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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft allgemein eine Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten und insbesondere einen Rotoranordnung für die Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten.
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HINTERGRUND
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Maschinen mit innenliegenden Permanentmagneten (IPM-Maschinen) enthalten einen Rotor mit mehreren Magneten mit abwechselnder Polarität, die um einen Außenumfang des Rotors herum angeordnet sind. Der Rotor ist innerhalb eines Stators drehbar, der mehrere Wicklungen enthält. Der Rotor interagiert mit dem Stator auf magnetische Weise, um eine Rotation des Rotors um eine Rotationsachse herum zu erzeugen. Eine IPM-Maschine kann entweder Ferritmagnete oder Selten-Erden-Magnete wie etwa NdFeB im Rotor verwenden. Im Vergleich mit Selten-Erden-Magneten sind Ferritmagnete kostengünstiger, erzeugen aber eine niedrigere Leistung, wenn sie in identisch ausgestalteten IPM-Maschinen verwendet werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten enthält einen gewickelten Stator und einen Rotorkern. Der Rotorkern enthält einen Ferrit-Pol und einen Selten-Erden-Pol. Der Ferrit-Pol definiert mehrere erste Polhohlräume und der Selten-Erden-Pol definiert mehrere zweite Polhohlräume. Für eine Rotation um eine zentrale Rotationsachse herum interagiert der Rotorkern auf magnetische Weise mit dem gewickelten Stator. Die Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten enthält ferner mehrere Ferritmagnete und mehrere Selten-Erden-Magnete. In jedem der ersten Polhohlräume des Ferrit-Pols ist einer der mehreren Ferritmagnete angeordnet und in jedem der zweiten Polhohlräume des Selten-Erden-Pols ist einer der mehreren Selten-Erden-Magnete angeordnet.
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Es wird auch eine Rotoranordnung für eine Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten bereitgestellt. Die Rotoranordnung enthält einen Rotorkern, der konzentrisch um eine zentrale Rotationsachse herum angeordnet ist. Der Rotorkern enthält mehrere Ferrit-Pole und mehrere Selten-Erden-Pole. Jeder der mehreren Ferrit-Pole definiert mehrere erste Polhohlräume und jeder der mehreren Selten-Erden-Pole definiert mehrere zweite Polhohlräume. Die Rotoranordnung enthält ferner mehrere Ferritmagnete und mehrere Selten-Erden-Magnete. In jedem der ersten Polhohlräume des Ferrit-Pols ist einer der mehreren Ferritmagnete angeordnet, und in jedem der zweiten Polhohlräume des Selten-Erden-Pols ist einer der mehreren Selten-Erden-Magnete angeordnet. Die mehreren Ferritmagnete des Ferrit-Pols sind in mehreren Reihen angeordnet, die relativ zu der zentralen Rotationsachse voneinander radial beabstandet sind. Jeder der mehreren ersten Polhohlräume und jeder der mehreren Ferritmagnete in dem Ferrit-Pol enthält einen Querschnitt rechtwinklig zu der zentralen Rotationsachse, der eine gebogene Form mit einem Bogenmittelpunkt definiert. Die Bogenmittelpunkte jedes der mehreren Ferritmagnete des Ferrit-Pols sind relativ zueinander konzentrisch angeordnet. Jeder der mehreren Selten-Erden-Magnete des Selten-Erden-Pols enthält einen Querschnitt rechtwinklig zu der zentralen Rotationsachse, der eine rechteckige Form definiert. Die mehreren Selten-Erden-Magnete des Selten-Erden-Pols sind in mehreren Schichten angeordnet. Jede Schicht der Selten-Erden-Magnete des Selten-Erden-Pols definiert eine konkave V-Form rechtwinklig zu der zentralen Rotationsachse.
