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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von bürstenkommutierten elektrischen Maschinen, insbesondere elektrische Maschinen mit verlängerten Kontaktierungsbürsten.
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Stand der Technik
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Bürstenkommutierte Gleichstrommotoren werden in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt. Insbesondere im Bereich von Kraftfahrzeugen sind die Anforderungen an die Lebensdauer derartiger Maschinen, insbesondere durch erweiterte Anwendungsgebiete, wie Antischlupfregelung, ESP, Abstandsregelung und dergleichen erheblich gestiegen.
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Derartige elektrische Maschinen weisen Kontaktierungsbürsten auf, um Läuferspulen im Läufer über einen Kommutator zu bestromen. Diese Kontaktierungsbürsten werden in Bürstenträgern gehalten, so dass die Kontaktierungsbürsten mit einem Ende auf sich mit dem Läufer bewegliche Kommutatorlamellen gedrückt werden, um diese elektrisch zu kontaktieren.
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Da die Verschleißeigenschaften des Materials der Kontaktierungsbürsten nicht beliebig verbesserbar sind, werden immer längere Kontaktierungsbürsten verwendet. Da die Länge einer linearen Kontaktierungsbürste durch die Größenverhältnisse in der elektrischen Maschine begrenzt ist, ist im Stand der Technik auch vorgesehen, gekrümmte Kontaktierungsbürsten vorzusehen.
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So zeigt beispielsweise die Druckschrift
CN 202026224 U einen Kommutator für eine elektrische Maschine mit halbrund geformten Kontaktierungsbürsten. Auch aus der Druckschrift
US 2006/0226730 A1 ist ein Bürstenhalter mit einem gekrümmten Bürstenweg zur Aufnahme einer gekrümmten Kontaktierungsbürste dargestellt.
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In den oben genannten Druckschriften erfolgt eine Vorspannung der Kontaktierungsbürste mit Hilfe einer Schenkelfeder, so dass die Kontaktierungsfläche der Kontaktierungsbürste auf die Kommutatorlamellen mit einer vorbestimmten Kraft erfolgt. Ein Nachteil bei Schenkelfedern besteht darin, dass diese bei abnehmender Bürstenlänge eine abnehmende Anpresskraft der Kontaktierungsbürste auf die Kommutatorlamellen ausübt, so dass sich das Verhalten der elektrischen Maschine z.B. aufgrund eines variierenden Reibungswiderstandes und sich erhöhenden Kontaktierungswiderstands über die Lebensdauer der Kontaktierungsbürste ändert.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bürstenanordnung für eine bürstenkommutierte elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, bei der eine im Wesentlichen konstante Anpresskraft einer Kontaktierungsfläche der Kontaktierungsbürste auf die Kommutatorlamellen ausgeübt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Bürstenanordnung für eine elektrische Maschine nach Anspruch 1 sowie durch die elektrische Maschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Bürstenanordnung für eine Kommutierung einer elektrischen Maschine vorgesehen, umfassend:
- – eine längliche Bürstenführung;
- – eine Kontaktierungsbürste, die in der Bürstenführung beweglich geführt ist und ein erstes Ende mit einer Kontaktfläche zum elektrischen Kontaktieren eines Kommutators aufweist;
- – eine Rollfeder, die mit einem aufgerollten Abschnitt an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende der Kontaktierungsbürste angeordnet ist, um eine Kraft auf die Kontaktierungsbürste in Richtung des ersten Endes auszuüben.
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Eine Idee der obigen Bürstenanordnung besteht darin, zur Beaufschlagung der Kontaktierungsbürste mit einer Anpresskraft eine verspannte Rollfeder zu verwenden. Die verspannte Rollfeder, insbesondere der aufgerollte Abschnitt ist an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende der Kontaktierungsbürste angeordnet.
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Bei zunehmendem Abrieb der Kontaktierungsbürste im Verlauf ihrer Lebensdauer rollt sich ein Abschnitt der Rollfeder, auf den die Rollfeder eine Federspannung ausübt, auf oder ab und bewirkt dadurch eine Kraft auf das zweite Ende der Kontaktierungsbürste. Dadurch kann eine Anpresskraft der Kontaktierungsfläche auf Kommutatorlamellen aufrecht gehalten werden.
