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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind, wie in der
DE 10 2011 117 247 A1 beschrieben, ein Stator einer elektrischen Maschine und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Der Stator umfasst einen zylindrischen Statorkern, welcher eine Vielzahl über einen Innenumfang verteilter, sich axial erstreckender Statornuten aufweist. In dem Statorkern ist eine durch Wellenwicklungen gebildete Statorwicklung ausgebildet. Pro Phase sind zwei Windungsstränge gegenläufig wellenförmig im Stator angeordnet, wobei aufeinander folgende Wellen jedes Windungstrangs abwechselnd eine große Wellenbreite und eine kleine Wellenbreite aufweisen und wobei die Wellen der Windungsstränge derart versetzt zueinander angeordnet sind, dass alle Wellen mit kleiner Wellenbreite des einen Windungsstrangs vollständig innerhalb der Wellen mit großer Wellenbreite des jeweils anderen Windungsstrangs derselben Phase angeordnet sind und umgekehrt.
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In der
DE 10 2009 040 684 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Wicklung eines Stators einer elektrischen Maschine beschrieben. Es werden eine Vielzahl von Drahtsegmenten mit rechteckiger Querschnittsfläche in um den Stator herum angeordnete Schlitze eingeführt. Die Drahtsegmente werden L-förmig gebogen, so dass sich ein langer Schenkel und ein erster kurzer Schenkel ergeben, bevor der lange Schenkel des L-förmigen Drahtsegments in oder durch den jeweiligen Schlitz eingeführt wird. Nach dem Einführen wird das Drahtsegment S-förmig gebogen, so dass sich ein zweiter kurzer Schenkel unter Verringerung einer Länge des langen Schenkels ergibt. Der erste kurze Schenkel jedes einzelnen aus einer Mehrzahl der Drahtsegmente wird elektrisch mit dem ersten kurzen Schenkel eines anderen der Drahtsegmente verbunden. Der zweite kurze Schenkel jedes einzelnen aus einer Mehrzahl der Drahtsegmente wird elektrisch mit dem zweiten kurzen Schenkel eines weiteren anderen der Drahtsegmente verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Stator für eine elektrische Maschine anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine elektrische Antriebsmaschine zum Antrieb eines Fahrzeugs, umfasst einen zylindrischen Statorkern, welcher eine Vielzahl über einen Innenumfang verteilter und sich axial erstreckender Nuten und eine Statorwicklung mit mehreren elektrischen Phasen aufweist, wobei pro elektrische Phase mehrere parallele Pfade vorgesehen sind und wobei jeder parallele Pfad durch eine Spulengruppe mit einer Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Spulen gebildet ist.
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Erfindungsgemäß sind die elektrischen Phasen jeweils derart in Umfangsrichtung des Stators an diesem verteilt, dass induzierte Klemmenspannungsverläufe der einzelnen elektrischen Phasen einen Phasenversatz aufweisen, der dem Quotienten entspricht, dessen Dividend 360° ist und dessen Divisor die Phasenanzahl ist, und eine Spulenweite der elektrisch in Reihe geschalteten Spulen ist im Mittel für jeden parallelen Pfad und für jede elektrische Phase gleich, und eine Spulenebene der elektrisch in Reihe geschalteten Spulen am Stator, von einem Luftspalt zwischen dem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine bis zu einem Statorjoch, d. h. in Radialrichtung zwischen der Innenseite und Außenseite des Stators, ist im Mittel für jeden parallelen Pfad und für jede elektrische Phase gleich. Insbesondere ist die Spulenweite aller Spulen der Statorwicklung gleich oder zumindest im Mittel gleich. Mit dem „im Mittel“ ist insbesondere das arithmetische Mittel gemeint, auch als arithmetischer Mittelwert oder Durchschnitt bezeichnet.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine Symmetrie der Statorwicklung erreicht, insbesondere eine symmetrische Positionierung und Verschaltung der Statorwicklung am Stator. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist somit die Statorwicklung vorteilhafterweise in Umfangsrichtung und in Radialrichtung des Stators symmetrisch verteilt am Stator angeordnet.
