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Diese
Erfindung betrifft allgemein dynamoelektrische Maschinen und insbesondere
eine Stator- und Rotorkonstruktion für diese.
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Dynamoelektrische
Maschinen der Bauart, auf die sich die vorliegende Erfindung allgemein
bezieht, weisen einen Stator, der einen Statorkern und Wicklungen
an dem Statorkern enthält,
sowie einen Rotor auf, der einen Rotorkern und Permanentmagnete
enthält,
die an dem Umfang des Rotorkerns montiert sind. Der Rotorkern und
der Statorkern werden gewöhnlich
hergestellt, indem eine Anzahl von Rotor- und Statorblechen aus einem ferromagnetischen
bahnförmigen
Material ausgestanzt und die Bleche gemeinsam in jeweiligen Stapeln
aufgestapelt werden. Im Allgemeinen erfordern elektronisch kommutierte
Motoren eine Erfassung der Rotorposition, um die Wicklungen an dem
Stator zu kommutieren. Eine Halleffektvorrichtung ist eine gewöhnliche Sensorart,
die zur Erfassung der Rotorposition verwendet wird. Damit die Halleffektvorrichtung
arbeiten kann, ist es erforderlich, dass sie wenigstens teilweise
mit den Permanentmagneten innerhalb des Motors radial ausgerichtet
ist. Die Halleffektvorrichtung erfasst die vorbeiziehenden Magnetfelder
der Permanentmagnete, die für
die Rotorposition kennzeichnend sind, und überträgt diese Information zu einer Steuerung
in dem Motor zur Verwendung bei der Kommutierung der Wicklungen.
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Jedoch
sind der Rotorkern und die an dem Rotorkern montierten Permanentmagnete
in herkömmlicher
Weise vollständig
im Inneren des Statorkerns angeordnet worden. Eine Halleffektvorrichtung funktioniert
nicht richtig, wenn sie an einem axialen Ende der Permanentmagnete
angeordnet ist. Die Anforderung nach einem minimalen Luftspalt zwischen dem
Rotor und dem Stator in der Statorbohrung schließt eine Platzierung des Sensors
zwischen dem Rotor und dem Stator aus. Häufig werden der Rotorkern und
die an diesem montierten Permanentmagnete länger als der Statorkern hergestellt,
so dass die Permanentmagnete außerhalb
des Statorkerns freiliegen. In dieser Konfiguration ist es möglich, dass sich
eine Halleffektvorrichtung von einem Steuergehäuse zu einer Position erstreckt,
die mit den Permanentmagneten teilweise radial ausgerichtet ist.
Unglücklicherweise
erfordert die Herstellung eines längeren Rotorkerns im Vergleich
zu dem Statorkern, dass mehr Rotorbleche als Statorbleche ausgestanzt werden.
Es muss ein Reservewerkzeug in der Fertigungsanlage vorhanden sein,
um die zusätzlichen Rotorbleche,
die zur Bildung der längeren
Rotorkerne erforderlich sind, zu erzeugen. Somit werden durch den
Bedarf nach weiteren Maschinen sowie dem weiteren Material, das
für den
Rotorkern verwendet wird, zusätzliche
Herstellungskosten verursacht. Ein Beispiel für einen Positionssensor ist
in der
JP 05 236 718 veranschaulicht,
die einen bürstenlosen
Motor beschreibt, in dem der Rotorkern und der Statorkern im Wesentlichen
die gleichen axialen Dimensionen aufweisen und die Permanentmagnete des
Rotors im Vergleich zu dem Rotorkern eine größere axiale Ausdehnung aufweisen.
In der
US 4 742 259 ist
ein Rotor veranschaulicht, der eine Rotorwelle und einen Rotorkern
auf der Welle aufweist. Auf dem Außenumfang des Kerns sind mehrere
bogenförmige Permanentmagnete
an in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Positionen angeordnet,
und es ist eine rohrförmige
Metallhülse
um die Magnete herum positioniert.
