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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit einer Statorverschaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine gattungsgemäße elektrische Maschine mit einer Verschaltungsanordnung wird beispielsweise mit der
EP 2 139 094 A1 offenbart. Der Stator der dort erläuterten elektrischen Maschine weist eine Statorwicklung mit Einzelspulen auf, deren Spulenenden mit mehreren gemeinsamen Verbindungsleitern einer Verschaltungsanordnung verbunden sind. Die Verbindungsleiter der Verschaltungsanordnung sind in ein Trägerelement eingesetzt, welches unmittelbar benachbart zu den Spulenenden angeordnet ist und sich an Wickelkörpern der Spulen abstützt bzw. von diesen getragen wird.
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Eine solche Anordnung unterliegt betriebsbedingt, insbesondere im Zusammenwirken mit einem Verbrennungsmotor in einem Fahrzeugantriebsstrang auftretenden Vibrationen. Dabei kann die Verschaltungsanordnung verstärkt zu Schwingungen angeregt werden, wobei sich diese auch relativ zu den Spulen verwinden kann. Bei einer solchen Wechselbelastung von Spulenwicklung und Verschaltungsanordnung können insbesondere die Spulenenden geschädigt werden. Als Folge kann beispielsweise eine Isolationshülle des Wickeldrahtes beschädigt und ein Kurzschluss zwischen den auf unterschiedlichem Potential liegenden Leiterelementen erzeugt werden. Im ungünstigsten Fall können in diesem Bereich auch Drahtabrisse auftreten, welche zu einer Leistungseinschränkung oder zu einem Ausfall der elektrischen Maschine führen können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt von dem genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit einer Statorverschaltungsanordnung bereitzustellen, welcher unter dem Einfluss von Vibrationen eine größere Widerstandsfähigkeit und eine größere Funktionssicherheit bietet.
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Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße elektrische Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Die vorgeschlagene elektrische Maschine weist zunächst einen Rotor und einen Stator auf. Der Stator umfasst dabei ein an einem Statorträger festgelegtes ringförmiges Statorblechpaket mit einem Statorjoch und mit davon abstehenden Statorzähnen. An den Statorzähnen sind Spulen mit Spulenenden angeordnet. Der Stator umfasst weiter eine zu den Spulen benachbarte Verschaltungsanordnung mit einem ringförmigen Trägerelement und mit daran gegenseitig isoliert angeordneten und mit den Spulenenden verschaltete Verbindungsleiter.
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Gemäß der Erfindung zeichnet sich die elektrische Maschine dadurch aus, dass das Trägerelement am Statorträger oder an einem mit dem Statorträger verbundenem Gehäuse radial abgestützt angeordnet ist. Auf diese Weise ist das Trägerelement an die vergleichsweise große Masse des Statorträgers bzw. eines damit verbundenen Gehäuses angebunden. Im Vergleich zu einer radialen Abstützung an den Spulen erfahren das Trägerelement und damit die Verschaltungsanordnung bei von einem Fahrzeugantriebsstrang eingeprägten Schwingungen eine verringerte Amplitude und gegebenenfalls auch eine demgegenüber verschobene, insbesondere verringerte Frequenz. Die Verschaltungsanordnung ist somit infolge einer zumindest teilweisen Massenentkopplung gegenüber den besonders an den Wickelköpfen der Spulen auftretenden Vibrationen weitgehend isoliert. Eine freie Schwingung des Trägerelements und der Verschaltungsanordnung, wie diese bei deren spulenseitigen Lagerung auftreten kann, wird zuverlässig unterbunden. Das Trägerelement kann sich zur Reduzierung der Eigenschwingungen gegebenenfalls auch zusätzlich mit einem gewissen Teil an Spulenwickelkörpern abstützen.