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Vorteilhafterweise sind oder werden eine Polpaarzahl, Nutzahl, Phasenanzahl und Anzahl der spannungshaltenden Windungszahl TSPH vorgegeben und danach wird die Statorwicklung auf die beschriebene Weise am Stator positioniert, d. h. insbesondere die Verteilung und Verschaltung der einzelnen Spulen entsprechend vorgenommen, um die Symmetrie der Statorwicklung am Stator zu erreichen.
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Insbesondere bei elektrischen Antriebsmaschinen zum Antrieb von Fahrzeugen wird angestrebt, hinsichtlich Drehmoment, Leistung, Wirkungsgrad und Verhalten in einem Fehlerfall ein Optimum zu erreichen, d. h. diese elektrischen Antriebsmaschinen entsprechend zu optimieren. Gleichzeitig werden ein möglichst einfacher Aufbau und eine automatisierte Herstellung solcher elektrischen Antriebsmaschinen für Fahrzeuge angestrebt. Die automatisierte Herstellung der erfindungsgemäßen Statorwicklung kann insbesondere durch die so genannte Hairpin-Technologie realisiert werden, die jedoch hinsichtlich der Wicklungsverteilung in Kombination mit einer idealen Spannungsausnutzung Einschränkungen bezüglich Nut- und Lagensprüngen mit sich bringt. Das Wickelschema der erfindungsgemäßen Lösung, insbesondere in Form einer Bruchlochwicklung, ermöglicht unter Ausnutzung der verfügbaren Spannungslage eine optimale Flussverkettung.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, insbesondere nach Auswahl von Nuten, Polen, Windungszahlen und seriellen/parallelen Wicklungsgruppen, eine Bruchlochtopologie zu finden, die einen hohen symmetrischen Aufbau aufweist und sich in der Hairpin-Technologie umsetzen lässt.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird insbesondere eine hohe Leistungsdichte auf kleinem Bauraum durch kleine Wickelköpfe erreicht. D. h. durch die erfindungsgemäße Lösung werden stirnseitig am Stator kleine Wickelköpfe ermöglicht, so dass der Bauraum klein gehalten werden kann.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht des Weiteren eine sehr gute Automatisierbarkeit in der Herstellung, insbesondere mittels der Stecktechnik von Stiften in die Nuten, insbesondere mittels der Hairpin-Technologie, und mittels einer Wellenwickel- Technik.
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Zudem können durch die erfindungsgemäße Lösung hohe Wirkungsgrade durch eine hohe Nutfüllung bei Berücksichtigung von Zusatzverlusten durch Stromverdrängung erzielt werden.
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Eine Flussverkettung kann bei der erfindungsgemäßen Lösung gut an Anforderungen wie Spannungslage und Performance angepasst werden.
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Insbesondere zum Erreichen der symmetrischen Statorwicklung sind die einzelnen parallelen Pfade der jeweiligen elektrischen Phase vorteilhafterweise in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet.
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Vorteilhafterweise sind die elektrisch in Reihe geschalteten Spulen des jeweiligen parallelen Pfades der jeweiligen elektrischen Phase derart am Stator positioniert, dass im Betrieb der elektrischen Maschine eine durch einen Rotor der elektrischen Maschine induzierte Spannung für alle parallelen Pfade der jeweiligen elektrischen Phase im Hinblick auf Amplitude und Phasenlage gleich ist.
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Um eine einfache, schnelle und kostengünstige Herstellung des Stators, insbesondere der Statorwicklung, zu ermöglichen, sind die Spulen vorteilhafterweise mittels in die Nuten des Stators gesteckten Stiften ausgebildet. Die Stifte sind beispielsweise als Pin, insbesondere als IPin, oder als Hairpin ausgebildet. Ein Pin oder IPin ist ein einzelner gerader Stift, welcher in einer Nut angeordnet ist und mit anderen Stiften elektrisch leitend verbunden werden muss. Ein Hairpin umfasst zwei bereits an einer Stirnseite elektrisch leitend miteinander verbundene einzelne parallel zueinander angeordnete Stifte, die in jeweils einer Nut angeordnet sind.
