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Die
Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor, welcher einen Stator
mit einem Hohlraum zur Aufnahme eines Rotors und eine Magnetfelderzeugungseinrichtung
enthält, mit welcher ein rotierendes magnetisches Multipolfeld
erzeugbar ist. Weiterhin enthält der Gleichstrommotor eine
drehbar gelagerte Welle, welche den Rotor trägt und einen
Grundkörper, welcher mit der Welle drehfest verbunden ist, wobei
der Grundkörper eine Mehrzahl von Ausnehmungen aufweist.
In den Ausnehmungen des Grundkörpers ist eine Mehrzahl
von Permanentmagneten angeordnet, wobei die Form der Ausnehmungen
zur Form der Permanentmagneten komplementär ist.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 199 15 664
A1 ist eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem
aus einem Blechstapel gebildeten Rotor bekannt. Der Rotor weist
dabei längliche Ausnehmungen auf, in welche quaderförmige
Permanentmagnete eingesetzt werden können, um ein magnetisches
Multipolfeld zu erzeugen. Bei Betrieb des Gleichstrommotors koppelt
das magnetische Feld des Rotors an ein rotierendes magnetisches
Feld, welches mit elektromagnetischen Spulen des Stators erzeugt
wird. Dadurch wird auch der Rotor in Rotation versetzt und gibt
ein Drehmoment ab.
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Um
ein hohes nutzbares Drehmoment bereitzustellen, muss eine große
Feldstärke im Luftspalt zwischen Rotor und Stator bereitgestellt werden.
Dazu werden gemäß dem Stand der Technik die Permanentmagnete
möglichst nahe an der Umfangsfläche des Rotors
platziert. Dadurch steht an der Umfangsfläche nur noch
ein schmaler Steg zur Verfügung, welcher die quaderförmigen
Permanentmagnete entgegen der wirkenden Zentripetalkraft im Rotor
festhält.
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Die über
diesen Steg übertragbare Haltekraft begrenzt somit die
maximal zulässige Drehzahl des Rotors.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen Gleichstrommotor bereitzustellen, welcher ein vergleichbares
Drehmoment bereitzustellen vermag und eine gegenüber dem
Stand der Technik verbesserte Drehzahlfestigkeit aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Gleichstrommotor
gelöst, welcher einen Stator mit einem Hohlraum zur Aufnahme
eines Rotors und eine Magnetfelderzeugungseinrichtung enthält,
mit welcher ein rotierendes magnetisches Multipolfeld erzeugbar
ist. Weiterhin enthält der vorgeschlagene Gleichstrommotor
eine drehbar gelagerte Welle, welche den Rotor trägt. Dieser
enthält einen Grundkörper, welcher mit der Welle
drehfest verbunden ist, wobei der Grundkörper eine Mehrzahl
von Ausnehmungen aufweist. In den Ausnehmungen des Grundkörpers
ist eine Mehrzahl von Permanentmagneten angeordnet, wobei die Form
der Ausnehmungen zur Form der Permanentmagnete komplementär
ist und die Permanentmagnete mindestens eine gekrümmte Außenkontur
aufweisen.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass mit radial magnetisierten, bogenförmigen
Permanentmagneten eine verbesserte Rotorgeometrie realisiert werden
kann, bei welcher die Permanentmagnete eine größere
lastabtragende Kontaktfläche zum umgebenden Rotormaterial
aufweisen. Dadurch können größere Zentripetalkräfte übertragen
werden, wodurch die Drehzahlfestigkeit des Rotors ansteigt. Gleichzeitig
ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Rotorgeometrie
dazu geeignet, eine nahezu unveränderte Magnetisierung
im Luftspalt zwischen Rotor und Stator bereitzustellen, so dass
das verfügbare Drehmoment nur geringfügig verringert
oder sogar erhöht wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen
die bogenförmigen Permanentmagnete die Form eines Kreissegmentes
auf, wobei das Kreissegment besonders bevorzugt etwa ein Drittel eines
Vollkreises abdeckt. Dadurch kann durch spiegelsymmetrische Anordnung
zweier Permanentmagnete ein Kreissegment von etwa zwei Dritteln
eines Vollkreises abgedeckt werden, so dass jeweils zwei Permanentmagnete
einen magnetischen Polschuh des Rotors umgeben.
