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Die
Erfindung betrifft eine Rotoranordnung für einen Elektromotor und ein
Verfahren zum Herstellen der Rotoranordnung.
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Ein
Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist das Gebiet der bürstenlosen
Gleichstrommotoren und anderer Permanentmagnetmotoren, welche als Innenläufermotor
oder Außenläufermotor
konfiguriert sein können.
Die Erfindung ist jedoch ohne Beschränkung hierauf auch auf andere
Arten von Elektromotoren und Generatoren anwendbar.
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Elektromotoren
mit einer Innenläuferkonfiguration
weisen eine Rotoranordnung auf, die auf eine Motorwelle aufgebracht
ist und einen oder mehrere Permanentmagnete umfaßt, sowie eine Statoranordnung
aus z.B. einer Anzahl von paketierten Metallblechen, die einen ringförmigen Statorrückschluß und von
dem Statorrückschluß nach innen
abstehende Polschuhe aufweist. Auf die Polschuhe sind Phasenwicklungen
aufgebracht. Die Rotoranordnung ist koaxial in die Statoranordnung
eingefügt.
Bei einer Außenläuferkonfiguration
umgibt die Rotoranordnung den Stator koaxial.
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Bei
den bekannten Rotoranordnungen ist es üblich, daß ein Permanentmagnetring oder
mehrere einzelne Permanentmagnete auf einem Rückschluß befestigt sind, welcher auf
die Motorwelle aufgebracht ist. Bei der Befestigung der Permanentmagnete
an dem Rückschluß ergeben
sich aufgrund von Fertigungstoleranzen Abweichungen in der Positionierung
der einzelnen Permanentmagnete, wodurch die Rundlaufgenauigkeit
des Rotors beeinträchtigt wird.
Die Rundlaufgenauigkeit eines Rotors kann z.B. dadurch verbessert
werden, daß ein
Permanentmagnet auf den Rückschluß unmittelbar
aufgespritzt wird.
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Aus
der
DE 102 16 476
A1 ist ein Rotor für
einen Elektromotor bekannt, bei dem der Rotorkörper als ein die Permanentmagnete
umschließendes,
einstückiges
Eisenpulverpreßteil
ausgebildet ist, wobei die Permanentmagnete vor dem Pressen entsprechend
positioniert werden.
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Aus
der
EP 1 354 653 A1 ist
eine gesinterte Rotoranordnung bekannt, bei der mehrere magnetische
und nicht-magnetische Segmente nebeneinander um einen Rückschluß herum
angeordnet werden. Zwischen die Segmente wird eine kleine Menge
Pulver eingebracht, und die gesamte Anordnung wird anschließend gesintert,
um eine zusammengesetzte Rotoranordnung hoher struktureller Integrität zu schaffen.
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Um
Toleranzen bei der Positionierung der Permanentmagnete zu minimieren,
ist es auch bekannt, den Rückschluß mit einer
vieleckigen Kontur auszubilden und die Permanentmagnete auf die
Flächen
des Rückschlusses
aufzubringen. Beispielsweise in der
DE 102 47 907 A1 ist ein Rotor mit einem polygonalen
Träger
und an dem Träger
befestigten, aus einem Sintermaterial ausgebildeten Permanentmagneten
bekannt. Die einzelnen Flächen
des Trägers
nehmen jeweils einen Permanentmagneten auf und sind mit diesem nach
Art einer Nut-und-Feder-Verbindung
formschlüssig
verbunden. Die Permanentmagnete werden stirnseitig auf die Flächen des
Trägers
aufgeschoben. Eine ähnliche
Anordnung aus einem vieleckigen Rückschluß und Permanentmagneten, welche
auf die Außenflächen des
Rückschlusses
aufgebracht sind, ist in der
DE 102 16 098 A1 gezeigt. Bei der darin beschriebenen
Rotoranordnung sind die Permanentmagnete über Federelemente an den Flächen des
vieleckigen Rückschlusses
gehalten. Bei den bekannten Rotoranordnungen mit polygonalem Rückschluß sind jeweils
Einzelmagnete an den Flächen
des Rückschlusses
befestigt.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Rotoranordnung für einen
Elektromotor anzugeben, bei der die Permanentmagnete auf dem Rotorkern
mit minimalen Toleranzen aufgebracht sind.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Rotoranordnung mit den Merkmalen von Anspruch
1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung
mit den Merkmalen von Anspruch 17 gelöst.