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Wie bereits erwähnt, ist die Statorwicklung vorteilhafterweise als eine Bruchlochwicklung ausgebildet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch ein Wickelschema einer Ausführungsform eines Stators für eine elektrische Maschine,
- 2 schematisch ein Ausschnitt des Wickelschemas aus 1,
- 3 schematisch eine Darstellung einer Spulenweite und einer Position einer jeweiligen Pinmitte von durch Hairpins gebildeten Spulen einer Statorwicklung des Stators aus 1 bezüglich Nuten des Stators,
- 4 schematisch eine Darstellung der Position der jeweiligen Pinmitte der durch Hairpins gebildeten Spulen der Statorwicklung des Stators aus 1 bezüglich einer radialen Nutebene des Stators und bezüglich der Nuten des Stators,
- 5 schematisch ein Wickelschema einer weiteren Ausführungsform eines Stators für eine elektrische Maschine,
- 6 schematisch ein Ausschnitt des Wickelschemas aus 5,
- 7 schematisch eine Darstellung der Spulenweite und der Position der jeweiligen Pinmitte der durch Hairpins gebildeten Spulen der Statorwicklung des Stators aus 5 bezüglich der Nuten des Stators,
- 8 schematisch eine Darstellung der Position der jeweiligen Pinmitte der durch Hairpins gebildeten Spulen der Statorwicklung des Stators aus 5 bezüglich der radialen Nutebene des Stators und bezüglich der Nuten des Stators,
- 9 schematisch ein Wickelschema einer weiteren Ausführungsform eines Stators für eine elektrische Maschine,
- 10 schematisch ein Ausschnitt des Wickelschemas aus 9,
- 11 schematisch eine Darstellung der Spulenweite und der Position der jeweiligen Pinmitte der durch Hairpins gebildeten Spulen der Statorwicklung des Stators aus 9 bezüglich der Nuten des Stators, und
- 12 schematisch eine Darstellung der Position der jeweiligen Pinmitte der durch Hairpins gebildeten Spulen der Statorwicklung des Stators aus 9 bezüglich der radialen Nutebene des Stators und bezüglich der Nuten des Stators.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1, 5 und 9 zeigen verschiedene Wickelschemata von Ausführungsformen eines Stators S für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine elektrische Antriebsmaschine zum Antrieb eines Fahrzeugs. Der Stator S umfasst einen zylindrischen Statorkern, welcher eine Vielzahl über einen Innenumfang verteilter und sich axial erstreckender Nuten N und eine Statorwicklung mit mehreren elektrischen Phasen U, V, W aufweist, wobei pro elektrische Phase U, V, W mehrere parallele Pfade P1, P2, P3, P4 vorgesehen sind und wobei jeder parallele Pfad P1, P2, P3, P4 durch eine Spulengruppe mit einer Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Spulen SP gebildet ist.
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Für einen idealen Betrieb einer elektrischen Maschine mit Profildrahtwicklung ist es von besonderem Vorteil, wenn eine Verteilung und Verschaltung der Profildrähte innerhalb der Nuten N des Stators S für alle elektrischen Phasen U, V, W gleichmäßig und symmetrisch ist. Eine Abweichung der Symmetrie führt zu Ausgleichströmen innerhalb parallel geschalteter Spulen SP, die wiederum Zusatzverluste in der Maschinenwicklung der elektrischen Maschine erzeugen.
