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Die
Erfindung betrifft eine Flachspule für einen Elektromotor,
insbesondere einen Gleichstrommotor, die aus Flachwicklungselementen
aus in einer Ebene nebeneinander liegenden Windungen besteht, und
eine Vorrichtung zu deren Herstellung.
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Eine
Flachspule für einen Elektromotor, insbesondere Gleichstrommotor,
ist aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2007 004 359 A1 bekannt. Aus
einer dünnen Folie aus einem leitfähigen Material
werden Flachwicklungselemente-Paare, bestehend aus zwei sich gegenüber
liegenden Flachwicklungselementen geformt. Die Windungsenden sind bereits
durch eine Falzstelle verbunden. Anschließend werden die
Flachwicklungselement-Paare gefaltet und ein Windungsanfang eines
zweiten Flachwicklungselements mit einem Windungsanfang eines ersten
Flachwicklungselementes eines nachfolgenden Flachwicklungselement-Paares
verbunden.
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Es
stellt sich die Aufgabe, die bekannten Flachspulen so weiter zu
entwickeln, dass sie einfacher herzustellen sind und verbesserte
Einsatzeigenschaften haben.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe bei einer Flachspule dadurch gelöst,
- – dass wenigstens zwei genannte Flachwicklungselemente
aus gegenläufig gewickelten Windungen bestehen und
- – dass die Windungen aus einem einzigen durchgehenden
Drahtelement hergestellt sind.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass ohne Schweißverbindungen zwei Flachwicklungselemente
als Flachwicklungselemente-Paar eine Flachspule darstellen können.
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Die
Aufgabe wird weiterhin bei einer Flachspule dadurch gelöst,
- – dass zwei Flachwicklungselemente
als Flachwicklungselemente-Paar aus gegenläufig gewickelten
Windungen bestehen,
- – dass die Flachwicklungselemente-Paare nebeneinander
angeordnet sind und
- – dass die Windungen der nebeneinander angeordneten
Flachwicklungselemente-Paare aus einem einzigen durchgehenden Drahtelement
hergestellt sind.
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Der
Vorteil des durchgehenden Drahtelements, und das gilt für
beide Lösungen, besteht insbesondere darin, dass für
die Fertigung einer Spule keine Wende- und Verbindungsarbeiten z.
B. durch Schweißen etc. anfallen. Hierdurch können
die Herstellungskosten optimiert werden. Außerdem gibt
es keine Verbindungsprobleme durch fehlerhafte Verbindungsstellen.
Dadurch kann die Qualitätskontrolle der Stromführung
auf ein Mindestmaß reduziert werden.
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Unter
gegenläufig gewickelten Windungen sollen dabei solche verstanden
werden, bei denen die erste Windung von außen nach innen
und die zweite von innen nach außen gewickelt ist.
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Die
Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Herstellung einer Flachspule
für einen Elektromotor, insbesondere Gleichstrommotor dadurch
gelöst,
- – dass wenigstens
eine Wickeleinheit wenigstens mit wenigstens einer Rechnereinheit
verbunden ist und
- – dass die Wickeleinheit durch die Rechnereinheit wie
folgt gesteuert ist:
- – Biegen eines Drahtelements zu wenigstens einer Gruppe
untereinander beabstandeter und nebeneinander liegender Windungen
a1)
für das erste Flachwicklungselement derart, dass die Windungen
in ihren Außenabmessungen wenigstens um einen Durchmesser
des Drahtelements von der äußersten zur innersten
Windung verringert sind, und
a2) für das zweite Flachwicklungselement
derart, dass die Windungen in ihren Außenabmessungen wenigstens
um den Durchmesser des Drahtelements von der innersten zur äußersten
Windung vergrößert sind;
- – Zusammenschieben der Gruppe untereinander beabstandeter
und nebeneinander liegender Windungen derart, dass wenigstens ein
Flachwicklungs-Paar vorliegt.
