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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Stator.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Patentdokument 1 und Patentdokument 2 offenbaren Statoren. Bei diesen Statoren ist eine Spule über Isolierpapier an einem Statorkern befestigt.
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ZITIERLISTE
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PATENTDOKUMENTE
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- Patentdokument 1: JP 2020-33433A
- Patentdokument 2: JP 2013-62911A
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ABRISS DER ERFINDUNG
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VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
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Bei den oben beschriebenen Statoren ist es wünschenswert, die Wärmeabfuhr der Spule zu verbessern.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Technik bereitzustellen, mit der die Wärmeableitung einer Spule verbessert werden kann.
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LÖSUNG DES PROBLEMS
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein Stator bereitgestellt mit:
- einem Statorkern; und
- einer Spule,
- wobei der Statorkern Folgendes aufweist:
- einen ringförmigen Jochabschnitt; und
- mehrere Zähne, die ringförmig nebeneinander angeordnet sind,
- wobei die Zähne jeweils von dem Jochabschnitt hervorragen, durch jeweils zwei benachbarte der mehreren Zähne Schlitze ausgebildet sind, Schlitze mit isolierendem Kunststoff gefüllt sind,
- wobei die Spule einen Wicklungsdraht aufweist, der durch die Schlitze geführt und um die Zähne gewickelt ist,
- der Wicklungsdraht Folgendes aufweist:
- einen Kerndraht, der einen leitenden Pfad bildet; und
- einen Abdeckungsabschnitt, der den Kerndraht abdeckt, und
- in jedem der Schlitze der isolierende Kunststoff einen Zwischenraum zwischen einer Innenwand des Zahns und dem Abdeckungsabschnitt vollständig ausfüllt.
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VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Wärmeableitung der Spule verbessert werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Statorkerns gemäß einer ersten Ausführungsform.
- 2 ist eine Querschnittsansicht um eine in einem Schlitz angeordnete Spule.
- 3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 2.
- 4 ist ein Diagramm, das veranschaulicht, wie das maximale Drehmoment eines Motors mit dem Statorkern gemäß der ersten Ausführungsform erhöht werden kann.
- 5 ist ein Diagramm, das veranschaulicht, wie die Dicke des Statorkerns mit dem Statorkern gemäß der ersten Ausführungsform reduziert werden kann.
- 6 ist ein Diagramm, das veranschaulicht, wie die Querschnittsfläche des Kerndrahtes mit dem Statorkern gemäß der ersten Ausführungsform verringert werden kann.
- 7 ist ein Diagramm, das veranschaulicht, wie der effektive magnetische Fluss mit dem Statorkern gemäß der ersten Ausführungsform erhöht werden kann.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER OFFENBARUNG
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung aufgeführt und beispielhaft erläutert.
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[1] Ein Stator mit:
- einem Statorkern; und
- einer Spule,
- wobei der Statorkern Folgendes aufweist:
- einen ringförmigen Jochabschnitt; und
- mehrere Zähne, die ringförmig nebeneinander angeordnet sind,
- wobei die Zähne jeweils von dem Jochabschnitt hervorragen,
- durch jeweils zwei benachbarte der mehreren Zähne Schlitze ausgebildet sind,
- Schlitze mit isolierendem Kunststoff gefüllt sind,
- wobei die Spule einen Wicklungsdraht aufweist, der durch die Schlitze geführt und um die Zähne gewickelt ist,
- der Wicklungsdraht Folgendes aufweist:
- einen Kerndraht, der einen leitenden Pfad bildet; und
- einen Abdeckungsabschnitt, der den Kerndraht abdeckt, und
- in jedem der Schlitze der isolierende Kunststoff einen Zwischenraum zwischen einer Innenwand des Zahns und dem Abdeckungsabschnitt vollständig ausfüllt.
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Gemäß dieser Ausgestaltung ist in jedem der Schlitze ein Zwischenraum zwischen der Innenwand des Zahns und dem Abdeckungsabschnitt des Verdrahtungsdrahtes vollständig mit dem isolierenden Kunststoff gefüllt, ohne dass das isolierende Papier zwischen der Innenwand des Zahns und dem Abdeckungsabschnitt des Verdrahtungsdrahtes eingefügt ist. Dementsprechend ist es möglich, die Wärmeableitung der Spule im Vergleich zu einem Stator mit einer Ausgestaltung zu verbessern, bei der Isolierpapier zwischen der Innenwand eines Zahns und dem Abdeckungsabschnitt eines Verdrahtungsdrahtes angeordnet ist.
