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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. UMFELD DER ERFINDUNG
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Bei
der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen Linearmotor
für die
Verwendung in einem Trainingsgerät
für therapeutische
Zwecke, insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen
Linearmotor (nichtrotierend), mit dem die Vibrationen erzeugt werden,
die dann an einen getragenen Körper übertragen
werden.
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2. BESCHREIBUNG DER HERKÖMMLICHEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Diese
Patentschrift betrifft Trainingsgeräte zum Stärken, Konditionieren und Behandeln
des menschlichen Körpers,
insbesondere Trainingsgeräte
zum Erzeugen von Vibrationen für
den ganzen menschlichen Körper,
der Ganzkörpervibration (WBV),
sowie insbesondere einen Linearmotor zum Erzeugen und Übertragen
von Vibrationen auf einen auf diesem Gerät getragenen menschlichen Körper.
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Eine
auf den menschlichen Körper
ausgeübte
kontrollierte Vibration, die häufig
als Ganzkörpervibration
(WBV) bezeichnet wird, erzielt unterschiedliche Vorteile und Nutzen
für Personen,
die unter unterschiedlichen Krankheiten und Beschwerden leiden.
Die WBV sind kontrollierte Vibrationen, die in vertikaler Richtung
ausgeübt
werden, wobei der Benutzer auf einer Plattform steht, damit sein
Körpergewicht
sicher getragen und gestützt
wird. Der menschliche Körper
ist von Natur aus leicht an die Schwerkraft in vertikaler Richtung
angepaßt.
Während
horizontale und unterschiedliche Vibrationen und Erschütterungen
bei Menschen Verletzungen verursachen können, befinden sich die kontrollierten
Vibrationen innerhalb eines Bereiches von vorteilhaften und nützlichen
Amplituden.
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Mit
der WBV wird die Muskelkraft von Ahleten verstärkt und wiederhergestellt und
dient ebenfalls zum Lindern von Arthritis in älteren Personen. Die WBV erwies
sich als nützlich
zum Bilden einer besseren Knochendichtigkeit, einer vorteilhaftenen Hormonausschüttung, einer
verbesserten Durchblutung der Gliedmaßen und sogar zur Linderung
von Schmerzen. Die erkannten Vorteile und Nutzen der WBV sind zahlreich,
so dass sich eine weitere Nachforschung in dieser Hinsicht lohnt.
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Die
WBV erfordert allgemein, dass eine auf einen Körper übertragene Frequenz zwischen
5 Hz und 60 Hz und dass die Amplitude zwischen ungefähr 2 mm
und 4 mm variieren muss, obwohl einige WBV-Trainingsgeräte Vibrationen
erzeugen, deren Frequenzen und Verschiebungen sich außerhalb
der oben genannten Bereiche befinden. Es gibt keine einzelne Vibrationsfrequenz,
die zum Behandeln von allen Krankheiten und Beschwerden oder zum
Stärken
der Muskulatur einer Person mit irgendeiner Körpergröße oder mit irgendeinem Körpergewicht
wirksam ist. Es ist daher wünschenswert,
dass ein Vibrationsmotor entsprechend der auf einen Körper des Benutzers
auszuübenden
Vibrationsfrequenz jeweils angepaßt werden kann. Die nützlichsten
Vibrationsfrequenzen sind allgemein zwischen 20 Hz und 60 Hz.
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Die
vorhandenen WBV-Trainingsgeräte
werden mit einem Motor mit einer elektronischen Antriebsvorrichtung
mit variabler Frequenz betrieben, die auch häufig als einen Inverter (Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter)
bezeichnet werden. Diese rotierenden Motore werden oft als Synchronmotore
bezeichnet, da die Rotiergeschwindigkeit des Motors mit der Wellenform
der Wechselstromspannung (AC), mit der der Motor angetrieben wird,
synchronisiert wird.
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Auf
eine Wechselstromspannung (AC) mit einer Frequenz von 60 Hz wird
der Motor schneller betrieben als mit einer Wechselstromspannung
(AC) mit einer Frequenz von 20 Hz.
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Da
die WBV-Trainingsgeräte
zunehmend beliebter werden und der Nutzen und die Vorteile dieser WBV-Trainingsgeräte wahrgenommen
werden, müssen
die Nachteile der bekannten WBV-Trainingsgeräte ebenfalls erkannt und beseitigt
werden. Die WBV-Trainingsgeräte
können
so verbessert ausgeführt
werden, indem sie weniger Strom verbrauchen und kompakter sowie
zuverlässiger
ausgeführt
werden. Die bekannten WBV-Trainingsgeräte werden mit Elektromotoren
mit Rotierwellen zum Übertragen
der Kraft auf Vorrichtungen zur mechanischen Umwandlung mit abgesetzten
oder exzentrischen Nocken betrieben. Mit diesen Nocken wird die
rotierende Eingangsbewegung (von der Ausgabe von der rotierenden
Motorwelle) in eine vertikale und reziproke Linearbewegung umgewandelt.
Die schnellen und niedrigen vertikalen reziproken Bewegungen der
Amplituden übertragen
die Vibrationen innerhalb einer gezielten WBV-Frequenz, wobei die
Bewegung auf die Plattform übertragen
wird, die den Körper
des Benutzers trägt.
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Die
Rotormotoren, mit denen die WBV-Trainingsgeräte betrieben werden, nutzen
den elektrischen Strom wegen der notwendigen mechanischen Umwandlung
der Rotierbewegung für
die reziproke Bewegung mit Hilfe der mechanischen Umwandlungsvorrichtung
nur unzureichend aus. Außer
dem Umfang, in dem die horizontal erzeugte Bewegung zum Bewegen
der Plattform nach oben und nach unten nutzbar gemacht wird, wird
diese horizontal erzeugte Bewegung von einem Rotiermotor eher verschwendet.
