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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Elektromotoren und insbesondere Läufer von bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotoren (PM BLDC-Motoren).
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein PM BLDC-Motor hat üblicherweise einen Ständer und einen bezüglich des Ständers drehbaren Läufer. An dem Läufer ist mindestens ein Permanentmagnet vorgesehen. Der Ständer umfasst einen Ständerkern und an dem Ständerkern vorgesehene Wicklungen. Die Wicklungen erzeugen ein Magnetfeld, das mit den Permanentmagneten zusammenwirkt, um den Läufer relativ zu dem Ständer drehend anzutreiben. Der Läufer kann ein sogenannter oberflächenmontierter Permanentmagnetläufer sein, bei dem der (die) Magnet(e) an der Oberfläche des Läuferkerns montiert ist (sind), oder ein sogenannter Innenpermanentmagnet-Läufer (IMP-Läufer), bei dem die Magnete in Öffnungen liegen, die in dem Läuferkern gebildet sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines neuartigen IMP-Läufers für einen PM BLDC-Motor.
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Demzufolge wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Elektromotor angegeben, umfassend: einen Ständer mit einem Ständerkern, der eine Mehrzahl von Zähnen und Wicklungen, die um die Zähne herumgeführt sind, aufweist; und einen Läufer, der in dem Ständer installiert ist, wobei der Läufer eine Welle, eine an der Welle befestigte Nabe, eine Mehrzahl von um die Nabe befestigten Läuferkernsegmenten und Magneten und zwei an den jeweiligen axialen Enden des Läuferkernsegmente befestigte Abdeckungen umfasst, wobei die Nabe und die Abdeckungen durch ein Umspritzverfahren an den Läuferkernsegmenten angeformt sind und eine der Abdeckungen Öffnungen zum Einsetzen der Magnete in Räume, die zwischen benachbarten Läuferkernsegmenten gebildet sind, definiert, so dass die Läuferkernsegmente und die Magnete in einer Umfangsrichtung des Läufers alternierend angeordnet sind.
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Vorzugsweise haben die Öffnungen eine Mehrzahl von verjüngten Rippen, um die Magnete in die Räume zu lenken.
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Vorzugsweise hat jedes Läuferkernsegment ein keilförmiges inneres Ende, und die Nabe hat eine Mehrzahl von keilförmigen Verriegelungsschlitzen an einer Verbindungsstelle zwischen den Läuferkernsegmenten und der Nabe, wobei die inneren Enden der Läuferkernsegmente mit den jeweiligen keilförmigen Verriegelungsschlitzen im Eingriff sind, um dadurch die Läuferkernsegmente in radialen Richtungen des Läufers zu positionieren.
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Vorzugsweise hat jedes Läuferkernsegment ein Paar von Zungen, die von den einander gegenüberliegenden Seiten seines äußeren Endes in Umfangsrichtungen des Läufers vorspringen, und jeder Magnet ist in der Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Läuferkernsegmenten aufgenommen, wobei sich das innere Ende jedes Magnets mit der Außenumfangsfläche der Nabe und das äußere Ende jedes Magnets mit zwei benachbarten Zungen der beiden benachbarten Läuferkernsegmente in Kontakt befindet, um den Magnet dadurch in der radialen Richtung zu positionieren.
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Vorzugsweise definiert jedes Läuferkernsegment einen Schlitz, der mit nichtmagnetischem Material gefüllt wird, wenn die Nabe und die Abdeckungen geformt werden, wobei sich der Schlitz in einer axialen Richtung des Läufers erstreckt.
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Vorzugsweise hat jeder Schlitz einen birnenförmigen Querschnitt.
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Vorzugsweise sind die Abdeckungen durch eine Mehrzahl von Stegen miteinander verbunden, die sich an einer äußeren Umfangsfläche der Rotorkernsegmente befinden und jeweils die zwischen benachbarten Läuferkernsegmenten gebildeten Räume abdecken.
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Vorzugsweise definiert jedes Läuferkernsegment einen axialen Schlitz, in den ein Positionierungsstift eingesetzt ist, wobei der Positionierungsstift beim Formen der Abdeckungen mit den Abdeckungen umspritzt wird.
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Vorzugsweise vergrößert sich die Breite eines zwischen den Läuferkernsegmenten und den Zähnen des Ständers gebildeten Luftspalts von einem der Mitte jedes Läuferkernsegments entsprechenden Bereich in Richtung auf Bereiche, die den einander in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Enden jedes Läuferkernsegments entsprechen.
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Vorzugsweise beträgt die maximale Breite des Spalts das 1,1- bis 1,6-fache seiner minimalen Breite.