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Eine
besonders günstige Herstellbarkeit der Permanentmagnete
ergibt sich insbesondere dann, wenn die Permanentmagnete einen radialen
Abschluss der Länge b und einen tangentialen Abschluss
der Länge a aufweisen, wobei das Verhältnis von
a zu b etwa 1 beträgt. Dem Fachmann ist dabei selbstverständlich
geläufig, dass dieser Zahlenwert nicht strikt einzuhalten
ist. Vielmehr können sich auch bei Abweichungen die erfindungsgemäßen
vorteilhaften Wirkungen noch zumindest teilweise einstellen.
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagene Rotor kann beispielsweise
mittels eines Spritzgussverfahrens aus einem gefüllten
Kunststoff gefertigt werden. Besonders bevorzugt wird der vorgeschlagene
Rotor aus einer Vielzahl von Stanzteilen gefertigt, welche mittels
eines komplementär geformten Werkzeuges aus einem Blech,
beispielsweise einem Transformatorblech, gestanzt werden. Eine Mehrzahl
von gestanzten Blechen wird dann drehsteif auf der Gleichstrommotorwelle
befestigt, beispielsweise durch passgenaues Aufpressen, so dass
sich entlang der Längserstreckung der Welle ein etwa zylindrisches Blechpaket
als Rotorgrundkörper ergibt.
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In
einer Ausführungsform der Erfindung können für
das Blechpaket identische Blechschnitte verwendet werden. In diesem
Fall ergibt sich entlang der Längserstreckung des Rotors
ein konstanter Querschnitt. In einer Weiterbildung der Erfindung
können zumindest zwei verschiedene Blechschnitte eingesetzt
werden, so dass der Querschnitt des Rotors entlang der Längserstreckung
nicht konstant ist.
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Besonders
bevorzugt weist dabei zumindest ein Stanzblech gemäß einem
Blechschnitt tangentiale Verbindungsstege und/oder radial verlaufende Rippen
auf. Dadurch kann die Feldformung des Multipolfeldes des Rotors
auf Kosten der Haltekräfte der Permanentmagnete und damit
der Drehzahlfestigkeit optimiert werden und umgekehrt. Auf diese
Weise kann entweder ein langsam laufender Gleichstrommotor mit vergleichsweise
hohem Drehmoment oder ein schnell laufender Gleichstrommotor mit
niedrigerem Drehmoment hergestellt werden.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und
Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens
näher erläutert werden. Dabei zeigt
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1 einen
Querschnitt durch einen erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Gleichstrommotor,
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2 einen
Ausschnitt aus dem Querschnitt eines erfindungsgemäßen
Rotors,
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3 einen
Blechschnitt eines zur Herstellung des Rotor-Grundkörpers
verwendbaren Stanzbleches gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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4 einen
Blechschnitt eines zur Herstellung des Rotor-Grundkörpers
verwendbaren Stanzbleches gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel,
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5 einen
Blechschnitt eines zur Herstellung des Rotor-Grundkörpers
verwendbaren Stanzbleches gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel,
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6 einen
Blechschnitt eines zur Herstellung des Rotor-Grundkörpers
verwendbaren Stanzbleches gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel,
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7 zeigt
einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß verwendeten
Permanentmagneten.
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1 zeigt
einen Gleichstrommotor gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Der Motor enthält einen Stator 100 und
einen Rotor 200. Der Stator 100 umfasst eine Mehrzahl
von Polschuhen 115, welche durch Schlitze 110 voneinander
getrennt sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist
der Stator 12 Schlitze 110 und 12 Polschuhe 115 auf.
Die Polschuhe 115 sind über ein Joch 140 miteinander verbunden,
um den magnetischen Fluss zu führen. In einer bevorzugten
Ausführungsform können die Polschuhe 115 und
das Joch 140 einstückig ausgeführt werden.
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Weiterhin
umfasst der Stator 12 Spulen mit jeweils N Windungen eines
elektrischen Leiters, beispielsweise lackisoliertem Kupferdraht.
