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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Maschine. Außerdem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, aufweisend einen derartigen Rotor. Es ist vorgesehen, dass der Rotor einen mehrteiligen Rotorkörper aufweist, wodurch sich optimale Materialkombinationen ergeben.
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Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt. Diese werden beispielsweise zur Elektrifizierung von Fahrzeugen verwendet. Bei Elektromotoren, bei denen der Rotor Permanentmagnete aufweist, ist stets darauf zu achten, dass keinerlei magnetischer Kurzschluss an dem Rotorkörper entsteht. Den Magnetfluss kurzschließende Bereiche sind daher aus magnetischer Sicht so schmal wie möglich auszulegen. Dies steht allerdings im Widerspruch zur mechanischen Festigkeit, sodass sich ein Zielkonflikt ergibt.
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Elektrische Maschinen mit mehrteiligen Rotorkörpern sind aus der
JP 2013 -
176210 A und der
JP 5493792 B2 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Rotor einer elektrischen Maschine ermöglicht das Vorsehen verschiedener Werkstoffe, wobei der Rotor vorteilhafterweise derart aus den verschiedenen Werkstoffen zusammengesetzt ist, dass an jeder Stelle stets das für den magnetischen Fluss optimale Bauteil vorhanden ist. So kann insbesondere an Stellen, an denen ein hoher magnetischer Fluss gewünscht ist, ein Material mit hoher magnetischer Leitfähigkeit verwendet werden, während an anderen Stellen, wo magnetische Leitfähigkeit unerwünscht ist, ein Material mit geringer magnetischer Leitfähigkeit verwendet werden kann. Insgesamt lässt sich somit eine optimale Werkstoffausnützung und damit eine Leistungssteigerung einer E-Maschine erzielen, in der besagter Rotor verwendet wird.
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Der Rotor einer elektrischen Maschine weist einen mehrere Rotorpole umfassenden Rotorkörper auf, der insbesondere zumindest einem Blechlamellenpaket gebildet ist. Das Blechlamellenpaket ist aus einer Vielzahl von gestapelten Blechlamellen gebildet. Der Rotorkörper weist an jedem Rotorpol eine Magnettasche zum Aufnehmen zumindest eines Permanentmagneten auf. An jedem Rotorpol weist der Rotorkörper weiterhin zumindest ein bezüglich einer Rotorachse innerhalb der Magnettasche angeordnetes inneres Polsegment und zumindest ein außerhalb der Magnettasche angeordnetes äußeres Polsegment auf. Das äußere Polsegment jedes Rotorpols ist gegenüber seinem inneren Polsegment vorteilhafterweise als separates Bauteil ausgebildet. Die beiden separaten Bauteile, d.h. das innere Polsegment und das äußere Polsegment bilden zusammen die Blechlamellen. Der Rotor ist derart ausgebildet, dass der Magnetfluss des jeweiligen Rotorpols von seinem inneren Polsegment über den zumindest einen Permanentmagneten der jeweiligen Magnettasche zu seinem äußeren Polsegment oder umgekehrt fließen kann. Außerdem ist zwischen dem inneren Polsegment und dem äußeren Polsegment jedes Rotorpols ein Aufnahmevolumen gebildet. In dem Aufnahmevolumen sind der zumindest eine Permanentmagnet und zumindest ein von dem Rotorkörper separater Polsegmentverbinder angeordnet. Über den Polsegmentverbinder ist das jeweilige äußere Polsegment fest mit dem inneren Polsegment desselben Rotorpols verbunden.
