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Hintergrund der Erfindung
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1. Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wechselstromgenerator
für Fahrzeuge,
der in PKWs, LKWs und Ähnlichem
montiert ist.
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2. Stand der
Technik
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In
letzter Zeit kommen der Motor und die ganzen elektrischen Geräte aufgrund
der zur Reduzierung des Fahrzeugfahrwiderstands und zur Verbesserung
der Sicht geneigten Fahrzeugnase dicht an die Straßenoberfläche heran,
wodurch die Spritzwasserproblematik aufgrund des während der
Fahrt von den Reifen aufspritzenden Wassers ernst wird. Ferner wird
in kalten Gegenden eine große
Menge an Salzen, wie z.B. Calcium- und Natriumchloride, gestreut,
um im Winter die Straße
am Gefrieren zu hindern. Die Salze verbleiben als elektrolytische
Lösungen
auf der Straßenoberfläche, welche
während
der Fahrt eingezogen werden, was zu einer raueren korrosiven Umgebung
des Motors führt.
Da der an dem Motor befestigte Fahrzeuggenerator der oben beschriebenen
rauhen Umgebung ausgesetzt ist, treten manchmal aufgrund des Spritzwassers
und der Salze Korrosionsprobleme auf.
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Andererseits
gibt es mit dem Trend hin zu einem engeren Motorraum keinen Platz
für einen
Einbauraum für
den Fahrzeuggenerator. Ferner sind Gewichtsreduzierung zur Verbesserung
der Kraftstoffkosten und bedingt durch ein Ansteigen der elektrischen
Last, wie z.B. der Sicherheitssteuermimik und dergleichen, eine
Verbesserung des Generatorverhaltens eingefordert worden. Natürlich werden
geringere Kosten verlangt.
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Das
heißt,
ein Wechselstromgenerator für Fahrzeuge
ist notwendig geworden, der eine hervorragende Widerstandsfähigkeit
gegen Korrosion, eine kleine Größe, ein
geringes Gewicht und geringe Kosten aufweist. Unter diesen Umständen läßt sich
der Ausfall der Erzeugung von elektrischer Energie aufgrund von
Korrosion hauptsächlich
darauf zurückführen, dass
bei dem Schritt, bei dem eine Statorspule in einen Schlitz eines
Statorkerns montiert wird, eine Isolierbeschichtung auf der Oberfläche der
Statorspule durch mechanische Reibung oder Ähnlichem beschädigt wird.
Wenn insbesondere Salzwasser, welches eine elektrolytische Lösung darstellt,
auf den beschädigten
Abschnitt spritzt, reagiert dieses mit dem Kupfer, das einen elektrischen
Leiter der Spule zur Erzeugung einer leitenden Verbindung darstellt. Wenn
diese Reaktion fortschreitet, wird die Abtrennung zwischen der Beschichtung
und dem Kupfer weiter beschleunigt, und es tritt ein Kurzschluss
zwischen dem Statorkern und der Spule und zwischen den Spulen auf,
was zu einer Leistungsabnahme und einer rasanten lokalen Wärmeentwicklung
und schließlich
zu einem Bruchschaden der Statorspule führt.
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Zur
Lösung
des Problems ist vorgeschlagen worden, dass die Beschichtung der
Statorspule in ihrer Dicke erhöht
und die Schadenswiderstandsfähigkeit
verbessert wird. Ferner wird beim Imprägnierungsvorgang mit Harz,
welcher im allgemeinen zum Widerstand gegen Vibration und Umwelteinflüssen durchgeführt wird,
nachdem die Statorspule gewickelt worden ist, im Allgemeinen ein
dicker Überzug aus
Imprägnierharz
benutzt. Ferner wird, wie in der japanischen Offenlegungsschrift
HEI 3-235644 offenbart, eine tröpfchendichte
Abdeckung auf der Seite des Kühllufteinlasses
befestigt, um den Weg für
das direkt von der Außenseite
eintretende Wasser abzuschneiden.
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Wenn
die Beschichtung der Statorspule in ihrer Dicke erhöht wird,
erhöhen
sich nicht nur die Materialkosten der Beschichtung, sondern auch
die Anzahl der Beschichtungen. Deshalb erhöht sich die Anzahl der Herstellungsschritte
des Spulenmaterials, so dass sich die Kosten der Statorspule beträchtlich erhöhen. Da
sich ferner das Flächenbesetzungsverhältnis bzw.
das Verhältnis
des beanspruchten Raums im Schlitz durch den Anteil erhöht, in welchem
die Beschichtung dicker wird, erhöht sich die Häufigkeit
der Beschädigung
der Beschichtung, wenn die Statorspule eingesetzt und befestigt
wird, so dass es nicht geschafft wird, das Antikorrosionsverhalten
wie gewünscht
zu verbessern. Wenn die Beschichtung bei Gewährleistung des gleichen Füllfaktors
in ihrer Dicke erhöht
wird, wird ferner die Querschnittsfläche des Kupfers so schmall,
dass der elektrische widerstandswert der Statorspule ansteigt, wodurch
die Leistung vermindert wird. Es treten auch Probleme eines Temperaturanstiegs
auf, welcher von der Verschlechterung der Wärmestrahlung der Statorspule
selbst herrührt
und deren Leistungsabgabe verringert. Wenn zum Ausgleich der Leistungsminderung
die Schlitzfläche
vergrößert wird,
um den gleichen Füllfaktor
bereitzustellen, kann der Aufbau sich nur vergrößern, um einen magnetischen
Wegabschnitt in jedem Teil des Statorkerns in Form eines magnetischen
Kreises sicherzustellen, wodurch die Forderung nach Verkleinerung
nicht erreichen werden kann.
