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Die
Erfindung betrifft einen Elektromagneten, bestehend aus einer Magnetspule,
die einen längs
zur Spulenachse beweglichen Anker mit Ankerstange aufnimmt und einer
Lagerung des Ankers und/oder der Ankerstange in einem auch der Führung des
Magnetfeldes dienenden Kernes, wobei die Ankerstange auf einer Fläche des
Kerns direkt gelagert ist.
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Die
vorbeschriebenen Elektromagneten finden zum Beispiel als Schalt-
oder Druckregelmagneten einen großen Einsatzbereich. Insbesondere
werden solche Magnete, zum Beispiel in Automatikgetriebe von Fahrzeugen,
eingesetzt. Aufgrund der dort herrschenden Betriebsbedingungen,
insbesondere in einem Öl sumpf,
dem Vorhandensein starker Verschmutzung und großen Temperaturunterschieden, sind
die vorbeschriebenen Elektromagneten erhöhten Anforderungen ausgesetzt.
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Üblicherweise
werden die vorbeschriebenen Elektromagneten derart aufgebaut, daß ein oder mehrere
Gleitlager, insbesondere im Kernmaterial des Elektromagneten vorgesehen
sind, um das bewegliche Element des Elektromagneten, nämlich den Anker
bzw. die Ankerstange, zu lagern und zu führen. Es handelt sich hierbei
in der Regel um ein Axialgleitlager, bei dem das Lager die Kräfte, welche
parallel zur Spulenachse bzw. zu Längserstreckung der Stange auftreten,
aufnimmt. Diese Gleitlager oder Gleitlagerbuchsen sind verhältnismäßig aufwendig zu
montieren. Der Bereich, welcher die Anker bzw. die Ankerstange aufnimmt,
muß eine
entsprechende Aufnahmebohrung für
die Gleitlagerbuchse aufweisen. Für den Einbau des Lagers muß eine Toleranz vorgesehen
werden, die entsprechend der Lagerqualität genau ausgeführt werden
muß. Hieraus
resultiert ein entsprechender Aufwand für den Einbau des Lagers.
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Da
für die
Lagerung der Ankerstange auch mehrere Gleitringe (= als Lager) vorgesehen
sind, müssen
die verschiedenen Lager ausgerichtet montiert werden. Da ein Fluchtungs-
bzw. Rundlauffehler hierbei nicht ausgeschlossen werden kann, führt auch
dies zu einer weiteren Toleranz. Da die vorbeschriebenen Elektromagneten
unter Umständen
in Einsatzgebieten mit hohen Temperaturschwankungen eingesetzt werden,
muß auch
diesen Temperaturschwankungen mit einem entsprechenden Lagerspiel
Rechnung getragen werden.
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Hieraus
resultieren aufgrund von Verlustluftspalten und Reibungshysteresen
verhältnismäßig schlechte
Wirkungsgrade der Magnete. Aufgrund des großen Lagerspieles besteht auch
eine Verschmutzungsanfälligkeit
und die erhöhte
Gefahr, daß die
Verschmutzung zu einer Störung
des Betriebes des Elektromagneten führt. Außerdem ist die verhältnismäßig geringe
Präzision
aufgrund des großen
Lagerspieles auch verantwortlich für einen relativ schlechten
magnetischen Kreis, da die Lagerspiele auch zu größeren Verlusten
an den Luftspalten führen,
die nicht ausgeglichen werden können.
Darüber hinaus
ist der Einbau der Gleitlagerbuchsen verhältnismäßig aufwendig, da diese wie
beschrieben, eine präzise
Aufnahmebohrung benötigen.
Zusätzlicher Aufwand
muß betrieben
werden, um ein Axialverschieben der Lager durch den Einbau geeigneter
Sicherungsmaßnahmen
zu vermeiden. Letztendlich kostet auch der Einbau der Lager zusätzliches
Einbauvolumen.
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Da
die Zuverlässigkeit
des vorbeschriebenen Elektromagneten von der Genauigkeit der Lagerung
abhängt,
muß gerade
die Lagerung durch entsprechenden fertigungs- und prüftechnischen
Aufwand überwacht
werden, um eine befriedigende Qualität zu erreichen.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE 42 10 740 A1 zeigt einen Stößel, der
auf einer Lagerbohrung geführt
ist.
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Aus
der deutschen Patentschrift
DE
43 31 495 C2 und der
DE 21 11 123 A sind Elektromagnete nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt, die aus einer Magnetspule, die
einen längs
zur Spulenachse beweglichen Anker mit Ankerstange aufnimmt, bestehen.