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Für die Ausführung einer idealen symmetrischen Wicklung sind folgende Regeln einzuhalten:
- Nach Auswahl einer Polpaarzahl p, Nutzahl Q, Phasenanzahl m und Anzahl der spannungshaltenden Windungszahl TSPH ist die Verteilung und Verschaltung der einzelnen Spulen SP symmetrisch, wenn die elektrischen Phasen U, V, W jeweils derart in Umfangsrichtung verteilt sind, dass induzierte Klemmenspannungsverläufe der einzelnen elektrischen Phasen U, V, W einen Phasenversatz aufweisen, der dem Quotienten entspricht, dessen Dividend 360° ist und dessen Divisor die Phasenanzahl m ist, und eine Spulenweite SW der elektrisch in Reihe geschalteten Spulen SP im Mittel für jeden parallelen Pfad P1, P2, P3, P4 und für jede elektrische Phase U, V, W gleich ist, und eine Spulenebene der in Reihe geschalteten Spulen SP am Stator S, von einem Luftspalt L zwischen dem Stator S und einem Rotor der elektrischen Maschine bis zu einem Statorjoch SJ, d. h. in Radialrichtung zwischen der Innenseite und Außenseite des Stators S, ist im Mittel für jeden parallelen Pfad P1, P2, P3, P4 und für jede elektrische Phase U, V, W gleich ist.
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Die einzelnen parallelen Pfade P1, P2, P3, P4 der jeweiligen elektrischen Phase U, V, W sind vorteilhafterweise in Umfangsrichtung des Stators S gleichmäßig verteilt angeordnet.
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Die elektrisch in Reihe geschalteten Spulen SP des jeweiligen parallelen Pfades P1, P2, P3, P4 der jeweiligen elektrischen Phase U, V, W sind vorteilhafterweise derart am Stator S positioniert, dass im Betrieb der elektrischen Maschine eine durch einen Rotor der elektrischen Maschine induzierte Spannung für alle parallelen Pfade P1, P2, P3, P4 der jeweiligen elektrischen Phase U, V, W Phase im Hinblick auf Amplitude und Phasenlage gleich ist.
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Um eine einfache, schnelle und kostengünstige Herstellung des Stators S, insbesondere der Statorwicklung, zu ermöglichen, sind die Spulen SP in den dargestellten Beispielen mittels in die Nuten N des Stators S gesteckten Stiften ausgebildet, welche als Hairpin ausgebildet sind. Der Hairpin umfasst zwei bereits an einer Stirnseite elektrisch leitend miteinander verbundene einzelne parallel zueinander angeordnete Stifte, die in jeweils einer Nut N angeordnet sind. Somit bildet der jeweilige Hairpin eine Spule SP.
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Bei den ersten beiden Ausführungsformen gemäß 1 und 5 sind die oben genannten Symmetriebedingungen erfüllt, wie auch aus den 3 und 4 bzw. 7 und 8 ersichtlich. Auf die dritte Ausführungsform gemäß 9 trifft dies nicht zu, wie auch aus den 11 und 12 ersichtlich. Dies ist somit ein Negativbeispiel als Vergleich zu den beiden anderen Ausführungsformen.
