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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die als ein Elektromotor und/oder Elektrogenerator zur Erzeugung einer Rotationsbewegung und/oder eines elektrischen Stroms einsetzbar ist, die sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom arbeitet und deren Rotorkern bzw. Ständerkern durch ein kontinuierliches, stabiles Magnetfeld mit hoher Flussdichte angeregt ist. Dieses Magnetfeld ist durch Feldspulen und Ständerspulen und Permanentmagnete erzeugt.
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Die
US 2010/0 213 885 A1 beschreibt eine elektrische Maschine, die in einem Gehäuse angeordnet eine Rotorwelle und einen in einem zylindrischen Ständerkern gelagerten Rotor aufweist, wobei der Ständerkern Poleinheiten aufweist. Der Ständerkern ist in axialer Richtung in zwei Ständerbereiche geteilt ausgeführt, wobei die Ständerbereiche in Umlaufrichtung zueinander phasenverschoben angeordnet sind und Spulen aufweisen. Im Gehäuse ist beidseitig und stirnseitig von der linken und von der rechten Rotor-Stirnseite je ein Seitenkern mit einer Feldspule angeordnet, wobei alle äußeren Seiten der Feldspulen und der Ständerspulen in magnetischem Kontakt mit dem Gehäuse stehen. Über die Feldspulen kann das Feld der Ständerspulen gesteuert werden.
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Die aus der
US 2003/0 178 909 A1 bekannte elektrische Maschine weist in einem Gehäuse angeordnet eine Rotorwelle und einen in einem zylindrischen Ständerkern gelagerten Rotor auf, wobei der Ständerkern Poleinheiten und Ständerspulen besitzt. Der
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Der Rotor, der an der Rotorwelle fest angeordnet ist, besteht aus einem Rotorkern mit zwei Rotorkernhälften, einer rechten Rotorkernhälfte und einer linken Rotorkernhälfte und einem mittig dazwischen auf der Rotorwelle angeordneten ringförmigen Dauermagneten. Die Rotorkernhälften weisen Klauenpole auf, umfassen also den Dauermagneten topfförmig von beiden Seiten und abwechselnd in Rotorlängsrichtung, derart dass die Rotorkernhälften in Umlaufrichtung parallel zur axialen Rotorrichtung in wechselnde Poleinheiten unterteilt sind. Im Gehäuse ist beidseitig und stirnseitig von der linken und von der rechten Rotor-Stirnseite je ein Seiten kern mit einer Feldspule angeordnet, wobei alle äußeren Seiten der Feldspulen und der Ständerspulen in magnetischem Kontakt mit dem Gehäuse stehen. Die Feldlinien des Dauermagneten verlaufen so in axialer Richtung, dass ihr Nordpol dem Nordpol der Feldspule bzw. ihr Südpol dem Südpol der Feldspule zugewandt ist, so dass durch ein stabiles Magnetfeld aus Feldspulen und Dauermagnet das Feld der Ständerspulen steuerbar ist.
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Nachteilig bei diesen Maschinen ist, dass sie nicht das volle mechanisch und elektrisch vorhandene Potential an Leistung ausschöpfen können.
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Das vorhandene Potenzial kann nicht im vollen Anteil in Flussdichte/Kraft und Leistungsfähigkeit umgesetzt werden, weil die Ständerpole und Rotorpole der Maschinen geometrisch nicht so ausgerüstet sind. Das führt dazu, dass bei jedem Arbeitstakt ein Teil der Ständerspulen im passiven Zustand bleibt und ein Teil der Ständerkerne mit niedrigerem Energieniveau/Flussdichte arbeitet.
