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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Ständernuten von Elektromaschinen.
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HINTERGRUND
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Elektromaschinen können einen Läufer umfassen, der an einer drehenden Welle angebracht ist. In dem Läufer können Permanentmagneten oder Leiter eingebettet sein, die ein Magnetfeld erzeugen bzw. erzeugen können. Ein entgegengesetztes Magnetfeld kann durch einen Stator erzeugt werden, um ein Drehmoment oder Strom zu erzeugen, je nachdem, ob sich die Elektromaschine in einem Erzeugungs- oder Antriebsmodus befindet. Der Ständer kann eine Vielzahl von Wicklungen umfassen, die durch Nuten hindurch gewickelt sind, die durch eine Vielzahl von Zähnen definiert werden. Die Wicklungen können für die harmonischen Flüsse, die durch die Ständerwicklung erzeugt werden, mehrfach geschichtet sein. Die Einführung von mehrschichtigen Wicklungen kann zwangsweise leere Regionen im Ständerkern einführen.
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KURZDARSTELLUNG
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Eine Elektromaschine kann einen Läufer umfassen. Die Elektromaschine kann einen Ständer umfassen, der den Läufer umgibt. Der Ständer weist Zähne auf, die Nuten definieren, die mindestens zwei Querschnittsflächen aufweisen, die Wicklungen aufnehmen, die einheitliche Querschnittsflächen aufweisen und jede der Querschnittsflächen der Nuten in im Wesentlichen ähnlichen Proportion in Bezug auf andere Nuten ausfüllen, so dass die Nuten, die Wicklungen aufnehmen, die unterschiedliche Phasen aufweisen, andere Querschnittsflächen als die Nuten aufweisen, die Wicklungen aufnehmen, welche die gleichen Phasen aufweisen.
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Ein Ständer kann eine Vielzahl von Wicklungen umfassen, denen jeweils eine Phase zugewiesen ist. Der Ständer kann ferner Zähne umfassen, die Nuten definieren, die gleichmäßig und umfangsmäßig um den Ständer herum verteilt sind. Ein erster Satz der Nuten ist dimensioniert, um zwei Lagen der Wicklungen, die verschiedene Phasen aufweisen, und einen Isolierstoff, der die verschiedenen Phasen trennt, aufzunehmen. Ein zweiter Satz der Nuten ist dimensioniert, um zwei Lagen der Wicklungen aufzunehmen, welche die gleichen Phasen aufweisen. Der erste Satz weist eine größere Breite als der zweite Satz auf.
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Eine Elektromaschine kann einen Ständer umfassen, der einen Läufer umgibt, der Zähne aufweist, die Nuten definieren, die eine erste Querschnittsfläche, die dimensioniert ist, um Wicklungen aufzunehmen, welche die gleiche Phase aufweisen, und eine zweite Querschnittsfläche, die dimensioniert ist, um Wicklungen mit verschiedenen Phasen aufzunehmen, die durch einen Isolierstoff getrennt sind, aufweisen. Die erste Querschnittsfläche und die zweite Querschnittsfläche sind dimensioniert, um Wicklungen aufzunehmen, die eine einheitliche Querschnittsfläche aufweisen und jeweilige Anteile der Querschnittsflächen bis zu einem verengten Bereich der Nut, der zu einer Vertiefung oder Öffnung der Nut führt, ausfüllen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht einer Elektromaschine, die eine Welle, einen Läufer und einen Ständer aufweist;
- 2 eine Querschnittsansicht einer Nut des Ständers, in die Wicklungen eingefügt sind;
- 3 eine Querschnittsansicht eines länglichen Querschnitts eines Ständers, der eine Vielzahl von Zähnen und Nuten umfasst, wobei einige der Nuten andere Tiefen als andere Nuten aufweisen;
- 4 eine Querschnittsansicht eines länglichen Querschnitts eines Ständers, der eine Vielzahl von Zähnen und Nuten umfasst, wobei einige der Nuten andere Breiten als andere Nuten aufweisen;
- 5 eine Querschnittsansicht eines länglichen Querschnitts eines Ständers, der eine Vielzahl von Zähnen und Nuten umfasst, wobei einige der Nuten andere Querschnittsflächen als andere Nuten aufweisen und die Anzahl von Nuten pro Pol und pro Phase eine Bruchzahl ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es werden hier Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen rein beispielhaft sind und andere Ausführungsformen diverse und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert sein, um Einzelheiten von bestimmten Bestandteilen zu zeigen. Daher sind die hier gezeigten spezifischen strukturellen und funktionsmäßigen Einzelheiten nicht als einschränkend sondern nur als eine stellvertretende Grundlage zur Belehrung des Fachmanns, um die vorliegende Erfindung unterschiedlich zu verwenden, auszulegen. Wie es der Fachmann verstehen wird, können diverse Merkmale, die abgebildet und mit Bezug auf eine der Figuren beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren abgebildet sind, um Ausführungsformen zu ergeben, die nicht ausdrücklich abgebildet oder beschrieben sind. Die Kombinationen von abgebildeten Merkmalen stellen stellvertretende Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Diverse Kombinationen und Änderungen der Merkmale, die mit den Lehren der vorliegenden Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen erwünscht sein.
