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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine derartige Vorrichtung ist aus der
DE 102 40 774 B4 der Anmelderin bekannt.
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Insbesondere zur Realisierung einer Aktuatorvorrichtung zur Nockenwellenverstellung an einem Verbrennungsmotor, jedoch nicht beschränkt auf diese Verwendung, ist es aus diesem Stand der Technik bekannt und praktisch bewährt, eine am Anker Permanentmagnetmittel aufweisende Stellvorrichtung zu benutzen, um etwa mit dem endseitig eines Stößelabschnitts am Ankerstellelement vorgesehenen Eingriffsabschnitt in den zugehörigen motorseitigen Stellpartner einzugreifen. Eine derartige Vorrichtung ist nicht nur konstruktiv einfach und betriebssicher herstellbar, auch zeichnet sie sich durch günstige magnetische Eigenschaften aus.
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Insbesondere wird bei dieser Vorrichtung der Effekt ausgenutzt, dass als Reaktion auf die Bestromung der Spulenvorrichtung zwischen dem stationären Kernbereich und dem zugeordneten (die Permanentmagnetmittel aufweisenden) Ankerbereich eine abstoßende Kraft entsteht, die eine im Ruhezustand (unbestromten Zustand) der Stellvorrichtung wirkende permanentmagnetische Haftkraft des Ankers am Kernbereich überwindet und die Ankereinheit, mithin den daran gegenüberliegend endseitig sitzenden Eingriffsbereich, in Richtung auf den Stellpartner antreibt. Insbesondere ist dieses Prinzip (insoweit auch für die vorliegende Erfindung) so realisiert, dass Feldlinien jeweiliger magnetischer Felder der Permanentmagnetmittel (einerseits) und der Spuleneinheit (andererseits) zwischen diesen zum Erzeugen eines magnetischen Abstoßungseffektes als Gegenkraft zum Lösen der Haltekraft parallel verlaufen, wobei insbesondere auch durch die Bestromung der Spuleneinheit das darin im unbestromten Ruhezustand fließende Permanentfeld der Permanentmagnetmittel zurück in die Permanentmagnetmittel und damit aus dem Kernbereich heraus verdrängt wird.
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In einem Bestreben, die dynamischen und/oder Stellkrafteigenschaften einer solchen Vorrichtung zu verbessern bzw. zu erhöhen, kommen prinzipiell zwei Parameter in Betracht: zum Einen kann, durch geeignete Materialwahl und/oder Dimensionierung, durch eine Erhöhung der Magnetkraft der typischerweise scheibenartig und sich quer zur Bewegungslächsachse (Bewegungsrichtung) erstreckenden Permanentmagnetmittel eine Erhöhung des permanentmagnetischen Flusses bzw. des Magnetfelds im seitlichen Luftspalt zum umgebenden Gehäuse (vgl. etwa Bezugszeichen
62 in
3,
4 der gattungsbildenden
DE 102 40 774 B4 ) erhöht werden. Dies wirkt sich positiv auf eine abstoßende Kraft und mithin auf eine Beschleunigung und Dynamik der Ankerbewegung aus. Allerdings erhöht eine derartig erhöhte Permanentmagnetkraft auch die (zu Beginn des Bewegungs- bzw. Hubvorgangs zu überwindende) Haftkraft des Ankers am Kernbereich.
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Um diesen Effekt zu kompensieren bzw. wiederum eine abstoßende Kraft zu erhöhen, wäre es notwendig, das Spulenmagnetfeld der Spuleneinrichtung zu erhöhen, was typischerweise durch entsprechend veränderte Wicklungen die Gesamteinheit vergrößert und das Gewicht der Vorrichtung nachteilig erhöht. Hinzu kommt der Umstand, dass ein erhöhter Spulenstrom auch die elektrische Energieaufnahme der entsprechend zu modifizierenden gattungsgemäßen Vorrichtung erhöhen würde.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs im Hinblick auf ihre Dynamikeigenschaften, insbesondere eine Ankerbeschleunigung nach dem Aktivieren der Bestromung und/oder eine Hubgeschwindigkeit, zu verbessern, ohne dass eine Überdimensionierung der Spuleneinrichtung und/oder der Permanentmagnetmittel erfolgen muss, vielmehr sollen diese möglichst kompakt und für einen möglichst geringen Spulenstrom eingerichtet sein.
