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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit, insbesondere für einen Roboter, mit einem Gehäuse, einer Antriebswelle, einem Antriebsmotor zum Antreiben der Antriebswelle, einem Getriebe, sowie einem Sensor zum Detektieren der Winkelposition der Antriebswelle. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Roboter mit einer solchen Antriebseinheit.
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Gattungsgemäße Antriebseinheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden insbesondere in der Robotik eingesetzt, um beispielsweise Roboterarme möglichst präzise zu verfahren, deren Anwendung etwa in der Industrie, in der Labortechnik oder in der Medizintechnik liegt. Dafür sind die Antriebseinheiten üblicherweise mit einer sehr hohen Übersetzung zwischen Antriebsmotor und dem zu verfahrenden Teil des Roboters sowie einer hohen Steifigkeit ausgelegt, wobei beispielsweise Spannungswellengetriebe verwendet werden. Als Antriebsmotoren werden üblicherweise Elektromotoren und als Sensoren Drehgeber verwendet. Eine entsprechende Antriebseinheit ist beispielsweise aus
KR 102061693 B1 bekannt.
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Bei der Verwendung der Antriebseinheiten in der Robotik werden diese regelmäßig im Dauerbetrieb oder nahezu im Dauerbetrieb verwendet. Dabei ändern sich die Antriebsrichtung und -geschwindigkeit in schneller Folge unter großen Beschleunigungen. Dies führt dazu, dass in der Antriebseinheit auf Grund von Reibung im Antriebsmotor, im Getriebe, in Lagern oder in einer Bremse auch bei der Verwendung von reibungsarmen Bauteilen Abwärme entsteht, die bei einer bevorzugten kompakten Gestaltung der Antriebseinheiten nur schlecht abgeführt werden kann. Entsteht zu viel Wärme, die nicht abgeführt werden kann, heizen die Bauteile der Antriebseinheit auf und können beschädigt werden, so dass die üblicherweise hohen Anforderungen an Wartungsfreiheit und Lebensdauer nicht erfüllt werden können. Es verdampfen etwa Schmiermittel aus den Lagern oder es werden Dichtungen beschädigt. Auch besteht die Gefahr, dass das Gehäuse so weit aufheizt, dass für Personen an den äußeren Flächen eine Verbrennungsgefahr besteht. Weiterhin dehnen sich die Bauteile der Antriebseinheit bei höherer Temperatur aus, so dass die Positionsgenauigkeit verloren geht und Passungen nicht mehr eingehalten werden. Insbesondere ist der Sensor dann nicht mehr in der Lage, die Winkelposition der Antriebswelle korrekt und exakt zu erfassen oder wird selbst beschädigt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik darin, eine gattungsgemäße Antriebseinheit derart weiterzuentwickeln, dass entstehende Wärme effizient abgeführt werden kann. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebseinheit nach Patentanspruch 1 sowie durch einen Roboter nach Patentanspruch 10. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß weist das Gehäuse eine erste und eine zweite Luftdurchlassöffnung, sowie entlang des Antriebsmotors zumindest einen axialen Luftkanal auf, wobei auf der Antriebswelle zumindest ein Laufrad angeordnet ist, das dazu eingerichtet ist, eine Luftströmung zwischen der ersten Luftdurchlassöffnung und der zweiten Luftdurchlassöffnung entlang des zumindest einen Luftkanals zu erzeugen. Auf diese Weise ist eine Luftkühlung geschaffen, mittels der Abwärme der gesamten Antriebseinheit aufgenommen wird. Durch die Anordnung des zumindest einen Laufrads auf der Antriebswelle ist dieses immer dann durch die Antriebswelle angetrieben, wenn die Antriebseinheit in Betrieb ist und somit immer dann, wenn Abwärme entsteht. Vorteilhaft bedarf die erfindungsgemäße Ausgestaltung nur einen geringen baulichen Aufwand, erfordert keine Umgestaltung weiterer Komponenten der Antriebseinheit und ist auch bei kompakt gestalteten Antriebseinheiten umsetzbar.
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Die Luftdurchlassöffnungen erstrecken sich durch das Gehäuse und verbinden einen Innenraum, in dem sich das zumindest eine Laufrad an der Antriebswelle befindet, mit der Umgebung des Gehäuses, wo Umgebungsluft angesaugt beziehungsweise ausgeblasen wird. Bei hohen Kühllasten können alternativ Mittel wie beispielsweise Schlauchtüllen an den Luftdurchlassöffnungen vorgesehen sein, die es erlauben, gezielt gekühlte und/oder staubfreie Luft über Leitungen von außen zu- und/oder abzuführen.
