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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Ausführungsform betrifft allgemein Permanentmagnetmotoren. Solche Motoren sind z. B. aus der
DE 689 11 570 T2 im Prinzip bekannt.
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Ein Permanentmagnet-Synchronmotor ist ein Wechselstrommotor, in dem eine Rotationsrate bzw. Rotationsgeschwindigkeit der Welle mit der Frequenz des Wechselstrom-Versorgungsstroms synchronisiert ist. Im Stator wird ein rotierendes elektrisches Feld erzeugt und der Rotor folgt dem rotierenden elektrischen Feld des Stators. Der Rotor rotiert im Gleichschritt mit dem Feld des Stators mit der gleichen Rate bzw. Geschwindigkeit. Man sagt, dass der Rotor und der Stator synchronisiert sind bzw. synchron laufen.
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Die in herkömmlichen Rotoren verwendeten Permanentmagnete sind ausgestaltet, um eine einheitliche Feldstärke bereitzustellen. Oft werden Neodym-Magnete, die auch als Selten-Erde-Magnete bekannt sind, aufgrund ihrer großen Magnetfeldstärke, die für ein verbessertes Drehmoment in Motoren sorgt, gewünscht. Die Verwendung von Selten-Erde-Magneten in einem Motor ist jedoch kostspielig und erhöht den Gesamtpreis des Motors.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein Vorteil einer Ausführungsform ist die Reduktion des Gehalts an und des Gewichts von Selten-Erde-Magneten, welche die Gesamtkosten des Motors verringert. Die Synchronmaschine mit innenliegenden Permanentmagneten verwendet Bi-Permanentmagnete (d.h. die Kombination aus zwei oder mehr verschiedenen Arten von Magnetmaterialien) zur Verringerung der Anzahl von Selten-Erde-Magneten, die im Rotor verwendet werden. Eine Kombination von Selten-Erde-Magneten und Ferritmagneten oder von Magneten mit gleicher Materialzusammensetzung und unterschiedlichen Magnetfeldstärken wird in dem Rotor in einer mehrschichtigen Weise verwendet. Eine einzigartige Konstruktion von magnetischen Barrieren zwischen Magneten mit unterschiedlichen Magnetfeldstärken erhöht eine Reluktanz, welche den Magnetfluss minimiert, der von dem Magnet mit dem schwächeren Magnetfeld stammt und zu dem Magnet mit dem stärkeren Magnetfeld fließt. Als Folge wird eine Entmagnetisierung der schwächeren Magnete minimiert.
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Eine Ausführungsform betrachtet einen Rotor für eine Permanentmagnet-Synchronmaschine. Eine Rotorkernstruktur mit einem zylindrischen Körper, der eine zylindrische Außenwand der Rotorkernstruktur umfasst, befindet sich neben einem Hauptluftspalt. Mehrere bogenförmige Hohlräume sind in der Rotorkernstruktur ausgebildet. Die mehreren bogenförmigen Hohlräume sind mit Bezug auf eine zylindrische Außenwand der Rotorkernstruktur im Wesentlichen konzentrisch geschichtet. Jeder bogenförmige Hohlraum, der sich zwischen ersten und zweiten Endsektionen erstreckt, befindet sich neben der Oberfläche der zylindrischen Außenwand der Rotorstruktur und enthält eine dazwischenliegende Mittelsektion. Mehrere Permanentmagnete sind in die mehreren bogenförmigen Hohlräume eingebracht. Jede erste Endsektion enthält einen jeweiligen ersten Permanentmagnet mit einer ersten Magnetfeldstärke. Jede zweite Endsektion enthält einen jeweiligen zweiten Permanentmagnet mit der ersten Magnetfeldstärke. Jede Mittelsektion enthält einen jeweiligen dritten Permanentmagnet mit einer zweiten Magnetfeldstärke, die kleiner als die erste Magnetfeldstärke ist. Der erste Magnet und der zweite Magnet sind vom dritten Magnet beabstandet. Ein jeweiliger Hohlraum umfasst einen Luftspalt, der zwischen dem dritten Permanentmagnet und den ersten und zweiten Permanentmagneten ausgebildet ist. Jeder Luftspalt folgt einer Vertiefung, die in einer Wand jeder Hohlraumschicht ausgebildet ist und sich an den Schnittstellen zwischen dem dritten Permanentmagnet und den ersten und zweiten Permanentmagneten radial nach außen erstreckt. Der Luftspalt erzeugt eine Reluktanz, um eine Flussströmung, die von jedem dritten Permanentmagnet in einer vorherigen Schicht erzeugt wird, in eine Richtung zu jedem dritten Permanentmagnet in einer nachfolgenden Schicht zu lenken.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Schnittansicht eines Permanentmagnetmotors.
