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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Elektromotoren und
insbesondere einen Permanentmagnet-Gleichstrom (DC)-Motor.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Der
Permanentmagnet-Gleichstrommotoren sind in Gebieten wie der Büroautomatisierung,
bei Haushaltsgeräten und elektrischen Fahrzeugteilen aufgrund
ihrer Vorteile eines einfachen Aufbaus, zuverlässiger elektromagnetischer
Eigenschaften und einfacher Wartung weit verbreitet.
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Gemäß 8,
auf die nun Bezug genommen wird, verwendet ein traditioneller Permanentmagnet-Gleichstrommotor
gewöhnlich vier Permanentmagneten 101 bis 104,
die symmetrisch innerhalb der Eisenumschalung oder dem Gehäuse
des Motorstators zum Erzeugen von vier Feldpolen befestigt sind;
die Anzahl der Permanentmagnete ist daher gleich der Anzahl der
Feldpole, und jeder Magnetkreis aus zwei Magneten in Reihe gebildet.
Von außerhalb des Stators gesehen sind benachbarte Magnete
sich gegenüberliegend angeordnet. Diese traditionelle Rotoranordnung
ist jedoch nicht für Kleinleistungsmotoren kleiner Größe
geeignet. Werden Selten-Erd-Magnete mit großer Remanenz
verwendet, können dünne Permanentmagnete die magnetischen Anforderungen
eines Kleinleistungsmotors erfüllen. Dünne Magnete
jedoch, insbesondere Magnete mit einer Wanddicke von weniger als
2 mm, sind jedoch sehr empfindlich und können während
der Herstellung und dem Zusammenbau leicht beschädigt werden.
Werden Magnete zum Verhindern einer Beschädigung während
des Zusammenbaus dicker gefertigt, hat dies eine geringe Auslastung
und eine Verschwendung magnetischen Materials zur Folge. Weil in
jedem gleichwertigen Magnetkreis zwei Magnetstücke in Reihe
geschaltet sind, und das Magnetfeld so stark ist, tritt eine Sättigung
des Statorgehäuses ein. Anders ausgedrückt wird
magnetisches Material verschwendet. Weiter verkomplizieren benachbarte Magnete
mit entgegengesetzten magnetischen Polen den Einbauvorgang der Magnete
in das Gehäuse.
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Das
US-Patent 4 296 343 offenbart
einen Elektromotor, der zwei Magnete und zwei einwärts vorstehende
Polstücke des Gehäuses zum Ausbilden von vier
Feldpolen verwendet. Die Größe der Luftlücken
zwischen den Magneten und des Ankers ist jedoch gleich zu der Größe
der Luftlücken, die zwischen den sich einwärts
vorstehenden Polstücken und des Ankers gebildet sind. Die
daraus resultierende Feldverteilung zwischen den Magnetpolen und den
Gehäusepolen ist ungleich.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Zur
Lösung der oben genannten Probleme schafft die vorliegende
Erfindung einen Motor, der aufweist: einen Gehäuse; einen
drehbar in dem Gehäuse montierten Rotor; und n Permanentmagnete mit
der gleichen Polarität, die an einer inneren Oberfläche
des Gehäuses befestigt sind. Das Gehäuse weist
n sich erstreckende innere vorstehende Teile auf. Die Permanentmagneten
und die innen vorstehenden Teile sind abwechselnd in einer Umfangsrichtung
um den Rotor herum angeordnet. Die Magnete erzeugen über
das Gehäuse und den Rotor 2n Magnetkreise, wobei
n eine ganze Zahl größer als 1 ist. Die Größe
wenigstens eines Bereichs erster Luftlücken, die zwischen
den Permanentmagneten und dem Rotor gebildet sind, ist größer
als die Größe wenigstens eines Bereichs zweiter
Luftlücken, die zwischen den innen vorstehenden Teilen
und dem Rotor gebildet sind. Dies führt zu einer Verriegelung
des Ungleichgewichts der gegenelektromagnetischen Kraft (Gegen-EMK)
zwischen den magnetischen Feldpolen und die induzierten Feldpolen.
