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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit Leiterplatte.
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Es ist allgemein bekannt, dass ein Elektromotor Verlustwärme erzeugt und dadurch hohe Temperaturen auftreten können.
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Aus der
DE 10 2006 043 194 A1 ist als nächstliegender Stand der Technik eine elektrische Servolenkungseinrichtung bekannt.
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Aus der US 2013 / 0 301 229 A1 ist eine Steuereinheit bekannt.
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Aus der US 2010 / 0 314 192 A1 ist eine Fahrzeugsteuerung bekannt.
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Aus der WO 2009 / 069 103 A2 ist ein Herstellverfahren für einen Elektromotor bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor mit integrierter Elektronik weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Elektromotor nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Elektromotor mit Leiterplatte sind, dass die erste Leiterplatte Lagen mit Leiterbahnen aufweist,
wobei die Lagen durch ersten Schichten aus Isoliermaterial, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere Epoxidmaterial, voneinander beabstandet sind,
wobei zwischen zwei der Lagen eine Isolierschicht angeordnet ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ermöglicht ist, die aber eine Isolierschicht erzeugt, welche als Wärmesperre fungiert, die zwischen den beiden Seiten der ersten Leiterplatten wirksam ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Isolierschicht eine größere Schichtdicke auf als die ersten Schichten. Von Vorteil ist dabei, dass eine starke thermische Sperrwirkung erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Isolierschicht aus demselben Material wie die ersten Schichten gefertigt, insbesondere so, dass die erste Leiterplatte als Mulitlayer-Leiterplatte ausgeführt ist, deren Lagen nicht gleichmäßig, insbesondere regelmäßig, voneinander beabstandet sind,
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insbesondere wobei das Material faserverstärkter Kunststoff ist, insbesondere Epoxidmaterial. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Isolierschicht aus einem anderen Material gefertigt als die ersten Schichten,
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insbesondere wobei das Material der Isolierschicht ein Kunststoff ist, insbesondere der eingeschlossenen Gasbläschen, insbesondere Gasvolumina, aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass die Isolierschicht aus einem thermisch noch schlechter wärmeleitendem Material als das sonstige, zwischen den Lagen angeordnete Material der ersten Leiterplatte verwendbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Elektromotor ein Statorgehäuse auf, in welchem die Statorwicklung des Elektromotors aufgenommen ist, und ein Deckelteil sowie ein Haltering, der zwischen dem deckelteil und dem Statorgehäuse angeordnet ist und in welchem die erste Leiterplatte aufgenommen ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein Raumbereich für Elektronik, insbesondere für einen Wechselrichter, im Motor integriert anordenbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die erste Leiterplatte und zweite Leiterplatten in einem Raumbereich des Elektromotors angeordnet, welcher durch das Statorgehäuse, den Haltering und das Deckelteil begrenzt, insbesondere eingehaust, ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Elektronik im Raumbereich geschützt angeordnet ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die erste und die zweiten Leiterplatten zueinander parallel ausgerichtet und voneinander beabstandet,
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insbesondere wobei die Drehachse der drehbar gelagerten Rotorwelle des Elektromotors parallel zur Normalenrichtung der ersten Leiterplatte ausgerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass elektrische Isolierabstände einhaltbar sind und dass zwischen den zweiten Leiterplatten Luft angeordnet ist. Der Raumbereich ist mit Luft befüllt und somit eine Umwälzung von Luft ausführbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die zweiten Leiterplatten auf der vom Statorgehäuse abgewandten Seite der ersten Leiterplatte angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass die zweiten Leiterplatten einer niedrigeren Temperatur aussetzbar sind als das Leistungsmodul und/oder die Statorwicklung des Elektromotors.