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Ein mit dem Statorträger verbundenes Gehäuse kann z.B. bei einer Innenläufermaschine ein die elektrische Maschine umgebendes Gehäuse sein oder z.B. bei einem Außenläufer ein, eine Stirnwand ausbildendes Zwischengehäuse. Der Vorteil der Anordnung des Trägerelements am Statorträger besteht insbesondre darin, dass der Stator als eine vorgefertigte Baueinheit aus dem Statorträger, dem Blechpaket, den Spulen und der Verschaltungsanordnung dargestellt werden kann, welche so in ein Gehäuse, beispielsweise ein Getriebegehäuse eines Fahrzeugs eingeführt und dort festgelegt werden kann. Die radiale Abstützung des ringförmigen Trägerelements erfolgt vorzugsweise an einer zylindrischen Umfangsfläche des Statorträgers oder Gehäuses, wobei für einen elektrischen Innenläufermotor eine Innenumfangsfläche und für einen elektrischen Außenläufermotor eine Außenumfangsfläche am ausgebildet werden kann.
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Sofern die Spulen mit Wickelkörpern an den Statorzähnen angeordnet sind, kann mit Vorteil das Trägerelement unter Ausbildung eines Zwischenraumes von den Wickelkörpern beabstandet angeordnet sein. Gemäß einer Ausführungsform kann der Zwischenraum als Freiraum ausgeführt sein. Dadurch ist das Trägerelement bei auftretenden Vibrationen mit einer hohen Güte gegenüber den Wickelkörpern schwingungsisoliert. Die mit dem Trägerelement bzw. der Verschaltungsanordnung verbundenen Spulenenden bilden in mechanischer Hinsicht keine tragende Verbindung für das Trägerelement aus. Betriebsbedingte Vibrationen der Spulenenden werden von der Verschaltungsanordnung absorbiert.
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Mit weiterem Vorteil kann das Trägerelement zusätzlich zu der radialen Abstützung auch an dem Statorträger oder dem Gehäuse axial gesichert festgelegt sein. Dazu ist an dem Statorträger oder dem Gehäuse eine Axialfläche vorgesehen, durch welche das Trägerelement zumindest in einer Axialrichtung festgelegt ist. Die Umfangsfläche zur radialen Abstützung und die hier erwähnte Axialfläche können in einfacher Weise an einer Durchmesserstufe des Statorträgers oder des Gehäuses ausgebildet werden.
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Zur Ermöglichung einer leichten und zugleich sicheren Montage können das Trägerelement und der Statorträger oder das Gehäuse mittels einer Rastverbindung, insbesondere einer Einwegrastverbindung, axial gesichert zueinander festgelegt werden. Insbesondere sind die genannten Elemente damit zur gegenseitigen werkzeuglosen Montage ausgebildet.
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Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Trägerelement wannenförmig mit einem Bodenbereich ausgeführt sein, der sich axial oder radial benachbart zu den Austrittsbereichen der Spulenenden befindet und wobei die Spulenenden durch in dem Bodenbereich ausgebildete Öffnungen in das Trägerelement eingeführt sind. Dieses wannenförmige Trägerelement kann nach erfolgter Verschaltung der Spulenenden mit einer Vergußmasse gefüllt werden, so dass die Kontaktstellen der Spulenenden und die Verbindungsleiter abgedichtet und dauerhaft vor Umwelteinflüssen geschützt sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer in den Figuren dargestellten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine in Innenläuferbauart;
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2 eine Teildarstellung einer in einem Fahrzeug-Getriebegehäuse angeordneten elektrischen Maschine mit einem Stator und einer Verschaltungsanordnung;
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3 eine perspektivische Teildarstellung eines Trägerelements der Verschaltungsanordnung.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten oder vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ferner werden zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Darstellung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt.
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1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 10, genauer eine permanenterregte elektrische Synchronmaschine in Innenläuferbauart, mit einem um eine Rotorwelle 12 drehbaren Rotor 14 und mit einem diesen radial außen umgebenden Stator 16. Der Rotor 14 umfasst einen topfförmigen, aus einem Stahlblech umgeformten Rotorträger 18, auf dessen zylindrischen Außenumfangsfläche ein lamelliertes Rotorblechpaket 20 angeordnet ist, welches eine Mehrzahl von gegenseitig beabstandeten Permanentmagneten 22 trägt.