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Die Aufgabe wird durch die elektromagnetische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie die elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem unabhängigen Patentanspruch 7 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Dabei ist es von der vorliegenden Erfindung insbesondere auch umfasst, die besondere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Endabschnitts des stationären Kernbereichs als zusätzlich den Gegenstand des Hauptanspruchs weiterbildend vorzusehen, so dass insoweit beide erfindungsgemäßen Varianten, wie nachstehend erläutert, als austauschbar (auch im Hinblick auf jeweilige Weiterbildungen soweit sinnvoll) als zu der Erfindung gehörig offenbart werden sollen.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise werden das mindestens eine bereits gattungsbildend zumindest einends polseitig den Permanentmitteln zugeordnete Flussleitelement (typischerweise realisiert als flaches, auf dem vorteilhaft und weiterbildungsgemäß scheibenartig ausgestalteten, axial magnetisierten Permanentmagneten vorgesehenes Flussleitblech) im Hinblick auf die magnetischen Flussleiteigenschaften anisotrop ausgestaltet, und zwar dergestalt, dass die Flussleiteigenschaften in einer Querrichtung zur Bewegungslängsachse (Bewegungsrichtung) der Ankereinheit erhöht sind, und demgegenüber die magnetischen Flussleiteigenschaften in einem solchen Element (etwa einer Flussleitscheibe) in der axialen bzw. der Richtung der Gegenkraft herabgesetzt bzw. verringert sind.
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Die zum einen im Rahmen der Erfindung als Patentanspruch 7 beanspruchte unabhängige Lösung, zum anderen auch wiederum auf den obigen Lösungsansatz rückbezogene Lösung, einen auf den Anker gerichteten Endabschnitt des stationären Kernbereichs (also denjenigen Abschnitt des Kernbereichs, welcher typischerweise die zum Anker gerichtete Endfläche des Kernbereichs ausbildet) anisotrop auszugestalten, verfolgt technisch ein vergleichbares Prinzip. Wiederum ist dieser Endabschnitt des stationären Kernbereichs im Hinblick auf die magnetischen Flussleiteigenschaften so ausgestaltet, dass in einer axialen Richtung (insoweit entsprechend der Anker-Bewegungsrichtung und/oder der Richtung der Haft- sowie Gegenkraft) diese Flussleitfähigkeit herabgesetzt ist, während demgegenüber in einer Querrichtung (also geometrisch in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung) die magnetische Flussleitfähigkeit erhöht ist.
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Insoweit sind die erfindungsgemäßen Begriffe „herabgesetzt“ bzw. „verringert“ so zu verstehen, dass die Anisotropie der magnetischen Flussleitfähigkeit sich um mindestens 10%, weiter bevorzugt mindestens 20% und noch weiter bevorzugt mindestens 30%, jeweils bezogen auf den größeren Leitfähigkeitswert, reduziert hat.
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Diese Maßnahmen, jeweils einzeln oder in Kombination, haben den vorteilhaften Effekt, dass durch den erhöhten magnetischen Flusswiderstand in diesem Material entlang der Bewegungsrichtung im Ruhezustand (d.h. bei unbestromter Spuleneinheit und in den Kernbereich fließendem Permanentmagnetfluss der Permanentmagnetmittel) das weiterbildungsgemäß im Übergangsbereich zwischen den Permanentmagnetmitteln und dem Kernbereich vorgesehene anisotrope Element (realisiert etwa als anisotrope Flussleitscheibe und/oder als inosotroper Endabschnitt des stationären Kernbereichs) einen erhöhten Flussleitwiderstand anbietet, insoweit die permanentmagnetische Haftkraft vermindert und im Fall der Bestromung der Spuleneinheit dann ein Loslösen und damit Beschleunigen der Ankereinheit in eine ausgefahrene Position erleichtert.
