JP6764797B2 - Linear motor and cooling method for linear motor - Google Patents
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Description
本発明は、リニアモータ及びリニアモータの冷却方法に関する。 The present invention relates to a linear motor and a method for cooling the linear motor.
リニアモータは、直線的な方向に動力を発するモータであり、比較的に小型の構造で直線的な動力を得ることができるので多くの分野で用いられている。 A linear motor is a motor that emits power in a linear direction, and is used in many fields because it can obtain linear power with a relatively small structure.
リニアモータにおける推力発生機構は、固定子と可動子から構成されている。可動子は、永久磁石を磁極が進行方向に沿って交互に反転するように列設して構成されている。また、固定子は、可動子の永久磁石を挟み込むように配置された複数の磁極と、これらの磁極歯を連続につなぐコアと、複数のコアにまとめて巻きまわされた巻線とからなっている。このような技術は、例えば、特開2013−102695号公報(特許文献1)に記載されている。 The thrust generation mechanism in a linear motor is composed of a stator and a mover. The mover is configured by arranging permanent magnets in a row so that the magnetic poles are alternately inverted along the traveling direction. In addition, the stator consists of a plurality of magnetic poles arranged so as to sandwich the permanent magnet of the mover, a core that continuously connects these magnetic pole teeth, and a winding wound around the plurality of cores. There is. Such a technique is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-102695 (Patent Document 1).
リニアモータでは、リニアモータの巻線に電流を通電することで固定子を励磁し、電磁力によって可動子に推力を発生させており、巻線では電流に起因した熱が発生する。ここで、一般的に、リニアモータの構造的な強度を得るために、固定子を介在物で補強したり、固定子を金属製のケース等で囲いこむ構造が適用されるため、冷却のために空気等の流体を固定子内側の巻線に吹きかける隙間がなく、冷却が困難であるという課題が有る。 In a linear motor, a stator is excited by applying an electric current to the winding of the linear motor, and a thrust is generated in the mover by an electromagnetic force, and heat caused by the electric current is generated in the winding. Here, in general, in order to obtain the structural strength of the linear motor, a structure in which the stator is reinforced with inclusions or the stator is surrounded by a metal case or the like is applied, and therefore for cooling. There is no gap for spraying a fluid such as air on the winding inside the stator, and there is a problem that cooling is difficult.
この対策として、冷却口を設ける構造や、冷却媒体の通路を内部に埋め込む等の構造が提案されているが、しかし、構造が複雑になり、また、装置全体が大型化してしまう。 As a countermeasure, a structure having a cooling port or a structure in which a passage of a cooling medium is embedded is proposed, but the structure becomes complicated and the entire device becomes large.
また、一般に、巻線は絶縁体の皮膜や樹脂等で互いに絶縁されたものが使用されており、さらに磁極歯を構成する磁性体は熱伝導率が低いため、巻線からモータ外部空間に至る伝熱経路の熱抵抗が大きくなり、巻線が放熱しにくいという課題がある。また、放熱が小さく、巻線が高温になると、絶縁体が劣化するという課題がある
そこで、本発明は、巻線から外部空間への熱伝導性を高めることで、巻線の温度を低減し、出力や推力を高めたリニアモータ及びリニアモータの冷却方法を提供することを目的とする。
In addition, in general, windings that are insulated from each other with an insulator film or resin are used, and since the magnetic material that constitutes the magnetic pole teeth has low thermal conductivity, it extends from the winding to the motor external space. There is a problem that the thermal resistance of the heat transfer path increases and it is difficult for the winding to dissipate heat. Further, there is a problem that the insulator deteriorates when the heat dissipation is small and the winding becomes high temperature. Therefore, the present invention reduces the temperature of the winding by increasing the thermal conductivity from the winding to the external space. It is an object of the present invention to provide a linear motor having increased output and thrust, and a cooling method for the linear motor.
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。 In order to solve the above problems, for example, the configuration described in the claims is adopted.
