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Die Erfindung betrifft einen elektrisch angetriebener Luftverdichter mit einer durch eine Luftlageranordnung gelagerten Welle, an der mindestens ein Verdichterrad angebracht ist.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2012 224 052 A1 sind Brennstoffzellensysteme mit Verdichtern bekannt. Bei Brennstoffzellensystemen oder Brennkraftmaschinen wird beispielsweise zur Erhöhung der Leistung die Luftfüllung in einem Brennraum der Brennstoffzelle oder der Brennkraftmaschine durch den Einsatz eines Verdichters, wie beispielsweise eines Turboladers, erhöht. Der Druck, mit dem die Luft in den Brennraum der Brennstoffzelle oder der Brennkraftmaschine gepresst wird, wird auch als Ladedruck bezeichnet und im Allgemeinen in der Nähe des Brennraums von einem Drucksensor gemessen. Das Drucksignal wird einem geschlossenen Regelkreis zugeführt, welcher den Turbolader steuert und so einen gewünschten Ladedruck einstellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrisch angetriebener Luftverdichter mit einer durch eine Luftlageranordnung gelagerten Welle, an der mindestens ein Verdichterrad angebracht ist, funktionell zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem elektrisch angetriebenen Luftverdichter mit einer durch eine Luftlageranordnung gelagerten Welle, an der mindestens ein Verdichterrad angebracht ist, dadurch gelöst, dass das Verdichterrad an einem Außendurchmesser Aussparungen aufweist, deren Projektionsfläche mindestens zwei Prozent einer Gesamtprojektionsfläche des Verdichterrads einnimmt, wobei die Aussparungen so gestaltet und angeordnet sind, dass in einem Drehzahlbereich zwischen sechzigtausend und einhundertsechzigtausend Umdrehungen pro Minute eine auf die Welle wirkende Gesamtkraft in axialer Richtung durch eine Regelungseinrichtung zur Gesamtkraftregelung um bis zu einhundertzwanzig Newton reduziert wird. Bei dem Brennstoffzellensystem handelt es sich vorzugsweise um ein PEM-Brennstoffzellensystem, wobei die Großbuchstaben PEM für die englischen Begriffe Proton Exchange Membrane stehen. Das mobile Brennstoffzellensystem dient in einem mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Kraftfahrzeug zur Bereitstellung von elektrischer Energie, die zum Beispiel über einen Elektromotor in Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug umgewandelt wird. In Fahrzeugen mit einem PEM-Brennstoffzellensystem wird der zur Reaktion benötigte Sauerstoff typischerweise durch verdichtete Umgebungsluft zur Verfügung gestellt. Die Verdichtung erfolgt oftmals mit einem elektrisch angetriebenen Turboverdichter. Da die Membrane der Brennstoffzelle idealerweise mit möglichst sauberer Luft betrieben werden sollte, werden zur Lagerung der Welle der Luftverdichter möglichst öl- und fettfreie Luftlager eingesetzt. Die Luftlageranordnung umfasst vorzugsweise sowohl Radiallager als auch Axiallager, die als Luftlager ausgeführt sind. Die Luftlager dienen dazu, im Betrieb auftretende Kräfte und Momente aufzunehmen. Darüber hinaus ermöglichen die Luftlager ein möglichst verlustarmes Rotieren der Welle. Der Luftverdichter kann alleine durch einen elektrischen Antrieb angetrieben werden. Zusätzlich zum elektrischen Antrieb ist ein weiterer Antrieb durch mindestens eine Turbinenstufe möglich. Insbesondere in der Figurenbeschreibung werden verschiedene Topologien der Luftverdichter beschrieben, mit denen unter anderem mindestens einer der vorzugsweise mehrere der folgenden Vorteile erreicht wird: Verbesserung der radialen Positioniergenauigkeit eines Rotors und damit Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Luftverdichter durch geringere Laufradspalte; Verbesserung der axialen Positioniergenauigkeit des Rotors und damit Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads der Luftverdichter durch geringere Laufradspalte; Steigerung der