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Die
vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, einen Elektromagneten
dahingehend zu entwickeln, der bei höherer Präzision und somit einer höheren Qualität mit geringen
Herstellungskosten produzierbar ist.
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Gelöst wird
diese Erfindung durch einen Elektromagneten wie eingangs beschrieben,
der sich dadurch auszeichnet, daß die Ankerstange die Lagerfunktion
dadurch übernimmt,
daß die
Ankerstange aus Messing, Bronzelegierungen oder Lagermetallen besteht.
Durch die direkte Lagerung des Ankers wird auf den Einbau der Lagerbuchsen
verzichtet. Der herstellungstechnische Vorteil ergibt sich unmittelbar.
Da keine Lager mehr verwendet werden, werden Fluchtungs- oder Rundlauffehler
minimiert. Auch der Aufwand für
eine Justage beziehungsweise Kalibrierung der Lage bzw. axiale Sicherung,
gegen ein ungewolltes Verrutschen der Lagerbuchsen, ist nicht mehr
notwendig.
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Als
Lagermetalle eignen sich insbesondere Metalle wie Bleibronzen, Zinnbronzen,
Aluminiumbronzen oder Kupfer, Blei, Zink, Zinn mit entsprechenden
Beilegierungen anderer Materialien, wie Blei, Kupfer, Antimon, Aluminium,
Zink. Die Zusammensetzungen dieser Legierungen sind aus dem Stand
der Technik bekannt. Durch entsprechende Wahl der Legierung kann
erreicht werden, die Ankerstange auch im Hinblick auf den eingesetzten
Temperaturbereich zu optimieren.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen,
daß die
Ankerstange aus einem nichtmagnetischen Lagerwerkstoff gefertigt
ist. Durch die Verwendung eines nichtmagnetischen Lagerwerkstoffes
als Material für
die Ankerstange werden die magnetischen Eigenschaften des Magneten
nicht beeinträchtigt.
Insbesondere werden die Magnetfeldlinien die im Kern geführt sind
durch eine solche Ausgestaltung nicht abgelenkt, was letztendlich
zu einer Beeinträchtigung
des Wirkungsgrades des Gerätes
führen
könnte.
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In
der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß in dem
Kern eine Bohrung, bevorzugt eine Präzisionsbohrung, vorgesehen
ist, auf dessen Innenfläche
der Anker bzw. die Ankerstange, insbesondere ohne ein gesondertes
Lager, gelagert ist, und die Stange die Lagerfunktion übernimmt.
Aus dem bekannten Elektromagneten wird der Einsatz der Präzisionsbohrung
beibehalten. Diese war schon notwendig, um nach dem Einbau der Buchse
eine entsprechende Güte
der Orientierung des Lagers zu erreichen. Da auf die Verwendung
eines zusätzlichen
Lagers bewußt
verzichtet wird, wird die Lagerfunktion der Stange zugeordnet. Neben
einer Lagerung der Ankerstange in einer Bohrung ist es aber auch
möglich
den Anker auf einer wie auch immer gearteten Fläche des Kernes zu lagern, beziehungsweise
auf dieser zu führen.
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Es
ist vorgesehen, daß der
Anker aus mehreren Elementen, dem Ankerkörper und der Ankerstange besteht.
Erfindungsgemäß übernehmen
Elemente des Ankers die unmittelbare Lagerung auf einer Fläche des
Kernes. Neben der Verwendung der Ankerstange ist es aber auch möglich, den
Ankerkörper
entsprechend in einem Kernelement zu lagern. Durch eine solche Ausgestaltung
kann zum Beispiel eine doppelte Lagerung des Ankers mittels des
Ankerkörpers
und der Ankerstange erfolgen. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad
zu erreichen ist vorgesehen, den Ankerkörper aus einem ferromagnetischen
Material zu bilden. Der Anker besteht dabei aus mehreren Elementen
die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, die entsprechend
miteinander verschweißt,
verklebt oder verstemmt beziehungsweise andersweitig verbunden sind.
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Neben
der Ausgestaltung, daß eine
Ankerstange an dem Anker körper
angeordnet ist, ist es aber auch möglich, zwei Ankerstangen anzuordnen. Die
Lagerung des Ankers kann dabei entweder über die beiden Ankerstangen
erfolgen oder über
den Ankerkörper
alleine, wobei die Ankerstangen dann nur Steueraufgaben übernehmen.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
liegen in dem deutlich verringerten Herstellungsaufwand für diese
Elektromagneten. Gleichzeitig wird die Präzision der Stangenführung erhöht, wodurch
auch höherdefinierte
und präzisere
Luftspaltverhältnisse
resultieren. Die magnetischen Verlustluftspalte können minimiert
werden, wodurch ein besserer magnetischer Kreis entsteht, was letztendlich zu
einem höheren
Wirkungsgrad führt.