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Die
Aufgabe wird weiterhin bei einer Vorrichtung zur Herstellung einer
Flachspule für einen Elektromotor, insbesondere Gleichstrommotor
dadurch gelöst,
- – dass wenigstens
eine Wickeleinheit wenigstens mit wenigstens einer Rechnereinheit
verbunden ist und
- – dass die Wickeleinheit durch die Rechnereinheit wie folgt
gesteuert ist:
- – Biegen eines Drahtelements zu wenigstens einer Gruppe
untereinander beabstandeter und nebeneinander liegender Windungen
a1)
für das erste Flachwicklungselement derart, dass die Windungen
in ihren Außenabmessungen wenigstens um einen Durchmesser
des Drahtelements von der äußersten zur innersten
Windung verringert sind, und
a2) für das zweite Flachwicklungselement
derart, dass die Windungen in ihren Außenabmessungen wenigstens
um den Durchmesser des Drahtelements von der innersten zur äußersten
Windung vergrößert sind;
- – Biegen weiterer Gruppen unter einander beabstandeter
und nebeneinander liegender Windungen
b1) für weitere
erste Flachwicklungselemente, die sich in ihren Außenabmessungen
wenigstens um den Durchmesser des Drahtelements von der äußersten
zur innersten Windung verringern, und
b2) für weitere
zweite Flachwicklungselemente, die sich in ihren Außenabmessungen
wenigstens um den Durchmesser des Drahtelements von der innersten
zur äußersten Windung vergrößern;
- – Zusammenschieben der Gruppen untereinander beabstandeter
und nebeneinander liegender Windungen derart, dass weitere Flachwicklungs-Paare
für ein Flachspule vorliegen.
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Vorteile
beider Lösungen bestehen insbesondere darin, dass die Windungen
nacheinander und ohne Unterbrechung zu wenigstens einem Flachwicklungs-Paar
ohne Füge- und Faltungsarbeiten gefertigt werden können.
Damit ist es möglich, die Flachspule sehr kostengünstig
vollautomatisch herzustellen. Weiterhin werden Spitzen und schar fe Kanten,
die bei einem Ausformungsprozess, z. B. durch Stanzen oder Ätzen
entstehen können, weitestgehend vermieden. Das verbessert
das magnetische und elektrische Feld der Flachwicklungen ganz wesentlich.
Dadurch, dass keine Feldkonzentrationen entstehen, wird die Isolation
weniger beansprucht, was zur Folge hat, dass die Mengen notwendigen
Isoliermaterials verringert werden können.
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Es
möglich, in einem einzigen Windungsvorgang eine geforderte
Anzahl Flachwicklungs-Paare zu Flachspulen zu produzieren. Die fertigungstechnischen
Vorteile sind besonders groß und wirken sich äußerst
kostensenkend auf den Gesamtpreis des Elektromotors aus.
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Die
Flachwicklungselemente-Paare können als geometrische Konfiguration
ausgebildet sein. Die geometrische Konfiguration der Flachwicklungselemente-Paare
kann ein Vieleck, also ein Quadrat, ein Rechteck, ein Sechseck,
ein Achteck, ein Trapez, aber auch ein Oval, ein Kreisring oder
dgl. sein. Welche Konfiguration gewählt wird, hängt
von den jeweiligen Einsatzbedingungen ab.
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Die
Wickeleinheit kann unterschiedlich ausgebildet sein. So kann sie
ein doppelkonischer Wickeldorn, eine geführte Biegeeinheit
oder dgl. sein. Der Wickeldorn kann aus mehreren Dornstreben bestehen.
Der Wickeldorn kann als Körperelement mit wenigstens einem
durchgehenden Seitenelement ausgebildet sein. Die geometrische Form
des Wickeldorns wird durch die gewählte geometrische Form der
Windung bestimmt. So kann der Wickeldorn aus zwei Pyramidenstümpfen
bestehen, die an ihren Enden anliegen. Vorzugsweise liegen die Flächen
aneinander, die Richtung gedachter Pyramidenspitze zeigen.
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Das
Drahtelement kann im Querschnitt als quadratisches Profil, Rechteckprofil,
Tonnenprofil, wenigstens teilweise gerundetes Rechteckprofil, Sechseckprofil,
Rundprofil, gewalztes Rundprofil oder dgl. Profil ausgebildet sein.
Das gewählte Profil kann die Verarbeitungseigenschaften
und die Packungsdichte des Drahtelements bestimmen.