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Folglich enthält die Rotoranordnung sowohl Ferritmagnete als auch Selten-Erden-Magnete, die in abwechselnden Polen in einer Konfiguration angeordnet sind, die speziell konstruiert ist, um das Volumen der Selten-Erden-Magnete zu minimieren, während die Leistung einer äquivalenten Rotoranordnung nur aus Selten-Erden-Magneten im Wesentlichen beibehalten wird. Das Minimieren des Volumens der Selten-Erden-Magnete, die in der Rotoranordnung verwendet werden, reduziert die Herstellungskosten der Rotoranordnung im Vergleich mit einer Rotoranordnung nur aus Selten-Erden-Magneten ohne einen wesentlichen Leistungsverlust.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die Erfindung auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten.
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2 ist eine vergrößerte schematische Teilquerschnittsansicht der Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Der Fachmann wird erkennen, dass Begriffe wie etwa ”über”, ”unter”, ”nach oben”, ”nach unten”, ”Oberseite”, ”Unterseite” usw. zur Beschreibung der Figuren verwendet werden und keine Einschränkungen für den Umfang der Erfindung darstellen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
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Mit Bezug auf die Figuren, bei denen gleiche Bezugszeichen in den mehreren Ansichten gleiche Teile bezeichnen, ist eine Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten allgemein bei 20 gezeigt. Die IPM-Maschine 20 kann einen Elektromotor oder eine andere ähnliche Vorrichtung umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt.
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Mit Bezug auf 1 enthält die IPM-Maschine 20 einen gewickelten Stator 22 und eine Rotoranordnung 24. Die Rotoranordnung 24 interagiert auf magnetische Weise mit dem gewickelten Stator 22, um relativ zu dem gewickelten Stator 22 um eine zentrale Rotationsachse 26 zu rotieren. Die Rotoranordnung 24 enthält einen Rotorkern 28. Die zentrale Rotationsachse 26 ist an einem Mittelpunkt des Rotorkerns 28 angeordnet. Der Rotorkern 28 enthält mindestens einen Ferrit-Pol 30 und mindestens einen Selten-Erden-Pol 32. Vorzugsweise enthält die Rotoranordnung 24 mehrere Ferrit-Pole 30 und mehrere Selten-Erden-Pole 32. Die Anzahl der Ferrit-Pole 30 ist gleich der Anzahl der Selten-Erden-Pole 32. Die Ferrit-Pole 30 und die Selten-Erden-Pole 32 sind in einer abwechselnden Beziehung radial um die zentrale Rotationsachse 26 herum angeordnet. Wenn die Rotoranordnung 24 mehrere Ferrit-Pole 30 und mehrere Selten-Erden-Pole 32 enthält, ist jeder Ferrit-Pol 30 in Umfangsrichtung zwischen zwei Selten-Erden-Polen 32 angeordnet, und jeder Selten-Erden-Pol 32 ist in Umfangsrichtung zwischen zwei Ferrit-Polen 30 angeordnet. 1 stellt eine IPM-Maschine 20 dar, die insgesamt 12 Pole aufweist, welche 6 Ferrit-Pole 30 und 6 Selten-Erden-Pole 32 umfassen. Es ist jedoch festzustellen, dass die Gesamtanzahl der Pole der IPM-Maschine 20 von der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform abweichen kann.
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Mit Bezug auf 2 enthält jeder der Ferrit-Pole 30 eine erste Polachse 34, die sich von der zentralen Rotationsachse 26 aus durch eine Mitte jedes jeweiligen Ferrit-Pols 30 hindurch radial nach außen erstreckt. Jeder der Ferrit-Pole 30 definiert mehrere erste Polhohlräume 36.
