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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für einen Elektromotor.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 197 06 851 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für einen Elektromotor bekannt, bei dem auf einer Rotorwelle ein Lamellenpaket aufsitzt, in das Wicklungsschlitze zur Aufnahme einer Läuferwicklung eingebracht sind. Die Bestromung der Läuferwicklung erfolgt über einen Kommutator, der drehfest mit der Läuferwelle verbunden wird und an dessen Mantelfläche im Betrieb Bürsten zur Stromübertragung und -wendung anliegen. Zur Montage des Kommutators, der mit Spiel auf der Rotorwelle aufsitzt, werden die Rotorwelle, die Stirnseiten des Lamellenpakets sowie die Nuten im Lamellenpaket elektrostatisch mit einem Epoxidpulver beschichtet, das anschließend auf seine Plastifizier- und Aushärtetemperatur erwärmt wird, woraufhin der Kommutator axial auf der Rotorwelle in seine Endlage geschoben wird. Nach dem Aushärten des Epoxidpulvers ist der Kommutator fest mit der Rotorwelle verbunden und nimmt in Achs- und in Umfangsrichtung eine Sollposition zum Lamellenpaket ein.
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Offenbarung der Erfindung
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Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Rotor für einen Elektromotor hergestellt, wobei die Rotorwelle des Rotors Träger eines Lamellenpaketes ist, das in Achsrichtung und in Umfangsrichtung fest auf der Rotorwelle aufsitzt. In das Lamellenpaket sind Nuten zur Aufnahme einer Rotorwicklung eingebracht, die über einen Kollektor bzw. Kommutator bestromt wird, an dessen Mantelfläche im Betrieb Bürsten zur Stromübertragung und -wendung anliegen.
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Zur Herstellung des Rotors muss der Kommutator in eine definierte axiale Relativposition sowie eine definierte Drehwinkel-Relativposition zum Lamellenpaket gebracht und in dieser Position fest mit der Rotorwelle verbunden werden. Um eine hohe Genauigkeit bei der Relativpositionierung des Kommutators auf der Rotorwelle in Bezug auf das Lamellenpaket zu erreichen, wird vor der Verbindung des Kommutators mit der Rotorwelle eine optische Vermessung durchgeführt, bei der sowohl der Kommutator als auch das Lamellenpaket jeweils über den gesamten Umfang optisch erfasst werden. Hierbei kann die Position der Nuten im Lamellenpaket bzw. der Schlitze im Kommutator, welche einzelne Segmente des Kommutators separieren, bestimmt werden. Außerdem kann über die optische Vermessung die axiale Länge des Lamellenpaketes bestimmt werden. Mit diesen Informationen ist eine Relativpositionierung des Kommutators zum Lamellenpaket mit hoher Genauigkeit möglich, wodurch insbesondere Bauteiltoleranzen im Lamellenpaket und im Kommutator berücksichtigt und kompensiert werden können. Es ist beispielsweise möglich, Abweichungen bei der Anordnung der Nuten im Lamellenpaket bzw. der Schlitze im Kommutator von der Idealposition zu erfassen und bei der Positionierung des Kommutators auf der Rotorwelle zu berücksichtigen.
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Das Lamellenpaket und der Rotor werden vorteilhafterweise jeweils über mindestens 360° optisch erfasst. Es kann ausreichend sein, genau eine Umdrehung von Lamellenpaket und/oder Kommutator bei der optischen Erfassung durchzuführen, wobei gegebenenfalls auch ein Winkelbetrag größer als 360° bei der optischen Erfassung in Betracht kommt.