本発明によるリニアモータは、極を交互に直列的に並べた永久磁石で構成される磁石列ユニットと、電機子ユニットを有し、前記電機子ユニットは、複数の電機子と、前記電機子の間に挟まれたスペーサで構成され、前記電機子は、前記永久磁石の両面に沿って互いに対向して形成される第1磁極歯と第2磁極歯と、前記第1磁極歯及び当該第2磁極歯を繋ぐ鉄心と、当該第1磁極歯及び当該第2磁極歯の夫々に巻装された電機子巻線で構成されるリニアモータであって、前記鉄心の側面から前記第1磁極歯と前記第2磁極歯の夫々に向かって突出するように設けられ、前記第1磁極歯と前記第2磁極歯よりも熱伝導率の高い物質により構成されるヒートシンクを備え、前記スペーサは、前記鉄心および前記ヒートシンクと接触し、前記鉄心よりも熱伝導率の高い物質で構成され、前記電機子巻線で発生した熱を前記ヒートシンクから前記スペーサを介して外部に放熱する。 The linear motor according to the present invention includes a magnet row unit composed of permanent magnets in which poles are alternately arranged in series and an armature unit, and the armature unit includes a plurality of armatures and the armature. The armature is composed of spacers sandwiched between the armatures, and the armature includes first magnetic pole teeth and second magnetic pole teeth formed so as to face each other along both sides of the permanent magnet, and the first magnetic pole teeth and the second magnetic pole teeth. a core connecting the pole teeth, a linear motor composed of the first magnetic pole teeth and the armature winding installed in each of the second magnetic pole teeth, said first magnetic pole teeth from the side of the core A heat sink is provided so as to project toward each of the second magnetic pole teeth and is composed of the first magnetic pole tooth and a material having a higher thermal conductivity than the second magnetic pole tooth, and the spacer is the iron core. And in contact with the heat sink, it is composed of a material having a higher thermal conductivity than the iron core, and heat generated in the armature winding is radiated from the heat sink to the outside through the spacer.
本発明によるリニアモータの冷却方法は、極を交互に直列的に並べた永久磁石で構成される磁石列ユニットと、電機子ユニットを有し、前記電機子ユニットは、複数の電機子と、前記電機子の間に挟まれたスペーサで構成され、前記電機子は、前記永久磁石の両面に沿って互いに対向して形成される第1磁極歯と第2磁極歯と、前記第1磁極歯及び当該第2磁極歯を繋ぐ鉄心と、当該第1磁極歯及び当該第2磁極歯の夫々に巻装された電機子巻線で構成されるリニアモータの冷却方法であって、前記リニアモータは、前記鉄心の側面から前記第1磁極歯と前記第2磁極歯の夫々に向かって突出するように設けられ、前記第1磁極歯と前記第2磁極歯よりも熱伝導率の高い物質により構成されるヒートシンクを備え、前記スペーサは、前記鉄心および前記ヒートシンクと接触し、前記鉄心よりも熱伝導率の高い物質で構成され、前記電機子巻線で発生した熱を前記ヒートシンクから前記スペーサを介して外部に放熱する。The method for cooling a linear motor according to the present invention includes a magnet row unit composed of permanent magnets in which poles are alternately arranged in series and an armature unit, and the armature unit includes a plurality of armatures and the armature. The armature is composed of a spacer sandwiched between armatures, and the armature includes a first magnetic pole tooth and a second magnetic pole tooth formed so as to face each other along both sides of the permanent magnet, and the first magnetic pole tooth and the armature. A method for cooling a linear motor, which comprises an iron core connecting the second magnetic pole teeth and armature windings wound around the first magnetic pole teeth and the second magnetic pole teeth, respectively. It is provided so as to project from the side surface of the iron core toward the first magnetic pole tooth and the second magnetic pole tooth, respectively, and is composed of a material having a higher thermal conductivity than the first magnetic pole tooth and the second magnetic pole tooth. The spacer is in contact with the iron core and the heat sink, is composed of a material having a higher thermal conductivity than the iron core, and heat generated in the armature winding is transferred from the heat sink to the spacer via the spacer. Dissipate heat to the outside.
本発明によれば、電流の通電に対する巻線の温度上昇を低減し、自然冷却時の定格出力や定格推力を高めたリニアモータを提供できる According to the present invention, it is possible to provide a linear motor in which the temperature rise of the winding due to the energization of an electric current is reduced and the rated output and the rated thrust at the time of natural cooling are increased.
以下、図示した実施例に基づいて本発明のリニアモータの構成を説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。 Hereinafter, the configuration of the linear motor of the present invention will be described based on the illustrated examples. In each embodiment, the same reference numerals are used for the same components.