- 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Rotors, welche die Luftspalte veranschaulicht, die in einem jeweiligen Hohlraum ausgebildet sind.
- 3 ist eine vergrößerte Ansicht der Flussströmung des Permanentmagnetmotors unter Verwendung eines Magnetbarrierenmerkmals.
- 4 ist eine vergrößerte Ansicht der Flussströmung des Permanentmagnets ohne das Magnetbarrierenmerkmal.
- 5 ist eine vergrößerte Ansicht einer alternativen Konfiguration der Außenrandnut.
- 6 ist eine vergrößerte Ansicht einer alternativen Konfiguration der Außenrandnut.
- 7 ist eine vergrößerte Ansicht einer alternativen Konfiguration der Außenrandnut.
- 8 ist eine vergrößerte Ansicht einer alternativen Konfiguration der Außenrandnut.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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In 1 ist eine Schnittansicht eines Permanentmagnetmotors 10 gezeigt. Der Permanentmagnetmotor 10 umfasst einen Rotor 12, der mit einer Welle 14 gekoppelt ist. Der Rotor 12 kann eine beliebige Anzahl von Polen (z.B. 2, 4, 6, usw.) umfassen. Die gezeigte Schnittansicht veranschaulicht einen Pol des Rotors 12 (z.B. einen Nordpol). Ein Stator 16 ist zum Rotor 12 radial versetzt und ist von diesem durch einen Hauptluftspalt 18 getrennt.
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Die Funktion des Rotors 12 besteht darin, eine Komponente anzutreiben, die mit der Welle 14 gekoppelt ist. Wenn der Stator 16 durch eine Erregungsspannung (z.B. eine dreiphasige Versorgung) erregt wird, erzeugt er ein rotierendes Magnetfeld im Motor 10. Der Rotor, der wie in Permanentmagnet funktioniert, arretiert sich mit dem rotierenden Magnetfeld, das vom Stator 16 erzeugt wird. Der Rotor 12 rotiert zusammen mit dem rotierenden Magnetfeld. Wenn sich der Rotor mit dem rotierenden Magnetfeld arretiert, ist der Motor 10 synchronisiert.
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Der Rotor 12, der in 1 gezeigt ist, verwendet innenliegende Permanentmagnete 20. Es versteht sich, dass der Motor eine beliebige Art von Permanentmagnetmotor sein kann und keine innenliegenden Permanentmagnete benötigt. Die innenliegenden Permanentmagnete 20 sind in mehrere bogenförmige Hohlräume 22 eingeführt, die im Rotor 12 ausgebildet sind. Die mehreren bogenförmigen Hohlräume 22 sind auf eine mehrschichtige Weise strukturiert. Die mehreren bogenförmigen Hohlräume 22 umfassen einen ersten bogenförmigen Hohlraum 24, einen zweiten bogenförmigen Hohlraum 26, einen dritten bogenförmigen Hohlraum 28 und einen vierten bogenförmigen Hohlraum 30. Jeder der bogenförmigen Hohlräume ist im Wesentlichen konzentrisch mit Bezug auf eine Zylinderau-ßenwand 31 des Rotors 12 geschichtet.