spezifischen Axiallagertragkraft, wodurch eine kompaktere Bauform eines Axiallagers ermöglicht wird; Reduktion des Verschleißes und damit Erhöhung der Lebensdauer der Luftverdichter beziehungsweise einer Anzahl möglicher Start-Stopp-Vorgänge durch einen besseren Verschleißschutz; Reduktion von Lagerverlusten im Betrieb und dadurch reduzierter Kühlbedarf sowie effizienterer Betrieb; Erhöhung der Robustheit der Lager, wodurch rotordynamisch ein stabilerer Betrieb ermöglicht wird. Bei dem Schmiermedium für die Lager handelt es sich vorzugsweise um das Arbeitsmedium, mit dem der Luftverdichter betrieben wird, also um Luft. Die Welle des Luftverdichters dreht sich im Betrieb mit sehr hohen Drehzahlen. Die Drehzahlen können einhunderttausend Umdrehungen pro Minute übersteigen. Bei dem Luftverdichter handelt es sich insbesondere um einen Turbinenangetriebenen Turboverdichter oder um einen elektrisch angetriebenen Verdichter mit mindestens einem Turbinenrad. Durch die beanspruchte Ausführung des Luftverdichters können insbesondere nachstehende Mängel heutiger vorrangig durch Turbinen angetriebene luftgelagerten Luftverdichter behoben beziehungsweise reduziert werden: Reduktion der auf das Verdichterrad beziehungsweise Turbinenrad wirkenden Kräfte; hierdurch Reduktion der resultierenden Kräfte, wodurch das Axiallager entsprechend kleiner dimensioniert werden kann; gezielte Beeinflussung der Axialkraft, so dass diese zum Beispiel immer in die gleiche Richtung wirkt; direkte Reduktion des Massenträgheitsmoments des Rotors durch Reduktion der Massenträgheitsmomente des/der Laufrads/Laufräder, hierdurch verbessertes dynamisches Verhalten des Verdichters; durch weitere Reduktion des Massenträgheitsmoments des Rotors durch Größenreduktion des Axiallagers; im Anwendungsfall eines Turboladers Verbesserung des Turbolochs beziehungsweise Low-End-Torques; Reduktion der Laufradmasse, Reduktion der auftretenden Spannungen und Reduktion der Verformungen, hierdurch bei gleichem Werkstoff höhere Drehzahlen und größer Laufräder möglich; Reduktion der Rotormasse. Die Regelungseinrichtung zur Gesamtkraftregelung dient vorteilhaft dazu, die Lagerbelastungen des elektrisch angetriebenen Luftverdichters in dem angegebenen Drehzahlbereich wirksam zu verringern.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektrisch angetriebenen Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass an einem dem Verdichterrad abgewandten Ende der Welle ein Turbinenrad angebracht ist, das an einem Außendurchmesser Aussparungen aufweist, deren Projektionsfläche mindestens fünf Prozent einer Gesamtprojektionsfläche des Turbinenrads einnimmt, wobei die Aussparungen so gestaltet und angeordnet sind, dass in dem Drehzahlbereich zwischen sechzigtausend und einhundertsechzigtausend Umdrehungen pro Minute durch die Regelungseinrichtung die auf die Welle wirkende Gesamtkraft in axialer Richtung um bis zu einhundertzwanzig Newton reduziert wird. So können die Lagerbelastungen im Betrieb des elektrisch angetriebenen Luftverdichters weiter verringert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektrisch angetriebenen Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Projektionsfläche der Aussparungen im Turbinenrad kleiner als oder gleich sechzig Prozent einer Gesamtprojektionsfläche ist. So kann zum einen eine gewünschte Leistung erreicht werden. Darüber hinaus können die vorab beschriebenen Vorteile im Hinblick auf die Masse, Massenträgheit und Axialkraft des Turbinenrads erzielt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektrisch angetriebenen Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen teilkreisförmig gestaltet sind. Diese Gestalt hat sich im Hinblick auf eine im Betrieb des Luftverdichters auftretende Geräuschentwicklung sowohl bei dem Turbinenrad als auch bei dem Verdichterrad als vorteilhaft erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektrisch angetriebenen Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen eine in sich asymmetrische Gestalt aufweisen. Durch Form und Größe der ausgesparten oder abgetragenen Flächen lassen sich gezielt die wirkenden Axialkräfte beeinflussen. Die asymmetrische Gestalt oder Ausformung der Aussparungen ist für einen Luftverdichter, insbesondere für einen Verdichter mit rückwärts gekrümmten Laufrädern, vorteilhaft.