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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leistungsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es ist bekannt, dass ein Leistungsschalter Antriebsmittel aufweist, um den Leistungsschalter zu einer Stromübertragung zu schließen und den Leistungsschalter zu einer Stromunterbrechung zu öffnen. Des Weiteren sind Feststellmittel bekannt, die den Leistungsschalter in einer definierten Öffnungs- und/oder Schließposition halten.
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Aus der
DE 199 55 217 A1 ist ein Leistungsschalter mit einem Isolierkörper aus Keramik bekannt. Beide Enden des Leistungsschalters sind jeweils mittels eines Deckels vakuumdicht verschlossen. Ein beweglicher Kontaktstängel ist mittels einer Kontaktdruckfeder federnd in Einschaltrichtung beaufschlagt. An dem beweglichen Kontaktstängel ist eine Rückholfeder angeformt, die beim Ausschaltvorgang eine Ausschaltkraft auf den beweglichen Kontaktstängel ausübt. Des Weiteren weist der Leistungsschalter einen Faltenbalg auf, der zwischen einem der Deckel und dem beweglichen Kontaktstängel angeordnet ist.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Antriebs- und Feststellmittel eines elektrischen Leistungsschalters derart auszugestalten, dass eine geringe Anzahl an Bauteilen benötigt wird und eine Ein- und/oder Ausschaltposition exakt erreicht und gehalten wird. Die Aufgabe wird durch einen elektrischen Leistungsschalter nach dem Anspruch 1 gelöst.
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Durch den erfindungsgemäßen Leistungsschalter wird es ermöglicht, dass die bewegliche Stange durch das Federelement zumindest auf einem Teil des Schaltwegs, den die bewegliche Stange zu einem Öffnen oder Schließen des Leistungsschalters überwinden muss, angetrieben wird. Dadurch kann vorteilhaft der Antrieb des Leistungsschalters klein ausgeführt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Federelement dazu vorgesehen, die bewegliche Stange in einer stabilen Endlage zu halten. Die feste Position entsprechend der stabilen Endlage kann vorteilhaft nach jedem Schaltvorgang wieder erreicht werden. Damit übernimmt das Federelement die Funktion einer Feststelleinrichtung zusätzlich zu der vorstehend genannten Funktion eines Antriebs. Durch diese Funktionszusammenführung kann der Antrieb entsprechend klein ausgeführt werden und eine separate Feststell- oder Anpresseinrichtung wird nicht benötigt. Insgesamt entstehen somit geringere Kosten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Leistungsschalters ist das Federelement derart ausgebildet, dass die bewegliche Stange in einer weiteren stabilen Endlage gehalten werden kann. Des Weiteren weist die bewegliche Stange des Leistungsschalters labile Zwischenzustände auf. Damit kann dem geschlossenen Zustand wie auch dem geöffneten Zustand des Leistungshalbleiters vorteilhaft eine feste Position zugewiesen werden, die aus jeder anderen Position der beweglichen Stange durch das Federelement erzwungen wird. Des Weiteren wird vorteilhaft beim Öffnen wie auch beim Schließen des Leistungsschalters die bewegliche Stange auf einem Teil ihres Schaltweges angetrieben.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Leistungsschalters ist das Federelement zwischen dem Inneren des Gehäuses und dem Äußeren des Gehäuses des Leistungsschalters angeordnet und verschließt das Gehäuse hermetisch. Das Federelement übernimmt somit vorteilhaft die Funktion des sonst üblichen Faltenbalgs, einer Feststelleinrichtung für die bewegliche Stange sowie die Funktion eines Antriebs. Vorteilhaft benötigt der Leistungsschalter somit keinen Faltenbalg oder äquivalente Mittel und weist damit Vorteile bei der Herstellung, der Wartung und damit bezüglich der Kosten auf.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Leistungsschalters ist die Bewegung der beweglichen Stange durch einen Anschlag begrenzt. Da das Federelement die bewegliche Stange über einen gesamten Schaltweg mit einer Kraft beaufschlagt, wird auch der Anschlag bei einem Auftreffen mit einer Kraft ausgehend von dem Federelement beaufschlagt. Vorteilhaft wird damit das Erreichen und Fixieren einer festen Position ermöglicht.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Leistungsschalters sieht eine stoßartige Anregung der Bewegung der beweglichen Stange durch einen Antrieb vor. Im Gegensatz zu einer gleichmäßigen Anregung zu einer Bewegung der beweglichen Stange ist die stoßartige Anregung durch einen Antrieb einfacher zu realisieren. Vorteilhaft kann somit der Antrieb klein dimensioniert werden. Weitere Vorteile ergeben sich für den Antrieb bei der Energiezuführung sowie der Energiespeicherung.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es werden für funktionsäquivalente Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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In der Zeichnung zeigen
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters;
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2 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters; und
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3 ein Beispiel eines Kraft-Weg-Diagramms.