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Vorzugsweise hat der Läufer zehn Magnete, die Magnetpole bilden, und der Ständer hat zwölf Zähne.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Elektromotor angegeben, der für Waschmaschinen verwendet wird, wobei der Motor umfasst: einen Ständer der einen Ständerkern mit zwölf Zähnen und jeweils zwölf Wicklungen an den Zähnen aufweist; und einen in dem Ständer installierten Läufer, wobei der Läufer eine Welle, eine an der Welle befestigte Nabe, zehn Läuferkernsegmente und zehn Magnete, die um die Nabe befestigt sind, und ein Paar von Abdeckungen, die an den jeweiligen axialen Enden der Läuferkernsegmente befestigt sind, umfasst, wobei die Läuferkernsegmente und die Magnete in der Umfangsrichtung des Läufers alternierend angeordnet und die Magnete aus Ferrit hergestellt sind.
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Vorzugsweise vergrößert sich die Breite eines zwischen jedem Läuferkernsegment und den Zähnen des Ständers gebildeten Luftspalts von einem der Mitte des Läuferkernsegments entsprechenden Bereich in Richtung auf Bereiche, die den in Umfangsrichtung einander gegenüberliegenden Enden der Läuferkernsegmente entsprechen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Elektromotor angegeben, der für einen Wäschetrockner verwendet wird, wobei der Motor umfasst: einen Ständer, der einen Ständerkern mit zwölf Zähnen und jeweils zwölf Wicklungen an den Zähnen aufweist; und einen in dem Ständer installierten Läufer, wobei der Läufer eine Welle, eine an der Welle befestigte Nabe, zehn Läuferkernsegmente und zehn Magnete, die um die Nabe befestigt sind, und ein Paar von Abdeckungen, die an den jeweiligen axialen Enden der Läuferkernsegmente befestigt sind, umfasst, wobei die Läuferkernsegmente und die Magnete in der Umfangsrichtung des Läufers alternierend angeordnet und die Magnete aus Ferrit hergestellt sind.
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Vorzugsweise sind die Nabe und die Abdeckungen durch ein Umspritzverfahren an den Läuferkernsegmenten angeformt, wobei eine der Abdeckungen zehn Öffnungen hat, die das Einsetzen der Magnete in die zwischen benachbarten Läufersegmenten gebildeten Räume ermöglichen, und wobei eine Anschlagplatte an der Welle befestigt ist und sich mit einer der Abdeckungen in Kontakt befindet, um zu verhindern, dass die Magnete axial aus den Räumen heraus gelangen.
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Vorzugsweise ist hat ein Luftspalt, der zwischen den Läuferkernsegmenten und den Zähnen des Ständers gebildet ist, eine konstante radiale Breite.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen, die in den Figuren dargestellt sind, sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
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1 zeigt einen Elektromotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt den Motor von 1, wobei eine der Endkappen abgenommen ist;
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3 zeigt einen Läufer des Motors von 1;
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4 zeigt den Läufer von 3 aus einem anderen Winkel;
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5 zeigt eine Nabe des Läufers von 3;
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6 ist eine Schnittansicht des Läufers von 3;
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7 zeigt einen Ausschnitt einer vergrößerten Schnittansicht des Motors von 1;
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8 ist eine Schnittansicht eines Elektromotors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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9 ist eine Schnittansicht eines Elektromotors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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10 zeigt einen Elektromotor gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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11 zeigt den Motor von 10, wobei eine Endkappe abgenommen ist; und
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12 zeigt einen Läufer des Motors von 10.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 1 bis 7 zeigen einen bürstenlosen Elektromotor 8 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Motor hat einen Ständer 10 und einen in dem Ständer drehbar angeordneten Läufer 20. Der Ständer hat einen Ständerkern 11 mit einer Mehrzahl von Zähnen 12, die sich von dem Ständerkern nach innen erstrecken, Wicklungen 13, die jeweils an den Zähnen 12 ausgeführt sind, und zwei Endkappen 16 und 18, die an den jeweiligen axialen Enden des Ständerkerns angeordnet sind. Die Endkappen 16 und 18 definieren eine Mehrzahl von Paaren koaxialer Öffnungen 17 für Befestigungselemente 19 zur Festlegung der Endkappen 16 und 18 an dem Ständerkern 11.