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Die
Statorbleche, die den Statorkern bilden, weisen jeweils Schlitze
bzw. Nuten an einem Innenumfang des Statorblechs auf, die in eine
Zentralöffnung
des Statorblechs einmünden.
Wenn die Statorbleche zusammengestapelt sind, sind die Nuten mit Nuten
anderer Statorbleche fluchend ausgerichtet, um längliche Statorkernnuten zu
bilden. Benachbarte Statorkernnuten bilden Zähne des Statorkerns, auf denen
der Magnetdraht, der die Statorwindungen bildet, gewickelt ist.
Der Magnetdraht ist in den Nuten aufgenommen. Um eine zusätzliche
elektrische Isolierung zwischen dem Magnetdraht und der Statorkernnut
zu schaffen, werden, bevor der Magnetdraht gewickelt wird, Einlagen
in den Statorkernnuten platziert, so dass die Einlagen einen Kontakt
des Magnetdrahts mit dem Statorkern verhindern.
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Ein
Beispiel für
die Nuteinlage dieser Art ist in der auf die gleiche Anmelderin
lautenden US-Patentschrift Nr. 5 306 976 veranschaulicht. Die Einlage weist
eine Querwand, gegenüberliegende
Seitenwände
und Laschen auf, die sich von Rändern
der Seitenwände
aus erstrecken. Die Laschen überlappen
einander, so dass die Nuteinlage den Magnetdraht in den Nuten vollständig umgibt.
Jedoch können
die Laschen durch den Draht, der auf dem Statorkern gewickelt ist,
voneinander weg gebogen werden, um dem Draht zu ermöglichen,
in die Nut einzudringen. Die Nuten sind mit radial gegenüberliegenden
inneren und äußeren Flächen ausgebildet,
um mit der Nuteinlage in Eingriff zu stehen und diese in der Nut
zu haltern. Es ist erwünscht,
den Abstand zwischen den Statorzähnen
an dem Ende der Nut weiter zu vergrößern, um den Streufluss zwischen benachbarten
Zähnen
zu verringern.
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Zu
den verschiedenen Aufgaben und Merkmalen der vorliegenden Erfindung
gehören
die Schaffung einer dynamo elektrischen Maschine, bei der elektronische
Positionserfassungsvorrichtungen ohne weiteres eingesetzt werden
können;
die Schaffung einer derartigen dynamoelektrischen Maschine, die
den Materialeinsatz in dem Rotorkern einspart; die Schaffung einer
derartigen dynamoelektrischen Maschine, die Permanentmagnete an
dem Rotorkern sicher hält;
die Schaffung einer derartigen dynamoelektrischen Maschine, die
Nuteinlagen in ihren Statorkernnuten hält; die Schaffung einer derartigen
Maschine, die den Streufluss zwischen benachbarten Zähnen des
Statorkerns auf ein Minimum reduziert; und die Schaffung einer derartigen
dynamoelektrischen Maschine, die leicht herzustellen ist.
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Allgemein
weist eine dynamoelektrische Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung,
wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, einen Stator auf, der einen
Statorkern, eine Wicklung an dem Statorkern und eine Statorbohrung
in dem Statorkern enthält. Ein
Rotor enthält
einen Rotorkern, einen Permanentmagneten, der an dem Umfang des
Rotorkerns montiert ist, und eine Rotorwelle, die an dem Rotorkern montiert
ist. Die Rotorwelle ist durch eine Lagereinrichtung in Bezug auf
den Stator drehbar gelagert, wobei der Rotorkern im Wesentlichen
in der Statorbohrung aufgenommen ist. Der Permanentmagnet weist
eine größere axiale
Ausdehnung auf als der Rotorkern, so dass der Permanentmagnet einen
Abschnitt aufweist, der in axialer Richtung über ein Ende des Rotorkerns
hinaus vorragt. Ein Positionssensor ist wenigstens teilweise in
einer radial überlappenden
Stellung mit der Position des Abschnitts des Permanentmagneten,
der in axialer Richtung über
das Ende des Rotorkerns hinaus vorragt, angeordnet.