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Mit dem Verfahren ist es insbesondere möglich, die Position der Nuten im Lamellenpaket bzw. der Schlitze im Kommutator mit hoher Genauigkeit zu bestimmen und im Anschluss hieran eine Ausgleichsrechnung durchzuführen, beispielsweise eine Mittelwertbildung, auf deren Grundlage die Achsposition und die Drehwinkelposition des Kommutators auf der Rotorwelle bzw. die Relativposition gegenüber dem Lamellenpaket festgelegt wird. So ist es zum Beispiel möglich, Winkelabweichungen der Nuten bzw. Schlitze von einer Sollposition zu ermitteln und auf der Grundlage des Mittelwerts die Achs- und die Drehwinkellage des Kommutators festzulegen.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung wird die axiale Mitte des Lamellenpakets bestimmt und der Festlegung der axialen Relativposition des Kommutators zum Lamellenpaket zugrunde gelegt. Die Bestimmung der axialen Länge des Lamellenpakets auf der Grundlage der optischen Vermessung und die Festlegung der elektrisch relevanten Paketmitte erfolgt mit hoher Genauigkeit, die insbesondere präziser ist als die Herstellungstoleranz des Lamellenpakets, welche bei einer Blechdicke liegt.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung wird die Rotorwelle in Spannzangen einer Spannaufnahmeeinrichtung eingespannt und rotiert während der optischen Vermessung, bei der die Kamera oder Kameras, welche für die optische Vermessung eingesetzt werden, stationär angeordnet sind. Die Rotorwelle führt mindestens eine vollständige Umdrehung aus, um sämtliche Abschnitte auf der Mantelfläche sowohl des Lamellenpakets als auch des Kommutators zu erfassen. Bei der optischen Vermessung wird insbesondere die Mantelfläche auch über die vollständige axiale Länge des Lamellenpakets bzw. des Kommutators erfasst.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung wird im Anschluss an die optische Vermessung die feste Verbindung des Kommutators an der Rotorwelle durchgeführt, während die Rotorwelle noch in den Spannzangen der Spannaufnahmeeinrichtung eingespannt ist. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die Rotorwelle sowohl für die optische Vermessung als auch für die Befestigung des Kommutators auf der Rotorwelle in den Spannzangen eingespannt bleiben kann.
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Die optische Vermessung von Lamellenpaket und Kommutator erfolgt, gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung, über jeweils eine Kamera. Es sind somit zwei Kameras vorhanden, die insbesondere stationär angeordnet sind, wohingegen das Lamellenpaket und der Kommutator gemeinsam mit der Rotorwelle umlaufen. Dies bietet den Vorteil, dass die optische Vermessung dieser beiden Bauteile synchron durchgeführt werden kann. Es kann aber auch zweckmäßig sein, nur eine Kamera einzusetzen und die Vermessung des Lamellenpakets und des Kommutators zeitlich aufeinander folgend durchzuführen.
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Der Kommutator weist eine Innenausnehmung auf, mit der der Kommutator mit Spiel auf der Rotorwelle aufsitzt. Das Spiel ist jedoch vorteilhafterweise so klein bemessen, dass der Kommutator noch vor der Befestigung an der endgültigen Position auf der Rotorwelle ausreichend fest auf dieser aufsitzt, so dass der Kommutator während der optischen Vermessung gemeinsam mit der Rotorwelle umläuft. Zum Erreichen der endgültigen axialen Position und der Drehwinkelposition wird der Kommutator auf der Rotorwelle gegen die Reibung verschoben, mit der der Kommutator auf der Rotorwelle aufsitzt.
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Die Verbindung des Kommutators mit der Rotorwelle erfolgt, gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung, indem eine Epoxidbeschichtung auf der Rotorwelle auf ihre Plastifizier- und Aushärtetemperatur erwärmt und danach der Kommutator, der mit Spiel auf der Rotorwelle aufsitzt, in seine endgültige Position verschoben wird. Die Verbindung kann gegebenenfalls durchgeführt werden, wenn die Rotorwelle noch in den Spannzangen der Spannaufnahmeeinrichtung eingespannt ist. Durch das Erwärmen der Epoxidbeschichtung auf die Plastifizier- und Aushärtetemperatur nimmt die Epoxidbeschichtung einen zähflüssigen Zustand ein, der es ermöglicht, dass der Kommutator auf den Abschnitt der Rotorwelle mit der Epoxidbeschichtung aufgeschoben wird, wobei während dieses Verschiebevorgangs des Kommutators die zähflüssige Epoxidschicht sich in Form einer Wulst an der Stirnseite des Kommutators radial nach außen wölbt und außerdem in den Ringspalt zwischen der Mantelfläche der Rotorwelle und dem Innenmantel der Innenausnehmung im Kommutator eindringt. Auf diese Weise wird eine verbesserte Verbindung zwischen dem Kommutator und der Rotorwelle erreicht. Mit dem Abkühlen der Epoxidbeschichtung härtet diese aus, so dass der Kommutator dauerhaft fest in seiner Endlage auf der Rotorwelle positioniert ist.