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Ein
weiterer Nachteil der bereits vorhandenen WBV-Trainingsgeräte besteht
in der Komplexität der
mechanischen Umwandlungsvorrichtung, die in einige dieser Trainingsgeräte eingebaut
ist und mit denen die Rotierbewegung in einer vertikale Vibration
umgewandelt werden soll.
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Außerdem sind
die Herstellkosten der Vorrichtung zum Umwandeln der Ausgangsleistung
von der Rotiermotorwelle zum Umwandeln in vertikale reziproke Bewegungen
zum Herstellen eher hoch, diese Vorrichtung ist schwer und beansprucht
auch relativ viel Platz. Die vielen sich bewegenden Teile in der Vorrichtung
der mechanischen Umwandlung sind einerseits kostenaufwendiger und
erfordern andererseits eine häufigere
Wartung, und Ersatzteile dieser Teile sind zudem nicht immer leicht
verfügbar.
Obwohl die Rotiermotore sich zum Übertragen der Rotierung auf
andere Geräte
sich als ideal erweisen, eignen sie sich jedoch nicht zum alleinigen
Erzeugen von vertikalen Vibrationen.
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Einige
WBV-Trainingsgeräte
sind nicht effizient, da diese die Amplitude der auf die Plattform
und auf den Benutzer und mit Hilfe eines Zusatzmotors, der für eine hohe
Amplitudenvibration aktiviert werden kann, übertragenen Vibrationen steuern.
Beispielsweise wird ein vorhandenes WBV-Trainingsgerät mit zwei
Rotiermotoren betreieben: ein Primärmotor wird zum Erzeugen von
Vibrationen mit einer Amplitude von ungefähr 2 mm betrieben, während mit
einem Zusatzmotor die Vibrationen mit einer Amplitude von ungefähr 4 mm
erzeugt werden, wenn dieser Zusatzmotor zusammen mit dem Primärmotor betrieben
wird. Bei anderen WBV-Trainingsgeräten wird die Amplitude der
Vibrationen durch Variieren der Länge eines Antriebshebels innerhalb
einer mechanischen Umwandlungsvorrichtung verändert. Die Länge dieses
Antriebshebels kann von Hand oder mit einem Hilfsmotor justiert
werden, wobei dieser Hilfsmotor – wie der Zusatzmotor – dabei
einerseits mehr Strom verbraucht und andererseits den Umfang dieses
Gerätes
sperriger und größer macht,
dessen Gewicht erschwert und dieses WBV-Trainingsgerät ebenfalls
häufiger
gewartet werden muss.
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Die
vorliegende Erfindung erfordert einen Motor, der die elektrische
Energie effizient nutzt, indem er nur eine Linearbewegung ausübt. Weiter
wird nach einem WBV-Trainingsgerät
gestrebt, mit dem der Benutzer die Amplitude der Vibrationen auf
der Plattform elektronisch und steuerbar variieren kann. Zudem soll
das WBV-Trainingsgerät
nur mit wenigen sich bewegenden Teilen aufgebaut und möglichst wartungsfrei
sein. Außerdem
soll das WBV-Trainingsgerät
leicht im Gewicht sein, kostengünstig
und tragbarer als die bereits vorhandenen WBV-Trainingsgeräte.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Mit
der vorliegenden Erfindung werden die oben genannten Ziele durch
Verwendung eines elektrisch angetriebenen Linearmotors erreicht.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearmotor zum Antreiben
eines WBV-Trainingsgerätes,
insbesondere einen Linearmotor, der die elektrische Energie zum periodischen
Erzeugen und Übertragen
einer einrichtigen und vertikalen Kraft auf eine Plattform, auf
der ein Benutzer steht, aufnimmt. Die mit dem Apparat der vorliegenden
Erfindung erzeugte Linearbewegung erzeugt nur eine vertikale Ausgangsbewegung im
Vergleich einer Rotierausgabemotors, der eine exzentrische mechanische
Verbindung zum Umwandeln einer Rotierausgangsbewegung in eine vertikale und
reziproke Bewegung benötigt.
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Rotiermotore
sind allgemein aus einem Stator (stationär) und aus einem Rotor (rotierend)
aufgebaut. Der Rotor eines Rotiermotors besteht allgemein aus einem
magnetisch reagierenden Material, das so angeordnet ist, dass die
Bewegung und die Rotierung durch Reaktion von einem Magnetfeld auf
eine Welle übertragen
werden, wobei dieses Magnetfeld durch die Durchströmung eines
Stroms durch die Spulen im Stator erzeugt wird. Der Linearmotor
der vorliegenden Erfindung ist mit keinem rotierenden Teil, aber
statt dessen mit einem beweglichen Teil versehen, wobei dieses bewegliche
Teil aus mindestens einem Magnet besteht, welches auf ein Magnetfeld
reagiert, das durch ein Durchströmen
eines Stroms durch die anliegenden Spulen erzeugt wird. Das Magnet,
welches entweder als ein permamentes Scheibenmagnet oder als ein
Elektromagnet ausgeführt
ist, ist allgemein inmitten einer Paars von gegengewundenen Spulen
angeordnet, die elektrisch miteinander verbunden sind. Die Polen
dieser Magnete sind strategisch nahe zu den Spulen positioniert, um
eine vertikale Aufwärtsbewegung
des Magnetes beim Durchströmen
eines Stromes durch diese gegengewundenen Spulen zu bewirken.