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Im Vergleich zu den üblicherweise zur Vorspannung von Kontaktierungsbürsten verwendeten Spiralfedern oder Schenkelfedern kann durch die verspannte Rollfeder eine konstantere Anpresskraft bereitgestellt werden. Zudem ist im Vergleich zur Schenkelfeder der für die Anordnung der Rollfeder benötigte Bauraum deutlich geringer, so dass insbesondere bei kompakt bauenden elektrischen Maschinen eine einfachere Bürstenanordnung möglich ist.
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Weiterhin kann ein Ende eines abgerollten Abschnitts der Kontaktierungsbürste bezüglich der Bürstenführung ortsfest oder an der Bürstenführung befestigt sein.
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Insbesondere kann die Rollfeder ausgebildet sein, um eine Kraft in Richtung eines aufgerollten Zustands auszuüben, wobei ein abgerollter Abschnitt der Rollfeder entlang der Erstreckung der Kontaktierungsbürste angeordnet ist.
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D.h. die Rollfeder kann vorgespannt sein, indem diese teilweise abgerollt ist, so dass eine Federkraft wirkt, die sich aus der Tendenz der Rollfeder ergibt, sich wieder aufzurollen. In der Bürstenanordnung kann dann ein abgerollter Abschnitt der Rollfeder entlang einer Längenrichtung der Kontaktierungsbürste verlaufen, während ein verbleibender aufgerollter Abschnitt der Rollfeder an dem der Kontaktierungsfläche gegenüberliegenden Ende der Kontaktierungsbürste anliegt. Bei zunehmendem Abrieb der Kontaktierungsbürste im Verlauf ihrer Lebensdauer rollt sich der abgerollte Abschnitt aufgrund der Federspannung auf und hält somit die Anpresskraft auf das zweite Ende der Kontaktierungsbürste aufrecht.
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Alternativ kann die Rollfeder ausgebildet sein, um eine Kraft in Richtung eines abgerollten Zustands auszuüben bzw. zu dem abgerollten Zustand hin zu tendieren, wobei ein aufgerollter Abschnitt der Rollfeder zwischen einem Bereich der Bürstenführung, in dem ein abgerollter Abschnitt der Rollfeder vorgesehen ist, und dem zweiten Ende angeordnet ist.
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Weiterhin können die Bürstenführung und die Kontaktierungsbürste jeweils eine geradlinige Erstreckung oder entsprechende kreissegmentförmig gekrümmte Erstreckungen aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Bürstenführung und die Kontaktierungsbürste entsprechende kreissegmentförmig gekrümmte Erstreckungen aufweisen, wobei sich ein abgerollter Abschnitt der Rollfeder an einer radial außen liegenden Seite der Kontaktierungsbürste erstreckt.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein aufgerollter Abschnitt der Rollfeder so an dem zweiten Ende der Kontaktierungsbürste angeordnet ist, dass die Kontaktierungsbürste an der dem aufgerollten Abschnitt der Rollfeder zugewandten Seite des abgerollten Abschnitts angeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Kontaktierungslitze an der Kontaktierungsbürste quer zur Anordnungsrichtung des abgerollten Abschnitts der Rollfeder und der Kontaktierungsbürste vorgesehen sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine mit einer an einer Rotorwelle angeordneten Läufereinrichtung und einem axial dazu versetzt angeordneten Kommutator vorgesehen, wobei die obige Bürstenanordnung vorgesehen ist, um Kommutatorlamellen des Kommutators elektrisch zu kontaktieren.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine bürstenkommutierte elektrische Maschine;
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2 eine Querschnittsdarstellung durch eine Bürstenanordnung für die elektrische Maschine nach 1; und
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3 eine Querschnittsdarstellung durch eine weitere Bürstenanordnung für die elektrische Maschine nach 1.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine rotatorische elektrische Maschine 1 quer zu einer axialen Richtung A dargestellt. Die elektrische Maschine 1 ist in Form einer bürstenkommutierten Maschine ausgebildet und in einem im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäuse 2 angeordnet.