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Vorzugsweise
haben die ersten Luftlücken eine konstante Breite und die
zweiten Luftlücken haben eine konstante Breite.
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Alternativ
haben die ersten Luftlücken eine konstante Breite und die
zweiten Luftlücken haben eine sich ändernde Breite,
wobei die Größe der ersten Luftlücken
größer als die minimale Größe
der zweiten Luftlücken ist.
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Alternativ
haben die ersten Luftlücken eine sich verändernde
Breite und die zweiten Luftlücken haben eine konstante
Breite, wobei die maximale Größe der ersten Luftlücken
größer als die Größe der zweiten
Luftlücken ist.
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Alternativ
haben die ersten Luftlücken eine sich verändernde
Breite und die zweiten Luftlücken haben eine sich verändernde
Breite, wobei die maximale Größe der ersten Luftlücken
größer als die maximale Größe
der zweiten Luftlücken ist.
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Vorzugsweise
liegt die Größe der ersten Luftlücken,
die zwischen den Permanentmagneten und dem Rotor gebildet sind,
im Bereich von 0,4 mm bis 0,8 mm, und die Größe
der zweiten Luftlücken, die zwischen den inneren vorstehenden
Teilen und dem Rotor gebildet sind, liegt in dem Bereich von 0,4
mm bis 0,6 mm.
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Mehr
insbesondere liegt die Größe der ersten Luftlücken,
die zwischen dem Permanentmagneten und dem Rotor gebildet sind,
im Bereich von 0,4 mm bis 0,7 mm, und die Größe
der zweiten Luftlücken, die zwischen den inneren vorstehenden
Teilen und dem Rotor gebildet sind, liegt in dem Bereich von 0,4
mm bis 0,46 mm.
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Vorzugsweise
ist der Motor ein Permanentmagnet-Gleichstrommotor.
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Vorzugsweise
ist n gleich 2 und die beiden Permanentmagnete bilden zwei magnetische
Feldpole an den beiden Permanentmagneten beziehungsweise zwei induzierte
Feldpole an den beiden inneren vorstehenden Teilen.
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Vorzugsweise
ist Breite der Permanentmagnete in Umfangsrichtung im Bogenmaß gemessen größer
als die Breite der inneren vorstehenden Teile in Umfangsrichtung.
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Vorzugsweise
sind innere Oberflächen der Permanentmagnete zum Rotor
gerichtet, sind äußere Oberflächen der
Permanentmagnete an einer inneren Oberfläche des Gehäuses
befestigt und sind die innere Oberfläche und die äußere
Oberfläche jedes Permanentmagnets nicht-konzentrisch.
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Vorzugsweise
ist die Dicke eines mittleren Teiles jedes Permanentmagneten größer
als die Dicke seines Endteils in Umfangsrichtung, so dass die Luftlücke
zwischen dem mittleren Teil und dem Rotor kleiner ist als die Luftlücke
zwischen dem Endteil und dem Rotor.
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Vorzugsweise
ist die Dicke des Gehäuses gleichförmig und die
inneren vorstehenden Teile des Gehäuses werden durch Stanzen
oder Tiefziehen der entsprechenden Teile des Gehäuses in
einer radialen Richtung des Gehäuses einwärts
gebildet.
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Vorzugsweise
ist der Rotor einen gewickelter Anker, der eine Mehrzahl von sich
radial erstreckenden Zähnen hat, um die eine Ankerwicklung
gewickelt ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung werden beispielhaft im
Folgenden mit Bezug auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Ausmaße der Bauteile und Merkmale, die in
den Figuren gezeigt sind, sind nur zum Nutzen und zur Klärung
der Darstellung gewählt und nicht unbedingt maßstabsgetreu
gezeigt. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
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1 ist
eine Schnittansicht eines Motors gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein Diagramm der Magnetflussverteilung und der Felddichte des Motors
aus 1;
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3 zeigt
jeweils zwei Gegen-EMK-Wellen für eine Spule des Ankers
des Motors aus 1 und eine Spule des Ankers
eines Motors aus dem Stand der Technik;
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4 ist
die schnelle Fourier-Transformation (FFT) der Gegen-EMK-Welle aus 3;
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5 ist
eine Schnittansicht ähnlich 1 eines
Motors gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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6 ist
eine Schnittansicht, ähnlich 1, eines
Motors gemäß einer dritten Ausführungsform;
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7 ist
eine Schnittansicht, ähnlich 1, eines
Motors gemäß einer vierten Ausführungsform; und
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8 ist
eine Schnittansicht eines konventionellen Motors.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Das
zu lösende technische Problem, die technische Lösung
und die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Erfindung können
am besten aus der folgenden ausführlichen Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten
Figuren verstanden werden. Es soll verstanden werden, dass die hier
beschriebenen besonderen Ausführungsformen lediglich Beispiele
zur Beschreibung der Erfindung sind und nicht dazu vorgesehen sind,
die vorliegende Erfindung einzuschränken.