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Die
Erfindung sieht eine Rotoranordnung für einen Elektromotor vor, mit
einem Träger,
der eine polygonale Kontur hat und konzentrisch zu einer Rotationsachse
der Rotoranordnung ausgebildet ist. Auf die polygonale Kontur des
Trägers
ist ein Magnetring formschlüssig
aufgebracht. Der Magnetring ist derart magnetisiert, daß er eine
Vielzahl von Polen aufweist. Vorzugsweise ist der Magnetring auf
den Träger
aufgepreßt
oder gespritzt. Durch das Aufpressen oder Spritzen des Magnetrings
unmittelbar auf den Träger
und anschließendes
Magnetisieren ist es möglich,
Permanentmagnete auf der Außenseite
des Rotors auszubilden, die praktisch keine Lagetoleranzen haben
und ohne jegliche Spalte unmittelbar an den Träger anschließen. Durch
die polygonale Kontur des Trägers
wird eine Drehsicherung der Rotoranordnung und eine formschlüssige Drehmomentübertragung
erzielt.
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Das
Aufpressen von Magnetpulver hat den weiteren Vorteil, daß der Anteil
des magnetisch wirksamen Materials, z.B. NdFeB, vergleichsweise
hoch ist und lediglich eine geringe Menge Bindemittel, im Bereich
von 3 bis 8 %, benötigt
wird. Im Vergleich hierzu besteht ein durch Spritzgießen hergestellter Magnet
zu etwa 30 bis 50 % aus Bindemittel und somit nur zu etwa 50 bis
70 % aus Magnetpulver.
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Während im
Stand der Technik gepreßte
Magnete an und für
sich bekannt sind, war es bisher nicht bekannt, Magnete unmittelbar
auf einen Träger, wie
einen Rotorkörper
oder die Welle selbst, aufzupressen. Im Vergleich zu aufgespritzten
Magneten, kann bei den gepreßten
Magneten mit demselben Magnetvolumen ein deutlich besserer Wirkungsgrad erreicht
werden.
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Erfindungsgemäß wird der
Magnetring auf einen polygonalen Träger aufgebracht, dessen Gestalt
nach Bedarf veränderbar
ist, wie unten weiter erläutert
wird. Der Träger
kann, muß jedoch
nicht einen magnetischen Rückschluß umfassen.
Der Träger kann
auch durch die Welle des Elektromotors selbst gebildet werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist der Magnetring derart magnetisiert, daß die Polübergänge zwischen
den einzelnen Polen des Magnetrings an oder in der Nähe der Ecken
der polygonalen Kontur des Trägers
liegen.
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Die
erfindungsgemäße Rotoranordnung
eignet sich sowohl für
einen Innenläufer-Elektromotor als
auch für
einen Außenläufer-Elektromotor.
Bei einem Innenläufermotor
weist der Träger
entsprechend eine polygonale Außenkontur
auf, auf welche der Magnetring aufgebracht ist. Bei einem Außenläufermotor
wird der Magnetring an eine polygonale Innenkontur des Trägers angebracht.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführung der
Erfindung werden die Pole des Magnetrings derart magnetisiert, daß sie eine
Halbach-Feldverteilung erzeugen. In diesem Fall kann der Träger aus
einem nicht-magnetischen Material, wie Kunststoff oder Aluminium,
hergestellt sein.
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Ein
besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Rotoranordnung ist, daß die polygonale
Kontur des Trägers
abhängig
von einer gewünschten
Form und/oder Magnetisierung des Magnetrings gestaltet wird, wobei
die an der Außenkontur
des Trägers
anliegenden Flächen
des Magnetrings dieser Kontur folgen. Beispielsweise können die
Kontaktflächen des
Trägers
nach innen oder außen
gekrümmt
sein, um eine korrespondierende Magnetform zu erreichen. Eine Motivation
für die
Veränderung
der Magnetform kann sein, die Menge des magnetischen Materials zu
optimieren oder den Querschnitt des Magnetrings beispielsweise auf
eine Halbach-Magnetisierung
auszulegen. Ziel einer Halbach-Magnetisierung ist es, die magnetischen
Flußlinien
weitestgehend in dem Material des Magnetrings zu führen. Durch
eine entsprechende Krümmung
der Kontaktflächen
des Trägers
und somit der Pole des Magnetrings und eine darauf abgestimmte Magnetisierung kann
eine Halbach-Feldlinienverteilung zumindest angenähert werden.