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Natürlich erhöhen sich
die Kosten, wenn eine ausgezeichnete, gegen Schaden widerstandsfähige Beschichtung
vorgesehen wird. Jedoch wird der Generator, bei dem die Kosten der
Statorspule einen hohen Anteil an den Kosten des gesamten Produktes darstellen,
im Vergleich zu anderen Produktbestandteilen stark durch den Kostenanstieg
der Statorspule beeinflusst. Wenn der Wärmewiderstand zur Beschichtung
in Bezug auf den Temperaturanstieg verbessert und die Beschichtung
in ihrer Dicke erhöht wird,
erhöhen
sich weiter die Kosten.
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Auch
in dem Fall, bei dem das Imprägnierharz
dick überzogen
wird, gibt es die auftretenden Probleme des Materialkostenanstiegs,
des Herstellungskostenanstiegs aufgrund der Erhöhung der Schritte und der Leistungsminderung
aufgrund des Temperaturanstiegs.
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Aus
F.Yeaple: "New designs
for an aluminium motors include fool-proof connectors", Product Engineering,
Vol. 45, No. 12, Dezember 1974, Seiten 19 bis 22, ist bekannt, Statorwicklungen
aus Aluminium herzustellen. Aluminium bildet ein zähes Oxid, das
höchst
stabil und schützend,
aber nicht immer erwünscht
ist. Zum Beispiel ist Aluminium weniger leitfähig als Kupfer und es benötigt mehr
Platz in den Schlitzen.
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Ferner
ist bei der in JP 3-235644 offenbarten Methode in einem neuen, kleinen
Hochleistungsfahrzeuggenerator ein Gebläse auf der Seite eines Rotors
vorgesehen, durch dessen Rotation Kühlluft darin eingebracht wird
und eine Statorspule unter Verwendung der Luft gekühlt wird,
welche dann durch ein Fenster 41, welches am Durchmesser eines Gehäuses vorgesehen
ist, abgeführt
wird, wie in der in 13 gezeigten Ausführungsform
beschrieben ist. Das heißt,
Wasser oder Salzwasser kann von der Durchmesseraußenseite
des Generators auf einfache weise das Umfeld des Stators erreichen,
da die Statorspule nahe dem Belüftungsfenster
positioniert ist, welches am Durchmesser des Gehäuses vorgesehen ist. Deshalb
wird auch eine tröpfchendichte Abdeckung
außerhalb
des Fensters befestigt, welches am Durchmesser des Gehäuses vorgesehen ist,
oder es werden diejenigen Fenster, welche am Durchmesser des Gehäuses vorgesehen
und wasserbedeckt sind, wie in den 4a und 4b gezeigt,
abgesperrt. Auf jeden Fall jedoch erhöht sich der Belüftungswiderstand
und es vermindert sich die Menge an Kühlluft, wobei ein Ausströmen der
heißen Luft
hinter den Hitze erzeugenden Teilen, wie z.B. einer Statorspule
oder einem Gleichrichter, behindert wird, was zu einer beträchtlichen
Temperaturerhöhung
des gesamten Generators führt.
Ferner erhöht das
Hinzufügen
der tröpfchendichten
Abdeckung aufgrund einer Erhöhung
der Teileanzahl die Material- und Herstellungskosten.
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Die
vorliegende Erfindung löst
die oben beschriebenen Probleme. Ausgehend von JP 3-235644 ist das
Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Wechselstromgenerator für Fahrzeuge
zu schaffen, welcher zur Erreichung einer lange Betriebsdauer eine Korrosion
aufgrund von Spritzwasser von außen verhindert, der ausgezeichnet
in Bezug auf Kosten ist, der frei von einem neuen Problem, wie z.B.
einem Temperaturanstieg, ist und eine Verkleinerung und eine Gewichtsreduzierung
realisiert.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Wechselstromgenerator vorgesehen, in welchem ein
elektrischer Leiter einer Statorspule aus Aluminium hergestellt
wird, wobei keine leitende Verbindung hergestellt wird, auch wenn
Salzwasser oder Ähnliches
auf den Generator gespritzt wird, und in dem die Überbrückungs-Teile
des elektrischen Leiters voneinander räumlich getrennt sind, um Kühlluftdurchgänge zu bilden,
welche Kühlluft
von einem Innenumfang des Stators erhalten, wobei eine ausreichende
Kühlbelüftung sichergestellt
wird, um die Leistung nicht zu vermindern, und eine Gewichtsreduzierung
erreicht wird.