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Der
Statorkern weist im Wesentlichen mehrere Statorbleche auf, die aus
einem ferromagnetischen bahnförmigen
Material ausgestanzt und in Form eines Stapels angeordnet sind,
um den Statorkern zu bilden. Jedes Statorblech weist einen Innenumfang,
einen Außenumfang,
eine zentrale Öffnung und
mehrere Schlitze bzw. Nuten an dem Innenumfang auf, die in die Zentralöffnung einmünden. Jede Nut
enthält
eine radial äußere Begrenzung,
einander gegenüberliegende
Seitenbegrenzungen und eine radial innere Begrenzung. Die radial
innere Begrenzung weist erste Segmente auf, die sich von den gegenüberliegenden
Seitenbegrenzungen der Nut in Richtung aufeinander zu erstrecken.
Die ersten Segmente verlaufen im Wesentlichen parallel und in einer
gegenüberliegenden
Anordnung zu der radial äußeren Begrenzung.
Zweite Segmente erstrecken sich von den ersten Segmenten aus in
Richtung aufeinander zu, wobei die zweiten Segmente im Wesentlichen
geradlinig sind und unter einem Winkel in Bezug auf die radial äußere Begrenzung
und das erste Segment der radial inneren Begrenzung verlaufen.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung ist nachstehend zu Beispielszwecken mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen Elektromotor unter Veranschaulichung der Auskragung der
Permanentmagnete an einem Rotorkern des Motors;
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2 eine
explodierte Seitenansicht des Rotors;
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3 eine
ebene Ansicht eines Statorbleches, der den Statorkern des Motors
bildet;
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4 eine
vergrößerte, ausschnittsweise ebene
Ansicht des Statorbleches unter Veranschaulichung einer darin vorgesehenen
Nut; und
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5 eine
vergrößert, ausschnittsweise
Endansicht eines Statorkerns des Motors unter Veranschaulichung
einer Nuteinlage und eines Magnetdrahts, die in einer Statorkernnut
aufgenommen sind.
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Übereinstimmende
Bezugszeichen kennzeichnen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen
einander entsprechende Teile.
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Bezugnehmend
nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 und 2 ist
eine dynamoelektrische Maschine in Form eines Elektromotors allgemein
mit 10 gekennzeichnet. Der Motor enthält einen Stator und einen Rotor,
die allgemein bei 12 bzw. 14 angezeigt sind. Der
Stator weist einen Statorkern 16 mit einer zentralen Statorbohrung
und Windungen 18 auf, die auf dem Statorkern gewickelt sind.
Außerdem
sind kreisringförmige
Statorendabdeckungen (wie sie mit 20 bzw. 22 bezeichnet
sind) an jeweiligen axialen Enden des Statorkerns 16 montiert.
Der Rotor 14 enthält
einen Rotorkern 24, der in der Statorbohrung aufgenommen
ist, drei Permanentmagnete 26 (von denen lediglich zwei
veranschaulicht sind) an seinem Umfang und eine Rotorwelle 28,
die an dem Rotorkern montiert ist. Die Rotorwelle 28 ist
an entgegengesetzten Enden in Wälzlagern 30,
die an einem Motorgehäuse
montiert sind, das allgemein bei 32 angezeigt ist, in Bezug
auf das Gehäuse
und den Stator 12 zur Drehung des Motors 14 gelagert.
Auf einer gedruckten Leiterplatte 34 sind verschiedene
Leistungs- und Steuerungsschaltungskomponenten 36 zur Steuerung
des Betriebs des Motors 10, einschließlich insbesondere einer Kommutierung
der Windungen 18, montiert. Der Aufbau der Leistungs- und
Steuerungsschaltung ist für
einen gewöhnlichen
Fachmann allgemein bekannt und ist hier nicht näher beschrieben. An der Rotorwelle 28 ist eine
Gebläseschaufel 38 zur
gemeinsamen Drehung mit dieser im Inneren des Gehäuses 32 montiert,
um Luft durch Lüftungsöffnungen 40 in
der Nähe
des gegenüberliegenden
Endes des Gehäuses, über die Leiterplatte 34,
den Stator 12 und den Rotor 14 einzusaugen und
durch Entlüftungsöffnungen 42 aus dem
Gehäuse
abzusaugen.