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1 und 2 zeigen
einen Gleichstrommotor gemäß einer bevorzugten
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der
ein Gehäuse 20, einen drehbar in dem Gehäuse 20 montierten
Rotor 40 und ein Paar Permanentmagneten 60 hat,
die an einer inneren Oberfläche des Gehäuses 20 diametral
befestigt sind und zwischen dem Gehäuse 20 und
dem Rotor 40 angeordnet sind.
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Das
Gehäuse 20 ist aus einem magnetisch leitenden
Material gefertigt und hat eine im Wesentlichen zylindrische Form.
Zwei Teile des Gehäuses 20 in der Umfangsrichtung
zwischen den Magneten 60 stehen zum Bilden zweier innerer
vorstehender Teile 22 in der radialen Richtung einwärts
vor. Die inneren vorstehenden Teile 22 können
durch Stanzen oder Tiefziehen der entsprechenden Teile des Gehäuses 20 nach
innen hin gebildet werden.
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Der
Rotor 40 ist an einer Welle 44 befestigt. Der
Rotor 40 ist ein gewickelter Anker, der eine Mehrzahl von
entlang der axialen Richtung des Motors aufgestapelten Blechen aufweist.
Der Rotor 40 umfasst eine Mehrzahl von sich in die radiale
Richtung des Motors erstreckenden Zähnen 42. Wicklungen (nicht
gezeigt) sind an den Zähnen 42 gewickelt.
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Vorzugsweise
sind die Magneten 60 aus Selten-Erd-Materialien gemacht.
Die innere Oberfläche der Permanentmagnete 60 sind
zu den Zähnen 42 des Rotors 40 gerichtet
und ihre äußere Oberflächen sind an der
inneren Oberfläche des Gehäuses 20 befestigt.
Die beiden Permanentmagneten 60 und die beiden inneren
vorstehenden Teile 22 sind abwechselnd um den Umfang des
Rotors 40 angeordnet. Entlang der radialen Richtung des
Rotors zwischen der inneren Oberfläche der Magneten 60 und
der äußeren Oberfläche des Rotors 40 gebildete
Luftlücken werden als erste Luftlücken 30 bezeichnet,
und die zwischen der inneren Oberfläche der inneren vorstehenden
Teile 22 des Gehäuses 20 und der äußeren Oberfläche
des Rotors 40 gebildeten Luftlücken werden als
zweite Luftlücken 32 bezeichnet.
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Die
beiden Magnete 60 bilden beispielsweise vier magnetische
Feldpole, zwei magnetische Feldpole N an den beiden Permanentmagneten 60 und
zwei induzierte Feldpole S an den beiden inneren vorstehenden Teilen 22.
Jeder magnetische Feldpol N und jeder induzierte Feldpol S bilden
gemeinsam einen durch den Rotor 40 laufenden Magnetkreis.
Daher ist nur ein Stück eines Permanentmagneten in jeder
Magnetschaltung in Reiche geschaltet, was zu einer vollständigen
Ausnutzung der Magnete führt und das Sättigungsproblem
des Magnetkreises verhindert oder wenigstens größtenteils
verringert.
