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[Technisches Fachgebiet]
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor, umfassend einen Rotor mit Elektromagneten, die eine gewickelte Feldfunktion des Selbsterregertyps aufweisen.
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[Allgemeiner Stand der Technik]
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Motoren zum Einbau in elektrischen Hybridfahrzeugen (HEVs: Hybrid Electric Vehicles) oder Elektrofahrzeugen (EVs: Electric Vehicles) benötigen eine verbesserte Effizienz durch z. B. die effektive Nutzung des magnetischen Drehmomentes zusammen mit dem Drehmoment, das durch das Phänomen der magnetischen Reluktanz erzeugt wird. Solche Motoren verwenden oftmals ein Design mit inneren Permanentmagneten (IPM), das solche Permanentmagneten durch Neodymmagnete abwandelt, deren magnetische Kraft innerhalb des Rotoraufbaus stark ist.
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Im Hinblick auf Motoren dieser Art, wie ersichtlich bei einem Motor beschrieben in
JP 2013-38918A , im Folgenden Patentliteratur 1 genannt, wird vorgeschlagen, den Rotor mit Elektromagneten auszurüsten, die eine gewickelte Feldfunktion des Selbsterregertyps aufweisen, und zwar in Anbetracht der Tatsache, dass Permanentmagneten mit hoher magnetischer Kraft teuer und schwer zu bekommen sind, weil eine stabile Versorgung mit dem magnetischen Material schwer zu erreichen ist. In dem Motor beschrieben in Patentliteratur 1 sind eine Induktionsspule und eine elektromagnetische Spule einzeln um jede der Schenkelstrukturen des Rotors ausgebildet, mit denen der magnetische Fluss, der durch die Ankerpolspulen des Stators erzeugt wird, zur Kopplung gerichtet wird, um zu erreichen, dass die Schenkelstruktur des Rotors als ein Elektromagnet fungiert, und zwar durch Zuführen eines gleichgerichteten Induktionsstromes an die elektromagnetische Spule nach Gleichrichtung eines Stromes, der durch die Induktionsspule induziert wird.
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In dem in Patentliteratur 1 beschriebenen Motor wird das an den Rotor angelegte Drehmoment verbessert durch das Nutzen des Reluktanzmomentes, das erzeugt wird durch die Kopplung des magnetischen Flusses, der durch die Ankerpolspulen des Stators erzeugt wird, mit den Schenkelstrukturen des Rotors, und durch das Nutzen des magnetischen Drehmoments, das erzeugt wird, indem erreicht wird, dass die Schenkelstrukturen des Rotors als Elektromagnete dienen.
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[Stand der Technik]
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[Patent Literatur]
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- Patentliteratur 1: JP2013-38918A
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[Kurzdarstellung der Erfindung]
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[Technische Problemstellung]
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Weil jedoch in dem in Patentliteratur 1 beschriebenen Motor ein Elektromagnet mit der gewickelten Feldfunktion des Selbsterregertyps an jeder der Schenkelstrukturen des Rotors vorgesehen ist, von denen jede eine Induktionsspule und eine elektromagnetische Spule aufweist, besteht die Drehmoment erzeugende Fläche nur aus den äußeren Umfangsflächenabschnitten der Schenkelstrukturen des Rotors, von denen jede eine Induktionsspule und eine elektromagnetische Spule aufweist, die um jene gemeinsam gewickelt sind.
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Dies verringert die Effizienz der Rotation in diesem Motor, weil die äußere Umfangsfläche des Rotors Bereiche mit niedriger Drehmomentdichte aufweist, und verringert die Qualität der Rotation, weil die Bereiche mit niedriger Drehmomentdichte nacheinander in der Umfangsrichtung erscheinen.
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Ferner wird in dem in Patentliteratur 1 beschriebenen Motor der Erregergleichstrom synthetisiert, nachdem jeder induzierte Wechselstrom, der durch die Induktionsspule erzeugt wird, pro Pol-Schenkelstruktur einweggleichgerichtet wird, so dass der induzierte Strom nicht effektiv genutzt werden kann.
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Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Motor bereitzustellen, der mit Elektromagneten ausgerüstet ist, die eine gewickelte Feldfunktion des Selbsterregertyps aufweisen, und der in der Lage ist, ein hohes Antriebsdrehmoment bereitzustellen, und zwar durch das effizientere Wiederherstellen von Verlustenergie als Feldenergie.
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[Lösung des Problems]
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Um das oben beschriebene Problem zu lösen, umfasst ein Motor gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung Folgendes: einen Stator, der eine Vielzahl von Ankerpolspulen zur Erzeugung eines magnetischen Flusses umfasst, wenn diese erregt werden; einen Rotor, angeordnet zur Rotation innerhalb des Stators aufgrund des magnetischen Flusses, wobei der Rotor ausgebildet ist mit einer Vielzahl von Hauptschenkelstrukturen, die hin zu dem Stator gerichtet und beabstandet nacheinander in der vorgegebenen Richtung angeordnet sind, und mit einer Vielzahl von Hilfsschenkelstrukturen, die hin zu dem Stator gerichtet und beabstandet nacheinander in einer vorgegebenen Richtung angeordnet sind, dergestalt, dass jede aus der Vielzahl von Hilfsschenkelstrukturen zwischen zwei benachbarten aus der Vielzahl von Hauptschenkelstrukturen angeordnet ist, wobei die Vielzahl von Haupt- und Hilfsschenkelstrukturen umfasst: Induktionsspulen, jede zur Erzeugung eines Induktionsstromes, wenn diese durch Raumoberschwingungen, die in dem magnetischen Fluss enthalten sind, gekoppelt wird; und elektromagnetische Spulen, jede zur Erzeugung einer elektromagnetischen Kraft, wenn diese durch den Induktionsstrom, der durch die Induktionsspule erzeugt wird, erregt wird.
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[Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
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Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Motor bereitgestellt, ausgerüstet mit Elektromagneten, die eine gewickelte Feldfunktion des Selbsterregertyps aufweisen, der in der Lage ist, ein hohes Antriebsdrehmoment bereitzustellen, und zwar durch effiziente Wiederherstellung von Verlustenergie als Feldenergie.
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[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
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1 ist eine Ansicht einer Ausführungsform eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung, d. h. ein vergrößerter teilweiser Querschnitt von ihrem schematischen Aufbau.
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2 ist ein Diagramm einer vereinfachten Schaltanordnung zum Verbinden von Induktionsspulen auf Hilfsschenkelstrukturen mit elektromagnetischen Spulen auf Rotorzähnen mittels Dioden.
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3 ist ein Diagramm einer vereinfachten Schaltkonfiguration zum Verbinden von Induktionsspulen auf Rotorzähnen mit elektromagnetischen Spulen auf Hilfsschenkelstrukturen mittels Dioden.
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4 ist ein Zustandsdiagramm, das magnetische Flussvektoren zeigt, die gemäß den Richtungen der Magnetisierung eines magnetischen Flusses, der während der Erregung erzeugt wird, gezeichnet sind.
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5 ist ein Zustandsdiagramm, das magnetische Flusslinien zeigt, die gemäß einem magnetischen Fluss gezeichnet sind, der während der Erregung erzeugt wird.
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6 ist ein Zustandsdiagramm, das magnetischen Fluss zeigt, der während der Erregung erzeugt wird, mit magnetischen Flusslinien und magnetischen Flussvektoren.
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7 ist ein vergrößerter teilweiser Querschnitt eines schematischen Aufbaus eines Motors mit einem Vergleichsaufbau, im Hinblick auf die vorliegende Ausführungsform, ohne Hilfsschenkelstrukturen.
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8 ist ein Graph, der Induktionsstrom während der Erregung bei vorhandenen und bei fehlenden Hilfsschenkelstrukturen vergleicht.
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9 ist ein Graph, der Drehmoment, das während der Erregung erzeugt wird, bei vorhandenen und bei fehlenden Hilfsschenkelstrukturen vergleicht.
