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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Antriebsmaschine, insbesondere zum Antrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Sie betrifft weiter eine Kühlvorrichtung für einen solchen Rotor, eine elektrische Antriebsmaschine mit einem solchen Rotor beziehungsweise mit einer solchen Kühlvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Antriebsmaschine.
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Eine elektrische Antriebsmaschine weist üblicherweise einen Elektromotor auf, der seinerseits typischerweise einen mit einer Drehfeldwicklung (DreiPhasen-Statorwicklung) versehenen Stator und einen um eine Motorachse (Drehachse) drehbar gelagerten Rotor aufweist, der mit Permanentmagneten (permanent erregter Rotor) oder ebenfalls mit einer Wicklung (Rotorwicklung) versehen sein kann, die ein statisches Magnetfeld erzeugt. Im Betrieb des Elektromotors, in dem die Statorwicklung von einem elektrischen Wechselstrom und die Rotorwicklung von einem elektrischen Gleichstrom durchflossen und somit bestromt sind, rotiert der Rotor im vom Stator bzw. dessen Statorwicklung erzeugten magnetischen Drehfeld.
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In der Verwendung eines solchen Elektromotors in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug (Elektro- oder Hybridfahrzeug) ist eine Kühlung des Stators und/oder des Rotors mit einem gasförmigen oder mit einem flüssigen Kühlmedium typischerweise notwendig, um die gewünschte Dauerleistungsfähigkeit des als elektrische Antriebsmaschine für solche Fahrzeuge eingesetzten Elektromotors sicher zu stellen. Erkanntermaßen ist hierbei eine Kühlung des Stators bzw. dessen Statorwicklung einfacher realisierbar als eine Kühlung des Rotors, zumal dieser im Gegensatz zum Stator während des Betriebs des Elektromotors rotiert.
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Um die Abwärme aus einem als Blechpaket mit Einzelblechen aufgebauten Rotor abzuführen, ist es aus der
DE 10 2010 063 973 A1 bekannt, eine Luftströmung in einem geschlossenen Kreislauf zu erzeugen, wobei die Luft zunächst durch axiale Durchbrüche des Rotorblechpakets strömt und dort die Abwärme des Rotors aufnimmt. Zur Erzeugung einer Luftströmung in einem geschlossenen Kreislauf sind Mittel in einem Motorgehäuse vorgesehen, wobei die axialen Durchbrüche des Rotors und ein Wärmetauscher in den geschlossenen Luftkreislauf eingebunden sind.
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Aus der
DE 10 2015 214 309 A1 ist eine Hohlwellenkühlung für einen elektromotorischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs bekannt, wobei der Antrieb ein mit einer Rotorhohlwelle des Elektromotors verbundenes Getriebe aufweist, und in der Rotorhohlwelle eine Hohllanze angeordnet ist, die ein Kühlmittel in einen Hohlraum der Rotorhohlwelle abgeben kann. Das Kühlmittel ist hierbei ein Getriebeöl eines Schmiermittelkreislaufs des Getriebes.
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Nachteilig bei derartigen Kühlungsmaßnahmen für einen Rotor eines Elektromotors ist deren Ineffizienz, da sich die Kühlung der Rotorwicklung, die sich durch den notwendigen Rotor-Erregerstrom erwärmt, lediglich indirekt im Bereich des Rotorblechpakets über eine Nutisolation und das Rotorblechpaket sowie im Bereich der (stirnseitigen) Rotor-Wickelköpfe ebenfalls lediglich indirekt über den gegebenenfalls von außen mit Kühlflüssigkeit benetzten Rotorverguss erfolgt. Darüber hinaus ist eine denkbare Hohlleiterkühlung sehr aufwendig und kostenintensiv.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen möglichst effizient kühlbaren bzw. im Betrieb gekühlten Rotor eines Elektromotors, insbesondere als elektromotorische Antriebsmaschine für ein elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (Elektro- oder Hybridfahrzeug), anzugeben. Des Weiteren sollen eine geeignete Kühlvorrichtung für einen solchen Rotor und ein Elektromotor als Teil einer elektrischen Antriebsmaschine mit einem solchen Rotor sowie ein Kraftfahrzeug angegeben werden, das eine Antriebsmaschine mit verbesserter Rotorkühlung aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 sowie durch einen Elektromotor bzw. eine elektrische Antriebsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche (Unteransprüche). Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Rotor sinngemäß auch für die Kühlvorrichtung sowie für den Elektromotor und für das Kraftfahrzeug und umgekehrt.