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Leiterplatte zwischen dem Statorgehäuseteil und den zweiten Leiterplatten angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass die erste Leiterplatte auf der dem Statorgehäuseteil zugewandten Seite Leistungselektronik aufweist und auf der vom Statorgehäuseteil abgewandten Seite Signalelektronik aufweist, welche die Ansteuersignale für die steuerbaren Halbleiterschalter des Leistungsmoduls erzeugt. Auch auf den zweiten Leiterplatten ist Signalelektronik anordenbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist auf der dem Statorgehäuseteil zugewandten Seite der ersten Leiterplatte ein Leistungsmodul bestückt, das mit dem Statorgehäuseteil wärmeleitend verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme zusammen mit der von der Statorwicklung erzeugten Verlustwärme an die Umgebung abführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind das Leistungsmodul, insbesondere und die auf der dem Statorgehäuseteil zugewandten Seite der ersten Leiterplatte auf der ersten Leiterplatte bestückten Bauelemente, bis zu einer ersten Temperatur betreibbar, insbesondere also die erste Temperatur die maximal zulässige Betriebstemperatur für das Leistungsmodul ist,
wobei die auf der von dem Statorgehäuseteil abgewandten Seite der ersten Leiterplatte auf der ersten Leiterplatte bestückten Bauelemente und die auf den zweiten Leiterplatten bestückten Bauelemente bis zu einer zweiten Temperatur betreibbar sind, insbesondere also die zweite Temperatur die maximal zulässige Betriebstemperatur für die se Bauelemente ist,
wobei die zweite Temperatur kleiner ist, insbesondere mindestens mehr als 10°C kleiner ist, als die erste Temperatur. Von Vorteil ist dabei, dass die Signalelektronik auf niedrigerem Temperaturniveau betreibbar und separat an die Umgebung hin entwärmbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die zweiten Leiterplatten im Deckelteil aufgenommen. Von Vorteil ist dabei, dass das deckelteil vorkomplettierbar ist mit den zweiten Leiterplatten und danach mit dem Haltering samt erster Leiterplatte verbindbar ist. Somit ist der Elektronikbereich mit dem Statorgehäuseteil bei der Montage verbindbar. Alternativ ist aber die erste Leiterplatte am Statorgehäuseteil befestigbar, insbesondere mittels schrauben anschraubbar, bevor das Deckelteil mit den darin vorkomplettiert angeordneten zweiten Leiterplatten auf den Haltering aufgesteckt wird. Somit ist schon beim Befestigen der ersten Leiterplatte das Leistungsmodul anpressbar an das Statorgehäuseteil, wobei zwischen Leistungsmodul und Statorgehäuseteil Wärmeleitpaste anordenbar ist, um den Wärmeübergang zu verbessern.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Leiterplatte mittels einer elektrischen Steckverbindung mit der zur erste Leiterplatte nächstbenachbarten zweiten Leiterplatte verbunden,
wobei jede zweite Leiterplatte mittels einer jeweiligen elektrischen Steckverbindung mit der jeweils zu ihr nächstbenachbarten zweiten Leiterplatte verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Haltering einstückig oder mehrstückig ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass die Leiterplatte entweder zwischen zwei Stücken einklemmbar ist oder bei einstückiger Ausführung gegen eine Stufe des Halterings andrückbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Haltering mit dem Statorgehäuseteil mittels einer zwischengeordneten Dichtung dicht verbunden, die auch als Wärmesperre fungiert. Von Vorteil ist dabei, dass die thermische Abtrennung der Signalelektronik von der Leistungselektronik verbesserbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Haltering mit dem Deckelteil mittels einer zwischengeordneten Dichtung dicht verbunden, die auch als Wärmesperre fungiert. Von Vorteil ist dabei, dass die thermische Abtrennung der Signalelektronik von der Leistungselektronik verbesserbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist im Raumbereich ein Lüfter angeordnet. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist jede der zweiten Leiterplatten zwei insbesondere zueinander bezüglich der Drehachse der Rotorwelle diametral gegenüberliegend angeordnete axial durchgehende Ausnehmungen auf. Von Vorteil ist dabei, dass ein zirkulierender Luftstrom durch den Raumbereich möglichst ungestört förderbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind das Statorgehäuseteil, der Haltering und das Deckelteil aus Metall ausgeführt, insbesondere als Gussteil,
insbesondere wobei das Deckelteil an seiner Außenseite Kühlrippen aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärmeleitfähigkeit und somit die Effizienz der Wärmeabfuhr an die Umgebung hoch ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:
- In der 1 ist eine erste Leiterplatte 40 im Querschnitt schematisch dargestellt.