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Der Rotorkörper, insbesondre jede Blechlamelle des Blechlamellenpakets, ist aus einem metallischen oder keramischen ersten Werkstoff gefertigt. Somit ist insbesondere vorgesehen, dass sowohl das erste Polsegment als auch das zweite Polsegment aus besagtem metallischen oder keramischen ersten Werkstoff gefertigt sind. Der Polsegmentverbinder hingegen ist aus einem metallischen oder keramischen zweiten Werkstoff gefertigt. Der metallische oder keramische erste Werkstoff weist eine höhere magnetische Leitfähigkeit auf als der metallische oder keramische zweite Werkstoff. Auf diese Weise ist insbesondere erreicht, dass das innere Polsegment und das äußere Polsegment magnetisch voneinander separiert sind. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, da die Polsegmente verschiedene Polbereiche bilden, sodass insbesondere ein magnetischer Kurzschluss von Permanentmagneten im Rotor vermieden ist.
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Besonders vorteilhaft ist der zweite metallische oder keramische Werkstoff amagnetisch.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der zweite Werkstoff eine höhere Festigkeit aufweist als der erste Werkstoff. Somit ist der Rotor optimal aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt, um an entsprechenden Stellen hohe magnetische Leitfähigkeit oder geringe magnetische Leitfähigkeit bei hoher Festigkeit zu erhalten. Damit lässt sich der eingangs beschriebene Zielkonflikt besonders vorteilhaft lösen
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das die Magnettasche eines Rotorpols durch das innere Polsegment, durch das äußere Polsegment und durch den zumindest einen Polsegmentverbinder gebildet sind. Die Magnettasche erstreckt sich dabei vorteilhafterweise axial durch das Blechlamellenpaket. In die Magnettasche kann ein Permanentmagnet eingeklebt oder anderweitig aufgenommen werden. Ist zumindest ein Permanentmagnet in der Magnettasche aufgenommen, so besteht grundsätzlich die Gefahr eines magnetischen Kurzschlusses, bei dem der magnetische Fluss bereits im Blechlamellenpaket zum Permanentmagnet kurzgeschlossen wird und dadurch für ein Verketten mit einem Stator und damit zum Antrieb der elektrischen Maschine nicht zur Verfügung steht. Um dies zu verhindern, ist vorteilhafterweise der zweite Werkstoff mit der geringeren magnetischen Leitfähigkeit als der erste Werkstoff vorhanden, der insbesondere für eine magnetische Isolation zwischen dem inneren Polsegment und dem äußeren Polsegment jeder Blechlamelle sorgt.
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Der zumindest eine Permanentmagnet ist bevorzugt zwischen dem inneren Polsegment und dem äußeren Polsegment angeordnet und an dem Rotorkörper und/oder an dem Polsegmentverbinder fixiert. Somit bilden das innere Polsegment und das äußere Polsegment unterschiedliche Polbereiche, die durch den Polsegmentverbinder magnetisch voneinander isoliert sind. Die Gefahr eines magnetischen Kurzschlusses ist damit minimiert.
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Der Polsegmentverbinder ist vorteilhafterweise in das Aufnahmevolumen eingegossen und ausgehärtet. Die Magnettasche ist vorteilhafterweise durch Ausstanzen aus dem Verbundkörper aus Rotorkörper und Polsegmentverbinder hergestellt. Somit ist zunächst der Verbundkörper aus dem inneren Polsegment und dem äußeren Polsegment sowie dem Polsegmentverbinder zu fertigen. Durch Ausstanzen der Magnettasche kann besagte Magnettasche optimal platziert werden, sodass ein magnetischer Kurzschluss nicht vorhanden ist oder die Gefahr eines magnetischen Kurzschlusses zumindest reduziert ist. Dies führt zu einer kostengünstigen und einfachen Herstellung und Montage des Rotors.
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Jeder Polsegmentverbinder ist vorteilhafterweise ein separates, in das Aufnahmevolumen einsetzbares Bauteil. Somit ist einerseits eine einfache Herstellung und Montage des Rotors ermöglicht, andererseits sind optimale magnetische Trennungen der Polsegmente erreichbar.