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Jeder bogenförmige Hohlraum enthält eine erste Endsektion 32 und eine zweite Endsektion 34, die sich neben der Oberfläche der zylindrischen Außenwand 31 des Rotors 12 befinden. Jeder bogenförmige Hohlraum enthält eine dazwischenliegende Mittelsektion 36, die sich zwischen der ersten Endsektion 32 und der zweiten Endsektion 34 erstreckt.
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Die innenliegenden Permanentmagnete 20 umfassen einen ersten Magnet 40, der in einer ersten Endsektion 32 jeder Hohlraumschicht angeordnet ist und ein Magnetfeld mit einer ersten Magnetfeldstärke erzeugt, und einen zweiten Magnet 42, der in der zweiten Endsektion 34 jeder Hohlraumschicht angeordnet ist und die erste Magnetfeldstärke aufweist. Ein dritter Magnet 44 ist zwischen dem ersten Magnet 40 und dem zweiten Magnet 42 jeder Hohlraumschicht angeordnet. Der dritte Magnet 44 erzeugt ein Magnetfeld mit einer zweiten Magnetfeldstärke. Die von dem ersten und zweiten Magnet 40, 42 erzeugte erste Magnetfeldstärke ist größer als die von dem dritten Magnet 44 erzeugte zweite Magnetfeldstärke. Der dritte Magnet 44 kann einen einzigen gebogenen Magnet umfassen, der mit der Gestalt eines jeweiligen Hohlraums übereinstimmt, oder der dritte Magnet 44 kann mehr als einen in eine jeweilige Hohlraumschicht eingeführten Permanentmagnet umfassen. Die Anzahl von dritten Magneten 44, die in einer jeweiligen Hohlraumschicht verwendet werden, kann auf einer leichten Montage der dritten Magnete in dem jeweiligen Hohlraum beruhen. Das heißt, dass es wegen der Biegung des Hohlraums effizienter und praktischer sein kann, zur Erleichterung der Montage kleinere Magnete zu verwenden.
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Die ersten und zweiten Magnete 40, 42 können eine andere Materialzusammensetzung als der dritte Magnet 44 aufweisen oder sie können die gleiche Materialzusammensetzung, aber unterschiedliche Magnetfeldstärken aufweisen. Zum Beispiel können der erste Magnet 40 und der zweite Magnet 42 ein Selten-Erde-Magnet sein (z.B. ein Neodym-Magnet) und der dritte Magnet 44 kann ein Ferritmagnet sein. Alternativ können der erste Magnet 40, der zweite Magnet 42 und der dritte Magnet 44 alle Ferritmagnete oder alle Selten-Erde-Magnete sein, wobei der erste und zweite Magnet 40, 42 ein stärkeres Magnetfeld als der dritte Magnet 44 aufweisen. Die Gesamtkosten der Magnete werden reduziert, indem weniger von den Materialien mit der höheren Magnetfeldstärke benötigt wird. Solange die relative Platzierung der verschiedenen Materialien nicht korrekt konfiguriert ist, kann das resultierende Magnetfeld jedoch beim Betreiben des Motors nicht effektiv sein.
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Ein Problem bei der Verwendung von Bi-Permanentmagneten ist die Entmagnetisierung des Magnets, der das schwächere Magnetfeld erzeugt, durch den stärkeren. Wenn die Magnete zwischen den jeweiligen Hohlraumschichten nicht korrekt positioniert sind, wird die von den Ferritmagneten erzeugte Flussströmung von den benachbarten Selten-Erde-Magneten entmagnetisiert. Als Folge verliert der Motor Drehmoment und Effizienz.
