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WO2008003598A1 - Elektromotor mit drehzahlstellung - Google Patents

Elektromotor mit drehzahlstellung Download PDF

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WO2008003598A1
WO2008003598A1 PCT/EP2007/056229 EP2007056229W WO2008003598A1 WO 2008003598 A1 WO2008003598 A1 WO 2008003598A1 EP 2007056229 W EP2007056229 W EP 2007056229W WO 2008003598 A1 WO2008003598 A1 WO 2008003598A1
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WO
WIPO (PCT)
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brush
brushes
electric motor
speed
poles
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Ceased
Application number
PCT/EP2007/056229
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Albrecht
Martin Heyder
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/02—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
    • H02K23/20—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting having additional brushes spaced intermediately of the main brushes on the commutator, e.g. cross-field machines, metadynes, amplidynes or other armature-reaction excited machines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/02—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
    • H02K23/04—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting having permanent magnet excitation

Definitions

  • the present invention relates to an electric motor with speed setting.
  • a third brush for speed adjustment in 2-pole motors is e.g. known at wiper motors.
  • Such an engine is shown schematically in FIG.
  • the direction of rotation of the armature 5 provided here with twelve commutator bars is to the right, the motor has two oppositely poled magnetic poles 4a, 4b, a first lying at 0 ° brush 1, a second lying at 180 ° brush 2, ie the first brush 1 opposite is arranged, and a to the first brush 1 against the direction of rotation of the armature 5 shifted arranged third brush 3.
  • the two opposing brushes i. the first brush 1 and the second brush 2 energized.
  • the third brush 3 is de-energized.
  • the third brush 3 and the second brush 2 are energized.
  • the brush 1 is now de-energized. Since in the high speed stage, a part of the current flow causes a braking torque and in addition increases the resistance of the current path, a tilt of the characteristic of the electric motor and a reduction of the starting torque is effected. As a result, an increase in the rotational speed is achieved with a corresponding position of the operating point on the torque characteristic curve.
  • the desired characteristic spread can be adjusted. The larger the angle between the first brush 1 and the third brush 3, the stronger the characteristic spread is.
  • the magnetic flux is divided into several sub-paths, whereby the yoke thickness can be reduced
  • the armature transverse field, which leads to the demagnetization of the magnets is also divided into several sub-paths, whereby the magnetic thickness can be reduced without a demagnetization occurs, and
  • the armature winding has at higher number of poles on a smaller winding step, resulting in a reduction of the winding heads and thus to save copper and a reduction in the
  • the number of brushes In the design of a 4-pole and multi-pole motor, first, when using a loop winding, the number of brushes must be adjusted in accordance with the increase in the number of poles, i.e., the number of brushes. In the transition from two to four magnetic poles, the number of brushes must also increase from two to four.
  • the commutator bars which have contact with the brushes of the same polarity in an armature position, can be electrically connected by so-called equalizing conductors.
  • the motor can continue to be operated with only two brushes.
  • such 4 and multipole motors only have one speed level, i. they require an external speed setting, e.g. by controlling the voltage or by using series resistors to realize different speed levels.
  • the electric motor according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the advantages of the high pole, namely the lower material usage and space requirements, combined with the favorable method of speed setting by using a third brush.
  • This is inventively achieved in that in an electric motor with a number n of poles, where n is even and greater than 2, and a number m of brushes, with 2 ⁇ m ⁇ n, a number r of additional brushes for speed setting, with 1 ⁇ r ⁇ n / 2, is provided.
  • an additional brush is provided according to the invention per pole pair having a pair of brushes.
  • the electric motor is constructed in such a way that, for example through the use of equalizing conductors, not every pair of poles has a pair of brushes, the number of additional brushes can also be correspondingly reduced. Furthermore, even with the use of equalizing conductors, a higher number of brushes up to the full number n + n / 2 of brushes is possible, whereby a redundancy is given.
