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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung, beispielsweise für eine Vorrichtung an Bord eines Kraftfahrzeugs. Insbesondere betrifft die Erfindung die Steuerung der Antriebsvorrichtung, um unterschiedliche Drehzahlen und Drehmomente bereitzustellen.
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Eine Vorrichtung an Bord eines Kraftfahrzeugs kann mittels einer Antriebsvorrichtung angetrieben werden, die eine Drehbewegung bereitstellt. Die Vorrichtung kann beispielsweise eine Pumpe, insbesondere eine Ölpumpe, bevorzugt an oder in einem Getriebe umfassen, das Teil eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs sein kann. Die Vorrichtung kann in einem überwiegenden Teil seiner Betriebszeit mit einer geringen Drehzahl bei einem hohen Drehmomentbedarf und in der restlichen Zeit mit einer hohen Drehzahl bei einem geringen Drehmomentbedarf betrieben werden.
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DE 10 2008 035 609 A1 zeigt eine Antriebsvorrichtung mit zwei Elektromotoren, die axial versetzt und durch eine Kupplung voneinander trennbar an einer gemeinsamen Abtriebswelle angebracht sind. Ein erster Rotor des ersten Elektromotors ist radial klein und axial lang, während ein zweiter Rotor des zweiten Elektromotors radial groß und axial kurz ist. Mittels des ersten Rotors kann aufgrund seines geringen Trägheitsmoments die hohe Drehzahl bewirkt werden, und mittels des zweiten Rotors kann aufgrund seines großen Durchmessers ein hohes Drehmoment bewirkt werden.
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In der Praxis trennt die Kupplung zwischen den Rotoren häufig nicht vollständig, sodass der zweite Rotor dazu neigt, von der Drehbewegung des ersten Rotors auch dann mitgeschleppt zu werden, wenn der zweite Elektromotor abgestellt ist. Dadurch kann das Trägheitsmoment des ersten Rotors negativ beeinflusst werden. Die Drehbewegung der Abtriebswelle kann insgesamt weniger gut kontrollierbar sein. Ferner kann ein Energieverlust durch Reibung im Bereich des zweiten Rotors erhöht sein.
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Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer verbesserten Antriebsvorrichtung. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung umfasst einen ersten Rotor mit einem kleinen Durchmesser; einen dazu axial versetzten zweiten Rotor mit einem großen Durchmesser; eine Kopplungseinrichtung, mittels derer die beiden Rotoren miteinander drehmomentschlüssig verbindbar sind; einen ersten Stator mit ersten Spulen und einen zweiten Stator mit zweiten Spulen; und eine Ansteuervorrichtung zur Steuerung elektrischer Ströme durch die ersten und zweiten Spulen. Dabei ist die Ansteuervorrichtung dazu eingerichtet, die ersten Spulen in einer ersten Betriebsart derart mit einer Stromquelle zu verbinden, dass der erste Rotor in eine vorbestimmte Drehbewegung versetzt wird, und gleichzeitig die zweiten Spulen derart anzusteuern, dass einer Neigung des zweiten Rotors, der Drehbewegung des ersten Rotors zu folgen oder die gleiche Drehbewegung zu vollführen, entgegengewirkt wird.
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Dadurch kann der zweite Rotor abgebremst werden, wenn Drehmoment an einer Abtriebswelle nur mittels des ersten Rotors bereitgestellt werden soll. Die Kopplungseinrichtung kann einen Freilauf umfassen, der durch das Abbremsen des zweiten Rotors verbessert ausrücken kann, sodass das Trägheitsmoment des ersten Rotors verbessert von dem des zweiten abgekoppelt sein kann. Eine mechanische Bremse kann eingespart werden. Der zweite Rotor kann praktisch ohne mechanischen Verschleiß abgebremst werden.
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In einer ersten Variante ist Ansteuervorrichtung dazu eingerichtet, wenigstens eine der zweiten Spulen kurzzuschließen. Dreht sich der zweite Rotor gegenüber den zweiten Spulen, so kann in diesen ein Strom induziert werden, der ein Magnetfeld bewirkt, das auf den zweiten Rotor wirkt und eine Kraft auf diesen ausübt, die der Bewegung entgegen gerichtet ist. So kann der zweite Rotor ohne Verbindung mit einer Stromquelle auf eine sehr geringe Drehzahl oder gar auf null abgebremst werden. Das Kurzschließen kann einfach und kostengünstig mittels passenden Stromventilen erfolgen, die insbesondere als Halbleiter ausgebildet sein können.