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Der Rotor ist insbesondere Teil eines Elektromotors, der wiederum insbesondere Teil einer elektrischen Antriebsmaschine für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ist. Der Rotor umfasst ein Rotorblechpaket mit einer sich in Axialrichtung einer Rotor-Drehachse (Motor-Drehachse, Rotationsachse) erstreckenden Wellendurchführung für eine Rotorwelle (Motorwelle) sowie mit einer Anzahl von zur Drehachse radial orientierten Rotorzähnen, zwischen denen eine entsprechende Anzahl von Rotornuten zur Aufnahme einer Rotorwicklung in Axialrichtung verlaufen. Das Rotorblechpaket ist geeigneter Weise aus einer Anzahl von Einzelblechen gebildet, die zur Drehachse parallel in Stapelrichtung aneinander liegend angeordnet sind.
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Der Rotor umfasst des Weiteren eine Anzahl von in den Rotornuten angeordneten und entlang der Rotornuten verlaufenden rohrförmigen Kühlkanälen mit einem Wärmeleitmedium zum Ausleiten von Wärme aus dem Rotorblechpaket über zumindest eine der beiden Stirnseiten des Rotorblechpakets und/oder über die Wellendurchführung. Die bevorzugt radial oberhalb der in den Rotornuten einliegenden Rotorwicklung angeordneten und im Wesentlichen axial orientierten Kühlkanäle verlaufen vorzugsweise parallel zur Drehachse, können in den Rotornuten jedoch auch schräg zur entsprechenden Parallelen der Drehachse verlaufen. Als Wärmeleitmedium kann beispielsweise Wasser oder Getriebeöl der Antriebsmaschine vorgesehen sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung verlaufen die Kühlkanäle an der zumindest einen Stirnseite des Rotorblechpakets radial in Richtung der Wellendurchführung. Bei in mehreren oder bevorzugt in allen Rotornuten angeordneten Kühlkanälen weisen diese somit geeigneter Weise radiale Kanalabschnitte auf, die stirnseitig etwa sternförmig oder speichenartig zur Wellendurchführung des Rotorblechpakets hin verlaufen. Dort münden die Kühlkanäle zweckmäßigerweise in einen die Wellendurchführung an der oder jeder Stirnseite des Rotorblechpakets umgebenden (umschließenden) ring- oder ringscheibenförmiger oder kragenartiger Ringkörper ein. Dabei ist bevorzugt an jeder der beiden Stirnseiten des Rotorblechpakets ein solcher Ringkörper vorgesehen. Dieser weist zumindest einen Leitkanal auf, an welchen die in den Rotornuten angeordneten und somit rotornutseitigen Kühlkanäle thermisch angekoppelt sind oder in welchen diese einmünden. Die im Betrieb des Rotors in bzw. an den Rotorwicklungen entstehende Wärme kann dann aus den Rotornuten über die dortigen Kühlkanäle an die oder jede Stirnseite des Rotorblechpakets geführt und über den dortigen Ringkörper und die Leitkanäle beispielsweise an einen Kühlkörper abgeführt werden.
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Auch kann der oder jeder rotornutseitige Kühlkanal über einen solchen Leitkanal im Ringkörper thermisch an die Rotorwelle angebunden oder angekoppelt sein, so dass die Wärme über die beispielswiese ebenfalls gekühlte Rotorwelle abgeführt wird. Hierzu kann die als gekühlte Hohlwelle ausgeführte Rotorwelle beispielsweise gemäß der
DE 10 2015 221 802 A1 mit einem Wärmerohr ausgeführt sein, in welchem ein Wärmemedium angeordnet ist.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist in der oder jeder Rotornut ein auch als Deckschieber oder Nutverschluss bezeichneter Verschlusskeil aus einem möglichst druckstabilen, thermisch möglichst gut leitenden Material angeordnet, das gleichzeitig nicht oder nur schwach ferromagnetisch und möglichst ein elektrischer Isolator ist, beispielsweise eine Keramik. Dabei ist der jeweilige Kühlkanal am oder vorzugsweise im Verschlusskeil angeordnet beziehungsweise in diesem gebildet. Mittels des Verschlusskeils wird die entsprechende Rotornut drehzahlfest verschlossen, wobei zudem unerwünschte Effekte in Folge eines magnetischen Streuflusses und eine elektrische Kontaktierung vermieden.