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Dagegen führt die anisotrope Ausgestaltung des magnetisch flussleitenden Elements in der Querrichtung zur Ankerbewegungsrichtung (genauer: in einer Ebene senkrecht zur Bewegungslängsachse) dazu, dass der permanentmagnetische Fluss aus den bevorzugt scheibenartig und als Flussleitscheibe realisierten anistropen Elements in einen seitlich das Element umgebenden magnetisch leitenden Gehäuseabschnitt über einen Luftspalt stärker gebündelt gelangen kann, insoweit die magnetische Abstoßung im Bestromungsfall eher erhöhend wirkt (und zumindest nicht absinkt). Durch die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, auch polseitig entgegengesetzt ein derartiges (weiter bevorzugt isotrop, alternativ anisotrop ausgebildetes) magnetisch leitendes Element vorzusehen, also die flach- und scheibenförmig ausgebildeten Permanentmagnetmittel beidseits mit Flussleitscheiben zu versehen, entsteht so ein magnetisch optimierter Körper, welcher gerade in der bestromten Abstoßungssituation die dynamischen bzw. Bescheunigungseigenschaften der Einheit signifikant verbessert, insbesondere durch deutliche Absenkung der permanentmagnetischen Haftkraft des Ankers am Kernbereich.
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Während das polseitig beidseitige Vorsehen eines erfindungsgemäßen magnetisch leitenden Elements an den Permanentmagnetmitteln bevorzugt ist, ist die vorliegende Erfindung gleichwohl hierauf nicht beschränkt; so ist es alternativ auch von der Erfindung umfasst, das erfindungsgemäße anisotrope magnetisch leitende Element lediglich polseitig einends an den Permanentmagnetmitteln vorzusehen, hier wiederum bevorzugt in Richtung auf den Kernbereich. Geeignet kann auch etwa ein gegenüberliegendes zweites magnetisch leitendes Element, etwa wiederum als Flussleitscheibe realisiert aus einem isotropen Material in der herkömmlichen und gattungsbildenden Weise ausgebildet sein, wie auch in der
DE 102 40 774 B4 offenbarten Weise eine jegliche solche Anordnung aus Permanentmagnetmitteln und zumindest einseitig zugeordnetem Scheibenelement geeignet rand- bzw. mantelseitig durch einen Ring oder eine andere Einfassung umschlossen sein kann.
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Zur Realisierung der erfindungsgemäßen Anisotropie, welche sich insbesondere auf die magnetischen Flussleiteigenschaften im Material auswirkt, ist es weiterbildungsgemäß und in vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung vorgesehen, dieses Material, z.B. geeignetes (ferro-)magnetisches Metallmaterial, durch Walzen, Hämmern oder dergleichen Umformvorgänge in diese gewünschte Eigenschaft zu versetzen, ergänzend oder alternativ andere, eine Anisotropie der beschriebenen Art fördernde Materialbeeinflussungen vorzunehmen. Ergänzend oder alternativ, und gedanklich analog zum Vermindern von Wirbelströmen beim Transformatorenbau, ist es gemäß bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung vorgesehen, die Anisotropie magnetischen Flussverhaltens durch das Vorsehen einer geblechten Einheit als magnetisch leitendes Element zu realisieren, etwa dergestalt, dass dieses Element (praktisch realisiert als Flussleitscheibe) als Stapel von Einzelblechen hergestellt wird. Diese Einzelbleche würden dann wiederum entlang ihrer Querrichtung stärker flussleitend wirken, als in der Richtung der Anker- Bewegungsrichtung (bzw. in der Richtung der (permanentmagnetischen Haltekraft). Analog bzw. zur Realisierung der unabhängig beanspruchten Lösung einer anisotropen Ausgestaltung des Endabschnitts des stationären Kernbereichs könnte es sich hier anbieten, eine derartige geblechte und/oder durch die oben beschriebene Materialbeeinflussung anisotrop ausgestaltete Konfiguration etwa dergestalt zu realisieren, dass ein (klassisch etwa als Drehteil hergestellter) Kern mit dem separat montierten bzw. hinzugefügten anisotropen Endabschnitt zusammen die erfindungsgemäße Funktionalität des Kernbereichs realisiert.