Durch kleinere Lagerspalte ist die Anfälligkeit gegen Verschmutzung
geringer. Da keine Lager mehr vorgesehen sind, die entsprechend
zueinander ausgerichtet werden müssen,
werden bessere Rundlaufeigenschaften sowie eine geringe Reibungshysterese
erreicht, wodurch auch die mechanische Beanspruchung bzw. letztendlich
auch der Wirkungsgrad des Elektromagneten deutlich verbessert wird.
Die Erfindung führt
zu einer kompakteren und kostengünstigeren
Konstruktion, wobei auch die Herstellung durch die Einsparung mehrerer
Schritte, nämlich
Einbau, Justage und Sicherung der Lagerbuchse, deutlich vereinfacht wird.
Gleichzeitig wird ein präziseres
Gerät geschaffen,
das die aufgenommene Leistung besser nützt bzw. einen höheren Wirkungsgrad
erreicht.
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In
der Zeichnung ist die Erfindung bzw. ein Elektromagnet nach dem
Stand der Technik schematisch dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 bis 3 jeweils
in einem senkrechten Schnitt in unterschiedlichen Ausführungsformen den
erfindungsgemäßen Elektromagnet
und
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4 in
einem senkrechten Schnitt eine Ausführungsform eines Elektromagneten
des Standes der Technik.
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In 4 ist
ein Elektromagnet gemäß dem Stande
der Technik gezeigt. Der prinzipielle Aufbau dieses Elektromagneten
und des Elektromagneten gemäß der Erfindung
ist im wesentlichen gleich. Insofern werden gleiche Bezugsziffern
verwendet, bzw. ist die Beschreibung auch auf die Erfindung lesbar.
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Der
Elektromagnet besitzt eine Magnetspule 1. Diese Magnetspule 1 erzeugt
bei der Beaufschlagung mit Strom ein Magnet feld. Der Verlauf des
Magnetfeldes ist im Inneren der Spule im wesentlichen parallel zur
Spulenachse 10, wobei die Magnetfeldlinien geschlossen
sind. Für
eine Verbesserung der Führung
der Magnetfeldlinien ist der Kern 3 vorgesehen.
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Die
Magnetspule 1 ist aus einem Spulenkörper 12 aufgebaut,
welcher zum Beispiel aus Kunststoff gefertigt ist und endseitige
Flansche 13 besitzt. Die Flansche 13 dienen dazu,
den auf dem Spulenkörper 12 aufgewickelten
Spulendraht 14 zu führen.
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Der
Kern 3 besteht aus mehreren Elementen 30, 31.
Für eine
Montage werden die beiden Kernteile 30, 31, das
Kernoberteil 31 und das Kernunterteil 30, miteinander
an ihrer Nahtstelle 32 verstemmt, verklebt, verschweißt oder
sonstwie verbunden. Der Kern 3 umgibt sowohl den Außenbereich
der Spule, dringt aber gleichzeitig auch in das Spuleninnere ein. Neben
der Führung
des Magnetfeldes hat der Kern 3 auch eine mechanische Führungsaufgabe
für den Anker 2.
An dem Kern 3 stützen
sich auch andere Elemente, wie zum Beispiel eine Rückholfeder 5 ab, die
den Anker 2 wieder in die Grundposition zurückschiebt,
wenn kein Magnetfeld anliegt.
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Der
in 4 dargestellte Anker 2 besteht aus mehreren
Elementen. Die Ankerstange 21 ist in dem Lager 9 geführt. Mit
größerem Druchmesser
befindet sich darüber
der Ankerkörper 20,
der mit seiner Wirkfläche 22 den
Luftspalt 11 zu dem Kern 3 begrenzt.
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Oberhalb
des Ankerkörpers 20 ist
der Voranker 29 angeordnet, der gegenüber dem Ankerkörper 20 einen
geringeren Durchmesser aufweist, aber immer noch einen größeren Durchmesser
besitzt als die Ankerstange 21.
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An
dem Voranker 29 befindet sich eine Antihaftscheibe 200,
die ein Zusammenhaften des Ankers 2 und des Kernes 3 verhindert.
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Gerade
die Abstufung des Kernes 3 zur Aufnahme des Vorankers 29,
beziehungsweise des Ankerkörpers 20 ist
wichtig für
die Führung
des magnetischen Flußes.
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Es
wird darauf hingewiesen, daß die
Teile, die in 4 nicht explizit mit der Lagerung
der Ankerstange in Verbindung stehen, natürlich auch bei Ausgestaltung
der Erfindung einsetzbar sind und der Schutz sich hierauf erstreckt.