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Mittels der in den Rotornuten einliegenden Kühlkanale es besonders vorteilhaft und effizient möglich, Wärme von den warmen Wicklungen des Rotors zu einer kälteren oder vorzugsweise aktiv gekühlten Stelle an der zumindest einen Stirnseite des Rotorblechpaketes zu führen und dort direkt oder gegebenenfalls über die Rotorwelle abzuführen. Auch kann das Kühl- oder Wärmeleitmedium an der Stirnseite des Rotorblechpaketes mittels Luft oder einem anderen Kühlmedium, beispielsweise Getriebeöl, oder durch Wärmetausch mit einem Kühlmedium eines dortigen Kühlkörper gekühlt werden.
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Im Betrieb des Rotors mit bestromter Rotorwicklung wird die Zentrifugalkraft (Fliehkraft) auf das Wärmemedium im Wärmerohr ausgenutzt, um bei im Wesentlichen horizontaler Orientierung des Rotors eine Förderung des Wärmemediums in axialer und/oder radialer Richtung zu erzielen oder zu verbessern. Das Wärmemedium nimmt im Beriech der bestromten Rotorwicklung Wärme auf und gibt diese an den beispielsweise gekühlten Stirnseiten des Rotorblechpaketes bzw. im Bereich der Wellendurchführung an die vorzugsweise gekühlten Rotorwelle ab.
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Das Wärmemedium wird über die Kühlkanäle an die Rotorstirnseiten und dort radial zur Motorwelle hin gefördert und wird gekühlt. Auf diese Weise realisiert das innerhalb der Kühlkanäle geführte, geförderte oder strömende Kühl- oder Wärmeleitmedium einen Wärmetransport in radialer Richtung von außen nach innen. Dadurch ergibt sich entlang der axialen Rotornuten eine effektive Kühlung der Rotorwicklung.
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Die Kühlvorrichtung für einen solchen Rotor weist eine Abdeckung auf, deren Außenkontur an die Querschnittkontur des Rotorblechpakets angepasst ist. Im Montagezustand deckt die Abdeckung ein Rotorblechpaket eines Rotors stirnseitig ab. Hierzu weist die Abdeckung einen zentralen Ringkragen oder Ringkörper auf, dessen Kragen- bzw. Ringöffnung an eine Wellendurchführung des Rotorblechpakets angepasst ist und insbesondere mit dieser fluchtet. An den Ringkörper sind Zahnabdeckungen für die stirnseitige Abdeckung der Rotorzähne des Rotorblechpakets angeformt. Die Zahnabdeckungen erstrecken sich radial, wobei zwischen den Zahnabdeckungen, vorzugsweise im Bereich deren dem Ringkörper abgewandten Zahnenden, Kühlkanäle angeordnet sind. Diese sind zum Führen oder Aufnahmen eines Kühl- oder Wärmeleitmediums vorgesehen und vorzugswiese rohrförmig, insbesondere mit kreisförmigem Querschnitt. Die Kühlkanäle verlaufen bezogen auf den Ringkörper in einer Axialrichtung, die im Montagezustand der Abdeckung an der Stirnseite des Rotorblechpakets derjenigen der Rotorwelle mit wellenfestem Rotorblechpaket entspricht. Geeigneter Weise ist eine zweite derartige Abdeckung vorgesehen, die mit der ersten Abdeckung über die Kühlkanäle verbunden oder verbindbar ist und die gegenüberliegende Stirnseite des Rotorblechpakets abdeckt.