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Aufgabe der Erfindung ist es das vorhandene mechanische und elektrische Potenzial an Flussdichte und Leistungsfähigkeit einer elektrischen Maschine, die als Motor oder Generator arbeiten kann, mit hohem Grad auszuschöpfen.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Weiter werden Betriebsarten beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird bei einer elektrische Maschine, die als elektrischer Motor und/oder Generator einsetzbar ist und die durch jede Betriebsstromart betreibbar ist, aufweisend in einem Gehäuse angeordnet eine Rotorwelle und einen in einem zylindrischen Ständerkern gelagerten Rotor, wobei der Ständerkern Poleinheiten (a, e) aufweist, vorgeschlagen, dass der Ständerkern in axialer Richtung in mindestens zwei Ständerbereiche geteilt ausgeführt ist,
wobei die Ständerbereiche in Umlaufrichtung zueinander phasenverschoben angeordnet sind und Spulen aufweisen, der Rotor, der an der Rotorwelle fest angeordnet ist, aus einem Rotorkern mit zwei Rotorkernhälften, einer rechten Rotorkernhälfte und einer linken Rotorkernhälfte und einem mittig dazwischen auf der Rotorwelle angeordneten ringförmigen Dauermagneten besteht und
wobei die Rotorkernhälften den Dauermagneten topfförmig von beiden Seiten und abwechselnd in Rotorlängsrichtung umfassen, derart dass die Rotorkernhälften in Umlaufrichtung parallel zur axialen Rotorrichtung in wechselnde Poleinheiten (n, s) unterteilt sind, die Anzahl der Poleinheiten (n, s) des Rotorkerns und die Anzahl der Poleinheiten (a, e) der Ständerbereiche gleich sind und mindestens zwei zu zwei betragen,
im Gehäuse beidseitig und stirnseitig von der linken und von der rechten Rotorkernhälfte je ein Seitenkern mit einer Feldspule angeordnet ist, wobei alle äußeren Seiten der Feldspulen und der Ständerspulen in magnetischem Kontakt mit dem Gehäuse stehen und
wobei die Feldlinien des Dauermagneten in axialer Richtung so verlaufen, dass ihr Nordpol dem Nordpol der Feldspulen bzw. ihr Südpol dem Südpol der Feldspulen zugewandt ist, so dass durch ein stabiles Magnetfeld aus Feldspulen und Dauermagnet das Feld der Ständerspulen steuerbar ist.
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Bei zwei Ständerbereichen beträgt die Phasenverschiebung 90° und bei drei Ständerbereichen 120°.
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Bei einer bevorzugten Ausführung sind die Feldspulen in Leistungsstufen umschaltbar.
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An den Poleinheiten (a, e, c) der Ständerbereiche ist bevorzugt jeweils eine Spule angeordnet.
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Die Kontaktfläche des ringförmigen Dauermagneten und mindestens einer Rotorkernhälfte mit der Rotorwelle ist bevorzugt reduziert durch zwei Sitzringe und einen dazwischen befindlichen Ringspalt oder der Dauermagnet und/oder die mindestens eine Rotorkernhälfte ist auf einem auf der Rotorwelle angeordneten Diamagnet angeordnet.
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Die elektrische Maschine soll anhand der Zeichnungen erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1: den Aufbau der elektrischen Maschine,
- 2: einen Querschnitt der elektrischen Maschine,
- 3: den Aufbau eines Gleichstrommotors,
- 4: den Aufbau eines Wechselstrommotors,
- 5: den Aufbau eines Drehstromgenerators,
- 6: den Aufbau eines Drehstrommotors und
- 7: zwei zu zwei Polverhältnisse des Ständers und Rotors.
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1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der elektrischen Maschine, die als Elektromotor oder Generator betreibbar ist, mit einem durch eine Welle 3 in einem Gehäuse 9 gelagerten Rotor 2, mit einem Ständerkern 4, der in axialer Richtung mindestens in zwei Ständerbereiche 4a, 4e geteilt ausgeführt ist, eine zylindrische Form aufweist und jeweils Poleinheiten a, e vorgesehen sind, wobei die Ständerbereiche 4a und 4e in der Umlaufrichtung verschoben angeordnet sind.
