CN102751832A - 永磁体嵌入型电动机 - Google Patents

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CN102751832A
CN102751832A CN2011103940706A CN201110394070A CN102751832A CN 102751832 A CN102751832 A CN 102751832A CN 2011103940706 A CN2011103940706 A CN 2011103940706A CN 201110394070 A CN201110394070 A CN 201110394070A CN 102751832 A CN102751832 A CN 102751832A
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arc
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西村慎二
黑田洋一
井上正哉
枦山盛幸
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Abstract

本发明的目的在于提供一种使定子线圈容易卷绕、能降低定子线圈的电感且能降低永磁体中产生的涡流的永磁体嵌入型电动机。永磁体嵌入型电动机(1)具备：转子(5)，该转子(5)包括具有使圆弧状曲面(7)在周向上以等角间距进行排列以构成连续的多个凸面的外周面的转子铁心(6)、和埋设于转子铁心(6)以位于圆弧状曲面(7)各自的内径侧的多个永磁体(9)；及定子(2)，该定子(2)包括将齿(3b)分别从圆环状的铁心后端(3a)朝径向内侧延伸设置且在周向上以等角间距进行排列以构成开口槽的定子铁心(3)、和具有以集中卷绕的方式分别卷绕于齿(3b)上的多个集中卷绕线圈(4a)的定子线圈(4)。

Description

永磁体嵌入型电动机
技术领域
本发明涉及例如适用于车辆用电动机的永磁体嵌入型电动机。
背景技术
现有的永磁体同步电动机具备：定子，该定子包括将多个分割铁心排列成圆环状而构成的定子铁心、和具有以集中卷绕的方式卷绕于各分割铁心的齿上的集中卷绕线圈的定子线圈；及转子，该转子将多个永磁体固定接合于圆筒的转子铁心的外周面而构成(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本专利特开平11-89197号公报
发明内容
在现有的永磁体同步电动机中，存在如下问题：由于定子铁心的槽构成为具有从齿的前端朝周向延伸出来的檐部的半封闭槽，因此，定子线圈变得难以卷绕，且线圈的电感变大，在高速旋转时无法得到高输出。
鉴于这种状况，若将定子铁心的槽构成为在齿的前端没有檐部的开口槽，则使定子线圈容易卷绕，且能降低线圈的电感。然而，通过永磁体的定子磁通在单位时间内的变化增大，永磁体的涡流会增加，永磁体的温度上升，产生会引起永磁体的磁通下降和热退磁的新问题。
在半封闭槽中，齿前端的檐部引起磁饱和，磁通密度的变化缓和。但是，在开口槽中，可认为由于省略了齿前端的檐部，因此，磁通密度在齿的边缘部(周向端部)急剧变化，在永磁体中产生较大的涡流。