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In einer zweiten Variante ist Ansteuervorrichtung dazu eingerichtet, die zweiten Spulen derart mit der Stromquelle zu verbinden, dass im Bereich des zweiten Rotors ein im Wesentlichen statisches Magnetfeld bereitgestellt wird. Dazu können beispielsweise eine oder mehrere der zweiten Spulen mit einer Gleichspannung verbunden werden. Dadurch kann ein Magnetfeld bereitgestellt werden, das gegenüber der Abtriebswelle still steht, sodass der zweite Rotor auf eine Drehgeschwindigkeit auf oder nahe null abgebremst werden kann. Eine Bremskraft kann durch eine Stromstärke durch den zweiten Stator einstellbar sein.
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In einer Weiterbildung können die zweiten Spulen zyklisch mit der Stromquelle verbunden werden. Insbesondere kann zu einem Zeitpunkt immer nur eine der Spulen von Strom durchflossen sein. Eine Überlastung einer stromdurchflossenen Spule kann dadurch vermieden werden. Ein Wechseln der stromdurchflossenen Spule kann um eine oder mehrere Größenordnungen langsamer erfolgen als an den ersten Spulen, die zum Antrieb der Abtriebswelle angesteuert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind eine erste Spule des ersten Stators und eine zweite Spule des zweiten Stators mittels zweier Stromventile derart verbunden, dass die Spulen elektrisch in Serie geschaltet sind, wenn das erste Stromventil leitet und das zweite Stromventil sperrt.
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Dazu kann eine der ersten Spulen in Serie mit einem ersten Stromventil verbunden sein. Parallel zum ersten Stromventil kann eine Anordnung geschaltet werden, die aus einer Serienschaltung einer der zweiten Spulen und eines zweiten Stromventils besteht. Die beschriebene Anordnung ist auch als halbparallele Schaltung von Spulen bekannt. Umfasst jeder Stator drei im Dreieck miteinander verbundene Spulen, so können die Spulen unterschiedlicher Statoren paarweise in der genannten Art mit jeweils zugeordneten Stromventilen verbunden sein. Man spricht dann auch von einer halbparallelen Dreiecksschaltung. Die in Serie mit den ersten Spulen liegenden ersten Stromventile können gemeinsam in einen sperrenden oder leitenden Zustand gebracht werden. Die zweiten Stromventile können im umgekehrten Sinn gemeinsam in einen sperrenden oder leitenden Zustand gebracht werden.
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Der erste Rotor kann mit dem ersten Stator einen ersten bürstenlosen Gleichstrommotor (brushless DC motor, BLDC) bilden. Der zweite Rotor kann mit dem zweiten Stator einen zweiten bürstenlosen Gleichstrommotor bilden. Die Rotoren können dabei Permanentmagneten tragen. Die Drehzahl eines BLDC kann durch die Frequenz gesteuert werden, mit der phasenverschobene Ströme an drei Anschlüssen bereitgestellt werden. Dabei können sich unterschiedliche Charakteristiken des kombinierten BLDC ergeben, wenn die ersten und/oder zweiten Spulen bestromt werden.
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Die Ansteuervorrichtung kann in einer zweiten Betriebsart dazu eingerichtet sein, nur die zweiten Spulen derart mit der Stromquelle zu verbinden, dass beide Rotoren in die gleiche vorbestimmte Drehbewegung versetzt werden. Die Kopplung der Rotoren kann in diesem Fall über den Freilauf erfolgen.
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Die Ansteuervorrichtung kann in einer dritten Betriebsart dazu eingerichtet sein, zusätzlich die ersten Spulen mit der Stromquelle zu verbinden, um ein an der Abtriebswelle bereitgestelltes Drehmoment zu vergrößern.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 eine Antriebsvorrichtung und
- 2 eine mögliche Verschaltung von Spulen eines ersten und eines zweiten Stators einer Ansteuervorrichtung;
darstellt.