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[Beschreibung der Ausführungsformen]
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Mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen wird im Folgenden eine Ausführung der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben. Die 1 bis 9 sind Ansichten, die einen Motor zeigen, der zu einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehört. Hier ist 1 ein Querschnitt eines Reluktanzmotors, der nur einen Bogenabschnitt mit 60° im mechanischen Winkel mit einer Rotationsachse als Zentrum zeigt, wobei ein Aufbau dargestellt ist, in dem der Abschnitt mit 60° im mechanischen Winkel in Umfangsrichtung periodisch wiederholt wird.
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(Grundlegender Aufbau des Motors)
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In 1 weist ein Motor 10 eine Leistung auf, so dass er zum Einbau in einem Fahrzeug, wie z. B. einem Elektro- oder Hybridelektrofahrzeug, geeignet ist, als alleinige Quelle der Antriebskraft oder zusammen mit einem Verbrennungsmotor. Dieser Motor 10 ist in einem Aufbau ausgebildet, der keine Energie benötigt, die einem Rotor von außen zugeführt wird, wie später beschrieben wird.
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Der Motor 10 umfasst einen Stator 11, der näherungsweise in zylindrischer Form ausgebildet ist, und einen Rotor 21, der zur Rotation innerhalb des Stators 11 angeordnet ist und der an einer rotierenden Welle befestigt ist, die zur Rotationsachse ausgerichtet ist. Der Stator 11 und der Rotor 21 fungieren als jeweilige magnetische Pfade, die in der Lage sind, einen verstärkten magnetischen Fluss durchzuleiten, indem sie eine innere magnetische Permeabilität erhöhen, indem sie durch das Stapeln magnetischer Stahlplatten (magnetischer Körper) als integrale Strukturen ausgebildet sind, die es ermöglichen, dass Wicklungen diese umwickeln. Dieser Stator 11 und dieser Rotor 21 sind derart ausgebildet, dass der magnetische Fluss zur Kopplung der einander radial über einen extrem kleinen Luftspalt G zugewandten Endflächen veranlasst wird.
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Der Stator 11 weist eine Vielzahl von Statorzähnen 12 auf, die äquidistant entlang einer Umfangsrichtung angeordnet sind und als Schenkelkonfigurationen ausgebildet sind, die sich radial in einer Einwärtsrichtung hin zur rotierenden Welle erstrecken. An den Seiten ihrer inneren Umfangsflächen 12a sind die Statorzähne 12 über den Luftspalt G, den äußeren Umfangsflächen 22a der Rotorzähne 22 des Rotors 21, die später beschrieben werden, zugewandt. Die Drei-Phasenwicklungen für dreiphasige Wechselstromquellen sind unabhängig um die jeweiligen Statorzähne 12 gewickelt, und zwar durch konzentriertes Wickeln unter Verwendung von Statornuten 13, von denen jede eine Lücke ist, die zwischen Seiten benachbarter zweier Statorzähne 12 ausgebildet ist, um Ankerpolspulen 14 zu bilden. In Reaktion auf die Einspeisung von Antriebs-Wechselstrom in die Ankerpolspulen 14 fungieren die Statorzähne 12 weiterhin als Elektromagneten, die einen magnetischen Fluss erzeugen, der ein Drehmoment zur Rotation auf den Rotor 21 aufbringt, das von Rotor 21 im Inneren aufgenommen wird.
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Der Rotor 21 weist eine Vielzahl von Rotorzähnen (Hauptschenkelstrukturen) 22 auf, die äquidistant entlang einer Umfangsrichtung angeordnet sind und als Schenkelkonfigurationen ausgebildet sind, die sich radial in einer Richtung weg von der rotierenden Welle erstrecken. Die Rotorzähne 22 unterscheiden sich in ihrer Anzahl über den gesamten Umfang von der Anzahl der Statorzähne 12 und sind derart ausgebildet, dass sich während der relativen Rotation die äußeren Umfangsflächen (Endflächen) 22a zeitgerecht den inneren Umfangsflächen 12a der Statorzähne 12 zuwenden.
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Diese Anordnung ermöglicht es dem Motor 10, dass magnetischer Fluss, der durch die Erregung der Ankerpolspulen 14 des Stators 11 erzeugt wird, ausgehend von den inneren Umfangsflächen 12a der Statorzähne 12 fließt, um die zugewandten äußeren Umfangsflächen 22a der Rotorzähne 22 zu koppeln. Daher kann der Motor 10 den Rotor 21 zur relativen Drehung veranlassen, aufgrund des Reluktanzmomentes (Primärmoment), das erzeugt wird, um den kleinsten Magnetpfad (magnetische Kopplung) bereitzustellen, durch welchen der magnetische Fluss fließt. Infolgedessen wird in dem Motor 10 die durch Bestromung eingespeiste elektrische Energie ausgegeben als mechanische Energie, und zwar von der rotierenden Welle, die intergal drehbar mit Rotor 21 ist, der sich innerhalb des Stators 11 relativ zu diesem dreht.
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(Grundlegender Aufbau des Motos mit gewickeltem Feld vom Selbsterregertyp)
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In diesem Motor 10 enthält der magnetische Fluss, der mit den äußeren Umfangsflächen 22a der Rotorzähne 22 von den inneren Umfangsflächen 12a der Statorzähne 12 koppelt, Raumoberschwingungen. Dies ermöglicht es dem Rotor 21, eine elektromagnetische Kraft zu erhalten, indem die eingebauten Spulen zur Erzeugung eines Induktionsstroms veranlasst werden, und zwar durch das Nutzen von Variationen in der magnetischen Flussdichte von jeder der Raumoberschwingungen, die den Rotor 21 mit dem Stator 11 koppeln.
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Weil insbesondere während dieser Zeit der Rotor 21 (die Rotorzähne 22), aufgrund der Versorgung der Ankerpolspulen 14 des Stators 11 mit wechselndem Antriebsstrom, der mit einer Grundfrequenz variiert, zur Drehung veranlasst wird, und zwar durch den mit der Grundfrequenz variierenden primären magnetischen Fluss, gibt es keine großen Änderungen in dem magnetischen Fluss, der Rotor 21 koppelt, und es wird kein Induktionsstrom erzeugt, selbst wenn Spulen auf einfache Art und Weise an dem Rotor 21 angeordnet sind.
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Während andererseits die Raumoberschwingungen bei Frequenzen variieren, die im Hinblick auf die Zeit unterschiedlich von der Grundfrequenz sind, koppeln die Raumoberschwingungen, die mit dem magnetischen Fluss überlagert sind, mit den Rotorzähnen 22 von den äußeren Umfangsflächen 22a. Daher können die Raumoberschwingungen, die mit dem magnetischen Fluss mit der Grundfrequenz überlagert sind, die Spulen, die auf den Rotorzähnen 22 benachbart zu den äußeren Umfangsflächen 22a installiert sind, dazu veranlassen, effektiv Induktionsstrom zu erzeugen. Infolgedessen ist es möglich, den magnetischen Fluss der Raumoberschwingungen, der die Ursache des Auftretens von Eisenverlusten ist, als Energie für Selbsterregung wiederherzustellen.
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Daraus folgt, dass der Motor 10 eine Induktionsspule 27 und eine elektromagnetische Spule 28 aufweist, die auf jedem seiner Rotorzähne 22 angeordnet sind, durch das Umwickeln der Rotorzähne 22 mit Wicklungen, und zwar durch konzentriertes Wickeln unter Verwendung von Rotornuten 23, von denen jede eine Lücke ist, die zwischen Seiten der benachbarten zwei Rotorzähne 22 ausgebildet ist. Des Weiteren weist der Motor 10 Hilfsschenkelstrukturen 32 auf, die später beschrieben werden, von denen jede innerhalb einer der Rotornuten 23 ausgebildet ist, und er weist eine Induktionsspule 37 und eine elektromagnetische Spule 38 auf, die auf jeder der Hilfsschenkelstrukturen 32 angeordnet sind, durch das Umwickeln der Hilfsschenkelstrukturen 32 mit Wicklungen, genauso wie das Umwickeln der Rotorzähne 22 mit Wicklungen.