本申请人不断地进行专心研究，发现了如下现象：具有使圆弧状曲面在周向上以等角间距进行排列的外形形状的转子铁心(以下称为圆弧形转子铁心)和开口槽的组合相比于圆弧形转子铁心和半封闭槽的组合，能降低永磁体中产生的涡流。即，有一种观点认为，在利用了具有圆筒面的外形形状的转子铁心(以下称为圆筒形转子铁心)的情况下，通过将定子铁心的槽从开口槽变成半封闭槽，能降低在嵌入转子铁心内的永磁体中产生的涡流，而本申请人发现了与上述观点相反的现象，从而发明了本发明。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种使定子线圈容易卷绕、能降低定子线圈的电感且能降低永磁体中产生的涡流的永磁体嵌入型电动机。
本发明所涉及的永磁体嵌入型电动机具备：转子，该转子包括转子铁心和多个永磁体，该转子铁心具有使圆弧状曲面在周向上以等角间距进行排列以构成连续的多个凸面的外周面，该多个永磁体埋设于所述转子铁心以位于所述圆弧状曲面各自的内径侧，将埋设于相邻的所述圆弧状曲面的内径侧的所述永磁体进行磁化，以形成彼此不同的极性，从而构成磁极；及定子，该定子包括定子铁心和定子线圈，该定子铁心将齿分别从圆环状的铁心后端朝径向内侧延伸设置且在周向上以等角间距进行排列，以构成开口槽，该定子线圈具有以集中卷绕的方式分别卷绕于所述齿上的多个集中卷绕线圈，该定子围绕所述转子而配置。
根据本发明，由于定子铁心构成为开口槽，因此，使定子线圈容易卷绕，可降低定子线圈的电感，在高速旋转时可得到高输出。
由于利用了构成为开口槽的定子铁心、和具有使圆弧状曲面在周向上以等角间距进行排列以构成连续的多个凸面的外周面的转子铁心，因此，能降低永磁体中产生的涡流。因而，永磁体中的涡流损耗下降，可抑制永磁体的温度上升，从而能防止永磁体的磁通下降和热退磁。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的永磁体嵌入型电动机的主要结构的剖视图。
图2是表示对本发明的实施方式1所涉及的永磁体嵌入型电动机中的永磁体的涡流损耗进行了解析的结果的图。
图3是示意性地表示比较例1的永磁体嵌入型电动机的主要结构的剖视图。
图4是示意性地表示比较例2的永磁体嵌入型电动机的主要结构的剖视图。
图5是示意性地表示比较例3的永磁体嵌入型电动机的主要结构的剖视图。
图6是对永磁体嵌入型电动机中的涡流损耗的降低机理进行说明的图。
图7是对永磁体嵌入型电动机中的涡流损耗的降低机理进行说明的图。
图8是示意性地表示适用于本发明的实施方式2所涉及的永磁体嵌入型电动机的定子铁心的端面图。
图9是示意性地表示适用于本发明的实施方式3所涉及的永磁体嵌入型电动机的定子铁心的端面图。
图10是示意性地表示构成适用于本发明的实施方式4所涉及的永磁体嵌入型电动机的定子铁心的铁心片组的端面图。
图11是示意性地表示适用于本发明的实施方式4所涉及的永磁体嵌入型电动机的定子铁心的端面图。
图12是表示适用于本发明的实施方式5所涉及的永磁体嵌入型电动机的永磁体的端面图。
图13是表示适用于本发明的实施方式6所涉及的永磁体嵌入型电动机的永磁体的端面图。
图14是表示适用于本发明的实施方式7所涉及的永磁体嵌入型电动机的永磁体的立体图。
具体实施方式
下面，利用附图，对本发明的永磁体嵌入型电动机的优选实施方式进行说明。
实施方式1.
图1是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的永磁体嵌入型电动机的主要结构的剖视图，图2是表示对本发明的实施方式1所涉及的永磁体嵌入型电动机中的永磁体的涡流损耗进行了解析的结果的图，图3是示意性地表示比较例1的永磁体嵌入型电动机的主要结构的剖视图，图4是示意性地表示比较例2的永磁体嵌入型电动机的主要结构的剖视图，图5是示意性地表示比较例3的永磁体嵌入型电动机的主要结构的剖视图，图6是对永磁体嵌入型电动机中的涡流损耗的降低机理进行说明的图，图7是对永磁体嵌入型电动机中的涡流损耗的降低机理进行说明的图。
