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Stand der Technik
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Elektrische Synchronmaschinen weisen einen beweglichen, insbesondere rotierenden Maschinenteil, den Rotor, und einen unbeweglichen Teil, den Stator, auf. Beispielsweise am rotierenden Maschinenteil können Magnete angeordnet sein. Bei Betrieb der Maschine werden die Magnete durch Fliehkräfte nach außen gedrückt und müssen durch Konstruktionsmerkmale der Maschine gegen zu hohe Fliehkräfte geschützt werden.
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Die elektrische Synchronmaschine erreicht selten einen Maximalwert des möglichen Drehmoments. Häufig liegen die Lastpunkte zwischen 0 und 20% des maximalen Drehmoments. Dies gilt für den kompletten Drehzahlbereich. Bei Stadtzyklen liegen die Lastpunkte zum Beispiel im unteren, bei Landzyklen im mittleren und bei Autobahnzyklen im oberen Drehzahlbereich.
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Offenbarung der Erfindung
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Es kann daher ein Bedarf an einer verbesserten elektrischen Synchronmaschine und einem elektrischen Fahrzeug mit einer entsprechenden Synchronmaschine bestehen, die insbesondere eine Erhöhung des Maschinenwirkungsgrades im zyklusrelevanten Teillastbereich bei gleichzeitiger Erfüllung der hohen Anforderungen an Maximaldrehmoment, Maximalleistung und Maximaldrehzahl ermöglichen.
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Diese Aufgabe kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Synchronmaschine mit einem Rotor und einer Vielzahl von Polen vorgestellt. Die Pole weisen eine Polbreite auf, die einem Winkel von 360°, geteilt durch die Vielzahl der Pole, entspricht. Jeder Pol weist einen ersten Magneten und einen zweiten Magneten mit einer gemeinsamen Magnetbreite auf. Die Magnetbreite entspricht einem Winkel, der zwischen einer ersten Sekante und einer zweiten Sekante gebildet ist. Die erste Sekante verläuft durch den Mittelpunkt des Rotors und durch einen dem Rotorrand am nächsten liegenden Punkt des ersten Magneten. Die zweite Sekante verläuft durch den Mittelpunkt des Rotors und durch einen dem Rotorrand am nächstliegenden Punkt des zweiten Magneten. Dabei beträgt die Magnetbreite weniger als 75% der Polbreite.
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Anders ausgedrückt basiert die Idee der Erfindung darauf, den Maschinenwirkungsgrad der elektrischen Synchronmaschine dadurch zu erhöhen, dass mittels der beschriebenen Rotorgeometrie mit der speziell gewählten Anordnung der Magnete Eisenverluste reduziert werden.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Rotors der elektrischen Synchronmaschine bewirkt neben der vorteilhaften Erhöhung des Wirkungsgrades und der Reduzierung von Eisenverlusten zusätzlich eine Reduzierung der Drehmomentwelligkeit und eine Erhöhung der mechanischen Drehzahlfestigkeit.
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Die elektrische Synchronmaschine kann als permanent erregte Synchronmaschine bzw. als Elektromotor oder Generator ausgeführt sein. Die Synchronmaschine kann einen Rotor und einen Stator aufweisen. Der Rotor kann dabei kreisförmig, zum Beispiel als kreisförmiges Rotorblechpaket, ausgeführt sein. Der Stator kann ringförmig ausgeführt sein und den kreisförmigen Rotor umgeben. Der Rotor weist eine Vielzahl von Polen auf, die zum Beispiel als Austrittsbereiche von magnetischen Feldlinien aus einem magnetischen Kreis definiert sein können. Die Vielzahl von Polen entspricht einer geraden Anzahl von mindestens zwei Polen. Beispielsweise kann der Rotor zwei, vier, sechs, acht, zehn usw. Pole aufweisen. Der Rotor wird durch die Pole in symmetrische Kreissegmente unterteilt. Eine Polbreite entspricht dabei 360° geteilt durch die Anzahl der Pole. Alternativ kann die Polbreite auch in Bogenmaß oder in elektrischen Grad angegeben werden. Beispielsweise beträgt die Polbreite bei einem 8-poligen Rotor 45°.
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Jeder Pol weist einen ersten Magneten und einen zweiten Magneten auf, die beispielsweise als Permanentmagneten ausgeführt sind. Ferner kann jeder Pol mehrere erste und mehrere zweite Magnete aufweisen. Der erste und der zweite Magnet können V-förmig angeordnet sein. Ferner können die Magnete in taschenförmigen Ausstanzungen, hier Ausnehmungen genannt, im Rotorblechpaket angeordnet sein.
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Der erste und der zweite Magnet sind symmetrisch innerhalb des Pols angeordnet. Das heißt zum Beispiel, dass die durch Spiegeln an einer durch die Mitte des Pols und durch den Rotormittelpunkt verlaufenden Linien aufeinander abgebildet werden können. Der erste und zweite Magnet weisen jeweils eine Längsachse auf, die in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Rotors liegt.
