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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die hier beschriebenen Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen einen Stator und einen mit dem Stator ausgestatteten Elektromotor.
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HINTERGRUND
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Ein Elektromotor, wie beispielsweise ein Motor und ein Generator, ist mit einem Stator versehen, der ein rotierendes Magnetfeld erzeugt und einen Rotor dreht. Zum Beispiel hat, wie in 8 gezeigt, ein Stator 101 einen im Wesentlichen zylinderförmigen Stator-Kern 103. Auf der inneren Umfangsfläche des Stator-Kerns 103 sind beispielsweise rechteckige Kernzähne 105 in Umfangsrichtung angeordnet. Eine Spule 109 wird in einen Schlitz 107 zwischen benachbarten Kernzähnen 105 eingesetzt und mit den Kernzähnen 105 zusammengebaut.
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Wenn ein Strom durch die Spule 109 fließt, wird entsprechend deren Widerstand Wärme erzeugt, und die Temperatur der Spule 109 steigt an. Wenn die Temperatur der Spule 109 übermäßig ansteigt, kann die Spulenbeschichtung zerstört werden, und es kann zu Fehlfunktionen wie Kurzschluss und Wärmeentwicklung kommen. Daher ist es notwendig, die Spule 109 zu kühlen. Ein Teil der Kühlung der Spule 109 erfolgt durch Wärmeableitung an den Stator-Kern 103 über die Kernzähne 105.
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In einer Struktur, in der die Kernzähne 105, die jeweils einen rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Mittelachse des Stator-Kerns 103 haben, gleichmäßig angeordnet sind, wie in 8 gezeigt, ist die Wärmeableitung hoch, da eine Spule 109 auf ihrer Innenseite mit dem Kernzahn 105 in Kontakt steht; auf der Außenseite der Spule 109 wird die Wärmeableitung jedoch abnehmen, da sich zwischen der Spule 109 und dem Kernzahn 105 ein Spalt bildet.
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Wie in 9 dargestellt, gibt es auch einen Aufbau, bei dem die Kernzähne 105 mit jeweils rechteckigem Querschnitt und die Kernzähne 106 mit trapezförmigem Querschnitt abwechselnd in Umfangsrichtung auf der inneren Umfangsfläche des Stator-Kerns 103 angeordnet sind. Da bei dieser Struktur die Spule 109 auf beiden Seiten mit den Kernzähnen 105 in Kontakt kommt, kann eine hohe Wärmeabfuhr gewährleistet werden.
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Unter dem Gesichtspunkt der Wärmeabfuhr ist die in 9 gezeigte alternierende Anordnungsstruktur der rechteckigen Kernzähne 105 und der trapezförmigen Kernzähne 106 vorteilhafter als die in 8 gezeigte einheitliche Anordnungsstruktur der rechteckigen Kernzähne 105. Da, wie in 10 gezeigt, der Abstand zwischen einem Permanentmagneten 121 des Rotors 120 und der Seitenfläche des trapezförmigen Kernzahns 106 kleiner ist als der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 121 und der Seitenfläche des rechteckigen Kernzahns 105, ist die magnetische Anziehungskraft F2, die der trapezförmige Kernzahn 106 vom Permanentmagneten 121 des Rotors 120 empfängt, größer als die magnetische Anziehungskraft F1, die der rechteckige Kernzahn 105 vom Permanentmagneten 121 des Rotors 120 empfängt. Daher hat, wie in 11 gezeigt, die alternierende Anordnungsstruktur der rechteckigen Kernzähne 105 und der trapezförmigen Kernzähne 106 insofern negative Eigenschaften, als das Rastmoment größer ist als das der gleichförmigen Anordnungsstruktur der rechteckigen Kernzähne 105.
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Im Stator eines Elektromotors stehen die Wärmeabfuhreffizienz der Spule und das Rastmoment in einem Zielkonflikt.
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ZITATLISTE
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PATENTLITERATUR
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Veröffentlichung der japanischen ungeprüften Patentanmeldung (Übersetzung der PCT-Anmeldung) Nr.
2009-5288811 -
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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TECHNISCHES PROBLEM
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Es wird ein Stator eines Elektromotors benötigt, der den Anstieg des Rastmoments unterdrücken und gleichzeitig die Wärmeabfuhr der Spule sicherstellen kann.