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Jeder Ferrit-Pol 30 enthält darin eine gleiche Anzahl erster Polhohlräume 36, die in einer identischen Orientierung angeordnet sind. Die ersten Polhohlräume 36 erstrecken sich dreidimensional in den Rotorkern 28 hinein. Die ersten Polhohlräume 36 können Ausnehmungen, Nuten usw. umfassen. Die Rotoranordnung 24 enthält ferner mehrere Ferritmagnete 38, wobei in jedem der ersten Polhohlräume 36 einer der mehreren Ferritmagnete 38 angeordnet ist. Es ist festzustellen, dass die Ferritmagnete 38 und die ersten Polhohlräume 36 einander im Wesentlichen entsprechende Querschnittsformen rechtwinklig zu der zentralen Rotationsachse 26 enthalten. Die Ferritmagnete 38 können die ersten Polhohlräume 36 vollständig ausfüllen oder sie können einen oder mehrere Luftspalte zwischen jedem der Ferritmagnete 38 und ihren jeweiligen ersten Polhohlräumen freilassen. Der gewickelte Stator 22 enthält mehrere Wicklungen 40, die mit den Ferritmagneten 38, die in den ersten Polhohlräumen 36 der Ferrit-Pole 30 angeordnet sind, auf magnetische Weise interagieren, um Drehmoment zu erzeugen und um eine Rotation des Rotorkerns 28 um die zentrale Rotationsachse 26 herum relativ zu dem gewickelten Stator 22 zu bewirken.
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Die Form und Orientierung der Ferritmagnete 38 und der ersten Polhohlräume 36 wird nachstehend mit Bezug auf 2 im Detail beschrieben. Obwohl die hier bereitgestellte Beschreibung auf nur einen einzigen Ferrit-Pol 30, der in 2 gezeigt ist, beschränkt ist, ist festzustellen, dass die Form und Orientierung der Ferritmagnete 38 und ihrer jeweiligen ersten Polhohlräume 36 identisch mit der Orientierung sind, die hier mit Bezug auf den einzigen Ferrit-Pol 30, der in 2 gezeigt ist, beschrieben ist.
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Jeder der ersten Polhohlräume 36 und deren jeweilige Ferritmagnete 38, die darin angeordnet sind, enthält einen Querschnitt rechtwinklig zu der zentralen Rotationsachse 26, der eine gebogene Form mit einem Bogenmittelpunkt definiert. Die Magnete jedes Ferrit-Pols 30 sind vorzugsweise symmetrisch um ihre jeweilige erste Polachse 34 herum angeordnet, so dass die Bogenmittelpunkte jedes der Ferritmagnete 38 eines jeden Ferrit-Pols 30 zueinander konzentrisch sind, d. h. alle Bogenmittelpunkte aller Ferritmagnete 38 eines jeden Ferrit-Pols 30 verwenden einen gemeinsamen radialen Mittelpunktort 42.
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Die ersten Polhohlräume 36 jedes Ferrit-Pols 30 sind in einer oder mehreren Reihen angeordnet, die relativ zu der zentralen Rotationsachse 26 radial voneinander beabstandet sind. Jede Reihe ist von den anderen Reihen radial beabstandet. Wie in den Figuren gezeigt ist, definieren die ersten Polhohlräume 36 eines jeden Ferrit-Pols 30 drei Reihen, d. h. eine erste Reihe 44 oder eine relativ zu der zentralen Rotationsachse 26 äußerste Reihe, eine zweite Reihe 46 oder radial mittlere Reihe und eine dritte Reihe 48 oder eine relativ zur der Rotationsachse 26 radial innerste Reihe. Folglich liegt die dritte Reihe 48 näher bei der zentralen Rotationsachse 26 als die zweite Reihe 46 und die zweite Reihe 46 liegt näher bei der zentralen Rotationsachse 26 als die erste Reihe 44. Es ist festzustellen, dass die ersten Polhohlräume 36 eines jeden Ferrit-Pols 30 nur eine einzige Reihe definieren können, oder dass sie mehr als die drei gezeigten Reihen definieren können. Außerdem kann jede Reihe eine beliebige Anzahl von ersten Polhohlräumen 36 darin enthalten. Wie gezeigt, enthält die erste Reihe 44 zwei erste Polhohlräume 36, die zweite Reihe 46 enthält drei erste Polhohlräume 36 und die dritte Reihe 48 enthält drei erste Polhohlräume 36. Jedoch kann die Anzahl der ersten Polhohlräume 36 in jeder Reihe von der gezeigten beispielhaften Ausführungsform abweichen.