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1 zeigt eine Antriebsvorrichtung 100 mit einer Abtriebswelle 105, die um eine Drehachse 110 drehbar gelagert ist, und einem optionalen Gehäuse 115, in welchem ein erster Elektromotor 120 mit einem ersten Rotor 125 und einem ersten Stator 130, sowie ein zweiter Elektromotor 140 mit einem zweiten Rotor 145 und einem zweiten Stator 150 angeordnet sind. Der erste Rotor 125 ist unmittelbar mit der Abtriebswelle 105 verbunden. Der zweite Rotor 145 ist axial versetzt zum ersten Rotor 125 angeordnet und bevorzugt mittels eines Freilaufs 155 mit der Abtriebswelle 105 verbunden, sodass ein einseitiger Drehmomentschluss zwischen dem zweiten Rotor 145 und der Abtriebswelle 105 realisiert sein kann. Der Freilauf 155 kann auch zwischen den Rotoren 125, 145 angeordnet sein, sodass Drehmoment in einer vorbestimmten Drehrichtung vom zweiten Rotor 145 auf den ersten Rotor 125 und von dort auf die Abtriebswelle, nicht aber in der Gegenrichtung zum zweiten Rotor 145 übertragen werden kann. Eines oder mehrere Lager 160 können vorgesehen sein, um die Abtriebswelle 105 gegenüber dem Gehäuse 115 zu lagern. Dabei können Lager 160 an praktisch beliebigen Stellen an der Abtriebswelle 105 liegen.
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Der erste Rotor 125 erstreckt sich in axialer Richtung bevorzugt weiter als der zweite Rotor 145. Der erste Rotor 125 erstreckt sich in radialer Richtung bevorzugt weniger weit als der zweite Rotor 145. Ein Trägheitsmoment des ersten Rotors 125 ist bevorzugt geringer als ein Trägheitsmoment des zweiten Rotors 145. Die Statoren 130, 150 liegen bevorzugt auf radialen Außenseiten der ihnen zugeordneten Rotoren 125, 145. Weiter bevorzugt weist der erste Stator 130 eine geringere Induktivität als der zweite Stator 150 auf. Dazu kann eine Anzahl Windungen im ersten Stator 130 geringer als eine Anzahl Windungen im zweiten Stator 150 sein. Der erste Rotor 125 kann aus einem Magnetmaterial mit einer kleineren Sättigungsflussdichte bestehen als ein Magnetmaterial des zweiten Rotors 145.
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Eine Ansteuervorrichtung 165 ist dazu eingerichtet, Spulen der Statoren 130, 150 elektrisch anzusteuern. Insbesondere können die Spulen jeweils mit einer Stromquelle 170 verbunden werden, die bevorzugt dazu eingerichtet ist, eine Wechselspannung bereitzustellen, deren Frequenz proportional zu einer anzusteuernden Drehzahl der Antriebsvorrichtung 100 ist. Insbesondere kann es sich um eine dreiphasige Wechselspannung handeln, wobei die Statoren 130, 150 jeweils drei Spulen aufweisen können. Die Spulen eines Stators 130, 150 können jeweils in Sternschaltung oder in Dreiecksschaltung miteinander verbunden sein.
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Sind nur die Spulen des zweiten Stators 150 mit der Stromquelle 170 verbunden, so kann ein großes Drehmoment auf die Abtriebswelle 105 ausgeübt werden, wobei eine Drehzahl an der Abtriebswelle 105 jedoch begrenzt sein kann. Optional können auch Spulen der verschiedenen Statoren 130, 150 paarweise gemeinsam angesteuert werden, insbesondere jeweils in einer Parallel- oder Serienschaltung zweier Spulen unterschiedlicher Statoren 130, 150. In diesem Fall kann der erste Rotor 125 ein zusätzliches Drehmoment auf die Abtriebswelle 105 ausüben. Um die Abtriebswelle in eine hohe Drehzahl zu versetzen, können nur die Spulen des ersten Stators 130 mit der Stromquelle 170 verbunden werden.
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Zwischen dem zweiten Rotor 145 und der Abtriebswelle 105 kann über den Freilauf 155 ein Schleppmoment wirken, das den zweiten Rotor 145 der Bewegung des ersten Rotors 125 folgen lässt. Dadurch kann eine gewisse Bremswirkung auf die Abtriebswelle 105 ausgeübt werden. Außerdem kann die Drehbewegung der Abtriebswelle 105 aufgrund des großen Trägheitsmoments der miteinander gekoppelten Rotoren 125, 145 weniger leicht zu ändern sein. Es wird daher vorgeschlagen, den zweiten Rotor 145 durch passende Ansteuerung des zweiten Stators 150 gegenüber der Abtriebswelle 105 oder dem ersten Rotor 125 abzubremsen.
