einem magnetisch und elektrisch nicht leitenden Material ausgebildet, wie beispielsweise aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff oder dergleichen, und enthält darin eingebettetes weichmagnetisches Material, das nachfolgend als aktives Ringelement 22 bzw. ringförmige Anordnung bezeichnet wird. Das weichmagnetische Material des aktiven Ringelements 22 ist ringförmig in dem Scheibenrotor 2 angeordnet und weist in Umfangsrichtung U eine periodische Strukturierung auf. Die Strukturierung liegt im Wesentlichen in radialer Richtung entlang der Umfangsrichtung U vor, so dass die Verläufe von über die Statoreinheiten 3 eingetragenen Magnetfeldern durch das weichmagnetische Material beeinflusst werden können.
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Die Statoreinheiten 3 sind einander gegenüberliegend angeordnet, wobei der Scheibenrotor 2 frei drehbeweglich so zwischen den Statoreinheiten 3 angeordnet ist, dass die durch das aktive Ringelement 22 ausgebildeten Rotorpole zwischen Statorzähnen 31 der Statoreinheiten 3 verlaufen. Die Statorzähne 31 sind an einem Statorkörper 35 aus magnetisch leitfähigem Material angebracht bzw. einstückig mit diesem ausgebildet, wobei der Statorkörper 35 als magnetischer Rückschlussbereich dient. Die Statorzähne 31 sind jeweils von dem Statorkörper 35 hervorstehend, d. h. als Vorsprünge, ausgebildet. Jede der Statoreinheiten 3 weist jeweils eine sich in Umfangsrichtung U erstreckende (radial) innere Statorzahnreihe 33 und eine (radial) äußere Statorzahnreihe 32 auf, die zueinander konzentrisch sind und in radialer Richtung R einen Statorbereich B definieren. Zwischen den inneren Statorzahnreihen 33 und den äußeren Statorzahnreihen 32 jeder der Statoreinheiten 3 ist eine Statorwicklung 34 vorgesehen, die konzentrisch um die Drehachse des Scheibenrotors 2 angeordnet ist.
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Wie in 1a dargestellt ist, sind die Statorzähne 31 der äußeren Statorzahnreihe 32 und die Statorzähne 31 der inneren Statorzahnreihe 33 jeder der Statoreinheiten 3 in Umfangsrichtung U mit jeweils dem gleichen Winkelabstand voneinander angeordnet. Weiterhin sind die Statorzähne 31 der äußeren Statorzahnreihen 32 und die Statorzähne 31 der inneren Statorzahnreihe 33 der beiden Statoreinheiten 3 zueinander in Umfangsrichtung U versetzt angeordnet. Dadurch ergibt sich bezüglich jeder Statoreinheit 3 bei einer Bestromung der jeweiligen Statorwicklung 34 eine erste magnetische Polarisierung der Statorzähne 31 der äußeren Statorzahnreihe 32 und eine zweite magnetische Polarisierung der Statorzähne 31 der inneren Statorzahnreihe 33. Man erkennt, dass bei den einander gegenüberliegenden Statoreinheiten 3 jedem der Statorzähne 31 eine entsprechende Vertiefung bzw. ein entsprechender Zwischenraum 36 zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 31 der jeweils in axialer Richtung gegenüberliegenden Statoreinheit 3 gegenüberliegt.
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Die Statorwicklungen 34 können als vollständig zwischen der äußeren Statorzahnreihe 32 und der inneren Statorzahnreihe 33 umlaufender Ringleiter mit beliebiger Windungszahl ausgeführt werden. Vorzugsweise sind die Windungszahlen der beiden Statorwicklungsstränge gleich dimensioniert. Die Wicklungsdrähte der Statorwicklungen 34 können als Hohlleiter ausgeführt werden, um so eine Kühlung der gesamten Transversalflussmaschine 1 zu realisieren.
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Die Bestromung der einander gegenüberliegenden Statorwicklungen 34 kann mit phasenversetzten elektrischen Größen erfolgen, insbesondere mit einem Phasenversatz von 90° oder 180°. Die Signalform der Bestromung ist im Wesentlichen beliebig.
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2 zeigt eine Draufsicht auf einen Scheibenrotor 2 mit in den Rotorkörper 21 eingebrachtem aktivem Ringelement 22 aus weichmagnetischem Material. Das aktive Ringelement 22 weist radial nach innen und außen hervorstehende Rotorzähne 23 auf, die Rotorpole bilden und in der Transversalflussmaschine 1 den Statorzähnen 31 bezüglich der axialen Richtung A gegenüberliegen. Dadurch weist das aktive Ringelement 22 radial innen und außen zwischen den Rotorzähnen 23 Nuten 24 auf, durch die die Rotorpole voneinander beabstandet sind. Die Nuten 24 können mit dem nicht-magnetischen Material des Rotorkörpers 21, einem sonstigen davon verschiedenen Material oder Luft gefüllt sein. Je nach gewünschter Betriebsweise kann die Anzahl der so gebildeten Rotorpole gleich, kleiner oder größer als die Anzahl der Statorzähne 31 der jeweils gegenüberliegenden Statoreinheit 3 sein.