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Elektromaschinen umfassen einen Ständer und einen Läufer, um Strom zu erzeugen oder Drehmomente zu erstellen. Der Ständer der Elektromaschine kann aus einer Vielzahl von gestapelten Ankerblechen bestehen. Die Ankerbleche können aus Elektrostahl oder anderen Eisenlegierungen hergestellt sein. Die Ankerbleche können Zähne aufweisen, die Nuten und einen Innendurchmesser definieren. Leitfähige Wicklungen können durch die Nuten hindurch gewickelt sein, um elektrischen Strom zu führen. Die Nuten können dimensioniert sein (d.h. eine Querschnittsfläche aufweisen, die dimensioniert ist), um die Wicklungen aufzunehmen. Die relative Querschnittsfläche der Zähne und Nuten kann ausgelegt sein, um eine maximale Drehmomentdichte bereitzustellen. Das Vergrößern der Querschnittsfläche der Zähne stellt einen erhöhten Durchfluss des Magnetflusses bereit, wodurch die Drehmomentdichte verbessert wird. Das Vergrößern der Querschnittsfläche der Nuten ermöglicht es, die Querschnittsfläche der Wicklungen zu vergrößern, wodurch Widerstandsverluste durch Kupfer reduziert werden. Daher können die Ständer ausgelegt sein, um die Querschnittsfläche der Zähne und die Querschnittsfläche der Nuten zu maximieren.
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Die Wicklungen können verwendet werden, um elektrischen Strom durch die Nuten in dem Ständereisenkern, der das Magnetfeld induziert, hindurch zu leiten. Die Wicklungen können ein einziger massiver Leiter sein. Die Wicklungen können eine Vielzahl von einzelnen Leitern sein. Die einzelnen Leiter können quadratische oder abgerundete Querschnitte aufweisen. Die Wicklungen oder einzelnen Leiter können eine Beschichtung (z.B. Lack, Epoxid, Harz, Farbe) aufweisen, um eine Querleitung zwischen einzelnen Leitern zu verhindern. Die Wicklungen können die gleichen Querschnittsflächen aufweisen, um einheitliche Kupferverluste zu bewahren.
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Elektromaschinen können mehrere Phasen aufweisen. Die Wicklungen mit verschiedenen Phasen können durch einen Isolierstoff getrennt sein, um Kurzschlüsse zwischen den Wicklungen zu verhindern, weil das elektrische Potential zwischen verschiedenen Phasen die Isolierung überwinden kann, die durch die Umgebungsluft und den Lack zwischen den Wicklungen bereitgestellt wird. Der Isolierstoff kann Phasentrennpapier sein. Die Wicklungen können innerhalb der Nuten in Lagen gestapelt sein, um die Leistung der Elektromaschine zu verbessern. Diese mehrlagigen Konfigurationen (z.B. doppellagig, zweilagig, dreilagig) können eine Querleitung zwischen den Wicklungen verhindern, indem sie einen Isolierstoff zwischen angrenzenden Wicklungen mit unterschiedlichen Phasen einschieben. Nur Nuten mit verschiedenen Phasen erfordern einen Isolierstoff zwischen den Wicklungen mit verschiedenen Phasen. Nuten mit den gleichen Phasen benötigen keinen Isolierstoff. Die Verwendung von Isolierstoffen in Nuten, die verschiedene Phasen aufweisen, kann eine Reduzierung der gesamten Querschnittsfläche der Wicklungen erfordern, weil die Nutengröße konstant bleibt. Die Reduzierung führt zu ungenutztem Raum in Nuten, die Wicklungen mit der gleichen Phase aufweisen, weil die Wicklungen keinen Isolierstoff erfordern. Dies bedeutet, dass die Querschnittsfläche von Nuten mit den gleichen Phasen unzureichend genutzt werden. Daher kann die Querschnittsfläche der Nuten angepasst werden, um die Platzverschwendung in den Nuten zu beseitigen.