  • the electric motor according to the invention has a number of additional brushes in at least four poles, which corresponds at least to the intended brush pairs for driving the motor in only one speed step without the use of equalizing conductors or corresponding internal interconnections. This additional brush (s) then reaches a second speed level.
  • equalizing conductors between the corresponding Kommutatorlamellen preferred because then still a minimum number of brushes, ie in particular only three brushes is needed and a brush holder with six or more brushes, which is difficult to implement constructively especially for small motor diameters, not provided needs to be.
  • equalizing conductors which are normally laid extra during the winding, internal interconnections of the corresponding commutator segments can also be provided, the interconnection then being provided directly in the commutator.
  • n 4
  • the electric motor according to the invention comprises fourteen uniformly distributed commutator bars, of which in each case opposite commutator bars are connected by a respective compensation conductor or an internal interconnection.
  • a first brush and a second brush via which the electric motor is operated in a first speed stage, arranged at an angle of 90 ° mechanically to each other, and a third brush via which the electric motor together with the second brush in one second speed is operated, is arranged either in a position between the first and the second brush or in a position offset by 180 ° to this position. It is also possible according to the invention that the first brush and / or the second brush are arranged offset by 180 ° to the specified position.
  • the electric motor according to the invention is not limited to a number of four poles in a number of three brushes. Likewise, more or fewer than fourteen evenly distributed commutator bars may be provided and the offset of the brushes from each other may also be different depending on the selected motor design.
  • an A- and multi-pole motor having at least one brush pair is provided with an additional brush for each intended pair of brushes.
  • the additional brush is arranged either in a position between the brushes of the brush pair or in a position offset by a certain angle to this position. This particular angle is determined by the arrangement of equalizing conductors or internal interconnections. In the case that opposite commutator bars are connected by a respective equalizing conductor or a respective internal interconnection, it is 180 °.
  • each three evenly over The commutator blades distributed around the circumference are connected to a compensating conductor or an internal shading, it is 120 ° or 240 °.
  • a respective third brush if not disposed in the position between the brushes of the pair of brushes, is placed in such a position that the same commutator bars are energized as when the third brush is in the position between the pair of brushes would be arranged.
  • the brushes of the brush pair can also be arranged offset accordingly.
  • a higher number of brushes than three may be provided. These are then each arranged in one or more of the positions into which the respective third brush could be moved.
  • FIG. 1 shows a brush arrangement according to a first preferred embodiment of a four-pole motor according to the invention with three brushes, in which opposite commutator bars are connected to equalizing conductors,
  • Figure 2 shows a second preferred embodiment of a brush assembly of a 4-pole motor according to the invention with three brushes, in which opposite commutator bars are connected with equalizing conductors, and
  • Figure 3 shows a brush positioning of a 2-pole motor with three brushes according to the prior art
  • the preferred embodiments are 4-pole wiper motors with equalizing conductors.
  • the stator has fourteen grooves, respectively, according to the commutator has fourteen commutator bars 5a, of which in each case the opposite commutator bars are connected by a (not shown) balancing conductor.
  • the four stator poles are shown schematically by four alternating polarized magnetic poles 4a-4d.
  • the third brush to which the positive operating voltage is applied in the second speed stage, is arranged offset between the first brush 1 and the second brush 2 at an angle of 35 ° to the first brush 1.
  • the third brush 3 can be arranged according to the invention also 180 ° mechanically offset to this position.
  • the second embodiment shown in Figure 2 in which the third brush 3 is arranged offset by 225 ° from the first brush 1, wherein the angle of 225 ° here against the direction of rotation of the rotor 5 is measured, as well as the offset of 90 ° of the second brush 2 to the first brush 1 and the offset of 35 ° between the first brush 1 and the third brush 3 in the first embodiment.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor, mit einer Anzahl n von Polen (4a - 4d), wobei n gerade und größer 2 ist, und einer Anzahl m von Bürsten (1, 2), mit 2 = m =n, bei dem eine Anzahl r von zusätzlichen Bürsten (3) zur Geschwindigkeitsstellung, mit 1= r= n/2 vorgesehen ist.