図1乃至図5に、本発明のリニアモータの実施例1を示す。 1 to 5 show Example 1 of the linear motor of the present invention.
図1は、本発明の実施の一形態によるリニアモータ100の斜視図である。また、図2は図1におけるI−I断面図、図3は図1におけるII−II断面図である。本実施例は、3相のモータを構成した例であり、電機子ユニット200と、少なくとも2つ以上の複数の永久磁石10が並設された磁石列ユニット210とが相対的に直線運動をするリニアモータである。電機子ユニット200と磁石列ユニット210は、一方あるいは両方が他の構造物に固定される。一般に磁石列ユニット210は可動側として用いられるが、本実施例はこれに限らない。磁石列ユニット210は、永久磁石10−1、10−2 … 永久磁石10−nを並列的に接続して構成される。永久磁石10−1、10−2 … を総称して永久磁石10と称する。
FIG. 1 is a perspective view of a
リニアモータ100の磁石列ユニット210の駆動方向は前後方向である。3つの電機子102を電気的に位相が各120°ずれるように配置し、3相リニアモータが構成できる。同様にm個の電機子において、位相を360°/mずらすことによりm相駆動のリニアモータを構成できる。
The drive direction of the
電機子ユニット200は、スペーサ30−1、30−2、30−3、30−4の間に、各々、電機子102−1、102−2、102−3を挟み込むように構成される。ここで、スペーサ30−1、30−2、30−3、30−4を総称してスペーサ30と、電機子102−1、102−2、102−3を総称して電機子102と称する。
The
図2において、磁石列ユニット210は、永久磁石10−1、10−2、10−3、10−4、10−5、10−6 … を並列的に接続して構成される。図では、永久磁石10−1…10−6は隔離的に記載されているが、永久磁石10−1…10−6は互いに固定的に接続されており一体的に移動の動作をする。
In FIG. 2, the
矢印15−1、15−2は永久磁石10−1、10−2の磁化方向を例示的に示す(永久磁石10−3、10−4、10−5、10−6 … についても同様に磁化されている)。このように、永久磁石10は磁極歯に対向する面が磁化方向であり、例えば、上下方向へ並行に着磁された永久磁石や、前後左右方向に磁力が勾配を持つように着磁された永久磁石が用いられる。永久磁石列ユニット210は、複数の永久磁石を駆動方向に磁石ピッチPの間隔で並べて構成される。永久磁石列210は、隣り合う永久磁石10の磁化方向が交互になるように配置されている。
Arrows 15-1 and 15-2 exemplify the magnetization directions of the permanent magnets 10-1 and 10-2 (the same applies to the permanent magnets 10-3, 10-4, 10-5, 10-6 ...). Has been). In this way, the surface of the
図1から図3において、図3に示すように、電機子102は、空隙122を挟んで対向する第一の磁極歯114と、第二の磁極歯116と、第一の磁極歯114と第二の磁極歯116をつなぐ鉄心110と、第一の磁極歯114と、第二の磁極歯116にそれぞれ配置された巻線104−1、104−2(電機子巻線104−1と104−2を総称して電機子巻線104と称する)で構成されている。第一の磁極歯114および第二の磁極歯116と鉄心110は板状の磁性体(例えばケイ素鋼等)を前後方向に積層して構成される。電機子102は上下方向の長さH2の空間である開口部42を有している。深さH2は、開口部42が鉄心110を貫いて第一の磁極歯116あるいは第二の磁極歯114の一部を磁石列ユニット210の近くまで削って形成されており、電機子102の外部面と第一の磁極歯116あるいは第二の磁極歯114の底面との間の上下方向長さH1に対し、H2≦H1の関係を有する。電機子巻線104は、導体(例えば、銅等)が絶縁体の皮膜や樹脂で包まれたものである。
1 to 3, as shown in FIG. 3, the
電機子ユニット200は、駆動方向に電機子ピッチQの間隔で並設させた3つの電機子102−1、102−2、102−3と、並設した電機子102−1、102−2、102−3との間にそれぞれ一つ以上配置したスペーサ30−2、30−3と、並設した電機子102−1、102−2、102−3の外側に一つ以上配置したスペーサ30−1、30−4とで構成する。スペーサ30は、鉄よりも熱伝導率の高い物質(例えば、アルミニウムや銅等)で構成される。本実施例におけるスペーサはそれぞれ上下に1つずつ配置しているが、スペーサの形状や個数はこれに限定しない。電機子ピッチQと磁石ピッチPの関係は、一般にP=3Q/2であるが、本実施例はこれに限らない。
The
開口部42の内側には、ヒートシンク40が配置されている。ヒートシンク40は、電機子鉄心110とスペーサ30および第一の磁極歯114あるいは第二の磁極歯116と接触しており、電機子巻線104の周囲の絶縁体と接触していてもよい。ヒートシンク40は、スペーサ30と同じ材料あるいはより熱伝導率の高い材料で構成されており、スペーサ30と同じ材料である場合は、スペーサと一体の構造であっても良い。このように、ヒートシンク40には、第一の磁極歯114あるいは第二の磁極歯116よりも十分に熱伝導率の高い物質が用いられる。
A
図4に電機子102が有する鉄心の磁束の経路110を示す。磁束の経路110は、
電機子巻線104−1と104−2を囲むように、第一の磁極歯114、第二の磁極歯116を通り、鉄心110を通り、再び、第一の磁極歯114に戻るように閉じた経路を形成する。電機子102の磁束の経路は、他の電機子の磁束の経路とは独立しているため磁気的な干渉がない。このため、他相からの漏れ磁束による相互インダクタンスの増加やコギング力の増加が小さい。
FIG. 4 shows the
Closed so as to surround the armature windings 104-1 and 104-2, passing through the first