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Jeder Ferritmagnet 38 der ersten Reihe 44 enthält einen ersten Radius 50, jeder Ferritmagnet 38 der zweiten Reihe 46 enthält einen zweiten Radius 52 und jeder Ferritmagnet 38 der dritten Reihe 48 enthält einen dritten Radius 54. Der dritte Radius 54 ist größer als der zweite Radius 52 und der zweite Radius 52 ist größer als der erste Radius 50. Vorzugsweise enthalten der erste Radius 50, der zweite Radius 52 und der dritte Radius 54 jeweils einen Wert in dem Bereich von 8 mm bis 25 mm. Es ist jedoch festzustellen, dass der Wert des ersten Radius 50, des zweiten Radius 52 und des dritten Radius 54 von dem hier bereitgestellten beispielhaften Bereich abweichen kann.
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Jede Schicht der Ferritmagnete 38 eines jeden Ferrit-Pols 30 umfasst eine Dicke. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die erste Reihe 44 der Ferritmagnete 38 eine erste Dicke 56, die zweite Reihe 46 der Ferritmagnete 38 umfasst eine zweite Dicke 58 und die dritte Reihe 48 der Ferritmagnete 38 umfasst eine dritte Dicke 60. Folglich umfasst jeder Ferritmagnet 38 in jeder Reihe die gleiche Dicke, aber die Dicke der Ferritmagnete 38 in allen anderen Reihen kann verschieden sein. Wie gezeigt, nimmt die Dicke der Ferritmagnete 38 in jeder Reihe der Ferritmagnete 38 mit der Zunahme der radialen Distanz von der zentralen Rotationsachse 26 ab. Folglich ist die erste Dicke 56 der ersten Reihe 44 der Ferritmagnete 38 kleiner als die zweite Dicke 58 der zweiten Reihe 46 der Ferritmagnete 38, und die zweite Dicke 58 der zweiten Reihe 46 der Ferritmagnete 38 ist kleiner als die dritte Dicke 60 der dritten Reihe 48 der Ferritmagnete 38. Vorzugsweise liegen die erste Dicke 56 für die erste Reihe 44 der Ferritmagnete 38, die zweite Dicke 58 der zweiten Reihe 46 der Ferritmagnete 38 und die dritte Dicke 60 der dritten Reihe 48 der Ferritmagnete 38 im Bereich von 2 mm bis 5 mm. Es ist jedoch festzustellen, dass der Wert der ersten Dicke 56, der zweiten Dicke 58 und der dritten Dicke 60 von dem hier bereitgestellten beispielhaften Bereich abweichen kann.
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Jeder der Selten-Erden-Pole 32 enthält eine zweite Polachse 62, die sich von der zentralen Rotationsachse 26 aus durch eine Mitte jedes jeweiligen Selten-Erden-Pols 32 hindurch radial nach außen erstreckt. Jeder der Selten-Erden-Pole 32 definiert mehrere zweite Polhohlräume 64.