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Die
getroffenen Isoliermaßnahmen bestimmen in hohem Maße
die Funktionssicherheit der Windung und damit die Funktionssicherheit
des gesamten Elektromotors. So kann zwischen den Flachwicklungselementen
ein Isolierelement angeordnet sein. Ein derartiges Isolierelement
kann eine Isolierfolie sein. Die Wicklungstechnik erlaubt es auch,
dass das Isolierelement eine Isolation sein kann, die das Drahtelement
umgibt. Diese Isolation kann bereits auf die Drahtseele aufgebracht
sein. Der Windungsvorgang wird dann mit dem isolierten Drahtelement
vorgenommen. Es ist aber auch möglich, dass die gewickelten
Flachwicklungselemente in Isolierlack getaucht werden und damit
die Drahtseele so isoliert oder nachisoliert wird.
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Die
Windungen können erhitzt werden und dadurch die Isolation
verbacken. Hierdurch entsteht eine sehr robuste stehende Spule.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
auf einem doppelkonischen Wickeldorn einer Wickelmaschine gewickeltes
Doppelspulenelement in einer teilweise schematischen perspektivischen
Darstellung,
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1a bis 1g verschiedene
Querschnittsprofile eines Drahtelements zur Windung eines Doppelspulenelements,
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2 ein
gewickeltes Doppelspulenelement in einer schematischen perspektivischen
Darstellung,
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3 ein
fertig gestelltes Flachwicklungs-Paar in einer schematisch dargestellten
Seitenansicht,
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4 mehrere
gewickelte Doppelspulenelemente zur Herstellung eines Spulenelements
in einer schematischen perspektivischen Darstellung,
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5 einen
bürstenlosen Gleichstrommotor in einer schematischen von
oben gesehenen Schnittdarstellung,
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6 einen
Teilausschnitt aus einem Rotorelement eines Gleichstrommotors gemäß 1,
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7 ein
Statorwicklungselement eines Gleichstrommotors gemäß 6 und
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8 eine
Sternschaltung von Flachkörperspulenelementen eines Statorwicklungselements
gemäß 7 in einer schematisch dargestellten
Seitenansicht.
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Ein
Flachspule, im folgenden Spulenelement 21.1 für
einen Gleichstrommotor 100 (vgl. insbesondere 5)
besteht als Flachspule aus einer Vielzahl miteinander verbundener
Flachwicklungselemente-Paare 3, 4. In 1 ist
eine Wickelmaschine 50 gezeigt, die einen doppelkonischen
Wickeldorn 52 aufweist. Der Wickeldorn 52 besteht
zum einen aus vier Dornstreben 52.1, 52.2, 52.3 und 52.4,
die die Außenkanten eines ersten Pyramidenstumpfs begrenzen,
und zum anderen aus vier Dornstreben 52.5, 52.6, 52.7 und 52.8,
die die Außenkanten eines zweiten Pyramidenstumpfs begrenzen
und die an einer Dornmittelebene 52.M zusammen stoßen.
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Gesteuert
wird die Wickelmaschine 50 von einer Rechnereinheit 51.
Sie sorgt dafür, dass die Wickeleinheit, zu der der Wickeldorn 52 gehört,
entsprechend dem Anwenderprogramm arbeitet. Die Rechnereinheit kann
ein Digitalrechner sein. Verwendet werden kann eine spezielle CNC-Maschine.
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Zum
Wickeln wird ein Drahtelement 45 verwendet. Umgeben ist
dessen Seele, d. h. der blanke Draht mit einer Isolation 44,
die als Außenschicht aufgetragen werden kann. Das Drahtelement
weist im Schnitt, wie die 1a bis 1g zeigen,
verschiedene Querschnitte auf.
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1a zeigt
ein quadratisches Profil 45.1. Die Kanten sind leicht gerundet.
Beim Übereinander- und Nebeneinanderliegen der Profile
wird vorhandener Platz maximal ausgenutzt, so dass eine hohe Packungsdichte
der Spule erreicht wird.