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Der erste und der zweite Magnet spannen gemeinsam eine Magnetbreite auf, die einem Winkel entspricht, der zwischen einer ersten Sekante und einer zweiten Sekante gebildet ist. Sowohl die erste als auch die zweite Sekante verlaufen durch den Mittelpunkt des Rotors und können auch als erste und zweite Zentrale bezeichnet werden. Die erste Sekante verläuft ferner durch den ersten Magneten in einem Punkt, der dem Rotorrand am nächsten liegt. Ist der erste Magnet in etwa parallel zum Rotorrand angeordnet, so kann die erste Sekante durch einen Punkt des Magneten verlaufen, der dem benachbarten Pol am nächsten ist. Der Rotorrand kann dabei z. B. der Umfang des Rotors sein. Analog verläuft die zweite Sekante durch den zweiten Magneten in einem Punkt, der dem Rotorrand am nächsten liegt. Z. B. liegt dieser Punkt des zweiten Magneten dem anderen benachbarten Pol am nächsten.
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Die Magnetbreite kann ferner dem Bereich eines Pols entsprechen, der von dem ersten Magneten und dem zweiten Magneten abgedeckt wird. Sofern sich der erste und der zweite Magnet nicht berühren, kann auch der Bereich zwischen den Magneten zur Magnetbreite gehören. Die Magnetbreite beträgt dabei weniger als 75% der Polbreite. Beispielsweise beträgt die Polbreite bei einem 8-poligen Rotor, wie oben dargestellt, 45°, somit beträgt in diesem Beispiel die Magnetbreite weniger als 33,75°.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Magnetbreite mehr als 65° der Polbreite. In dem Beispiel mit dem 8-poligen Rotor beträgt die Magnetbreite also mehr als 29,25°, somit liegt die Magnetbreite zwischen 65% und 75% der Polbreite.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der erste Magnet in einer ersten Ausnehmung und der zweite Magnet in einer zweiten Ausnehmung angeordnet. Die erste und zweite Ausnehmung sind ebenso wie die Magneten symmetrisch zueinander angeordnet. Die Ausnehmungen können beispielsweise taschenförmige Ausstanzungen im Rotorblechpaket darstellen. Die Ausnehmungen spannen eine gemeinsame Ausnehmungsbreite auf, die analog zur Magnetbreite einem Winkel entspricht, der durch zwei Sekanten aufgespannt wird. Diese Sekanten, nämlich die dritte und vierte Sekante, sind ähnlich zu der ersten und zweiten Sekante definiert. Die Magnetbreite ist dabei kleiner als die Ausnehmungsbreite. Das heißt, die Magnete verschwinden in den Ausnehmungen und die Ausnehmungen decken einen größeren Winkelbereich als die Magnete ab. Die Ausnehmungsbreite beträgt dabei weniger als 95% der Polbreite. Im Beispiel des 8-poligen Rotors beträgt die Ausnehmungsbreite also weniger als 42,75°.
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Sowohl die Pol-, als auch die Magnet- und Ausnehmungsbreite entsprechen einer Abmessung bzw. Gradangabe in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Rotors.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Ausnehmungsbreite mehr als 85% der Polbreite. Im oben genannten Beispiel ist die Ausnehmungsbreite somit größer als 38,25°.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Magnetbreite zwischen 70 und 85% der Ausnehmungsbreite.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der erste und der zweite Magnet V-förmig angeordnet. Dabei laufen die Längsachsen der Magnete in radialer Richtung auseinander. Die Magnete können sich mit ihren dem Rotormittelpunkt nächstliegenden Enden berühren. Anders ausgedrückt ist das V in Umfangsrichtung offen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die Ausnehmungen, in denen die Magnete angeordnet sind, jeweils einen ersten und einen zweiten Teil auf. Der erste und der zweite Teil weisen unterschiedliche Neigungen gegenüber jeder Sekanten durch den Mittelpunkt des Rotors auf, insbesondere gegenüber der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten Sekanten. Der erste Teil der Ausnehmung und der zweite Teil der Ausnehmung können jeweils geradlinig ausgebildet sein und einen Winkel miteinander bilden. Gegenüber einer Sekanten durch den Rotormittelpunkt und durch den Schnittpunkt der Längsachsen der Ausnehmungen kann der Betrag der Neigung insbesondere zum Polrand hin bzw. zum nächstliegenden Pol zunehmen oder abnehmen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der erste und der zweite Magnet, also jeweils zwei benachbarte Magneten, am Schnittpunkt ihrer Längsachsen einen Winkel von 150° auf bzw. schließen diesen ein. Bei einer V-förmigen Anordnung der Magneten liegt der Winkel von 150° am Scheitelpunkt des Vs.