- In der 2 ist die erste Leiterplatte 40 in Draufsicht schematisch dargestellt.
- In der 3 ist eine alternative Ausführung zur 2 dargestellt.
- In der 4 ist ein Querschnitt durch einen axialen Endbereich eines Elektromotors, der eine erste Leiterplatte 40 aufweist, schematisch dargestellt.
- In der 5 ist eine zur 4 gehörige teiltransparente Schrägansicht des Endbereichs schematisch dargestellt.
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Wie in den 1, 2, 4, und 5 dargestellt, weist die Leiterplatte 40 mehrere Lagen 1 mit Leiterbahnen auf, wobei die Lagen durch Schichten aus Isoliermaterial 2, insbesondere faserverstärkter Kunststoff, insbesondere Epoxidmaterial, voneinander beabstandet sind.
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Zwischen zwei der Lagen ist eine Isolierschicht 3 angebracht, die in einem ersten Ausführungsbeispiel aus demselben Material wie die Schichten gefertigt ist, insbesondere so, dass die Leiterplatte 40 einer Mulitlayer-Leiterplatte gleicht, deren Lagen 1 nicht gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Das Material ist also faserverstärkter Kunststoff, insbesondere Epoxidmaterial.
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Die Isolierschicht 3 ist dicker, weist also eine größere Wandstärke auf als die anderen Schichten.
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Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Isolierschicht 3 aus einem anderen Material gefertigt als die Schichten. Hierbei eignet sich als Material der Isolierschicht 3 ein Kunststoff, der eingeschlossene Gasbläschen, insbesondere Gasvolumina, aufweist.
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Bei beiden Ausführungsbeispielen fungiert die Isolierschicht 3 als Wärmesperre.
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Wie in 2 dargestellt, weist die Leiterplatte 40 in einem Zentralbereich 20 keine Durchkontaktierungen auf, sondern nur in einem den Zentralbereich 20 umgebenden Randbereich 21. Die dort angeordneten Durchkontaktierungen sind voneinander unregelmäßig beabstandet und verschlechtern im dortigen Randbereich die Wirkung als Wärmesperre.
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Statt der runden Ausführung der Leiterplatte in 2 ist auch eine rechteckige Leiterplatte 40 verwendbar, wie in 3 gezeigt, wobei dann der Zentralbereich 20 vorzugsweise auch rechteckförmig ausgebildet ist.
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Die Leiterplatte ist in einem Elektromotor angeordnet. Wenn der Elektromotor ein quaderförmiges Äußeres aufweist, wird die Leiterplatte 40 nach 3 verwendet.
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Wie in 4 gezeigt, wird bei einem runden Äußeren des Elektromotors die Leiterplatte 40 gemäß 2 ausgeführt.
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Die Leiterplatte 40 ist dabei in einem Haltering 45 aufgenommen, der zwischen einem Statorgehäuse 44 und einem Deckelteil 46 des Elektromotors angeordnet ist.
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Der Stator des Elektromotors ist innerhalb des Statorgehäuses 44 angeordnet. B-seitig ist am Statorgehäuse 44 ein Raumbereich für Elektronik vorgesehen, der von dem Statorgehäuse 44, dem Haltering 45 und dem Deckelteil 46 umgeben ist.
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In diesem Raumbereich ist nicht nur die Leiterplatte 40 als erste Leiterplatte, sondern es sind zweite Leiterplatten 47 angeordnet, die ebenfalls mit Bauelementen bestückt sind.
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Die erste Leiterplatte 40 und die weiteren Leiterplatten 47 sind voneinander axial beabstandet und zueinander parallel angeordnet.
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Die axiale Richtung ist parallel zur Drehachse der Rotorwelle des Elektromotors, welche radial innerhalb des Stators angeordnet ist.
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Die zweiten Leiterplatten 47 sind auf der vom Statorgehäuse 44 abgewandten Seite der ersten Leiterplatte 40 angeordnet.
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Die Elektronik umfasst einen Wechselrichter, dessen steuerbare Halbleiterschalter in einem Leitungsmodul 42 integriert angeordnet sind.