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Mit
der oben beschriebenen Anordnung wird in dem Fall, bei dem elektrolytische
Wassertröpfchen,
die Salz oder Ähnliches
enthalten, die Statorspule erreichen, keine leitende Verbindung
herbeigeführt
und hergestellt, auch wenn der elektrische Leiter durch Korrosion
angegriffen ist, weil der elektrische Leiter der Statorspule aus
Aluminium besteht. Deshalb ist es möglich, einen Kurzschluss zwischen der
Spule und dem Statorkern und zwischen den Spulen zu verhindern,
auch wenn die Korrosion der Statorspule aufgrund von Spritzwasser
auf die Statorspule fortschreitet. Dabei ist es möglich, eine Querschnittsfläche des
elektrischen Leiters zu vergrößern, d.h.
das Flächenbesetzungsverhältnis zu erhöhen. Ferner
ist es nicht notwendig, das Gehäusefenster
in der Richtung des Spritzwassers zu versperren, und es ist keine
tröpfchendichte
Abdeckung erforderlich. Da die Vielzahl der Fenster im wesentlichen über den
gesamten Umfang in Richtung Außendurchmesser
des Überbrückungs-Teils
der Statorspule vorgesehen sein kann, so dass der Belüftungsweg
der Kühlluft
ausreichend sichergestellt werden kann, tritt kein beträchtlicher
Temperaturanstieg des gesamten Generators auf, und die Statorspule
kann ausreichend gekühlt
werden. Daher kann die Statorspule stark gekühlt und die Querschnittsfläche des elektrischen
Leiters vergrößert werden.
Folglich wird die Verwendung von Aluminium ermöglicht, welches verglichen
mit Kupfer einen höheren
elektrischen Eigenwiderstand hat. Ferner ist es nicht notwendig,
den Aufbau zu vergrößern, um
die Leistung sicherzustellen, und die Gewichtsreduzierung kann aufgrund
eines Unterschieds im spezifischen Gewicht zwischen Kupfer und Aluminium
erreicht werden. Außerdem wird
Kupfer durch Aluminium ersetzt, womit die Materialkosten beträchtlich
reduziert werden können.
Es ist nicht erforderlich, die Dicke der Beschichtung zu erhöhen, das
Imprägnierharz
dick aufzutragen und die tröpfchendichte
Abdeckung hinzuzufügen.
Folglich wird eine beträchtliche
Kostenreduzierung ermöglicht.
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Das Überbrückungs-Teil
der Statorspule ist so angeordnet, dass er Kühlluft vom Innenumfang des
Stators erhält.
Da das Trocknen des Spritzwassers auf den Überbrückungs-Teil des Stators beschleunigt
wird, ergibt sich der Effekt, dass das Fortschreiten der Korrosion
unterdrückt
wird. Ferner wird aufgrund der Temperaturabsenkung der Statorwicklung
durch Beaufschlagung des Überbrückungs-Teils mit
Luft eine Leistungserhöhung
ermöglicht.
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Indem
das Gebläse
zumindest an einem axialen Ende des Rotors dem Stator gegenüberliegend angeordnet
wird, kann die Luftmenge zum Ausströmen der axial von außen angesaugten
Kühlluft
in Durchmesserrichtung bzw. in radial nach außen wiesender Richtung erhöht werden,
um die Kühlung
der Statorspule, welche zur Erhöhung
der Leistung aus Aluminiummaterial hergestellt ist, weiter zu verbessern.
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In
einer Ausführungsform
des Wechselstromgenerators gemäß Anspruch
1 liegt das Flächenbesetzungsverhältnis einer
Querschnittsfläche des
elektrischen Leiters, welcher in dem Schlitz untergebracht ist,
zur Querschnittsfläche
des Statorschlitzes nicht unter 50%, aber unter 80%.
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Herkömmlicherweise
liegt das Flächenbesetzungsverhältnis bei
ungefähr
40%. Jedoch ist, wie in 3a gezeigt,
bei der vorliegenden Erfindung, bei welcher der elektrische Leiter
aus Aluminium besteht, der elektrische Eigenwiderstand höher als
der von Kupfer. Jedoch wird, wie zuvor erwähnt, die Kühleigenschaft des elektrischen
Leiters durch die Reduzierung des Widerstandes, welche sich aus
der Vergrößerung der
Leiterquerschnittsfläche
ergibt, durch die beträchtliche
Verbesserung des Kühlverhaltens, welche
sich aus der Sicherstellung eines Kühlbelüftungsweges ergibt, und durch
die gute Wärmeübertragung
von der Statorspule zum Statorkern, welche aus der Verbesserung
des Flächenbesetzungsverhältnis resultiert,
weiter verbessert. Deshalb wird, wenn das Flächenbesetzungsverhältnis nicht
kleiner als 50% festgesetzt wird, die gleiche Leistung erreicht
wie bei der Verwendung von Kupfer.
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Ferner
erhöht
sich bei einem herkömmlichen elektrischen
Leiter aus Kupfer, wenn das Flächenbesetzungsverhältnis weiter
erhöht
wird, bei der Lebensdauerprüfung
unter Wasserzerstäubungsverhältnisse
die Schadenshäufigkeit.