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Das Laufrad ist eine Strömungsvorrichtung und weist bevorzugt mehrere Flügel mit einem Querschnitt auf, der bei einer Rotation des Laufrads ein Druckgefälle zwischen Ansaug- und Druckseite erzeugt, so dass eine Luftströmung entsteht.
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Der Antriebsmotor kann ein einfacher, bekannter Elektromotor sein. In einer Ausführungsform ist der Antriebsmotor ein PCB Motor („printed circuit board Motor“), also ein Motor mit auf einer Schaltplatine aufgedruckten Motorwicklungen. Ein PCB Motor ist vorteilhaft besonders kompakt gestaltbar.
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Der Sensor ist bevorzugt als Drehgeber ausgeführt und insbesondere ein Inkremental- oder Absolutwertgeber. Ein solcher arbeitet in bevorzugten Ausführungsformen berührungslos und somit reibungsfrei und erlaubt eine hohe Messwertgenauigkeit.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind Antriebsmotor, Getriebe und Sensor koaxial mit der Antriebswelle angeordnet, wobei der Sensor auf einer ersten Seite des Antriebsmotors angeordnet ist, wobei das Getriebe auf einer, der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Antriebsmotors angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine kompakte Antriebseinheit mit nur einer Welle geschaffen. Die Kühlluft strömt bei dieser Anordnung in einer Ausgestaltung auf einer Seite ein, umströmt den Antriebsmotor und strömt auf der anderen Seite wieder aus, so dass die Kühlluft auch an dem Getriebe und dem Sensor für eine effiziente Kühlung entlangströmt.
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In einer Ausgestaltung der Ausführungsform ist die erste Luftdurchlassöffnung zwischen Antriebsmotor und Sensor und die zweite Luftdurchlassöffnung zwischen Antriebsmotor und Getriebe angeordnet. Die Kühlluft umströmt dann lediglich den Antriebsmotor und nicht den Sensor oder das Getriebe, während der Sensor und das Getriebe lediglich passiert werden, so dass die Kühlluft zu keinem Zeitpunkt auf den Sensor oder das Getriebe zu strömt oder diese umströmt. Als Passieren wird hier verstanden, dass die Strömungsbahn der Kühlluft in der direkten oder möglichst nahen Umgebung des Sensors entlangströmt, der Sensor jedoch nicht innerhalb dieser Strömungsbahn liegt. Das Getriebe und der Sensor sind somit vor einer Verschmutzung durch in der Kühlluft gegebenenfalls transportiertem Staub geschützt, die insbesondere bei dem Sensor zu einer Fehlfunktion führen könnte. Die Staubpartikel lagern sich nicht außerhalb der Strömungsbahn der Kühlluft ab, während eine Kühlwirkung über diese Grenzen hinaus wirkt. Einem solchen Schutz kommt insbesondere in Industrieumgebungen, in denen regelmäßig Staublasten in der Umgebungsluft bestehen, eine hohe Bedeutung zu. Im Bereich des Getriebes und des Sensors müssen insbesondere keine Luftkanäle vorgesehen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine Laufrad in einer ersten Drehrichtung mit der Antriebswelle gekoppelt und in einer zweiten, der ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung von der Antriebswelle entkoppelt, so dass das zumindest eine Laufrad nur in der ersten Drehrichtung von der Antriebswelle angetrieben wird. Dazu ist beispielsweise ein Freilaufkugellager vorgesehen, das in einer Sperrrichtung im Block dreht und in einer Freilaufrichtung eine Relativbewegung zwischen Antriebswelle und Laufrad zulässt. Die Kühlluft strömt so nur in einer Strömungsrichtung zwischen den Luftdurchlassöffnungen. Bevorzugt wird die Kühlluft zwischen Sensor und Antriebsmotor angesaugt und zwischen Getriebe und Antriebsmotor ausgeblasen, so dass die Kühlluft zuerst die Seite des Sensors durchströmt und dort eine möglichst große Kühlung erzeugt. So ist jederzeit sichergestellt, dass der besonders temperatursensible Sensor ausreichend Kühlung erfährt und Fehlmessungen der Winkelposition vermieden werden. Insbesondere ist die Luftströmung dann von dem Sensor weg orientiert, so dass eine Beaufschlagung des Sensors mit einer Staublast aus der Kühlluft vermieden wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind ein erstes Laufrad und ein zweites Laufrad auf der Antriebswelle angeordnet, wobei das erste Laufrad in der ersten Drehrichtung mit der Antriebswelle gekoppelt ist und in der zweiten Drehrichtung von der Antriebswelle entkoppelt ist, wobei das zweite Laufrad in der ersten Drehrichtung von der Antriebswelle entkoppelt ist und in der zweiten Drehrichtung mit der Antriebswelle gekoppelt ist. Mithin wird in beiden Drehrichtungen der Antriebswelle jeweils eines der Laufräder angetrieben. Die Laufräder sind dabei jeweils so gestaltet, dass sie in ihrer angetriebenen Drehrichtung eine Luftströmung in der bevorzugten Strömungsrichtung, insbesondere von der Sensorseite zur Getriebeseite, erzeugen. Vorteilhaft ist bei dieser Ausgestaltung mit zwei Laufrädern, dass bei häufig wechselnder Antriebsrichtung der Antriebseinheit eine dauerhafte Kühlung gewährleistet wird.