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Besonders bevorzugt ist es, die elektromagnetische Stellvorrichtung in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung bistabil auszugestalten, nämlich dergestalt, dass in unbestromtem Zustand der Spuleneinheit nicht nur eine Halteposition der Ankereinheit am Kernbereich (durch die beschriebene permanentmagnetische Haftwirkung) stabil ist, sondern auch eine gegenüberliegende Hub- bzw. Ausfahrposition der Ankereinheit. Vorteilhaft und Weiterbildungsgemäß lässt sich dies im Rahmen der Erfindung dadurch bewirken, dass ein weiterbildungsgemäß die Stellvorrichtung umschließendes Gehäuse aus magnetisch leitendem Material im gegenüberliegenden Stirnbereich (und damit zum Zusammenwirken mit den Permanentmagnetmitteln im ausgefahrenen Zustand des Ankers) selbst aus magnetisch leitendem Material hergestellt ist und geeignet zum Herstellen dieses zweiten stabilen Zustands eine magnetischen Flusskreislauf schließt.
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Während es zudem im Rahmen möglicher Weiterbildungen der Erfindung nützlich sein kann, die Bewegung des Ankers durch geeignete Kraftspeichermittel, etwa eine der Haftkraft entgegenwirkende Druckfeder, z.B. im Kernbereich zu unterstützen, ist die vorliegende Erfindung gleichwohl auch ohne ein die Ankerbewegung beeinflussendes Federelement realisierbar.
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Im Ergebnis entsteht durch die vorliegende Erfindung eine überaus einfache und elegante Möglichkeit, ohne zusätzliche Dimensionserhöhung von Spule und/oder Permanentmagnet bzw. auf andere elektrisch oder magnetisch nachteilige Weise die dynamischen Eigenschaften einer gattungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung zu verbessern, insbesondere durch ein Absenken einer permanentmagnetischen Haftkraft des Ankers im Anschlagzustand am Kernbereich, bei gleichzeitig optimierten magnetischen Abstoßungseigenschaften, so dass eine gegenüber einer gattungsbildenden Vorrichtung gleich dimensionierte Vorrichtung eine erhöhte Ankerbeschleunigung und, damit verbunden, eine kürzere Hubzeit realisiert werden kann.
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Während die erfindungsgemäße Verwendung der Erfindung zur Nockenwellenverstellung einer Verbrennungskraftmaschine oder dergleichen Aggregat ein besonders bevorzugtes Einsatzgebiet darstellt, ist die Erfindung hierauf gleichwohl nicht beschränkt. Vielmehr eignet sich die vorliegende Erfindung zur Optimierung jeglicher, gattungsgemäßer elektromagnetischer Stellvorrichtungen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine schematische Schnittansicht einer elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung des magnetischen Flussverlaufs in der elektromagnetischen Stellvorrichtung der 1 im linksseitigen Anschlagszustand und unbestromtem Zustand der Spuleneinheit;
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3 eine strukturell der Darstellung der
2 entsprechende Vergleichsdarstellung einer gattungsbildenden Vorrichtung (insoweit entsprechend
3 der
DE 102 40 774 B4 ) in unbestromtem Zustand;
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4 eine Darstellung eines magnetischen Flussverlaufs der Vorrichtung gemäß 1 im gegenüber der Darstellung der 2 bestromten Zustand der Spuleneinheit;
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5 die wiederum auf den Stand der Technik bezogene Vergleichsdarstellung zur 4 und
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6 eine Darstellung analog 1 zum Verdeutlichen einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die 1 zeigt in der Längsschnittansicht eine elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem in einem umgebenden, i.W. zylindrischen Gehäuse 10 vorgesehenen stationären Kernbereich 12. Zwischen dem Kernbereich 12 und dem umgebenden Abschnitt des Gehäuses 10 ist eine auf einer Spulenträgereinheit 14 vorhandene Spulenwicklung 16 vorgesehen.