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Der Stator 16 umfasst einen metallischen, beispielsweise aus einem Aluminium- oder einem Stahlwerkstoff hergestellten ringförmigen Statorträger 24, in dessen zentraler Ausnehmung ein ebenfalls aus Blechlamellen gebildetes und insgesamt kreisringförmiges Statorblechpaket 26 angeordnet und dort axial gesichert ist. Der Statorträger 24 kann damit ein Außen- oder ein Zwischengehäuse der elektrischen Maschine 10 darstellen. Das Statorblechpaket 26 ist vorliegend in Umfangsrichtung segmentiert ausgeführt und aus einer Mehrzahl von Statorsegmenten 28 zusammengefügt, welche von dem Statorträger 24 aufgenommen und zusammengehalten werden. In 2 ist erkennbar, dass der Statorträger 24 in einem Gehäuse 29, insbesondere in einem Getriebegehäuse eines Fahrzeug-Gangwechselgetriebes eingesetzt ist und mit diesem gemeinsam einen Kühlkanal 31 zur Abfuhr einer Verlustwärme beim Betreiben der elektrischen Maschine 10 ausbildet. Die elektrische Maschine 10 ist somit Teil eines Hybridfahrzeugantriebsstranges und kann allein oder im Verein mit einem hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor ein Fahrzeug antreiben.
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Mit Verweis auf 1 weist das Statorblechpaket 26 bzw. jedes der einzelnen Statorsegmente 28 einen Jochbereich 30 und am Stator 16 nach radial innen gerichteten Zähne 32 auf, welcher zur Bildung einer Statorwicklung 34 mit Spulen, insbesondere mit Einzelzahnspulen 36 bestückt ist. Die Spulenenden 36a, b der Einzelspulen 36 sind mittels einer in 1 nur schematisch dargestellten Verschaltungsanordnung 38 verschaltet, um mit einer zeichnerisch nicht dargestellten Leistungselektronik verbunden zu werden, welche zum Betreiben der elektrischen Maschine 10 die Wicklung 34 mit einem Strom variabler Phase und Amplitude beaufschlagen kann.
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Die Einzelspulen 36 sind jeweils mittels zwei, aus einem wärmebeständigen Kunststoff bestehenden Isolier- bzw. Wickelkörpern 40, 42 aus einem Kupferdraht um die Zähne 32 gewickelt und dort gegen Verrutschen gesichert. Die Wickelkörper 40, 42 umfassen jeweils einen stirnseitig am Blechpaket 26 anliegenden Basisbereich 44 (1) und zwei davon etwa rechtwinklig abstehende Schenkel 40a, b; 42a, b die den Wickelbereich in radialer Richtung begrenzen. Die Wickelkörper 40, 42 können auch gleichzeitig die Längsseiten der Zähne 32 abdecken und zudem einteilig, d.h. gemeinsam ausgeführt sein. Alternativ zu vorgefertigten Wickelkörpern 40, 42 können die Zähne 32 zur Bildung der Wickelkörper auch an den Längs- und Stirnseiten mit einem Kunststoff umspritzt werden, so dass die gesamte, den Wickelbereich begrenzende Umfangsfläche eines Zahns 32 isoliert ist.
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An einer gemeinsamen Stirnseite des Stators 16 sind an den radial äußeren Schenkeln 40b der Wickelkörper 40 jeweils zwei vom Wickelbereich kommende und am Schenkel 40b in einer Führungsstruktur geführte Spulenenden 36a, b eingelegt und ragen zunächst in axialer Richtung vom Stator 16 weg.
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Die Spulen 36 sind elektrisch einzelnen Strängen zugeordnet und werden mittels der Verschaltungsanordnung 38 über gemeinsame Verbindungsleiter 52a–c in einer vorbestimmten Weise miteinander verschaltet, das heißt elektrisch kontaktiert (2). Die Verbindungsleiter 52a–c sind als Bandleiter aus Kupfer ausgeführt und bevorzugt zu einem offenen Ring gebogen. Wie in 2 beispielhaft anhand des Verbindungsleiters 52a erkennbar, weisen jeweils einzelne Verbindungsleiter 52a–c zur Verbindung mit den Spulenenden 36a, b an vorbestimmten Positionen gegenüber den weiteren Verbindungsleitern überhöhte bzw. hervorstehende Anschlussbereiche 52 auf.