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Bei der Ausführungsform gemäß 1 umfasst der Stator S 84 Nuten N, wobei in jeder Nut N in Radialrichtung vom Statorjoch SJ zum Luftspalt L acht Stifte angeordnet sind, d. h. der Stator S weist acht Nutebenen E auf. Die Statorwicklung umfasst drei elektrische Phasen U, V, W und pro Phase U, V, W vier parallele Pfade P1, P2, P3, P4 mit jeweils 28 elektrisch in Reihe geschalteten Spulen SP. Eine Reihenfolge der elektrischen Reihenschaltung der in den Nuten N angeordneten einzelnen Stifte des jeweiligen parallelen Pfades P1, P2, P3, P4 ist anhand der Nummerierung der Stifte in 1 ersichtlich. Diese Nummerierung beginnt für jeden parallelen Pfad P1, P2, P3, P4 bei 1 und endet bei 56. 2 zeigt die durch eine jeweilige Phase U, V, W belegten Nuten N, hier für die Phase U. Diese Belegung ist für alle elektrischen Phasen U, V, W gleich, nur jeweils in Umfangsrichtung des Stators S verschoben. Die einzelnen Pfade P1, P2, P3, P4 der jeweiligen Phase U, V, W sind jeweils unterschiedlich schraffiert dargestellt. Von der einzelnen Phase U, V, W sind jeweils vier Nuten N in Umfangsrichtung nebeneinander belegt und dazwischen jeweils sieben Nuten N frei, wobei jeweils eine äußere der jeweiligen belegten Nuten N nur zur Hälfte belegt ist und zur Hälfte, in Radialrichtung immer abwechselnd, mit einer anderen elektrischen Phase U, V, W belegt ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß 5 umfasst der Stator S 72 Nuten N, wobei in jeder Nut N in Radialrichtung vom Statorjoch SJ zum Luftspalt L acht Stifte angeordnet sind, d. h. der Stator S weist acht Nutebenen E auf. Die Statorwicklung umfasst drei elektrische Phasen U, V, W und pro Phase U, V, W vier parallele Pfade P1, P2, P3, P4 mit jeweils 24 elektrisch in Reihe geschalteten Spulen SP. Eine Reihenfolge der elektrischen Reihenschaltung der in den Nuten N angeordneten einzelnen Stifte des jeweiligen parallelen Pfades P1, P2, P3, P4 ist anhand der Nummerierung der Stifte in 5 ersichtlich. Diese Nummerierung beginnt für jeden parallelen Pfad P1, P2, P3, P4 bei 1 und endet bei 48. 6 zeigt die durch eine jeweilige Phase U, V, W belegten Nuten N, hier für die Phase U. Diese Belegung ist für alle elektrischen Phasen U, V, W gleich, nur jeweils in Umfangsrichtung des Stators S verschoben. Die einzelnen Pfade P1, P2, P3, P4 der jeweiligen Phase U, V, W sind jeweils unterschiedlich schraffiert dargestellt. Von der einzelnen Phase U, V, W sind jeweils drei Nuten N in Umfangsrichtung nebeneinander belegt und dazwischen jeweils sechs Nuten N frei.
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Bei der Ausführungsform gemäß 9 umfasst der Stator S 72 Nuten N, wobei in jeder Nut N in Radialrichtung vom Statorjoch SJ zum Luftspalt L sieben Stifte angeordnet sind, d. h. der Stator S weist sieben Nutebenen E auf. Die Statorwicklung umfasst drei elektrische Phasen U, V, W und pro Phase U, V, W drei parallele Pfade P1, P2, P3 mit jeweils 28 elektrisch in Reihe geschalteten Spulen SP. Eine Reihenfolge der elektrischen Reihenschaltung der in den Nuten N angeordneten einzelnen Stifte des jeweiligen parallelen Pfades P1, P2, P3 ist anhand der Nummerierung der Stifte in 9 ersichtlich. Diese Nummerierung beginnt für jeden parallelen Pfad P1, P2, P3 bei 1 und endet bei 56. 10 zeigt die durch eine jeweilige Phase U, V, W belegten Nuten N, hier für die Phase U. Diese Belegung ist für alle elektrischen Phasen U, V, W gleich, nur jeweils in Umfangsrichtung des Stators S verschoben. Die einzelnen Pfade P1, P2, P3 der jeweiligen Phase U, V, W sind jeweils unterschiedlich schraffiert dargestellt. Von der einzelnen Phase U, V, W sind jeweils drei Nuten N in Umfangsrichtung nebeneinander belegt und dazwischen jeweils sechs Nuten N frei.