Description

Elektromotor mit Drehzahlstellung
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit Drehzahlstellung.
Der Einsatz einer dritten Bürste zur Geschwindigkeitsstellung bei 2-poligen Motoren ist z.B. bei Wischermotoren bekannt. Ein solcher Motor ist schematisch in Figur 3 gezeigt. Die Drehrichtung des hier mit zwölf Kommutatorlamellen versehenen Ankers 5 ist nach rechts, der Motor weist zwei entgegengesetzt gepolte Magnetpole 4a, 4b, eine erste bei 0° liegende Bürste 1, eine zweite bei 180° liegende Bürste 2, die also der ersten Bürste 1 gegenüberliegend angeordnet ist, und eine zur ersten Bürste 1 entgegen der Drehrichtung des Ankers 5 verschoben angeordnete dritte Bürste 3 auf. In der niedrigen Drehzahlstufe werden die beiden gegenüberliegenden Bürsten, d.h. die erste Bürste 1 und die zweite Bürste 2 bestromt. Die dritte Bürste 3 ist stromlos. In der hohen Drehzahlstufe werden die dritte Bürste 3 und die zweite Bürste 2 bestromt. Die Bürste 1 ist nun stromlos. Da in der hohen Drehzahlstufe ein Teil des Stromflusses ein Bremsmoment bewirkt und sich zusätzlich der Widerstand des Strompfades erhöht, wird eine Kippung der Kennlinie des Elektromotors und eine Reduktion des Anlaufmoments bewirkt. Dadurch wird bei entsprechender Lage des Arbeitspunktes auf der Drehmomentkennlinie eine Erhöhung der Drehzahl erreicht. Durch geeignete Wahl des Winkels zwischen der ersten Bürste 1 und der dritten Bürste 3 kann die gewünschte Kennlinienspreizung eingestellt werden. Je größer der Winkel zwischen der ersten Bürste 1 und der dritten Bürste 3 ist, desto stärker fällt die Kennlinienspreizung aus.
Weiter ist bei Elektromotoren der Einsatz von 4- und mehrpoligen Motoren mit nur einer
Geschwindigkeitsstufe bekannt. Durch die Erhöhung der Polzahl kann aktive Motormasse eingespart werden, denn
- der Magnetfluss teilt sich in mehrere Teilpfade auf, wodurch die Jochdicke reduziert werden kann, - das Ankerquerfeld, das zur Entmagnetisierung der Magnete führt, teilt sich ebenfalls auf mehrere Teilpfade auf, wodurch die Magnetdicke reduziert werden kann, ohne dass eine Entmagnetisierung auftritt, und
- die Ankerwicklung weist bei höherer Polzahl einen geringeren Wickelschritt auf, was zu einer Verkleinerung der Wickelköpfe und somit zur Einsparung von Kupfer und einer Reduktion der
Ankerlänge führt.
Bei dem Design eines 4- und mehrpoligen Motors muss zunächst bei Einsatz einer Schleifenwicklung die Anzahl der Bürsten entsprechend der Erhöhung der Polzahl angepasst werden, d.h. beim Übergang von zwei auf vier Magnetpole muss sich die Anzahl der Bürsten ebenfalls von zwei auf vier erhöhen. Alternativ dazu können jedoch die Kommutatorlamellen, die in einer Ankerposition Kontakt zu den Bürsten gleicher Polarität haben, durch sogenannte Ausgleichsleiter elektrisch verbunden werden. Dadurch kann, bei ausreichender Stromtragfähigkeit der Bürsten, der Motor weiterhin mit nur zwei Bürsten betrieben werden. Solche 4- und mehrpoligen Motoren weisen jedoch nur eine Geschwindigkeitsstufe auf, d.h. sie benötigen eine externe Geschwindigkeitsstellung, z.B. durch Regelung der Spannung oder durch Einsatz von Vorwiderständen, um unterschiedliche Drehzahlstufen zu realisieren.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Elektromotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Vorteile der Hochpoligkeit, nämlich der geringere Stoffeinsatz und Bauraumbedarf, mit der günstigen Methode der Drehzahlstellung durch Einsatz einer dritten Bürste kombiniert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass bei einem Elektromotor mit einer Anzahl n von Polen, wobei n gerade und größer 2 ist, und einer Anzahl m von Bürsten, mit 2 < m < n, eine Anzahl r von zusätzlichen Bürsten zur Geschwindigkeitsstellung, mit 1 < r < n/2, vorgesehen ist. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß pro Polpaar, das ein Bürstenpaar aufweist, eine zusätzliche Bürste vorgesehen. Ist der Elektromotor so aufgebaut, dass, z.B. durch den Einsatz von Ausgleichsleitern, nicht jedes Polpaar ein Bürstenpaar aufweist, so kann auch die Anzahl der zusätzlichen Bürsten entsprechend reduziert werden. Weiterhin ist auch bei einem Einsatz von Ausgleichsleitern eine höhere Anzahl von Bürsten bis zu der vollen Anzahl n + n/2 von Bürsten möglich, wodurch eine Redundanz gegeben ist. Zusammengefasst weist der erfindungsgemäße Elektromotor bei wenigstens vier Polen eine Anzahl von Zusatzbürsten auf, die wenigstens den ohne den Einsatz von Ausgleichsleitern oder diesen entsprechenden internen Verschaltungen den vorgesehenen Bürstenpaaren zum Antrieb des Motors in nur einer Geschwindigkeitsstufe entspricht. Durch diese Zusatzbürste(n) wird dann eine zweite Geschwindigkeitsstufe erreicht. Erfindungsgemäß ist der Einsatz von Ausgleichsleitern zwischen den entsprechenden Kommutatorlamellen bevorzugt, da dann weiterhin eine minimale Anzahl von Bürsten, d.h. insbesondere nur drei Bürsten, benötigt wird und ein Bürstenträger mit sechs oder mehr Bürsten, der insbesondere bei kleinen Motordurchmessern konstruktiv nur schwierig umzusetzen ist, nicht vorgesehen zu werden braucht. Alternativ zu Ausgleichsleitern, die normalerweise bei der Wicklung extra gelegt werden, können auch interne Verschaltungen der entsprechenden Kommutatorlamellen vorgesehen werden, wobei die Verschaltung dann direkt im Kommutator vorgesehen ist.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektromotor ist vorzugsweise n = 4, d.h. es handelt sich um einen A- poligen Motor, bei einer Anzahl m von zwei Bürsten und einer Anzahl r von einer zusätzlichen Bürste, d.h. mit Ausgleichsleitern bzw. internen Verschaltungen zwischen entsprechenden Kommutatorlamellen.