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Wie in den 3 bis 6 gezeigt ist, umfasst der Läufer 20 eine Welle 21, eine an der Welle 21 befestigte Nabe 22, eine Mehrzahl von Läuferkernsegmenten 23 und Magneten 24, die um die Nabe 22 befestigt sind, und ein Paar von Abdeckungen 25 und 26, die an einander gegenüberliegenden axialen Enden der Läuferkernsegmente 23 und der Magnete 24 angeordnet sind.
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Wie die 5 und 6 zeigen, hat die Nabe 22 eine Mehrzahl von Verriegelungsschlitzen 28 in ihrer radialen Außenfläche. Die Verriegelungsschlitze 28 haben jeweils einen keil- oder schwalbenschwanzförmigen Querschnitt. Jedes Läuferkernsegment 23 hat ein in der radialen Richtung des Läufers inneres Ende und äußeres Ende. Das innere Ende hat einen keilförmigen (schwalbenschwanzförmigen) Querschnitt entsprechend dem keilförmigen Querschnitt der Verriegelungsschlitze 28. Das innere Ende jedes Läuferkernsegments 23 ist mit einem jeweiligen Verriegelungsschlitz 28 der Nabe 22 verriegelt, um das Läuferkernsegment 23 in der radialen Richtung des Läufers an der Nabe befestigt zu halten. Das äußere Ende des Läuferkernsegments 23 umfasst ein Paar von Zungen 29, die in Umfangsrichtung des Läufers von den einander gegenüberliegenden Seiten des Läuferkernsegments vorspringen. Die Läuferkernsegmente 23 und die Magnete 24 sind in Umfangsrichtung des Läufers alternierend angeordnet.
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Jeder Magnet 24 ist in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Läuferkernsegmenten 23 aufgenommen. Das innere Ende jedes Magnets 24 befindet sich in Kontakt mit der äußeren Umfangsfläche der Nabe 22, und sein äußeres Ende befindet sich in Kontakt mit zwei benachbarten Zungen 29 der beiden benachbarten Läuferkernsegmente 23, um den Magnet 24 dadurch in der radialen Richtung zu positionieren. Vorzugsweise ist zwischen den Magneten 24 und den Läuferkernsegmenten 23 Klebstoff verteilt, um die Befestigung der Magnete 24 an den Läuferkernsegmenten 23 zu erleichtern. Die Magnete 24 sind in der Umfangsrichtung des Läufers polarisiert, und die Polarisierungsrichtungen der benachbarten Magnete 24 sind umgekehrt.
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Zur Reduzierung des Gewichts des Läufers haben die Flächen der Abdeckungen 25 und 26 eine Mehrzahl von Ausnehmungen. Die Abdeckungen 25 und 26 sind an der Innenseite über die Nabe 22 und an der Außenseite über eine Mehrzahl von Stegen 27 miteinander verbunden. Die Stege 27 befinden sich an der äußeren Umfangsfläche der Läuferkernsegmente 23 und bedecken jeweils die äußeren Enden der Räume, die zwischen benachbarten Läuferkernsegmenten 23 gebildet sind. Die Stege 27 befinden sich in Kontakt mit jeweiligen Zungen 29 und mit den äußeren Enden der jeweiligen Magnete 24.
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Vorzugsweise sind die Nabe 22 und die Abdeckungen 25 und 26 durch ein Umspritzverfahren an den Läuferkernsegmenten 23 angeformt. Die Abdeckung 26 hat entsprechend den zwischen benachbarten Läuferkernsegmenten 23 gebildeten Räumen eine Mehrzahl von Öffnungen 34, um das Einsetzen der Magnete 24 in die jeweiligen Räume zu ermöglichen.
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In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind benachbarte Läuferkernsegmente 23 voneinander getrennt, und die Läuferkernsegmente 23 sind durch die Nabe 22 von der Welle 21 isoliert, wodurch ein Leck-Magnetfluss reduziert wird. Dadurch können in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Magnete 24 aus Ferrit, das wesentlich preiswerter ist als NdFeB, die baulichen Anforderungen erfüllen.
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Wie in 7 dargestellt ist, ist der zwischen den Zähnen 12 des Ständers und den Läuferkernsegmenten 23 gebildete Luftspalt ungleich. Das heißt, die Breite des Luftspalts zwischen den Ständerzähnen und den Läuferkernsegmenten ist nicht konstant. Die radiale Außenfläche jedes Läuferkernsegments 23 ist ein Ausschnitt eines Kreises mit einer Mitte O', die zur Mitte O der Welle 21 versetzt ist. Die Breite des Luftspalts vergrößert sich von dem der Mitte 231 des Läuferkernsegments 23 entsprechenden Bereich in Richtung auf Bereiche, die den umfangsseitigen Enden 232 der Läuferkernsegmente 24 entsprechen. Vorzugsweise beträgt die maximale Breite des Luftspalts das 1,1- bis 1,6-fache seiner minimalen Breite. Der ungleiche Luftspalt reduziert das Rastmoment und dadurch das von dem Motor erzeugte Geräusch.