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LÖSUNG DES PROBLEMS
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Ein Stator eines Elektromotors gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenlegung umfasst einen zylinderförmigen Stator-Kern. Erste Kernzähne sind in Umfangsrichtung auf der inneren Umfangsfläche des Stator-Kerns angeordnet. Zweite Kernzähne sind abwechselnd mit den ersten Kernzähnen in Umfangsrichtung auf der inneren Umfangsfläche des Stator-Kerns angeordnet. Die zweiten Kernzähne weisen jeweils eine Querschnittsform senkrecht zur Mittelachse des Stator-Kerns auf, die sich von der Querschnittsform jedes der ersten Kernzähne unterscheidet. Eine Spule wird an einem der ersten Kernzähne und an einem der zweiten Kernzähne montiert. Die Breite jedes zweiten Kernzahns wird durch eine Stufe oder eine gekrümmte Fläche reduziert, die an der Grenze zwischen einem Spitzenendabschnitt und einem Abschnitt dahinter vorgesehen ist.
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Entsprechend diesem Aspekt kann die Spule mit der Seitenfläche des ersten Kernzahns in Kontakt gebracht werden, und die Spule kann mit dem zweiten Kernzahn in einem Abschnitt hinter dem Spitzenendabschnitt in Kontakt gebracht werden, obwohl der Spitzenendabschnitt des zweiten Kernzahns von der Spule beabstandet ist und nicht mit ihr in Kontakt gebracht werden kann. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Wärmeableitung der Spule im Vergleich zu dem Fall, dass ein Spalt zwischen der Spule und dem zweiten Kernzahn im Wesentlichen über die gesamte Fläche des zweiten Kernzahns gebildet wird.
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Da die Breite des Spitzenendes des ersten Kernzahns gleich der Breite des Spitzenendes des zweiten Kernzahns ist und die Form des Spitzenendes des zweiten Kernzahns der Form des Spitzenendes des ersten Kernzahns entspricht, ist es auch möglich, die magnetische Anziehungskraft zwischen den zweiten Kernzähnen und dem Magneten des Rotors an die magnetische Anziehungskraft zwischen den ersten Kernzähnen und dem Magneten des Rotors anzunähern. Dadurch kann der Anstieg des Rastmomentes unterdrückt werden.
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Des Weiteren wird als Folge des Formens des Spitzenendabschnitts des zweiten Kernzahns in die gleiche Form wie die des Spitzenendabschnitts des ersten Kernzahns durch Beschneiden der Seitenflächen des Spitzenendabschnitts des zweiten Kernzahns, anstatt einfach die Spitzenendabschnitte des ersten und zweiten Kernzahns in die gleiche Form zu bringen, der Spitzenendabschnitt des zweiten Kernzahns dünner, wodurch die Verarbeitbarkeit der Spuleneinführung verbessert wird.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils des Stators eines Elektromotors nach einer Ausführungsform;
- 2 ist eine Querschnittsansicht eines Teils des Elektromotors gemäß 1;
- 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines rechteckigen Kernzahns und eines trapezförmigen Kernzahns von 1; 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines rechteckigen Kernzahns und eines trapezförmigen Kernzahns von 1;
- 4 ist ein erläuterndes Zusatzdiagramm zur Spulenwärmeableitung des Stators nach der vorliegenden Darstellung;
- 5 ist ein Diagramm, das die magnetische Anziehungskraft zeigt, die sowohl der trapezförmige Kernzahn als auch der rechteckige Kernzahn von 1 von einem Permanentmagneten eines Rotors erhalten;
- 6 ist ein Diagramm, das das Rastmoment durch den Stator gemäß der vorliegenden Darstellung zeigt;
- 7 ist ein Diagramm, das eine Kappe zur Abdeckung der Trapezkernzähne von 1 zeigt; 7 ist ein Diagramm, das eine Kappe zur Abdeckung der Trapezkernzähne von 1 zeigt;
- 8 ist ein ergänzendes Erklärungsdiagramm bezüglich der Wärmeableitung der Spule in einer konventionellen, einheitlich angeordneten Struktur aus rechteckigen Kernzähnen;
- 9 ist ein ergänzendes Erklärungsdiagramm bezüglich der Wärmeableitung der Spule in einer konventionellen, abwechselnd angeordneten Struktur aus rechteckigen Kernzähnen und trapezförmigen Kernzähnen;
- 10 ist ein Diagramm, das die magnetische Anziehungskraft zwischen jedem der trapezförmigen Kernzähne und dem rechteckigen Kernzahn von 9 und einem Permanentmagneten eines Rotors zeigt; und
- 11 ist ein Diagramm, das das Rastmoment durch den Stator von jedem der 9 und 10 zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden werden ein Stator gemäß der vorliegenden Ausführungsform und ein mit dem Stator ausgerüsteter Elektromotor anhand der Zeichnungen beschrieben.