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Die Induktionsspulen 27, 37 werden zur Erzeugung von Induktionsströmen veranlasst, die den entsprechenden elektromagnetischen Spulen 28, 38 zugeführt werden, und zwar mittels Raumoberschwingungen (oder Variationen in der magnetischen Flussdichte), die in dem magnetischen Fluss enthalten sind, der die äußeren Umfangsflächen 22a, 32a der Rotorzähne 22 und der Hilfsschenkelstrukturen 32 von den inneren Umfangsflächen 12a der Statorzähne 12 koppelt. Die elektromagnetischen Spulen 28, 38 sind selbsterregt durch die Verwendung der Induktionsströme als Erregerströme, die durch die zugeordneten Induktionsspulen 27, 37 bereitgestellt werden, um einen magnetischen Fluss (eine elektromagnetische Kraft) zu erzeugen.
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Daher ermöglicht es der Motor 10, den magnetischen Fluss, der durch die elektromagnetischen Spulen 28, 38 in Reaktion auf die von den Induktionsspulen 27, 37 induzierten Induktionsströme erzeugt wird, zu veranlassen, die inneren Umfangsflächen 12a der benachbarten Statorzähne 12 von den äußeren Umfangsflächen 22a, 32a der Rotorzähne 22 und der Hilfsschenkelstrukturen 32 zu koppeln. Dies stellt eine Drehmomentunterstützung zur relativen Rotation des Rotors 21 bereit, durch das Erhalten eines magnetisches Drehmoment (oder Hilfsdrehmomentes), das basierend auf der Tendenz der magnetischen Verkettungsflüsse, den magnetischen Pfad des geringsten Widerstandes zu suchen, erzeugt wird, zusätzlich zu dem magnetischen Fluss der Ankerpolspulen 14, die eine Erzeugung des Primärdrehmomentes bewirken.
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Infolgedessen ermöglicht es der Motor 10, als Energie sogar an Hilfsschenkelstrukturen 32 Raumoberschwingungen wiederherzustellen, die im magnetischen Fluss enthalten sind und die in dem Fall, dass nur Rotorzähne 22 vorhanden sind, nicht genutzt werden und daher einen Verlust bewirken, um als Ausgabe die wiederhergestellte Energie bereitzustellen und um die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren, indem Antriebskraft an allen Bereichen, wo Rotornuten 23 ausgebildet sind, erzeugt wird.
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Detailliert beschrieben heißt dies: eine Vielzahl von Hilfsschenkelstrukturen 32, die magnetisch an die Rotorzähne 22 gekoppelt sind, sind integral derart mit dem Rotor 21 drehbar, dass die Hilfsschenkelstrukturen 32 als Schenkelkonfigurationen ausgebildet sind, die sich radial in Richtungen weg von der rotierenden Welle genauso wie die Rotorzähne 22 erstrecken und äquidistant in einer Umfangsrichtung und innerhalb der jeweiligen Rotornuten 23 angeordnet sind. Mit anderen Worten sind so viele Hilfsschenkelstrukturen 32 wie Rotorzähne 22 bereitgestellt und derart ausgebildet, dass sich während der relativen Rotation die äußeren Umfangsflächen 32a zeitgerecht den inneren Umfangsflächen 12a der Statorzähne 12 zuwenden.
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(Detaillierter Aufbau des Motors mit gewickeltem Feld des Selbsterregertyps 1)
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Um die Rotorzähne 22 als Elektromagneten fungieren zu lassen, ordnet dieser Motor 10, zusätzlich zur Anordnung der elektromagnetischen Spulen 28, die Induktionsspulen 37 auf den Hilfsschenkelstrukturen 32 an, die unterschiedlich von den Rotorzähnen 22 sind, als eine Stromquelle des Erregerstromes, der den elektromagnetischen Spulen 28 zuzuführen ist (siehe 4 und 5). Die elektromagnetische Spule 28 ist um jeden der Rotorzähne 22 an einem Abschnitt der rotierenden Welle entfernt zu der äußeren Umfangsfläche 22a durch konzentriertes Wickeln ausgebildet, während Induktionsspule 37 um die benachbarte der Hilfsschenkelstrukturen 32 an einem Abschnitt benachbart zu der äußeren Umfangsfläche 32a durch konzentriertes Wickeln ausgebildet ist.
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Dies ermöglicht es dem Motor 10, den magnetischen Fluss zur starken Kopplung der äußeren Umfangsfläche 32a der Hilfsschenkelstruktur 32 von der inneren Umfangsfläche 12a des benachbarten Statorzahnes 12 über einen kleinen Luftspalt G zu veranlassen, wodurch die Induktionsspule 37 veranlasst wird zur Erzeugung eines Induktionsstroms abhängig von den Raumoberschwingungen (oder Variationen in der magnetischen Flussdichte), die in dem koppelnden magnetischen Fluss enthalten sind, um den Induktionsstrom der elektromagnetischen Spule 28 rund um den Rotorzahn 22 zur Verfügung zu stellen. Die elektromagnetische Spule 28 an diesem Rotorzahn 22 kann einen magnetischen Fluss (oder eine elektromagnetische Kraft) durch Selbsterregung erzeugen, indem sie den Induktionsstrom, den sie von der Induktionsspule 37 auf der Hilfsschenkelstruktur 32 empfängt, als Erregerstrom nutzt.
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Daher ermöglicht es der Motor 10, mittels des Induktionsstroms, der von der Induktionsspule 37 auf der Hilfsschenkelstruktur 32 induziert wird, die elektromagnetische Spule 28 an dem individuellen Rotorzahn 22 zu veranlassen, einen magnetischen Fluss zu erzeugen, wodurch der magnetische Fluss zum Fluss aus der äußeren Umfangsfläche 22a dieses Rotorzahnes 22 veranlasst wird, um mit der inneren Umfangsfläche 12a des benachbarten Statorzahnes 12 zu koppeln.
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Das bedeutet, dass der Motor 10 die Drehung des Rotors 21 unterstützen kann, indem er die elektromagnetische Spule 28 als einen Elektromagneten fungieren lässt, indem er Strom von der Induktionsspule 37 auf der Hilfsschenkelstruktur 32, die innerhalb der Rotornut 23 angeordnet ist, bereitstellt, wodurch die Rotation mit den Rotorzähnen 22 als d-Achsen und mit der Hilfsschenkelstruktur 32 zwischen den Rotorzähnen 22 als q-Achse bewirkt wird.
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(Detaillierter Aufbau des Motors mit gewickeltem Feld des Selbsterregertyps 2)
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Um die Hilfsschenkelstrukturen 32 als Elektromagneten fungieren zu lassen, ordnet dieser Motor 10 des Weiteren, zusätzlich zur Anordnung der elektromagnetischen Spulen 38, die Induktionsspule 27 auf dem Rotorzahn 22 getrennt von den Hilfsschenkelstrukturen 32 an, als eine Stromquelle für Erregerstrom, der den elektromagnetischen Spulen 38 zuzuführen ist (siehe 6). Die elektromagnetische Spule 38 ist um jede der Hilfsschenkelstrukturen 32 an einem Abschnitt auf der rotierenden Welle entfernt von der äußeren Umfangsfläche 32a durch konzentriertes Wickeln ausgebildet, während die Induktionsspule 27 um den benachbarten der Rotorzähne 22 an einem Abschnitt benachbart zu der äußeren Umfangsfläche 22a durch konzentriertes Wickeln ausbildet ist.