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektrisch angetriebenen Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen näher zu in Drehrichtung folgenden Laufradschaufeln als zu in Drehrichtung vorhergehenden Laufradschaufeln angeordnet sind. Die asymmetrische Gestalt oder Ausformung der Aussparungen ist für einen Luftverdichter, insbesondere für einen Verdichter mit rückwärts gekrümmten Laufrädern, vorteilhaft.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektrisch angetriebenen Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Projektionsfläche der Aussparungen im Verdichterrad kleiner als oder gleich fünfundzwanzig Prozent einer Gesamtprojektionsfläche ist. So kann zum einen eine ausreichende Verdichterleistung realisiert werden. Darüber hinaus können die vorab beschriebenen Vorteile im Hinblick auf die Massen, die Massenträgheit und die Axialkraft auf das Verdichterrad effektiv verwirklicht werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektrisch angetriebenen Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung zur Gesamtkraftregelung in den elektrisch angetriebenen Luftverdichter integriert ist. Die Regelungseinrichtung kann ganz oder teilweise in den elektrisch angetriebenen Luftverdichter integriert sein. Je nach Ausführungen umfasst die Regelungseinrichtung mindestens eine Ventileinrichtung, über die im Betrieb des elektrisch angetriebenen Luftverdichters gezielt Zapfluft abgezweigt wird, die einer Luftlageranordnung zugeführt wird. Die Luftlageranordnung umfasst zum Beispiel zwei Radiallager und ein beidseitig wirkendes Axiallager. Die Radiallager und das Axiallager sind als Luftlager ausgeführt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektrisch angetriebenen Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen so gestaltet und angeordnet sind, dass die im Betrieb des elektrisch angetriebenen Luftverdichters auf die Laufräder wirkende Gesamtkraft in axialer Richtung immer nur in eine Richtung wirkt. So kann, insbesondere unter bestimmten Randbedingungen, nur ein einseitig wirkendes Axiallager zur axialen Lagerung der Welle ausreichen.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verdichterrad und/oder ein Turbinenrad für einen vorab beschriebenen elektrisch angetriebenen Luftverdichter. Die Laufräder sind separat handelbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen: Die
- 1 und 2 schematische Darstellungen eines elektrisch angetriebenen Luftverdichters mit einer durch eine Luftlageranordnung gelagerten Welle, die durch einen elektrischen Antrieb antreibbar ist; die
- 3 und 4 zwei Ausführungsbeispiele eines Verdichterrads mit Aussparungen am äußeren Umfang, jeweils perspektivisch;
- 5 ein Ausführungsbeispiel eines Turbinenrads mit Aussparungen am äußeren Umfang perspektivisch;
- 6 eine Projektionsfläche der Aussparungen in dem Verdichterrad aus 4;
- 7 eine Projektionsfläche der Aussparungen in dem Turbinenrad aus 5; und
- 8 eine perspektivische Darstellung einer Welle, an deren Enden das Verdichterrad aus 3 und das Turbinenrad aus 5 angebracht sind.
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In den 1 und 2 sind Ausführungsbeispiele eines elektrisch angetriebenen Luftverdichters 1 schematisch dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden dieselben Bezugszeichen verwendet. Zunächst werden die Gemeinsamkeiten der Ausführungsbeispiele beschrieben. Danach wird auf deren Unterschiede eingegangen.