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Der
Rotorkern 24 ist geeignet gebildet, indem beispielsweise
mehrere (nicht veranschaulichte) ringförmige Rotorbleche, die aus
einem ferromagnetischen Bahnmaterial ausgestanzt werden, übereinander
gestapelt und die Bleche in dem Stapel gemeinsam gesichert werden.
In der veranschaulichten Ausführungsform
sind drei Permanentmagnete 26 vorhanden, die sich jeweils über 120° erstrecken,
so dass die Permanentmagnete, wenn sie an dem Umfang des Rotorkerns 24 platziert
sind, den Rotorkern im Wesentlichen umschließen. Ein aus rostfreiem Stahl
hergestellter rohrförmiger
Haltemantel (wie er allgemein bei 44 angezeigt ist) weist
eine axiale Randbegrenzung auf, die umgebogen ist, um einen Flansch 46 zu
bilden, der den Durchmesser der Mantelöffnung an einem Ende verringert.
In dem Mantel 44 wird zunächst eine ringförmige Rotorkernabdeckung 48 in
Anlage gegen den Flansch 46 platziert, woraufhin der Rotorkern 24 und
die an dem Rotorkern zuvor montierte Rotorwelle 28 angeordnet
werden. Anschließend
werden die Permanentmagnete um den Rotorkern 24 herum in
dem Mantel 44 angeordnet, und es wird die gegenüberliegende
axiale Endbegrenzung 50 des Mantels über den Enden der Magnete ausgebildet
und mit dem Rotorkern in Eingriff gebracht, um die Permanentmagnete
an dem Rotorkern zu sichern. Natürlich
kann sich die Montage des Rotors 14 von der hier beschriebenen
Weise unterscheiden, ohne dass dadurch der Schutzumfang der vorliegenden
Erfindung berührt
wird. Insbesondere kann die gegenüberliegende Endbegrenzung 50 zuerst,
vor dem Einbringen der Komponenten des Rotors gebildet werden. In
diesem Fall würde der
Flansch 46 zuletzt gebildet werden, um die Komponenten
in dem Mantel 44 zu sichern.
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Wie
in 2 veranschaulicht, weist der Rotorkern 24 eine
axiale Dimension A1 (von z.B. 2,54 cm (1
Zoll)) auf, während
die Permanentmagnete 26 eine axiale Dimension A2 (von z.B. 3,3 cm (1,3 Zoll)) aufweisen,
die größer ist
als A1. Im montierten Zustand ragen somit
Abschnitte 52 der Permanentmagnete über ein axiales Ende des Rotorkerns 24 hinaus (d.h.
stehen hervor) (1). Der Statorkern 16 weist im
Wesentlichen die gleiche axiale Dimension (A1) wie
der Rotorkern 24 auf, und der Statorkern sowie der Rotorkern
sind in Axialrichtung im Wesentlichen lagegenau zueinander ausgerichtet,
so dass die Permanentmagnete 26 auch von einem axialen
Ende des Statorkerns aus axial nach außen vorragen. Die Enden der
Permanentmagnete 26, die den vorstehenden bzw. auskragenden
Abschnitten 52 gegenüberliegen,
sind mit den gegenüberliegenden
Enden des Rotorkerns 24 und Statorkerns 16 im
Wesentlichen radial ausgerichtet. Jedoch können sich die Permanentmagnete über beide
axiale Enden des Statorkerns und des Rotorkerns 16, 24 hinaus
erstrecken, ohne dass dadurch der Schutzumfang der vorliegenden
Erfindung berührt
wird.