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Wie in 1, 2 und 3 dargestellt, bildet ein Stator 1 zusammen mit einem Rotor 2 mit einem Permanentmagneten 21 einen Elektromotor. Der Stator 1 hat einen im Wesentlichen zylinderförmigen Stator-Kern 3, und der Rotor 2 ist innerhalb des Stator-Kerns 3 untergebracht. Der Rotor 2 umfasst einen im wesentlichen säulenförmigen Kern 20 mit einer Drehwelle, die dessen Zentrum durchdringt, und Permanentmagnete 21, die in gleichem Abstand in Umfangsrichtung des Kerns 20 angeordnet sind.
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Auf der inneren Umfangsfläche des Stator-Kerns 3 sind mehrere Typen, in diesem Fall zwei Typen von ersten und zweiten Kernzähnen 5, 6 mit unterschiedlichen Querschnittsformen senkrecht zu einer Mittelachse R des Stator-Kerns 3 vorgesehen, die in Richtung der Mittelachse R vorstehen. Die ersten Kernzähne 5 und die zweiten Kernzähne 6 sind radial um die Mittelachse R des Stator-Kerns 3 angeordnet, so dass jede Mittellinie C1, C2 mit dem zylindrischen Radius zusammenfällt. Eine Spule 9 wird in eine Lücke (Schlitz) 7 zwischen dem ersten Kernzahn 5 und dem zweiten Kernzahn 6 eingesetzt und mit dem ersten Kernzahn 5 zusammengebaut. Die Spule 9 kann mit dem zweiten Kernzahn 6 zusammengebaut werden.
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Die ersten Kernzähne 5 weisen untereinander die gleiche Form und die gleiche Größe auf, und die zweiten Kernzähne 6 weisen untereinander ebenfalls die gleiche Form und die gleiche Größe auf. Der zweite Kernzahn 6 hat eine andere Form in Bezug auf den ersten Kernzahn 5. Typischerweise ist die Querschnittsform des ersten Kernzahns 5 senkrecht zur Mittelachse R des Stator-Kerns 3 rechteckig. Die Breite W1 des dem Rotor 2 zugewandten Spitzenendes des ersten Kernzahnes 5 ist in der radial nach außen gerichteten Richtung (der Tiefenrichtung) konstant.
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Andererseits ist der zweite Kernzahn 6 so angeordnet, dass er eine im Wesentlichen trapezförmige Querschnittsform hat, so dass die Seitenfläche des zweiten Kernzahns 6 und die Seitenfläche des benachbarten ersten Kernzahns 5 parallel zueinander verlaufen und ein Schlitz 7 dazwischen einen parallelen Schlitz bildet. Eine Breite W2 der oberen Basis des Trapezes ist so konfiguriert, dass sie gleich der Breite W1 des Spitzenendes des ersten Kernzahns 5 ist, und obwohl die Breite von der unteren Basis des Trapezes zum Spitzenende hin kontinuierlich unter Bildung einer Trapezform verengt wird, wird die Breite auf eine Breite W2 mit einer Stufe in der Mitte reduziert, und danach setzt sich die Breite W2 bis zum Spitzenende fort. Der Abschnitt von der Stelle, an der die Breite mit einer Stufe zum Spitzenende hin verengt wird, wird als Spitzenendabschnitt 8 bezeichnet. Mit anderen Worten, beim zweiten Kernzahn 6 sind beide Seitenflächen leicht in eine verengte Form geschnitten, so dass sich die Breite W2 des Spitzenendes über einen Bereich bis zu einer vorbestimmten Tiefe fortsetzt, und der Spitzenendabschnitt 8 des zweiten Kernzahns 6 hat die gleiche Form und die gleiche Größe wie die des Spitzenendabschnitts des ersten Kernzahns 5. Obwohl die Grenze zwischen dem Spitzenendabschnitt 8 des zweiten Kernzahns 6 und dem Abschnitt hinter dem zweiten Kernzahn 6 als mit einer Stufe auf die Breite W2 verengt beschrieben worden ist, kann die Grenze so ausgebildet werden, dass sie mit einer gekrümmten Oberfläche allmählich auf die Breite W2 verengt wird.