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Dies ermöglicht es dem Motor 10, den magnetischen Fluss zur starken Kopplung der äußeren Umfangsfläche 22a des Rotorzahnes 22 von der inneren Umfangsflächen 12a des benachbarten Statorzahnes 12 über einen kleinen Luftspalt G zu veranlassen, wodurch die Induktionsspule 27 zur Erzeugung eines Induktionsstroms abhängig von den Raumoberschwingungen, die in dem koppelnden magnetischen Fluss enthalten sind, veranlasst wird, um Induktionsstrom der elektromagnetischen Spule 38 um die Hilfsschenkelstruktur 32 zuzuführen. Die elektromagnetische Spule 28 auf dieser Hilfsschenkelstruktur 32 kann einen magnetischen Fluss (oder eine elektromagnetische Kraft) durch Selbsterregung erzeugen, indem sie den Induktionsstrom, den sie von der Induktionsspule 27 auf dem Rotorzahn 22 empfängt, als Erregerstrom nutzt.
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Daher ermöglicht es der Motor 10 mittels des Induktionsstroms, der von der Induktionsspule 27 auf dem Rotorzahn 22 induziert wird, die elektromagnetische Spule 38 an der individuellen Hilfsschenkelstruktur 32 zu veranlassen, einen magnetischen Fluss zu erzeugen, wodurch der magnetische Fluss zum Fließen aus der äußeren Umfangsfläche 32a dieser Hilfsschenkelstruktur 32 veranlasst wird, um mit der inneren Umfangsfläche 12a des benachbarten Statorzahnes 12 zu koppeln.
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Das bedeutet, dass der Motor 10 die Drehung des Rotors 21 unterstützen kann, indem er die elektromagnetische Spule 38 auf der Hilfsschenkelstruktur 32, die innerhalb der Rotornut 23 angeordnet ist, als einen Elektromagneten fungieren lässt, indem er Strom von der Induktionsspule 27 auf dem Rotorzahn 22 bereitstellt.
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(Schaltungsaufbau des Motors mit gewickeltem Feld des Selbsterregertyps 1)
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Um nun effizient Induktionsstrom zu erzeugen, sind die Induktionsspulen 27, 37 und die elektromagnetischen Spulen 28, 38 installiert, und zwar nach dem konsequenten Identifizieren der magnetischen Pfade der Raumoberschwingungen durch das Ausführen einer magnetischen Analyse, um die dritte Raumoberschwingung in dem magnetischen Fluss effizient zu nutzen, der die äußeren Umfangsfläche 22a, 32a der Rotorzähne 22 und der Hilfsschenkelstrukturen 32 von den inneren Umfangsflächen 12a der Statorzähne 12 koppelt.
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Ferner kann der Motor 10 in seiner Gesamtgröße reduziert werden durch die Verwendung eines konzentrierten Wicklungsaufbaus im Hinblick auf den Einbau der Induktionsspulen 27, 37 und der magnetischen Spulen 28, 38, weil diese nicht den Rotor 21 umwinden müssen, der in einer Umfangsrichtung mehr als eine Rotornut aufweist. Zusätzlich kann die Menge an wiederherstellbarer Verlustenergie erhöht werden, und zwar durch die effiziente Erzeugung von Induktionsstrom aus der Verkopplung der dritten Raumoberschwingung in niederer Ordnung des magnetischen Flusses, während auf primärer Seite die Kupferverluste im Hinblick auf die Induktionsspulen 27, 37 verringert werden.
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Des Weiteren erzeugt die Verwendung der dritten Raumoberschwingung im Hinblick auf die Induktionsspulen 27, 37 anstatt der Verwendung der zweiten Raumoberschwingung auf effektive Art und Weise Induktionsstrom. Dies bedeutet im Detail, dass Verlustenergie effizient wiederhergestellt werden kann, weil die Verwendung der dritten Raumoberschwingung anstatt der zweiten Raumoberschwingung einen Anstieg in der zeitlichen Variation des magnetischen Flusses bewirkt, wodurch ein Anstieg in der Amplitude des Induktionsstroms bewirkt wird.
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Da die Rotorzähne 22 und die Hilfsschenkelstrukturen 32 als Elektromagneten dienen, die eine elektromagnetische Kraft in Reaktion auf ein Einspeisen eines Erregergleichstromes erzeugen, der aus einem induzierten Wechselstrom konvertiert wurde, der wiederum erzeugt wurde aufgrund der Raumoberschwingungen, die in dem koppelnden magnetischen Fluss enthalten sind, der durch die Ankerpolspulen 14 während der Stromzufuhr von einer Wechselstromquelle erzeugt wird, sind die Induktionsspulen 27, 37 und die elektromagnetischen Spulen 28, 38 in die Gleichrichterschaltungen 30, 40 integriert, die in 2 und 3 gezeigt sind, um den oben erwähnten induzierten Wechselstrom effizient zu nutzen.
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Insbesondere sind Induktionsspulen 27 bereitgestellt, die durch Wickeln um die Rotorzähne 22 in gleicher Wicklungsrichtung ausgebildet sind. Auf ähnliche Art und Weise sind Induktionsspulen 37 bereitgestellt, die durch Wickeln um die Hilfsschenkelstrukturen 32 in gleicher Wicklungsrichtung ausgebildet sind. Diese Induktionsspulen 27, 37 weisen die gleiche Wicklungsrichtung auf.
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Es sind elektromagnetische Spulen 28 bereitgestellt, die durch Wickeln um die Rotorzähne 22 beabstandet nacheinander in einer Umfangsrichtung ausgebildet sind, so dass die Wicklungsrichtung von einem zum nächsten Pol umgekehrt ist. Auf ähnliche Art und Weise sind elektromagnetische Spulen 38 bereitgestellt, die durch Wickeln um die Hilfsschenkelstrukturen 32 beabstandet nacheinander in einer Umfangsrichtung ausgebildet sind, so dass die Wicklungsrichtung von einem zum nächsten Pol umgekehrt ist. Diese elektromagnetischen Spulen 28, 38 sind derart ausgebildet, dass im Hinblick auf die Rotorzähne 22 oder die Hilfsschenkelstrukturen 32 die Wicklungsrichtung von jeder der elektromagnetischen Spulen 28, 38 die gleiche oder die entgegengesetzte Wicklungsrichtung der radial benachbarten der Induktionsspulen 27, 37 von einem zum anderen Pol wird.
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Wie einfach aus 2 ersichtlich, sind beide Enden eines Satzes von elektromagnetischen Spulen 28, die auf den Rotorzähnen 22 vorgesehen und alle in Serie verbunden sind, verbunden mit beiden Enden paralleler Verbindungen, die durch die Induktionsspulen 37 an den Hilfsschenkelstrukturen 32 ausgebildet sind, über Dioden (Gleichrichter) 29A, 29B. Im Detail sind die elektromagnetischen Spulen, die in eine Richtung gewickelt sind, d. h. 28A1–28An, alle in Serie verbunden, und die elektromagnetischen Spulen, die in die entgegengesetzte Richtung gewickelt sind, d. h. 28B1–28Bn, sind alle in Serie verbunden, wobei n: (Anzahl der Pole)/2, und sie sind an beide Enden der parallelen Verbindungen verbunden, d. h. die eine Verbindung umfasst die Induktionsspulen 37A1–37An, die in Serie verbunden sind, passend zu den magnetischen Spulen 28A1–28An, und die andere Verbindung umfasst die Induktionsspulen 37B1–37Bn, die in Serie verbunden sind, passend zu den magnetischen Spulen 28B1–28Bn, und zwar in einer parallelen Beziehung.
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Wie einfach aus 3 ersichtlich, sind auf ähnliche Art und Weise die beiden Enden eines Satzes der elektromagnetischen Spulen 38, die an Rotorzähnen 32 vorgesehen und alle in Serie verbunden sind, verbunden mit beiden Enden von parallelen Verbindungen, die durch die Induktionsspulen 27 an den Rotorzähnen 22 ausgebildet sind, über Dioden (Gleichrichter) 39A, 39B. Im Detail sind die elektromagnetischen Spulen, die in einer Richtung gewickelt sind, d. h. 38A1–38An, alle in Serie verbunden, und die elektromagnetischen Spulen, die in die entgegengesetzte Richtung gewickelt sind, d. h. 38B1–38Bn, sind alle in Serie verbunden, wobei n: (Anzahl der Pole)/2, und sie sind an beiden Enden der parallelen Verbindungen verbunden, d. h. die eine Verbindung umfasst die Induktionsspulen 27A1–37An, die in Serie verbunden sind, passend zu den magnetischen Spulen 37A1–28An, und die andere Verbindung umfasst die Induktionsspulen 27B1–27Bn, die in Serie verbunden sind, passend zu den magnetischen Spulen 38B1–38Bn, und zwar in einer parallelen Beziehung.