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Bevorzugt ist das erste Laufrad zwischen Antriebsmotor und erster Luftdurchlassöffnung angeordnet und das zweite Laufrad zwischen Antriebsmotor und zweiter Luftdurchlassöffnung angeordnet, so dass die Luftströmung ausschließlich zwischen Luftdurchlassöffnungen und Luftkanal in engen Grenzen strömt und keine weiteren Bauteile umströmt. Eine enge Führung der Kühlluftströmung hat weiterhin den Vorteil, dass insbesondere lediglich in einem begrenzten Bereich der Antriebseinheit Strömungswege vorgesehen werden und der konstruktive Aufwand gering ist.
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In einer Ausführungsform sind die Luftdurchlassöffnungen als radiale Bohrungen in der Gehäusewandung vorgesehen. In einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich zumindest eine Luftdurchlassöffnung mindestens teilweise axial in dem Gehäuse und mündet an einer Stirnseite des Gehäuses. Bevorzugt mündet die Luftdurchlassöffnung auf der getriebeseitigen Stirnseite des Gehäuses. Vorteilhaft ist das Gehäuse in dem axialen Bereich, in dem sich die Luftdurchlassöffnung erstreckt, durch die Luftströmung gekühlt, so dass die in diesem Bereich befindlichen Bauteile und die äußere Oberfläche des Gehäuses gekühlt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in zumindest einer Luftdurchlassöffnung ein Luftfilter angeordnet. Auf diese Weise kann die Staublast der Kühlluft reduziert werden, um insbesondere den Sensor, aber auch die anderen Bauteile und die Luftkanäle vor einer Verschmutzung zu schützen. Der Luftfilter ist beispielsweise ein Tiefenfilter, wobei ein Luftfilter mit einem geringen Druckverlust bevorzugt ist. Der Luftfilter ist bevorzugt aus einem porösen Material gebildet, insbesondere aus einem porösen Metall. In einer Ausführungsform ist in der betreffenden Luftdurchlassöffnung oder den Luftdurchlassöffnungen eine Ausnehmung zum Einsetzen eines insbesondere austauschbaren Luftfilters ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform ist der Luftfilter fest in das Gehäuse integriert und insbesondere einteilig mit dem Gehäuse ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zumindest eine Luftkanal an der Innenseite des Gehäuses durch den Antriebsmotor begrenzt. Die Luftkanäle sind dann an der Innenseite des Gehäuses auf fertigungstechnisch einfache Weise als Aussparung in Form von Ausfräsungen ausgebildet, die nach der Montage des Antriebsmotors einen geschlossenen Luftkanal ergeben. Zudem steht der Antriebsmotor dann in direktem Kontakt mit der Kühlluft und wird besonders effizient gekühlt.
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In verschiedenen Ausführungsformen weisen die Kühlkanäle für eine jeweils effiziente Kühlung mehreckige oder abgerundete Geometrien im Querschnitt auf, wobei sich in einer weiteren Ausführungsform die Querschnittsgeometrie zumindest eines Kanals in axialer Richtung verändert, um einen geringen Strömungswiderstand zu erreichen.