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Eine Reduzierung der Querschnittsfläche der Nuten ermöglicht es, die Dicke der Zähne zu vergrößern. Alle Zähne des Ständers können die gleiche Breite aufweisen. Die Vergrößerung der Breite jeder der reduzierten Nuten kann gleichmäßig ausgelegt und auf alle Zähne verteilt sein. Die vergrößerte Zahnbreite stellt eine größere Drehmomentdichte der Elektromaschine bereit.
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Die Querschnittsfläche von Nuten, die Wicklungen mit den gleichen Phasen aufnehmen, kann vielseitig angepasst werden. Die Tiefe der Nuten kann reduziert werden. Die Breite der Nuten kann verringert werden. Sowohl die Tiefe als auch die Breite können proportional angepasst werden. Die Nuten, die Wicklungen mit der gleichen Phase aufnehmen, können beliebig angepasst werden, so dass die Nut eine minimale Querschnittsfläche aufweist, die zum Aufnehmen der Wicklungen benötigt wird. Die Wicklungen von Nuten sowohl mit als auch ohne Isolierstoff können die Nuten proportional ausfüllen. Die Nuten können nicht bis zur absoluten maximalen Kapazität ausgefüllt werden, was dazu führt, dass die Wicklungen in den Luftspalt übergreifen. Die Nuten könnten bis zu einer Schwelle oder dem verengten Abschnitt der Nut ausgefüllt werden. Die Nuten können derart ausgefüllt werden, dass die gesamte Querschnittsfläche der Nut bis zum Luftspalt vollständig verwendet wird, wobei sie zu mehr als 90 % mit einer Kombination von Wicklungen und Isolierung ausgefüllt ist.
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Nun wird mit Bezug auf 1 ein Abschnitt einer Elektromaschine 10 gezeigt. Die Elektromaschine 10 umfasst einen Ständer 100, der einen Läufer 102 umgibt, der mechanisch mit einer Welle 104 verbunden ist. Die Welle 104 kann mit dem Läufer 102 über ein Nut- und Federpaar (nicht gezeigt) mechanisch verbunden sein. Der Läufer 102 kann Taschen 106 umfassen, die dimensioniert ist, um Permanentmagneten 108 aufzunehmen. Die Permanentmagneten 108 können gepaart sein, um Magnetpole zu bilden. Der Ständer kann eine Vielzahl von Nuten 110 umfassen, die durch Zähne 112 definiert sind. Die Anzahl von Nuten 110 kann mit der Anzahl der Paare von Permanentmagneten 108 zusammenhängen, so dass die Nuten pro Pol und pro Phase eine Ganzzahl oder eine Bruchzahl ist. Es können andere Konfigurationen der Elektromaschine 10 verwendet werden. Beispielsweise kann es sein, dass der Läufer 102 keine Permanentmagneten 108 umfasst (z.B. ein Induktionsmotor). Die Elektromaschine 10 kann auch einen externen Läufer 102 aufweisen, der den Ständer 100 umgibt. Der Läufer 102 kann verschiedene Konfigurationen von Permanentmagneten 108 umfassen oder eine Vielzahl von Permanentmagneten 108 umfassen, die mehrlagig sind, um Pole zu erzeugen.
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Nun wird mit Bezug auf 2 eine Nut 110 des Ständers 100 [gezeigt]. Die Nut 110 kann durch ein Paar Zähne 112 definiert sein. Die Nut 110 kann eine Nutöffnung 114 aufweisen. Die Nutöffnung 114 kann einen verengten Nutabschnitt 115 umfassen, wo die Nut 110 beginnt, sich in Richtung auf die Nutöffnung 114 zu verjüngen. Die Nut 110 kann eine Vielzahl von Leitern 116 aufnehmen. Die Leiter 116 können eine beliebige Form aufweisen. Die Leiter 116 können kreisförmig, massiv oder eine Kombination davon sein. Die Leiter 116 können nach Phasen 118 gebündelt sein. Jede Phase 118 kann eine Vielzahl von Leitern 116 aufweisen. Jede Phase kann eine Isolierung (nicht gezeigt) aufweisen, um Kurzschlüsse mit den Zähnen und dem Ankerblech 112 des Ständers zu verhindern. Wie gezeigt, weist jede Phase 118 eine ähnliche oder einheitliche Querschnittsfläche auf. Die Querschnittsfläche kann mit πr2, L x W, einem anderen Verfahren oder einer Kombination davon gemessen werden. Die Querschnittsfläche 124 der Nut 110 kann dimensioniert sein, um die Phasen 118 aufzunehmen, so dass die Nut 110 unabhängig von dem Vorliegen oder Fehlen der Isolierung ausgefüllt ist. Da eine Nut 110 nicht durch die Nutöffnung 114 gefüllt werden kann, kann eine Nut 110 als voll angesehen werden, wenn ein Anteil der Nut 110 ausgefüllt ist. Dies bedeutet, dass weniger als 90 % der Querschnittsfläche der Nut ausgefüllt ist oder ein anderer anteiliger Betrag der Nut ausgefüllt ist. Eine typische Anwendung, die einzelne Leiter verwendet, kann eine Füllung von 45 % aufweisen. Eine typische Anwendung, die eine Stabwicklung verwendet, kann eine Füllung von 60 bis 