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Die Gaszuführvorrichtung 1 ist als elektrisch angetriebener Luftverdichter zur Bereitstellung von Luft in einem Brennstoffzellensystem ausgeführt. Der elektrisch angetriebene Luftverdichter 1 umfasst zu diesem Zweck eine Welle 2, die mit Hilfe einer Luftlageranordnung 3 drehbar gelagert ist.
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Die Luftlageranordnung 3 umfasst mindestens eine Radiallager 6, 7, vorzugsweise zwei Radiallager 6, 7. Darüber hinaus umfasst die Luftlageranordnung 3 mindestens ein Axiallager 8.
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Das Axiallager 8 ist zweiseitig oder beidseitig wirkend ausgeführt. Zu diesem Zweck ist an der Welle 2 ein Lagerteller 9 vorgesehen. Der Lagerteller 9 dient zur Darstellung von zwei entgegengesetzt ausgerichteten Axiallagerflächen des beidseitig oder zweiseitig wirksamen Axiallagers 8.
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Die in den 1 bis 10, 14 bis 20 und 24, 25 gezeigten Ausführungsbeispiele des elektrisch angetriebenen Luftverdichters 1 sind mit dem beidseitig oder zweiseitig wirkenden Axiallager 8 ausgestattet.
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An der Welle 2 ist mindestens ein Laufrad 4, 5 angebracht. Die Laufräder 4, 5 sind vorzugsweise an den Enden der Welle 2 angebracht.
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Von den Laufrädern 4, 5 ist mindestens eines als Verdichterrad und mindestens eines als Turbinenrad ausgeführt. Es ist aber auch möglich, dass nur ein Laufrad an der Welle angebracht ist. Es können zwei Laufräder an entgegengesetzten Enden der Welle 2 angebracht sein. Es ist aber auch möglich, zwei Laufräder nur an einem Wellenende anzubringen.
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Bei dem in den 1 und 2 dargestellten elektrisch angetriebenen Luftverdichter 1 ist der Welle 2 ein elektromotorischer Antrieb 10 mit einem Magneten 11, insbesondere einem Permanentmagneten 11, zugeordnet. Der Magnet 11 kann entweder in der Welle 2 oder außerhalb der Welle 2 angeordnet sein. Darüber hinaus kann der Magnet 11 in axialer Richtung an unterschiedlichen Stellen der Welle 2 positioniert sein.
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In 1 ist ein als Turbinenrad ausgeführtes Laufrad 4 am rechten Ende der Welle 2 angebracht. Am linken Ende der Welle 2 ist ein als Verdichterrad ausgeführtes Laufrad 5 angebracht. Der Magnet 11 ist in der Welle 2 zwischen den beiden Radiallagern 6, 7 angeordnet. Das beidseitig wirkende Axiallager 8 ist seitlich der Radiallager 6, 7 in axialer Richtung zwischen dem Laufrad 5 und dem Radiallager 6 angeordnet.
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Der in 2 gezeigte elektrisch angetriebene Luftverdichter 1 entspricht weitestgehend dem in 1 dargestellten elektrisch angetriebenen Luftverdichter 1. Im Unterschied zu 1 ist in 2 der Magnet 11 nicht in der Welle 2, sondern außen an der Welle 2 angebracht.
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Der elektrisch angetriebene Luftverdichter, der zum Beispiel als Turboverdichter ausgeführt ist, umfasst mindestens ein Radiallager, das als Luftlager ausgeführt ist. Darüber hinaus umfasst der elektrisch angetriebene Luftverdichter mindestens ein Axiallager, das ebenfalls als Luftlager ausgeführt ist. Die exakte Rotortopologie ist, wie vorab beschrieben ist, vielfältig wandelbar. Besonders vorteilhaft sind Anordnungen mit zwei Radiallagern und einem beidseitig wirkenden Axiallager.
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Das Besondere bei dem beanspruchten elektrisch angetriebenen Luftverdichter ist, dass die Verdichter- und/oder die Turbinenräder am Außendurchmesser Aussparungen zwischen den Laufradschaufeln aufweisen. Diese können teilkreisförmig ausgeformt sein oder auch eine beliebige, zum Beispiel asymmetrische, Form aufweisen.