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Die Polverhältnisse zwischen dem Rotorkern 2 und den Ständerbereichen 4a, 4e beträgt zwei zu zwei.
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Der Rotor 2 der an die Rotorwelle 3 befestigt ist, ist derart ausgeführt, dass mittig zwischen einer Rotorkernhälfte 2.1 und einer Rotorkernhälfte 2.2 ein Dauermagnet 5 angeordnet ist, wobei die Rotorkernhälften 2.1, 2.2 den Dauermagneten 5 topfförmig von beiden Seiten und abwechseln in Rotorlängsrichtung umfassen, derart, dass die Rotorkernhälften 2.1, 2.2 in Umlaufrichtung parallel zur axialen Rotorrichtung in wechselnde Poleinheiten n, s unterteilt sind.
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Durch die mittige Anordnung des Dauermagneten 5 entstehen zwei Rotorfeldzonen n, s, wobei die Feldlinien des Dauermagneten 5 in axialer Richtung so ausgerichtet sind, dass ihr Nordpol dem Nordpol der Feldspulen 7 bzw. ihr Südpol dem Südpol der Feldspulen 7 zugewandt ist.
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Im Gehäuse 9 sind beidseitig und stirnseitig von der linken und von der rechten Rotorkernhälfte 2.1, 2.2 je ein Seitenkern 6 mit einer Feldspule 7 angeordnet, wobei alle äußeren Seiten der Feldspulen 7 und der Ständerspulen in magnetischem Kontakt mit dem Gehäuse 9 stehen.
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2 zeigt den Aufbau der elektrischen Maschine im Querschnitt.
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3 zeigt den Aufbau eines Gleichstrommotors 1.1.
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Die kreisförmigen Ständerbereiche 4a und 4e des Ständerkerns 4 und des Rotorkerns 2 werden hierbei gradlinig dargestellt.
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Bei dem Gleichstrommotor 1.1 wird der Ständerkern 4 in zwei Ständerbereichen 4a und 4e ausgeführt, wobei die Ständerbereiche 4a und 4e in der Umlaufrichtung um die Hälfte einer Poleinheitslänge (90 Grad) zueinander phasenverschoben angeordnet sind.
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An den Poleinheiten a, e im Ständerbereich 4a und 4e sind jeweils ein paar Spulen 8a bzw. 8e vorgesehen, wobei die Spulen 8a, die sich im Ständerbereich 4a befinden, mit ungerader Kenzeichnung 8a1/a3, und die andere Hälfte mit gerader Kenzeichnung 8a2/a4 getrennt in Reihe oder parallel zusammen geschaltet werden, und die Spulen 8e, die sich im Ständerbereich 4e befinden, mit ungerader Kenzeichnung 8e1/e3, und die andere Hälfte mit gerader Kenzeichnung 8e2/e4 getrennt in Reihe oder parallel ebenfalls zusammen geschaltet werden.
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Die Spulen 8a des Ständerbereichs 4a mit geradem 8a2/a4 Kennzeichen werden durch High Pegel und die mit ungeradem 8a1/a3 Kenzeichen durch Low Pegel eines Taktsignals z, magnetisch richtungsgleich abwechselnd angesteuert.
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Die Spulen 8e des Ständerbereichs 4e mit geradem 8e2/e4 Kenzeichen werden durch High Pegel und die mit ungeradem 8e1/e3 Kenzeichen durch Low Pegel eines Taktsignals y magnetisch richtungsgleich abwechselnd angesteuert.
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Dabei sind die Taktsignale z und y zueinander um 90° phasenverschoben.
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4 zeigt den Aufbau eines Wechselstrommotors 1.2.
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Die kreisförmigen Ständerbereiche 4a, 4e und des Ständerkerns 4 und des Rotorkerns 2 werden hierbei gradlinig dargestellt.
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Bei dieser Ausführung des Wechselstrommotors 1.2 wird der Ständerkern 4 in zwei Ständerbereiche 4a, 4e geteilt ausgeführt.