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1 zeigt einen ersten Leistungsschalter 2 in einem geöffneten Zustand 6 und einem geschlossenen Zustand 8. Aus zeichnerischen Gründen ist jeweils nur eine Hälfte des Leistungsschalters für die Zustände 6 und 8 dargestellt. Als dreidimensionales Objekt ist der Leistungsschalter 2 im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse III-III ausgebildet.
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Der Leistungsschalter 2 umfasst eine feststehende Stange 12, die fest mit einem Abschlussdeckel 22 verbunden ist. Die feststehende Stange 12 ist mit einem Kontaktkörper 14 verbunden, der ebenfalls feststehend ist.
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Der Abschlussdeckel 22 bildet gemeinsam mit einem Keramikisolator 24 und ein Federelement 40 die wesentlichen Bestandteile eines Gehäuses des Leistungsschalters 2. Der Kontaktkörper 14 befindet sich innerhalb dieses Gehäuses.
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Das Federelement 40 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse III-III ausgebildet, insbesondere in der Form eines Kreisringes. Das bedeutet, dass das Federelement 40 einen kreisförmigen Innenumfang radial innen, d. h. zu der Symmetrieachse III-III hin, und einen kreisförmigen Außenumfang radial außen, d. h. von der Symmetrieachse III-III weg, besitzt. Das Federelement 40 ist an dem Innenumfang und an dem Außenumfang an den jeweils angrenzenden Bauteilen befestigt. Das Federelement 40 besteht aus einem flexiblen Material. Beispielsweise kann das Federelement 40 aus einem Federstahl oder dergleichen hergestellt sein.
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Eine andere Bezeichnung für das Federelement 40 ist „buckled lid”.
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Die Funktion des Federelements 40 besteht darin, die beiden angrenzenden Bauteile in zwei unterschiedlichen stabilen Endpositionen zueinander zu halten. Diese stabilen Endpositionen sind durch eine Distanz entlang der y-Achse eines kartesischen Koordinatensystems 36 voneinander getrennt. Für einen Übergang von einer der stabilen Endpositionen in die jeweils andere muss das Federelement 40 zuerst von außen so weit „angeregt” bzw. „bewegt” werden, dass ein gewisser Weg der Distanz zwischen den beiden Endpositionen überwunden wird. Danach kann das Federelement 40 den restlichen Teil der Distanz ohne eine Einwirkung von außen aufgrund seiner eigenen Flexibilität bzw. Federkraft zurücklegen. Zwischen den beiden Endpositionen weist das Federelement 40 nur labile Zwischenlagen auf. Eine labile Zwischenlage ist dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement 40 ausgehend von einer derartigen Zwischenlage sich immer in eine der beiden stabilen Endpositionen begibt.
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Das Federelement 40 ist an seinem Innenumfang fest und dicht mit einer beweglichen Stange 16 und an dem Außenumfang fest und dicht mit dem Keramikisolator 24 verbunden. Das Federelement 40 ist damit zwischen einem Inneren des Gehäuses des Leistungsschalters 2 und einem Äußeren des Gehäuses angeordnet. Das Federelement 40 verschließt das Gehäuse des Leistungshalbleiters 2 hermetisch.