Denn an der Isolierungsbeschichtung wird beim Einsetzen und Montieren
in den Statorschlitz eine Beschädigung
hervorgerufen. An dieser Stelle wird aufgrund von Korrosion eine
leitende Verbindung hergestellt, was die Lebensdauer verkürzt. Demgegenüber besteht
der elektrische Leiter erfindungsgemäß aus Aluminium, so dass keine
elektrische Verbindung aufgrund von Korrosion hergestellt und somit
eine lange Lebensdauer sichergestellt wird. 3a zeigt
die Anzahl der Zyklen bis eine Anomalie beim Test auftritt, bei
welchem eine Statorspule unter Salzwasserzerstäubungsverhältnissen gemäß JIS-Z-2371
mit einer Spannung beaufschlagt wird. Die Anomalie beim herkömmlichen
Stator, welcher für
den elektrischen Leiter Kupfer verwendet, beruht auf den durch den
Kurzschluss verursachten schlechten Druckwiderstand, wohingegen
die Anomalie der vorliegenden Erfindung, welche für den elektrischen
Leiter Aluminium verwendet, von der Tatsache herrührt, dass
sich das Aluminium aufgelöst
hat, demzufolge der elektrische Leiter schmäler wird und der elektrische
Widerstand des Stators ansteigt. In dem Fall der 3a,
bei dem der herkömmliche
elektrische Leiter aus Kupfer besteht und das Flächenbesetzungsverhältnis bei
40% liegt, ist die durchschnittliche Zyklenzahl bis zum Auftreten
des Fehlers zwanzig, aber in dem Fall, bei dem der elektrische Leiter
aus Aluminium besteht, liegt das Flächenbesetzungsverhältnis, bei
dem der Fehler bei zwanzig Zyklen auftritt, bei 80%.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist das Flächenbesetzungsverhältnis nicht
kleiner als 50%, aber kleiner als 80%, um einen Generator bereitstellen
zu können,
welcher sich verglichen mit dem Stand der Technik sowohl hinsichtlich
Leistung als auch hinsichtlich Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen auszeichnet.
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Der
elektrische Leiter kann zumindest teilweise eine im Wesentlichen
rechtwinklige Form längs der
Schlitzform haben. Dadurch wird das Flächenbesetzungsverhältnis angehoben,
um die Querschnittsfläche
einer Windung zu erhöhen.
Demzufolge kann der Widerstand der Wicklung reduziert werden, um eine
höhere
Leistung zu ermöglichen.
Auch wenn das Flächenbesetzungsverhältnis nicht
weniger als 50% ist, ist die Fertigung einfach, und es können die Fertigungskosten
reduziert werden.
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Der
elektrische Leiter kann in zwei Schichten geteilt werden, d.h. eine äußere Schicht
wird an einem inneren Abschnitt des Schicht und eine innere Schicht
an einem Einlass positioniert, wobei die Leiter der inneren und äußeren Schichten
von verschiedenen Schlitzen in Reihe geschaltet sind. Da dabei die
Interferenz zwischen verschiedenen Phasen im Überbrückungs-Teil des elektrischen
Leiters vermieden werden kann, kann der elektrische Leiter auf einfache
Weise in dem inneren Teil des Schlitzes angeordnet werden, um aufgrund
des höheren
Füllfaktors eine
höhere
Leistung zu erreichen.
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Der
elektrische Leiter kann ein unisolierter Leiter sein, und in den
Innen-Schlitz-Teilen in den Schlitzen kann ein elektrisches Isolierungsteil
zwischen der Kontaktfläche
und dem Statorkern vorgesehen sein, um diese voneinander zu isolieren,
wohingegen in dem Überbrückungs-Teil
außerhalb
der Schlitze die elektrischen Leiter voneinander beabstandet und
isoliert sind. Die elektrischen Leiter in dem Überbrückungs-Teil sind so beabstandet,
dass Kühlluft
hindurch passt. Dadurch ergibt sich, dass das Trocknen beim Spritzen
von Wasser beschleunigt wird, um den Korrosionsablauf zu unterdrücken, und
dass die Wärmestrahlung
der elektrischen Leiter ohne Beschichtung verbessert und die Temperatur der
Statorspule weiter verringert wird, da die elektrischen Leiter mit
Kühlluft
beaufschlagt werden. Ferner können
die Materialkosten weiter reduziert werden, da keine Beschichtung
vorhanden ist. Zusätzlich kann
der Herstellungsschritt der Fertigung der Leiter durch eine Presse
beträchtlich
vereinfacht werden, wodurch niedrigere Kosten erzielbar sind.
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Der
elektrische Leiter kann eine Vielzahl von im Wesentlichen U-förmigen Leiterabschnitten
mit in die Schlitze eingesetzten geradlinigen Abschnitten aufweisen,
wobei eine Seite des Statorkerns aus einem Wendeabschnitt des U-förmigen Leiterabschnitts
bestehen kann und die anderen geradlinigen Abschnitte in den Schlitzen
angeordnet und darin untergebracht sein können. Mit dieser Ausführungsform können die
elektrischen Verbindungsabschnitte auf einer Seite angeordnet werden,
so dass der Schritt, die Form einer Wicklung herzustellen, einfach
wird.
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Der
elektrische Leiter der inneren und äußeren Beschichtung kann einen
Innenleiter, welcher ein in den Schlitz eingesetzten Innen-Schlitz-Teil
darstellt, und einen Außenleiter
aufweisen, welcher sich zu beiden Seiten des Innenleiters erstreckt,
wobei die geradlinigen Abschnitte des Innenleiters in den Schlitzen
angeordnet und darin untergebracht sind. Mit dieser Anordnung wird
die Form der Leiterabschnitte weiter vereinfacht, wodurch die Fertigung des
Abschnitts selbst vereinfacht und eine kostengünstige Fertigungsvorrichtung
verwendet werden kann.
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Ein
Ende der Riemenscheibe, welches in einer axialen Richtung des Rotors
dem Stator gegenüberliegt,
und eine Innenwandoberfläche
eines Außenumfangsabschnitts
eines riemenscheibenseitigen Gehäuseeinlasses
können
einander nahe gegenüber
liegen. Da die Innenwandoberfläche
die Rolle eines Deckbandes des Gebläses spielt, wird mit dieser
Anordnung die Gebläseleistung
eines Polkernscheibenabschnitts erhöht, und es kann die gleiche
Kühlleistung
erreicht werden. Dabei können
die Kosten reduziert werden, ohne dabei im Vergleich zu dem Fall,
bei dem auf beiden Seiten Kühlgebläse vorgesehen
sind, die Anzahl der Teile und der Verfahrensschritte zu erhöhen.