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Die Polsegmentverbinder bilden bevorzugt jeweils einen Stegbereich oder sind bevorzugt stegförmig ausgeführt. Das innere Polsegment und das äußere Polsegment sind bevorzugt über diese Stegbereiche verbunden. Da der Polsegmentverbinder, wie bereits beschrieben, aus dem zweiten Werkstoff gefertigt ist, während die Polsegmente aus dem ersten Werkstoff gefertigt sind und der zweite Werkstoff eine geringere magnetische Leitfähigkeit aufweist als der erste Werkstoff, erfolgt somit eine magnetische Isolierung zwischen den Polsegmenten. Auf diese Weise ist, wie bereits beschrieben, die Gefahr eines Auftretens von magnetischen Kurzschlüssen reduziert. Gleichzeitig ist eine Stabilität des Rotors erhöht.
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Jeder Rotorpol umfasst bevorzugt eine V-förmige Magnetanordnung mit drei Polsegmentverbindern. Einer der Polsegmentverbinder ist ein zwischen zwei Permanentmagneten der Magnetanordnung angeordneter zentraler Polsegmentverbinder. Die übrigen zwei Polsegmentverbinder sind jeweils ein am Außenumfang angeordneter äußerer Polsegmentverbinder, wobei die Permanentmagnete jeweils zwischen einem der äußeren Polsegmentverbinder und dem zentralen Polsegmentverbinder angeordnet sind. Somit ist insbesondere erreicht, dass die die Stegbereiche des Rotors durch die Polsegmentverbinder gebildet sind, sodass einerseits eine hohe magnetische Trennung der Polsegmente, andererseits eine hohe Stabilität des Rotorkörpers erreichbar ist.
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Jeder Polsegmentverbinder erstreckt sich vorteilhafterweise entlang mehrerer Blechlamellen. Somit ist der Polsegmentverbinder ein durchgängiger Körper, der sich entlang mehrerer Blechlamellen erstreckt. Dies ermöglicht insbesondere, einen Polsegmentverbinder für mehrere Blechlamellen zu verwenden, wobei besonders vorteilhaft die gestapelten inneren Polsegmente und gestapelten äußeren Polsegmente Teilblechlamellenpakete bilden, die zusammen mit dem zumindest einen Polsegmentverbinder den Rotor bilden. Somit ist eine Herstellung des Rotors vereinfacht, insbesondere ist ein Montageaufwand des Polsegmentverbinders an dem Blechlamellenpaket vereinfacht.
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Jeder Polsegmentverbinder ist vorteilhafterweise magnetisch nichtleitend ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist zwischen dem Polsegmentverbinder und dem zugehörigen inneren Polsegment eine elektrische Isolierung angebracht. Somit ist eine magnetische Trennung und/oder elektrische Trennung zwischen den Polsegmenten ermöglicht.
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Der Polsegmentverbinder ist an zumindest einer Blechlamelle formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig befestigt. Insbesondere ist der Polsegmentverbinder fest an der zumindest einen Blechlamelle befestigt. Besonders vorteilhaft ist der Polsegmentverbinder an mehreren Blechlamellen des Blechlamellenpakets fixiert. Besonders vorteilhaft handelt es sich bei der Fixierung des Polsegmentverbinders an der zumindest einen Blechlamelle um ein Kleben und/oder Löten und/oder Schweißen und/oder Walzen und/oder Gießen und/oder Spritzgießen und/oder Sintern. Auf diese Weise kann stets eine optimale Fixierung zwischen Blechlamelle und Polsegmentverbinder, insbesondere zwischen Blechlamellenpaket und Polsegmentverbinder, erreicht werden.