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Die Luftkanäle sind je nach Kühllast in verschiedener Anzahl um den Umfang des Antriebsmotors verteilt angeordnet. Bevorzugt sind die Luftkanäle gleichmäßig und symmetrisch verteilt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Roboter mit einer vorbeschriebenen Antriebseinheit. Der Roboter ist in einer Ausführungsform ein Roboterarm. Ein erfindungsgemäßer Roboter kann etwa ein Industrieroboter, ein medizinischer Roboter, ein Laborroboter oder ein Spielzeugroboter sein.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt
- 1 eine Schnittansicht entlang der Längsachse einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit in einer ersten Ausführungsform,
- 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Antriebseinheit in einer zweiten Ausführungsform im Bereich des Antriebsmotors,
- 3 einen Teilausschnitt eines Querschnitts durch eine Antriebseinheit in einer dritten Ausführungsform im Bereich des Antriebsmotors,
- 4 eine Schnittansicht entlang der Längsachse einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit in einer vierten Ausführungsform, und
- 5 eine schematische Darstellung eines Roboterarms mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit.
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1 zeigt eine Antriebseinheit 1 mit einem diese nach außen begrenzenden Gehäuse 2. Innerhalb des Gehäuses 2 ist eine Antriebswelle 3 mittels Lagern 8a, 8b gelagert, die von einem Antriebsmotor 4 antreibbar ist. Der Antriebsmotor 4 weist ein äußeren Motorgehäuse 4a, einen Rotor 4b sowie einen Stator mit einem Permanentmagneten 4c und Motorwicklungen 4d auf. Die Motorwicklungen 4d sind als gedruckte Schaltkreise (printed circuit board) ausgebildet.
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Weiterhin ist auf der Antriebswelle 3 ein Getriebe 5 angeordnet, dass eine Drehbewegung der Antriebswelle 3 in eine langsamere Drehbewegung eines Abtriebs wandelt. Als Getriebe 5 ist hier ein Spannungswellengetriebe verwendet, das eine hohe Übersetzung und Steifigkeit aufweist. An der Antriebswelle 3 ist dafür ein im Querschnitt elliptischer Absatz 5a als Wellengenerator vorgesehen, der über ein Wälzlager 5b auf eine verformbare Hülse 5c wirkt. Die Hülse 5c weist eine nicht dargestellte Außenverzahnung auf, mit der er in eine Innenverzahnung eines Außenrings 5d zusammenwirkt, der das Abtriebselement des Getriebes 5 ist. Der Außenring 5d ist mittels eines Lagers 5e an einem feststehenden Haltering 5f gelagert.
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Dem Getriebe 5 gegenüberliegend ist weiterhin ein Sensor 6 angeordnet, der die Winkelposition der Antriebswelle 3 als Steuergröße zum Betreiben der Antriebseinheit 1 erfasst. Der Sensor 6 ist zur Außenseite hin mittels eines Staubschutzes 9 vor Verschmutzungen geschützt. Der Sensor 6 ist hier als Drehgeber ausgeführt. Auf die Antriebswelle 3 wirkt zudem eine Bremse 7, mittels der die Antriebswelle 3 abbremsbar ist.
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Das Gehäuse 2 weist eine erste Luftdurchlassöffnung 10a und eine zweite Luftdurchlassöffnung 10b auf, die sich radial durch das Gehäuse 2 erstrecken. Weiterhin sind in dem Gehäuse 2 Luftkanäle 11 entlang des Antriebsmotors 4 ausgebildet. An der Antriebswelle 3 sind mittels Freilauflagern 12a, 12b ein erstes Laufrad 13a und ein zweites Laufrad 13b gelagert, die jeweils Flügel 14a, 14b aufweisen. Die Freilauflager 12a, 12b sind so gestaltet, dass die Laufräder 13a, 13b in einer Drehrichtung von der Antriebswelle 3 mitgenommen werden und in der jeweils entgegengesetzten Drehrichtung von dieser entkoppelt sind. Die Flügel 14a, 14b sind dabei so gestaltet, dass sie in der jeweiligen Drehrichtung, in der die Laufräder 13a, 13b mitgenommen werden, Luft von der ersten Luftdurchlassöffnung 10a ansaugen und durch die Luftkanäle 11 zur zweiten Luftdurchlassöffnung 10b drücken. Dabei unterscheiden sich die Drehrichtungen, in denen ein jeweiliges der Laufräder 13a, 13b von den Freilauflagern 12a, 12b mitgenommen werden, sowie die Orientierung der Flügel 14a, 14b entsprechend.
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Auf diese Weise erzeugt das erste Laufrad 13a bei einer ersten Drehrichtung der Antriebswelle 3 eine Luftströmung von der ersten Luftdurchlassöffnung 10a zur zweiten Luftdurchlassöffnung 10b, während das zweite Laufrad 13b nicht angetrieben wird. In einer entgegengesetzten zweiten Drehrichtung der Antriebswelle 3 erzeugt das zweite Laufrad 13b eine Luftströmung vom der ersten Luftdurchlassöffnung 10a zur zweiten Luftdurchlassöffnung 10b, während das erste Laufrad 13a nicht angetrieben wird.