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Um
eine formschlüssige
Verbindung von Magnetring und Träger
in radialer und axialer Richtung der Rotoranordnung sicherzustellen,
kann vorgesehen sein, daß die
Kontaktflächen
des Trägers
und die daran anliegenden Flächen
des Magnetrings ineinandergreifen. Zu diesem Zweck können in
den Kontaktflächen
Nuten ausgebildet sein, welche mit dem magnetischen Material des
Magnetrings gefüllt
werden.
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Abhängig von
der Magnetisierung des Magnetrings kann der Abstand zwischen der
Rotationsachse der Rotoranordnung und den Polübergängen kleiner oder größer sein
als der Abstand zwischen der Rotationsachse und den jeweiligen Polmitten.
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In
einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführung ist der Magnetring Teil
eines Topfes aus Magnetmaterial, wobei die Topfwand den Magnetring bildet,
der mit der polygonalen Kontur des Trägers in Kontakt ist, und der
Topfboden eine magnetische Fläche
an der Stirnseite des Trägers
bildet. Die Ausbildung des Magnetrings als Teil eines Topfes aus
Magnetmaterial, welcher den Träger
umschließt,
hat mehrere Vorteile. Einerseits kann die Bodenfläche zur
Gewinnung eines drehlageabhängigen
Signals zur Steuerung des Elektromotors genutzt werden. Andererseits
ist das Aufpressen eines Magnettopfes auf den Träger fertigungstechnisch besser
realisierbar und kontrollierbar als das Aufpressen nur eines Magnetringes.
Ein Fachmann wird verstehen, daß es einfacher
ist, eine geschlossene Form, wie einen Topf, auf einen Körper aufzupressen
als einen Ring, weil das Ausüben
des Preßdruckes
auf die Stirnseiten des Rings dazu führen kann, daß dieser
sich verwirft, reißt
oder sogar bricht.
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Die
Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung
vor, bei dem ein Magnetring aus Magnetpulver auf die polygonale
Außenkontur
eines Trägers
aufgepreßt
wird und der Magnetring anschließend derart magnetisiert wird, daß er eine
Vielzahl von Polen aufweist. Vorzugsweise wird der Träger in ein
Preßwerkzeug
eingelegt, das wenigstens eine Stirnseite des Trägers sowie die Seitenflächen seiner
polygonalen Außenkontur
umschließt,
um einen topfförmigen
Magneten auf den Träger
aufzupressen, wie oben erläutert.
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Es
ist möglich,
das Magnetpulver während des
Pressens mit einer Vorzugsrichtung auszurichten, wobei der Magnetring
nach dem Pressen wie gewünscht
magnetisiert wird.
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Die
Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungen
mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1 eine
Querschnittdarstellung durch eine Rotoranordnung gemäß der Erfindung,
wobei in einem mit "A" bezeichneten Teil
der 1 eine erste Ausführung der Rotoranordnung und
in einem mit "B" bezeichneten Teil
der 1 eine zweite Ausführung der Rotoranordnung gezeigt
ist;
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2 eine
Längsschnittdarstellung
durch eine weitere Ausführung
der Rotoranordnung gemäß der Erfindung;
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3 eine
schematische perspektivische Außenansicht
der erfindungsgemäßen Rotoranordnung;
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4 eine
schematische Stirnansicht der erfindungsgemäßen Rotoranordnung;
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5 eine
Längsschnittdarstellung
durch die erfindungsgemäße Rotoranordnung
gemäß einer weiteren
Ausführung;
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6 eine
schematische Querschnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Rotoranordnung
gemäß einer
weiteren Ausführung
der Erfindung.
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1 zeigt
eine schematische Stirnansicht einer Rotoranordnung gemäß der Erfindung.
Die Rotoranordnung umfaßt
einen Träger 10 und
einen darauf aufgebrachten Magnetring 12. Der Magnetring 12 ist
derart magnetisiert, daß er
eine Vielzahl von Polen aufweist, die in 1 beispielhaft
mit 14a, 14b, 14c bezeichnet sind. 1 umfaßt zwei
Ausführungsvarianten.