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In einer ersten Variante können dazu eine oder mehrere der Spulen des zweiten Stators 150 kurzgeschlossen werden, um eine durch die Drehbewegung des zweiten Rotors 145 den Spulen induzierte Spannung in ein Bremsmoment umzuwandeln. Dazu kann an einer Spule ein entsprechendes Stromventil vorgesehen sein.
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In einer zweiten Variante können die Spulen des zweiten Stators 150 mit einer weiteren Stromquelle 170 verbunden werden, die eine wesentlich geringere Wechselfrequenz als die mit dem ersten Stator 130 verbundene Stromquelle 170 aufweist. Die Wechselfrequenz der Stromquelle 170 für den zweiten Stator 150 kann bis auf einen Wert nahe null oder null abgesenkt werden. Es müssen nicht alle Spulen des zweiten Stators 150 mit der weiteren Stromquelle verbunden werden; in der Regel genügt eine Spule. Die stromdurchflossene Spule des zweiten Stators 150 kann in vorbestimmten Zeitabständen gewechselt werden.
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2 zeigt eine Ausführungsform einer Ansteuervorrichtung 165, zusammen mit einer Stromquelle 170. Die Stromquelle 170 umfasst eine Brückenschaltung 205 an einer Zwischenkreisspannung 210. Die Brückenschaltung 205 wird auch B6-Brücke genannt, und ist zur Bereitstellung phasenverschobener Wechselströme an Phasen U, V, W eingerichtet. Jeder Phase U, V, W ist eine Brücke zugeordnet, die zwei Stromventile umfasst, die zwischen unterschiedlichen Potentialen der Zwischenkreisspannung 210 in Serie geschaltet sind und hier beispielhaft als Feldeffekttransistoren (FET) dargestellt sind. Andere Stromventile, insbesondere auf der Basis von Halbleitern, sind ebenfalls möglich. Eine Ansteuerung der Stromventile der Brückenschaltung 205 ist nicht eingezeichnet und erfolgt üblicherweise durch einen Mikroprozessors. Bevorzugt werden die FETs derart alternierend mittels Pulsweitenmodulation angesteuert, dass sich an der zugeordneten Phase U, V, W eine gewünschte Spannung ergibt. Zeitliche Spannungsverläufe an den Phasen U, V, W sind bevorzugt sinusförmig. Alternativ kann auch eine anders geformte Spannung bewirkt werden, beispielsweise eine Dreieck- oder Rechteckspannung. Eine Frequenz der an den Phasen U, V, W bereitgestellten Spannungsverläufe steuert eine Drehgeschwindigkeit der Abtriebswelle 105 der Antriebsvorrichtung 100.
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Spulen des ersten Stators 130 sind bezüglich der Drehachse 110 radial innen dargestellt und als L11, L12, L13 bezeichnet. Spulen des zweiten Stators 150 sind radial außen dargestellt und als L21, L22, L23 bezeichnet. In einer alternativen Ausführungsform können auch die Spulen L21, L22, L23 dem ersten Stator 130 und die Spulen L11, L12, L13 dem zweiten Stator 150 zugeordnet sein.
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Die Spulen L11, L12, L13 des ersten Stators 130 sind jeweils mit einem Ende mit einer Phase U, V, W einer Dreiphasen-Wechselspannung der Stromquelle 170 verbunden. Ein zweites Ende jeder Spule des ersten Rotors 125 ist jeweils mittels eines zugeordneten Stromventils V11, V21 bzw. V31 mit einer der anderen Phasen V, W, U verbunden, sodass die Spulen L11, L12, L13 des ersten Stators 130 mittels der Stromventile V11, V21, V31 in Dreiecksschaltung mit den Phasen U, V, W verbunden werden können.
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Die Spulen der Statoren 130, 150 korrespondieren hier paarweise zueinander, wobei L11 zu L21, L12 zu L22 und L13 zu L23 korrespondiert. Die Spule L21 des zweiten Stators 150 kann mit einem Stromventil V12 parallel zum Stromventil V11 des ersten Stators 130 geschaltet werden. In entsprechender Weise können die Spule L22 des zweiten Stators 150 mit einem Stromventil V22 parallel zum Stromventil V21; und die Spule L23 des zweiten Stators 150 mit einem Stromventil V32 parallel zum Stromventil V31 des ersten Stators 130 geschaltet werden.