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Im erläuterten Ausführungsbeispiel sind die Spulen 36 mittels drei Verbindungsleitern nach einer Dreieckschaltung verschaltet. Jedoch ist die jeweilige Verschaltungsart für die Erläuterung des Erfindungsgegenstandes unerheblich, d.h. alternativ könnte auch unter Verwendung eines weiteren, vierten Verbindungsleiters eine Sternschaltung oder eine noch andere Verschaltung verwirklicht werden.
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Zur Anordnung der Verbindungsleiter 52a–c am Stator 16 sind diese von einem aus einem Kunststoff ausgebildeten Trägerelement 56 aufgenommen, welches in 2 im Querschnitt und in 3 ausschnittweise perspektivisch dargestellt ist.
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Das Trägerelement 56 ist insbesondere als einseitig offenes, etwa ringwannenförmigen Profil mit einem hier bezüglich der elektrischen Maschine 10 in axialer Richtung gestuften Boden 56a, b und senkrecht davon abstehenden Seitenwandungen 56c, d, e ausgeführt. Zur gegenseitig isolierten Anordnung der Verbindungsleiter 52a–c erfolgt mittels Trennstegen 56f, g eine Unterteilung in mehrere Ringkammern 56h–k (3), welche radial außerhalb der Spulen 36 angeordnet sind und sich zumindest teilweise mit diesen axial überlappen. Es ist erkennbar, dass die Seitenwandungen 56c, d die Trennstege 56f, g überragen, so dass sich dadurch ein an die Ringkammern 56h–k angrenzender offener Ringraum als Verschaltungsbereich 56o ausbildet, in welchem die Verbindungsleiter 52a–c mit den Spulenanschlüssen 36a, b elektrisch verschaltet werden.
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Der Bodenbereich 56b befindet sich axial benachbart zu den Austrittsbereichen der Spulenanschlüsse 36a, b aus den Spulen 36 und überdeckt diese radial. In dem Bodenbereich 56b ist eine den Spulenanschlüssen 36a, b entsprechende Anzahl von Öffnungen 56m ausgebildet, durch welche die zunächst am Stator 16 axial ausgerichteten Spulenanschlüsse 36a, b hindurchgeführt werden.
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Das Trägerelement 56 stützt sich sowohl radial als auch axial am Statorträger 24 ab und ist gleichzeitig auch an diesem verliersicher befestigt. Zu diesem Zweck ist am Statorträger 24 etwa axial auf der Höhe der Spulenköpfe mittels einer Durchmesserstufung ein ringförmiger Aufnahmebereich mit einer Axialfläche 24a und einer Umfangsfläche 24b, vorliegend einer Innenumfangsfläche ausgebildet, welche in Anlage zu dem Bodenbereich 56a und zu der Seitenwandung 56c stehen. Durch die Innenumfangsfläche 24b wird das Trägerelement 56 radial zentriert und festgelegt. Die Axialfläche 24a wirkt als einseitige axiale Sicherung. Die Umfangsfläche 24b ist im Weiteren an einem in Umfangsrichtung segmentierten Ringfortsatz 25 des Statorträgers 24, insbesondere an Zähnen 25a eines kronenförmigen Ringfortsatzes 25 des Statorträgers 24 ausgebildet. Zur verliersicheren axialen Befestigung des Trägerelements 56 am Statorträger 24 ist an den Teilen 24, 56c eine Schnapp- bzw. Rastverbindung 58, insbesondere eine Einwegrastkonfiguration vorgesehen, welche das Trägerelement 24 in der von der Axialfläche 24a abgewandten Axialrichtung sichert. Dazu ist am Trägerelement 56 eine hakenförmige Rastkontur 56p und am Statorträger 24 eine im Querschnitt asymmetrische Rastnut 24c ausgebildet. Durch diese Rastverbindung 58 ist das Trägerelement 56 auf einfache Art und Weise und vorliegend insbesondere auch grundsätzlich werkzeuglos montierbar und kann beispielweise bei der Montage axial in den Statorträger 24 bis zum Anschlag an die Axialfläche 24a eingeschoben werden, wobei an dieser Position die Teile 24, 56 mittels Aktivierung der Schnappverbindung 58 gesichert werden. Zur Erzielung einer elastischen Verformung des Trägerelements 56 können an diesem konstruktive Maßnahmen, wie zum Beispiel Unterbrechungen 56q vorgesehen sein. Die Schnappverbindung 58 kann in Umfangsrichtung durchgehend oder alternativ auch segmentiert ausgebildet sein, wie das im hier besprochenen Beispiel der Fall ist.