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Um eine Entmagnetisierung der Ferritmagnete zu vermeiden, werden die Selten-Erde-Magnete so positioniert, dass die Selten-Erde-Magnete in einem nachfolgenden Hohlraum die Ferritmagnete eines vorherigen Hohlraums allmählich überschneiden. Wie in 2 gezeigt ist, enthält die erste Hohlraumschicht 24, eine zweite Hohlraumschicht 26, eine dritte Hohlraumschicht 28 und eine vierte Hohlraumschicht 30 jeweils Selten-Erde-Magnete 40, 42 in den ersten und zweiten Endsektion 32, 34, und Ferritmagnete in der dazwischenliegenden Mittelsektion 36. Die Selten-Erde-Magnete 40, 42 in der zweiten Hohlraumschicht 26 überschneiden den Ferritmagnet 44 in der ersten Hohlraumschicht 40 um einen Winkel. Auf ähnliche Weise überschneiden die Selten-Erde-Magnete 40, 42 der dritten Hohlraumschicht 28 den Ferritmagnet 44 der zweiten Hohlraumschicht 26 um einen Winkel. Die Länge der Winkelüberschneidung zwischen den zweiten/dritten Hohlraumschichten nimmt im Vergleich mit den ersten/zweiten Hohlraumschichten allmählich zu. Darüber hinaus überschneiden die Selten-Erde-Magnete 40, 42 der vierten Hohlraumschicht 30 den Ferritmagnet 44 der dritten Hohlraumschicht 28 um einen Winkel. Die Länge der Winkelüberschneidung zwischen den dritten/vierten Hohlraumschichten nimmt im Vergleich mit den zweiten/dritten Hohlraumschichten allmählich zu. Als Folge wird für jede der Hohlraumschichten eine fortschreitende allmähliche Winkelüberschneidung eines Ferritmagnets einer vorherigen Hohlraumschicht und eines Selten-Erde-Magnets einer nachfolgenden Hohlraumschicht konstruiert.
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Das Positionieren zum Erreichen der Länge der Winkelüberschneidung zwischen jeweiligen Magneten jeder Hohlraumschicht beruht auf dem Optimieren einer Flussströmung, die sowohl von den Selten-Erde-Magneten als auch den Ferritmagneten erzeugt wird. Die Position der Selten-Erde-Magnete einer jeweiligen nachfolgenden Hohlraumschicht zu den Selten-Erde-Magneten einer nachfolgenden Hohlraumschicht wird so festgelegt, dass die von den Selten-Erde-Magneten gemeinsam erzeugte Flussströmung rechtwinklig zu den Selten-Erde-Magneten und in den Hauptluftspalt 18 hinein gerichtet ist.
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Die Positionierung der Selten-Erde-Magnete einer jeweiligen nachfolgenden Hohlraumschicht relativ zu den Ferritmagneten einer vorherigen Hohlraumschicht wird auch kollektiv verwendet, wenn die jeweiligen Magnete positioniert werden. Die optimale Länge der Überschneidung zwischen den jeweiligen Magneten jeder Hohlraumschicht wird so festgelegt, dass die Entmagnetisierung des Magnetfelds der Ferritmagnete minimiert ist. Das Festlegen der Länge der Überschneidung der Magnete zwischen den jeweiligen Hohlraumschichten wird bewerkstelligt, indem Magnetpositionen bestimmt werden, die für die minimale Entmagnetisierung der Ferritmagnete sorgen. Durch das Verwenden einer allmählichen und fortschreitenden Überschneidung der Magnete zwischen den jeweiligen Hohlraumschichten erzeugt die Konfiguration von 1 ein verbessertes Drehmoment für den Motor. Als Folge können Kosten, die mit der Verwendung gleicher Magnete im Rotor verbunden sind, etwa von Selten-Erde-Magneten, reduziert werden, indem zwei Sätze von Magneten mit unterschiedlichen Magnetfeldstärken in der Konfiguration verwendet werden, wie hier beschrieben ist.
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Um eine Reduktion bei der Entmagnetisierung der schwächeren Magnete weiter zu verbessern, werden verschiedene Luftspalte in jedem Hohlraum um den Selten-Erde-Magnet 40 und den Ferritmagnet 44 herum bereitgestellt. Es wird auch darauf hingewiesen, dass ähnliche Luftspalte an der Schnittstelle zwischen dem zweiten Selten-Erde-Magnet 42 und dem Ferritmagnet 44 jeder Hohlraumschicht bereitgestellt werden.