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind an der Grenze zwischen den Polen trapezförmige Aussparungen vorgesehen. Die trapezförmigen Aussparungen können separat von den Ausnehmungen für die Magnete ausgeführt sein.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Elektrofahrzeug mit einer oben beschriebenen elektrischen Synchronmaschine vorgestellt. Insbesondere kann das Fahrzeug als Hybridfahrzeug ausgeführt sein und die Synchronmaschine kann als Motor fungieren.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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1 zeigt das Drehmoment aufgetragen in Abhängigkeit von der Drehzahl und die zyklusrelevanten Lastpunkte einer elektrischen Synchronmaschine
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2 zeigt Eisenverluste in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment einer elektrischen Synchronmaschine
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3 zeigt einen Querschnitt eines Pols einer elektrischen Synchronmaschine mit V-förmig angeordneten Magneten
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4 zeigt einen Querschnitt eines acht-poligen Rotors senkrecht zur Rotationsachse einer elektrischen Synchronmaschine mit V-förmig angeordneten Ausnehmungen
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5 zeigt ein Segment eines Querschnitts einer elektrischen Synchronmaschine mit nicht gegeneinander geneigten Magneten
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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In 1 ist auf der Abszisse bzw. der X-Achse die Drehzahl pro Minute aufgetragen. Auf der Ordinate bzw. auf der Y-Achse ist das Drehmoment in Newtonmeter (Nm) aufgetragen. Die oben im Graphen eingetragenen Funktionen stellen das maximale Drehmoment dar. Dieses liegt bei ca. 200–250 Nm. Die im Fahrzyklus eines Elektrofahrzeugs auftretenden Lastpunkte liegen häufig zwischen 0 und 20% des Maximaldrehmomentes, verteilt auf den kompletten Drehzahlenbereich. Dies ist durch den Kasten zwischen –50 und 50 Nm dargestellt. Die Ausgestaltung der elektrischen Synchronmaschine gemäß der Erfindung erhöht den Wirkungsgrad im eingekastelten zyklusrelevanten Teillastbereich und erfüllt gleichzeitig die hohen Anforderungen an Maximaldrehmoment, Maximalleistung und Maximaldrehzahl.
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In 2 sind die Eisenverluste einer elektrischen Synchronmaschine in Abhängigkeit von der auf der Abszisse eingetragenen Drehzahl pro Minute und des auf der Ordinate aufgetragenen Drehmoments in Nm dargestellt. Im schraffierten unteren Bereich liegen die Eisenverluste bei über 75%. Bei höheren Drehmomenten und geringeren Drehzahlen nehmen die Eisenverluste bis auf 0 ab. Der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine wird im zyklusrelevanten Teillastbereich, der in 2 durch einen Kasten dargestellt ist, zu 60–80% von den auftretenden Eisenverlusten beeinflusst. Diese Eisenverluste hängen stark von der gewählten Rotorgeometrie ab. Die Geometrie des Rotors 3 gemäß der Erfindung reduziert die Eisenverluste in zyklusrelevanten Teillastpunkten bei gleichzeitiger Reduzierung der Drehmomentwelligkeit und einer Erhöhung der mechanischen Drehzahlfestigkeit.
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In 3 ist ein Querschnitt eines Pols 7 einer Synchronmaschine 1 mit V-förmig angeordneten Magneten 11, 13 dargestellt. Die Magnete sind am Rotor 3 der Synchronmaschine 1 in Ausnehmungen 27 und 29 angeordnet. Die Magnete und die Ausnehmungen bzw. jeweils ihre Längsachsen schließen miteinander einen Winkel von 150° ein. Die Synchronmaschine 1 kann als permanent erregte Synchronmaschine ausgestaltet sein und weist einen drehbar in einem Stator 5 gelagerten Rotor 3 z. B. aus Elektroblech auf. Die Magneten des Rotors können als Permanentmagneten ausgeführt sein und ein permanentes magnetisches Feld erzeugen. Der Stator 5 weist Zähne auf, die in Richtung des Mittelpunkts 19 des Rotors gerichtet sind. An den Zähnen können Phasenwicklungen vorgesehen sein, die ein magnetisches Statorfeld erzeugen, welches in Wechselwirkung mit einem Erregerfeld ein den Rotor 3 antreibendes Drehmoment erzeugt. Der Rotor 3 ist um die durch den Mittelpunkt 19 verlaufende Drehachse drehbar gelagert.