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Die bewegliche Stange 16 ist mit einem Kontaktkörper 18 verbunden, der damit ebenfalls beweglich ist. Die bewegliche Stange 16 ist im Wesentlichen koaxial zu der Symmetrieachse III-III und damit zu der y-Achse des kartesischen Koordinatensystems 36 bewegbar. Der Kontaktkörper 18 befindet sich innerhalb des Gehäuses des Leistungsschalters 2.
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Innerhalb dieses Gehäuses ist im Bereich der Kontaktkörper 14 und 18 eine Abschirmung 26 angeordnet. Die Abschirmung 26 ist durch ein Befestigungsmittel 28 an dem Keramikisolator 24 angebracht. Innerhalb des Gehäuses des Leistungsschalters 2 herrscht ein Vakuum 32.
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In dem geöffneten Zustand 6 des Leistungsschalters 2 sind die Kontaktkörper 14 und 18 derart beabstandet, dass kein elektrischer Strom zwischen der feststehenden Stange 12 und der beweglichen Stange 16 fließen kann. Das Federelement 40 bewirkt, dass sich die bewegliche Stange 16 in dem geöffneten Zustand 6 des Leistungsschalters 2 in einer ersten stabilen Endlage befindet. Aus der ersten stabilen Endlage des geöffneten Zustands 6 heraus lässt sich die bewegliche Stange 16 nur unter einem Kraftaufwand mit einer Kraft in positiver Richtung der y-Achse lösen.
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Die erste stabile Endlage in dem geöffneten Zustand 6 des Leistungsschalters 2 wird durch das Federelement 40 verursacht. Auch ist es möglich, einen nicht dargestellten Anschlag vorzusehen, der die Bewegung der beweglichen Stange 16 in negativer Richtung der y-Achse begrenzt. Das Federelement 40 beaufschlagt die bewegliche Stange 16 mit einer Kraft in negativer Richtung der y-Achse und hält mit dem entgegenstehenden, nicht gezeigten Anschlag die bewegliche Stange 16 in der ersten stabilen Endlage des geöffneten Zustands 6.
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In dem geschlossenen Zustand 8 des Leistungsschalters 2 sind die Kontaktkörper 14 und 18 derart kontaktiert, dass zwischen der feststehenden Stange 12 und der beweglichen Stange 16 ein elektrischer Strom fließen kann. Hierzu wirkt auf den Kontaktkörper 18 bzw. auf die bewegliche Stange 16 eine Mindestanpresskraft in positiver Richtung der y-Achse. Das Federelement 40 verursacht, dass sich die bewegliche Stange 16 in einer zweiten stabilen Endlage befindet. Die zweite stabile Endlage in dem geschlossenen Zustand 8 umfasst den Kontakt zwischen den beiden Kontaktkörpern 14 und 18. Aus der zweiten stabilen Endlage in dem geschlossenen Zustand 8 heraus lässt sich die bewegliche Stange 16 nur unter einem Kraftaufwand mit einer Kraft in negativer Richtung der y-Achse lösen.
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Für einen Übergang von dem geöffneten Zustand 6 in den geschlossenen Zustand 8 bzw. von dem geschlossenen Zustand 8 in den geöffneten Zustand 6 muss ein Schaltweg 34 parallel zur y-Achse überwunden werden. Ein Wegpunkt y6 ist der ersten stabilen Endlage in dem geöffneten Zustand 6 zugeordnet. Ein Wegpunkt y8 ist der zweiten stabilen Endlage in dem geschlossenen Zustand 8 zugeordnet.
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Neben den beiden stabilen Endlagen der beweglichen Stange 16, die durch das Federelement 40 verursacht werden, bewirkt das Federelement 40 darüber hinaus, dass die bewegliche Stange 16 außerhalb der beiden stabilen Endlagen im Wesentlichen labile Zwischenlagen aufweist. Eine labile Zwischenlage ist dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement 40 die bewegliche Stange 16 derart mit einer Kraft beaufschlagt, dass sich die bewegliche Stange 16 entweder in Richtung der ersten stabilen Endlage oder in Richtung der zweiten stabilen Endlage bewegt.