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Die Ständerbereiche 4a und 4e sind in Umlaufrichtung um die Hälfte einer Poleinheitslänge (90 Grad) zueinander verschoben angeordnet.
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An den Poleinheiten a, e im Ständerbereich 4a und 4e sind jeweils ein paar Spulen 8a bzw. 8e vorgesehen, wobei alle Spulen 8a, die sich im Ständerbereich 4a befinden, bzw. alle Spulen 8e, die sich im Ständerbereich 4e befinden, getrennt voneinander in Reihe oder parallel zusammengeschaltet werden, wobei die Stromrichtung/magnetische Richtung der Spulen 8a mit gerader Kenzeichnung a2, a4, im Vergleich zu den Spulen mit ungerader Kenzeichnung a1, a3, entgegengesetzt sind, und die Stromrichtung/magnetische Richtung der Spulen 8e mit gerader Kenzeichnung e2, e4, im Vergleich zu den Spulen mit ungerader Kenzeichnung e1, e3, entgegengesetzt sind.
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Alle Spulen 8a im Ständerbereich 4a werden durch positive und negative Perioden eines Wechselstroms N1 angesteuert.
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Alle Spulen 8e im Ständerbereich 4e werden durch positive und negative Perioden eines Wechselstroms N1", der durch einen Kondensator um 90 Grad phasenverschoben zu N1 ist, angesteuert.
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Die Feldspulen 7.1 und 7.2 werden durch den Betriebsstrom N1 über einen Geleichrichter/Diode angesteuert.
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Das Feldstärke und Flussdichte kann über die Feldspulen 7.1, 7.2 je nach Leistungsstufe des Motors geregelt werden.
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5 zeigt den Aufbau des Drehstromgenerators 1.3.
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Die kreisförmigen Ständerbereiche 4a, 4e und 4c des Ständerkerns 4 und des Rotorkerns 2 werden hier gradlinig dargestellt.
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Bei dieser Ausführung des Drehstromgenerators 1.3 wird der Ständerkern 4 in drei Ständerbereichen 4a, 4e, 4c geteilt ausgeführt.
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Die Ständerbereiche 4a, 4c und 4e sind in der Umlaufrichtung um Zweidrittel einer Poleinheitslänge (120 Grad) zueinander verschoben angeordnet.
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An den Poleinheiten a, e, c im Ständerbereich 4a, 4e, 4c sind jeweils ein paar Spulen 8a, 8e, 8c vorgesehen, wobei alle Spulen 8a, die sich im Ständerbereich 4a befinden, bzw. alle Spulen 8e, die sich im Ständerbereich 4e befinden und alle Spulen 8c, die sich im Ständerbereich 4c befinden getrennt voneinander in Reihe oder parallel zusammengeschaltet werden, wobei die Stromrichtung/magnetische Richtung der Spulen 8a mit gerader Kenzeichnung a2, a4, im Vergleich zu den Spulen 8a mit ungerader Kenzeichnung a1, a3, entgegengesetzt sind, das gilt auch Analog für die Spulen 8e und 8c.
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Die Feldspulen 7.1 und 7.2 werden durch den Betriebsstrom u, v, w über einen Geleichrichter/Diode angesteuert.
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In der Startphase wird das Erregerfeld für die Induktionsspulen 8a, 8e, 8c durch den Dauermagneten 5, der sich im Inneren des Rotorkerns 2 befindet, versorgt.
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Eine zusätzliche Feldstärke/Flussdichte kann über die Feldspulen 7.1, 7.2 je nach Leistungsstufe geregelt werden.
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Durch die Spulen 8a, 8e und 8c in den Ständerbereichen 4a, 4e, 4c wird jeweils nur eine Phase des Drehstroms u, w, v erzeugt, wobei durch den Generator 120°, 60°, 30° und 180° phasenverschobene Ströme erzeugt und verknüpft werden.
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6 zeigt den Aufbau eines Drehstrommotors 1.4.