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Der
Kern 3 ist bevorzugt aus magnetisierbaren Material, zum
Beispiel Eisen oder einem sonstigen Ferromagneten oder sonstigen
Materialien gefertigt.
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Im
Inneren der Magnetspule 1 ist der Anker 2 beweglich
gelagert angeordnet. Der Anker 2 besteht hierbei aus mehreren
Elementen, nämlich
dem Ankerkörper 20 und
der Ankerstange 21. Die Ankerstange 21 kann sich
hierbei nur einseitig oder beidseitig des Ankerkörpers 20 erstrecken.
Die Ankerstange 21 ist dabei koaxial zur Spulenachse 10 angeordnet.
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Der
Luftspalt 11 befindet sich in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 in
der oberen Hälfte
der Magnetspule zwischen der oberen Fläche 22 des Ankerkörpers 20 und
der unteren Begrenzungsfläche 33 des
Kernteiles 31.
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Für eine Führung des
Ankers 2, insbesondere der Ankerstange 21 ist
eine Lagerung 4 vorgesehen.
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Im
Stand der Technik (Ausgestaltung nach 4) sind
hierzu Lager 9 vorgesehen, die im oberen und unteren Bereich,
teilweise im Inneren der Magnetspule 1 oder außerhalb
der Magnetspule 1 im Kern 3 befestigt sind und
die Ankerstange 21 lagern. Hierbei ist die Lagerbuchse 9 in
einer entsprechenden Bohrung 91 des Kernes 3 eingelassen
und eingepaßt.
Diese Bohrung 91 weist eine entsprechende Güte auf,
die höherwertig
ist als die Güte
des Lagers 9, um eine ausreichende Genauigkeit der Lagerung zu
erreichen. In 4 ist dargestellt, daß unterhalb und
oberhalb des Ankerkörpers 20 je
die Ankerstange 21 angeordnet ist und jeweils in eigenen
Lagern 9 gelagert ist. Als Lager werden im Stand der Technik Alu-Sinterlager,
Messinglager oder Kunststoffverbundlager eingesetzt. Um die Lager 9 vor
einem axialen Verrutschen zu sichern, weist der Kern 3 eine flanschartige
Verstemmung 90 als Sicherung auf. Im Gegensatz zu den Lagern 9 ist
die Ankerstange 21 in dem Beispiel nach dem Stand der Technik
aus verhältnismäßig harten
Material gefertigt. zum Stand der Technik wurde somit die Lageraufgabe
eindeutig von dem separaten Lager 9, der als eigenes Bauelement zusätzlichen
Aufwand beim Einbau erfordert, erfüllt.
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Es
ist klar, daß der
Einbau der Lager 9 einen zusätzlichen Aufwand erfordert.
Die Ausgestaltung der Erfindung gemäß der Ausführungsbeispiele nach 1 bis 3 verzichtet
auf die Verwendung von Lagern 9.
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Der
Aufbau der Elektromagnete gemäß 1 bis 3 ist
im wesentlichen identisch wie der Aufbau, wie er für 4 geschildert
worden ist. Insofern wird auf eine detaillierte Wiederholung der
gleichen Elemente verzichtet.
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Unterschiedlich
gegenüber
der Ausgestaltung zum Stande der Technik ist die Lagerung 4.
Der Elektromagnet gemäß 1 besitzt
wieder beidseitig des Ankerkörpers 20 je
eine Ankerstange 21, die in den jeweiligen Kernteilen 3, 30, 31 gelagert
ist. Hierbei ist die Ankerstange 21 bzw. der Anker 2 direkt und
unmittelbar auf der Oberfläche
des Kernes 3, 30, 31 gelagert. Die Kernteile 3, 30, 31 weisen
hierzu Präzisionsbohrungen 34 auf,
die der gleichen Güte entsprechen,
wie die Bohrungen 91 in 4, die der Aufnahme
der Lager 9 dienen. Da nun keine Lager mehr eingebaut werden,
werden auch hier keine Fertigungstoleranzen mehr benötigt, wodurch
durch die Einsparung dieser Verarbeitungsschritte nicht nur der Herstellungsaufwand
gesenkt, sondern gleichzeitig die Präzision erhöht wird. Die Innenfläche der
Präzisionsbohrung 34 bildet
die Fläche 39 des
Kernes 3, auf welchem die beweglichen Elemente Anker 2,
Ankerstange 21, Ankerkörper 20 und/oder
Ankerstangenführung 23 aufliegen.