在图1中，永磁体嵌入型电动机1具备：定子2，该定子2保持于外壳(未图示)；及转子5，该转子5保持于外壳并能旋转，且经由规定气隙配置于定子2的內周侧。
定子2具备：定子铁心3，该定子铁心3例如将冲裁成同一形状的多片电磁钢板层叠成一体而制成，包括圆环状的铁心后端3a、和6个齿3b，该6个齿3b分别具有一定的周向宽度，从铁心后端3a的内周面朝径向内侧延伸设置，且在周向上以等角间距进行排列；及定子线圈4，该定子线圈4由以集中卷绕的方式分别卷绕在定子铁心3的齿3b上的6个集中卷绕线圈4a构成。此处，由铁心后端3a和相邻的两个齿3b划分出的槽3c构成为在齿3b的前端没有檐部的开口槽。
转子5具备：转子铁心6，该转子铁心6例如将冲裁成同一形状的多片电磁钢板层叠成一体而制成，具有使多个圆弧状曲面7在周向上以等角间距排列的外形形状；永磁体9，该永磁体9嵌入到转子铁心6的圆弧状曲面7的各自的內周侧；及轴10，该轴10贯穿转子铁心6的轴心位置，且与转子铁心6固定接合。
转子铁心6是具有如下外形形状的圆弧形转子铁心：圆弧状曲面7在周向上以45°的间距(1磁极间距)排列，4个凸面(圆弧状曲面7)在周向上连续设置。在与轴10的轴心O0正交的截面上，圆弧状曲面7形成为以O1为中心的半径r1的圆弧，在周向的中央位置与以轴心O0为中心的半径r0的圆相内切。此外，在与轴10的轴心O0正交的截面上，由以O1为中心的半径r2的圆弧和半径r3的圆弧围住的截面圆弧形的磁体插入孔8在转子铁心6的各圆弧状曲面7的內周侧形成为轴向贯通。另外，将通过圆弧状曲面7的周向中央位置和轴心O0的线段称为磁极中心。
永磁体9制作成与磁体插入孔8的内部形状相同的截面圆弧形状的长方形，插入磁体插入孔8而固定接合。而且，永磁体9安装于转子铁心6，使得N极和S极在周向上交替排列。构成N极磁极的永磁体9进行磁化，使得磁化方向与磁极中心平行且朝向径向外侧。同样地，构成S极磁极的永磁体9进行磁化，使得磁化方向与磁极中心平行且朝向径向内侧。另外，对于永磁体，使用例如烧结稀土类磁体。
这样构成的永磁体嵌入型电动机1作为4极6槽的同步电动机来进行动作。
此处，在图2中示出对本永磁体嵌入型电动机1中的永磁体的涡流损耗进行解析的结果。另外，为了说明本发明的效果，制作比较例1～3的永磁体嵌入型电动机，在使定子线圈的磁通势相等时，对永磁体的涡流损耗进行解析，将该解析结果示于图2。
首先，参照图3至图5，对比较例1～3的永磁体嵌入型电动机的结构进行说明。
如图3所示，比较例1的永磁体嵌入型电动机20包括：定子2，该定子2具有省略齿3b的前端的檐部3d以将槽3c构成为开口槽的定子铁心3、和以集中卷绕的方式卷绕在各齿3b上的集中卷绕线圈4a；及转子5A，该转子5A将永磁体9A嵌入到转子铁心6A中。此处，转子铁心6A是将外周面作为圆筒面的圆筒形转子铁心。而且，永磁体9A制作成截面圆弧形状的长方形，在转子铁心6A内的外周侧沿周向以等角间距嵌入4个。即，比较例1的永磁体嵌入型电动机20是圆筒形转子铁心和开口槽的组合。
如图4所示，比较例2的永磁体嵌入型电动机21包括：定子2A，该定子2A具有使檐部3d从齿3b的前端沿周向延伸出来以将槽3c构成为半封闭槽的定子铁心3A、和以集中卷绕的方式卷绕在各齿3b上的集中卷绕线圈4a；及转子5A，该转子5A将永磁体9A嵌入到转子铁心6A中。即，比较例2的永磁体嵌入型电动机21是圆筒形转子铁心和半封闭槽的组合。
如图5所示，比较例3的永磁体嵌入型电动机22包括：定子2A，该定子2A具有使檐部3d从齿3b的前端沿周向延伸出来以将槽3c构成为半封闭槽的定子铁心3A、和以集中卷绕的方式卷绕在各齿3b上的集中卷绕线圈4a；及转子5，该转子5将永磁体9嵌入到转子铁心6中。即，比较例3的永磁体嵌入型电动机22是圆弧形转子铁心和半封闭槽的组合。