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Jeder
der elektrischen Leiterabschnitte kann Verbindungsabschnitte an
den entgegengesetzten Enden der einander benachbarten Leiter haben,
wobei der Verbindungsabschnitt nach dem Schweißen sowohl in radialer als
auch in Umfangsrichtung ungefähr
die gleiche Dicke wie vor dem Schweißen hat.
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Die
einander benachbarten Verbindungsabschnitte können unisoliert sein.
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Wie
oben beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
einen Wechselstromgenerator für
Fahrzeuge bereitzustellen, der Korrosion aufgrund von Spritzwasser
von Außen
verhindern kann, der kein neues Problem, wie z.B. ein Ansteigen der
Temperatur, hervorruft, der ausgezeichnet in Bezug auf die Kosten
ist und der eine Verkleinerung und Gewichtsreduzierung realisieren
kann.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Andere
Ziele, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sowie
die Funktionen der zugehörigen
Teile der vorliegenden Erfindung werden beim Studium der folgenden
detaillierten Beschreibung, der beigefügten Ansprüche und Zeichnungen klar.
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Es
zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht der Hauptteile eines Wechselstromgenerators
für Fahrzeuge
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Teilquerschnittsansicht eines Stators gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3a die
Ergebnisse eines Salzwasserzerstäubungstests
in Abhängigkeit
des Flächenbesetzungsverhältnisses,
und
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3b ein
Diagramm, welches die Ergebnisse im Verhältnis der Leistung zum Flächenbesetzungsverhältnis zeigt;
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4a und 4b ein
Beispiel eines Gehäuses
mit versperrten Fenstern zur Abschirmung von Spritzwasser nach dem
Stand der Technik, wobei 4a eine
Frontansicht und 4b eine Seitenansicht ist;
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5 eine
Teilquerschnittsansicht eines Stators in dem Fall, bei dem ein innerhalb
eines Schlitzes positionierter Abschnitt einer Statorspule eine
im Wesentlichen rechtwinklige Form entlang der Schlitzform hat;
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6 eine
perspektivische Ansicht eines Abschnitts in dem Fall, bei dem die
Statorspule nicht ein kontinuierlicher Streckenabschnitt, sondern
ein im Wesentlichen U-förmiger
Leiterabschnitt mit einem Wendeabschnitt ist;
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7 eine
schematische Darstellung eines Verbindungsabschnitts der Leiterabschnitte;
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8 eine
Seitenansicht eines Stators eines mit den darin eingebauten im Wesentlichen
U-förmigen
Leiterabschnitten;
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9 eine
perspektivische Ansicht eines Stators mit darin eingebauten Leiterabschnitten;
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10 eine
perspektivische Ansicht eines Beispiels eines anderen Leiterabschnitts;
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11 eine
Teilquerschnittsansicht eines Stators in dem Fall, bei dem der elektrische
Leiter ein unisolierter Leiter ist;
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12 eine
Teilquerschnittsansicht eines Wechselstromgenerators für Fahrzeuge,
bei dem ein Polkernscheibenabschnitt ein Kühlgebläse ist; und
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13 eine
Querschnittsansicht, welche einen Wechselstromgenerator für Fahrzeuge
mit einer herkömmlichen
tröpfchendichten
Abdeckung zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der Ausführungsformen
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Der
Wechselstromgenerator für
Fahrzeuge gemäß der vorliegenden
Erfindung wird auf der Basis der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen
beschrieben.
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(Erste Ausführungsform)
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1 und 2 zeigen
eine erste Ausführungsform. 1 zeigt
die Hauptteile eines Wechselstromgenerators für Fahrzeuge, hier für PKWs,
und 2 ist eine Teilquerschnittsansicht eines Stators
in der vorliegenden Ausführungsform.
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Ein
Wechselstromgenerator 1 für Fahrzeuge weist einen Stator 2 als
Anker, einen Rotor 3 als Feld und ein Gehäuse 4 zum
Tragen des Rotors 3 und des Stators 2 auf.
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Der
Rotor 3 dreht sich als Einheit mit einer Welle 31 und
ist aus zwei Sätzen
von Polkernen 32 des Typs Lundell, einem Kühlgebläse 33,
einer Feldspule 34, eines Schleifrings 35, usw.
aufgebaut. Die Welle 31 ist mit einer Riemenscheibe 5 verbunden und
wird so durch den im Auto montierten Motor (nicht gezeigt) rotierend
angetrieben.
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Das
Gehäuse 4 ist
mit einer Auslassmündung 41 für die Kühlluft,
welche im Außenumfang
gegenüber
eines Überbrückungs-Teils 21b einer
Spule 21 von Stator 2 positioniert ist, und mit
einem Einlass 42 an dessen axialen Ende davon versehen.
Der Stator 2 wird durch einen Statorkern 22, eine
Wicklung bildende Statorspule 21 und einen Isolator 23 zur elektrischen
Isolierung des Statorkerns 22 und der Statorspule 21 aufgebaut
und wird durch das Gehäuse 4 getragen.