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Bei der Verschiebung des Kommutators auf der Rotorwelle erfolgt die Ausrichtung des Kommutators sowohl in Achsrichtung als auch in Umfangsrichtung gemäß seiner zu erreichenden Sollposition. Vorteilhafterweise wird der Kommutator beim axialen Verschieben in seine Endlage zugleich um seine Längsachse verdreht, wodurch das Eindringen der Epoxidbeschichtung in den Ringspalt zwischen Rotorwelle und Innenmantel der Innenausnehmung im Kommutator unterstützt wird.
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Die Verdrehung um die Längsachse während des axialen Verschiebens bis zum Erreichen der endgültigen Position erfolgt insbesondere so weit, bis die endgültige Drehwinkellage des Kommutators gegenüber der Rotorwelle und dem Lamellenpaket erreicht ist. Um das Eindringen des zähflüssigen Epoxids in den Ringspalt zwischen der Rotorwelle und dem Innenmantel der Innenausnehmung im Kommutator zu unterstützen, kann es zweckmäßig sein, den Kommutator während des axialen Verschiebens um einen Mindestbetrag zu verdrehen. Um den Mindestbetrag der Drehung zu erreichen, kann gegebenenfalls der Kommutator mehr als eine vollständige Umdrehung durchführen. Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, dass der Kommutator ausschließlich in nur eine Drehrichtung verdreht wird oder, gemäß einer alternativen Ausführung, dass der Kommutator in beide Drehrichtungen hin und her verdreht wird.
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Die Epoxidbeschichtung wird vorteilhafterweise als Pulverbeschichtung aufgebracht und kann beispielsweise auf elektrostatischem Wege erfolgen, wobei das Ausgangsmaterial der Epoxidbeschichtung ein Epoxidpulver ist.
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Die Epoxidbeschichtung wird zumindest auf den Abschnitt der Rotorwelle zwischen dem Lamellenpaket und dem Kommutator aufgebracht. Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, eine Epoxidbeschichtung benachbart zu beiden axialen Stirnseiten des Lamellenpakets auf die Rotorwelle aufzubringen. Des Weiteren ist es möglich, dass auch mindestens eine Stirnseite des Lamellenpakets, vorzugsweise beide Stirnseiten des Lamellenpakets mit der Epoxidbeschichtung versehen werden. Außerdem ist es möglich, die Epoxidbeschichtung auch in die Nuten des Lamellenpaketes einzubringen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung werden sowohl das Lamellenpaket als auch der Kommutator auf der Rotorwelle mithilfe der optischen Vermessung auf Montagegenauigkeit überprüft. Dieses Verfahren kann jederzeit durchgeführt werden, beispielsweise unmittelbar im Anschluss an die Montage des Kommutators zum Erreichen der endgültigen Position auf der Rotorwelle oder gegebenenfalls in größerem zeitlichen Abstand, beispielsweise bei Wartungsarbeiten zur Überprüfung, ob der Kommutator noch seine Sollposition auf der Rotorwelle einnimmt. Das Verfahren läuft im Prinzip gleich ab wie beschriebene Verfahren zur Herstellung des Rotors, nämlich durch optische Vermessung sowohl des Lamellenpakets als auch des Kommutators mithilfe einer oder mehrerer Kameras, wobei das Lamellenpaket und der Kommutator jeweils über ihren gesamten Umfang optisch erfasst und die Position von Nuten im Lamellenpaket bzw. von Schlitzen im Kommutator bestimmt und außerdem die axiale Länge des Lamellenpakets optisch erfasst und bestimmt wird.
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Auch für die Überprüfung der Montagegenauigkeit kann es zweckmäßig sein, dass die Rotorwelle in Spannzangen einer Spannaufnahmeeinrichtung eingespannt und während der optischen Vermessung die Rotorwelle gedreht wird, insbesondere um mindestens 360°, wohingegen die Kamera oder die Kameras ortsfest angeordnet sind.
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Das Verfahren kann sowohl bei Lamellenpaketen mit schräg verlaufenden Nuten, die gegenüber der Längsachse einen Winkel einnehmen, als auch bei axial verlaufenden Nuten eingesetzt werden.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der eine Rotorwelle für einen Elektromotor in Spannzangen einer Spanneinrichtung eingespannt ist, wobei auf der Rotorwelle ein Lamellenpaket und ein Kommutator angeordnet sind und über zwei Kameras beim Umlaufen der Rotorwelle sowohl das Lamellenpaket als auch der Kommutator optisch erfasst werden.