从图2可确认，作为圆弧形转子铁心和开口槽的组合的本发明与比较例1～3相比，能降低永磁体9、9A的涡流损耗。此外，可确认，利用圆弧形转子铁心的情况(本发明和比较例3)与利用圆筒形转子铁心的情况(比较例1、2)相比，能降低永磁体9、9A的涡流损耗。
接下来，对图2的解析结果进行探讨。
根据比较例1、2的解析结果，对于圆筒形转子铁心的情况，通过从开口槽变成半封闭槽，从而降低了永磁体9A的涡流损耗。这可认为是由以下原因引起的：对于开口槽的情况，由于省略了齿3b前端的檐部3d，因此，磁通密度在齿3b的边缘部(周向端部)急剧变化，在永磁体9A中产生较大的涡流，与此不同的是，对于半封闭槽的情况，齿3b前端的檐部3d引起磁饱和，磁通密度的变化缓慢，在永磁体9A中产生的涡流变小。
根据本发明和比较例1的解析结果，对于开口槽的情况，通过从圆筒形转子铁心变成圆弧形转子铁心，从而降低了永磁体9、9A的涡流损耗。如图7所示，若通过从圆筒形转子铁心变成圆弧形转子铁心，使其沿周向偏离磁极中心，则齿3b与转子铁心6之间的气隙变大。因而，可认为，缓和了磁通密度在开口槽的齿3b的侧端的急剧变化，永磁体9、9A中产生的涡流变小。
根据本发明和比较例3的解析结果，对于圆弧形转子铁心的情况，通过从半封闭槽变成开口槽，从而降低了永磁体9的涡流损耗。
此处，如图6和图7所示，磁通A从齿3b进入转子铁心6，横穿永磁体9而进入相邻的齿3b。另外，图6和图7中，B是圆筒面。
对于半封闭槽的情况，如图6所示，檐部3d彼此之间接近。因而，在檐部3d间位于磁极中心附近的情况下，气隙变小，磁通A变大。而且，若檐部3d间偏离磁极中心，则气隙变大，磁通A变小。这样，对于半封闭槽的情况，仅当檐部3d间偏离了磁极中心时，可获得圆弧形转子铁心所引起的气隙扩大的益处。
另一方面，对于开口槽的情况，如图7所示，在一个齿3b位于磁极中心附近、气隙较小时，另一个齿3b偏离磁极中心，气隙变大。由此，可认为，磁通A与转子铁心6的位置无关而变小，横穿永磁体9的磁通量变少，永磁体9中产生的涡流变小。
这样，根据该实施方式1，永磁体嵌入型电动机1由于将定子铁心3的槽3c构成为开口槽，因此，使集中卷绕线圈4a容易卷绕，并且，可降低定子线圈4的电感，力图在高速旋转时得到高输出。
此外，由于将定子铁心3的槽3c构成为开口槽，将转子铁心6构成为圆弧形转子铁心，因此，可抑制永磁体9中产生涡流。其结果是，永磁体9中的涡流变小，可抑制永磁体9的温度上升，能防止永磁体9的磁通下降和热退磁。
此外，在与轴10的轴心O0正交的截面上，圆弧状曲面7形成为以O1为中心的半径r1的圆弧，磁体插入孔8的外周侧内壁面形成为以O1为中心的半径r2的圆弧。即，圆弧状曲面7的圆弧中心与磁体插入孔8的外周侧内壁面的圆弧中心相一致。因而，转子铁心6的圆弧状曲面7与磁体插入孔8之间的厚度均匀，能缓和该部分的应力集中，提高转子5的抗离心力的性能。
此外，在与轴10的轴心O0正交的截面上，磁体插入孔8的外周侧内壁面形成为以O1为中心的半径r2的圆弧。即，永磁体9的外周侧外壁面在径向外侧形成为凸状的圆弧形状。因而，能缩短嵌入到转子铁心6内的永磁体9与圆弧状曲面7之间的距离，提高降低涡流的效果。
此外，在与轴10的轴心O0正交的截面上，磁体插入孔8的外周侧内壁面和內周侧内壁面分别形成为以O1为中心的半径r2的圆弧和半径r3的圆弧。所以，由于将永磁体9制作成与磁体插入孔8的内部形状相同的截面圆弧形状的长方形，因此，能削减永磁体材料的使用量。
实施方式2.