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Bei dem zweiten Werkstoff handelt es sich vorteilhafterweise um einen austenitischen Stahl. Ein solcher Werkstoff weist optimale Festigkeitseigenschaften auf. Gleichzeitig weist ein solcher Werkstoff einen geringen magnetischen Fluss auf, der insbesondere geringer ist als der magnetische Fluss der Blechlamellen, die üblicherweise aus einem Elektroblech gefertigt werden. Somit kann der Polsegmentverbinder vorteilhafterweise als Stegbereich, wie zuvor beschrieben, verwendet werden, da der Polsegmentverbinder bessere mechanische Eigenschaften und schlechtere magnetische Eigenschaften als das innere Polsegment und das äußere Polsegment aufweist. Somit ist eine optimale Materialkombination erreicht, da an solchen Stellen, an denen ein magnetischer Fluss erwünscht ist, ein solcher magnetischer Fluss ermöglicht ist, während gleichzeitig an solchen Stellen, an denen kein magnetischer Fluss erwünscht ist, der magnetische Fluss verhindert ist. Gleichzeitig ist eine mechanische Eigenschaft aufgrund des austenitischen Stahls verbessert.
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Der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff basieren vorteilhafterweise auf denselben Ausgangswerkstoffen. Dabei weisen der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff aber unterschiedliche magnetische Eigenschaften auf. Somit ist die Herstellung der Polsegmente und Polsegmentverbinder vereinfacht.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine weist einen Rotor wie zuvor beschrieben auf. Zusätzlich weist die elektrische Maschine einen Stator auf, wobei der Stator eine elektrische Wicklung zum Antreiben des Rotors aufweist. Somit kann die elektrische Maschine mittels des Stators den Rotor antreiben. Da der Rotor aufgrund der Materialkombination von erstem metallischen oder keramischen Werkstoff und zweitem metallischen oder keramischen Werkstoff optimiert ist, weist die elektrische Maschine somit eine maximierte Leistung auf.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Detailansicht eines Rotors einer elektrischen Maschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine schematische Ansicht einer Blechlamelle des Rotors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine schematische Ansicht von Polsegmentverbindern des Rotors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 eine schematische Darstellung eines ersten Schritts eines Herstellungsverfahrens eines Rotors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 6 eine schematische Detailansicht eines Rotors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 7 eine räumliche Repräsentation des Rotors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 8 eine schematische Explosionsdarstellung des Rotors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Maschine 10 weist einen Stator 11 auf, über den ein Rotor 1 antreibbar ist. Der Rotor 1 weist einen Rotorkörper 2 auf, der insbesondere aus zumindest einem Blechlamellenpaket gebildet ist. Der Rotorkörper 2 weist mehrere Rotorpole auf und ist bevorzugt auf einer Rotorwelle 12 angebracht, wobei die Rotorwelle 12 um eine Rotorachse 100 rotierbar ist. Außerdem weist der Rotorkörper 2 an jedem Rotorpol eine Magnettasche 7 zum Aufnehmen eines Permanentmagneten 8 auf.
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Das Blechlamellenpaket 2 weist bevorzugt eine Vielzahl von Blechlamellen 3 auf, wobei die Blechlamellen 3 aus einem Elektroblech gefertigt sind. Die Blechlamellen 3 sind bevorzugt geteilt ausgebildet. Dadurch weist der Rotorkörper 2 an jedem Rotorpol zumindest ein bezüglich der Rotorachse 100 innerhalb der Magnettasche 7 angeordnetes inneres Polsegment 5 und zumindest ein außerhalb der Magnettasche (7) angeordnetes äußeres Polsegment 6 auf, wie insbesondere in 2 dargestellt ist.
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Außerdem weist der Rotorkörper 2 an jedem Rotorpol einen Polsegmentverbinder 4 auf. Durch den Polsegmentverbinder 4, der aus einem anderen Material als das Blechlamellenpaket 2 hergestellt ist, lassen sich magnetische Eigenschaften ebenso wie mechanische Eigenschaften des Rotors 1 gezielt beeinflussen.
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2 zeigt schematisch eine Detailansicht eines Rotors 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist vorgesehen, das innere Polsegment 5 und das äußere Polsegment 6 jeweils aus einem metallischen oder keramischen ersten Werkstoff gefertigt sind, bevorzugt aus einem Elektroblech. Somit stellt das Material Elektroblech den ersten metallischen oder keramischen Werkstoff dar, aus dem die Blechlamellen 3 gefertigt sind.