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Um
das Ungleichgewicht in der Gegen-EMK zwischen den magnetischen Feldpolen
und den induzierten Feldpolen zu verringern, ist die Größe
von wenigstens eines Bereichs der ersten Luftlücke 30 größer
als die Größe von wenigstens eines Bereichs der
zweiten Luftlücke 32. Es ist zu beachten, dass
die Größe der Luftlücke in der vorliegenden
Erfindung die Breite der Luftlücke in radialer Richtung
des Rotors gemessen bedeutet. Auch können die Luftlücken konstant
oder sich ändernd sein. Unter dem Begriff „konstant” wird
verstanden, dass die in der radialen Richtung gemessene Größe
der Luftlücke konstant ist. Durch den Begriff „sich ändernd” wird
verstanden, dass sich die Größe der Luftlücke
vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, auf gleichmäßige
Art und Weise in der Umfangsrichtung verändert.
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In
der ersten Ausführungsform der 1 sind die
ersten Luftlücken 30 und die zweiten Luftlücken 32 sich
verändernde Luftlücken. 5 zeigt eine
zweite Ausführungsform, ähnlich zu der ersten Ausführungsform,
mit der Ausnahme dass die ersten Luftlücken 30 und
die zweiten Luftlücken 32 konstante Luftlücken
sind.
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6 zeigt
eine dritte Ausführungsform, ähnlich zu der ersten
Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass die ersten Luftlücken 30 konstante
Luftlücken sind und die zweiten Luftlücken 32 sich
verändernde Luftlücken sind. 7 zeigt
eine vierte Ausführungsform, ähnlich zu der ersten
Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass die ersten Luftlücken 30 sich
verändernde Luftlücken sind und die zweiten Luftlücken 32 konstante
Luftlücken sind.
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Insbesondere
wenn die Luftlücken 30 konstant sind und die Luftlücken 32 konstant
sind, sollte die Größe der Luftlücken 30 größer
sein als die Größe der Luftlücken 32.
Wenn die Luftlücken 30 konstant sind und die Luftlücken 32 sich
verändern, sollte die Größe der Luftlücken 30 größer
sein als die minimale Größe der Luftlücken 32.
Vorzugsweise ist die Größe der Luftlücken 30 größer
oder gleich der maximalen Größe der Luftlücken 32.
Wenn die Luftlücken 30 sich verändern
und die Luftlücken 32 konstant sind, sollte die
maximale Größe der Luftlücken 30 größer
sein als die Größe der Luftlücken 32.
Wenn sowohl die Luftlücken 30 als auch die Luftlücken 32, sich
verändern, sollte die maximale Größe
der Luftlücken 30 größer als
die minimale Größe der Luftlücken 32 sein.
Vorzugsweise ist die maximale Größe der Luftlücken 30 größer
als die maximale Größe der Luftlücken 32.
Die Größe der Luftlücken 30 liegt
beispielsweise in dem Bereich von 0,4 mm bis 0,8 mm und die Größe
der Luftlücken 32 liegt in dem Bereich von 0,4
mm bis 0,6 mm. In einer bevorzugten Ausführungsform ist
die Größe der Luftlücken 30 in
dem Bereich von 0,4 mm bis 0,7 mm und die Größe
der Luftlücken 32 ist in dem Bereich von 0,4 mm
bis 0,46 mm, d. h. die maximale Größe der Luftlücken 30 ist
größer als die maximale Größe
der Luftlücken 32 und die minimale Größe
der Luftlücken 30 ist gleich der minimalen Größe
der Luftlücken 32.
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Bei
der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform, auf
die nun wieder Bezug genommen wird, sind vorzugsweise die innere
Oberfläche und die äußere Oberfläche
der Magneten 60 nicht-konzentrische Bögen. Der
mittlere Teil des Permanentmagneten 60 ist dicker als die
beiden in Umfangsrichtung gesehenen Endteile, so dass die Luftlücke
zwischen dem mittleren Teil und dem Anker 40 kleiner ist als
die Luftlücke zwischen den Endteilen und dem Anker 40.
Vorzugsweise verringert sich die Dicke des Magneten 60 von
dem mittleren Teil zu den Endteilen hin allmählich, so
dass die Luftlücke zwischen dem Magneten 60 und
dem Anker 40 von dem mittleren Teil zu dem Endteil hin
allmählich breiter wird.