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In dem Gehäuse 2 ist eine im Wesentlichen kreiszylindrische Statoranordnung 3 vorgesehen, die zum Bereitstellen eines Statormagnetfelds mit Permanentmagneten 31 versehen sein kann. In einer Innenausnehmung der kreiszylindrischen Statoranordnung 3 ist eine ebenfalls kreiszylindrische Läuferanordnung 4 drehbeweglich angeordnet. Die Läuferanordnung 4 wird durch eine Welle 5 erhalten, die durch Lager 6 drehbeweglich gelagert ist.
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Die Läuferanordnung 4 ist mit Rotorzähnen versehen, die in geeigneter Weise mit Rotorspulen umwickelt sind. Zur Bestromung der Rotorspulen 41 ist eine Kommutatoranordnung 7 vorgesehen. Die Kommutatoranordnung ist axial zur Läuferanordnung 4 versetzt angeordnet. Die Kommutatoranordnung 7 weist einen Lamellenträger 71 auf, der mit Kommutatorlamellen 72 versehen ist. Die Kommutatorlamellen 72 sind in Umfangsrichtung an dem an der Welle 5 angeordneten Lamellenträger 71 benachbart zueinander angeordnet, so dass sich diese konzentrisch um die Welle 5 drehen. Die Kommutatorlamellen 72 stehen über geeignete elektrische Verbindungsleitungen mit den Rotorspulen 41 in elektrischer Verbindung.
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Die Kommutatorlamellen 72 werden durch eine Bürstenanordnung 8 elektrisch kontaktiert, die als ein Beispiel in 2 in einer Schnittdarstellung gezeigt ist. Die Kontaktierungsbürste 82 wird durch eine Federkraft auf die Kommutatorlamellen 72 gedrückt. Die Bürstenanordnung 8 umfasst eine Bürstenführung 81, in der eine Kontaktierungsbürste 82 gleitend gehalten ist. Dadurch kann sich die Kontaktierungsbürste 82 entlang einer Längsrichtung L in der Bürstenführung 81 bewegen.
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Die Schnittdarstellung der 2 durch die Bürstenanordnung 8 zeigt die Bürstenführung 81 als eine Hülse mit zum Beispiel rechteckigem Querschnitt, in der eine Kontaktierungsbürste 82 gleitend aufgenommen ist. Die Kontaktierungsbürste 82 weist an einem ersten Ende 83 eine Kontaktierungsfläche auf, mit der die Kontaktierungsbürste 81 auf der durch die Kommutatorlamellen 72 gebildeten Umfangsfläche aufliegt bzw. aufgedrückt wird. Ein zweites Ende 84, das der Kontaktfläche an dem ersten Ende 83 gegenüberliegt, dient dazu, als Anlagefläche für eine Federkraft zu dienen, durch die Kraft der Kontaktierungsbürste 82 auf die Kommutatorlamellen 72 ausgeübt wird.
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Die Kontaktierungsbürste 82 kann beispielsweise seitlich mit einer Kontaktierungslitze 85 versehen sein, die nahe dem zweiten Ende 84 die Kontaktierungsbürste 82 elektrisch kontaktiert. Die Kontaktierungslitze 85 ist flexibel, so dass die Bewegung aufgrund der durch Verschleiß abnehmenden Länge der Kontaktierungsbürste 82 aufgenommen werden kann. Die Kontaktierungslitze 85 wird in der Regel durch einen an einer Längsseite der Bürstenführung 81 angeordneten Schlitz aus der Bürstenführung 81 herausgeführt.
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Die Kontaktierungsbürste 82 ist vorzugsweise aus einem graphithaltigen Material ausgebildet, das gute Verschleißeigenschaften aufweist und eine geringe Reibung mit dem Material der Kommutatorlamellen hat. Insbesondere kann das Material der Kontaktierungsbürste Graphit und Kupfer enthalten, die als Pulvermaterialien gemischt bereitgestellt werden. Das so erhalten Kohlebürstenmaterial kann in einer Pressform in die Form der Kohlebürste verpresst werden und anschließend durch Sinterung verfestigt werden, um eine verschleißarme Kontaktierungsbürste in der gewünschten Form auszubilden. Weitere Materialien zur Verbesserung der Reibungseigenschaften können dem Ausgangsmaterial zugesetzt werden.