図5に電機子巻線の通電時に発生する熱を起源とした場合の主な熱流速の経路を示す。本図では、説明のため例として一つの電機子102(102−1)と両端のスペーサ30(30−1、30−2)のみを示し、内部の構造は破線で示している。電機子巻線104で発生した熱は、第一の磁極歯114あるいは第二の磁極歯116の外側から内側に集まって、ヒートシンク40近くの鉄心部分あるいはヒートシンク40に伝わり、熱抵抗の小さいヒートシンク40を通って上下方向に伝導される。そして、ヒートシンク40からスペーサ30を介して外部に熱が放出される。
FIG. 5 shows the main heat flow velocity paths when the heat generated when the armature winding is energized is the source. In this figure, only one armature 102 (102-1) and spacers 30 (30-1, 30-2) at both ends are shown as an example for explanation, and the internal structure is shown by a broken line. The heat generated in the armature winding 104 collects from the outside to the inside of the first
このとき、スペーサ30の構成材料の熱伝導率がヒートシンク40と同等以上である場合、熱流束はヒートシンク40からスペーサ30を介して外部の空間に効率良く放熱される。
At this time, when the thermal conductivity of the constituent material of the spacer 30 is equal to or higher than that of the
このような本実施例の構成とすることにより、電機子巻線104から放熱端である電機子200の外側までの伝熱経路の熱抵抗が小さくなり、コイル中心部の放熱効率が向上するため、コイル温度が低減される。コイル温度が低減されることにより、より大きな電流を巻線に通じることが可能になり、リニアモータの最大出力を増加できる。さらに、電機子巻線の周囲の絶縁体の温度が下がるため、熱に起因した絶縁体の劣化を防ぎ、リニアモータの耐用寿命を伸ばす効果がある。また、ヒートシンク40とスペーサ30とが任意の接触面で一体の構造物として構成される場合、接触部分の熱抵抗が無くなることで電機子巻線の冷却効果をさらに高めることも可能である。
By adopting such a configuration of this embodiment, the thermal resistance of the heat transfer path from the armature winding 104 to the outside of the
ここで、リニアモータ100の動作を説明する。電機子102−1、102−2、102−3の3相のコイルは互いに120度ずれた位置に配置されている。ここに3相交流電流が流される。3相交流電流は互いに時間位相が120度ずれた交流である。電機子102−1、102−2、102−3の3相のコイルの位置と、流される3相交流電流の位相が120度ずれているため、結果として、コイルに流れた電流がつくる3相の重なった磁界は常に移動する2つの磁極を発生する。これは、一般に回転磁界と呼ばれる現象であり、リニアでは移動磁界と呼ぶ。移動磁界の磁束密度分布は、180度ずれた位置にN極とS極のピークを持っているので、この移動磁界と磁石列ユニット210の永久磁石10のN極S極との磁気的な相互作用(吸引・反発)により、リニアモータ100は駆動される。
Here, the operation of the
図6乃至図7に、本発明のリニアモータの実施例2を示す。該図に示す本実施例のリニアモータ300は、その構成は特に言及する以外は実施例1と同様である。
6 to 7 show Example 2 of the linear motor of the present invention. The
該図に示す本実施例では、実施例1に示したリニアモータと略同様な構成であるが、図2に示したリニアモータの開口部42がふさがり、鉄心の内部の空間に窓部52が設けられている。窓部52には、ヒートシンク40が嵌めこまれている。窓部の上下方向の長さH3は、電機子102の外部面と磁極歯116あるいは114の底面との間の上下方向長さH1に対し、H3<H1の関係を有する。
In this embodiment shown in the figure, the configuration is substantially the same as that of the linear motor shown in the first embodiment, but the
このような本実施例によれば、実施例1と同様な効果が得られることは勿論、電機子102の剛性が大きくなり、特に左右方向からの外力に対する変形量が小さくなる効果が得られる。
According to this embodiment, not only the same effect as that of the first embodiment can be obtained, but also the rigidity of the
図8乃至図9に、本発明のリニアモータの実施例3を示す。該図に示す本実施例のリニアモータ400は、その構成は特に言及する以外は実施例1と同様である。
8 to 9 show Example 3 of the linear motor of the present invention. The