In dem mit A bezeichneten unteren Abschnitt der 1 weist
der Träger 10 ebene
Grenzflächen
zu dem Magnetring 12 auf während in dem mit B bezeichneten
oberen Abschnitt der 1 die Kontaktflächen des
Trägers 10 Nuten 16 aufweisen,
welche mit dem Magnetmaterial des Magnetrings 12 gefüllt sind.
Beide Ausführungen
erzielen eine formschlüssige
Drehmomentübertragung
der Rotoranordnung und eine radiale Verdrehsicherung des Magnetrings 12 auf
dem Träger 10.
Wenn sich die Nuten 16 nur über einen Teil der axialen
Länge des
Trägers 10 (siehe 2)
erstrecken, kann zusätzlich
eine axiale Sicherung des Magnetrings 12 auf dem Träger 10 erreicht
werden.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführung können die Magnetpole 14a, 14b, 14c in
radialer Richtung magnetisiert sein, und es ist vorgesehen, daß der Träger 10 einen
Rückschluß umfaßt. Ferner
kann der Träger 10 auf
eine Welle 18 aufgebracht sein, wie in 2 gezeigt,
mit der Welle 18 einteilig ausgestaltet sein oder durch
die Welle 18 selbst gebildet werden. Bei der in 1 gezeigten
Ausführung
ist es zweckmäßig, daß die Entfernung
rM zwischen der Rotationsachse der Rotoranordnung
und einem Eckpunkt des Trägers,
bei dem ein Polübergang
liegt, größer ist
als die Entfernung rm zwischen der Rotationsachse
und der Polmitte zwischen zwei benachbarten Polübergängen.
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In
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird der Magnetring 12 durch Pressen auf
den Träger 10 aufgeformt,
wodurch vorzugsweise eine Rotoranordnung, wie die in 2 gezeigte,
entsteht. Bei der Ausführung
der 2 ist der Träger 10 auf eine
Welle 18 aufgebracht; ob jedoch der Träger 10 ein von der
Welle getrenntes Bauteil oder durch diese selbst gebildet ist, ist
für die
Erfindung nicht relevant. Wie ferner aus 2 zu erkennen,
ist der Magnetring 12 Teil eines Topfes 20 aus
Magnetmaterial, dessen Wand den Magnetring 12 bildet und
dessen Boden 22 an einer Stirnseite des Trägers 10 liegt.
Die in 2 gezeigte Rotoranordnung ist dann besonders zweckmäßig, wenn
der Topf 20 aus Magnetmaterial und somit der Magnetring 12 durch
Pressen hergestellt wird. Ein Fachmann wird ohne weiteres verstehen,
daß sich
die in 2 gezeigte Magnetform durch Pressen einfacher
herstellen läßt, als
ein isolierter Magnetring, da die auf die Stirnenden eines Magnetrings
beim Pressen ausgeübten
Kräfte
dazu führen
können,
daß sich
der Magnetring verwirft, reißt
oder bricht. Die in 2 gezeigte Rotoranordnung hat
den weiteren Vorteil, daß der
magnetische Boden 22 des Topfes 20 eine ausreichend
große
Fläche
bietet, um ein drehlageabhängiges
Signal und insbesondere ein Kommutierungssignal zur Ansteuerung
eines elektronisch kommutierten Elektromotors zu gewinnen. Abhängig von
der Dicke und somit Magnetstärke
des Magnetrings 12 sollte der Boden 22 zusätzlich magnetisiert
werden, wobei dies jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Insbesondere
muß der
Boden 22 nicht notwendig magnetisiert werden, wenn der
Magnetring 12 ausreichend dick ist, um ein magnetisches
Signal auch in Stirnrichtung des Trägers 10 (in der Zeichnung
nach rechts) abzugeben.
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3 und 4 zeigen
eine perspektivische Außenansicht
sowie eine Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung, die ähnlich wie die
Rotoranordnung der 2 aufgebaut ist, wobei die Darstellungen
der 3 und 4 einer Ansicht auf die Rotoranordnung
der 2 in Richtung des Pfeiles C entsprechen.