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Vorzugsweise
ist der Winkel α, der von jedem Magneten 60 überschnitten
wird, zur weiteren Verringerung des Ungleichgewichtes der Gegen-EMK
größer als der Winkel β, der von jedem
inneren vorstehenden Teil 22 überschnitten wird.
Das bedeutet, dass die Ausdehnung in Umfangsrichtung oder Breite
der Magnetpole vorzugsweise größer ist als die
der induzierten Pole.
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3 zeigt
jeweils zwei Gegen-EMK-Wellen für eine Spule des Ankers
eines Motors gemäß der ersten Ausführungsform
der
1, in welcher die Größe wenigstens
eines Bereichs der Luftlücke
30 größer
ist als die Größe wenigstens eines Bereichs der
Luftlücke
32, und für eine Spule des
Ankers eines Motors des Standes der Technik gemäß
US Patent Nr. 4 296 343 ,
in welchem die Größe der Luftlücken
30 und
32 konstant
und gleich zueinander sind.
4 ist eine
schnelle Fourier Transformation (FFT) der Gegen-EMK-Wellen der
3.
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Gemäß 3 auf
die nun Bezug genommen wird, stellt die gestrichelte Linie in 3 die
Welle für eine Spule des Ankers des Motors aus dem Stand der
Technik dar und die durchgezogene Linie stellt die Welle einer Spule
des Ankers der ersten Ausführungsform dar. Es ist zu sehen,
dass das Ungleichgewicht der Gegen-EMK in dem Motor der ersten Ausführungsform
im Vergleich zu dem Motor aus dem Stand der Technik verringert ist,
was durch die Ansicht der FFT der 4 bestätigt
wird, welche zeigt, dass die harmonischen Komponenten geradzahliger Ordnung
in der FFT der Gegen-EMK-Wellen, die zu dem Motor der ersten Ausführungsform
gehören, im Vergleich zu dem Motor aus dem Stand der Technik verringert
sind. In 4 stellen die karierten Säulen den
Motor aus dem Stand der Technik dar, während die schraffierten
Säulen den Motor der ersten Ausführungsform darstellen.
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Bei
den obigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
ist es durch Verwendung der Hälfte der Anzahl der Permanentmagnetstücke
mit derselben Polarisation möglich, dieselbe Anzahl von Feldpolen
in Vergleich zu den konventionellen Motor zu erzielen, was den Zusammenbau
des Stators vereinfacht. Weiter ist das Materialauslastungsverhältnis
der Selten-Erd-Magnete vergrößert und die Magnete
können mit einer vergleichsweise größeren
Dicke gemacht werden, was die Gefahr, dass die Magnete während
der Produktion und des Einbaus der Magnete in das Gehäuse
brechen, verringert. Da die Ausrichtung des magnetischen Feldes
jedes Magnets gleich ist, ist der Einbauvorgang und die Magnetisierung
der Magnete vereinfacht. Die Größe wenigstens
eines Bereichs der Luftlücke 30 ist größer als
die Größe wenigstens eines Bereichs der Luftlücke 32,
was zu einer Verringerung des Ungleichgewichtes der Gegen-EMK zwischen
den magnetischen Feldpolen und den induzierten Feldpolen führt. Die
Breite der Magnete gemessen im Bogenmaß ist größer
als die Breite des inneren vorstehenden Teils was den Vorteil hat,
das Ungleichgewicht der Gegen-EMK zwischen den magnetischen Feldpolen und
den induzierten Feldpolen zu verringern.
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Obwohl
die Erfindung in Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben ist, soll von dem Fachmann verstanden werden, dass verschiedene
Abwandlungen möglich sind. Daher wird der Geltungsbereich
der Erfindung mit Bezug auf die folgenden Ansprüche bestimmt.
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In
der Beschreibung und den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung
wird jedes der Verben „umfassen”, „aufweisen”, „beinhalten” und „haben” und
ihre Abwandlungen in einem einschließenden Sinn verwendet,
um das Vorhandensein von genannten Teilen auszudrücken,
aber nicht, um das Vorhandensein von zusätzlichen Teilen
auszuschließen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4296343 [0004, 0040]