該図に示す本実施例では、実施例1に示したリニアモータと略同様な構成であるが、鉄心110と電機子巻線104との間にはヒートシンク60が備えられ、電機子102はヒートシンク60が一つ以上配置されている。ヒートシンク60は、電機子鉄心110とスペーサ30と接触している。また、ヒートシンク60は、電機子巻線104の周囲の絶縁体に近接しており、ヒートシンク60と絶縁体との間に空隙が生じる場合は空隙を金属製(例えばアルミや銅等)の薄板で充填してもよい。ヒートシンク60は、スペーサ30と同じ材料あるいはより熱伝導率の高い材料で構成されており、スペーサ30と同じ材料である場合は、スペーサと一体の構造であっても良い。
In this embodiment shown in the figure, the configuration is substantially the same as that of the linear motor shown in the first embodiment, but a
このような本実施例によれば、実施例1と同様な効果が得られることは勿論、スペーサ60が熱源である電機子巻線104の伝熱部材となり、放熱端である電機子外部に至る伝熱経路が増加するため、電機子巻線104から電機子外部までの熱抵抗が低減され、スペーサ30からの放熱量が増え、電機子巻線の温度を低減する効果が得られる。
According to this embodiment, not only the same effect as that of the first embodiment can be obtained, but also the
なお、実施例2のようにヒートシンク40が開口部ではなく、窓部に嵌めこまれた構造においても同様の効果が得られる。
The same effect can be obtained even in a structure in which the
図10に、本発明のリニアモータの実施例4を示す。該図に示す本実施例のリニアモータ500は、その構成は特に言及する以外は実施例3と同様である。
FIG. 10 shows Example 4 of the linear motor of the present invention. The
該図に示す本実施例では、実施例3に示したリニアモータと略同様な構成であるが、ヒートシンク62の端部に突起部65が設けられている。ヒートシンク62の突起部は電機子巻線104の角部に近接し、接触していても良い。
In the present embodiment shown in the figure, the configuration is substantially the same as that of the linear motor shown in the third embodiment, but the
このような本実施例によれば、実施例3と同様な効果が得られることは勿論、ヒートシンク62の突起部により、電機子巻線が磁極歯から抜け落ちることを防止することが可能である。
According to this embodiment, not only the same effect as that of the third embodiment can be obtained, but also the protrusion of the
10 永久磁石
15 磁化方向
40、60、62 ヒートシンク
42 開口部
52 窓部
65 突起部
100、300、400、500 リニアモータ
102 電機子
104 電機子巻線
110 鉄心
114 第1の磁極歯
116 第2の磁極歯
122 空隙
200 電機子ユニット
210 磁石列ユニット
10 Permanent magnet 15
Claims (8)
前記鉄心の側面から前記第1磁極歯と前記第2磁極歯の夫々に向かって突出するように設けられ、前記第1磁極歯と前記第2磁極歯よりも熱伝導率の高い物質により構成されるヒートシンクを備え、
前記スペーサは、前記鉄心および前記ヒートシンクと接触し、前記鉄心よりも熱伝導率の高い物質で構成され、
前記電機子巻線で発生した熱を前記ヒートシンクから前記スペーサを介して外部に放熱するリニアモータ。 It has a magnet row unit composed of permanent magnets in which poles are alternately arranged in series, and an armature unit. The armature unit is composed of a plurality of armatures and a spacer sandwiched between the armatures. The armature is composed of a first magnetic pole tooth and a second magnetic pole tooth formed so as to face each other along both surfaces of the permanent magnet, and an iron core connecting the first magnetic pole tooth and the second magnetic pole tooth. a linear motor consists of the first magnetic pole teeth and the armature winding installed in each of the second magnetic pole teeth,
Wherein provided from the side surface of the core so as to protrude toward the each of the second magnetic pole teeth and the first magnetic pole teeth are constituted by the material having high thermal conductivity than the first pole tooth and the second pole tooth Equipped with a heat sink
The spacer is made of a substance that comes into contact with the iron core and the heat sink and has a higher thermal conductivity than the iron core.