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4 zeigt
die magnetische Feldverteilung des Magnetbodens 22 der
Rotoranordnung, die durch Magnetisieren des Bodens 23 oder,
sofern der Magnetring 12 ausreichend dick ist, auch ohne
eigene Magnetisierung des Bodens 22 entsteht. Sie kann zur
Gewinnung von Lage-Signalen
der Rotorposition, z.B. zur Ableitung der Kommutierungssignale,
verwendet werden. In der Praxis wird vorzugsweise mindestens ein
Hallsensor an der Stirnseite der Rotoranordnung, dem Magnetboden 22 gegenüberliegend angeordnet,
um die Kommutierungssignale zu erfassen.
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Über die
Form der Magnetpole 14a, 14b, 14c in 1,
welche wiederum abhängig
von der Außenkontur
des Trägers 10 ist,
sind Motorparameter beeinflußbar.
Durch eine geeignete Formgebung kann etwa das Rastmoment (cogging
torque) des Motors reduziert werden, und es ist möglich, den
Magnetfluß zwischen
Rotor und Stator zu optimieren.
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5 zeigt
eine weitere Ausführung
der Erfindung, bei der ein Magnetring 24 unmittelbar auf eine
Welle 18 aufgebracht ist. Die Welle 18 hat die Funktion
des Trägers.
Der Magnetring 24 ist Teil eines Magnetkörpers 26,
der die Form eines Bechers hat, in dessen Mitte ein Zylinder 28 ausgebildet
ist, der dazu dient, den Becher 26 an der Welle 18 zu
befestigen. Die in 5 dargestellte Form des Bechers 26 läßt sich
in der Praxis ohne große
Schwierigkeiten aus Ma gnetpulver pressen; sie hat den Vorteil, daß eine Rotoranordnung
mit gewünschtem
Durchmesser hergestellt werden kann, indem der Magnetring 24 unmittelbar
auf die Welle 18 aufgepreßt wird, ohne daß ein separater
Träger
zwischengeschaltet werden muß,
und gleichwohl der Verbrauch an magnetischem Material durch die
besondere Formgebung minimiert wird. Bei der in 5 gezeigten
Rotoranordnung bildet die Außenwand
des Bechers 26 den Magnetring, der die Arbeitsmagnete des
Rotors bereitstellt, und sein Boden 29 dient zur Erzeugung
des drehlageabhängigen
Signals, rsp. des Kommutierungssignals.
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6 zeigt
eine Ausführung
der erfindungsgemäßen Rotoranordnung
mit einer sogenannten Halbach-Magnetisierung. In 6 ist
der Träger
mit 30 bezeichnet, und der Magnetring trägt das Bezugszeichen 32.
Der Träger 30 weist
konkav gekrümmte Außenflächen 34a, 34b,
etc. auf, wobei der Magnetring 32 an diese Grenzflächen 34a, 34b entsprechend
angepaßt
ist und konvexe Krümmungen
aufweist. Dies ermöglicht
bei der gezeigten Ausführung eine
Halbach-Magnetisierung,
die schematisch durch die Pfeile 36a, 36b, etc.
dargestellt ist.
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Bei
der Halbach-Magnetisierung werden die magnetischen Flußlinien
weitgehend vollständig
in dem Magnetmaterial des Magnetrings 32 geführt, so daß kein Rückschluß notwendig
ist. Der Grundkörper 30 kann
somit aus einem nicht-magnetischen Material bestehen. Im Idealfall
ergibt sich ein externer sinusförmiger
Magnetlinienverlauf wobei jedoch auch eine angenäherte Halbach-Feldlinienverteilung
im Bereich der Erfindung liegt.
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Bei
der Ausführung
der 6 ist der Magnetring 32 bei den Polübergängen zwischen
zwei benachbarten Polen am dicksten (bei rm)
und bei den jeweiligen Polmitten am dünnsten (bei rM).
Die Polübergänge sind
durch gestrichelte Linien kenntlich gemacht.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung
sein.
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- 10
- Träger
- 12
- Magnetring
- 14a,
14b, 14c
- Magnetpole
- 16
- Nut
- 18
- Welle
- 20
- Topf
- 22
- Boden
- 24
- Magnetring
- 26
- Becher
- 28
- Zylinder
- 29
- Boden
- 30
- Träger
- 32
- Magnetring
- 34a,
34b
- Grenzflächen
- 36a,
36b
- Magnetisierungsrichtung