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[2] Der Stator gemäß Aspekt [1], wobei der isolierende Kunststoff einen Bereich zwischen einem oberen Ende und einem unteren Ende der Zähne vollständig ausfüllt.
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Gemäß dieser Ausgestaltung ist es möglich, die Wärmeableitung der Spule weiter zu verbessern, da der isolierende Kunststoff einen Bereich zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende der Zähne vollständig ausfüllt. Außerdem kann die Spule stabiler in den Schlitzen fixiert werden.
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[3] Der Stator gemäß Aspekt [1] oder [2], wobei ein innerer Wandabschnitt der Schlitze vollständig von dem Wicklungsdraht beabstandet ist.
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Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Isolierung zwischen der Spule und dem Statorkern zuverlässiger gewährleistet werden.
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[4] Der Stator nach einem der Punkte [1] bis [3], wobei der Abdeckungsabschnitt aus einem Drahtlack mit niedriger Dielektrizitätskonstante hergestellt ist.
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Gemäß dieser Ausgestaltung ist es einfach, die Dicke des Abdeckungsabschnitts zu verringern und gleichzeitig die Isolierung zwischen der Spule und dem Statorkern zuverlässiger zu gewährleisten, so dass es einfach ist, die Dicke des Kerndrahtes zu erhöhen. Dementsprechend kann die Leistung des Motors leicht verbessert werden.
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Erste Ausführungsform
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Ein Stator 1 gemäß einer ersten Ausführungsform wird als Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine (genauer gesagt, eines Motors) verwendet. Wie in 2 dargestellt, umfasst der Stator 1 einen Statorkern 10, eine Spule 30 und einen isolierenden Kunststoff 50. Nachfolgend wird die radiale Richtung des Stators 1 als „radiale Richtung“, die axiale Richtung des Stators 1 als „axiale Richtung“ und die Umfangsrichtung bzw. Umlaufrichtung des Stators 1 als „Umfangsrichtung“ bezeichnet.
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Wie in 1 dargestellt, umfasst der Statorkern 10 einen Jochabschnitt 11 und mehrere Zähne 12. Der Jochabschnitt 11 ist ringförmig, genauer gesagt kreisringförmig. Die Zähne 12 sind ringförmig entlang der inneren Umfangsfläche des Jochabschnitts 11 angeordnet. Die Zähne 12 sind in der Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet. Die Zähne 12 ragen von der inneren Umfangsfläche des Jochabschnitts 11 radial nach innen. Die Zähne 12 umfassen jeweils einen Zahnkörper 13 mit einer Wandform, die sich entlang der radialen Richtung und der axialen Richtung erstreckt, und Vorsprünge 14, die von einem distalen Ende (mit anderen Worten, einem Ende auf der Innenseite in der radialen Richtung) des Zahnkörpers 13 zu beiden Seiten in der Umfangsrichtung vorstehen.
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Der Statorkern 10 kann beispielsweise aus gestapelten Stahlblech sein, das durch Stapeln mehrerer elektromagnetischer Stahlbleche (z.B. Siliziumstahlbleche) in einer Dickenrichtung hergestellt wird, oder er kann auch ein Pulvermagnetkern sein, der durch Pressformen magnetischer Partikel erhalten wird, die mit einem isolierenden Material beschichtet sind.
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Wie in 1 dargestellt, werden die Schlitze 20 jeweils durch zwei benachbarte Zähne 12 gebildet. Beide Seiten jedes der Schlitze 20 in Umfangsrichtung werden durch die Zähne 12 definiert, und eine Außenfläche jedes der Schlitze 20 in radialer Richtung wird durch den Jochabschnitt 11 definiert. Die Schlitze 20 sind zu beiden Oberflächen des Stators 1 in axialer Richtung und zu einer Innenfläche des Stators 1 in radialer Richtung offen.
