DE29824616U1 - Elektronisch kommutierter Gleichstrommotor - Google Patents

Description

PAPST-MOTOREN GmbH & Co. KG *"" " *** ^: "··* ·*· 16.07.2001

DE-7007G/EP 011-MF

Elektronisch -kommutieiteriBlerctastomraator

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit einem Luftspalt, mit einem auf der einen Seite dieses Luftspalts angeordneten ersten permanentmagnetischen Rotor und mit einem auf der gegenüberliegenden Seite des Luftspalts angeordneten zweiten permanentmagnetischen Rotor, der gleichachsig zum ersten Rotor angeordnet ist.

Aus der DE-A1, 195 03 521 ist ein elektronisch kommutierter Antriebsmotor mit ebenem Luftspalt und mit einem auf dem Rotor befestigten Lüfterrad bekannt. Solche Motoren sind wegen ihres einfachen Aufbaus recht preisgünstig und werden deshalb u.a. auch in Kraftfahrzeugen im Innenraum eingebaut. Dort darf ein bestimmter Geräuschpegel nicht überschritten werden. Deshalb ist es wichtig, daß der Rotor des Gebläses durch die auftretenden Fahrbeschieunigungen nicht in Schwingung gerät, sondern fest in seinem Spurlager gehalten wird. Die dafür notwendige Axialkraft wird hier über die magnetische Kopplung zwischen Rotormagnet und einer im Stator liegenden Stahlscheibe hergestellt. Nachteilig ist, daß dabei Wirbelströme auftreten, die den Wirkungsgrad des Motors verschlechtern und indirekt wiederum eine Laufgeräuscherhöhung bewirken. Ein weiterer Nachteil derart aufgebauter Scheibenläufermotoren ist, daß generell große elektromagnetisch verursachte axiale Wechselkräfte vorhanden sind, die das ganze System in Schwingung versetzen können.

Aus der JP-A-59/172 961 ist ein Doppelmotor bekannt. Dieser enthält zwei Induktionsmotoren, die beide einen ebenen Luftspalt haben, den man auch als axialen Luftspalt bezeichnet. Zwischen den beiden Rotoren dieser Motoren, die unabhängig voneinander drehbar sind, befindet sich ein Doppelstator mit einer ersten Wicklung für den ersten Motor und einer zweiten Wicklung für den zweiten Motor. In der Mitte des Doppelstators befindet sich ein Lagertragrohr, und dort befindet sich ein erstes Kugellager zur Lagerung des ersten Rotors und ein zweites Kugeliager zur Lagerung des zweiten Rotors.

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Aus der US-A-5 245 238 kennt man einen Generator mit ebenem Luftspalt. Dieser hat zwei permanentmagnetische Rotoren, die von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden, und zwischen diesen Rotoren befindet sich ein Stator mit einer Wicklung, in der bei Drehung des Rotors eine Spannung induziert wird. Zum Einstellen dieser Spannung sind die beiden Rotoren relativ zueinander innerhalb vorgegebener Grenzen verdrehbar. Zur Verdrehung sind eine Torsionsfeder und eine Wirbelstrombremse vorgesehen. Beide Rotoren werden von derselben Welle angetrieben und sind dadurch gegeneinander abgestützt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit vertretbarem Aufwand einen noch geräuschärmeren Elektromotor bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Fig. 1: Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors im

Schnitt;