70 % aufweisen. Die Form und Größe der Nut 110 können zwischen verschiedenen Bauformen des Ständers 100 variieren. Die Form der Nut 110 kann rechteckig mit geraden Seiten, rechteckig mit gekrümmten Seiten, tropfenförmig mit gekrümmten Seiten oder eine beliebige andere Kombination von Formen sein, die dimensioniert sind, um Wicklungen aufzunehmen. Aus diesem Grund kann der genaue Füllungsanteil zwischen den Nuten 110 je nach der Form und den Proportionen der Nut 110 variieren. Daher kann der Füllungsanteil mit der Füllung einer Nut 110 eines Ständers 100 verglichen werden, der einen Isolierstoff aufweist, der zwischen den Phasenbündeln 118 eingebettet ist. Ein Dimensionswert kann zusätzlich die Füllung messen. Beispielsweise kann die Entfernung von den Bündeln bis zu dem Luftspalt, der Nutöffnung oder dem verengten Nutabschnitt 115 gemessen werden. Die Füllung kann zwischen den Nuten 110 mit und ohne Isolierstoffe leicht variieren.
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Nun wird mit Bezug auf 3 ein länglicher Ständer 100 gezeigt, der eine Vielzahl von Nuten 110 aufweist. Die Nuten 110 können variierende Querschnittsflächen 122, 124 aufweisen, um sicherzustellen, dass die Wicklungen die Nuten 110 ähnlich ausfüllen. Die Nuten 110 werden gezeigt, wie sie durch Zähne 112 definiert sind. Die Zähne 112 bilden eine Nutöffnung 114. Jede der Nuten ist mit zwei Phasenbündeln 118, 119, 120 ausgefüllt. Die Nuten können mit mehr als zwei Phasenbündeln 118, 119, 120 ausgefüllt sein. Die Nuten 110, die verschiedene Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, können einen Isolierstoff 134 aufweisen, der darin angeordnet ist. Die Nutentiefe 126, y, der Nuten 110, die verschiedene Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, kann länger sein als die Tiefe 132, w, von Nuten 110, welche die gleichen Phasen 118, 119, 120 aufnehmen. Die Breite 128, x, von Nuten 110, die verschiedene Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, kann die gleiche sein wie die Breite 128, x, von Nuten 110, welche die gleichen Phasen 118, 119, 120 aufnehmen. Die unterschiedlichen Tiefen 126, 132 der Nuten 110 stellen sicher, dass ein erster Satz 122 von Nuten 110 eine andere Querschnittsfläche als ein zweiter Satz 124 von Nuten 110 aufweist. Die Wicklungen 118, 119, 120, die in jeder der Nuten 110 aufgenommen sind, füllen jede der Nuten 110 aus.
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Nun wird mit Bezug auf 4 ein länglicher Ständer 100 gezeigt, der eine Vielzahl von Nuten 110 aufweist. Die Wicklungskonfiguration des Ständers 100 ist ein Beispiel einer Wicklung mit einer Ganzzahl von Nuten, die 2 Nuten pro Pol und pro Phase aufweist. Die Nuten 110 können variierende Querschnittsflächen 122, 124 aufweisen, um sicherzustellen, dass die Wicklungen die Nuten 110 ähnlich ausfüllen. Die Nuten 110 werden gezeigt, wie sie durch Zähne 112 definiert sind. Die Zähne 112 bilden eine Nutöffnung 114. Jede der Nuten ist mit zwei Phasenbündeln 118, 119, 120 ausgefüllt. Die Nuten können mit mehr als zwei Phasenbündeln 118, 119, 120 ausgefüllt sein. Die Nuten 110, die verschiedene Phasen 118, 119, 120 aufweisen, können einen Isolierstoff 134 aufweisen, der darin angeordnet ist. Die Nutentiefe 126, y, von Nuten 110, die verschiedene Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, kann gleich der Länge 126, y, von Nuten 110, welche die gleichen Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, sein. Die Breite 128, x, von Nuten 110, die verschiedene Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, kann größer als die Breite 130, z, von Nuten 110, welche die gleichen Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, sein. Die unterschiedlichen Breiten 126, 130 der Nuten 110 stellen sicher, dass ein erster Satz 122 von Nuten 110 eine andere Querschnittsfläche als ein zweiter Satz 124 von Nuten 110 aufweist. Ein Ständer 100, der diese Konfiguration aufweist, kann breitere Zähne 112 aufweisen, weil die Nuten 110, welche die gleichen Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, dünner sind. Breitere Zähne können die Drehmomentdichte der Elektromaschine vergrößern. Bei anderen Ausführungsformen können die Breite und die Tiefe von Nuten 110, welche die gleichen Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, derart angepasst werden, dass die Querschnittsfläche der Wicklungen 118, 119, 120 die Querschnittsfläche der Nut 110 ausfüllt oder die Querschnittsfläche im Wesentlichen ausfüllt.