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Um die Kontaktierungsbürste 82 mit einer Federkraft zu beaufschlagen, ist nun eine Rollfeder 86 vorgesehen, die zum Beispiel aus einem bandförmigen Federstahl ausgebildet sein kann und eine Kraft in Richtung ihres aufgerollten Zustands bereitstellt. D.h. das Band aus Federstahl strebt in einen aufgerollten Zustand, wobei ein zumindest teilweise abgerollter Abschnitt zum Aufrollen tendiert.
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Für die gezeigte Bürstenanordnung 8 ist die Rollfeder 86 teilweise abgerollt und weist einen abgerollten Abschnitt 88 und einen aufgerollten Abschnitt 87 auf. Der abgerollte Abschnitt der Rollfeder 86 kann entlang einer Innenwand der Bürstenführung 81 zwischen der Innenwand und der Kontaktierungsbürste 82 angeordnet und z.B. an einer Öffnung 89 der Bürstenführung 81, aus der das erste Ende 83 der Kontaktierungsbürste 82 herausragt, an der Bürstenführung 81 fixiert sein. Der aufgerollte Abschnitt 87 der Rollfeder 86 ragt über das zweite Ende 84 der Kontaktierungsbürste 82 in Richtung der Mitte des Querschnitts der Bürstenführung 81, so dass die Tendenz der Rollfeder 86, den abgerollten Abschnitt 88 einzurollen, zu einer Anpresskraft auf das zweite Ende 84 der Kontaktierungsbürste 82 in Richtung der Öffnung 89 führt.
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Auf diese Weise kann die Kontaktierungsbürste 82 permanent mit einer Kraft beaufschlagt werden. Insbesondere hat die Verwendung der Rollfeder 86 den Vorteil, dass über die gesamte Verschleißlänge der Kontaktierungsbürste 82 eine annähernd konstante Federkraft auf das zweite Ende 84 der Kontaktierungsbürste 82 und somit eine konstante Anpresskraft der Kontaktfläche des ersten Endes 83 der Kontaktierungsbürste 82 auf die Kommutatorlamellen 72 gewährleistet wird. Weiterhin kann durch eine Krümmung des abgerollten Abschnitts 88, die aufgrund der Federspannung des Federmaterials auftritt, eine Kraft auf die Kontaktierungsbürste 82 in Querrichtung aufgebracht werden, die mechanische Vibrationen der Kontaktierungsbürste 82 im Betrieb reduziert.
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In einer alternativen Ausführungsform kann eine Rollfeder 86 vorgesehen sein, die zum Beispiel aus einem bandförmigen Federstahl ausgebildet sein kann und eine Kraft in Richtung ihres abgerollten Zustands bereitstellt. D.h. das Band aus Federstahl strebt in einen abgerollten Zustand, wobei ein zumindest teilweise aufgerollter Abschnitt zum Abrollen tendiert. Wird dann ein abgerollter Abschnitt an einem der Öffnung 89 gegenüberliegenden Ende der Bürstenführung 81 angeordnet, so kann durch das Bestreben der Rollfeder 86, die an dem zweiten Ende 84 der Kontaktierungsbürste 82 anliegt, sich abzurollen, eine Kraft auf die Kontaktierungsbürste 86 ausgeübt werden.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform der Bürstenanordnung 8 gezeigt. Gleiche Elemente oder Elemente vergleichbarer Funktion sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Sofern nachfolgend nicht abweichend zu obiger Beschreibung dargestellt, sind die obigen Merkmalskombinationen auch auf die Ausführungsform der 3 übertragbar.