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Der
Linearmotor nach der vorliegenden Erfindung kann durch Manipulation
der auf die Spulen angewendeten Frequenzen und Spannungen gesteuert
werden. Eine Konditioniervorrichtung mit Wechselstrom-Wellenform,
allgemein als einen Inverter bekannt, kann zum Konditionieren der
Frequenz eines zum WBV-Trainingsgerät zugeführten elektrischen Stromes
angewendet werden. Mit dem Linearmotor nach der vorliegenden Erfindung
werden Vibrationen in einer Frequenz erzeugt, die mit der Frequenz
des zu den Spulen des Linearmotors zugeführten konditionierten Wechselstromes
(AC) übereinstimmt.
Das Steuern der Frequenz des zum Linearmotor des WBV-Trainingsgerätes zugeführten elektrischen
Stromes stellt eine bevorzugte Methode zum Steuern der Frequenz
der Vibrationen dar, die auf die Plattform und somit auf den Benutzer übertragen
werden, wenn letzterer auf dieser Plattform steht und das Trainingsgerät bedient.
Der Eingangswechselstrom, der allgemein von dem Modem-Elektrizitätsnetzen
zugeführt
wird, wird vom Inverter in Gleichstrom umgewandelt, wonach dieser
Gleichstrom in einen variabel alternierenden Ausgangsstrom umgewandelt
wird. Der Inverter ermöglicht
die Steuerung der Ausgangsfrequenz sowie die Steuerung der Frequenz
der Vibrationen, die mit dem erfindungsgemäßen Linearmotor erzeugt werden.
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Der
andere primäre
Steuerparameter ist die Spannung. Bei einer konstanten Belastung
führt ein Erhöhen oder
Reduzieren der Spannung des auf die Spulen aufgetragenen Wechselstroms
in eine proportionale Zunahme bzw. Abnahme des Stromes und der Leistung,
wobei mit der Amplitude der mit dem Linearmotor erzeugten Vibrationen
die Spannung nachverfolgt wird. Dies stellt einen Hauptvorteil der vorliegenden
Erfindung dar. Ein weiterer Vorteil des Linearmotors nach der vorliegenden
Erfindung über einen
typischen Rotiermotor besteht in der Kapazität zum steuerbaren Variieren
der Amplitude der Bewegung der Plattform unter Anwendung eines elektrischen
Reglers, mit dem die Spannung des zum Spulenpaar zugeführten elektrischen
Stromes variiert wird. Die Amplitude der Vibrationen des bewegenden Teils
des Linearmotors wird durch die Menge des zum Motor zugeführten elektrischen
Stromes gesteuert.
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Die
oben genannten sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen
in der nachstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsart
nach der Erfindung erläutert
und im Zusammenhang mit den beigelegten Zeichnungen hervorgehoben
werden, in denen sich die Bezugsziffern sich auf die entsprechenden
Ziffern der in der nachstehenden detaillierten Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsart
beziehen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Ganzkörpervirbationsgerätes mit
dem Linearmotor nach der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine Explosionsansicht des Linearmotors der vorliegenden Erfindung
mit der Anordnung der Scheibenmagnete und den Stahlplatten.
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3A zeigt
eine perspektivische Ansicht der Innenkammer des Gehäuses einer
Ausführungsart
des Linearmotors nach der vorliegenden Erfindung mit einer Ausrichtestange
und einer Anordnung von Stützfedern.
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3B zeigt
eine perspektivische Ansicht des räumlichen Verhältnisses
zwischen den Spulenpaaren, die innerhalb des Gehäuses montiert sind.
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Scheibenmagnete und der Stahlplatten
einer Ausführungsart
des Motors nach der vorliegenden Erfindung im zusammengebauten Zustand.
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5 zeigt
eine Ansicht einer Steuerungskonsole, die mit dem Linearmotor nach
der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Ganzkörpervibrationsgerätes 10 mit
einem Linearmotor (nicht abgebildet), der unter der Plattform 20 montiert
ist. Diese Plattform 20 ist so ausgeführt, dass der Benutzer mit
seinem Füßen in aufrechter Haltung
darauf stehen kann, selbst wenn diese Plattform 20 leicht
zum Tragen eines menschlichen Körpers
und zum Übertragen
von Vibrationen an einen menschlichen Körper, auch für Tiere
in irgendeiner Position, angepaßt
werden kann, einschließlich
von suspendierten Positionen. Das WBV-Trainingsgerät 10 wird
mit mehreren Stützen 3 getragen,
die an einem Rahmen 4 befestigt sind. Dieser Rahmen 4 stützt eine
vertikale Stange 9, mit der ein Reglersatz 6, 8 und
ein Haltegriff 7 gestützt
werden. Auf dieser vertikalen Stange 9 kann ebenfalls ein
Anzeigeschirm 5 montiert werden, der dem Benutzer die Informationen
anzeigen kann, wie beispielsweise die Zeitdauer, Amplitude und die
Frequenz der Vibrationen, Dauer der WBV-Behandlung, die visuelle
Unterhaltung, Pulsschläge
des Benutzers usw.
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Die 2 zeigt
eine Explosionsansicht einer der Ausführungsarten des erfindungsgemäßen Linearmotors,
wobei hier das bewegende Teil 30 und der Stator 21 gezeigt
sind. Der Stator 21 besteht allgemein aus einem Gehäuse 23 zum
Befestigen und Stützen
eines Spulenzusammenbaus 22, welcher aus drei Spulenpaaren
aufgebaut ist, wobei jedes dieser Spulenpaare aus je zwei aneinanderstoßenden gegengewundenen
Spulen mit mindestens einem Leitungsdraht besteht, wobei dieser
Leitungsdraht bevorzugterweise als einen Kupferdraht ausgeführt ist.