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Das Verfahren zur Herstellung des Läufers wird nunmehr im Detail beschrieben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte.
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Die Läuferkernsegmente 23 werden unter Verwendung einer Haltevorrichtung um die Welle 21 zu einem Ring zusammengefügt. Zwischen inneren Enden der Läuferkernsegmente 23 wird eine zentrale Öffnung gebildet. Der Durchmesser der Öffnung ist größer als jener der Welle 21, so dass zwischen der Welle und den inneren Enden der Läuferkernsegmente 23 ein Spalt gebildet wird. Benachbarte Läuferkernsegmente 23 sind voneinander beabstandet.
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Die Nabe 22 und die Abdeckungen 25 und 26 werden durch ein Umspritzverfahren an den zusammengefügten Läuferkernsegmente 23 angeformt. Die Welle kann durch den Spritz-Schritt an dem Läuferkern befestigt werden, oder es kann alternativ in der Nabe 22 und in den Abdeckungen 25 und 26 eine axiale Öffnung für das spätere Einsetzen der Welle gebildet werden.
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Die Magnete 24 werden von einem axialen Ende in die jeweilige Räume eingesetzt, die zwischen benachbarten Läuferkernsegmenten 24 gebildet sind.
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In der vorstehenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der Läufer zehn Magnete, die zehn Magnetpole bilden, und der Ständer hat zwölf Zähne 12, wobei zwölf Schlitze zwischen benachbarten Zähnen 12 gebildet sind. Der Motor ist als Zehnpol-Zwölfschlitz-Motor bekannt.
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8 zeigt einen Sechspol-Neunschlitz-Motor. Um das Gewicht des Läufers zu reduzieren, kann vorzugsweise ein axialer Schlitz 31 in dem Läuferkernsegment 23 gebildet sein, der während des Schrittes des Anformens der Nabe 22 und der Abdeckungen 25 und 26 an dem Läuferkern mit dem Material der Abdeckungen gefüllt wird. Alternativ kann der axiale Schlitz 31 als Positionierungsschlitz dienen, in den ein Positionierungsstift eingesetzt wird, wenn die Läuferkernsegmente 23 zusammengefügt werden. Die Positionierungsstifte werden bei der Bildung der Abdeckungen 25 und 26 mit den Abdeckungen 25 und 26 umspritzt.
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9 zeigt einen Achtpol-Zehnschlitz-Motor. Vorzugsweise hat der Schlitz 31 einen birnenförmigen Querschnitt mit einem kleinen Ende, das der Nabe 22 benachbart ist, und mit einem großen Ende, das von der Nabe 22 entfernt ist. Der birnenförmige Schlitz 29 verbessert den Magnetflusskreis.
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Die Motoren mit ungleichem Luftspalt sind speziell für Waschmaschinen geeignet.
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Die 10 bis 12 zeigen einen ähnlichen IPM-Motor, der speziell für Wäschetrockner wie Tumbler geeignet ist. Bei diesem IMP-Motor ist der zwischen den Zähnen 12 des Ständers und den Läuferkernsegmenten 23 gebildete Luftspalt 23 gleich, d. h. der Luftspalt hat in der radialen Richtung des Motors gemessen eine konstante Breite. Eine Anschlagplatte 30 ist an der Welle 21 befestigt und befindet sich in Kontakt mit der Abdeckung 26, um die Magnete 24 in der axialen Richtung des Läufers an einem Heraustreten aus dem zwischen benachbarten Läuferkernsegmenten 23 gebildeten Raum zu hindern, speziell wenn sich der Läufer mit hoher Geschwindigkeit dreht. Die Abdeckungen 25 und 26 haben ebene Außenflächen.
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Zum leichteren Einsetzen der Magnete können die Öffnungen 34 in der Abdeckung 26 eine Anzahl von verjüngten Rippen 32 aufweisen, um die Magnete 24 in die Räume zu führen, die zwischen benachbarten Läuferkernsegmenten 23 gebildet sind. Die Rippen können größer als notwendig sein, so dass sie sich in geringem Maß über die Räume erstrecken, wobei dem Raum eine Schulter gegenüberliegt, die bei einer Anordnung in der Art eines Schnappverschlusses eine Entnahme der Magnete verhindert, sobald diese einmal eingesetzt sind.
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Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
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Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedenen Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