Fig. 2: ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer Gehäusevariante ;
Fig. 3: ein drittes Ausführungsbeispiel; und
Fig. 4: ein viertes Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gleichstrommotor, der in einem Gehäuse 1 angeordnet ist, Ein mit dem Gehäuse 1 verbundener Statorträger 3 enthält ein Lagertragrohr 22. Der Statorträger 3 erstreckt sich durch den als Doppelpfeil dargestellten Luftspalt 2 des Motors und bildet im wesentlichen parallele Wände 25, 26, zwischen denen eine Statorwicklung 4 angeordnet ist. Auf der einen Seite des Luftspalts 2 ist ein erster permanetmagnetischer Rotor 6 und. auf der gegenüberliegenden Seite des Luftspalts 2 ein zweiter permanentmagnetischer Rotor 7 angeordnet, der gleichachsig zum ersten Rotor 6 montiert ist, aber keine mechanische Verbindung zum ersten Rotor 6 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel dient nur der erste Rotor 6 zum Antrieb einer Last, beispielweise ein am Rotor befestigtes Lüfterrad 21. Je nach Bedarf kann auch der hier frei mitlaufende zweite Rotor zum Antieb einer weiteren Last benutzt werden. Das Lüfterrad 21 wird von einer ersten Wandung 31 des Gehäuses 1 umgeben und ist im Bereich des Lüfterrades 21 zur Luftführung für dieses Lüfterrad ausgebildet. Eine zweite Wandung 32 umgibt die Peripherie des zweiten Rotors 7. Die beiden Rotoren 6, 7, sind mechanisch im wesentlichen identisch ausgebildet und ihre Permanentmagnete 11 im wesentlichen identisch magnetisiert. In dem Lagertragrohr 22 ist je eine Radiallageranordnung 23 zur radialen Lagerung der Wellen 12 der beiden Rotoren 6, 7 vorgesehen. Zwischen den beiden Radiallagern 23 ist ein Axiallagerelement 24, vorzugsweise eine Kunststoffscheibe angeordnet, gegen das der eine Rotor mit dem freien Ende seiner Welle 12 von einer Seite und der andere Rotor 7 mit dem freien Ende seiner Welle 12 von der anderen Seite anliegt. Dabei werden die Rotoren 6, 7 durch ihre wechselseitige magnetische Anziehung gegen dieses Axiallagerelement 24 gezogen.

Zwischen den Wänden 25, 26 ist ein stationärer axial polarisierter Positionsmagnet 15 angeordnet, der im Zusammenwirken mit den Permanentmagneten 11 der Rotoren 6, 7 die Stellung dieser beiden Rotoren im stromlosen Zustand beeinflußt (z. B. Startstellung).
Die Rotoren 6, 7 bestehen aus einem Kunststoffteil 8, das als Träger für die ringförmigen, axial magnetisierten Rotormagneten 11 dient. In diesem Teil 8 ist ein Ende der Welle 12 des Rotors befestigt und ein durch Clipsen befestigtes weichmagnetisches Rückschlußteil 9 angeordnet,

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auf dem der ringförmige Rotormagnet 11 befestigt ist, z. B. durch Kleben. Das als Ringscheibe ausgebildete Rückschlußteil 9 wird über dessen inneren Rand in eine entsprechende radiale Ringnut 13 des Kunststoffteils 8, welches vorzugsweise als Spritzgußteil hergestellt ist, eingeclipst. Das Rückschlußteil 9 liegt auf einer Bodenfläche 14 des Kunststoffteils 8 auf.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel, insbesondere eines weiteren Beispiels eines Gehäuses 50 des erfindungsgemäßen Motors dargestellt. Der übrige Aufbau des Motors (Rotor und Stator) entspricht dem des Motors gemäß Rg. 1 und wurde deshalb nicht nochmals eingezeichnet. Dieses Gehäuse 50 weist zwei im wesentlichen gleiche napfförmige Gehäuseteile 51, 52 auf, die sich in entgegengesetzten Richtungen öffnen und mit ihren Bodenabschnitten 41, 42 unter Bildung eines zur Aufnahme der Statorwicklung 4 (Rachwicklung) ausgebildeten Spalts, der den Luftspalt 2 für den Motor bildet, einander gegenüberliegen. Das Gehäuse 50 ist uni-versell montierbar.

Die Gehäuseteile 51, 52 sind durch das Lagertragrohr 22 miteinander verbunden. Der äußere Teil des Lagertragrohrs 22 ist in seinem sich durch den Luftspalt 2 erstreckenden Abschnitt als Teil eines Spulenformers für die Rachwicklung 4 ausgebildet.