Die Windungen verlaufen dabei teilweise durch die Schlitze 110. Die
Spulen als solche sind dem Fachmann bekannt und daher in der Figur
nicht dargestellt. Die Spulen des Stators 100 werden mittels
einer nicht dargestellten Schalteinrichtung zyklisch mit einem elektrischen Strom
beaufschlagt. Auf diese Weise entsteht ein magnetisches Multipolfeld,
dessen Orientierung relativ zum Stator 100 sich zyklisch ändert.
Ein solches Magnetfeld wird im Kontext der vorliegenden Erfindung
als rotierendes Magnetfeld bezeichnet.
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Dem
Fachmann ist dabei geläufig, dass die dargestellte Geometrie
mit 12 Polschuhen 115 lediglich beispielhaft gewählt
ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der
Stator auch eine größere oder eine geringere Anzahl
an Polschuhen aufweisen.
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Im
zylindrischen Innenraum des Stators 100 befindet sich der
Rotor 200. Der Rotor 200 weist eine Drehachse 120 auf.
Die Drehachse umgibt ein im Wesentlichen zylindrischer Grundkörper.
Die Außenfläche des Grundkörpers des
Rotors 200 ist von der Innenfläche des Stators 100 durch
einen Luftspalt 130 getrennt.
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Im
Rotor 200 sind Permanentmagnete 270 eingebettet.
Die Permanentmagnete 270 weisen dabei einen bogenförmigen,
insbesondere einen kreissektorförmigen, Querschnitt auf.
Die Permanentmagnete 270 erzeugen ebenfalls ein magnetisches
Multipolfeld, welches bei Betrieb des Gleichstrommotors an das rotierende
Multipolfeld des Stators ankoppelt. Auf diese Weise rotiert der
Rotor 200 mit dem rotierenden Magnetfeld des Stators, wodurch
ein Nutzdrehmoment vom Rotor 200 abgegeben wird.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Permanentmagnete 270 eine
Kreissektorform mit etwa 120° Öffnungswinkel auf.
Jeweils zwei Permanentmagnete 270 sind an ihrer inneren,
der Welle 120 zugewandten Seite, mittels einer Rippe 250 voneinander
beabstandet.
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Jeweils
zwei Permanentmagnete 270 fassen einen Polschuh 210 ein.
Der Polschuh 210 dient dazu, dass von dem Permanentmagneten
erzeugte Multipolfeld zu führen. Zwischen zwei jeweils
einen Polschuh 210 einschließenden Paaren von
Permanentmagneten 270 ist ein Polschuh 220 angeordnet. Um
die Polschuhe 220 und 210 einstückig
fertigen zu können, sind diese über Stege 260 und
Rippen 250 miteinander verbunden.
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Dem
Fachmann ist selbstverständlich geläufig, dass
der vorgeschlagene Rotor nicht in jeder Ausführungsform
der Erfindung acht Permanentmagnete 270 aufweisen muss.
In Abhängigkeit der Geometrie des Stators kann der Fachmann
auch eine andere Geometrie des Rotors mit einer größeren
oder einer geringeren Anzahl von Permanentmagneten 270 und dementsprechend
einer hieran angepassten Anzahl von Polschuhen 210 und 220 vorsehen.
Die Erfindung lehrt nicht das Einhalten der in 1 gezeigten Geometrie
als Lösungsprinzip.
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2 zeigt
einen Ausschnitt von etwa 90° aus dem in 1 dargestellten
Rotor. Anhand der 2 soll der wesentliche Vorteil
der Erfindung verdeutlicht werden. 2 zeigt
im Querschnitt zwei bogenförmige Permanentmagnete 270,
welche jeweils einen Polschuh 210 teilweise umschließen.
Die Polschuhe 210 sind über Stege 260 mit
dem im zentralen Bildteil sichtbaren Polschuh 220 verbunden.