Der Stator 21 besteht weiter aus einem Gehäuse 23,
in dem die drei Spulenpaare in einer relativen parallelen Stellung
zueinander angeordnet und gestützt
sind, wobei sich jedes dieser Spulen in Übereinstimmung zur anderen
Spule innerhalb eines jeden Spulenpaares befindet.
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Weiter
zeigt die 2 eine Explosionsansicht des
bewegenden Teiles 30, welches allgemein aus aufeinander
ausgerichteten Scheibenmagneten 31, 32, 33 aufgebaut
ist, wobei letztere jeweils zwischen den Stahlscheiben 41A und 41B, 42A und 42B und 43A sowie 43B angeordnet
sind, um so einen Stapel von Scheiben zu bilden. Hier wird gezeigt, dass
das untere Scheibenmagnet 31 zwischen den Stahlscheiben 41A und 41B,
das mittlere Scheibenmagnet 32 zwischen den Stahlscheiben 42A und 42B und
das obere Scheibenmagnet 33 zwischen den Stahlscheiben 43A und 43B angeordnet
sind. Mit jedem Paar dieser Stahlscheiben wird das Magnetfeld des
sich zwischen diesen Stahlscheiben angeordneten Scheibenmagnetes
strategisch konditioniert und neu gerichtet, um die elektromechanische Reaktion,
die bei einer elektrischen Anregung der anliegenden Spulenpaare
auf jedes Scheibenmagnet übertragen
wird, zu verstärken.
Die Stahlplatten bearbeiten die große Menge des Magnetflusses,
die mehrere Hundert Amp betragen kann.
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Der
mit jedem Scheibenmagnet 31, 32 und 33 erzeugte
Magnetfluss wird mit den Stahlplattenpaaren 41A und 41B, 42A und 42B, 43A und 43B, zwischen
denen sich jeweils ein Scheibenmagnet 31, 32 bzw. 33 befindet,
jeweils geleitet. Wie dies in der 4 gezeigt
ist, ist zwischen den Paaren der Stahlscheiben und den Scheibenmagneten
zwischen jedem dieser Paare bei dieser Ausführungsart des zusammengebauten
Linearmotors der vorliegenden Erfindung kaum oder gar keine Lücke vorhanden.
Die Trennung dieser Komponenten wird deutlicher in der Explosionsansicht
der 2 dargestellt. Die 4 zeigt,
dass die Scheiben und Magnete im zusammengebauten Motor mit einer
Spannklammer, die durch die Mitte des Scheibenstapels hindurch geführt ist,
sicher miteinander befestigt sind.
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Wie
dies in der 2 gezeigt ist, sind in der Ausführungsart
nach der vorliegenden Erfindung die Scheibenmagnete 31, 32, 33 und
die Stahlscheibenpaare 41A und 41B, 42A und 42B, 43A und 43B mit Öffnungen
versehen, die allgemein nacheinander ausgerichtet sind. Die Scheibenmagnete
und die Stahlplatten bilden einen bewegenden Teil 30, das
so ausgeführt
ist, dass es innerhalb des Bohrloches des allgemein rohrförmig ausgeführten Gehäuses 23 vertikal
bewegt werden kann. Zur Veranschaulichung wird der Spulenzusammenbau 22,
der aus den Spulen 22A, 22B, 22C und 22D aufgebaut
ist, getrennt vom Gehäuse 23 dargestellt.
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Die 2 und
die 4 zeigen eine Ausführungsart nach der vorliegenden
Erfindung, wobei diese Ausführungsart
mit einem mittig beweglichen Teil bestückt ist, welches aus Magneten
und aus einem umlaufenden Stator mit Spulen besteht. Das Erzeugen
von Vibrationen mit Hilfe von Spulen, die in einem bewegenden mittleren
Teil sicher befestigt und über
einen allgemein flexiblen Draht mit einer Stromquelle verbunden sind,
wobei mit diesen Spulen eine elektromechanische Reaktion im mittig
bewegenden Teil mit dem umlaufenden Stator hervorgerufen wird, wobei
dieser Stator aus einem Magnet oder aus mehreren Magneten aufgebaut
ist, die vor Ort zum Erzeugen einer elektromechanischen Reaktion
in diesem mittig bewegenden Teil sicher befestigt sind, fällt in den
Umfang der vorliegenden Erfindung. Weiter beinhaltet der Umfang
der vorliegenden Erfindung die Verwendung eines statischen Teils
in der Mitte, das aus einem oder aus mehreren Magneten aufgebaut ist,
die von einem vertikal beweglichen Spulengehäuse umgeben ist/sind, wobei
dieses Spulengehäuse über einen
flexiblen Draht mit einer Stromquelle verbunden ist. Alle dieser
Ausführungsarten
würden
auf eine Weise funktionieren, um gesteuerte Vibrationen unter Anwendung
des gleichen Prinzips zu erzeugen, das heißt, Durchlassen eines gesteuerten
und konditionierten Stromes durch Spulen, mit denen diskontinuierliche
elektromechanische Reaktionen innerhalb eines Magnetfeldes zur Erzeugung
von magnetischen Vibrationen verursacht werden.
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Die
Spulen des Gehäuses 23 können fest oder
beweglich gesichert innerhalb des Gehäuses 23 angeordnet
sein. Dieses Gehäuse 23 kann
aus einem allgemein magnetisch leitfähigen Material hergestellt
sein, wie beispielsweise aus einem kohlenstoffarmen Metall. Die
Spulen können
auf einem elektrisch nichtleitfähigen
Material, wie z. B. zusammengesetzten Polymer, angeordnet sein.