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Das aktive Ringelement 22 im Scheibenrotor 2 kann einstückig aus einem SMC-Material, aus Eisenblechen, aus massivem Eisen oder aus einem sonstigen weichmagnetischen Material ausgebildet sein.
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Vorteilhaft zum Betrieb einer derartigen Transversalflussmaschine 1 ist eine Bestromung mit rechteckförmigen Phasenströmen, die insbesondere nur positive Amplituden aufweisen. Negative Amplituden tragen bei einer geschalteten Reluktanzmaschine nicht zur gewünschten Drehmomentbildung bei. Die Stromform ist dabei lückend ausgeführt. Bei der Ansteuerung können die Lücken zeitlich abhängig von der Drehzahl variiert werden bzw. der Strom kann auch nicht-lückend eingeprägt werden.
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Das Funktionsprinzip der geschalteten Reluktanzmaschine besteht darin, dass sich die Rotorzähne 23 bezüglich der Statorzähne 31 in Umfangsrichtung U so ausrichten, dass der magnetische Widerstand am geringsten ist. Es stellt sich somit der stärkste Magnetfluss bei maximaler Bestromung ein. Werden die Rotorzähne 23 bezüglich der Statorzähne 31 auf die Statorzahnlücken ausgerichtet, so stellt sich die größtmögliche Reluktanz ein. Das Moment baut sich bei Bestromung mit beliebigen Stromformen zwischen diesen Positionen auf. Durch die Bestromung und die Rotorlage ergibt sich die Richtung, in der ein Drehmoment auf den Scheibenrotor 2 wirkt.
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Während die Nutform des Scheibenrotors 2 der 2 im Wesentlichen rechteckförmig ist, ist in der Ausführungsform der 3 die Nutform der Nuten 24 sich trapezförmig radial nach außen erweiternd ausgebildet. Mit anderen Worten weisen die in radialer Richtung nach außen gerichteten Rotorzähne 23 und die in radialer Richtung nach innen gerichteten Rotorzähne 23 in radialer Richtung R eine sich nach außen bzw. nach innen verjüngende Struktur auf. Allgemein kann jedoch die Form der Nut 24 bzw. der Rotorzähne 23 in Umfangsrichtung U auch mit anderen Formen ausgebildet sein, wie z.B. dreieckförmig, sinusförmig usw..
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Die Ausführungsform der 4 zeigt eine Ausbildung des aktiven Ringelements 22 mit V-förmigen Rotorzahnelementen 26, die in dem nicht elektrisch oder magnetisch leitfähigen Material des Rotorkörpers 21 des Scheibenrotors 2 eingebettet sind bzw. auf dessen axialen Stirnflächen aufgebracht sind. Die V-förmigen Rotorzahnelemente 26 sind jeweils mit zwei radial nach innen zusammenlaufenden Schenkelelementen 27 ausgebildet, um die V-Form auszubilden. Die Rotorzahnelemente 26 weisen somit eine V-Form auf, die nach außen geöffnet ist. Die Breite in radialer Richtung R, die durch die V-förmigen Rotorzähne 23 ausgebildet wird, entspricht im Wesentlichen der radialen Breite der durch den äußeren und inneren Statorzahnring 32, 33 ausgebildeten Statorzahnanordnung, d. h. von dem inneren radialen Rand des inneren Statorzahnrings 33 bis zum äußeren radialen Rand des äußeren Statorzahnrings 32.
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Die V-förmigen Rotorzahnelemente 26 sind in Umfangsrichtung U zueinander benachbart und gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet.
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In 5 ist Variante der Ausführungsform der 2 dargestellt. Der Scheibenrotor 4 der 5 umfasst einen Rotorkörper 41 aus einem magnetisch und elektrisch nicht leitenden Material. In den Rotorkörper 41 ist ein aktives Ringelement 42 als Rotorring aus weichmagnetischem Material eingebracht. Der Rotorring ist in der dargestellten Ausführungsform aus ringförmig gebogenen Blechen oder SMC-Material separat ausgebildet. An den Rotorring schließen sich radial nach innen und außen zueinander versetzte, aus weichmagnetischem Material ausgebildete Rotorzähne 43 an, um eine weichmagnetische ringförmige Anordnung auszubilden. Die Rotorzähne 43 stehen in radialer Richtung R nach innen und außen von dem Ringelement 42 ab und sind in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet. Die Rotorzähne 43 stehen mit dem Ringelement 42 in magnetisch leitender Verbindung, sind jedoch separat von dem Ringelement 42 ausgebildet. Insbesondere können beispielsweise die Rotorzähne 43 aus einem SMC-Material oder aus gestapelten weiteren Blechlamellen aus weichmagnetischem Material ausgebildet sein.
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Bei allen Ausführungsformen können die Nuten 24, 44 zwischen den Rotorzähnen 23, 43 mit dem nichtleitenden Material des Rotorkörpers 41, wie z.B. einem Kunststoff bzw. kohlefaserverstärkten Kunststoff, gefüllt sein. Insgesamt kann die ringförmige Anordnung in das nichtleitende Material eingebettet sein. Insbesondere kann die ringförmige Anordnung dazu mit dem nicht-leitenden Material umspritzt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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