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Im Hinblick auf die Anzahl der Dioden 29A, 29B, 39A, 39B bewirkt das Verbinden aller elektromagnetischen Spulen 28 bzw. aller elektromagnetischen Spulen 37 in Serie für die Rotorzähne 22 bzw. die Hilfsschenkelstrukturen 32 eine Begrenzung der Anzahl der zu verwendenden Dioden, falls ein Anstieg der Anzahl der Pole benötigt wird. Um die Verwendung einer großen Anzahl von Dioden zu vermeiden, sind diese Paare der Dioden 29A, 29B und 39A, 39B verbunden, um nicht solche vorherrschenden Zweiweggleichrichter-Schaltungen vom H-Brückentyp, sondern Sternpunktklemmen-Einweggleichrichter-Schaltungen 30, 40 auszubilden, und zwar durch Verbinden von Elementen, um eine Phasendifferenz von 180° bereitzustellen zwischen einem Eingangsinduktionsstrom hin zu einem aus jedem Paar der Dioden 29A, 29B oder 39A, 39B und dem anderen Eingangsinduktionsstrom hin zu dem anderen der Paare, zur Bereitstellung einer Ausgabe mittels des Durchführens der Zweiweggleichrichtung, d. h. des Durchführens einer Einweggleichrichtung nach Invertieren des einen Induktionsstromes.
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Mit anderen Worten sind die Dioden 29A, 29B integriert in eine Gleichrichterschaltung oder eine erste Gleichrichterschaltung 30, die eine Vielzahl von Induktionsspulen 37 und eine Vielzahl von elektromagnetischen Spulen 28 umfasst, die zur Durchführung der Gleichrichtung verschaltet sind. Die Dioden 39A, 39B sind in eine andere Gleichrichterschaltung oder eine zweite Gleichrichterschaltung 40 integriert, die eine Vielzahl von Induktionsspulen 27 und eine Vielzahl von elektromagnetischen Spulen 38 umfasst, die zur Durchführung der Gleichrichtung verschaltet sind. Daraus folgt, dass die Dioden 29A, 29B und die Dioden 39A, 39B jeweils in elektrisch unabhängige Gleichrichterschaltungen 30, 40 integriert sind, von denen jede eine Zweiweggleichrichtung des Induktionsstroms durchführt.
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Dieser Motor 10 ermöglicht es, induzierte Wechselströme, die durch die Induktionsspulen 37 und die Induktionsspulen 27 erzeugt werden, den elektromagnetischen Spulen 28, die in Serie verbunden sind, und den elektromagnetischen Spulen 38, die in Serie verbunden sind, zuzuführen, und zwar durch Kombinieren der Erregergleichströme, die gegeben sind durch die Anpassung mittels Zweiweggleichrichtungen aus den induzierten Wechselströme mittels den Dioden 29A, 29B und den Dioden 39A, 39B der getrennten Gleichrichterschaltung 30, 40. Aus diesem Grund ist es in dem Motor 10 möglich, einen starken magnetischen Fluss (magnetische Kraft) durch effektive Selbsterregung der elektromagnetischen Spulen 28, 38 zu erzeugen, die durch die Erregergleichströme, kombiniert für jede der magnetischen Spulen 28, 38, bewirkt wird.
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Auf diese Art und Weise kann der Motor 10 die elektromagnetischen Spulen 38 als Elektromagnete wirken lassen, indem den elektromagnetischen Spulen 38 an den Hilfsschenkelstrukturen 32 Erregergleichstrom bereitgestellt wird, der erzeugt wird durch die Zweiweggleichrichtung in der Gleichrichterschaltung 40 aus induziertem Strom, der durch die Induktionsspulen 27 an den Rotorzähnen 22 erzeugt wird. Mit anderen Worten kann dieser Motor 10 die Hilfsschenkelstrukturen 32 als Elektromagneten fungieren lassen, durch das Ausnutzen der Ankerrückwirkung, die in dem Fall, dass eine Induktionsspule und eine elektromagnetische Spule auf jedem der Rotorzähne 22 ausgebildet sind, als Verlust erkannt wird.
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Des Weiteren führen die Kernbauteile 132 eines später beschriebenen Motors 100, der in 2 gezeigt ist, nicht über eine Erzeugung des Induktionsstroms an magnetisch abgeschirmten Induktionsspulen 137 hinaus und können keine Drehmomenterzeugung bewirken. Im Gegensatz dazu ordnet der Motor 10 nicht nur Induktionsspulen 37, sondern auch Induktionsspulen 27 und elektromagnetische Spulen 38 an. Dies ermöglicht es dem Motor 10, den äußeren Umfangsflächen 22a der Rotorzähne 22 die äußeren Umfangsflächen 32a der Hilfsschenkelstrukturen 32 als Drehmoment erzeugende Flächen hinzuzufügen, und zwar ohne einen Kupferverlust, der von einem Anstieg im Widerstandswert herrührt, falls die elektromagnetischen Spulen 28, 38 mit jeder der Induktionsspulen 37 in Serie verbunden sind, und ohne eine Reduktion des Erregerstroms aufgrund des Auftretens von zirkulierenden Strömen, falls die elektromagnetischen Spulen 28, 38 mit jeder der Induktionsspulen 37 parallel verbunden sind.
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Folglich kann Motor 10 durch Ausbilden von Hilfsschenkelstrukturen 32 innerhalb der jeweiligen Rotornuten 23 zusätzlich zu den Rotorzähnen 22 die Induktionsspulen 27, 37 und die elektromagnetischen Spulen 28, 38 derart anordnen, dass diese aufgeteilt sind in Spulen zur Erregung und Spulen, die als Elektromagnet fungieren, und diese sind unabhängig voneinander. Dies ermöglicht es, eine Ausgabe als ein Drehmoment bereitzustellen, dessen zeitliche Variation unterdrückt ist in Reaktion auf den Erregerstrom, der durch die Zweiweggleichrichtung des Induktionsstroms gegeben ist, und zwar durch das Vermeiden einer destruktiven Überlagerung und das Erweitern des Bereichs der Drehmoment erzeugenden Flächen, d. h. der äußeren Umfangsflächen 22a, 32a.
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Ferner sind die Induktionsspulen 27, 37 und die elektromagnetischen Spulen 28, 38 an einer Vielzahl von Orten angeordnet, die von einem zum anderen beabstandet in einer Umfangsrichtung des Rotors 21 liegen, um die Pole zu erhöhen. Aus diesem Grund ist es möglich, die Menge des magnetischen Flusses, der je Zahn in beide der jeweiligen Rotorzähne 22 und der benachbarten der Hilfsschenkelstrukturen 32 in der Umfangsrichtung koppelt, zu verteilen, um den Betriebslärm zu reduzieren, und zwar durch das Unterdrücken elektromagnetischer Vibrationen, bei denen in Umfangsrichtung auch eine elektromagnetischen Kraft verteilt wird, die auf die Rotorzähne 22 und die Hilfsschenkelstrukturen 32 wirkt.