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2 veranschaulicht eine vergrößerte Schnittansicht des Rotors, welche die Luftspalte veranschaulicht, die in einem jeweiligen Hohlraum ausgebildet sind. In einer Innenwand 55 jeder Hohlraumschicht ist ein Positionsgeber 53 ausgebildet, um jeden Permanentmagnet darin mit einem vorbestimmten Abstand zwischen benachbarten Magneten zu positionieren. Eine Außenrandnut 52 ist abgeschrägt, um eine Vertiefung in einer Wand jeder Hohlraumschicht auszubilden, die sich radial nach außen in eine Richtung zum Stator 16 hin erstreckt. Die resultierenden Spalte 70, 71, 72 erzeugen eine Reluktanz, die eine von den Selten-Erde-Magneten und den Ferritmagneten erzeugte Flussströmung zu dem Hauptluftspalt 18 neben der zylindrischen Außenwand lenkt.
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Die Vertiefung umfasst eine erste abgeschrägte bzw. geneigte Oberfläche 54 und eine zweite abgeschrägte Oberfläche 56, die sich bei einer Spitze 58 schneiden. Die erste abgeschrägte Oberfläche 54 und die zweite abgeschrägte Oberfläche 56 weisen entgegengesetzte Steigungen auf, die symmetrisch oder nicht symmetrisch sein können. Jede Oberflächensteigung ist kleiner als 90°. Die erste abgeschrägte Oberfläche 54 erstreckt sich in eine Richtung von der Spitze 58 zu dem dritten Permanentmagnet 44 hin, während sich die zweite abgeschrägte Oberfläche 56 in eine Richtung von der Spitze 58 zu dem ersten Permanentmagnet 40 hin erstreckt. Wie gezeigt ist die Steigung der ersten abgeschrägten Oberfläche 54 geringer als die Steigung der zweiten abgeschrägten Oberfläche 56. Alternativ kann die zweite abgeschrägte Oberfläche 56 kleiner als die erste abgeschrägte Oberfläche 54 sein. Es versteht sich, dass die Vertiefung zwischen dem zweiten Permanentmagnet 42 (in 1 gezeigt) und dem dritten Permanentmagnet 44 ähnliche Konfigurationen wie vorstehend beschrieben umfasst, so dass sich die erste abgeschrägte Oberfläche 54 in eine Richtung von der Spitze 58 zu dem dritten Permanentmagnet 44 hin erstreckt, während sich die zweite abgeschrägte Oberfläche 56 in eine Richtung von der Spitze 58 zu dem zweiten Permanentmagnet 42 hin erstreckt oder umgekehrt.
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Die erste abgeschrägte Oberfläche 54 und die zweite abgeschrägte Oberfläche 56 erzeugen Luftspalte 71 bzw. 72 zwischen der Außenrandnut 52 und jedem jeweiligen Magnet. Die Luftspalte 71 und 72 erhöhen die Reluktanz der Flussströmung des Magnetfelds. Das heißt, dass ein Magnetfeld bewirken wird, dass ein Fluss auf einer Strecke des geringsten magnetischen Widerstands fließen wird. Indem die Reluktanz erhöht wird, wird ein Großteil des Magnetfelds, das von jedem Magnet erzeugt wird, von einem Fließen zu diesem Raum hin weggelenkt. Als Folge reduzieren die Luftspalte 70 - 72 die Flussströmung des Magnetfelds, das von jedem jeweiligen Magnet erzeugt wird und zu einem benachbarten Magnet fließt.