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Wie
dies in der 2 gezeigt ist, sind die Scheibenmagnete 31, 32 und 33 strategisch
angeordnet, so dass jedes Scheibenmagnet das daneben angeordnete
Scheibenmagnet abstößt. Beispielsweise
ist der Nordpol "N" des unteren Scheibenmagnetes 31 nach
oben zum Scheibenmagnet 32 (in der Mitte) gerichtet, während der
Südpol "S" dieses unteren Scheibenmagnetes 31 nach
unten gerichtet ist. Der Nordpol "N" des
Scheibenmagnetes 32 (in der Mitte) ist nach unten (middle)
und gegenüber
dem gleichen Pol des (unteren) Scheibenmagnetes 31 gerichtet,
während
der Südpol "S" dieses Scheibenmagnetes 32 (in
der Mitte) nach oben zum Südpol "S" des oberen Scheibenmagnetes 33 gerichtet
ist. Der Nordpol "N" dieses oberen Scheibenmagnetes 33 weist
nach oben, während
dessen Südpol "S" nach unten gerichtet ist, so dass sich
letzterer gegenüber dem
Südpol
des Scheibenmagnetes 32 (in der Mitte) befindet. Die Anhäufung des
Magnetflusses durch Erzwingen, dass sich diese gleichen Polen in
unmittelbarer Nähe
zueinander befinden, trägt
dazu bei, dass beim Durchströmen
eines Stromes durch die Spulen eine größere elektromechanische Totalkraft erzeugt
wird. Diese Anordnung ermöglicht
eine deutliche magnetische Dämpfungswirkung
bei der Übertragung
der Vibrationen vom bewegenden Teil 30 des Linearmotors
zur Plattform 20, so dass diese Plattform 20 durch
die elektromechanische Kraft, die mit dem bewegenden Teil 20 erzeugt
wird, bewegt wird.
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Die 3 zeigt den Spulenzusammenbau 22,
der aus einem Satz von drei Paaren von gegengewundenen Spulen 22A und 22B, 22B und 22C und 22C und 22D aufgebaut
ist. Jede Spule ist jeweils elektrisch mit deren anliegendem Spulenpaar
verbunden, während
jedes dieser Paare elektrisch mit den anderen verbunden ist. Das
heißt,
die Spule 22B ist im Gegensatz zur Spule 22A gegengewunden,
die Spule 22C ist im Gegensatz zur Spule 22B gegengewunden,
und die Spule 22D ist im Gegensatz zur Spule 22C gegengewunden.
Jede Spule ist elektrisch mit der anderen verbunden, wie in der 3B gezeigt,
in der auch die Richtung des Stromes in den Windungen der Spulen 22A, 22B, 22C und 22D gezeigt
wird.
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Mit
dem Gehäuse 23,
das nachstehend eingehender beschrieben werden soll, werden die Scheibenmagnete 31, 32,
und 33 innerhalb des Bereichs des elektromechanischen Einflusses
der Felder, die durch die elektrische Anregung des Spulenzusammenbaus 22 erzeugt
werden, gestützt
und positioniert. Das Scheibenmagnet 31 ist zwischen dem Spulenpaar 22A und 22B,
das Scheibenmagnet 32 ist zwischen dem Spulenpaar 22B und 22C,
und das Scheibenmagnet 33 ist zwischen dem Spulenpaar 22C und 22D positioniert.
Diese Windungen sind so angepaßt,
dass mit diesen zwischen jedem Spulenpaar je ein übereinstimmendes
Magnetfeld erzeugt wird, welches dann auf die Scheibenmagnete 31, 32 bzw. 33 übertragen
wird und nach oben wirkende elektromechanischen Reaktionen gegen
die Plattform 20 mit dem Stromfluss erzeugt werden. Wie
dies auf der linken Seite der 2 dargestellt
ist, sind die Magnetpolen der Scheibenmagnete 31, 32 und 33 je nach
N-S, S-N bzw. N-S angeordnet, so dass die Rotierrichtungen des Stromflusses
der Spulenpaare 22A–22B, 22B–22C bzw. 22C–22D mit
der Anordnung der Polen der Scheibenmagnete 31, 32 und 33 übereinstimmt,
um alle Scheibenmagnete bei elektrischer Anregung der Spulen nach
oben gegen die Plattform 20 zu richten.
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3A zeigt
eine perspektivische Ansicht der Innenkammer 54 des Gehäuses 23 einer
Ausführungsart
nach der vorliegenden Erfindung. Das Gehäuse 23 ist mit einer
Ausrichtestange 57, die sich in der Mitte der Kammer 54 befindet,
und mit einer Anordnung von Stützfedern 50,
die innerhalb der Federbohrungen 51 positioniert sind,
versehen. Die allgemein umlaufende Anordnung der Stützfedern 50 kommen
mit den Stahlscheiben 41B in Berührung und stützen auch
deren Gewicht, einschließlich – aber nicht
uneingeschränkt – das der
Scheibenmagnete 31, 32 und 33, Stahlscheiben 41A, 42A, 42B, 43A und 43B,
der Plattform 20 sowie das Gewicht des auf dieser Plattform 20 stehenden
Benutzers, wenn der Motor nicht eingerückt ist. Die Ausrichtestange 57 ist
so angepaßt,
dass sie gleitend in den ausgerichteten Öffnungen in den Scheibenmagneten 31, 32 und 33 und
Stahlscheiben 41A, 41B, 42A, 42B, 43A und 43B aufgenommen
ist, um ein Verschieben dieser Komponenten gegen die Innenwand des
Gehäuses 23 zu
verhindern.