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In der Figur ist ein Rotor 1 für einen Elektromotor dargestellt, der eine Rotorwelle 2 umfasst, welche in zwei Spannzangen 3 und 4 einer Spannaufnahmeeinrichtung fest eingespannt ist, so dass die Längsachse 5 der Spannzangen 3, 4 zugleich die Längsachse der Rotorwelle bildet. Die Rotorwelle 2 kann mit den Spannzangen 3, 4 um die Längsachse 5 rotieren.
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Die Rotorwelle 2 ist Träger eines Lamellenpaketes 6, das aus einzelnen, axial aufeinander geschichteten Lamellen besteht, die auf der Rotorwelle 2 aufsitzen und fest mit dieser verbunden sind. In das Lamellenpaket 6 sind Nuten 7 zur Aufnahme einer Rotorwicklung eingebracht. Die Nuten 7 verlaufen schräg und schließen mit der Längsachse 5 einen Winkel ein.
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Zur Bestromung der Rotorwicklung dient ein Kommutator 8, der auf der dem Lamellenpaket 6 zugewandten Seite Anschlussfahnen 9 aufweist, über die der Draht der Rotorwicklung mit dem Kommutator 8 elektrisch verbunden wird. Der Kommutator 8 ist segmentiert aufgebaut, wobei die einzelnen Segmente von Schlitzen 10, welche in Achsrichtung verlaufen, separiert sind. Im Betrieb erfolgt die Stromübertragung über Bürsten, die an der Mantelfläche des Kommutators 8 anliegen und die verschiedenen Segmente des Kommutators bestromen, wobei der Strom über den Kontakt an den Anschlussfahnen 9 auf die Rotorwicklungen geleitet wird.
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In der Figur ist der Rotor 1 während des Montageprozesses dargestellt, in der der Kommutator 8, der mit Spiel auf der Rotorwelle 2 aufsitzt, noch nicht seine endgültige axiale Position sowie Drehwinkelposition auf der Rotorwelle 2 erreicht hat. Bei der Herstellung des Rotors werden zunächst das Lamellenpaket 6 und der Kommutator 8 optisch vermessen. Dies erfolgt mithilfe von zwei Kameras 11 und 12, die stationär angeordnet sind und auf das Lamellenpaket 6 bzw. den Kommutator 8 gerichtet sind. Für die optische Vermessung rotiert die Rotorwelle 2 und damit auch das Lamellenpaket 6 sowie der Kommutator 8 um mindestens 360°; während des Umlaufs der Rotorwelle 2 werden die Mantelflächen sowohl des Lamellenpaketes 6 als auch des Kommutators 8 von den zugeordneten Kameras 11 bzw. 12 einschließlich der Nuten 7 bzw. Schlitze 10 erfasst.
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Anschließend können die aufgenommenen Bilder in einer Auswerteeinheit ausgewertet werden, wobei insbesondere Abweichungen der Nuten 7 im Lamellenpaket 6 und der Schlitze 10 im Kommutator 8 von einer Solllage ermittelt werden. Es können beispielsweise Abweichungen der schräg verlaufenden Nuten 7 im Lamellenpaket 6 sowohl in Umfangsrichtung von der Solllage als auch im Hinblick auf die Winkellage gegenüber der Längsachse 5 erfasst werden.
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Nach der Auswertung und Ermittlung der Abweichungen der Nuten 7 und der Schlitze 10 von ihrer jeweiligen Solllage kann eine optimale Position des Kommutators 8 auf der Rotorwelle 2 in Bezug auf das Lamellenpaket 6 berechnet werden. Dies erfolgt beispielsweise auf der Grundlage einer Ausgleichsrechnung bzw. einer Mittelwertbildung.
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Bei der optischen Auswertung des Lamellenpaketes 6 wird außerdem die axiale Länge L des Lamellenpaketes erfasst. Dies ermöglicht es, die tatsächliche axiale Länge L des Lamellenpaketes, das eine Toleranz von üblicherweise einer Lamelle besitzt, genau zu bestimmen. Es ist insbesondere möglich, die elektrisch relevante Paketmitte, dargestellt mit L/2 zu bestimmen.