图8是示意性地表示适用于本发明的实施方式2所涉及的永磁体嵌入型电动机的定子铁心的端面图。
在图8中，定子铁心3B例如将冲裁成同一形状的多片电磁钢板层叠成一体而制成，包括圆环状的铁心后端3a和6个齿11，该6个齿11分别形成为周向宽度朝内径侧逐渐变窄的渐缩状，从铁心后端3a的内周面朝径向内侧延伸设置，且在周向上以等角间距进行排列。
另外，其他结构与上述实施方式1同样地形成。
根据该实施方式2，由于各齿11形成为周向宽度朝内径侧逐渐变窄的渐缩状，因此，能将卷绕导线而制作的集中卷绕线圈4a顺畅地插入到齿11。由此，能提高定子的组装性，并且，能抑制将集中卷绕线圈4a插入到齿11时损坏集中卷绕线圈4a的绝缘覆盖层。
实施方式3.
图9是示意性地表示适用于本发明的实施方式3所涉及的永磁体嵌入型电动机的定子铁心的端面图。
在图9中，铁心片12例如将冲裁成同一形状的多片电磁钢板层叠成一体而制成，包括铁心后端部13、和从铁心后端部13的内周面的周向中央朝径向内侧延伸设置的齿3b。定子铁心3C是将6个铁心片12沿周向排列成环状并压入圆环状的框架(未图示)而构成。而且，在周向上将铁心后端部13相连接以构成铁心后端3a。
另外，其他结构与上述实施方式1同样地形成。
根据该实施方式3，由于定子铁心3C分割为6个铁心片12而构成，因此，能将集中卷绕线圈4a高密度且简易地卷绕于铁心片12的齿3b上。因而，能提高线圈的占空系数。
实施方式4.
图10是示意性地表示构成适用于本发明的实施方式4所涉及的永磁体嵌入型电动机的定子铁心的铁心片组的端面图，图11是示意性地表示适用于本发明的实施方式4所涉及的永磁体嵌入型电动机的定子铁心的端面图。
在图10和图11中，铁心片组14利用能弯曲的连接部15将6个铁心片12的铁心后端部13的周向端面的外周部彼此之间进行连接而构成。定子铁心3D是用各连接部15将铁心片组14弯曲以弯成环状、并压入圆环状的框架(未图示)而构成。
另外，其他结构与上述实施方式1同样地形成。
在该实施方式4中，在将电磁钢板冲裁成形时，同时形成将铁心片12的铁心后端部13的周向两端的外周部进行连接的薄壁部。而且，将冲裁后的多片电磁钢板层叠成一体，制作由薄壁部的层叠部、即能弯曲的连接部15将6个铁心片12进行了连接的铁心片组14。
根据该实施方式4，由于铁心片组14利用能弯曲的连接部15将6个铁心片12进行连接而构成，因此，在将弯曲成环状的铁心片组14压入圆环状的框架之前，将铁心片组展开成平面状，在此状态下，能将集中卷绕线圈4a高密度且简易地卷绕于铁心片12的齿3b上。因而，能提高线圈的占空系数。
另外，在上述实施方式4中，虽然使连接部由薄壁部构成，但连接部只要构成为能弯曲即可，例如，也可在相邻铁心片的相对的端部外周部的一边形成凹部，在另一边形成凸部，使凹部和凸部进行嵌合而能转动。
此外，在上述实施方式4中，虽然利用连接部将铁心片组弯曲以弯成环状，并压入圆环状的框架，但也可利用连接部将铁心片组弯曲以弯成环状，并使两端的铁心片的铁心后端部的端面彼此之间对接，利用焊接进行接合。
实施方式5.
图12是表示适用于本发明的实施方式5所涉及的永磁体嵌入型电动机的永磁体的端面图。
在图12中，永磁体16制作成使外周侧外壁面为圆弧状曲面、內周侧外壁面为平坦面的截面拱形形状的长方形。
另外，其他结构与上述实施方式1同样地形成。
根据该实施方式5，无需将永磁体16的內周侧外壁面成形为圆弧形状曲面，可力图降低成本。
实施方式6.
图13是表示适用于本发明的实施方式6所涉及的永磁体嵌入型电动机的永磁体的端面图。
在图13中，将永磁体17沿周向一分为二，分成第1永磁体17a和第2永磁体17b。而且，虽然未图示，但将第1永磁体17a和第2永磁体17b插入到沿轴向贯通转子铁心的磁体插入孔中，使其经由微小的间隙沿周向排列。
另外，其他结构与上述实施方式1同样地形成。
根据该实施方式6，由于将永磁体17沿周向一分为二，因此，磁通交链的永磁体的宽度变成一半，可抑制产生涡流，能降低涡流损耗。
实施方式7.