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(Schaltungsaufbau des Motors mit gewickeltem Feld des Selbsterregertyps 2)
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Des Weiteren erzeugen in diesem Rotor 21 die elektromagnetischen Spulen 28 auf den Rotorzähnen 22 eine elektromagnetische Kraft durch das Bereitstellen des Erregergleichstroms, der erzeugt wird durch die Zweiweggleichrichtung durch Dioden 29A, 29B aus dem Induktionsstrom, der in den Induktionsspulen 37 auf den Hilfsschenkelstrukturen 32 erzeugt wird. Die elektromagnetischen Spulen 28 sind derart ausgebildet, dass die Wicklungsrichtung von einem zum nächsten Pol der Rotorzähne 22 umgekehrt ist. Daraus folgt, dass Rotor 21 die elektromagnetischen Spulen 28 als Elektromagneten fungieren lässt, deren Magnetisierungsrichtungen wechselweise umgekehrt zwischen benachbarten zwei der Elektromagneten in der Umfangsrichtung sind, wie durch die magnetischen Vektoren V in 4 gezeigt. Ferner bildet der Rotor 2 einen magnetischen Pfad, der um jede der Rotornuten 23 läuft, um den magnetischen Fluss gleichmäßig durch diese fließen zu lassen, in Reaktion auf die Magnetisierungsrichtungen der benachbarten zwei der Rotorzähne 22, wie durch die magnetischen Flusslinien FL in 5 gezeigt.
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Des Weiteren sind die elektromagnetischen Spulen 38 auf den Hilfsschenkelstrukturen 32 zur Erzeugung einer elektromagnetischen Kraft durch Zuführen eines Erregergleichstromes vorgesehen, der erzeugt wird durch die Zweiweggleichrichtung durch die Dioden 39A, 39B des Induktionsstromes, der durch die Induktionsspulen 27 an den Rotorzähnen 22 erzeugt wird. Die elektromagnetischen Spulen 38 sind derart ausgebildet, dass die Wicklungsrichtung von einem zum nächsten Pol der Hilfsschenkelstrukturen 32 umgekehrt ist. Daher folgt, dass Rotor 21 die elektromagnetischen Spulen 38 als Elektromagneten fungieren lässt, deren Magnetisierungsrichtungen wechselweise umgekehrt zwischen den benachbarten zwei der Elektromagneten in der Umfangsrichtung sind, wie durch die magnetischen Vektoren V in 4 angezeigt. Ferner bildet Rotor 21 einen magnetischen Pfad aus, der um jede der Rotornuten 23 läuft, um den magnetischen Fluss gleichmäßig dadurch fließen zu lassen, in Reaktion auf die Magnetisierungsrichtungen der benachbarten zwei der Hilfsschenkelstrukturen 32, wie durch die magnetischen Flusslinien FL in 5 gezeigt.
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Jede der elektromagnetischen Spulen 38 ist ausgebildet benachbart zu den elektromagnetischen Spulen 28 auf dem benachbarten Rotorzahn 22, so dass deren Magnetisierungsrichtung sich mit der radialen Richtung des Rotors 21 ausrichtet und so eingestellt ist, dass deren Wicklungsrichtung wechselweise umgekehrt in der Umfangsrichtung ist.
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Dies lässt die elektromagnetische Spule 38 an der Hilfsschenkelstruktur 32 als magnetische Abschirmung fungieren, die den magnetischen Fluss, der in die Hilfsschenkelstruktur 32 eintritt, beschränkt, wenn die Magnetisierungsrichtung zu der rotierenden Welle gerichtet ist, wodurch diese die Funktion aufweist, es dem magnetischen Fluss, der durch die elektromagnetischen Spulen 28 erzeugt wird, zu erlauben, vorzugsweise einen magnetischen Pfad durch jeden der Rotorzähne 22 zu wählen.
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Zusätzlich bewirkt der magnetische Fluss, der durch die elektromagnetischen Spulen 38 erzeugt wird und dessen Richtung entgegen der Richtung des magnetischen Ankerflusses gerichtet ist, eine Erzeugung der Ankerrückwirkung. Andererseits wird der magnetische Fluss, der durch die elektromagnetische Spule 28 erzeugt wird, in dieselbe Richtung erzeugt wie der magnetische Ankerfluss, wodurch dieser als ein magnetisches Drehmoment wirkt (elektromagnetisches Drehmoment).
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Falls die Magnetisierungsrichtung zu der rotierenden Welle gerichtet ist, wenn eine elektromagnetische Spule 28 auf dem Rotorzahn 22 magnetisiert wird, bildet ferner die elektromagnetische Spule 28 aktiv einen magnetischen Pfad, der zu der rotierenden Welle aus dem inneren des Rotorzahns 22 gerichtet ist. Falls die Magnetisierungsrichtung zu dem Stator 11 gerichtet ist, wenn eine weitere elektromagnetische Spule 28 an einem weiteren Rotorzahn 22 magnetisiert wird, bildet diese elektromagnetische Spule 28 aktiv einen magnetischen Pfad, der zu dem benachbarten Statorzahn 12 aus dem Inneren des Rotorzahns 22 gerichtet ist.
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Falls die Magnetisierungsrichtung zu der rotierenden Welle gerichtet ist, wenn eine elektromagnetische Spule 38 an einer Hilfsschenkelstruktur 32 magnetisiert wird, bildet die elektromagnetische Spule 38 auf ähnliche Art und Weise aktiv einen magnetischen Pfad, der zur rotierenden Welle aus dem Inneren der Hilfsschenkelstruktur 32 gerichtet ist. Falls die Magnetisierungsrichtung zu dem Stator 11 gerichtet ist, wenn eine weitere elektromagnetische Spule 38 an einer weiteren Hilfsschenkelstruktur 32 magnetisiert wird, bildet die elektromagnetische Spule 38 aktiv einen magnetischen Pfad, der zu dem benachbarten Statorzahn 12 aus dem Inneren der Hilfsschenkelstruktur 32 gerichtet ist.
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Daher können die elektromagnetischen Spulen 28 und 38 zur Ausbildung eines Magnetkreises arbeiten, der durch den Stator 11 und den Rotor 21 über den Luftspalt G fließt.
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Falls die magnetischen Flüsse der elektromagnetischen Spulen 28, 38 zu den Umfangsflächen 22a, 32a des Rotorzahns 22 und der Hilfsschenkelstruktur 32 gerichtet sind, ist es möglich, einen Magnetkreis auszubilden, um eine Gleichstromkomponente des magnetischen Flusses innerhalb des magnetischen Pfades, der die Statorzähne 12 umfasst, anzulegen, wobei die Gleichstromkomponente zur Kopplung des Rotors 21 von dem Stator 11 aus tendiert, um zu der rotierenden Welle des Rotors 21 fortzuschreiten und zurück zu Stator 11, um als Reluktanzmoment genutzt zu werden, das effektiv die Rotation des Rotors 21 unterstützt, indem es in den magnetischen Fluss, der in der tangentialen Richtung des Rotors 21 gerichtet ist, hinein kombiniert wird. In diesem Fall koppeln ferner die Gleichstromkomponenten der magnetischen Flüsse der elektromagnetischen Spulen 28, 38 den Stator 11 mit dem Rotor 21, um einen Magnetkreis um die Statornuten 13 auszubilden, und diese Komponenten dienen als magnetisches Drehmoment durch einen später beschriebenen Magnetkreis.
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Falls des Weiteren die magnetischen Flüsse der elektromagnetischen Spulen 28, 38 zu der rotierenden Welle ausgehend von den Rotorzähnen 22 und den Hilfsschenkelstrukturen 32 gerichtet sind, ist es möglich, einen Magnetkreis auszubilden, um aktiv die Gleichstromkomponenten des magnetischen Flusses innerhalb eines magnetischen Pfades, der die Statorzähne 12 umfasst, hin zur rotierenden Welle des Rotors 21 ausgehend von dem Stator 11 zu richten, um als magnetisches Drehmoment genutzt zu werden, das effektiv die Drehung des Rotors 21 unterstützt.