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Die Spule 30 kann eine Spule mit verteilten Wicklungen oder auch eine Spule mit konzentrierten Wicklungen sein. Wie in 2 dargestellt, hat die Spule 30 einen Wicklungsdraht 31, der durch die Schlitze 20 geführt und um die Zähne 12 gewickelt ist. Der Wicklungsdraht 31 umfasst einen Kerndraht 32, der einen leitenden Pfad bildet, und einen Abdeckungsabschnitt 33, der den Kerndraht 32 abdeckt. Der Kerndraht 32 ist aus einem Leiter gefertigt. Der Abdeckungsabschnitt 33 bildet eine isolierende Schicht. Das Material des Abdeckungsabschnitts 33 ist nicht auf ein bestimmtes Material beschränkt. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Abdeckungsabschnitt 33 aus einem Lack mit niedriger Dielektrizitätskonstante. Der Hauptbestandteil des Abdeckungsabschnitts 33 kann ein wärmehärtender Kunststoff wie Polyvinylformal, wärmehärtendes Polyurethan, wärmehärtendes Acryl, Epoxid, wärmehärtendes Polyester, wärmehärtendes Polyesterimid, aromatisches Polyamid, wärmehärtendes Polyamidimid oder wärmehärtendes Polyimid sein. Die Hauptkomponente des Abdeckungsabschnitts 33 kann auch ein thermoplastischer Kunststoff wie Polyetherimid, Polyphenylenether, Polyethersulfon, Polyphenylensulfid, Polyetheretherketon oder thermoplastisches Polyimid sein. Dabei ist die „Hauptkomponente“ des Materials die Komponente mit dem größten Anteil, z.B. eine Komponente, die in einer Menge von mindestens 50 Massenprozent im Material enthalten ist.
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Wie in 2 dargestellt, werden die Schlitze 20 mit isolierendem Kunststoff 50 gefüllt. Das Verfahren zum Einfüllen des isolierenden Kunststoffs 50 in die Schlitze 20 ist nicht auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt. Als Verfahren zum Einfüllen des isolierenden Kunststoffs 50 in die Schlitze 20 ist z.B. das Transfer-Molding-Verfahren geeignet. Der isolierende Kunststoff ist nicht auf einen bestimmten Kunststoff beschränkt. Bevorzugte Beispiele für die isolierenden Kunststoffe sind Epoxidharze, PBT-Harze, PET-Harze, PPS-Harze, SPS-Harze, m-PPE-Harze, Nylonharze (PA6, PA46, PA66), aromatische Nylonharze (PA4T, PA6T, PA9T, PA10T) und LCP-Harze.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist in jedem der Schlitze 20 der Zwischenraum zwischen der Innenwand 12A des Zahnteils 12 und dem Abdeckungsabschnitt 33 des Wicklungsdrahtes 31 vollständig mit dem isolierenden Kunststoff 50 gefüllt. Dementsprechend ist in jedem der Schlitze 20 des Stators 1 der Zwischenraum zwischen der Innenwand 12A des Zahns 12 und dem Abdeckungsabschnitt 33 vollständig mit den isolierenden Kunststoffen 50 gefüllt, ohne dass zwischen der Innenwand 12A des Zahns 12 und dem Abdeckungsabschnitt 33 ein Isolierpapier eingefügt ist. Mit dieser Ausgestaltung kann der Stator 1 die Wärmeableitung der Spule 30 im Vergleich zu einem Stator mit einer Ausgestaltung verbessern, bei der Isolierpapier zwischen der Innenwand eines Zahns und dem Abdeckungsabschnitt eines Wicklungsdrahts eingefügt ist. Bei einer Ausgestaltung, bei der beispielsweise das Isolierpapier mit Lack getränkt wird, bildet sich leicht eine Luftschicht, und die Wärmeableitung der Spule wird im Ergebnis leicht verringert. Andererseits kann mit dem Stator 1 das Problem gelöst werden, dass die Wärmeableitung der Spule 30 verringert wird. So weist der Wicklungsdraht 31 mehrere durchgeführte Abschnitte 34 auf, die in dem Schlitz 20 angeordnet sind. Die durchgeführten Abschnitte 34 umfassen jeweils den oben beschriebenen Kerndraht 32 und den Abdeckungsabschnitt 33. Die mehreren durchgeführten Abschnitte 34 sind in radialer Richtung nebeneinander angeordnet. Der isolierende Kunststoff 50 füllt auch Lücken zwischen zwei benachbarten durchgeführten Abschnitten 34 im selben Schlitz 20 vollständig aus. Dementsprechend ist es einfach, die Wärmeableitung der Lücken zwischen benachbarten durchgeführten Abschnitten 34 im selben Schlitz 20 zu verbessern.
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Wie in 3 gezeigt, füllt der isolierende Kunststoff 50 in jedem der Zähne 12 den Bereich zwischen dem oberen Ende 12B und dem unteren Ende 12C vollständig aus. Mit dieser Ausgestaltung ist es im Stator 1 möglich, die Wärmeableitung der Spule 30 weiter zu verbessern. Außerdem kann die Spule 30 stabiler in den Schlitzen 20 befestigt werden.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist in jedem der Schlitze 20 der innere Wandabschnitt 20A des Schlitzes 20 vollständig von dem Wicklungsdraht 31 beabstandet. Mit dieser Ausgestaltung kann im Stator 1 eine zuverlässigere Isolierung zwischen der Spule 30 und dem Statorkern 10 gewährleistet werden.