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Die kreisförmigen Ständerbereiche 4a, 4e und 4c des Ständerkerns 4 und des Rotorkerns 2 werden hier gradlinig dargestellt.
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Bei dem Drehstrommotor 1.4 ist der Ständerkern 4 in drei Ständerbereichen 4a, 4e, 4c geteilt ausgeführt.
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Die Ständerbereiche 4a, 4c, 4e sind in der Umlaufrichtung um zweidrittel einer Poleinheitslänge (120 Grad) zueinander verschoben angeordnet.
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An den Poleinheiten a, e, c im Ständerbereich 4a, 4e, 4c sind jeweils ein paar Spulen 8a, 8e, 8c vorgesehen, wobei alle Spulen 8a, die sich im Ständerbereich 4a befinden, bzw. alle Spulen 8e, die sich im Ständerbereich 4e befinden und alle Spulen 8c, die sich im Ständerbereich 4c befinden getrennt voneinander in Reihe oder parallel zusammengeschaltet werden, wobei die Stromrichtung/magnetische Richtung der Spulen 8a mit gerader Kenzeichnung a2, a4, im Vergleich zu den Spulen 8a mit ungerader Kenzeichnung a1, a3, entgegengesetzt sind, das gilt auch Analog für die Spulen 8e und 8c.
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Die Spulen 8a, 8e, 8c der Ständerbereiche 4a, 4e, 4c werden jeweils nur durch eine Phase des Drehstroms u, v, w angesteuert.
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Die Feldspulen 7.1 7.2 werden durch den Betriebsstrom u, v, w über einen Geleichrichter/Diode angesteuert.
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Eine zusätzliche Feldstärke/Flussdichte kann über die Feldspulen 7.1, 7.2 je nach Leistungsstufe des Motors geregelt werden.
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7 zeigt die Polverhältnisse zwischen dem Rotorkern und dem Ständerkern einer elektrischen Maschine, wobei der kreisförmige Ständerkern und der Rotorkern hier gradlinig dargestellt werden.
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Der Stand der Technik in Figur B und C wird der Erfindung in Figur A gegenübergestellt. Die Darstellungen von B und C zeigen, dass es eine eindeutige Laufrichtung gibt und die Kraftausprägung der Abstoßkraft 50 % auf der gesamten Arbeitsfläche ausmacht. In Figur A erkennt man zwei Dinge. Zunächst im oberen Bild beim ersten Ständerkernbereich 4a, dass 100% der Arbeitsfläche ausgenutzt wird, um eine Abstoßkraft auszubilden, diese aber keiner bekannten Laufrichtung zuzuweisen ist. Im unteren Bild der Figur A beim zweiten Ständerkernbereich 4e macht die Abstoßkraft nur 50 % auf der Arbeitsfläche aus, wobei hier eine Laufrichtung eindeutig erkennbar ist. Also zeigt Figur A einen Prozess, bei dem während des Beginns eines Arbeitstaktes eine 75 % -ige Nutzung der Arbeitsfläche für die Abstoßkraft erfolgt. Dabei ist eine eindeutige Laufrichtung gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Elektrische Maschine
- 1.1
- Gleichstrommotor
- 1.2
- Wechselstrommotor
- 1.3
- Drehstromgenerator
- 1.4
- Drehstrommotor
- 2.
- Rotorkern
- 2.1
- Rotorkernhälfte
- 2.2
- Rotorkernhälfte
- n/s.
- Poleinheiten der Rotorpolbereiche
- 3.
- Rotorwelle
- 4.
- Ständerkern
- 4a.
- Ständerkernbereich
- 4e.
- Ständerkernbereich
- 4c.
- Ständerkernbereich
- a, e, c,
- Poleinheiten der Ständerbereiche
- 5.
- Dauermagnet
- 6.
- Seitenkern
- 7.
- Feldspule
- 8.
- Spule
- 9.
- Mantel/Gehäuse
- 10.
- Diamagnet