Der Statorkern 22 wird aus einem Verbund von dünnen Stahlbeschichtungen
gebildet und ist an seiner inneren Umfangsfläche mit einer Vielzahl von
Schlitzen 24 mit einer Öffnung
ausgebildet. Eine radial innere Endöffnung des Schlitzes 24 wird so
festgelegt, dass sie schmäler
ist als der Abstand zwischen den Seiten des Schlitzes 24 in
Umfangsrichtung.
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Die
Wicklung der Statorspule 21 weist ein Innen-Schlitz-Teil 21a,
das in einem Schlitz 24 untergebracht ist, und ein Überbrückungs-Teil 21b zur
Verbindung der Innen-Schlitz-Teile auf. Das für den elektrischen Leiter benutzte
Material ist Aluminium, und das Flächenbesetzungsverhältnis wird
auf nicht weniger als 50%, aber auch nicht mehr als 80% festgesetzt.
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3a zeigt
die Ergebnisse eines Salzwasserzerstäubungstests, bei dem der Stator 2 des
gleichen Aufbaus bezüglich
seines Füllfaktors
verändert wird.
Der Test wird in einem Verfahren durchgeführt, so dass unter Salzwasserbedingung
gemäß JIS-Z-2371
eine Spannung von 12V zwischen der Statorspule 21 und dem
Statorkern 22 für
eine vorbestimmte Zeitdauer angelegt wird. Danach werden diese getrocknet
und das Isolierungsverhalten zwischen der Statorspule 21 und
dem Statorkern 22 und der elektrische Widerstand der Statorspule 21.
gemessen. Dieser Vorgang stellt einen Zyklus dar, der solange wiederholt
wird, bis eine Anomalie auftritt. Hinsichtlich des Isolierungsverhaltens
wird zwischen der Statorspule 21 und dem Statorkern 22 und
zwischen den Spulen für
fünf Sekunden
eine 800V Wechselspannung angelegt, um das Auftreten bzw. Nichtauftreten
eines Kurzschlusses zu überprüfen. Ferner
wird bezüglich
des elektrischen Widerstands der Statorspule 21 festgestellt,
dass eine Anomalie aufgetreten ist, wenn sich der Widerstand nach
dem Test gegenüber
den Widerstand vor dem Test nicht weniger als 5% verändert hat.
Da sich das Flächenbesetzungsverhältnis erhöht, erhöht sich
demzufolge die Beschädigung
der Wicklung. Deshalb wird der herkömmliche Generator nach durchschnittlich zwanzig
Zyklen anomal, wohingegen bei der vorliegenden Ausführungsform,
auch wenn sich die Beschädigung
der Wicklung erhöht,
keine leitende Verbindung hervorgerufen wird. Deshalb tritt keine
Anomalie in Form eines Kurzschlusses zwischen dem Leiter und dem
Statorkern 22 und zwischen den Leitern nach der gleichen
Anzahl an Zyklen auf. Der anomale Zustand, bei dem sich der elektrische
Widerstand erhöht,
da sich der Querschnitt aufgrund des Fortschreitens der Korrosion
des Aluminiums selbst verkleinert, tritt nach vierzig Zyklen auf.
Es ist herausgefunden worden, dass das Flächenbesetzungsverhältnis zur
Bereitstellung einer Lebensdauer von mehr als zwanzig Zyklen auf
mehr als 80% im Vergleich zu den 40% der herkömmlichen Produkte erhöht werden
kann. 3b zeigt das Leistungsverhältnis für den Fall
eines Wechselstromgenerators für Fahrzeuge
gleichen Aufbaus und bei einer Drehzahl von 4000 Umdrehungen pro
Minute, bei welcher die Temperatur der Statorspule 21 im
allgemeinen aus dem Verhältnis
zwischen Leistung und Kühlverhalten des
Gebläses
am höchsten
ist, und den Sättigungsleistungswert
für den
Fall, bei dem ein herkömmlicher Kupferdraht
bei einem Flächenbesetzungsverhältnis von
40% als 1 angenommen wird. Dabei wird das Flächenbesetzungsverhältnis verändert und
der Leiter aus Aluminium hergestellt. Wenn der elektrische Leiter
aus Kupfer hergestellt ist, hat das Gehäuse über einen Umfangsbereich von
ungefähr
120° kein Fenster,
wie in den 4a und 4b gezeigt,
um das Eindringen von Spritzwasser von außen zu verhindern. Besteht
dagegen der elektrische Leiter wie bei der vorliegenden Erfindung
aus Aluminium, so wird ein Gehäuse
verwendet, bei dem alle Fenster 41 offen sind. Wie aus
der 3b bei der vorliegenden Ausführungsform ersichtlich ist,
kann gegenüber dem
Stand der Technik eine ähnliche
Leistung erreicht werden, wenn das Flächenbesetzungsverhältnis nicht
unter 50% liegt.
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Wenn
das Gebläse 33 am
Rotor 3 befestigt ist, können die Überbrückungs-Teile 21b mit
einer großen
Menge an Luft beaufschlagt werden. Deshalb kann das Fortschreiten
der Korrosion unterdrückt werden,
da das Trocknen des auf das Überbrückungs-Teil 21b spritzenden
Wassers beschleunigt wird. Ferner ist es möglich, die Temperatur der Statorspule 21 zu
senken, da das Beaufschlagen des Überbrückungs-Teiles 21b mit
Luft die Kühlung
beschleunigt.