Die Radiallageranordnungen 23 (nicht dargestellt) können wie im Ausführungsbeispiel gemäß
Rg. 1 als Sinterlager ausgebildet und durch Einpressen im Lagertragrohr 22 befestigt sein. Das zwischen den eingepreßten Sinterlagern 23 angebrachte Axiallager 24 (nicht dargestellt) wirkt wie im Ausführungsbeispiel gemäß Rg. 1 sowohl in Richtung zum einen wie zum entgegengesetzten Sinterlager 23 als Axiallager.

Die Rachwicklung 4 hat eine von der Kreisform abweichende Form und ist zweisträngig, insbesondere bifilar, ausgebildet.

Der fertig montierte Motor kann mittels Schrauben, die in die Befestigungsbohrungen 27 eingedreht werden, an einer Wand oder auf einer Leiterplatte montiert werden. Zur Montageerleichterung dienen Kodierstifte 53, 54 , die in entsprechende Löcher gesteckt werden und so den zu befestigenden Motor fixieren.

In die Spritzform für das Gehäuse 1 , 50 können vorteilhafterweise Kontaktstifte 5 eingelegt und umspritzt werden. Vor dem Einlegen in die Form werden die Enden der Wicklung 4 mit den Kontaktstiften 5 mittels Löten verbunden.

Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel im Vergleich zur Ausführung gemäß Fig. 1. Die Teile des Stators und Rotors sind im wesentlichen gleich und deshalb mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die beiden Rotoren 6, 7 weisen Rückschlußscheiben 9 auf, die auf den Magneten 11 aufliegen.

Auf dem oberen Rotor 6 ist beispielsweise direkt ein Lüfterrad 21 aufgebracht, das beispielsweise mittels Preßsitz drehfest mit dem Rotor 6 verbunden ist. Zur Lagerung der Rotoren 6, 7 ist jeweils eine Lagerbuchse 33 mit einem nabenartigen Ansatz 66 zentral im Rotor angeordnet. Eine Achse 34 ist im Statorträger 3 befestigt. Die Durchmesser der Bohrungen in den Lagerbuchsen 33 sind so ausgeführt, daß sie einen leichten Lauf der aufgesteckten Rotoren 6, 7 auf den Achsenendbereichen 36, 37 der Achse 34 ermöglichen. Durch die auch in Fig. 1 und 2 beschriebenen wechselseitige Anziehung der beiden Rotormagnete 11 werden bei dieser Ausführung die Kuppen 38, 39 der Achsenden gegen die Bodenflächen der Bohrungen der Lagerbuchsen 33 gezogen. Die Rotoren 6 und 7 bestehen auch bei diesem Ausführungsbeispiel aus identischen Teilen: gespritzter Magnet 11, gespritzte Lagerbuchse 33 aus gleitfähigem Kunststoff und gestanzte Rückschlußscheibe 9. Auf den Rotor 6 wird lediglich noch das Laufrad 21 aus Kunststoff aufgeklebt oder aufgeschnappt. Die beiden gegenüberliegenden Rotoren 6, 7 sind in diesem Ausführungsbeispiel 4-polig magnetisiert. Die Magnete 11 ziehen sich gegenseitig an, so daß sich eine axiale magnetische Verspannung ohne Lagerspiel ergibt. Die axiale Abstützung erfolgt an den Kuppen 38, 39 der Achse 34. Die Magnete 11 und die Rückschlußscheiben 9 werden ebenfalls durch Magnetkraft gehalten, so daß aufwendige Befestigungarbeitsgänge entfallen. Die Lagerbuchsen aus speziellem Kunststoff eignen sich für Trockenlauf, d. h. es kann auch auf Schmiermittel verzichtet werden.

Die elektromagnetischen Anregungen beider Rotoren 6, 7 sowie die Reaktionskräfte der Positionssignale auf den Stator kompensieren sich durch die erfindungsgemäße Anordnung. Die Körperschallübertragung auf das Gesamtsystem wird dadurch deutlich reduziert und die Eisenverluste werden beseitigt.