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3 veranschaulicht die Flussströmung für die Bi-Permanentmagnete des Motors, wenn Luftspalte verwendet werden, die von der Außenrandnut 52 erzeugt werden. Wie in 3 veranschaulicht ist, wird die Flussströmung von den Luftspalten 71 und 72 weggelenkt. Statt dass der Fluss, der von dem Ferritmagnet 44 erzeugt wird, im Wesentlichen in eine Richtung zu dem Selten-Erde-Magnet 42 hin fließt (wie in 4 gezeigt ist) wird ein Großteil der Flussströmung, die von dem Ferritmagnet der ersten Hohlraumschicht 24 erzeugt wird, zu dem Ferritmagnet der zweiten Hohlraumschicht 26 hin umgeleitet, wie allgemein bei 61 veranschaulicht ist. Als Folge wird eine Entmagnetisierung weiter verringert.
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4 veranschaulicht einen Rotor, der die Luftspalte, die durch die Außenrandnut erzeugt werden, nicht enthält. Der Magnetfluss vom Ferritmagnet 44 tendiert zum Fließen in eine Richtung hin zu dem Selten-Erde-Magnet 42 in jeder Hohlraumschicht als Folge des Magnetfelds, das durch den Selten-Erde-Magnet 42 erzeugt wird. Dies ist in 4 allgemein bei 62 veranschaulicht. Die Folge ist eine Entmagnetisierung der Ferritmagnete, welche die Drehmomentausgabe des Motors verringert.
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Wieder mit Bezug auf 2 beruhen die Länge jeder abgeschrägten Oberfläche und das resultierende Volumen der Luftspalte 71 und 72 auf dem Betrag an Reluktanz, der für einen jeweiligen Magnet benötigt wird. Zum Beispiel kann mehr Reluktanz relativ zu dem Ferritmagnet 44 gewünscht sein, um zu verhindern, dass die durch den Ferritmagnet 44 erzeugte Flussströmung zu dem Selten-Erde-Magnet 42 hin fließt. Wie in 2 gezeigt ist, erstreckt sich die erste abgeschrägte Oberfläche 54 von der Spitze hin zu im Wesentlichen einer Position in der Mitte des dritten Permanentmagnets 44. Der Mittelpunkt ist als ein Punkt oder eine Region definiert, die zwischen gebogenen Enden des dritten Permanentmagnets 44 zentral angeordnet ist. Als Folge wird eine längere Steigung oder eine steilere Steigung gewünscht, um einen größeren Luftspalt für den Ferritmagnet 44 als für den Selten-Erde-Magnet 40 zu erzeugen. Dies erzeugt eine erhöhte Reluktanz in die Richtung des Selten-Erde-Magnets 40. Wie vorstehend beschrieben wurde, fließt der Magnetfluss auf einer Strecke mit der geringsten Reluktanz. Daher verläuft die Strecke mit der geringsten Reluktanz für den Fluss, der von dem Ferritmagnet der ersten Hohlraumschicht 24 erzeugt wird, vom Luftspalt weg und zu dem Ferritmagnet der zweiten Hohlraumschicht 26 hin.
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5 - 8 veranschaulichen verschiedene Konfigurationen der Außenrandnut 52. 5 veranschaulicht symmetrisch abgeschrägte Oberflächen 54 und 56. Die Spitze 58 der Vertiefung ist zentral zwischen dem ersten Permanentmagnet 40 und dem dritten Permanentmagnet 44 positioniert. 6 veranschaulicht eine Konfiguration, bei der der dritte Permanentmagnet 44 im Vergleich mit dem zweiten Permanentmagnet 42 näher bei der Spitze 58 der Vertiefung positioniert ist. 7 veranschaulicht eine Konfiguration, bei der der dritte Permanentmagnet 44 im Vergleich mit dem ersten Permanentmagnet 40 weiter von der Spitze 58 der Vertiefung entfernt positioniert ist. 8 veranschaulicht eine Konfiguration, bei der der dritte Permanentmagnet 44 im Vergleich mit dem zweiten Permanentmagnet 42 weiter von der Spitze 58 der Vertiefung entfernt ist.
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Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, wird der Fachmann auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert ist, in die Praxis umzusetzen.