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In ansonsten bekannter Weise wirkt ein verbreiteter Endabschnitt 18 des Kerns 12 zusammen mit einer Ankereinheit, welche einends einen Eingriffsbereich 20 für einen Stellpartner (z.B. eine Verstellnut einer Nockenwellenversstellung für einen Verbrennungsmotor) anbietenden Stößelabschnitt 22 aufweist, an welchem anderenends, d.h. dem Eingriffsabschnitt 20 axial gegenüberliegend, eine Anordnung bestehend aus einer ersten, auf den Kernbereich gerichteten Polscheibe 24, einer in der Richtung der Längsachse 29 axial magnetisierten Permanentmagnetscheibe 28 sowie einer zweiten, der ersten Polscheibe 24 bezogen auf den Permanentmagneten 28 gegenüberliegend vorgesehenen Scheibe 30 befestigt ist.
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Zum Realisieren einer bistabilen Funktionalität dieser somit strukturell weitgehend der gemäß
DE 102 40 774 B4 gattungsbildenden Technologie entsprechenden Stellvorrichtung ist das Gehäuse
10 im rechten stirnseitigen Bereich mit einer magnetisch leitenden Gehäusewand
32 verschlossen und wird in der im gattungsbildenden Stand der Technik beschriebenen Weise durch Bestromung der Spuleneinrichtung
14,
16 dergestalt aktiviert, dass als Reaktion auf die Bestromung die Ankereinheit aus der in der
1 gezeigten Weise (in der Figurenebene nach rechts) in eine ausgefahrene Position verbracht wird, in welcher das zweite Flussleitelement
30 an die Gehäusestirnfläche
32 anschlägt. Entsprechend ist der Stößelabschnitt
22 mit endseitigem Eingriffsabschnitt zur Betätigung des (nicht gezeigten) Stellpartners ausgefahren.
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In der erfindungsgemäßen Realisierung dieses Ausführungsbeispiels ist die erste Polscheibe 24 durch Walzen des verwendeten Weicheisenblechs im Hinblick auf ihre magnetischen Flussleiteigenschaften anisotrop ausgestaltet, dergestalt, dass in der Richtung der Achse 26 ein durch die Scheibe 24 tretender Magnetfluss einen höheren Widerstand erfährt, als ein Magnetfluss in der Scheibe in einer Richtung senkrecht zur Achse 26, also etwa in einer Richtung vom Achsenmittelpunkt entlang der Quererstreckung der Scheibe 24 und über einen randseitigen Luftspalt 36 bis zur Gehäusewand 10. Dagegen ist die zweite Polscheibe 30 aus üblichem weichmagnetischem Material realisiert, welches nicht im Hinblick auf die beabsichtigte Anisotropie behandelt wurde.
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Der Vergleich der
2 und
3 verdeutlicht die Wirkung dieser Anisotropie im Vergleich mit dem gattungsbildenden Stand der Technik (
3) entsprechend der
DE 102 40 774 B4 , mit geometrisch ansonsten gleichen Bedingungen und magnetisch gleichem Permanentmagneten, jedoch mit isotroper Flussleitscheibe
25: Es zeigt das magnetische Flussliniendiagramm (gewonnen aus einer Simulation) mit in der
2 gegenüber der
3 deutlicher beabstandeten Flusslinien im Element
24 (konkret ist in den
2 bis
5 jeweils die obere Hälfte der symmetrischen Anordnung analog
1 simuliert und in den Schnittansichten der
2 bis
5 sind zur Ansicht der
1 analoge Bezugszeichen vorgesehen), dass entlang der Achsenrichtung
26 bzw. einer Richtung der permanentmagnetischen Haftkraft der
2,
3 das Element
24 dem Permanentmagnetfluss der Permanentmagnetmittel
28 (die Wicklung
16 ist unbestromt, daher erfolgt hier kein Flussbeitrag) einen relativ erhöhten Widerstand anbieten.