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Jeder Selten-Erden-Pol 32 enthält darin eine gleiche Anzahl von zweiten Polhohlräumen 64, die in einer identischen Orientierung angeordnet sind. Die zweiten Polhohlräume 64 erstrecken sich dreidimensional in den Rotorkern 28 hinein. Die zweiten Polhohlräume 64 können Ausnehmungen, Nuten usw. umfassen. Die Rotoranordnung 24 enthält ferner mehrere Selten-Erden-Magnete 66, wobei in jedem der zweiten Polhohlräume 64 einer der Selten-Erden-Magnete 66 angeordnet ist. Es ist festzustellen, dass die Selten-Erden-Magnete 66 und die zweiten Polhohlräume 64 einander im Wesentlichen entsprechende Querschnittsformen rechtwinklig zu der zentralen Rotationsachse 26 enthalten. Die Selten-Erden-Magnete 66 können die zweiten Polhohlräume 64 vollständig ausfüllen, oder sie können einen oder mehrere Luftspalte zwischen den Selten-Erden-Magneten 66 und den jeweiligen zweiten Polhohlräumen 64 freilassen. Die Wicklungen 40 des gewickelten Stators 22 interagieren auf magnetische Weise mit den Selten-Erden-Magneten 66, die in den zweiten Polhohlräumen 64 der Selten-Erden-Pole 32 angeordnet sind, um Drehmoment zu erzeugen und um eine Rotation des Rotorkerns 28 um die zentrale Rotationsachse 26 herum relativ zu dem gewickelten Stator 22 zu bewirken.
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Die Selten-Erden-Magnete 66 können einen beliebigen Typ eines magnetischen Selten-Erden-Materials enthalten, der zur Verwendung in der IPM-Maschine 20 geeignet ist. Beispielsweise kann jeder der Selten-Erden-Magnete 66 aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) hergestellt sein und dieses enthalten, ist aber nicht darauf beschränkt. Der Fluss der starken Selten-Erden-Magnete 66 von einem der Selten-Erden-Pole 32 verbessert den Fluss der Ferritmagnete 38 der in Umfangsrichtung benachbarten Ferrit-Pole 30, wodurch das Entmagnetisierungspotential der Ferritmagnete 38 in den benachbarten Ferrit-Polen 30 gesenkt wird.
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Die Form und Orientierung der Selten-Erden-Magnete 36 und der zweiten Polhohlräume 64 wird nachstehend mit Bezug auf 2 im Detail beschrieben. Obwohl die hier bereitgestellte Beschreibung auf nur einen einzigen Selten-Erden-Pol 32, der in 2 gezeigt ist, beschränkt ist, ist festzustellen, dass die Form und Orientierung der Selten-Erden-Magnete 66 und ihrer jeweiligen zweiten Polhohlräume 64 identisch mit der Orientierung sind, die hier mit Bezug auf den einzigen Selten-Erden-Pol 32, der in 2 gezeigt ist, beschrieben ist.
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Mit Bezug auf 2 enthalten alle zweiten Polhohlräume 64 und deren darin angeordnete jeweilige Selten-Erden-Magnete 66 einen Querschnitt rechtwinklig zu der zentralen Rotationsachse 26, der eine rechteckige Form definiert. Die Selten-Erden-Magnete 66 von allen Selten-Erden-Polen 32 sind in mindestens einer Schicht angeordnet, die eine konkave V-Form rechtwinklig zu der zentralen Rotationsachse 26 definiert, wobei ein Scheitelpunkt 68 der konkaven V-Form auf der zweiten Polachse 62 angeordnet ist.
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Die Selten-Erden-Magnete 66 jedes der Selten-Erden-Poles 32 sind vorzugsweise symmetrisch um die zweite Polachse 62 eines jeden jeweiligen Selten-Erden-Pols 32 herum angeordnet. Die Selten-Erden-Magnete 66 jedes Selten-Erden-Pols 32 sind angeordnet, um eine erste Gruppe 70 der Selten-Erden-Magnete 66 und eine zweite Gruppe 72 der Selten-Erden-Magnete 66 zu definieren. Die erste Gruppe 70 der Selten-Erden-Magnete 66 ist an einer ersten Seite 74 der zweiten Polachse 62 angeordnet, und die zweite Gruppe 72 der Selten-Erden-Magnete 66 ist an einer zweiten Seite 76 der zweiten Polachse 62 angeordnet. Die erste Gruppe 70 der Selten-Erden-Magnete 66 und die zweite Gruppe 72 der Selten-Erden-Magnete 66 sind vorzugsweise Spiegelbilder zueinander entlang der zweiten Polachse 62. Alle Selten-Erden-Magnete 66 der ersten Gruppe 70 sind vollständig an der ersten Seite 74 der zweiten Polachse 62 angeordnet. Analog sind alle Selten-Erden-Magnete 66 der zweiten Gruppe 72 vollständig an der zweiten Seite 76 der zweiten Polachse 62 angeordnet.