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des Rotors in einem Elektromotor einer elektromotorischen Antriebsmaschine für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Der Rotor ist dann ein Teil eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs. Antriebsmaschinen im automotiven Bereich unterliegen regelmäßig hohen Anforderungen und müssen über einen möglichst langen Zeitraum in einem häufig weiten Arbeitsbereich dynamisch belastbar sein. Bei dem oben beschriebenen Rotor stellt das Wärmemedium im jeweiligen, rotornutenseitigen Wärmerohr vorteilhafterweise einen Pufferspeicher für die betriebsbedingte Abwärme der Rotorwicklung des Rotors dar. Ein Anstieg der Abwärme im Betrieb wird besonders zeitsparend durch die vorzugsweise in jeder der Rotornuten des Rotorblechpaketes angeordneten Kühlkanäle oder Kühlrohre abgefangen. Dadurch wird insbesondere der dynamische Arbeitsbereich der mit einem solchen Rotor aufweisenden Antriebsmaschine verbessert, so dass diese aufgrund der verbesserten Kühlung stärker belastbar und effizienter nutzbar ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in perspektivischer Darstellung ein Rotorblechpaket mit zentraler Wellendurchführung und sternförmig radial nach außen weisenden Rotorzähnen sowie zwischen diesen angeordneten Rotornuten sowie in diesen axial und stirnseitig des Rotorblechpakets radial zur Wellendurchführung verlaufenden Kühlkanälen (Kühlrohren) einer Kühlvorrichtung,
- 2 einen Längsschnitt des Rotorblechpaket gemäß 1 in einer Schnittebene entlang einer Rotor-Drehachse,
- 3 den Längsschnitt des Rotorblechpaket gemäß 2 in einer Querschnittdarstellung mit in den Rotornuten angeordneter Rotorwicklung, und
- 4 in einer Darstellung gemäß 1 die Kühlvorrichtung mit stirnseitigen Abdeckungen mit Leitkanälen in Ringkörpern und mit den rotornutseitigen Kühlkanälen im Bereich von Verschlusskeilen für die Rotornuten.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist perspektivisch ein Rotorblechpaket 1 dargestellt, welches mit einer Rotorwelle 2 und einer Rotorwicklung 3 einen Rotor 4 (3) beispielsweise elektrischer Antriebsmaschine zum Antrieb eines nicht näher gezeigten Kraftfahrzeugs bildet. Das Rotorblechpaket 1, das aus einer Vielzahl von in der gezeigten Axialrichtung A gestapelten Einzelblechen zusammengesetzt (paketiert) ist, weist eine Wellendurchführung 5 für eine Rotorwelle 2 (3) und im Ausführungsbeispiel sechs Rotorzähne 7 auf. Zwischen den Rotorzähnen 7 befinden sich in Axialrichtung A verlaufende Rotornuten 8 zur Aufnahme der auf die Rotorzähne 7 gewickelten Rotorwicklung 3 (3).
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In den Rotornuten 8 sind rohrförmige Kühlkanäle 10 angeordnet, die im Ausführungsbeispiel axial und parallel zur Drehachse 11 des Rotors 4 verlaufen. Die Kühlkanäle 10 befinden sich innerhalb der Rotornuten 8 oberhalb der Rotorwicklung 3, d.h. im Bereich der der Wellendurchführung 5 abgewandten Zahnenden 12 der Rotorzähne 7.
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Die Kühlkanäle 10 verlaufen an den Stirnseiten 13 des Rotorblechpakets 1 radial, d.h. in Radialrichtung R zur Wellendurchführung 5 hin. An den Stirnseiten 13 des Rotorblechpakets 1 befindet sich ein Ringkörper 14 einer anhand der 4 näher erläuterten Kühlvorrichtung 15. Der Ringkörper 13 deckt den ebenfalls ringförmigen Blechabschnitt der beiden stirnseitig äußeren Einzelbleche des Rotorblechpakets 1 ab. In diesen Ringkörper 14 an der jeweiligen Stirnseite 13 des Rotorblechpakets 1 sind Leitkanäle 16 vorgesehen, in welche die Kühlkanäle 10 einmünden oder mit denen diese thermisch kontaktiert sind.