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In 1 ist
angeordnet, daß der
Anker 2 gegebenenfalls an zwei Innenflächen 39 geführt wird. Hierbei
befindet sich die erste Innenfläche 39 in
dem oberen Kernelement 31 und wirkt mit dem Ankerkörper 20 zusammen.
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Im
unteren Kernelement 30 ist die Präzisionsbohrung 34 vorgesehen,
die ebenfalls eine Innenfläche
oder Fläche 39 zur
Lagerung der Ankerstange 21 bildet.
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Natürlich ist
auch die Innenfläche 39 im
oberen Kernelement 31 mit einer entsprechenden Güte gebildet.
Die Fläche 39 kann
zum Beispiel auch eine entsprechend behandelte, zum Beispiel gefräste oder
gedrehte Oberfläche
sein.
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Im
unteren Teil 30 des Kernes 3 wird hierbei nur
ein verhältnismäßig kurzer
Abschnitt der verfügbaren
Durchführungslänge der
Stange 21 durch das Unterteil 30 des Kernes als
Präzisionsbohrung 34 ausgestaltet.
Die übrigen
Bereiche 35, oberhalb und unterhalb der Präzisionsbohrung 34 können mit
einem einfacheren Werkzeug vorgearbeitet sein und sind gegenüber der
Führungsflächen der
Präzisionsbohrung 34 zurückgesetzt.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach 1 bis 3 ist der Ankerkörper 20 aus
einem ferromagnetischen Material hergestellt, die Ankerstangen 21 bestehen
aus einem nichtmagnetischen Lager werkstoff. Die Ankerstange 21 ist
dazu ausgebildet, entsprechende Elemente anzusteuern, zum Beispiel
ein Ventil zu schließen
oder zu öffnen,
einen Medienfluß freizugeben
oder zu verschließen
usw.
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In 2 ist
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen.
In dieser Bauweise ist der Anker 2, der aus Ankerkörper und
Ankerstange besteht, ”fliegend
gelagert”.
Das bedeutet, daß die
Lagerung 4 nur einseitig durch die Ankerstange 21 erfolgt.
Der Vorteil dieser Variante besteht in der noch präziseren
Ausführung
der Lagerung 4, die sich vor allem positiv in Bezug auf
die magnetischen Übergänge am Anker
auswirkt und die es vor allem ermöglicht, die Ankerstange 21 mit
einer Steuerkante 6 zur Druckregelung, wie es bei Schiebeventilen
bekannt ist, auszustatten.
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Der
Anschluß der
Magnetspule 1 erfolgt hierbei über die Verkabelung 15.
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Gegenüber der
Ausgestaltung gemäß 1 oder 3 weist
hier die Ankerstange 21 (2) eine
Ankerstangenführung 23 auf,
die sich hierbei direkt unterhalb des Ankerkörpers 20 auf der Ankerstange
anschließt.
Die Ankerstangenführung 23 weist
hierbei einen Durchmesser auf, der größer ist, als die sonstigen
Bereiche der Ankerstange 21. Die Ankerstangenführung 23 kann
sogar einen Durchmesser aufweisen, der größer ist, als der Ankerkörper 20.
Die Ankerstangenführung 23 wirkt
hierbei zusammen mit der Präzisionsbohrung 34 im
oberen Teil des Kernunterteiles 30. Es besteht die Möglichkeit, die
Berührungsflächen verhältnismäßig kurz
zu gestalten, wodurch der Aufwand für die entsprechend hochpräzise Fertigung
reduziert wird.
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Gegenüber bekannten
Lagerspalten bei Kunststoffverbundlagern, die zum Beispiel 100 μm und mehr
betragen können,
bewegt sich der Lagerspalt gemäß der Erfindung
im μ-Bereich.
Hierbei werden Werte von unter 10 μm bis 30 μm erreicht. Hieraus resultiert
eine sehr hohe Lebensdauer der Magnete und weitere Vorteile.
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In 3 ist
ein Elektromagnet angedeutet, welcher zu dem Elektromagnet nach 1 ähnlich ist.
Der wesentliche Unterschied ist, daß der Ankerkörper 20 im
wesentlichen nicht im Inneren der Spule 1 (siehe 1)
angeordnet ist, sondern unterhalb. Der Luftspalt befindet sich wiederum
zwischen der oberen Begrenzungsfläche 22 und der unteren
Begrenzungsfläche 33 des
Kernoberteiles 31.
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Durch
die verschiedene Anordnung des Ankerkörpers 20 das heißt der Wirkrichtung
gemäß 1 oder 3 ist
es möglich,
fallende oder steigende Druckreglercharakteristiken zu realisieren.