Der sehr einfache Aufbau und die Gleichteile erbringen eine wesentliche Preisreduzierung.

Der Statorträger 3 ist Halter für die Wicklung 4 und Träger für den oder die Positionsmagnete 15 und weist Schnapphaken 44 , vorzugsweise angespritzt, für die Befestigung auf einer vorhande-nen Leiterplatte (kundenseitig) und Aufnahmebohrungen 45 für das Motorgehäuse 61 auf. Über Führungen (z. B. Schwalbenschwanzführungen) an der Außenkontur des Trägers 3

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wird von der oberen oder unteren Seite her ein Kontaktträger 62 mit Kontaktstiften 5 eingeschoben. Er wird für das automatisch ablaufende Bewickeln des Stators benötigt zur Kontaktierung an der Leiterplatte (kundenseitig). Das Motorgehäuse wird über Stifte 63 auf den Träger 3 aufgesteckt und kann beispielsweise einen Temperaturfühler 65 enthalten.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung mit Wälzlagerung. Die Tragscheiben 78 , an denen die Magnete 11 der Rotoren 6, 7 befestigt sind, sind als gestanzte Blechscheiben ausgeführt und bilden gleichzeitig den magnetischen Rückschluß. Ein Statorträger 71 ist Halter für die Wicklung 4, für die nicht gezeigten Positionsmagnete, und dient auch zur Befestigung des Motors. Die Tragscheiben 78 enthalten eine durch Ausstanzen und Tiefziehen eingebrachte Zentraibohrung und einen kragenförmigen Ansatz 79. Am Statorträger ist im wesentlichen zentral ein Lagertragrohr 72 angespritzt, das an seinen axialen Endbereichen Lager 73 aufnimmt. Diese Lager 73, vorzugsweise Kugellager, dienen als Lagerung für die beiden Rotorwellen 12, die jeweils mit den Tragscheiben 78 der Rotoren 6, 7 drehfest verbunden sind.

Durch die wechselseitige magnetische Anziehung der beiden Rotormagnete 11 werden die An-sätze 79 der Tragscheiben 78 in axialer Richtung gegen die Innenringe der Lager 73 gezogen, womit auch das Lagerspiel beseitigt und dadurch das Lagergeräusch vermindert wird.

Zwischen den Wellenenden der Wellen 12 ist ein Zwischenraum 80. Die Wellenenden sind mit leichtem Schiebesitz in die Abstandsbuchse 75 eingeführt, die Buchse 75 dient nicht zur Mitnahmeverbindung der beiden Wellenenden, sondern lediglich zur Einhaltung des axialen Abstands der Lager 73 und der Führung der Wellen 12. Die Welle 12 des oberen Rotors 6 weist eine axiale Verlängerung 70 auf zur Aufnahme einer Last, beispielsweise eines Lüfterrades 21. Die Anschlüsse der Wicklungsenden können in der oben beschriebenen Weise erfolgen.

Außen-und Innendurchmesser der Lager 73 sind mit leichtem Schiebesitz montiert, d. h. eine hochgenaue teure Passung entfällt. Lediglich die Tragscheiben 78 müssen fest mit den Wellen 12 verbunden sein.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt. Der Gegenstand, für den Schutz begehrt wird, ist in den Ansprüchen definiert.

Claims (28)

1. Elektronisch kommutierter Gleichstrommotor mit einem Luftspalt (2),
mit einem auf der einen Seite dieses Luftspalts (2) angeordneten ersten permanentmagnetischen Rotor (6), dem eine erste Lageranordnung (23, 24; 73) zugeordnet ist,
mit einem auf der gegenüberliegenden Seite des Luftspalts (2) angeordneten zweiten permanentmagnetischen Rotor (7), der gleichachsig zum ersten Rotor (6) angeordnet ist, aber keine mechanische Verbindung zum ersten Rotor (6) aufweist und dem eine zweite Lageranordnung (23, 24; 73) zugeordnet ist, und mit einer in dem Luftspalt (2) angeordneten Statorwicklung (4), welche für beide Rotoren (6, 7) gemeinsam ist und zum Antrieb beider Rotoren (6, 7) dient, wobei durch den magnetischen Zug zwischen den Permanentmagneten der beiden Rotoren (6, 7) eine axiale Vorspannkraft auf die beiden Lageranordnungen erzeugt wird.