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(Zweite Ausführungsform)
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In
der ersten Ausführungsform
ist die Statorspule 21 mit Kreisquerschnitten dargestellt
(2). Jedoch ist es einfacher, das Flächenbesetzungsverhältnis auf
nicht weniger als 50% zu erhöhen,
wenn mindestens ein innerhalb des Schlitzes 24 positionierter
Abschnitt eine im Wesentlichen rechteckige Form entlang der Schlitzform,
wie in 5 gezeigt, hat.
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Ferner
ist die Statorspule 21 kein durchgehender Draht, sondern
es wird, wie in 6 gezeigt, ein im Wesentlichen
U-förmiger
Leiterabschnitt 61 mit einem Wendeabschnitt 61c verwendet.
Der Leiterabschnitt 61 weist ein Innen-Schlitz-Teil 61a,
das im Schlitz 24 untergebracht ist, und ein Überbrückungs-Teil 61b auf,
um die Innen-Schlitz-Teile zu verbinden. Bei der Herstellung wird
ein Abstand P2 des Leiterabschnitts 61 im Voraus einem
vorgegebenen magnetischen Polabstand P1 des Statorschlitzes 24 angepasst,
in welchen der Abschnitt 61 eingesetzt wird. Die geradlinigen
Abschnitte 61a werden in die Schlitze 24 des Statorkerns 22 eingesetzt.
Dann werden die Abschnitte des Leiterabschnitts außerhalb
der Schlitze 24 auf der dem Wendeabschnitt 61c gegenüberliegenden
Seite so gebogen, dass ein Ende 61d eines der Leiterabschnitte 61 mit
einem Ende 61d des anderen der Leiterabschnitte 61 verbunden
wird, um eine gesamte Wicklung zu schaffen. Die Verbindung der Enden 61d der
Leiterabschnitte 61 kann durch elektrische Verbindungsverfahren,
wie z.B. Überschallbeschichten,
Lichtbogenschweißen und
Hartlöten,
oder durch mechanische Verfahren, wie z.B. Stemmen, bewerkstelligt
werden. Da der Schmelzpunkt und auch die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium niedriger
sind als von Kupfer, wird beim Lichtbogenschweißen der Verbindungsabschnitt
speziell so geschweißt,
dass die umgebenden Abschnitte nicht beeinträchtigt werden. Wie in 7 gezeigt, sind
die beiden Enden 61d der zwei Leiterabschnitte 61 parallel
zueinander ausgebildet, und der geschweißte Abschnitt 61e ist
an deren aneinanderliegendem Abschnitt ausgebildet. Somit behalten
die Enden 61d nach dem Schweißen die ursprüngliche Form
wie vor dem Schweißen,
d.h die Enden haben scharfe Ecken. Deshalb läßt sich auf einfache Weise der
Abstand zwischen den Verbindungsabschnitten aufrechterhalten. Zusätzlich ist
die Oberfläche
des Aluminiumverbindungsabschnitts auf die gleiche Weise wie die
anderen Aluminiumabschnitte mit Aluminiumoxid bedeckt. Das Aluminiumoxid
ist ein isolierendes Material, so dass kein bestimmter Isolierstoff
mehr erforderlich ist. Ferner ist der elektrische Leiter in zwei
Schichten geteilt, d.h. eine äußere Schicht,
welche in dem inneren Teil des Schlitzes 24 positioniert
ist, und eine innere Schicht, welche am Einlass positioniert ist,
wovon mindestens ein Paar angeordnet ist, und wobei die Leiter der
inneren und äußeren Schichten
der verschiedenen Schlitze in Reihe geschaltet sind. Die Interferenz
zwischen den verschiedenen Phasen am Überbrückungs-Teil des elektrischen
Leiters kann, wie in 10 gezeigt, vermieden werden.
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Da
der Leiterabschnitt 61, wie oben beschrieben, auf einfache
Weise im inneren Teil des Schlitzes 24 angeordnet werden
kann, kann das Flächenbesetzungsverhältnis innerhalb
des Schlitzes 24 erhöht
werden. 9 zeigt den Fall, bei dem die
Leiter pro Schlitz vier Wicklungen haben, d.h. die äußeren und
inneren Schichten sind zwei Paare, so dass die Verbindungsabschnitte
einander nah sind. Um den einen vom anderen zu isolieren, ist Aluminiumschweißen vorzuziehen.
Auch wenn, wie in 9 gezeigt, die Anzahl der Paare
verändert
wird, kann auf ähnliche
Weise die Interferenz zwischen verschiedenen Phasen vermieden werden.
Ferner ist die Wicklung in Leiterabschnitte 61 geteilt,
wodurch der Leiterquerschnitt auf einfache Weise in eine Rechteckform
gebracht wird. Da der Leiter durch eine Presse oder Ähnlichem
angefertigt werden kann, können Material-
und Verfahrenskosten reduziert werden.
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Da
das spezifische Gewicht von Eisen, welches das Material des Statorkerns
ist, und das von Kupfer, welches das Material der Statorspule ist,
fast gleich sind, ist es schwierig, diese zu trennen, wenn sie geschmolzen
werden. Das spezifische Gewicht von Aluminium jedoch ist etwa ein
Drittel dessen von Eisen, so dass die Trennung von Aluminium und
Eisen einfach ist, wenn diese geschmolzen werden. Dies ist insbesondere
für das
Materialrecycling vorteilhaft.