Weiter bevorzugt umfasst der erfindungsgemäße Elektromotor vierzehn gleichmäßig verteilte Kommutatorlamellen, von denen jeweils gegenüberliegende Kommutatorlamellen durch einen jeweiligen Ausgleichsleiter oder eine interne Verschaltung verbunden sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektromotor sind bevorzugt eine erste Bürste und eine zweite Bürste, über die der Elektromotor in einer ersten Geschwindigkeitsstufe betrieben wird, in einem Winkel von 90° mechanisch zueinander angeordnet, und eine dritte Bürste über die der Elektromotor zusammen mit der zweiten Bürste in einer zweiten Geschwindigkeitsstufe betrieben wird, ist entweder in einer Position zwischen der ersten und der zweiten Bürste oder in einer zu dieser Position um 180° versetzten Position angeordnet. Es ist nach der Erfindung auch möglich, dass die erste Bürste und/oder die zweite Bürste um 180° zu der angegebenen Position versetzt angeordnet sind.
Der erfindungsgemäßen Elektromotor ist nicht auf eine Anzahl von vier Polen bei einer Anzahl von drei Bürsten beschränkt. Ebenso können mehr oder weniger als vierzehn gleichmäßig verteilte Kommutatorlamellen vorgesehen werden und der Versatz der Bürsten zueinander kann ebenfalls unterschiedlich sein und hängt von dem gewählten Motordesign ab. Grundsätzlich ist erfindungsgemäß ein A- und mehrpoliger Motor, der wenigstens ein Bürstenpaar aufweist, mit einer zusätzlichen Bürste für jedes vorgesehene Bürstenpaar versehen. Die zusätzliche Bürste wird entweder in einer Position zwischen den Bürsten des Bürstenpaares oder in einer zu dieser Position um einen bestimmten Winkel versetzten Position angeordnet. Dieser bestimmte Winkel wird durch die Anordnung von Ausgleichsleitern oder internen Verschaltungen bestimmt. In dem Fall, dass gegenüberliegende Kommutatorlamellen durch einen jeweiligen Ausgleichsleiter oder eine jeweilige interne Verschaltung verbunden sind, beträgt er 180°. In dem Fall, dass jeweils drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Kommutatorlamellen mit einem Ausgleichsleiter oder einer internen Verschattung verbunden sind, beträgt er 120° oder 240°. In anderen Worten wird eine jeweilige dritte Bürste, wenn sie nicht in der Position zwischen den Bürsten des Bürstenpaares angeordnet ist, in einer solchen Position angeordnet, bei der die gleichen Kommutatorlamellen mit Energie versorgt werden, wie wenn die dritte Bürste in der Position zwischen den Bürstenpaares angeordnet wäre. Die Bürsten des Bürstenpaares können ebenfalls entsprechend versetzt angeordnet sein. Wie zuvor erörtert, kann auch im Falle von Ausgleichsleitern oder internen Verschaltungen zur Redundanz eine höhere Anzahl von Bürsten als drei vorgesehen werden. Diese sind dann jeweils in einer der oder mehreren von den Positionen angeordnet, in die die jeweilige dritte Bürste verschoben werden könnte.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine Bürstenanordnung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen 4-poligen Motors mit drei Bürsten, bei dem gegenüberliegende Kommutatorlamellen mit Ausgleichsleitern verbunden sind,
Figur 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Bürstenanordnung eines erfindungsgemäßen 4-poligen Motors mit drei Bürsten, bei dem gegenüberliegende Kommutatorlamellen mit Ausgleichsleitern verbunden sind, und
Figur 3 eine Bürstenpositionierung eines 2-poligen Motors mit drei Bürsten nach dem Stand der Technik
Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme der Figuren 1 und 2 zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Elektromotors beispielhaft beschrieben.
Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen handelt es sich um 4-polige Wischermotoren mit Ausgleichsleitern. Das Statorpaket hat jeweils vierzehn Nuten, entsprechend hat der Kommutator vierzehn Kommutatorlamellen 5a, von denen jeweils die gegenüberliegenden Kommutatorlamellen durch einen (nicht gezeigten) Ausgleichsleiter verbunden sind. Die erste Bürste 1 , an die in der ersten Geschwindigkeitsstufe die positive Betriebsspannung angelegt wird, und die zweite Bürste 2, die für beide Geschwindigkeitsstufen als Massebürste dient, sind in einem Winkel von 90° mechanisch zueinander angeordnet. Dies entspricht bei einer Polpaarzahl p = 2 elektrisch 180°. Die vier Statorpole sind schematisch durch vier abwechselnd polarisierte Magnetpole 4a-4d gezeigt.
In dem ersten in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die dritte Bürste, an die in der zweiten Geschwindigkeitsstufe die positive Betriebsspanung angelegt wird, mit einem Winkel von 35° zur ersten Bürste 1 versetzt zwischen der ersten Bürste 1 und der zweiten Bürste 2 angeordnet. Durch den Einsatz der Auslgeichsleiter zwischen gegenüberliegenden Kommutatorlamellen kann die dritte Bürste 3 erfindungsgemäß auch um 180° mechanisch versetzt zu dieser Position angeordnet sein. Dies ist im zweiten in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die dritte Bürste 3 um 225° von der ersten Bürste 1 versetzt angeordnet ist, wobei der Winkel von 225° hier entgegen der Drehrichtung des Rotors 5 gemessen wird, wie auch der Versatz von 90° der zweiten Bürste 2 zu der ersten Bürste 1 und der Versatz von 35° zwischen der ersten Bürste 1 und der dritten Bürste 3 im ersten Ausführungsbeispiel.