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Wie vorstehend erwähnt wurde, sind die zweiten Polhohlräume 64 der Selten-Erden-Pole 32 in einer oder mehreren Schichten angeordnet. Wenn die zweiten Polhohlräume 64 jedes Selten-Erden-Pols 32 in mehreren Schichten angeordnet sind, dann sind die Schichten relativ zu der zentralen Rotationsachse 26 radial voneinander beabstandet. Wie in den Figuren gezeigt ist, sind die zweiten Pol-hohlräume 64 jedes Selten-Erden-Pols 32 so angeordnet, dass sie zwei Schichten definieren, d. h. eine erste Schicht 78 oder eine relativ zu der zentralen Rotationsachse 26 radial äußerste Schicht, und eine zweite Schicht 80 oder eine relativ zu der zentralen Rotationsachse 26 radial innerste Schicht. Folglich ist die erste Schicht 78 radial weiter von der zentralen Rotationsachse 26 entfernt angeordnet als die zweite Schicht 80. Es ist festzustellen, dass die zweiten Polhohlräume 64 nur eine einzige Schicht definieren können, oder dass sie mehr als die zwei gezeigten Schichten definieren können. Außerdem kann jede Schicht darin eine beliebige Anzahl von zweiten Polhohlräumen 64 enthalten. Wie gezeigt, enthält die erste Schicht 78 zwei zweite Polhohlräume 64 und die zweite Schicht 80 enthält zwei zweite Polhohlräume 64. Jedoch kann die Anzahl der zweiten Polhohlräume 64 in jeder Schicht eines jeden Selten-Erden-Pols 32 von der gezeigten beispielhaften Ausführungsform abweichen.
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Jede Schicht der Selten-Erden-Magnete 66 eines jeden Selten-Erden-Pols 32 enthält eine Dicke. Wie in 2 gezeigt ist, enthält die erste Schicht 78 eine erste Dicke 82 und die zweite Schicht 80 enthält eine zweite Dicke 84. Folglich enthält jeder Magnet in jeder Schicht die gleiche Dicke. Die Dicke der Magneten in jeder Schicht ist unterschiedlich. Wie gezeigt, nimmt die Dicke der Magnete in jeder Schicht von Magneten mit einer Zunahme der radialen Distanz von der zentralen Rotationsachse 26 ab. Folglich ist die erste Dicke 82 der ersten Schicht 78 von Magneten kleiner als die zweite Dicke 84 der zweiten Schicht 80 von Magneten. Vorzugsweise liegt die erste Dicke 82 für die Schicht 78 der Selten-Erden-Magnete 66 und die zweite Dicke 84 der zweiten Schicht 80 der Selten-Erden-Magnete 66 im Bereich von 2 mm bis 5 mm. Es ist jedoch festzustellen, dass der Wert der ersten Dicke 82 der Selten-Erden-Magnete 66 und der zweiten Dicke 84 der Selten-Erden-Magnete 66 von dem hier bereitgestellten beispielhaften Bereich abweichen kann.
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Die genaue Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Erfindung, aber der Umfang der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert. Obwohl einige der besten Arten und andere Ausführungsformen zum Ausführen der beanspruchten Erfindung im Detail beschrieben worden sind, gibt es verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen, um die in den beigefügten Ansprüchen definierte Erfindung in die Praxis umzusetzen.