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Wie die Spule 9 ist eine rechteckige Spule am ersten Kernzahn 5 befestigt, während die Spule 9, wenn sie mit dem zweiten Kernzahn 6 zusammengebaut ist, eine trapezförmige Spule ist. Hier wird das erstgenannte Beispiel beschrieben. In beiden Fällen berührt eine Seitenfläche der Spule 9 die Seitenfläche des ersten Kernzahns 5 über die gesamte Fläche, während die andere Seitenfläche der Spule 9c den zweiten Kernzahn 6 in einem Abschnitt hinter dem Spitzenendabschnitt 8 berührt. Man beachte, dass in der Praxis zwischen Spule 9 und den ersten und zweiten Kernzähnen 5 und 6 Isolierpapier eingelegt wird.
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Obwohl im Spitzenendabschnitt 8, der, wie in 4 gezeigt, zu einer verengten Form beschnitten ist, eine Lücke gebildet wird und kein Kontakt zwischen der Spule 9 und dem Spitzenendabschnitt 8 besteht, da die Spule 9 in einem Abschnitt radial außerhalb (tiefere Seite) des Spitzenendabschnitts 8 in Kontakt mit der Seitenfläche des zweiten Kernzahns 6 steht, ist die Wärmeableitung der Spule 9 im Vergleich zu der Struktur verbessert, in der eine Lücke gebildet wird, und es gibt keinen Kontakt zwischen der Spule 9 und der Seitenfläche des zweiten Kernzahns 6 in seinem gesamten Bereich, wie in 8 gezeigt.
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Da der erste Kernzahn 5 eine rechteckige Querschnittsform hat, sind beide Seitenflächen desselben sowie die Mittellinie C1 parallel zum Radius des Zylinders, und ähnlich wie beim zweiten Kernzahn 6 ist nur der Spitzenendabschnitt 8 desselben parallel zum Radius des Zylinders, und darüber hinaus sind die Breiten beider Kernzähne äquivalent gestaltet. Wie in 5 gezeigt, wird beim Fokussieren auf eine bestimmte Position auf einer Seitenfläche nahe dem Spitzenende des ersten Kernzahnes 5 der kürzeste Abstand D1 zwischen der Position von Interesse und dem Permanentmagneten 21, wenn sich der Rotor 2 in einer bestimmten Phase befindet, und der kürzeste Abstand D2 zwischen der gleichen Position wie die Position von Interesse auf der Seitenfläche nahe dem Spitzenende des zweiten Kernzahnes 6 und dem Permanentmagneten 21 gleich. Dieser Abstand D2 verringert sich entsprechend der beschnittenen Tiefe im Vergleich zu demjenigen im Falle der Struktur von 9, bei der beide Seitenflächen des Spitzenendabschnitts 8 des zweiten Kernzahns 6 nicht in eine verengte Form beschnitten sind. Obwohl also der Abstand zwischen der Position von Interesse auf der Seitenfläche nahe dem Spitzenende des ersten Kernzahns 5 und dem Permanentmagneten 21 mit der Phasenverschiebung des Rotors 2 variiert, wird die Veränderung des Abstands zwischen der entsprechenden Position auf der Seitenfläche nahe dem Spitzenende des zweiten Kernzahns 6 und dem Permanentmagneten 21 im Wesentlichen gleichwertig mit der Veränderung auf dem ersten Kernzahn 5.
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Da die magnetische Anziehungskraft umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands ist, ist die magnetische Anziehungskraft F3, die der zweite Kernzahn 6 vom Permanentmagneten 21 empfängt, größer als die magnetische Anziehungskraft F1, die der erste Kernzahn 5 vom Permanentmagneten 21 empfängt; sie ist jedoch kleiner als die magnetische Anziehungskraft F2 im Falle der Struktur von 9.