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An
der Leiterplatte 24 ist eine Halleffektvorrichtung 54 montiert,
die sich in Axialrichtung nach innen von der Leiterplatte aus in
eine Tasche 56 hinein erstreckt, die an der Statorendabdeckung 22 ausgebildet
ist. Wie in 1 veranschaulicht, überlappt
ein Abschnitt der Halleffektvorrichtung 54 die auskragenden
Abschnitte 52 der Permanentmagnete 26. In dieser
Position ist die Halleffektvorrichtung 54 in der Lage,
die Magnetfeldschwankungen zu überwachen bzw.
aufzuzeichnen, wenn die Permanentmagnete 26 gemeinsam mit
dem Rotorkern 24 umlaufen, um die Position des Rotorkerns
zu erfassen. Die Halleffektvorrichtung 54 teilt die Rotorposition
der Steuerungsschaltung auf der Leiterplatte 34 zur Verwendung
bei der Kommutierung der Windungen 18 an dem Stator mit.
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Der
Statorkern 16 ist ebenfalls aus einem Stapel Statorbleche
hergestellt, von denen eines in 3 der Zeichnungen
allgemein mit 60 gekennzeichnet ist. Es werden mehrere
Statorbleche wie das Statorblech 60 aus einem ferromagnetischen bahnförmigen Material
ausgestanzt, gemeinsam gestapelt und in Form des Stapels gesichert,
um den Statorkern 16 zu bilden. Jedes Statorblech 60 weist Schlitze
bzw. Nuten, die im Wesentlichen bei 62 angezeigt sind,
zur Aufnahme des Magnetdrahts der Wicklungen 18 auf. Einander
benachbarte Paare von Nuten 62 bilden Statorblechzähne 64.
Im in dem Statorkern 16 montierten Zustand sind die Schlitze 62 der
Statorbleche zueinander fluchtend ausgerichtet, um Statorkernschlitze 62' zu bilden,
während
die Zähne 64 der
Statorbleche zueinander fluchtend ausgerichtet sind, um Statorkernzähne 64' zu bilden.
Die Teile des Statorkerns 16, die den Teilen des einzelnen
Statorblechs 60 entsprechen, sind mit dem gleichen Bezugszeichen
bezeichnet, wobei nach dem Bezugszeichen ein Apostroph hinzugefügt ist.
Die Statorendabdeckungen 20, 22 sind an gegenüberliegenden
axialen Enden des Statorkerns 16 gesichert, wobei in den
Statorkernnuten 62' (in 5 allgemein bei 66 angezeigte) Nuteinlagen
bzw. -einsätze
eingesteckt sind. Die Windungen 18 sind auf dem Kern gewickelt,
wobei der Magnetdraht in den Nuteinlagen 66 in den Statorkernnuten 62' aufgenommen
ist. 1 veranschaulicht Abschnitte der Enden der beiden
Spulen der Wicklungen 18, die auf zwei jeweiligen Statorkernzähnen 64' ausgebildet
sind und die sich um die Endabdeckungen herum erstrecken.
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Erneut
bezugnehmend auf 3 weist jedes Statorblech 60 einen
Innenumfang, einen Außenumfang
und eine zentrale Öffnung 68 auf.
Die Nuten 62 münden
in die Zentralöffnung
hinein. Wie in 4 veranschaulicht, weist jede
Nut 62 eine radial äußere, im
Wesentlichen bogenförmige
Begrenzung 70, einander gegenüberliegende, im Wesentlichen
radial verlaufende Seitenbegrenzungen 72 und eine radial innere
Begrenzung auf, die allgemein mit 74 bezeichnet ist. Die
radial innere Begrenzung 74 enthält erste Segmente 76,
die sich von den radial inneren Enden der einander gegenüberliegenden
Seitenbegrenzungen 72 der Nut 62 aus in Richtung
aufeinander zu erstrecken, und zweite Segmente 78, die
sich von den freien Enden der ersten Segmente aus, in Richtung aufeinander
zu erstrecken. Die zweiten Segmente 78 sind im Wesentlichen
geradlinig und erstrecken sich von den ersten Segmenten 76 aus
in Richtung auf die freien Enden der Zähne 64 unter einem
Winkel in Bezug auf die radial äußere Begrenzung 70 der
Nut. Dritte Segmente 80 erstrecken sich von den zweiten Segmenten 78 in
im Wesentlichen radialen Richtungen zu der Einmündung der Nut 62 in
die Zentralöffnung 68 des
Blechs 60. Es wird in Erwägung gezogen, dass sich die
zweiten Segmente vorteilhafterweise über die gesamte Strecke hinweg
bis zu der Zentralöffnung
erstrecken könnten
(nicht veranschaulicht). Um jedoch die Ausstanzung der Statorbleche 60' leichter ausführbar zu
machen, wird eine kleine Abrundung in der Nähe der Einmündung benötigt. Das dritte Segment 80 ist
durch Abrundung der Nut 62 unmittelbar an der zentralen Öffnung 68 erzeugt.