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1b zeigt
ein Rechteckprofil 45.2. Es wird so verarbeitet, dass die
langen Seiten aufeinander zu liegen kommen. Die Kanten sind auch
hier leicht gerundet. Beim Übereinander- und Nebeneinanderliegen
der Profile wird gleichfalls vorhandener Platz maximal ausgenutzt,
so dass eine hohe Packungsdichte erreicht wird.
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1c zeigt
ein Tonnenprofil 45.3. Zwei sich gegenüber liegende
Seiten sind leicht gebogen, die anderen beiden im wesentlichen gerade.
Die gebogen Seiten erlauben nicht nur ein gutes Übereinandergleiten
beim Zusammenschieben der einzelnen Windungen, wie später
erläutert wird, sondern auch im Bedarfsfall eine gute Wärmeabführung
bzw. das Eindringen von Isolierlack beim Tauch des fertigen Spulenelements 21.1,
und folgender.
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1d zeigt
ein gerundetes Rechteckprofil 45.4. Zwei sich gegenüberliegende
Seiten sind gerundet, die anderen beiden im Wesentlichen gerade. Die
gerundeten Seiten erlauben auch hier nicht nur ein gutes Übereinandergleiten
beim Zusammenschieben der einzelnen Windungen, wie später
erläutert wird, sondern ebenfalls auch im Bedarfsfall eine gute
Wärmeabführung bzw. das Eindringen von Isolierlack
beim Tauchen des fertigen Spulenelements 21.1, und folgender.
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1e zeigt
ein Sechseckprofil 45.5. Alle sechs Seiten sind gleich
lang. Die Kanten sind leicht gerundet. Beim Übereinander-
und Nebeneinanderliegen der Profile wird vorhandener Platz gut ausgenutzt,
so dass eine gu te Packungsdichte erreicht wird. Im Bedarfsfall ist
eine gute Wärmeabführung bzw. das Eindringen von
Isolierlack beim Tauchen des fertigen Spulenelements 21.1,
... möglich.
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1f zeigt
das klassische Profil eines Wickeldrahts, nämlich ein Rundprofil 45.6.
Der Vorteil dieses Profils ist, dass beim Wickeln nicht auf die Lage
des Wickeldrahtelements geachtet werden muss.
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In 1g ist
ein gewalztes Rundprofil 45.7 gezeigt. Mit einem Rundprofil 45.6 wird
zuerst ein Spulenelement gewickelt, danach wird das fertige Flachspule
gewalzt. Hierdurch kann die Packungsdichte erhöht werden.
Es ist aber auch möglich, die Seele gleich zu walzen und
danach zu verarbeiten.
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Beim
Wickeln wird das Drahtelement 45, wie 1 zeigt,
an den Wickeldorn heran geführt und um die vier Dornstreben 52.1, 52.2, 52.3 und 52.4 gewickelt.
Die Rechnereinheit sorgt für den nötigen Drahtzug
und das Wickeln einer Windung 31.1, ..., 31.n neben
der anderen. Die Neigung der vier Dornstreben 52.1, 52.2, 52.3 und 52.4 ist
so gewählt, dass der Außendurchmesser einer nachfolgenden
Windung wenigstens um einen Durchmesser D des Drahtelements kleiner
als der Innendurchmesser einer voran gegangenen ist. In dieser Art
und Weise wird Windung um Windung bis zur Dornmittelebene 52.M um die
Dornstreben gewickelt. Danach wird das Drahtelement 45 um
die vier Dornstreben 52.5, 52.6, 52.7 und 52.8 gewickelt
und zwar so, dass hier der Außendurchmesser der nachfolgenden
Windung wenigstens um den Durchmesser D des Drahtelements 45 größer
als der der voran gegangenen ist.
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Die
in 2 gezeigte Windung wird in gleicher Art und Weise
wie beschrieben gewickelt. Nur das hier kein Wickeldorn eingesetzt
wird, sondern eine von der Rechnereinheit 51 geführte
Biegeeinheit (nicht dargestellt) gesteuert wird.
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Ist
der Wickelvorgang beendet, werden die Windungen 31.1, ..., 31.n und 41.1,
..., 41.n zusammen so geschoben, dass ein 3 gezeigtes
Flachwicklungs-Paar 3, 4 vorliegt. Insbesondere
leicht gerundete Flächen des Drahtprofils unterstützen
das Aufeinanderschieben der gewickelten Windungen.