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Die Laufräder können gehäuseseitig offen oder mit einer Deckscheibe ausgeführt sein. Durch geeignete Wahl beim Einsatz mindestens zweier Laufräder kann neben einer Reduktion der wirkenden Gesamtkraft diese auch gezielt derart beeinflusst werden, dass die Gesamtkraft im gesamten Betriebsbereich des elektrisch angetriebenen Luftverdichters immer in die gleiche Richtung wirkt. Hierdurch kann unter bestimmten Randbedingungen auch nur ein einseitig wirkendes Axiallager zum Einsatz kommen.
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In den 3 bis 5 sind drei Ausführungsbeispiele eines Laufrads 45; 46; 44 perspektivisch dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zunächst werden die Gemeinsamkeiten der Laufräder 44; 45; 46 beschrieben. Danach wird auf deren Unterschiede eingegangen.
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Das Laufrad 44; 45; 46 umfasst eine Nabe 50 mit einem zentralen Durchgangsloch 51. Von der Nabe 50 geht ein Grundkörper 52 mit einem Außendurchmesser 53 aus.
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Das Laufrad 44; 45; 46 umfasst Laufradschaufeln 54; 55; 56, die über einen Umfang des Laufrads 44; 45; 46 gleichmäßig verteilt sind.
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Das Laufrad 44; 45; 46 umfasst an seinem Außendurchmesser 53 Aussparungen 64; 65; 66. Zwischen zwei benachbarten Laufradschaufeln 54; 55; 56 ist jeweils eine Aussparung 64; 65; 66 angeordnet.
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Bei dem in 3 gezeigten Laufrad 45 handelt es sich um ein Verdichterrad. Das Verdichterrad 45 umfasst insgesamt neun Laufradschaufeln 55 und ebenfalls neun Aussparungen 65. Die Aussparungen 65 haben die Gestalt von Teilkreisen. Dabei sind die Aussparungen 65 jeweils in Umfangsrichtung mittig zwischen zwei Laufradschaufeln 55 angeordnet.
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Das in 4 dargestellte Laufrad 46 ist ebenfalls ein Verdichterrad. Das Verdichterrad 46 umfasst insgesamt neun Laufradschaufeln 56 und ebenfalls neun Aussparungen 66. Die Aussparungen 66 sind in sich asymmetrisch ausgeführt. In einer Drehrichtung oder Rotationsrichtung, die in 4 dem Uhrzeigersinn entspricht, sind die Aussparungen 66 näher an der nachfolgenden Laufradschaufel 53 angeordnet als an der vorangegangenen Laufradschaufel.
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Bei dem in 5 gezeigten Laufrad 44 handelt es sich um ein Turbinenrad. Das Turbinenrad 44 umfasst sechs Laufradschaufeln 54 und sechs Aussparungen 64. Die Aussparungen 64 haben die Gestalt von Teilellipsen. Daraus ergeben sich im Wesentlichen längliche Vertiefungen mit Rundungen.
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In den 6 und 7 sind Projektionsflächen 76; 74 der Aussparungen der Laufräder 46; 44 der 4 und 5 gezeigt.
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Die Projektionsflächen 76 der asymmetrischen Ausformung des Verdichterrads 46 beträgt bezogen auf die Gesamtprojektionsfläche fünfundzwanzig Prozent oder weniger als fünfundzwanzig Prozent. Für das Turbinenrad 44 beträgt die Projektionsfläche 74 der Aussparungen bezogen auf die Gesamtprojektionsfläche sechzig Prozent oder weniger als sechzig Prozent.
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In 8 ist eine Welle 42 perspektivisch dargestellt. An einem in 8 linken Ende der Welle 42 ist das Laufrad 45 aus 3 befestigt. An einem in 8 rechten Ende der Welle 42 ist das in 5 dargestellte Laufrad 44 befestigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012224052 A1 [0002]