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Zueinander korrespondierende Spulen L11, L12, L13 des ersten Stators 130 und L21, L22, L23 des zweiten Stators 150 können in Serie zwischen die Phasen U, V, W geschaltet werden, indem die Stromventile V12, V22, V32 in einen leitenden Zustand und die Stromventile V11, V21, V31 in einen sperrenden Zustand gebracht werden. Eine solche Betriebsart kann „Kombiniert“ genannt werden, da ein Strom zwischen zwei Phasen U, V, W stets durch zwei Spulen unterschiedlicher Statoren 130, 150 fließt, sodass beide Rotoren 125, 145 ein Drehmoment auf die Abtriebswelle 105 ausüben können.
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Nur die Spulen des ersten Stators 130 können mit den Phasen U, V, W verbunden werden, indem die Stromventile V11, V21, V31 in einen leitenden Zustand und die Stromventile V12, V22, V32 in einen sperrenden Zustand gebracht werden. Eine solche Betriebsart kann „Drehzahl“ genannt werden, da Strom zwischen zwei Phasen U, V, W nur noch durch jeweils eine der Spulen L11, L12, L13 des ersten Rotors 125 fließt und der zweite Rotor 145 kein positives Drehmoment an der Abtriebswelle 105 bereitstellen kann.
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Folgende Tabelle fasst Betriebsmodi zusammen, die mit der dargestellten Ansteuervorrichtung
165 möglich sind:
| Betriebsart | Leitet | Sperrt |
| Kombiniert | V12, V22, V32 | V11, V21, V31 |
| Drehzahl | V11, V21, V31 | V12, V22, V32 |
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Um den zweiten Stator 150 abzubremsen, während nur der erste Stator 130 mittels der Phasen U, V, W angesteuert wird, können die Spulen L21, L22, L23 des zweiten Stators 150 auf verschiedene Weisen elektrisch angesteuert werden.
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In einer ersten Variante können die Spulen L21, L22, L23 jeweils kurzgeschlossen werden, beispielsweise indem alle Stromventile V11, V21, V31, V12, V22, V32 jeweils in einen leitenden Zustand gebracht werden. Eine Spannung, die beispielsweise in der Spule L21 induziert wird, kann dann über die Stromventile V12 und V11 kurzgeschlossen sein. Ein effizienteres Kurzschließen, und damit eine stärkere Bremswirkung, kann bewirkt werden, indem einer oder mehreren Spulen L21, L22, L23 des zweiten Stators 150 ein dediziertes Stromventil zur direkten Überbrückung zugeordnet wird. Wird als Stromventil ein Halbleiter verwendet, so ist allgemein eine möglichst geringe Sperrspannung von Vorteil, um auch bei einer langsamen Bewegung des zweiten Rotors 145 gegenüber dem zweiten Stator 150, bei der nur eine geringe Spannung in den Spulen L21, L22, L23 des zweiten Stators 150 induziert wird, bereits eine Bremswirkung zu erzielen.
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In einer zweiten Variante kann eine Spule L21, L22, L23 des zweiten Stators 150 mit einer Gleichspannung verbunden werden, um ein Bremsmoment zu erzeugen. Die Gleichspannung kann insbesondere der Zwischenkreisspannung 210 entsprechen. Die mit der Zwischenkreisspannung 210 verbundene Spule L21, L22, L23 des zweiten Stators 150 kann periodisch gewechselt werden, um eine thermische Belastung der Spule zu verringern.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Antriebsvorrichtung
- 105
- Abtriebswelle
- 110
- Drehachse
- 115
- Gehäuse
- 120
- erster Elektromotor
- 125
- erster Rotor
- 130
- erster Stator
- 140
- zweiter Elektromotor
- 145
- zweiter Rotor
- 150
- zweiter Stator
- 155
- Freilauf
- 160
- Lager
- 165
- Ansteuervorrichtung
- 170
- Stromquelle
- 205
- Brückenschaltung
- 210
- Zwischenkreisspannung
- U, V, W
- Phasen
- L11, L12, L13
- Spulen des ersten Stators
- L21, L22, L23
- Spulen des zweiten Stators
- V11, V21, V31
- Stromventile in Serie mit Spulen des ersten Stators
- V12, V22, V32
- Stromventile in Serie mit Spulen des zweiten Stators
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008035609 A1 [0003]