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Nun wird mit Bezug auf 5 ein länglicher Ständer 100 gezeigt, der eine Vielzahl von Nuten 110 aufweist. Die Wicklungskonfiguration des Ständers ist ein Beispiel einer Windung mit einer Bruchzahl von Nuten, die 1,5 Nuten pro Pol und pro Phase aufweist. Dieses Beispiel einer Wicklung mit einer Bruchzahl von Nuten führt dazu, dass zwei Nuten 110, welche die gleichen Phasen aufweisen, nebeneinanderliegen statt abwechselnd angeordnet zu sein, wie bei dem Beispiel einer Wicklung mit einer Ganzzahl von Nuten gezeigt, das in 4 gezeigt wird. Die Nuten 110 können variierende Querschnittsflächen 122, 124 aufweisen, um sicherzustellen, dass die Wicklungen die Nuten 110 ähnlich ausfüllen. Die Nuten 110 werden gezeigt, wie sie durch Zähne 112 definiert sind. Die Zähne 112 bilden eine Nutöffnung 114. Jede der Nuten ist mit zwei Phasenbündeln 118, 119, 120 ausgefüllt. Die Nuten können mit mehr als zwei Phasenbündeln 118, 119, 120 ausgefüllt sein. Die Nuten 110, die verschiedene Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, können einen Isolierstoff 134 aufweisen, der darin angeordnet ist. Die Nutentiefe 126, y, von Nuten 110, die verschiedene Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, kann gleich der Länge 126, y, von Nuten 110, welche die gleichen Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, sein. Die Breite 128, x, von Nuten 110, die verschiedene Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, kann größer als die Breite 130, z, von Nuten 110, welche die gleichen Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, sein. Die unterschiedliche Breite 128, 130 der Nuten 110 stellt sicher, dass die Nuten 110 unterschiedliche Querschnittsflächen 122, 124 aufweisen, und dass die Wicklungen 118, 119, 120, die in jeder der Nuten 110 aufgenommen sind, jede der Nuten 110 ausfüllen. Ein Ständer 100, der diese Konfiguration aufweist, kann breitere Zähne aufweisen 112, da die Nuten 110, welche die gleichen Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, dünner sind. Breitere Zähne können die Drehmomentdichte der Elektromaschine erhöhen. Bei anderen Ausführungsformen können die Breite und die Tiefe von Nuten 110, welche die gleichen Phasen 118, 119, 120 aufnehmen, derart angepasst werden, dass die Querschnittsfläche der Wicklungen 118, 119, 120 die Querschnittsfläche der Nut 110 ausfüllt oder die Querschnittsfläche im Wesentlichen ausfüllt.
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Die Wortwahl, die in der Beschreibung verwendet wird, ist eine beschreibende statt einschränkende Wortwahl, und es versteht sich, dass diverse Änderungen vorgenommen werden können, ohne Geist und Umfang der Offenbarung zu verlassen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale von diversen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die vielleicht nicht ausdrücklich beschrieben oder erläutert sind. Obwohl diverse Ausführungsformen vielleicht als gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen aus dem Stand der Technik bezüglich eines oder mehrerer gewünschter Kennzeichen Vorteile aufweisend oder bevorzugt beschrieben wurden, wird der Fachmann erkennen, dass ein oder mehrere Merkmale oder Kennzeichen kombiniert werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Umsetzung abhängig sind. Diese Attribute können ohne Einschränkung Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Wartungsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montierbarkeit usw. umfassen. Somit liegen Ausführungsformen, die mit Bezug auf ein oder mehrere Kennzeichnen als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen aus dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