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Im dargestellten Beispiel ist ein Pol 7 dargestellt, dessen Polbreite 9 100% entspricht. Die Magnete 11, 13 des Pols 7 decken 71,1% der Polbreite 9 ab. Die Magnettaschenbreite 15 beträgt im dargestellten Beispiel 88% der Polbreite 9. Zwischen den Polen sind trapezförmige Aussparungen 45 vorgesehen, die dazu beitragen können, die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren und gleichzeitig die Drehzahlfestigkeit zu erhöhen. Die trapezförmige Aussparung 45 kann dabei als Entlastungskerbe wirken und Spannungen, die im Steggrund entstehen können, durch Einstellen der geometrischen Abmessungen abbauen. Im dargestellten Beispiel beträgt die Lochzahl q = 2. Dabei ist die Lochzahl als die Anzahl der Nuten geteilt durch die Anzahl der Pole und der Stränge definiert. Die Lochzahl q der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 kann beispielsweise zwischen 0,5 und 3 liegen.
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Durch den ersten und zweiten Magneten und insbesondere ihre geometrische Anordnung ist die Magnetbreite 15 definiert. Dabei entspricht die Magnetbreite 15 dem Winkel zwischen der ersten Sekante 16 und der zweiten Sekante 17. Die erste Sekante 16 verläuft durch den Mittelpunkt 19 des Rotors 3 und durch einen dem Rotorrand 21 am nächsten liegenden Punkt 23 des ersten Magneten 11. Die zweite Sekante 17 verläuft ebenfalls durch den Mittelpunkt 19 des Rotors 3 und durch einen dem Rotorrand 21 am nächsten liegenden Punkt 25 des zweiten Magneten 13. Die Magnetbreite 15 beträgt dabei weniger als 75% und mehr als 65% der Polbreite 9. Vorzugsweise beträgt die Magnetbreite 15 zwischen 68% und 72% der Polbreite 9. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Magnetbreite 71,1% der Polbreite 9.
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Die erste Ausnehmung 27 und die zweite Ausnehmung 29, auch als Magnettaschen bezeichnet, weisen eine gemeinsame Ausnehmungsbreite 31 auf. Diese wird durch einen Winkel zwischen einer dritten Sekante 33 und einer vierten Sekante 35 definiert. Die dritte Sekante 33 und die vierte Sekante 35 verlaufen durch den Mittelpunkt 19 des Rotors 3. Die dritte Sekante 33 verläuft dabei durch einen dem Rotorrand 21 am nächsten liegenden Punkt 37 der ersten Ausnehmung 27. Die vierte Sekante 35 verläuft ferner durch einen dem Rotorrand 21 am nächsten liegenden Punkt 39 der zweiten Ausnehmung 29. Die Ausnehmungsbreite 31 beträgt zwischen 85 und 95% der Polbreite 9. Vorzugsweise beträgt die Ausnehmungsbreite 31 zwischen 87% und 90% der Polbreite 9. Im dargestellten Ausführungsbeispiel decken die Magnettaschen 88,8% des Pols 7 ab.
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Die Ausnehmungen 27, 29 weisen einen ersten Teil 41 und einen zweiten Teil 43 auf. Der erste Teil 41 ist dabei jeweils näher zur Polmitte angeordnet. Die Ausnehmungen weisen einen Knick auf, das heißt, sowohl der erste Teil 41 als auch der zweite Teil 43 verlaufen gerade, jedoch mit unterschiedlicher Steigung, beispielsweise gegenüber der ersten Sekante 16. Beispielsweise sind die Magneten 11, 13 im ersten Teil 41 der Ausnehmungen 27, 29 angeordnet. Der zweite Teil 43 der Ausnehmungen 27, 29 bleibt beispielsweise frei bzw. leer.
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Die Kombination der geometrischen Merkmale minimiert die Eisenverluste, ohne merkliche Einbußen im magnetischen Fluss in Kauf nehmen zu müssen.
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In 4 ist ein Querschnitt durch einen 8-poligen Rotor 3 senkrecht zur Rotationsachse dargestellt. Die ersten und zweiten Ausnehmungen 27, 29 sind leer, das heißt, die Magneten 11, 13 sind noch nicht in die Magnettaschen eingeführt. Dabei ist deutlich der Verlauf des ersten Teils 41 und des zweiten Teils 43 der Ausnehmungen 27, 29 sichtbar.
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Die Polbreite 9 des 8-poligen Rotors 3, die 100% entspricht, beträgt 45°. Die Ausnehmungsbreite 31 beträgt dabei ca. 33°.
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In 4 ist ein Segment eines Querschnitts einer elektrischen Synchronmaschine 1 mit nicht gegeneinander geneigten Magneten 11, 13 bzw. nicht gegeneinander geneigten Ausnehmungen 27, 29 dargestellt. Das dargestellte Segment der Synchronmaschine 1 entspricht einer Polbreite 9. Die Magnete 11, 13 und die Ausnehmungen 27, 29 verlaufen entlang einer Linie. Lediglich der zweite Teil 43 der Ausnehmungen 27, 29 weist einen Neigungswinkel gegenüber dem Magnetverlauf auf.
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Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „aufweisend” oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