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Die Induktionsspulen 27, 27 und die elektromagnetischen Spulen 28, 38 sind derart verteilt, dass eine Kombination von jeder der Anordnungspositionen, die zur Erzeugung eines Induktionsstroms geeignet sind, mit der passenden der Anordnungspositionen, die geeignet sind, um als Elektromagnet zu fungieren, wenn der Induktionsstrom als Erregerstrom zugeführt wird, getrennt ist zwischen einem der Rotorzähne 22 und einer der benachbarten der Hilfsschenkelstrukturen 32. Mit anderen Worten sind eine Induktionsspule 37 und eine elektromagnetische Spule 28 aus einem Satz und eine Induktionsspule 27 und eine elektromagnetische Spule 38 aus einem anderen Satz angeordnet an jedem der Rotorzähne 22 und der benachbarten der Hilfsschenkelstrukturen 32. Dies reduziert die magnetische Überlagerung zwischen dem Rotorzahn 22 und der Hilfsschenkelstruktur 32 und eine magnetische Sättigung und ermöglicht es, effektiv Induktionsstrom zu erzeugen und effektiv magnetischen Fluss zu erzeugen, indem die elektromagnetischen Spulen 28, 38 als Elektromagneten dienen.
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Im Hinblick auf die Induktionsspulen 27, 37 fließt ferner ein magnetischer Wechselstromfluss, der die Erzeugung eines Induktionsstroms verursacht, innerhalb eines der Rotorzähne 22 oder innerhalb der benachbarten Hilfsschenkelstruktur 32 und, im Hinblick auf die elektromagnetischen Spulen 28, 38, fließt ein magnetischer Gleichstromfluss, der basierend auf den Erregerströmen erzeugt wird, innerhalb des Rotorzahnes 22 oder innerhalb der benachbarten Hilfsschenkelstruktur 32. Da der magnetische Wechselstromfluss und der magnetische Gleichstromfluss unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und selten miteinander überlagern, werden die magnetischen Flüsse, die durch die elektromagnetischen Spulen 28, 38 erzeugt werden, nicht durch die magnetischen Flüsse, die durch die Induktionsspulen 27, 37 erzeugt werden, eingeschränkt, außer eine magnetische Sättigung tritt auf. Aus diesem Grund kann der magnetische Fluss, der von jeder der elektromagnetischen Spulen 28, 38 erzeugt wird, als ein magnetisches Drehmoment fungieren, um die Rotation des Rotors 21 effektiv zu unterstützen, weil der magnetisches Fluss ohne jede Einschränkung die äußeren Umfangsflächen 22a, 32a der Rotorzähne 22 und der Hilfsschenkelstrukturen 32 und die inneren Flächen 12a der Statorzähne 12 koppelt.
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Wie angezeigt durch die magnetischen Flussvektoren der dritten Raumoberschwingung und durch deren magnetisches Flussdiagramm, gezeigt in 6, kann der Motor 10 es dem magnetischen Fluss ermöglichen, effektiv zwischen dem Stator 11 und dem Rotor 21 zu koppeln, und zwar durch die effektive Nutzung der äußeren Umfangsflächen 22a, 32a der Rotorzähne 22 und der Hilfsschenkelstrukturen 32. Auf diese Art und Weise kann der Motor 10 den Rotor 21 gleichmäßig und effizient mit unterdrückter Pulsation drehen, weil der Bereich der Drehmoment erzeugenden Fläche vergrößert und verteilt ist, und zwar durch die Ausbildung dieser Flächen mittels der äußeren Umfangsflächen 22a, 32a der Rotorzähne 22 und der Hilfsschenkelstrukturen 32.
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(Vergleich der Eigenschaften des Aufbaus mit vorhandener/fehlender Hilfsschenkelstruktur)
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Es ist angedacht, selbsterregende Elektromagneten in einem Reluktanzmotor zu installieren, zum Zweck der Verbesserung des Drehmoments und der Qualität der Rotation.
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Zum Beispiel ist der in 7 gezeigte Motor 100 ausgebildet durch Wickeln von Ankerpolspulen 114 um Statorzähne 112 eines Stators 111 unter Verwendung von Statornuten 113, und durch Wickeln von elektromagnetischen Spulen 128 um Rotorzähne 122 eines Rotors 121 unter Verwendung von Rotornuten 123.
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Zusätzlich ist der Motor 100 ausgebildet durch Wickeln von Induktionsspulen 137 um Kernbauteile 132, die in einem Zustand magnetischer Abschirmung innerhalb der Rotornuten 123 des Rotors 121 angeordnet sind, wobei die Induktionsspulen 137 und elektromagnetischen Spulen 123 über Dioden (nicht gezeigt) genauso wie in Motor 10 verbunden sind und in einer Zweiweggleichrichterschaltung integriert sind.
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Mit diesem Aufbau in Motor 100 ist, zusätzlich zu einem bloßen Reluktanzmomentaufbau ohne Verwendung eines magnetischen Drehmomentes, die Qualität des Drehmoments und der Rotation verbessert, und zwar durch ein magnetisches Drehmoment durch die Gleichrichtung des Induktionsstroms, der an den Induktionsspulen 137 erzeugt wird, ohne dass externe Energie benötigt wird, die gleichgerichteten Strom als Erregergleichstrom der elektromagnetischen Spule 128 zuführt, um diese als selbsterregenden Elektromagneten fungieren zu lassen.
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Andererseits ist in Motor 10 die Qualität des Drehmoments und der Rotation weiter verbessert durch das Bereitstellen von Hilfsschenkelstrukturen 32 innerhalb der Rotornuten 23, und es ist möglich, Induktionsspulen 27 und elektromagnetische Spulen 38 zusätzlich zu den Induktionsspulen 37 bereitzustellen, genauso wie die Induktionsspulen 137 in Motor 100.
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Aus dem Vergleich basierend auf vorwärtsinduziertem Strom, der basierend auf dem magnetischen Fluss der Raumoberschwingungen erzeugt wird, wird verständlich, dass, wenn z. B. die gleichbleibende Rotationsgeschwindigkeit erreicht wird, wie in 8 gezeigt, aufgrund der Steigerung der Menge des magnetischen Flusses, der innerhalb des Motors 10 fließt, der Motor 10 ein Vielfaches der Menge des elektrischen Stromes des Induktionsstroms als Motor 100 aufweist.
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Ferner wird auf ähnliche Art und Weise verständlich, dass, wie z. B. in 9 gezeigt, wenn die gleichbleibende Rotationsgeschwindigkeit erreicht wird, der Motor 10 ein um etwa mehr als 70% verbessertes mittleres Drehmoment als Motor 100 aufweist.
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(Schenkelstruktur des Motors 10)
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Motor 10 ist hergestellt, um hauptsächlich die 3f-te Raumoberschwingung des magnetischen Flusses (f = 1, 2, 3, ...) zu nutzen, um das Verhältnis P/S = 2/3 zu nutzen, wobei P die Anzahl der Schenkelstrukturen (Rotorzähne 22) und S die Anzahl der Statornuten 13 ist. Zum Beispiel ist die dritte Raumoberschwingung des magnetischen Flusses höher in ihrer Frequenz als die Grundschwingung, die in die Ankerpolspulen 14 eingespeist wird, und daher pulsiert diese in kürzeren Zyklen.
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Daher kann der Rotor 21 rotieren durch das effiziente Wiederherstellen der Verlustenergie, bewirkt durch auf die Grundschwingung überlagerte Raumoberschwingungen, weil der magnetische Fluss variiert, der die Induktionsspule 37, die zwischen benachbarten zwei Rotorzähnen 22 angeordnet ist, koppelt, um effektiv Induktionsstrom zu erzeugen. Auf ähnliche Art und Weise kann der Rotor 21 rotieren durch das effiziente Wiederherstellen der Verlustenergie, bewirkt durch auf der Grundschwingung überlagerten Raumoberschwingungen, weil der magnetische Fluss variiert, der die Induktionsspule 27 koppelt, die zwischen benachbarten zwei Hilfsschenkelstrukturen 32 angeordnet ist, um effizient Induktionsstrom zu erzeugen.
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Des Weiteren wird in Motor 10 das Verhältnis P/S = 2/3, wobei P die Anzahl der Rotorzähne/Schenkelstrukturen und S die Anzahl der Statornuten ist, als eine Konfiguration zur Bestimmung der Qualität einer relativen magnetischen Wirkung zwischen Rotor 21 und Stator 11 verwendet, um die Rotation mit unterdrückter elektromagnetischer Vibration und verringertem elektromagnetischem Lärm zu realisieren.