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In 4 ist
dargestellt, wie Windungen einer Vielzahl von Flachwicklungs-Paaren 3, 4 aneinander gereiht
sind. Mit einem einzigen durchgehenden Drahtelement 45 werden
Windungen 31.1, ..., 31.n und 41.1, ..., 41.n gewickelt.
Zwischen den Enden jeder Flachwicklung bzw. jeden Flachwicklungs-Paars 3, 4 sind
keine separaten Verbindungen durch Verschweißen oder dgl.
mehr erforderlich. Das Spulenelement 21.1, ... beginnt
mit einem einzigen Windungsanfang 32 der ersten Flachwicklung 3 und
endet mit einem einzigen Windungsende 43 der letzten Flachwicklung 4.
Das jeweilige Spulenelement ist eine stehende Flachspule. Sie kann
getaucht oder ungetaucht z. B. in einen Ofen eingebracht und erhitzt
werden. Das Isoliermittel schmilzt und backt die Windungen zusammen,
so dass ein fester Spulenverbund vorliegt, der mechanischen und
anderen Belastungen, wie extremer Feuchtigkeit, standhält.
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In 5 ist
ein bürstenloser Gleichstrommotor gezeigt. Er besteht aus
einem Rotor 1 und einem Stator 2, die gegeneinander
verdrehbar sind und durch einen oder mehrere Luftspalte 22, 23 getrennt sind.
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Der
Rotor 1 weist zwei nebeneinander liegende Magnetringe 11, 12 auf,
die an einem Trägerelement (nicht dargestellt) angeordnet
sind. Der innere Magnetring 11 schließt mit einem
Innenring 14, der äußere Magnetring 12 mit
einem Außenring 13 ab.
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Beide
Magnetringe 11, 12 werden im Ein- oder Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren
hergestellt, so z. B. zunächst ein Konstruktionsring aus Kunststoff – zur
Erhöhung der Festigkeit auch mit eingelegtem Metall – und
dann das Magnetmaterial.
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Als
Magnetmaterialien können zum Einsatz kommen:
- – Neodym-Eisen-Bor (NdFeB)
- – Samarium-Cobalt (SmCo)
- – Aluminium-Cobalt (AlNiCo)
- – Strontium-Ferrit (StFe)
- – Barium-Ferrit (BaFe)
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Ist
z. B. der Magnetring 12 geformt worden, wie ihn 6 zeigt,
so werden bestimmte Bereiche aufmagnetisiert, dass abwechselnd in
Radialrichtung N-S-gepolte und S-N-gepolte Magnetelemente 12.1, 12.2 als
Permanentmagnete vorliegen. Jedes Magnetelement hat hier etwa eine
1½-fache Länge eines Spulenelements 21.1, 21.2,
die die Statorwicklungselemente 21 bilden.
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Unter
Belassung zweier Luftspalte 22, 23 liegt zwischen
beiden Magnetringen 11, 12 der Stator 2 mit
einem im Wesentlichen ringförmig ausgebildeten Statorwicklungselement 21,
das aus Spulenelementen in Form von Flachkörperspulen 21.1, 21.2, 21.3,
wie 1 und 2 zeigen, besteht. Die Spulenelemente
sind in einen Statorkörper 24 aus Kunststoff eingebettet.
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8 zeigt
eine mögliche Verschaltung der Flachkörperspulen 21.1, 21.2, 21.3 als
Sternschaltung. Hierbei ist der Sternpunkt 8 heraus geführt
und die U-Wicklung mit 5, die V-Wicklung mit 6 und
die W-Wicklung mit 7 bezeichnet. Auch eine Dreieckschaltung
ist realisierbar. Für besondere Eigenschaften können
die Spulenelemente auch einzeln angesteuert werden.
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Zusammenfassend
ist festzustellen, dass die vollautomatische Herstellungsmöglichkeit
der Spulenelemente in Verbindung mit den in Spritzgußtechnik
hergestellten Kunststoffteilen einen sehr preisgünstigen
und robusten Gleichstrommotor bereitstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007004359
A1 [0002]