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Zusätzlich sind in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel insgesamt drei Polsegmentverbinder 4 vorhanden. Die Polsegmentverbinder 4 bilden jeweils einen Stegbereich 9 zwischen dem inneren Polsegment 5 und dem äußeren Polsegment 6. Bei dem Polsegmentverbinder 4 handelt es sich insbesondere um ein Element, das aus einem metallischen oder keramischen zweiten Werkstoff gefertigt ist, wobei der zweite Werkstoff eine geringere magnetische Leitfähigkeit aufweist als der erste Werkstoff. Besonders vorteilhaft handelt es sich bei dem zweiten Werkstoff um einen austenitischen Stahl.
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Wie bereits beschrieben ist vorgesehen, dass zwischen dem inneren Polsegment 5 und dem äußeren Polsegment 6 zumindest eine Magnettasche 7 gebildet ist, die zur Aufnahme zumindest eines Permanentmagneten 8 dient. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Magnettaschen 7 gebildet, wobei jede Magnettasche 7 zum Aufnehmen eines Permanentmagneten 8 dient. Durch das Anbringen der Permanentmagnete 8 zwischen dem inneren Polsegment 5 und dem äußeren Polsegment 6 ist somit erreicht, dass besagte Polsegmente 5, 6 unterschiedliche Polbereiche bilden. An den Stegbereichen 9 besteht somit die Gefahr von magnetischen Kurzschlüssen, die im Allgemeinen zu vermeiden sind. Da die Stegbereiche 9 durch die Polsegmentverbinder 4 gebildet sind, die einerseits gegenüber dem inneren Polsegment 5 und dem äußeren Polsegment 6 verringerte magnetische Eigenschaften, gleichzeitig aber mechanisch verbesserte Eigenschaften aufweisen, ist somit eine optimale Werkstoffkombination für den Rotor 1 erreicht. An den Stegbereichen 9 ist ein magnetischer Fluss minimiert, sodass die Gefahr von magnetischen Kurzschlüssen ebenfalls minimiert ist. Gleichzeitig ist eine Festigkeit an den Stegbereichen 9 aufgrund des zweiten metallischen oder keramischen Werkstoffs verbessert, sodass insbesondere eine Drehzahlfestigkeit des Rotors 1 erhöht ist.
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3 zeigt schematisch die Blechlamelle 3, die zusammen mit den in 4 dargestellten Polsegmentverbindern 4 einen Verbundkörper bilden. Das Zusammensetzen der Blechlamelle 3, das heißt von dem inneren Polsegment 5 und dem äußeren Polsegment 6, sowie den Polsegmentverbindern 4 erfolgt besonders vorteilhaft durch Einkleben der Polsegmentverbinder 4 in die Blechlamelle 3. Andere Befestigungsmöglichkeiten sind ebenso möglich. So kann eine Befestigung auch durch Löten und/oder Schweißen und/oder Walzen und/oder Gießen und/oder Spritzgießen und/oder Sintern erfolgen. In jedem Fall erfolgt eine Fixierung der Polsegmentverbinder 4 an der Blechlamelle 3, um somit die Stegbereiche 9 zu bilden.
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Die Blechlamellen 3 und insbesondere die Unterteilungen der Blechlamellen 3 aufgrund des inneren Polsegments 5 und des äußeren Polsegments 6, sind bevorzugt durch Stanzen hergestellt. Somit ist jede Blechlamelle 3 einfach und aufwandsarm herstellbar.