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Im Detail wird eine ungleiche Verteilung der magnetischen Kraft auf den Stator 11 erkannt, weil das Durchführen einer magnetischen Feldanalyse der magnetischen Flussdichteverteilung, wie zuvor erwähnt, aufzeigt, dass die magnetische Flussdichteverteilung in einer Umfangsrichtung innerhalb eines Bereichs von 360° in mechanischem Winkel gemäß dem Verhältnis P/S verteilt ist.
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Indes ist der Motor 10 konfiguriert, um dem Verhältnis P/S = 2/3 durch das Aufweisen von acht Rotorzähnen und zwölf Statornuten zu entsprechen, um eine Rotation des Rotors 21 innerhalb des Stators 11 von hoher Qualität bereitzustellen, indem eine Verkopplung des magnetischen Flusses mit gleichmäßiger Dichteverteilung über den Gesamtumfang von 360° mechanischen Winkels ermöglicht wird.
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Dies ermöglicht es dem Motor 10, mit wesentlich verringerten elektromagnetischen Vibrationen und überlegener Geräuscharmut zu rotieren, und zwar durch das Ausführen einer Rotation unter Verwendung von Raumoberschwingungen des magnetischen Flusses, ohne diese als Verlust zu hinterlassen und dabei effektiv die Verlustenergie wiederherzustellen.
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In der vorliegenden Ausführungsform sind auf diese Art und Weise die Rotorzähne 22 und die Hilfsschenkelstrukturen 32 derart bereitgestellt, dass die Umfangsflächen 22a, 32a den inneren Umfangsflächen 12a des Stators 11 zugewandt sind und dass die Induktionsspulen 27, 37 an beiden des einen der Rotorzähne 22 und der benachbarten einen der Hilfsschenkelstrukturen 32 angeordnet sind an Abschnitten nahe derer äußerer Umfangsflächen 22a, 32a, wohingegen die elektromagnetischen Spulen 38, 28 an beiden des Rotorzahnes 22 und der benachbarten Hilfsschenkelstruktur 32 angeordnet sind an Abschnitten nahe der Rotationsachse der rotierenden Welle.
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Mit diesem Motoraufbau ermöglicht es der Motor 10, dass Raumoberschwingungen, die mit dem magnetischen Fluss, der durch die Ankerpolspulen 14 des Stators 11 erzeugt wird, überlagert sind, nicht nur die äußeren Umfangsflächen 22a der Rotorzähne 22 an der d-Achse koppeln, sondern auch die Umfangsflächen 32a auf den Hilfsschenkelstrukturen 32 an der q-Achse. Aus diesem Grund bewirkt Motor 10, dass jede der Induktionsspulen 27, 37 Induktionsstrom erzeugt und dass der Induktionsstrom von jeder Spule als Erregerstrom der zugeordneten der elektromagnetischen Spulen 38, 28 zur Verfügung gestellt wird, wodurch der Rotorzahn 22 und die zugehörige Hilfsschenkelstruktur 32 als Elektromagneten fungieren, um ein magnetisches Drehmoment zu erzeugen.
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Ferner weist dieser Motor 10 die Gleichrichterschaltung 30, die die Dioden 29A, 29B umfasst, und die Gleichrichterschaltung 40, die die Dioden 39A, 39B umfasst, als getrennte und individuelle Schaltanordnungen auf, um eine Anordnung bereitzustellen, in welcher die Induktionsströme, die von den Induktionsspulen 27, 37 erzeugt werden, durch die Gleichrichterschaltungen 30 bzw. 40 zweiweggleichgerichtet werden, um die gleichgerichteten Ströme den elektromagnetischen Spulen 38, 28 zuzuführen, um diese als Elektromagneten fungieren zu lassen.
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Mit den Schaltanordnungen stellt der Motor 10 separate Gleichrichterschaltungen 30, 40 bereit, wobei eine die Induktionsspule 27 und die zugeordnete elektromagnetische Spule 38 umfasst und wobei die andere die Induktionsspule 37 und die zugeordnete elektromagnetische Spule 28 umfasst. Dies ermöglicht es dem Motor 10, ein Drehmoment zu erzeugen, das in der Lage ist, eine Rotation mit hoher Qualität und mit verringerten zeitlichen Variationen bereitzustellen, und zwar durch das Durchführen von Vorgängen zur Erzeugung elektromagnetischer Kraft nach der Zweiweggleichrichtung des Induktionsstromes, um ohne eine gegenseitige Überlagerung einen Erregergleichstrom zu erhalten, gesondert zur Bereitstellung effizienter Vorgänge und unter Verwendung des Erregergleichstromes.
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Daher kann der Motor 10 zur Rotation von Rotor 21 ein erhöhtes Drehmoment erzeugen, und zwar durch Erhöhung der elektromagnetischen Kraft mit erhöhtem Induktionsstrom, weil nicht nur die Rotorzähne 22, sondern auch die Hilfsschenkelstrukturen 32 zur Erzeugung des Induktionsströme arbeiten und effektiv als Elektromagneten fungieren. Gleichzeitig wird das Drehmoment zur Rotation des Rotors 21 dazu gebracht, in die tangentiale Richtung von jedem der äußeren Umfangsflächen 22a, 32a zu wirken, und zwar durch das Verteilen der Drehmoment erzeugenden Flächen mit den äußeren Umfangsflächen 22a, 33a, wodurch eine Rotation in einem gleichbleibenden Zustand ohne Pulsation des Rotors 21 bewirkt wird.
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Als Ergebnis ist es möglich, einen Motor 10 mit Elektromagneten bereitzustellen, die eine gewickelte Feldfunktion des Selbsterregertyps aufweisen, um auf effektive Art und Weise einen Antrieb mit hohem Drehmoment zu erzeugen, durch die effektive Wiederherstellung der Verlustenergie als Feldenergie.
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Als eine erste Modifikation der vorliegenden Ausführungsform kann der Motor 10 geschaffen werden, anstelle des Aufbaus mit radialem Spalt, in der Form des Aufbaus mit axialem Spalt, indem der Stator und der Rotor aufeinander zuweisen, obwohl dies nicht gezeigt ist.
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Als eine zweite Modifikation der vorliegenden Erfindung kann ein äußerer Rotor konzentrisch und drehbar zwischen Stator 11 und Rotor 21 mit einem Spalt angeordnet sein, obwohl dies nicht gezeigt ist. Ein Doppelrotoraufbau kann bereitgestellt werden, indem innerhalb dieses äußeren Rotors in der Umfangsrichtung magnetische Elemente angeordnet sind, die es dem magnetischen Fluss, der Stator 11 und Rotor 21 koppelt, ermöglichen, durch diese zu fließen, und nichtmagnetische Elemente angeordnet sind, die den magnetischen Fluss am Fließen durch den Stator 11 und den Rotor 21 hindern.
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Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist es dem Fachmann offensichtlich, dass Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Alle solchen Modifikationen und deren Äquivalente sollen von den folgenden Ansprüchen abgedeckt werden, beschrieben in dem Umfang der Ansprüche.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Motor,
- 11
- Stator,
- 12
- Statorzähne,
- 12a
- innere Umfangsfläche,
- 13
- Statornut,
- 14
- Ankerpolspule,
- 21
- Rotor,
- 22
- Rotorzähne,
- 22a, 32a
- äußere Umfangsfläche (Endfläche),
- 23
- Rotornut,
- 27, 27A1–27An, 27B1–27Bn, 37, 37A1–37An, 37B1–37Bn
- Induktionsspule,
- 28, 28A1–28An, 28B1–28Bn, 38, 38A1–38An, 38B1–38Bn
- elektromagnetische Spule,
- 29A, 29B, 39A, 39B
- Diode,
- 30
- Gleichrichterschaltung (erste Gleichrichterschaltung),
- 32
- Hilfsschenkelstrukturen,
- 40
- Gleichrichterschaltung (zweite Gleichrichterschaltung)
- FL
- Flusslinie,
- G
- Luftspalt,
- V
- magnetischer Flussvektor.
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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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