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Daher wird das Rastmoment der Struktur, bei der die rechteckigen ersten Kernzähne 5 und die trapezförmigen zweiten Kernzähne 6, deren Spitzenendabschnitt in eine verengte Form geschnitten ist, um einen rechteckigen Querschnitt entsprechend der vorliegenden Ausführungsform zu bilden, abwechselnd wie in 6 dargestellt angeordnet größer als das Rastmoment der Struktur, in der die rechteckigen Kernzähne einheitlich angeordnet sind, wie in 8 gezeigt, kann aber unterdrückt werden, um kleiner als das Rastmoment der abwechselnd angeordneten Struktur der rechteckigen Kernzähne und der trapezförmigen Kernzähne zu sein, deren Spitzenendabschnitt nicht wie in 9 gezeigt in eine verengte Form geschnitten ist.
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Man beachte, dass durch Vergrößerung der Länge des Spitzenendabschnitts 8 des zweiten Kernzahns 6 das Rastmoment wirksamer unterdrückt werden kann, so dass es sich dem Rastmoment einer Struktur annähert, in der rechteckige Kernzähne gleichmäßig angeordnet sind; im Gegensatz dazu wird jedoch der Bereich, in dem die Spule 9 in Kontakt mit der Seitenfläche des Spitzenendabschnitts 8 des zweiten Kernzahns 6 steht, verengt und die Wärmeableitung verringert. Die Länge L des Spitzenendabschnitts 8, die in eine verengte Form des zweiten Kernzahns 6 zu schneiden ist, wird unter Berücksichtigung des Gleichgewichts zwischen Rastmoment und Wärmeabfuhr bestimmt.
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Das Rastmoment kann auch dann unterdrückt werden, wenn der Spitzenendabschnitt des ersten Kernzahns 5 in der Breite zu einer Trapezform aufgeweitet wird, ohne die Spitzenendabschnitte 8 des zweiten Kernzahns 6 in eine verengte Form zu beschneiden, so dass die Spitzenenden beider Kernzähne die gleiche Form und die gleiche Größe aufweisen. In der vorliegenden Ausführungsform ist es jedoch möglich, durch Beschneiden des Spitzenendabschnitts 8 des zweiten Kernzahns 6 in eine verengte Form und durch Konfigurieren desselben, so dass er die gleiche Form und die gleiche Größe wie der Spitzenendabschnitt des ersten Kernzahns 5 hat, die Effizienz des Einführvorgangs der Spule 9 zu erhöhen.
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Wie in 7 gezeigt, kann der Spitzenendabschnitt 8 des zweiten Kernzahns 6 mit einer Kappe 11 abgedeckt werden, um ein Abfallen der Spule 9 zu verhindern. Das Material der Kappe 11 ist ein nichtmagnetisches Harz, um das Rastmoment nicht zu beeinflussen, und genauer gesagt ein Epoxidharz, dem ein Füllstoff wie Al2O3, AIN, BN, BeO oder ähnliches zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit hinzugefügt wird, EVA-Harz mit Elastizität oder ein anderes Harz. Ersteres kann die Wärmeableitung verbessern, und letzteres kann das Abfallen der Spule 9 wirksam verhindern. Die Kappe 11 kann im Voraus zu einem kurzen zylindrischen Körper mit Pyramidenstumpfform geformt werden, um eine Lücke zwischen dem verengten Spitzenendabschnitt 8 des zweiten Kernzahnes 6 und der Spule 9 zu füllen, die auf den zweiten Kernzahn 6 aufgesetzt wird, und danach kann die Spule 9 eingesetzt werden, oder nachdem die Spule 9 in den ersten Kernzahn 5 eingesetzt wurde, kann die Kappe 11 in eine Lücke zwischen dem verengten Spitzenendabschnitt 8 des zweiten Kernzahnes 6 und der Spule 9 eingespritzt und danach ausgehärtet werden.
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Es wurden zwar bestimmte Ausführungsformen beschrieben, diese Ausführungsformen wurden jedoch nur beispielhaft dargestellt und sollen den Umfang der Erfindungen nicht einschränken. In der Tat können die hier beschriebenen neuartigen Verfahren und Systeme in einer Vielzahl anderer Formen verkörpert sein; darüber hinaus können verschiedene Auslassungen, Ersetzungen und Änderungen in der Form der hier beschriebenen Verfahren und Systeme vorgenommen werden, ohne vom Geiste der Erfindungen abzuweichen. Die begleitenden Ansprüche und ihre Äquivalente sollen solche Formen oder Änderungen abdecken, die in den Anwendungsbereich und Geiste der Erfindungen fallen würden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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