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Auf die voranstehend beschriebene Weise ist das Trägerelement 56 an die relativ große Masse des Statorträgers 24 und des Maschinengehäuses 29 angebunden und gegenüber besonders an den Spulen 36 mit einer merklichen Amplitude auftretenden Vibrationen des Fahrzeugantriebsstrangs weitgehend isoliert.
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Zur noch besseren Schwingungsentkopplung befinden sich das Trägerelement 56 und die Wickelkörper 40, 42 der Spulen 36 nicht in gegenseitiger Anlage. Stattdessen ist zwischen diesen ein Freiraum 60 bzw. ein Spalt ausgebildet, so dass lediglich die Spulenenden 36a, b von den Wickelkörpern 40, 42 in das Trägerelement 56 eintreten können und dabei zwar eine gewisse mechanische, jedoch nicht-tragende Verbindung ausbilden.
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In 2 sind die Spulenenden 36a, b bereits durch die in dem Trägerelement 56 ausgebildeten Öffnungen 56m hindurchgeführt und innerhalb des Ringraumes bzw. Verschaltungsbereiches 56o um 90° nach radial innen abgebogen, so dass diese zu den Verbindungsleitern 52a–c zunächst beabstandet sind und nur mit deren erhabenen Anschlussbereichen in Anlage kommen.
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Zum Schutz der Verbindungsleiter 52a–c, der Spulenenden 36a, b vor Korrosionserscheinungen und gleichfalls zur Erhöhung der Stabilität der Verschaltungsanordnung 38 wird der Verschaltungsbereich 56o des Trägerelementes 56 nach erfolgter Verschaltung komplett mit einem Dichtmittel 60 bzw. einer Vergußmasse 60, beispielsweise mit einem Harz oder Silikon vergossen, wobei auch die Öffnungen 56m vollständig gegenüber der Umgebung abgedichtet werden.
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Anstelle der dargestellten radialen Staffelung der Verbindungsleiter 52a–c können diese auch axial gestaffelt zum Stator 16 angeordnet und die weiteren Elemente sofern erforderlich entsprechend angepasst werden.
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Auch ist die spezielle Bauart der elektrischen Maschine 10 hinsichtlich der prinzipiellen Ausführung der Stator-Verschaltungsanordnung 38 unerheblich; es kann sich also beispielsweise auch um eine elektrische Maschine in Außenläuferbauart handeln.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Rotorwelle
- 14
- Rotor
- 16
- Stator
- 18
- Rotorträger
- 20
- Rotorblechpaket
- 22
- Permanentmagnet
- 24
- Statorträger
- 24a
- Axialfläche
- 24b
- Umfangsfläche
- 24c
- Rastnut
- 25
- Ringfortsatz
- 26
- Statorblechpaket
- 28
- Statorsegment
- 29
- Gehäuse
- 30
- Jochbereich
- 31
- Kühlkanal
- 32
- Statorzahn
- 34
- Wicklung
- 36
- Spule
- 36a, b
- Spulenende
- 38
- Verschaltungsanordnung
- 40, 42
- Wickelkörper
- 40a, b
- Schenkel
- 42a, b
- Schenkel
- 44
- Basisbereich
- 53a–c
- Anschlussleiter
- 56
- Trägerelement
- 56a, b
- Boden
- 56c, d, e
- Seitenwandung
- 56f, g
- Trennsteg
- 56m
- Öffnung
- 56o
- Ringraum
- 56p
- Rastkontur
- 56q
- Unterbrechung
- 58
- Rastverbindung
- 60
- Freiraum
- 62
- Dichtmittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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