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Die 3, 7 und 11 zeigen für die jeweilige Ausführungsform eine sich aus dem Wickelschema ergebende Spulenweite SW und Position einer jeweiligen Pinmitte PN der durch Hairpins gebildeten Spulen SP bezüglich Nuten N des Stators S.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 weisen die Spulen SP jedes parallelen Pfades P1, P2, P3, P4 jeder elektrischen Phase U, V, Wjeweils eine Spulenweite SW von 11 auf, d. h. der eine Stift der jeweiligen Spule SP ist in Radialrichtung des Stators S elf Nuten N weiter angeordneten als der andere Stift der jeweiligen Spule SP, wie auch aus 1 ersichtlich. Die Pinmitte PN der jeweiligen Spule SP ist ein mittlerer Bereich der Verbindung der jeweiligen beiden Stifte. Diese Pinmitte PN befindet sich für 4 Spulen SP auf Höhe der zehnten Nut N, für drei Spulen SP auf Höhe der 20. Nut N, für 4 Spulen SP auf Höhe der 30. Nut N, für drei Spulen SP auf Höhe der 40. Nut N, für 4 Spulen SP auf Höhe der 50. Nut N, für drei Spulen SP auf Höhe der 60. Nut N, für 4 Spulen SP auf Höhe der 70. Nut N und für drei Spulen SP auf Höhe der 80. Nut N.
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Es liegt somit ideale Symmetrie vor, da jeder parallele Pfad P1, P2, P3, P4 jeder elektrischen Phase U, V, W im Mittel die gleiche Spulenweite SW hat.
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Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 5 weisen die Spulen SP jedes parallelen Pfades P1, P2, P3, P4 jeder elektrischen Phase U, V, W jeweils eine Spulenweite SW von 9 auf, d. h. der eine Stift der jeweiligen Spule SP ist in Radialrichtung des Stators S neun Nuten N weiter angeordneten als der andere Stift der jeweiligen Spule SP, wie auch aus 5 ersichtlich. Die Pinmitte PN der jeweiligen Spule SP befindet sich für jeweils 3 Spulen SP auf Höhe der zehnten Nut N, 20. Nut N, 30. Nut N, 40. Nut N, 50. Nut N, 60. Nut N und 70. Nut N.
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Es liegt somit ideale Symmetrie vor, da jeder parallele Pfad P1, P2, P3, P4 jeder elektrischen Phase U, V, W im Mittel die gleiche Spulenweite SW hat.
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Bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 9 weisen die Spulen SP unterschiedliche Spulenweiten SW auf. So weisen pro elektrische Phase U, V, W bei einem Pfad P1, P2, P3 28 Spulen SP eine Spulenweite SW von 9 auf und bei den beiden anderen parallelen Pfaden P1, P2, P3 weisen 14 Spulen SP eine Spulenweite SW von 7 und 14 Spulen SP eine Spulenweite SW von 11 auf. Es liegt somit keine ideale Symmetrie vor, da nicht jeder parallele Pfad P1, P2, P3 jeder elektrischen Phase U, V, W im Mittel die gleiche Spulenweite SW hat.
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Die 4, 8 und 12 zeigen für die jeweilige Ausführungsform eine sich aus dem Wickelschema ergebende Position der jeweiligen Pinmitte PE der durch Hairpins gebildeten Spulen SP der Statorwicklung des Stators S bezüglich der radialen Nutebene E des Stators S und bezüglich der Nuten N des Stators S. Bei allen Ausführungsformen gemäß 1, 5 und 9 hat jeder parallele Pfad P1, P2, P3, P4 jeder elektrischen Phase U, V, W im Mittel die gleiche Verteilung der Spulen SP in der Nut N, insbesondere bezüglich der radialen Nutebene E. Es liegt somit ideale Symmetrie vor, auch bei der dritten Ausführungsform. Bei der dritten Ausführungsform betrifft dies jedoch nur die Nutebene E und nicht die Spulenweite SW, wie oben zu 9 erläutert, so dass insgesamt bei der dritten Ausführungsform keine ideale Symmetrie vorliegt.
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Bezugszeichenliste
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- E
- Nutebene
- L
- Luftspalt
- N
- Nut
- P1, P2, P3, P4
- Pfad
- PE
- Pinmitte bezüglich Nutebene
- PN
- Pinmitte bezüglich Nut
- S
- Stator
- SJ
- Statorjoch
- SP
- Spule
- SW
- Spulenweite
- U, V, W
- Phase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011117247 A1 [0002]
- DE 102009040684 A1 [0003]