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Die erste und zweite stabile Endlage sowie die Zwischenlagen bezeichnen zwar im Wesentlichen einen Ort, an dem sich die bewegliche Stange befindet, umfassen jedoch zusätzlich jeweils eine dem Ort zugeordnete Kraft.
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Damit die bewegliche Stange 16 entlang des Schaltwegs 34 zwischen den beiden stabilen Endlagen bewegt werden kann, ist ein nicht dargestellter Antrieb vorgesehen. Die Kraft des Antriebs wird auf die bewegliche Stange 16 zu einer Bewegung entlang der Symmetrieachse III-III übertragen. Der Antrieb ist beispielsweise elektrisch ausgebildet, zum Beispiel als Elektromotor. Auch ein mechanischer Antrieb, beispielsweise ein Federantrieb oder ein Antrieb mit Tellerfedern kann vorgesehen sein. Ebenso ist es möglich, sogenannte Thomson Coils oder andere elektromagentische Aktuatoren mit einer rotatorischen oder linearen Bewegungscharakteristik zu verwenden.
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Um von einer der beiden stabilen Endlagen in die jeweils andere der stabilen Endlagen zu wechseln, muss eine gewisse labile Zwischenlage, die als Nulllage bezeichnet wird, überschritten werden. Durch das Überschreiten der Nulllage wird erreicht, dass das Federelement 40 allein die nötige Kraft aufbringt, um in die zu erreichende stabile Endlage zu kommen. Dementsprechend muss der Antrieb nur die Kraft aufbringen, die die bewegliche Stange 16 über die Nulllage hinaus bewegt. Dazu ist der Antrieb zu einer impulsartigen Anregung der Bewegung der beweglichen Stange 16 ausgebildet. Ein elektrischer Motor als Antrieb wird hierzu beispielsweise mit einem hohen Stromimpuls beaufschlagt.
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2 zeigt einen zweiten Leistungsschalter 4. Die Erläuterungen zu dem Leistungsschalter 2 in der 1 lassen sich im Wesentlichen auf den Leistungsschalter 4 der 2 übertragen. Die Unterschiede werden im Folgenden erläutert.
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In der 2 tritt an die Stelle des Federelements 40 in der 1 ein Federelement 50 sowie ein Abschlussdeckel 52. Der Abschlussdeckel 52 ist im Wesentlichen ringförmig und radial nach außen, von der Achse III-III weg, mit dem Keramikisolator 24 sowie radial nach innen, zur Symmetrieachse III-III hin, mit dem Federelement 50 fest verbunden. Das Federelement 50 wiederum ist radial nach innen, zur Symmetrieachse III-III hin, mit der beweglichen Stange 16 fest verbunden. Das Federelement 50 weist einen zu dem Federelement 40 aus 1 äquivalenten Aufbau und entsprechend eine äquivalente Funktion auf.
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3 zeigt ein Kraft-Weg-Diagramm 60 mit einer y-Achse und einer F-Achse. Die y-Achse des Kraft-Weg-Diagramms 60 entspricht der y-Achse des kartesischen Koordinatensystems 36 der 1 und 2. Ebenso entsprechen die aufgetragenen Wegpunkte y6 und y8 den Wegpunkten in den 1 und 2. Auf der F-Achse ist die Kraft aufgetragen, die auf die bewegliche Stange 16 der 1 und 2 wirkt. Eine aufgetragene Kraft F6 entspricht der auf die bewegliche Stange 16 wirkenden Kraft in der ersten stabilen Endlage 66 des geöffneten Zustands 6 an dem Wegpunkt y6. Eine aufgetragene Kraft F8 entspricht der auf die bewegliche Stange 16 wirkenden Kraft in der zweiten stabilen Endlage 72 des geschlossenen Zustandes 8 bei dem Wegpunkt y8.