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(Varianten)
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Während in
der zweiten Ausführungsform der
Wendeabschnitt 61c des Leiterabschnitts 61 auf einer
Seite des Stators vorgesehen ist, muß erwähnt werden, dass dieser zweigeteilt
werden kann und beide Seiten durch Schweißen oder Ähnlichem verbunden werden können. Ein
Leiterabschnitt 62 für diesen
Fall ist in 10 gezeigt. Der Leiterabschnitt 62 weist
ein Innen-Schlitz-Teil 62a,
welches ein in den Schlitz 24 einzusetzender im wesentlichen
geradliniger Abschnitt ist, und ein Überbrückungs-Teil 62b auf,
welches ein im Wesentlichen geradliniger Abschnitt ist, der sich
auf beide axialen Seiten des Statorkerns 22 an beiden Seiten
des innenliegenden Leiters erstreckt. Dabei hat das Überbrückungs-Teil 62b einen
Winkel und eine Länge
etwa des halben magnetischen Polabstandes. Auch in diesem Fall kann
das Flächenbesetzungsverhältnis innerhalb des
Schlitzes 24 auf einfache Weise erhöht und verglichen mit dem im
Wesentlichen U-förmigen
Form des Leiterabschnitts 61 vereinfacht werden, wodurch der
Herstellungsschritt des Abschnitts selbst vereinfacht und die Fertigung
mit einer kostengünstigen
Anlage ermöglicht
wird.
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Alternativ
kann ein unisolierter Leiter ohne Beschichtung als elektrischer
Leiter benutzt werden. Wie in 11 gezeigt,
ist in dem Innen-Schlitz-Teil 21a innerhalb des Schlitzes 24 ein
elektrisches Isolierungsteil zwischen der Kontaktfläche des
elektrischen Leiters und dem Statorkern 22 angeordnet,
um diese zu isolieren. Am Überbrückungs-Teil
außerhalb des
Schlitzes 24 sind die elektrischen Leiter beabstandet,
um zwischen den Leitern zu isolieren. Da die Kühlluft durch den Raum des Überbrückungs-Teils hindurchströmt, wird
dabei das Trocknen im Fall von Spritzwasser weiter beschleunigt,
um das Fortschreiten der Korrosion zu unterdrücken. Da der elektrische Leiter
mit Kühlluft
beaufschlagt wird, wird die Wärmestrahlung
der elektrischen Leiter ohne der Beschichtung sowie die Kühleigenschaften
der elektrischen Leiter weiter verbessert. Da keine Beschichtung
vorgesehen ist, lassen sich ferner die Materialkosten weiter reduzieren.
Der Leiter kann natürlich
durch eine Presse hergestellt werden. Da die Beschichtung nicht
verkratzt bzw. eingerissen wird, kann der Produktionsschritt beträchtlich
vereinfacht und somit Kosten gesenkt werden.
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Außerdem kann
der elektrische Leiter aus einem zusammengesetzten Leiter aus einem
rechtwinkligen Leiter und einem runden Draht sein. Wenn zum Beispiel
der Abschnitt innerhalb des Schlitzes 24 ein rechtwinkliger
Leiter und der Abschnitt außerhalb des
Schlitzes eine runder Draht ist, wird ein Verbesserungseffekt im
Kühlverhalten
aufgrund des höheren
Füllfaktors
im Schlitz 24 und eine Verbesserung der Wärmeübertragung
zum Statorkern 22 in gleicher Weise erreicht. Umgekehrt,
wenn der Abschnitt innerhalb des Schlitzes 24 ein runder
Draht und der Abschnitt außerhalb
des Schlitzes 24 ein rechtwinkliger und ein im wesentlichen
flacher Leiter ist, kann ein Abstand zwischen den Leitern in den
Spulenenden ausreichend sichergestellt werden. Ferner kann somit
der Belüftungswiderstand
gegenüber
der Kühlluft
reduziert werden, um das Kühlverhalten
zu verbessern.
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Wie
in 12 gezeigt, wird alternativ die Innenwandoberfläche 43 im
Außenumfangsabschnitt des
Gehäuseeinlasses 42 nahe
an und gegenüberliegend
demjenigen Ende des Rotors angeordnet, an welchem kein Kühlgebläse des Rotors
eingerichtet ist. Da die Innenwandoberfläche 43 des Gehäuses die
Rolle eines Deckbands eines Gebläses
spielt, wird das Gebläseverhalten
des Polkernscheibenabschnitts 32 verbessert. Verglichen
mit dem Fall, bei dem auf beiden Seiten Kühlgebläse vorgesehen sind, kann dadurch
die Kühlleistung
auf gleiche Weise erreicht werden, ohne die Anzahl der Teile und
der Verfahrensschritte zu erhöhen,
wobei der Generator weiter verkleinert werden kann.
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Gemäß den oben
beschriebenen Ausführungsformen
ist es möglich,
einen Wechselstromgenerator für
Fahrzeuge zu schaffen, der Korrosion aufgrund von Spritzwasser von
außen
verhindern kann, kein neues Problem, wie z.B. ein Anstieg der Temperatur,
hervorruft, der ausgezeichnet hinsichtlich der Kosten ist und der
eine Verkleinerung und Gewichtsreduzierung realisieren kann.
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In
der vorangegangenen Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde
die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen hiervon offenbart.
Es ist jedoch offenkundig, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen
an den bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne dabei vom Schutzumfang
der Erfindung, wie in den beigefügten
Ansprüchen
ausgeführt,
abzuweichen. Entsprechend ist die Beschreibung der vorliegenden
Erfindung mehr in einem veranschaulichenden als einem einschränkenden
Sinne zu betrachten.