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Die Kühlkanäle 10 befinden sich innerhalb der Rotornuten 8 radial unterhalb von sogenannten Verschlusskeilen 17 eines Deckschiebers. Die Kühlkanäle 10 können hierbei vorteilhafterweise auch in die ebenfalls in Axialrichtung A und somit entlang der Rotornuten 8 verlaufenden Verschlusskeile 17 integriert sein, wozu diese entsprechend als Hohlkörper ausgeführt sind. Als Material der Verschlusskeile 17 ist eine Keramik besonders vorteilhaft.
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Im Betrieb des Elektromotors oder elektromotorischen Antriebs, wenn die Rotorwicklung 3 von einem elektrischen Strom durchflossen ist, nimmt das in den Kühlkanälen oder Kühlrohren 10 geführte Wärmeleitmedium betriebsbedingte Wärme der Rotorwicklunge 3 auf und transportiert diese zu den Stirnseiten 13 des Rotors 4, um dort die Wärme abzugeben. Vorzugsweise wird die Wärme zumindest teilweise im Bereich der oder an der Rotorwelle 2 abgegeben. Hierzu ist die Rotorwelle 2 geeigneter Weise als Hohlwelle mit einem sich in Axialrichtung A erstreckenden Hohlraum 18 (3) für einen weiteren Kühlkanal.
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2 zeigt das Rotorblechpaket 1 in einem Längsschnitt. Erkennbar weist das Rotorblechpaket 1 in der Wellendurchführung 5 innenwandseitig Axial- oder Längsnuten 19 auf. An diese koppeln an der jeweiligen Stirnseite 13 des Rotorblechpakets 1 die Leitkanäle 16 thermisch an, an die wiederum die Kühlkanäle 10 angeschlossen, angekoppelt oder kontaktiert sind. Die Axial- oder Längsnuten 19 fluchten geeigneter Weise mit korrespondierenden Nuten der Rotorwelle unter Bildung von weiteren, innerhalb der Wellendurchführung 5 umfangsseitig geschlossenen Kühlkanälen.
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4 zeigt die Kühlvorrichtung 15 mit den Kühlkanälen 10 und den stirnseitigen Ringkörpern 13. An diese sind an die Querschnittskontur der Rotorzähne 7 angepasst Zahnabdeckungen 20 angeformt, welche zusammen mit dem Ringkörper 13 jeweils eine Abdeckung 21 bilden. Diese deckt im Montagezustand die Rotorzähne 7 und den ringförmigen Einzelblechabschnitt des Rotorblechpakets 1 an der jeweiligen Stirnseite 13 ab. Im Zuge der Montage des Rotors 4 werden nach dessen Bewicklung mit der Rotorwicklung 3 die stirnseitigen Abdeckungen 21 montiert und die Kühlkanäle 10 an die Ringkörper 20 angeschlossen. Zudem können die Verschlusskeile 17 bereits an den Kühlkanälen 10 angebracht sein, wenn diese nicht in die Verschlusskeile 17 integriert sind.
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Die Kühlkanäle 10 der Kühlvorrichtung 15 weisen axiale Kanalabschnitt 10a und radiale Kanalabschnitt 10b auf. Der jeweilige axiale Kanalabschnitt 10a verläuft zwischen den Zahnabdeckungen 20, insbesondere im Bereichen deren Zahnenden, und erstreckt sich bis zur gegenüberliegenden Stirnseite 13 des Rotorblechpakets 1. Der jeweilige radiale Kanalabschnitt 10b ist an den Ringkragen 14 und dort an einen oder mehrere der Leitkanäle 16 angeschlossen und/oder thermisch gekoppelt.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotorblechpaket
- 2
- Rotorwelle
- 3
- Rotorwicklung
- 4
- Rotor
- 5
- Wellendurchführung
- 7
- Rotorzahn
- 8
- Rotornut
- 10
- Kühlkanal
- 11
- Drehachse
- 12
- Zahnende
- 13
- Stirnseite
- 14
- Ringkörper
- 15
- Kühlvorrichtung
- 16
- Leitkanal
- 17
- Verschlusskeil
- 18
- Hohlraum
- 19
- Längsnut
- 20
- Zahnabdeckung
- 21
- Abdeckung
- A
- Axialrichtung
- R
- Radialrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010063973 A1 [0004]
- DE 102015214309 A1 [0005]
- DE 102015221802 A1 [0012]