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Die Luftströmung ist folglich immer so orientiert, dass sie den Bereich des Sensors 6 zuerst und somit vor Aufnahme weiterer Kühllasten passiert, aber niemals auf den Sensor 6 hingerichtet ist. Der Sensor 6 wird auf dieser Weise durch die Kühlluft effizient gekühlt, es besteht jedoch nicht die Gefahr, dass in der Kühlluft enthaltene Staublasten zum Sensor 6 hingetragen werden und diesen verschmutzen und in der Folge gegebenenfalls beschädigen.
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2 zeigt einen Querschnitt durch ein Gehäuse 2 und einen Antriebsmotor 104 mit dem Stator 104a und dem Rotor 104b. Im Umfangsrichtung um den Stator 104a herum verteilt sind in dem Gehäuse 2 rechteckige Aussparungen 17 in Form von Ausfräsungen vorgesehen, die mit der Außenwandung des Stators 104a die Luftkanäle 11 ergeben. Die Anzahl und Geometrie der Luftkanäle 11 kann je nach Kühllast beliebig variiert und optimiert werden. So zeigt etwa 3 einen Ausschnitt einer zu 2 alternativen Ausführungsform der Antriebseinheit 1, bei der mehr Luftkanäle 11 vorgesehen sind, die zudem im Gehäuse 2 als runde Aussparungen 18 in Form von Ausfräsungen ausgebildet sind und mit dem Stator 104a einen entsprechenden Querschnitt aufweisen.
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4 zeigt eine Antriebseinheit 100, die im Wesentlichen der Antriebseinheit 1 gemäß 1 entspricht, sich jedoch darin unterscheidet, dass die zweite Luftdurchlassöffnung 10b sich zu einem Teil axial in dem Gehäuse 2 erstreckt und somit das Getriebe 5 überspannt und an der getriebeseitigen Stirnseite 2a des Gehäuses 2 mündet. Es wird so eine bessere Kühlung des Getriebes 5 erreicht. Weiterhin ist in der ersten Luftdurchlassöffnung 10a ein Luftfilter 19 angeordnet, der insbesondere Staublasten aus einströmender Umgebungsluft herausfiltert.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Roboterarms 30. Der Roboterarm 30 weist einen Sockel 31, ein erstes, gegenüber dem Sockel 31 bewegliches Armteil 32 und ein zweites, gegenüber dem ersten Armteil 32 bewegliches Armteil 33 auf. An dem zweiten Armteil 33 ist ein Kopfteil 34 angeordnet, das beispielsweise ein Werkzeug, insbesondere ein Greif, Schweiß- oder Bohrwerkzeug sein kann. In dem Sockel 31 ist eine erfindungsgemäße Antriebseinheit 1 zum Antrieb zumindest des ersten Armteils 32 um zumindest eine erste Drehachse vorgesehen. An dem Roboterarm 30 können weitere erfindungsgemäße Antriebseinheiten 1 zum Antrieb verschiedener Teile des Roboterarms 30 vorgesehen sein, die hier nicht dargestellt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Gehäuse
- 2a
- Stirnseite des Gehäuses
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Antriebsmotor
- 4a
- Motorgehäuse
- 4b
- Rotor
- 4c
- Permanentmagnet
- 4d
- Motorwicklungen
- 5
- Getriebe
- 5a
- elliptischer Absatz
- 5b
- Wälzlager
- 5c
- Hülse
- 5d
- Außenring
- 5e
- Lager
- 5f
- Haltering
- 6
- Sensor
- 7
- Bremse
- 8a
- Lager
- 8b
- Lager
- 9
- Staubschutz
- 10a
- erste Luftdurchlassöffnung
- 10b
- zweite Luftdurchlassöffnung
- 11
- Luftkanäle
- 12a
- erstes Freilauflager
- 12b
- zweites Freilauflager
- 13a
- erstes Laufrad
- 13b
- zweites Laufrad
- 14a
- Flügel des ersten Laufrads
- 14b
- Flügel des zweiten Laufrads
- 17
- rechteckige Aussparung
- 18
- runde Aussparung
- 19
- Luftfilter
- 30
- Roboterarm
- 31
- Sockel
- 32
- erstes Armteil
- 33
- zweites Armteil
- 34
- Kopfteil
- 100
- Antriebseinheit
- 104
- Antriebsmotor
- 104a
- Stator
- 104b
- Rotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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