A linear motor that dissipates heat generated in the armature winding from the heat sink to the outside via the spacer .
前記ヒートシンクが前記電機子巻線の内側に配置されたリニアモータ。 The linear motor according to claim 1.
A linear motor in which the heat sink is arranged inside the armature winding.
前記ヒートシンクが前記電機子巻線の外側に配置されたリニアモータ。 The linear motor according to claim 1 or 2 .
A linear motor in which the heat sink is arranged outside the armature winding.
前記ヒートシンクが前記スペーサと同一の物質であるリニアモータ。 The linear motor according to any one of claims 1 to 3.
A linear motor in which the heat sink is the same substance as the spacer.
前記ヒートシンクが前記スペーサと異なる物質であるリニアモータ。 A linear motor as claimed in any one of claims 1 to 3,
A linear motor in which the heat sink is a different substance from the spacer.
前記ヒートシンクが任意の接触面で前記スペーサと一体に形成されたリニアモータ。 The linear motor according to claim 4.
A linear motor in which the heat sink is integrally formed with the spacer on an arbitrary contact surface.
前記電機子巻線の外側に配置された前記ヒートシンクが前記電機子巻線の抜け落ちを阻む形状に構成されたリニアモータ。 The linear motor according to claim 3 .
A linear motor in which the heat sink arranged on the outside of the armature winding prevents the armature winding from coming off.
前記リニアモータは、前記鉄心の側面から前記第1磁極歯と前記第2磁極歯の夫々に向かって突出するように設けられ、前記第1磁極歯と前記第2磁極歯よりも熱伝導率の高い物質により構成されるヒートシンクを備え、
前記スペーサは、前記鉄心および前記ヒートシンクと接触し、前記鉄心よりも熱伝導率の高い物質で構成され、
前記電機子巻線で発生した熱を前記ヒートシンクから前記スペーサを介して外部に放熱するリニアモータの冷却方法。 It has a magnet row unit composed of permanent magnets in which poles are alternately arranged in series, and an armature unit. The armature unit is composed of a plurality of armatures and a spacer sandwiched between the armatures. The armature is composed of a first magnetic pole tooth and a second magnetic pole tooth formed so as to face each other along both surfaces of the permanent magnet, and an iron core connecting the first magnetic pole tooth and the second magnetic pole tooth. a the linear motor cooling method consists of first magnetic pole teeth and the armature windings respectively wound around the said second magnetic pole teeth,
The linear motor, which is provided from the side surface of the core so as to protrude toward the each of the second magnetic pole teeth and the first magnetic pole teeth, the thermal conductivity than the second magnetic pole teeth and the first magnetic pole tooth Equipped with a heat sink composed of high material
The spacer is made of a substance that comes into contact with the iron core and the heat sink and has a higher thermal conductivity than the iron core.
A cooling method for a linear motor that dissipates heat generated in the armature winding from the heat sink to the outside via the spacer .
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