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Eine Kennlinie 62 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Schaltweg 34 in positiver Richtung der y-Achse und der der beweglichen Stange 16 beaufschlagten Kraft F beim Schließen des Leistungsschalters 2 bzw. 4. Eine Kennlinie 64 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Schaltweg 34 in negativer Richtung der y-Achse und der der beweglichen Stange 16 beaufschlagten Kraft F beim Öffnen des Leistungsschalters 2 bzw. 4.
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Soll der Leistungsschalter 2 bzw. 4 von dem geöffneten Zustand 6 in den geschlossenen Zustand 8 überführt werden, so muss ausgehend von der ersten stabilen Endlage 66 entsprechend der Kennlinie 62 die bewegliche Stange 16 von dem Antrieb mit einer Kraft in positiver Richtung der F-Achse beaufschlagt werden, so dass sich die bewegliche Stange über eine Nulllage 68 hinaus bewegt. Ist die Nulllage 68 in Richtung der stabilen Endlage 72 überschritten, so beaufschlagt das Federelement 40 bzw. 50 die bewegliche Stange 16 mit einer Kraft in positiver Richtung der F-Achse, um zu der zweiten stabilen Endlage 72 zu gelangen.
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Soll der Leistungsschalter 2 bzw. 4 also geschlossen werden, so sorgt der Antrieb dafür, dass die bewegliche Stange 16 von dem Wegpunkt y6 bis über die Nulllage 68 hinaus bewegt wird. Ab der Nulllage 68 wird die bewegliche Stange 16 bis zum Wegpunkt y8 von dem Federelement 40 bzw. 50 bewegt.
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Soll der Leistungsschalter 2 bzw. 4 von dem geschlossenen Zustand 8 in den geöffneten Zustand 6 überführt werden, so muss ausgehend von der zweiten stabilen Endlage 72 entsprechend der Kennlinie 64 die bewegliche Stange 16 von dem Antrieb mit einer Kraft in negativer Richtung der F-Achse beaufschlagt werden, so dass sich die bewegliche Stange 16 über eine Nulllage 74 hinaus bewegt. Ist die Nulllage 74 in Richtung der ersten stabilen Endlage 66 überschritten, so beaufschlagt das Federelement 40 bzw. 50 die bewegliche Stange 16 mit einer Kraft in negativer Richtung der F-Achse, um zu der ersten stabilen Endlage 66 zu gelangen.
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Soll der Leistungsschalter 2 bzw. 4 also geöffnet werden, so sorgt der Antrieb dafür, dass die bewegliche Stange 16 von dem Wegpunkt y8 bis über die Nulllage 74 hinaus bewegt wird. Ab der Nulllage 74 wird die bewegliche Stange 16 bis zum Wegpunkt y6 von dem Federelement 40 bzw. 50 bewegt.
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Das Federelement 40 bzw. 50 würde ohne ein Vakuum an sich nur eine einzige symmetrische Kennlinie im Kraft-Weg-Diagramm 60 aufweisen. Dies bedeutet, dass für eine Überführung von der ersten stabilen Endlage 66 in die zweite stabile Endlage 72 und umgekehrt an sich nur diese einzige Kennlinie existieren würde.
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Ausgehend von dem geschlossenen Zustand 8 wird beim öffnen des Leistungsschalters 2 bzw. 4 jedoch das Volumen innerhalb des Gehäuses vergrößert. Durch ein unterschiedlich großes Volumen in und zwischen den beiden stabilen Endlagen 66 und 72 bilden sich zwei unterschiedliche Kennlinien 62 und 64 und damit eine Hysterese aus.
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Die Kennlinien 62 und 64 stellen idealisierte Kennlinien dar, die das Funktionsprinzip des Federelements 40 bzw. 50 des Leistungsschalters 2 bzw. 4 darstellen sollen. Abhängig von der Ausführungsform des Federelements 40 bzw. 50, des Antriebs sowie weiterer Komponenten, die die bewegliche Stange 16 mit einer Kraft beaufschlagen können, können sich auch Abweichungen von den Kennlinien 62 und 64 ergeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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