图14是表示适用于本发明的实施方式7所涉及的永磁体嵌入型电动机的永磁体的立体图。
在图14中，将永磁体18沿轴向一分为二，分成第1永磁体18a和第2永磁体18b。而且，虽然未图示，但将第1永磁体18a和第2永磁体18b插入到沿轴向贯通转子铁心的磁体插入孔中，使其经由微小的间隙沿轴向排列。
另外，其他结构与上述实施方式1同样地形成。
在该实施方式7中，由于将永磁体18沿轴向一分为二，因此，涡流的流线被切割，能降低涡流，从而能降低涡流损耗。
另外，在上述实施方式6、7中，虽然经由微小间隙来配置第1永磁体和第2永磁体，但第1永磁体和第2永磁体之间只要电绝缘即可，例如也可装入电绝缘性的树脂。
此外，在上述实施方式6、7中，虽然将永磁体一分为二，但永磁体的分割数并不限于2。
此外，在上述各实施方式中，虽然使永磁体嵌入型电动机中的磁极数与槽数之比为4∶6，即极槽比为2∶3，但极槽比并不限于2∶3，例如，也可以是4∶3。
标号说明
2定子
3、3B、3C、3D定子铁心
3a铁心后端
3b、11齿
4定子线圈
4a集中卷绕线圈
5转子
6转子铁心
7圆弧状曲面
9、16、17、18永磁体
12铁心片
13铁心后端部
14铁心片组
15连接部

Claims (9)

1.一种永磁体嵌入型电动机，其特征在于，具备：
转子，该转子包括转子铁心和多个永磁体，该转子铁心具有使圆弧状曲面在周向上以等角间距进行排列以构成连续的多个凸面的外周面，该多个永磁体埋设于所述转子铁心以位于所述圆弧状曲面各自的内径侧，将埋设于相邻的所述圆弧状曲面的内径侧的所述永磁体进行磁化，以形成彼此不同的极性，从而构成磁极；及
定子，该定子包括定子铁心和定子线圈，该定子铁心将齿分别从圆环状的铁心后端朝径向内侧延伸设置且在周向上以等角间距进行排列，以构成开口槽，该定子线圈具有以集中卷绕的方式分别卷绕于所述齿上的多个集中卷绕线圈，该定子围绕所述转子而配置。
2.如权利要求1所述的永磁体嵌入型电动机，其特征在于，
所述齿形成为其周向宽度在内径侧逐渐变细的渐缩形状。
3.如权利要求1或2所述的永磁体嵌入型电动机，其特征在于，
所述定子铁心将从铁心后端部的内周面的周向中央朝径向内侧延伸设置有所述齿的铁心片排列成环状而构成。
4.如权利要求1或2所述的永磁体嵌入型电动机，其特征在于，
对于从铁心后端部的内周面的周向中央朝径向内侧延伸设置有所述齿的铁心片，利用能弯曲的连接部将该铁心后端部的外周部彼此之间进行连接而构成铁心片组，所述定子铁心用该连接部将该铁心片组弯曲以构成环状。
5.如权利要求1或2所述的永磁体嵌入型电动机，其特征在于，
在与所述转子铁心的轴心正交的平面中，所述永磁体的外周侧外壁面形成为朝径向外侧凸出的圆弧状。
6.如权利要求5所述的永磁体嵌入型电动机，其特征在于，
在与所述转子铁心的轴心正交的平面中，所述永磁体的内周侧外壁面形成为朝径向外侧凸出的圆弧状。
7.如权利要求5所述的永磁体嵌入型电动机，其特征在于，
在与所述转子铁心的轴心正交的平面中，所述永磁体的外周侧外壁面的圆弧中心与所述圆弧状曲面的圆弧中心相一致。
8.如权利要求1或2所述的永磁体嵌入型电动机，其特征在于，
所述永磁体沿周向分割成多个。
9.如权利要求1或2所述的永磁体嵌入型电动机，其特征在于，
所述永磁体沿轴向分割成多个。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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