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In
der veranschaulichten Ausführungsform weisen
die Nuteinlagen 66 jeweils eine dünne Lage aus einem elektrisch
isolierenden bahnförmigen
Material (z.B. Mylar-Bahnmaterial) auf, das in die Form eines Rohrs
mit einem trapezoidförmigen
Querschnitt gefaltet ist. Wie in 5 veranschaulicht, weist
die Nuteinlage 66 eine Querwand 82, gegenüberliegende
Seitenwände 84 und
ablenkbare bzw. biegbare Laschen 86 auf, die sich von den
Rändern der
Seitenwände
aus erstrecken. Die Laschen 86 überlappen einander, so dass
die Nuteinlagen 66 den Magnetdraht in den Nuten 62' vollständig umgeben. Jedoch
können
die Laschen 86 durch den Magnetdraht, der auf dem Statorkern 16 gewickelt
ist, voneinander weg gebogen werden, um dem Draht zu ermöglichen,
in die Nut 62' einzutreten.
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Die
Nuten 62 der Statorbleche sind insbesondere derart gebildet,
dass sie eine Halterung der Nuteinlagen 66 in den Statorkernnuten 62', die durch die
Bleche gebildet sind, erleichtern, während sie einen Streufluss
zwischen den Zähnen 64' auf den gegenüberliegenden
Seiten jeder Nut auf ein Minimum reduzieren. Durch die parallele,
gegenüberliegende Anordnung
der ersten Segmente 76' sind
die Nuteinlagen 66 in der Nut 62' sicher gehalten und wird verhindert,
dass die Nuteinlagen aus der Nut in die Statorbohrung abgleiten.
Die Laschen 86 der Nuteinlage 66, die mit den
ersten Segmenten 76' in
Eingriff stehen, werden an einer radial nach innen gerichteten Bewegung
gehindert. Sollte die Nuteinlage 66 dazu neigen, entlang
der ersten Segmente 76' zu
verrutschen, müssen
sich die Laschen 86 gegen die Vorspannung durch die Materiallage
in Richtung aufeinander zu bewegen. Außerdem neigt auch der Magnetdraht
in den Nuten 62',
die Seitenwände 84 der Nuteinlage 66 weg
zu drängen
und dadurch eine derartige Bewegung durch die Laschen 86 entlang
der ersten Segmente zu verhindern.
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Die
zweiten Segmente 78' der
radial inneren Begrenzung 74' ergeben
eine größere Trennung
zwischen den Zähnen 64' auf gegenüberliegenden
Seiten der Nut 62',
so dass dort zwischen den radial inneren Enden der Zähne 64' ein deutlicher
ausgeprägter
Luftspalt vorhanden ist. Ein Streufluss zwischen benachbarten Zähnen 64' wird verringert.
Lediglich die dritten Segmente 80' nähern sich einander nahe genug
an, um einen wahrnehmbaren Streufluss zu haben. Somit ist ersichtlich,
dass die Nut 62' gestaltet
ist, um die Nuteinlage 66 in der Nut zu haltern und zugleich
den Streufluss auf ein Minimum zu reduzieren.
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Angesichts
des Vorstehenden ist ersichtlich, dass die verschiedenen Aufgaben
der Erfindung gelöst
und weitere vorteilhafte Ergebnisse erreicht sind.