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Die
Stützfedern 50 sind
so angepaßt,
dass sie mit der Frequenz der Vibrationen übereinstimmen, die mit dem
bewegenden Teil 30 des Linearmotors erzeugt werden. Die
Federkonstante ist so ausgeführt,
dass der Benutzer und die Plattform, auf der der Benutzer steht,
gestützt
wird, damit auch die gewünschte
Position der Scheibenmagnete beibehalten wird.
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Die 3B zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Spulenzusammenbaus 22 und eines
gegengewundenes Verhältnisses
zwischen den Spulenpaaren 22A und 22B, 22B und 22C, 22C und 22D, die
innerhalb des Gehäuses 23 angeordnet
sind und mit denen das bewegende Teil 30 des Linearmotors allgemein
umgeben wird (siehe Element in 2).
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Die 4 zeigt
eine perspektivische Ansicht des bewegenden Teiles 30 (siehe
Element 30 in der 2) in einer
Ausführungsart
des Linearmotors nach der vorliegenden Erfindung. Weiter zeigt hier die 4,
dass dieses bewegende Teil 30 sich umgekehrt zur Normalausrichtung
innerhalb des Gehäuses
(nicht gezeigt) angeordnet ist. Die 4 stellt
zudem die Scheibenmagnete 31, 32, 33 und
die Stahlscheiben 41A, 41B, 42A, 42B, 43A und 43B in
deren Verhältnis
des Zusammenbaus miteinander dar, da sie innerhalb des Gehäuses des
Linearmotors angeordnet sind (in der 4 nicht
gezeigt – siehe
Explosionsansicht der 2). Das bewegende Teil im komprimierten
Zustand wird in der 4 gezeigt, das heißt, der
Stapel der Scheibenmagnete und der Stahlscheiben werden in eine
Lage gezwungen, so dass sie sie unmittelbar nahe gegen den magnetischen
Widerstand befinden und somit ein komprimierter Stapel gebildet
wird. Am bewegenden Teil 30 sind mit Bolzen 61,
die durch die ausgerichteten Bolzenlöcher 62 eingeschoben
sind, die Vorsprünge 60 zur
Verhinderung einer Rotierung sicher befestigt sind. Auf die Bolzen 61 können die
Muttern (nicht abgebildet) und übereinstimmend
auf der gegenüberliegenden
Seite in einer "gestapelten" Anordnung aufgesetzt
werden, um so den Widerstand zwischen den aneinander grenzenden
Scheibenmagneten zum Zusammendrücken
des Stapels zu umgehen und um den Magnetfluss an strategischen Orten
zu verstärken.
Die Vorsprünge 60 zur
Verhinderung einer Rotierung sind in einem Muster so verteilt, so
dass sie mit den Positionen der Federstützen (siehe Element 50 in
der 3A) entsprechen und so angepaßt sind, dass sie innerhalb
der Spule einer Feder 50 aufgenommen sind, um eine Rotierung
der Scheibe 43B zu vermeiden.
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Die
Stahlscheiben auf beiden Seiten eines jeden Scheibenmagnetes werden
magnetisch sicher und fest mit der Seite des Scheibenmagnetes befestigt.
Insbesondere sind die Stahlscheiben 43A und 43B magnetisch
mit den gegenüberliegenden
Seiten des Scheibenmagnetes 33 sicher befestigt, während die
Stahlscheiben 42A und 42B an den gegenüberliegenden
Seiten des Scheibenmagnetes 32 magnetisch und die Stahlscheiben 43A und 43B an
den gegenüberliegenden
Seiten des Scheibenmagnetes 33 magnetisch befestigt sind.
Eine Stahlscheibe kann magnetisch fest an den runden Vorsprung 20A befestigt
sein, der sich von der Unterseite der Plattform 20 erstreckt.
Je nach der Stärke
des Scheibenmagnetes und der Belastung durch den Benutzer kann zwischen
den aneinander liegenden Stahlplatten wegen dem magnetischen Widerstand
zwischen den Paaren der Scheibenmagneten eine Lücke verbleiben. Um die Unterseite
der Plattform 20 sind allgemein Verstärkungsrippen 20B gleichmäßig und
im Winkel vorgesehen. Das Linearlager 58 erleichtert die
Gleitbewegung des bewegenden Teiles 30 im Verhältnis zur
Ausrichtestange 57 (in der 3A gezeigt),
der gleitbar im Bohrloch 57A dieses Linearlagers 58 aufgenommen
werden kann. Anstelle des Linearlagers 58 kann eine Buchse
oder eine andere Vorrichtung verwendet werden.
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Der
Bettieb des Linearmotors nach der vorliegenden Erfindung umfaßt die Zuführung der
Stromimpulse zu den Spulenpaaren. Wie dies in der 2 gezeigt
ist, wird mit einer Wechselstromquelle 26 diskontinuierlich
einen Strom an den Draht geleitet, der gewunden ist, um je einen
der vier Spulen 22A, 22B, 22C und 22D zu
bilden. Die vier Spulen bilden dabei drei Paare von gegengewundenen
Spulen, die miteinander verbunden sind. Bei einer elektrischen Anregung
erzeugt jedes Spulenpaar ein Paar von Magnetfeldern, welche allgemein
nach den Oberflächen
der Scheibenmagnete ausgerichtet wird. Mit der Spule 22A wird
ein Magnetfeld mit einem nach und unter dem Südpol des Scheibenmagnetes 31 erzeugt,
um das nach oben gerichtete Scheibenmagnet abzustoßen, während der
Südpol des
erzeugten Magnetfeldes von der Spule 22B vertikal nach
und über
dem Nordpol des Scheibenmagnetes 31 ausgerichtet wird,
um dieses Scheibenmagnet 31 nach oben anzuziehen, um so
eine kombinierte und nach oben reagierende Kraft auf die Plattform 20 auszuüben. Der
Nordpol des Magnetfeldes von der vertikalen Magnetspule 22B ist
vertikal nach und unter dem Nordpol des Scheibenmagnetes 32 angeordnet,
um das Scheibenmagnet nach oben abzustoßen, während der Nordpol des Magnetfeldes
der Spule 22C vertikal und über dem Südpol des Scheibenmagnetes 32 angeordnet
ist, um das Scheibenmagnet 32 nach oben anzuziehen, um
somit eine Reaktionskraft gegen die Plattform 20 zu erzeugen.