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Bei
Rotation des Rotors 200 um die Drehachse 120 werden
die Permanentmagnete 270 durch die einwirkende Zentripetalkraft
radial nach außen beschleunigt. Dies führt dazu,
dass die Permanentmagnete 270 mit ihrer Außenfläche 275 zumindest teilweise,
d. h. im Bereich der Teilflächen 240 und 245,
in kraftschlüssigen Kontakt mit der Oberfläche des
Polschuhs 220 treten. Der Polschuh 220 trägt
die über die Flächen 240 und 245 einwirkenden
Kräfte über eine Zugspannung im Schaft 230 ab.
Der Schaft 230 weist dabei eine gegenüber dem
Stand der Technik vergrößerte Materialstärke
auf, welche die Übertragung größerer
Kräfte und damit höhere Drehzahlen des Rotors
erlaubt. Da der magnetische Fluss im Bereich der Polschuhe 210 und 220 konzentriert
ist, bleibt die vergrößerte Materialstärke 230 ohne
Einfluss auf die im Luftspalt 130 erzielbare magnetische Feldstärke
und damit letztlich auch ohne Einfluss auf das vom Rotor 200 erzeugbare
nutzbare Drehmoment.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der
Grundkörper des Rotors 200 durch ein Blechpaket
gebildet, welches eine Vielzahl von Stanzblechen enthält,
welche auf der Welle 120 angeordnet sind. Der Blechschnitt
der Stanzbleche gibt somit den Querschnitt des Rotors 200 an.
Sofern zum Aufbau des Grundkörpers des Rotors 200 lediglich
identische Stanzbleche verwendet werden, so weist der Rotor 200 einen
konstanten Querschnitt entlang seiner Längserstreckung
auf. Sofern unterschiedliche Stanzbleche verwendet werden, ändert sich
der Querschnitt des Rotors entlang seiner Längserstreckung.
Auf diese Weise können die magnetischen und mechanischen
Eigenschaften des Rotors optimiert werden. Ausführungsbeispiele
für verschiedene Stanzbleche werden nachfolgend angegeben.
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Stanzbleches für
einen erfindungsgemäß vorgeschlagenen Rotor 200.
Zentral im Stanzblech ist eine Öffnung angeordnet, welche
zur Aufnahme der Welle 120 dient. Der Blechschnitt nach 3 weist weiterhin
vier Polschuhe 210 auf. Diese werden von jeweils zwei Ausnehmungen 300 und 305 begrenzt, welche
zur Aufnahme der Permanentmagnete 270 vorgesehen sind.
Jeweils zwei Ausnehmungen 300 und 305 sind durch
eine Rippe 250 voneinander getrennt.
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Zwischen
zwei benachbarten Ausnehmungen 300 und 305 sind
jeweils auf der dem Polschuh 210 abgewandten Seite weitere
Polschuhe 220 angeordnet. Jeder Polschuh 210 ist
mit seinen benachbarten Polschuhen 220 durch einen Steg 260 verbunden.
Auf diese Weise kann der Blechschnitt einstückig und mit
maximaler Stabilität gefertigt werden. Die Ausnehmungen 300 und 305 sind
dabei komplementär zur Außenform eines Permanentmagneten 270,
d. h. der Permanentmagnet lässt sich mit vorgebbaren Toleranzen
in die Ausnehmung einführen. Zur Fixierung des Permanentmagneten
kann eine Vergussmasse bzw. ein Klebstoff vorgesehen sein. In einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung können
die Toleranzen der Abmessungen der Öffnungen 300 und 305 und
der Permanentmagneten 270 so gewählt sein, dass
sich eine Klemmung des Permanentmagneten 270 in der Öffnung 300 bzw. 305 ergibt.
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4 zeigt
eine weitere Ausgestaltungsform eines Blechschnittes gemäß der
vorliegenden Erfindung. Der Blechschnitt gemäß 4 weist
wiederum vier Polschuhe 210 auf, welche mittels Stegen 260 mit
dem jeweils benachbarten Polschuh 220 verbunden sind.
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Jeder
Polschuh 210 ist von einer Öffnung 300 umgeben.