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In der konkreten Realisierung einer elektromagnetischen Stellvorrichtung eines Außendurchmessers von ca. 20 mm und einer Permanentmagnetscheibe aus NdFeB35 einer axialen Dicke von ca. 1 mm sinkt dabei die permanentmagnetische Haftkraft (entsprechend der Gegenüberstellung von 3 zu 2) von ca. 10, 6N auf ca. 8,5N, also um etwa 20%. Entsprechend geringer ist die magnetische Energie, die zum Lösen dieser permanentmagnetischen Haftkraft und zum nachfolgenden Heraustreiben der Ankereinheit aus der in 1 bis 3 gezeigten Anschlagposition aufgewendet werden muss.
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Die zugehörige Simulation in den 4 (insoweit entsprechend der 2 im Ausführungsbeipiel der Erfindung in bestromtem Zustand der Spule 16) gegenüber der 5 (insoweit entsprechend dem Stand der Technik und dem bestromten Zustand der 3) verdeutlicht diesbezüglich, dass die Kraft für das Antreiben der Ankereinheit nach dem Lösen der permanentmagnetischen Haftkraft (klar gezeigt sind die abstoßenden, parallel zueinender verlaufenden Feldlinien des nunmehr elektromagnetisch beeinflussten Kreises einerseits und des permentmagnetischen Kreises im Anker andererseits) nahezu unverändert bleiben, so dass im beschriebenen Ausführungsbeispiel jeweils eine Beschleunigungskraft von ca. 6N auf die Ankereinheit nach dem Lösen der Permanentmagnethaftung wirkt.
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Die 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Auch hier besteht weitgehende strukturelle Ähnlichkeit mit dem Ausführungsbeispiel der 1, allerdings ist hier, zusätzlich zur anisotropen Polscheibe 24, der Endabschnitt des stationären Kernbereichs 12 nicht, wie im Ausführungsbeispiel der 1, einstückig und isotrop ansitzend ausgebildet, sondern als anisotroper Stapel 15 aus Einzelblechen ausgebildet, welche geeignet auf einem entsprechend verkürzten Kernelement 13 endseitig in Richtung auf die Ankereinheit zum Zusammenwirken mit dieser aufsitzen.
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Dieser Blechstapel verhält sich in der selben geometrischen Weise anisotrop bezogen auf seine Flussleiteigenschaften; wiederum wird einem im Bereich 19 in der axialen Richtung 26 fließenden Magnetfluss (insbesondere Permanentmagnetfluss im Haftzustand) ein größerer magnetischer Widerstand entgegengesetzt, als in einer quer zur axialen Richtung verlaufenden Richtung, mit der Wirkung, dass eine permanentmagnetische Haftkraft (weiter) herabgesetzt wird.
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Die vorliegende Erfindung ist auf die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt, so ist es sowohl von der Erfindung umfasst, etwa im ersten Ausführungsbeispiel der 1 auch das zweite Flussleitelement anisotrop (und analog zum ersten Flussleitelement 24) auszugestalten, wie auch etwa beim zweiten Ausführungsbeispiel der 6 die Flussleitbleche jeweils isotrop auszugestalten. Wiederum alternativ oder vorteilhaft etwa das dem Kernbereich abgewandte Flussleitelement 30 auch vollständig entfallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10240774 B4 [0001, 0004, 0013, 0022, 0028, 0030]