Claims

Ansprüche
1. Elektromotor, mit einer Anzahl n von Polen (4a - 4d), wobei n gerade und größer 2 ist, und einer Anzahl m von Bürsten (1, T), mit 2 < m < n, gekennzeichnet durch eine Anzahl r von zusätzlichen Bürsten (3) zur Geschwindigkeitsstellung, mit 1 < r < n/2.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass n = 4 bei einer Anzahl m von zwei Bürsten (1, 2) und einer Anzahl r von einer zusätzliche Bürste (3).
3. Elektromotor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch vierzehn gleichmäßig verteilte Kommutatorlamellen (5a), von denen jeweils gegenüberliegende Kommutatorlamellen (5a) durch einen jeweiligen Ausgleichsleiter oder durch eine interne Verschaltung verbunden sind.
4. Elektromotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Bürste (1) und eine zweite Bürste (2), über die der Elektromotor in einer ersten Geschwindigkeitsstufe betrieben wird, in einem Winkel von 90° mechanisch zueinander angeordnet sind, und eine dritte Bürste (3), über die der Elektromotor zusammen mit der zweiten Bürste (2) in einer zweiten
Geschwindigkeitsstufe betrieben wird, entweder in einer Position zwischen der ersten Bürste (1) und der zweiten Bürste (2) oder in einer zu dieser Position um 180° versetzten Position angeordnet ist.
PCT/EP2007/056229 2006-07-04 2007-06-22 Elektromotor mit drehzahlstellung Ceased WO2008003598A1 (de)

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