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Auf der Grundlage der ermittelten Informationen über das Lamellenpaket 6 und den Kommutator 8 kann zum einen die axiale Position k für den Kommutator 8 auf der Rotorwelle 2 festgelegt werden. Zum andern kann auch die Drehwinkellage des Kommutators 8 auf der Rotorwelle 2 mit Bezug zu dem Lamellenpaket 6 bestimmt werden.
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Nachdem diese Informationen festliegen, wird der Kommutator 8 mithilfe einer geeigneten Einrichtung in seine endgültige Position auf der Rotorwelle 2 verschoben und in dieser endgültigen Position dauerfest befestigt. Diese Verbindung des Kommutators 8 mit der Rotorwelle 2 erfolgt vorzugsweise über eine Epoxid-Pulverbeschichtung, die elektrostatisch auf die Rotorwelle 2 aufgebracht wird, insbesondere in dem axialen Abschnitt 13 zwischen dem Lamellenpaket 6 und dem Kollektor 8. Die Epoxid-Pulverbeschichtung wird auf elektrostatischem Wege auf die Rotorwelle 2 aufgebracht. Zusätzlich zu dem Abschnitt 13 kann es gegebenenfalls zweckmäßig sein, auch auf der axial gegenüberliegenden Seite des Lamellenpaketes 6 eine Epoxid-Pulverbeschichtung auf die Rotorwelle 2 aufzubringen. Außerdem können auch die beiden Stirnseiten des Lamellenpaketes 6 ebenfalls mit einer Epoxid-Pulverbeschichtung versehen werden, ebenso die Nuten 7 im Lamellenpaket 6.
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Für die Befestigung des Kommutators 8 an seiner Sollposition k wird die Epoxid-Pulverbeschichtung auf ihre Plastifizier- und Aushärtetemperatur erwärmt, wodurch diese zähflüssig wird. Anschließend wird der Kommutator 8 aus seiner aktuellen Position in die axiale Lage k verschoben, wobei sich während des Verschiebens ein radialer Wulst der Epoxid-Pulverbeschichtung an der Stirnseite des Kommutators 8 aufwölbt. Während des axialen Verschiebens des Kommutators 8 wird dieser vorzugsweise auch um die Längsachse 5 verdreht, was das Eindringen von zähflüssigem Epoxid in den Ringspalt zwischen der Mantelfläche der Rotorwelle 2 und dem Innenmantel der Innenausnehmung in dem Kommutator 8 begünstigt. Nachdem der Kommutator 8 seine endgültige Position erreicht hat, kann das Epoxid aushärten, wodurch die gewünschte dauerhafte feste Verbindung zwischen Kommutator 8 und Rotorwelle 2 erreicht wird.
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Vorteilhafterweise wird der Kommutator während des axialen Verschiebens bis zum Erreichen seiner endgültigen Position nur geringfügig um seine Längsachse verdreht, insbesondere so weit, dass die endgültige Drehwinkellage des Kommutators gegenüber der Rotorwelle und dem Lamellenpaket erreicht wird. Um das Eindringen des zähflüssigen Epoxids in den Ringspalt zwischen der Rotorwelle und dem Innenmantel der Innenausnehmung im Kommutator zu unterstützen, kann es jedoch zweckmäßig sein, den Kommutator während des axialen Verschiebens um einen Mindestbetrag zu verdrehen.
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Die in der Figur gezeigte Vorrichtung kann gegebenenfalls auch zur Überprüfung der Montagegenauigkeit insbesondere im Hinblick auf die Relativlage des Kommutators 8 zum Lamellenpaket 6 eingesetzt werden. Diese Überprüfung der Montagegenauigkeit erfolgt, nachdem der Kommutator 8 seine endgültige Position erreicht hat und auf der Rotorwelle 2 dauerhaft fixiert worden ist. Die Überprüfung erfolgt analog zu der Montage dadurch, dass die Rotorwelle 2 in den Spannzangen 3 und 4 verdreht wird und währenddessen die Mantelfläche des Lamellenpaketes 6 sowie des Kommutators 8 von den Kameras 11 und 12 optisch erfasst wird. Bei der Auswertung kann bestimmt werden, ob der axiale Abstand sowie die Relativdrehwinkellage zwischen dem Lamellenpaket 6 und dem Kommutator 8 den Sollwerten entsprechen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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