Der Südpol
des Magnetfeldes von der Spule 22C, die vertikal nach und
unter dem Südpol
des Scheibenmagnetes 33 angeordnet ist, um das Scheibenmagnet nach
oben abzustoßen,
während
der Südpol
des Magnetfeldes von der Spule 22D vertikal nach und über dem
Nordpol des Scheibenmagnetes 33 ausgerichtet ist, um das
Scheibenmagnet nach oben anzuziehen, um somit eine Reaktionskraft
gegen die Plattform 20 zu erzeugen.
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Typischerweise
wird der Inverter, der an der Stromquelle angeschlossen ist, von
einem Elektrizitätsnetz
mit Wechselstrom (AC) versorgt. Der Inverter empfängt den
Wechselstrom (AC) und wandelt zuerst den Wechselstrom (AC) in einen
Gleichstrom (DC) um, um einen Gleichstrom (DC) mit einer minimalen "Welligkeit" zu erzeugen. Dieser
Gleichstrom (DC) wird dann einem hochseitigen Treiber und einem
niedrigseitigen Treiber innerhalb des Inverters zugeführt, wobei
mit diesem Inverter die Komponenten der positiven bzw. negativen
elektrischen Phase harmonisch konditioniert und versorgt werden,
um so eine modifizierte Wechselstrom-Wellenform (AC) zu erhalten,
mit dem dann der Linearmotor versorgt wird. Die Leistung dieses
Linearmotors hängt
dabei von der Steuerung der Spannung ab, wobei die mit dem Linearmotor
erzeugte Frequenz der Vibrationen durch die Steuerung der Frequenz
des zum Linearmotor zugeführten
konditionierten Wechselstroms (AC) variiert werden. Die Wellenform
des Stromes, der vom Inverter ausgegeben wird, ist dabei eine Sinuswelle.
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Einige
Inverter mit hoher Qualität
können
einen allmählich
reinen Wechselstrom (AC) mit Sinuswelle erzeugen, während billigere
Invertertypen einen Wechselstrom (AC) mit Quasirechteckwellen erzeugen
können.
Obwohl die Frequenz und die Leistung, die mit der Sinuswelle und
der Rechteckwelle erzeugt werden, praktisch dieselben sind, ist
die Wellenform unterschiedlich. Die Leistung des Linearmotors nach
der vorliegenden Erfindung hängt
weniger von der Form der Wellenform als von der Leistung eines Rotiermotors
ab. Mit der impulsierten Energie und dem strategischen Positionieren
der Magnete wird mit der Summe der passenden Polen, die die anderen
Polen abstoßen
bzw. anziehen, ein diskontinuierlicher Impuls erzeugt, um eine Aufwärts- und
Abwärtsbewegung
der Plattform 20 zum Erzeugen von Vibrationen mit einer
Frequenz und Amplitude, die mit Steuervorrichtungen 27 geregelt
werden kann, erzeugt.
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Das
Positionieren des Scheibenmagnetes im Verhältnis zum Spulenpaar spielt
für die
Effizienz und wirksame Betätigung
des Linearmotors der vorliegenden Erfindung eine wichtige Rolle.
Das Magnet und die damit verbundenen oberen und unteren Platten
müssen
für die
beste Wirksamkeit allgemein zwischen den Spulenpaaren angeordnet
sein, damit mit der auf das Scheibenmagnet übertragene Kraft zum Positionieren
des Magnetfeldes des Magnetes am wirksamsten ist, wobei dieses Magnetfeld
dieses Magnetes nach den Magnetfeldern abhängt, die bei einer elektrischen
Anregung mit dem diskontinuierlichen Strom erzeugt werden, hergestellt
werden kann. Jede Spule erzeugt ein Magnetfeld mit einem Nordpol
und einem Südpol,
wobei die richtige Positionierung des Scheibenmagnetes je nach der
Spule kritisch wichtig zur Erzeugung einer Reaktion des Stromes
in der Spule ist.
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Der
Linearmotor der vorliegenden Erfindung ist so angepaßt, damit
dieser je nach unterschiedlichen Belastungen auf der Plattform 20 entsprechend justiert
werden kann. Der Linearmotor braucht zum Erzeugen der gleichen Frequenz
und der Amplitude zum Verschieben und Bewegen eines schwereren Körpergewichtes
auf der Plattform 20 mehr Energie. Die Verschiebung und
Bewegung der Plattform 20 hängt teilweise von der Belastung
auf der Plattform 20 und auch von der elektrischen Energie
ab, die mit dem Wechselstrom 26 dem Linearmotor zugeführt wird.
Das Gewicht des Benutzers, der auf der Plattform 20 steht,
wird zwangsweise je nach den Benutzers des WBV-Trainingsgerätes variiert.