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Darüber hinaus ist der Abdeckungsabschnitt 33 aus einem Drahtlack mit niedriger Dielektrizitätskonstante hergestellt. Dementsprechend ist im Stator 1 die Isolierung zwischen der Spule 30 und dem Statorkern 10 zuverlässiger gewährleistet, die Dicke des Abdeckungsabschnitts 33 kann leicht reduziert werden, und somit kann der Kerndraht 32 verdickt werden. Das heißt, es ist möglich, einen Raumfaktor des Kerndrahtes 32 zu verbessern, d.h. das Verhältnis, das der Kerndraht 32 innerhalb der Schlitze 20 einnimmt. Dementsprechend kann die Leistung des Motors (z.B. das Drehmoment) leicht verbessert werden. Darüber hinaus kann die Isolierung allein durch den Abdeckungsabschnitt 33 gewährleistet werden. Das heißt, durch die vollständige bzw. geschlossene Füllung der Schlitze 20 mit dem isolierenden Kunststoff 50 kann die Wärmeableitung verbessert und die Isolierung durch den Abdeckungsabschnitt 33, der aus Drahtlack mit niedriger Dielektrizitätskonstante besteht, sichergestellt werden.
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Wie oben beschrieben, füllt der isolierende Kunststoff 50 in jedem der Schlitze 20 des Stators 1 den Zwischenraum zwischen den Innenwänden 12A der Zähne 12 und dem Abdeckungsabschnitt 33 vollständig aus, ohne dass dazwischen ein Isolierpapier eingefügt ist, wodurch die Wärmeableitung verbessert wird. Bei einer Ausgestaltung, bei der kein Isolierpapier zwischen der Innenwand 12A des Zahns 12 und dem Abdeckungsabschnitt 33 angeordnet ist, besteht jedoch ein Problem in der Isolierung des Wicklungsdrahts 31. Um dieses Problem zu lösen, wird der Abdeckungsabschnitt 33 aus einer Drahtlack mit niedriger Dielektrizitätskonstante hergestellt. Dadurch kann die Isolierung allein durch den Wicklungsdraht 31 gewährleistet werden. Die Isolierung kann beispielsweise auch dann gewährleistet werden, wenn sich der Wicklungsdraht 31 an die Innenwand 12A des Zahns 12 annähert oder mit der Innenwand 12A des Zahns 12 in Kontakt kommt. Das heißt, dass im Stator 1 durch das vollständige Ausfüllen der Schlitze 20 mit dem isolierenden Kunststoff 50 ohne die Bereitstellung von Isolierpapieren die Wärmeableitung verbessert werden kann und die Isolierung durch den Abdeckungsabschnitt 33, der aus Drahtlack mit niedriger Dielektrizitätskonstante besteht, zuverlässiger gewährleistet werden kann.
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Nachfolgend werden spezifische Effekte, die durch die Verbesserung der Wärmeableitung der Spule 30 erzielt werden, beispielhaft erläutert.
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Wenn ein Strom durch die Spule 30 fließt, erzeugt der Kerndraht 32 Wärme. Die Obergrenze des durch den Kerndraht 32 fließenden Stroms wird auf der Grundlage der Obergrenze des zulässigen Temperaturbereichs des Kerndrahts 32 festgelegt. Wie oben beschrieben, wird die Obergrenze des durch den Kerndraht 32 fließenden Stroms erhöht, da die Wärmeableitung im Stator 1 verbessert wird. Das heißt, im Stator 1 kann die Obergrenze des Stroms, der durch den Kerndraht 32 fließt, erhöht werden, ohne die Größe des Stators 1 zu verändern. Außerdem ist das maximale Drehmoment des Motors proportional zum Strom, der durch die Spule 30 fließt. Infolgedessen ist es möglich, das maximale Drehmoment des Motors, an den der Stator 1 angeschlossen ist, zu erhöhen. Wie in 4 gezeigt, kann beispielsweise das maximale Drehmoment um einen Betrag erhöht werden, der dem zweiten Bereich AR2 entspricht, verglichen mit dem ersten Bereich AR1, der einem mit Isolierpapier versehenen Stator entspricht.