2. Motor nach Anspruch 1, bei dem einer der beiden Rotoren (6, 7) zum Antrieb einer Last ausgebildet ist.

3. Motor nach Anspruch 2, bei dem die beiden Rotoren (6, 7) mechanisch im wesentlichen identisch ausgebildet sind.

4. Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Permanentmagnete (11) der beiden Rotoren (6, 7) im wesentlichen identisch magnetisiert sind.

5. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Gehäuse (1, 50) mit einem Lagertragrohr (22) vorgesehen ist, in dem für die radiale Lagerung der Wellen (12) der beiden Rotoren (6, 7) je eine Radiallageranordnung (23) vorgesehen ist.

6. Motor nach Anspruch 5, bei dem zwischen den Radiallageranordnungen (23) ein Axiallagerelement (24) angeordnet ist, gegen das der eine Rotor (6) mit dem freien Ende seiner Welle (12) von einer Seite und der andere Rotor (7) mit dem freien Ende seiner Welle (12) von der anderen Seite anliegt, wobei die Rotoren (6, 7) durch ihre wechselseitige magnetische Anziehung gegen dieses Axiallagerelement (24) gezogen werden.

7. Motor nach Anspruch 5 oder 6, bei dem das Lagertragrohr (22) an einem Statorträger (3) vorgesehen ist, der sich durch den Luftspalt (2) des Motors erstreckt und dort zwei zum Luftspalt (2) im Wesentlichen parallele Wände (25, 26) bildet, zwischen denen die Statorwicklung (4) angeordnet ist.

8. Motor nach Anspruch 7, bei dem zwischen den zum Luftspalt (2) im wesentlichen parallelen Wänden (25, 26) mindestens ein stationärer Positionsmagnet (15) angeordnet ist, der im Zusammenwirken mit den Permanentmagneten (11) der beiden Rotoren (6, 7) die Stellung dieser beiden Rotoren im stromlosen Zustand beeinflußt.

9. Motor nach Anspruch 8, bei dem der Positionsmagnet (15) in axialer Richtung polarisiert ist.

10. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Gehäuse (1) vorgesehen ist, das ein Lagertragrohr (22) für beide Rotoren (6, 7) und äußere Wandungen (31, 32) aufweist, von denen die eine Wandung (31) die Peripherie des ersten Rotors (6) und die andere Wandung (32) die Peripherie des zweiten Rotors (7) umgibt.

11. Motor nach Anspruch 10, bei dem die Wandung (31), die den ein Lüfterrad (21) tragenden Rotor (6) umgibt, im Bereich des Lüfterrads (21) zur Luftführung für dieses Lüfterrad (21) ausgebildet ist.

12. Elektronisch kommutierter Gleichstrommotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 mit einer flachen Statorwicklung (4) und mit mindestens einem dieser zugeordneten permanentmagnetischen Rotor (6), der als Träger für den ringförmigen, axial magnetisierten Rotormagneten (11) ein Kunststoffteil (8) aufweist, in welchem eine Welle (12) befestigt ist, und mit einem im Kunststoffteil (8) durch Clipsen befestigten weichmagnetischen Rückschlußteil (9), auf dem der ringförmige Rotormagnet (11) befestigt ist, insbesondere durch Kleben.

13. Motor nach Anspruch 12, bei dem das Rückschlußteil (9) als Ringscheibe ausgebildet ist, deren innerer Rand in eine entsprechende radiale Ringnut (13) des Kunststoffteils (8) eingeclipst ist.

14. Motor nach Anspruch 12 oder 13, bei dem das als Träger dienende Kunststoffteil (8) als Spritzgußteil ausgebildet ist.

15. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 1, mit einem Gehäuse (50), das zwei napfförmige Gehäuseteile (51, 52) aufweist, die sich in entgegengesetzten Richtungen öffnen und mit ihren Bodenabschnitten (41, 42) unter Bildung eines zur Aufnahme einer Flachwicklung (4) ausgebildeten Spalts (2) einander gegenüberliegen.

16. Motor nach Anspruch 15, bei dem die Gehäuseteile (51, 52) durch ein Lagertragrohr (22) miteinander verbunden sind.

17. Motor nach Anspruch 16, bei dem das Lagertragrohr (22) in seinem sich durch den Spalt (2) erstreckenden Abschnitt als Teil eines Spulenformers für die Flachwicklung (4) ausgebildet ist.

18. Motor nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem in das Lagertragrohr (22) Sinterlager (23) eingepreßt sind.

19. Motor nach Anspruch 18, bei dem zwischen den eingepreßten Sinterlagern (23) ein Axiallager (24) vorgesehen ist, das sowohl in Richtung zum einen wie zum entgegengesetzten Sinterlager als Axiallager wirkt.

20. Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 19, bei dem in dem zwischen den beiden Bodenabschnitten (41, 42) gebildeten Spalt (2) eine von der Kreisform abweichende Flachwicklung (4) angeordnet ist.

21. Motor nach Anspruch 20, bei dem die Flachwicklung (4) zweisträngig, und insbesondere bifilar, ausgebildet ist.

22. Elektronisch kommutierter Gleichstrommotor nach Anspruch 1
mit einem Statorträger (3), der die Wicklung (4)
und eine im mittleren Bereich angeordnete Achse (34) enthält,
mit dem auf der einen Seite eines im wesentlichen axiallen Luftspalts ersten permanentmagnetischen Rotor (6),
und mit dem auf der gegenüberliegenden Seite des Luftspalts angeordneten zweiten permanentmagnetischen Rotor (7), der gleichachsig zum ersten Rotor (6) angeordnet ist und keine mechanische Verbindung zum ersten Rotor (6) aufweist.

23. Motor nach Anspruch 22, bei dem die beiden im wesentlichen identisch ausgebildeten Rotoren (6, 7) jeweils aus dem Magneten (11), der Rückschlußscheibe (9) und einer Lagerbuchse (33) bestehen, wobei der Magnet (11) und die Rückschlußscheibe (9) auf einem nabenartigen Ansatz (66) der Lagerbuchse (33) aufgeschoben sind.

24. Motor nach Anspruch 22 oder 23, bei dem die Lagerbohrungen in den beiden Lagerbuchsen (33) einen geringfügig größeren Durchmesser aufweisen als die Durchmesser der Achsendbereiche (36, 37) der Achse (34) und Kuppen (38, 39) am jeweiligen Ende der Achse (34) mittels der vorhandenen Magnetkraft gegen die Bodenflächen der Lagerbohrungen der Lagerbuchsen (33) gezogen werden.

25. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die radiale Lagerung der beiden Wellen (12) aus zwei Wälzlagern (73) besteht, die mit leichtem Schiebesitz in den axialen Endbereichen des Lagertragrohrs (72) eingebracht sind.

26. Motor nach Anspruch 25, bei dem zwischen den beiden Lagern (73) eine Abstandsbuchse (75) angeordnet ist, deren Innenbohrung größer ist als der Außendurchmesser der Wellen (12) und die Wellenenden durch einen Zwischenraum (80) voneinander getrennt sind.

27. Motor nach einem der Ansprüche 25 oder 26, bei dem die Rotormagnete (11) an Tragscheiben (78) befestigt sind und die Wellen (12) fest mit den Tragscheiben (78) verbunden sind.

28. Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 25 bis 27, bei dem die Tragscheiben (78) aus magnetisch leitfähigem Blech ausgestanzt und die Zentralöffnung mit einem mittels Tiefziehen hergestellten Kragen (79) versehen ist.