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Die Bürstenanordnung 8 weist eine Bürstenführung 81 auf, die in ihrem Längsverlauf gekrümmt ist, um eine entsprechend gekrümmte Kontaktierungsbürste 82 aufzunehmen. Die Längenrichtung L der kreissegmentförmig gekrümmten Kontaktierungsbürste 82 entspricht einer tangentialen Richtung des Kreissegments.
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Die gekrümmte Kontaktierungsbürste 82 hat den Vorteil, dass diese bei gleichbleibendem Bauraum in Längsrichtung L (Längserstreckung der Kontaktierungsbürste 82 in tangentialer Richtung) länger ausgeführt werden kann und somit bei gleichbleibender Verschleißrate eine längere Lebensdauer aufweist. Die Kontaktierungsbürste 82 weist ein erstes Ende 83 mit einer Kontaktfläche auf, die auf die Kommutatorlamellen 72 gedrückt wird.
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Wie bei den Ausführungsformen der 2 wird die Federkraft durch eine Rollfeder ausgeübt. Dazu weist die Rollfeder 86 einen abgerollten Abschnitt 88 auf, der sich an der Außenseite bzw. der radial äußeren Fläche der gekrümmten Kontaktierungsbürste 82 bis zur bzw. nahe der Öffnung 89 der Bürstenführung 81, an der das erste Ende 83 der Kontaktierungsbürste 82 aus der Bürstenführung 81 austritt, erstreckt. Das Ende des abgerollten Abschnitts 88 der bandförmigen Rollfeder 86 ist fest an der Bürstenführung 81 oder an einem dazu ortsfest angeordneten Halteelement befestigt.
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Der aufgerollte Abschnitt 87 der Rollfeder 86 liegt wie bei der Ausführungsform der 2 so an dem zweiten Ende 84 der Kontaktierungsbürste 82 an, dass die Kontaktierungsbürste 82 an der dem aufgerollten Abschnitt 87 der Rollfeder 86 zugewandten Seite des abgerollten Abschnitts 88 angeordnet ist. Auch hier kann durch die Verwendung der Rollfeder 86 zum Aufbringen einer Kraft auf eine Kontaktierungsbürste 82 die Kontaktierungskraft, mit der die Kontaktfläche des ersten Endes 83 der Kontaktierungsbürste 82 auf die Kommutatorlamellen 72 aufdrückt, bereitgestellt werden.
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Das Anordnen des abgerollten Abschnitts 88 der Rollfeder 86 an einem äußeren Radius der gekrümmten Kontaktierungsbürste 82 hat den Vorteil, dass die Kontaktierungsbürste 82 mit einer Querkraft beaufschlagt wird, die mechanische Vibrationen der Kontaktierungsbürste 82 beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 reduzieren kann. Weiterhin ist die Anordnung des abgerollten Abschnitts 88 an dem äußeren Radius der Kontaktierungsbürste 82 vorteilhaft, da der abgerollte Abschnitt 88 lediglich in Aufrollrichtung gebogen wird und somit keine Überdehnung des abgerollten Abschnitts des Band des Federmaterials der Rollfeder 86 auftreten kann, wie dies der Fall wäre, wenn die Rollfeder entsprechend entlang des inneren Radius angeordnet werden würde.
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Die Rollfeder 86 kann aus einem bandförmigen bzw. flächigen Federmaterial mit einer Breite (quer zur länglichen Erstreckung) ausgebildet sein, die im Wesentlichen der Breite, mit der die Kontaktierungsbürste 82 an dem abgerollten Abschnitt 88 der Rollfeder 86 anliegt, entspricht.
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Insbesondere bei der Ausführungsform der 3 kann die Kontaktierungslitze 85, die nahe des zweiten Endes 84 der Kontaktierungsbürste 82 angeordnet ist, in Breitenrichtung des Federmaterials aus dem Material der Kontaktierungsbürste 82 austreten. Der Schlitz in der Bürstenführung, in dem die Kontaktierungslitze 85 geführt wird, erstreckt sich somit in einer Längsrichtung bzw. einer Erstreckungsrichtung des aufgerollten Abschnitts 87 der Rollfeder 86.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 202026224 U [0005]
- US 2006/0226730 A1 [0005]