Mit einer Methode der vorliegenden Erfindung kann eine vorbestimmte
Menge der elektrischen Energie anfänglich auf den Spulenzusammenbau 22 des
Linearmotors bei dessen Aktivierung aufgetragen werden, um damit
die Plattform 20 zu verschieben und zu bewegen. Wenn der
Benutzer die Bewegungsamplitude mit der Steuerungskonsole (siehe
Element 5 der 1) einstellt, wird ein vorbestimmter
Strom zum Erzeugen der Vibrationen auf den Linearmotor aufgetragen.
Ein Verschiebungsamplitudensensor mißt die Vibration der Plattform 20.
Eine Rückkopplungssteuerung
in der Steuerungsvorrichtung nimmt die Meßwerte vom Verschiebungssensor
auf und justiert damit die Wechselstromversorgung zum Linearmotor, um
die vom Benutzer gewünschte
Amplitude der Verschiebung und Bewegung zu erzielen.
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Wie
dies in der 2 gezeigt ist, wird der Wechselstrom,
der dem Linearmotor der vorliegenden Erfindung zugeführt wird,
mit den Steuerungsmitteln 27 konditioniert. Die Steuerungsmittel
können dabei
ein Computer, ein Mikroprozessor oder ein Stomumwandler oder irgendein
Gerät zum
Konditionieren eines Wechselstroms sein. Die Linearmotor der vorliegenden
Erfindung kann so angepaßt
werden, dass er mit einem elektrischen Strom mit fast einer beliebigen
Spannung betrieben werden kann, jedoch aber vorzugsweise mit einer
Spannung zwischen 12 Volt und 400 Volt und am besten mit einer Spannung
von 100 Volt bis 300 Volt betrieben wird.
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5 zeigt
eine Abbildung einer Ausführungsart
der Anzeigetafel (siehe Element 5 in der 1)
für das
WBV-Trainingsgerät
mit dem Linearmotor nach der vorliegenden Erfindung. Die Vibrationsfrequenz
der Plattform 20 kann justierbar geregelt werden, z. B.
können
die Amplitude der Verschiebung innerhalb der Frequenz zwischen 20
Hz und 60 Hz sowie die Zeitdauer von 1 Minute bis zu 20 Minuten
von 0,5 mm bis 6 mm gesteuert bzw. geregelt werden.
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Der
Linearmotor der vorliegenden Erfindung funktioniert mit dem diskontinuierlichen
Wechselstrom (AC) zufriedenstellend ohne eine reine Sinuswelle.
Weiter erfordert der Linearmotor der vorliegenden Erfindung keine
Speisung des elektrischen Stromes in einer reinen Sinuswelle, da
er nicht rotiert wird. Ein deutlicher Vorteil des Linearmotors nach
der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass dieser nur mit einer
Wechselstromphase betrieben werden muss, während ein Rotiermotor zum Anregen
des Stators drei Phasen benötigt,
wobei mit jeder Phase der Rotor des Motors 1200 zum Ausführen einer
Umdrehung angetrieben wird.
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Die
Ausdrücke "beinhaltend", "einschließlich" und "hat/haben" in der Beschreibung
der nachstehenden Schutzansprüche
sowie in dieser Patentschrift weisen auf eine Gruppe hin, die andere
und sonstige Elemente oder Merkmale beinhalten, die nicht erwähnt sind.
Die Ausdrucksweise "grundsätzlich bestehend
aus" in den Schutzansprüchen und der
oben beschriebenen Patentschrift weist auf eine teilweise offene
Gruppe hin, die andere nicht angegebene Merkmale beschreibt, solange
diese anderen Elemente oder Merkmale die grundsätzlichen und innovativen Eigenschaften
des beanspruchten Patentes nicht wesentlich abändern. Die Begriffe "ein", "eine", "einen" sowie die Einzahl
der Begriffe schließen ebenfalls
die Mehrzahl der gleichen Wörter
mit ein, wobei dieser Begriff darauf hinweist, dass eines oder mehrere
dieses Merkmals verfügbar
ist. Die Begriffe "mindestens
eine" und "ein oder mehrere" werden abwechselnd
verwendet.
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Die
Begriffe "ein", "eine", "eines" oder "einzeln/e" werden zum Anzeigen
verwendet, dass es sich nur um eine Komponente eines Ganzen handeln soll. Ähnlicherweise
beziehen sich weitere spezifische Ganzwerte, wie "zwei", wenn eine bestimmte Anzahl
von Gegenständen
gemeint ist. Die Begriffe "vorzugsweise", "bevorzugt/e", "vorziehen", "kann/können" werden zum Hinweisen
auf eine bevorzugte Einzelheit, eines Zustandes oder eines Schrittes
und Vorganges verwendet, wobei diese al seine Option (nicht unbedingt
notwendiges Merkmal) der vorliegenden Erfindung betrachtet werden
sollen.
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Der
Begriff "Magnet" hier beschreibt
einen Körper
mit der Eigenschaft zum Anziehen von Eisen und zum Erzeugen eines
Magnetfeldes darum herum, und beschreibt insbesondere Elektromagnete, mit
denen bei einer elektrischen Anregung mit Strom das Eisen angezogen
und ein Magnetfeld erzeugt wird.
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Wie
dies aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist es selbstverständlich,
dass an der bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifizierungen und Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne dabei vom Umfang und Geist dieser vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die obige Beschreibung dient lediglich zum Zweck der Darstellung
und Veranschaulichung und soll nicht in einem eingeengten Sinn dargestellt
sein, wobei der Umfang dieser Erfindung sich nur nach der Ausdrucksweise
der nachstehenden Schutzansprüche
richten soll.