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Alternativ kann im Stator 1 die Stapeldicke (Länge in axialer Richtung) des Statorkerns 10 reduziert werden, ohne das maximale Drehmoment des Motors, mit dem der Stator 1 verwendet wird, zu verändern. Die Stapeldicke des Statorkerns 10 ist proportional zum maximalen Drehmoment eines Motors, an dem der Stator 1 verwendet wird. Mit anderen Worten, die Stapeldicke des Statorkerns 10 kann reduziert werden, ohne das maximale Drehmoment des Motors zu verändern. Wie in 5 gezeigt, ist es beispielsweise möglich, die Stapeldicke (Länge in axialer Richtung) des Statorkerns 10 im Vergleich zu einem Statorkern 10X eines mit Isolierpapier versehenen Stators zu reduzieren, während das maximale Drehmoment des Motors beibehalten wird. Da die Stapeldicke des Statorkerns 10 reduziert wird, verringert sich die Menge des verwendeten Materials und damit auch die Materialkosten. In 5 sind der Statorkern 10 und der Statorkern 10X schematisch dargestellt.
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Alternativ kann mit dem Stator 1 die Querschnittsfläche des Kerndrahtes 32 reduziert werden, ohne das maximale Drehmoment des Motors und die Stapeldicke (Länge in axialer Richtung) des Statorkerns 10 zu verändern. Der Strom, der durch den Kerndraht 32 fließt, ist proportional zur Querschnittsfläche des Kerndrahtes 32. Das heißt, es ist möglich, die Querschnittsfläche des Kerndrahtes 32 zu verringern, ohne den durch den Kerndraht 32 fließenden Strom (das maximale Drehmoment des Motors) und die Stapeldicke (Länge in axialer Richtung) des Statorkerns 10 zu verändern. Wie in 6 gezeigt, kann der Kerndraht 32 des Stators 1 beispielsweise mit geringer Breite (bzw. Länge in Umfangsrichtung) als der Kerndraht 32Y eines mit Isolierpapier (nicht gezeigt) versehenen Stators 1Y ausgeführt werden. Infolgedessen kann die Menge des für den Kerndraht 32 verwendeten Materials reduziert werden, wodurch sich die Materialkosten verringern. Wie in 6 gezeigt, werden in einer Ausgestaltung, in der die Querschnittsfläche des Kerndrahtes 32 reduziert ist, selbst wenn die Dicke (Länge in Umfangsrichtung) der Zähne 12 erhöht ist, die Materialkosten pro Volumeneinheit der Zähne 12 insgesamt reduziert, wenn die Materialkosten pro Volumeneinheit der Zähne 12 geringer sind als die des Kerndrahtes 32.
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Wenn die Dicke der Zähne 12 erhöht wird, kann der folgenden Effekt erzielt werden. Wie in 7 gezeigt, wird der effektive magnetische Fluss 60 im Vergleich zum effektiven magnetischen Fluss 60 mit einem Zahn 12Z, bei dem magnetischer Streufluss 61 erzeugt wird, durch Erhöhung der Dicken (Längen in Umfangsrichtung) der Zähne 12 erhöht. Das maximale Drehmoment eines Motors ist proportional zum effektiven magnetischen Fluss. Somit ist es bei dieser Ausgestaltung möglich, das maximale Drehmoment eines Motors, bei dem der Stator 1 verwendet wird, zu erhöhen.
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Andere Ausführungsformen
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Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die in der obigen Beschreibung und den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen können in beliebiger Weise kombiniert werden, solange sich keine Widersprüche ergeben. Außerdem kann jedes Merkmal der oben beschriebenen Ausführungsformen auch weggelassen werden, wenn es nicht ausdrücklich als wesentlich bezeichnet wird.
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Die hier offenbare Ausführungsform ist in jeder Hinsicht als illustrativ und nicht einschränkend zu betrachten. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die hier offenbaren Ausführungsformen beschränkt und soll auch alle Änderungen innerhalb des in den Ansprüchen angegebenen Umfangs sowie deren Äquivalente umfassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 1Y
- Stator
- 10
- Statorkern
- 10X
- Statorkern
- 11
- Jochabschnitt
- 12
- Zahn
- 12A
- Innenwand des Zahns
- 12B
- Oberes Ende des Zahns
- 12C
- Unteres Ende des Zahns
- 12Z
- Zahn
- 13
- Zahnkörper
- 14
- Vorsprung
- 20
- Schlitz
- 20A
- Innenwandteil des Schlitzes
- 30
- Spule
- 31
- Wicklungsdraht
- 32
- Kerndraht
- 32Y
- Kerndraht
- 33
- Abdeckungsabschnitt
- 34
- Durchgeführter Abschnitt
- 50
- Isolierender Kunststoff
- 60
- Wirksamer magnetischer Fluss
- 61
- Magnetischer Streufluss
- AR1
- Erster Bereich
- AR2
- Zweiter Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2020033433 A [0002]
- JP 2013062911 A [0002]