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5 und 6 zeigen schematisch verschiedene Zustände eines Rotors 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung während der Herstellung. So ist vorgesehen, dass wiederum eine Blechlamelle 3 ein erstes Polsegment 5 und ein zweites Polsegment 6 aufweist, die separate Bauteile sind. Zwischen dem ersten Polsegment 5 und dem zweiten Polsegment 6 ist ein Polsegmentverbinder 4 eingegossen, sodass ein Verbundkörper zwischen Blechlamelle 3 und Polsegmentverbinder 4 entsteht. Diese Verbundkörper werden einem nachfolgenden Stanzvorgang unterzogen, wobei in besagtem Stanzvorgang das Ausstanzen der Magnettaschen 7 zur Aufnahme von Permanentmagneten 8 erfolgt.
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In 6 ist das finale Ergebnis dargestellt, wobei sich wiederum ein Aufbau analog zu dem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ergibt. Wiederum sind Stegbereiche 9 durch die Polsegmentverbinder 4 gebildet, wobei die Stegbereiche 9 durch Ausstanzen aus dem Verbundkörper entstehen und durch die Polsegmentverbinder 4 gebildet sind. Funktional ergeben sich somit dieselben Vorteile wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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Die 7 und 8 zeigen räumliche Repräsentationen des Rotors 1, mit dem die Blechlamellen 3 aufweisenden Rotorkörper 2. Der Rotorkörper 2 bildet ein Aufnahmevolumen 13 zwischen dem inneren Polsegment 5 und dem äußeren Polsegment 6, in das die Polsegmentverbinder 4 eingesetzt sind. Außerdem sind im Aufnahmevolumen 13 die Magnettaschen 7 ausgebildet, sodass sich die Permanentmagnete 8 ebenfalls im Aufnahmevolumen 13 befinden. Dabei lassen sich verschiedene Ausgestaltungen realisieren. So ist insbesondere aus der Explosionsdarstellung der 8 ersichtlich, dass insgesamt fünf verschiedene Elemente zusammenzusetzen sind. Dabei handelt es sich zum einen um die gestapelten inneren Polsegmente 5, die gestapelten äußeren Polsegmente 6, sowie die drei Polsegmentverbinder 4. Es ist dabei stets vorgesehen, dass einer der Polsegmentverbinder 4 ein zwischen zwei Permanentmagneten 8 der Magnetanordnung angeordneter zentraler Polsegmentverbinder 4 ist. Die übrigen zwei Polsegmentverbinder 4 sind jeweils ein am Außenumfang angeordneter äußerer Polsegmentverbinder 4, wobei die Permanentmagnete 8 jeweils zwischen einem der äußeren Polsegmentverbinder 4 und dem zentralen Polsegmentverbinder 4 angeordnet sind.
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Im ersten Ausführungsbeispiel wurden die Polsegmentverbinder 4 für jede Blechlamelle 3 einzeln befestigt. Gleiches gilt für das Ausstanzen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Ebenso ist aber möglich, die Polsegmentverbinder 4 als einzelne, sich über mehrere Blechlamellen 3 erstreckende, durchgängige Körper zu bilden. Somit kann eine Montage dadurch erfolgen, dass der durchgängige Polsegmentverbinder 4 auf die gestapelten inneren Polsegmente 5 oder äußeren Polsegmente 6 aufgebracht und fixiert wird. Dieser Schritt wird für jeden zu montierenden Polsegmentverbinder 4 wiederholt. Anschließend erfolgt ein finales Zusammensetzen und Fixieren der so vorbereiteten Teilkomponenten. Sind die Polsegmentverbinder 4 durchgängig ausgebildet, so ergibt sich insbesondere eine stabilisierende Wirkung der Polsegmentverbinder, durch die das Blechlamellenpaket 3 stabilisiert ist. In jedem Fall ist aber erreicht, dass die Stegbereiche 9 durch die Polsegmentverbinder 4 gebildet sind, wodurch sich wiederum eine erhöhte Festigkeit an den Stegbereichen einstellt. Dadurch weist der Rotor 1 insbesondere eine hohe Drehzahlfestigkeit auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2013 [0003]
- JP 176210 A [0003]
- JP 5493792 B2 [0003]