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Zur Entwärmung ist das Leistungsmodul 42 auf seiner von der ersten Leiterplatte 40 abgewandten Seite mit dem Statorgehäuse 44 wärmeleitend verbunden. Somit ist die Verlustwärme der Halbleiterschalter, also des Leistungsmoduls, über das Statorgehäuse an die Umgebung abführbar. Allerdings wird auch die Verlustwärme der Statorwicklung des Elektromotors über das Statorgehäuse an die Umgebung abgeführt.
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Das Leistungsmodul ist auf der Leiterplatte 40 bestückt. Auf derselben, insbesondere dem Statorgehäuse 44 zugewandten Seite der Leiterplatte 40 sind auch weitere Bauelemente 43 bestückt, die bei zu einer ersten Temperatur betrieben werden können.
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Auf der anderen Seite der ersten Leiterplatte 40 und den zweiten Leiterplatten 47 sind Bauelemente 41 bestückt, welche bis zu einer zweiten Temperatur betrieben werden können, die allerdings kleiner ist als die erste Temperatur. Die Entwärmung des Raumbereichs, insbesondere also dieser Bauelemente, erfolgt über das Deckelteil 46.
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Statorgehäuse 44, Haltering 45 und Deckelteil 46 sind jeweils aus Metall ausgeführt, insbesondere als Gussteil. Der Haltering 45 ist sowohl mit dem Deckelteil 46 als auch mit dem Statorgehäuseteil 44 mittels einer jeweils zwischengeordneten Dichtung dicht verbunden.
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Die erste Leiterplatte 40 und die zweiten Leiterplatten 47 sind mit ihren jeweiligen nächsten Nachbarn mittels elektrischer Steckverbindungen 48 verbunden.
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Die zweiten Leiterplatten 47 sind mittels Abstandsbolzen oder Distanzhülsen voneinander beabstandet.
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5 zeigt eine zur 4 gehörige teiltransparente Schrägansicht.
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Die Dichtungen zwischen den gehäusebildenden Teilen, also zwischen dem Statorgehäuse 44, dem Haltering 45 und dem Deckelteil 46, wirken ebenfalls wie auch die Isolierschicht 3 der Leiterplatte 40 als Wärmesperre. Somit ist der B-seitige Endbereich thermisch abgetrennt von dem restlichen Bereich des Motors.
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Die Normalenrichtung der Leiterplattenebene ist parallel zur Drehachse der Rotorwelle.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der Haltering 45 anstatt einstückig zweistückig oder mehrstückig ausführbar, wobei dann die Stücke jeweils dicht, insbesondere mittels einer jeweiligen Dichtung, miteinander verbunden sind.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist innerhalb des Raumbereichs ein Lüfter angeordnet. Auf diese Weise ist die dortige Luft umwälzbar und dadurch eine thermische Nivellierung erreichbar.
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Hierzu weisen die zweiten Leiterplatten 47 axial durchgehende Ausnehmungen auf. Diese Ausnehmungen sind genügend groß ausgeführt, so dass der Strömungswiderstand nur unwesentlich ist. Vorzugsweise weist jede der zweiten Leiterplatten 47 zwei, an der jeweiligen Leiterplatte 47 jeweils diametral gegenüberliegend angeordnete Ausnehmungen auf, so dass eine einfache Zirkulation erreichbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lage mit Leiterbahnen
- 2
- Isoliermaterial, insbesondere faserverstärkter Kunststoff, insbesondere Epoxidmaterial
- 3
- Isolierschicht
- 20
- Zentralbereich
- 21
- Randbereich, aufweisend Durchkontaktierungen
- 40
- erste Leiterplatte
- 41
- erste Bauelemente
- 42
- Leistungsmodul
- 43
- zweite Bauelemente
- 44
- Statorgehäuse
- 45
- Haltering
- 46
- Deckelteil
- 47
- zweite Leiterplatte
- 48
- Steckverbindung
- 49
- Bereich zweiter Temperatur
- 50
- Bereich erster Temperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006043194 A1 [0003]
- DE 102018100139 A1 [0004]
- DE 102011056365 A1 [0006]
- DE 102013006539 A1 [0009]