Die Öffnung 300 weist die Form eines Kreissektors
mit einem Öffnungswinkel von etwa 240° auf. Dies
bedeutet, dass in die Öffnung 300 zwei Permanentmagnete
mit einem etwa drittelkreissektorförmigen Querschnitt aufgenommen
werden können. Durch das Fehlen der Rippen 250 wird
der magnetische Fluss zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten 270 in
der Öffnung 300 nicht gestört. Durch
die Stege 260 kann der Blechschnitt gemäß 4 dennoch
einstückig ausgeführt werden.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Blechschnittes für
einen erfindungsgemäßen Rotor 200. Der
Blechschnitt gemäß 5 weist
wiederum eine Mehrzahl von Ausnehmungen 300 und 305 auf,
welche jeweils durch eine Rippe 250 voneinander getrennt
sind. Die Rippe 250 verbindet einen Polschuh 210 an
dessen Basis mit der Basis zweier benachbarter Polschuhe 220.
Auf diese Weise kann auch der Blechschnitt nach 5 einstückig
ausgeführt werden. Trotz des Fehlens der Stege 260 weist der
Blechschnitt gemäß 5 Anlageflächen 240 und 245 auf,
welche eine Kraftübertragung zwischen Permanentmagneten 270 in
den Öffnungen 300 und 305 und dem Polschuh 220 ermöglichen.
Somit kann der Blechschnitt gemäß 5 trotz
fehlender Stege 260 eine der Zentripetalkraft entgegen
gesetzte Haltekraft auf die Permanentmagnete 270 ausüben.
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Ein
viertes Ausführungsbeispiel eines Blechschnittes ist in 6 dargestellt.
Der Blechschnitt gemäß 6 zeichnet
sich dadurch aus, dass zwischen den Polschuhbereichen 210 und
den Polschuhbereichen 220 weder Rippen 250 noch
Stege 260 angeordnet sind. Dies ergibt die geringstmögliche
Störung des magnetischen Flusses der Permanentmagnete 270,
welche in den Öffnungen 300 angeordnet werden
können.
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Dennoch
ist auch der Blechschnitt gemäß 6 dazu
geeignet, über die Anlageflächen 240 und 245 eine
Haltekraft auf die Permanentmagnete 270 auszuüben
und diese auch bei hohen Drehzahlen in ihrer Position im Rotor 200 zu
halten.
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7 zeigt
schließlich den Querschnitt eines Permanentmagnetes 270.
Der Permanentmagnet 270 weist eine kreissektorförmige
Grundfläche auf. Somit besitzt der Permanentmagnet 270 eine
kreisförmige äußere Begrenzungsfläche 275,
welche bei Einsatz des Permanentmagnetes in einem Rotor an den Polschuh 220 und
die Anlagefläche 240 angrenzt. Weiterhin weist
der Permanentmagnet 270 eine kreisförmige innere
Begrenzungsfläche 274 auf, welche bei Einsatz
des Permanentmagneten 270 in einem Rotor 200 an
den Polschuh 210 angrenzt.
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Die
Magnetisierung 271 des dargestellten Permanentmagneten 270 weist
radial nach außen. Bei Einsatz des Permanentmagneten 270 in
einem erfindungsgemäßen Rotor verläuft
der magnetische Fluss somit ausgehend von der Fläche 275 durch den
Polschuh 220 des Rotors zu einem Polschuh 115 des
Stators. Von dort schließt sich der magnetische Kreis über
das Joch 140 zu einem benachbarten Polschuh 115,
von dort über den Luftspalt 130 zum Polschuh 210 des
Rotors und von dort zur Innenfläche 274 des Permanentmagneten 270.
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Bevorzugt
weist der kreissektorförmige Permanentmagnet 270 einen Öffnungswinkel
von 120° auf. In der in 7 dargestellten
Ausführungsform weist der Permanentmagnet einen radialen
Abschluss der Länge b und einen tangentialen Abschluss
der Länge a auf, welche ein Verhältnis von etwa
1:1 besitzen. Dies bedeutet, dass die Länge a in etwa der
Länge b entspricht. Beide Maßnahmen unterstützen
die in 7 dargestellte radiale Magnetisierung 271.
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Dem
Fachmann ist selbstverständlich geläufig, dass
die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt ist. Die vorliegende Beschreibung ist daher
nicht als beschränkend, sondern als erläuternd
anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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