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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromagneten, insbesondere einen bistabilen Elektromagneten, für beispielsweise Wegfahrsperren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Monostabile oder bistabile Elektromagnete finden in vielen Bereichen der Technik Anwendungen. Man findet sie beispielsweise in Türverriegelungen oder Wegfahrsperren, in Magnetventilen oder Hubmagneten.
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Monostabile Elektromagnete weisen eine lineare Bewegungsrichtung auf, bei der der Tauchkern in einer der beiden Endpositionen arretiert. Solche Magnete magnetisieren den Tauchkern und dieser haftet dann in der Endposition am Magnetrahmen.
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Bistabile Elektromagnete sind ebenfalls Elektromagnete mit linearer Bewegungsrichtung, wobei der Tauchkern jedoch in jeder Endposition arretieren kann. Dies wird zum Beispiel dadurch erreicht, indem die Spule geteilt wird und im entstehenden Spalt ein Permanentmagnet eingesetzt wird. Zusätzlich ist der Tauchkern meist sowohl vorne wie auch hinten so geformt, dass er in der jeweiligen Endposition eine plan aufliegende Fläche zum Rahmen des Magneten hat. Über diese Fläche fließt dann das Magnetfeld des Permanentmagneten, das heißt, der Magnet haftet hier auch im stromlosen Zustand an.
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Häufig muss in den Einsatzgebieten solcher Elektromagnete jedoch auch die Position des Tauchkernes bestimmt werden, um beispielsweise Rückmeldungen darüber an eine Steuerung geben zu können, ob die jeweilige Position erreicht ist. Daher weisen solche Elektromagnete oft auch noch Positionssensoren auf. Aus der
EP 1 184 611 ist beispielsweise eine Ventilanordnung mit einem Positionssensor bekannt. Bei dieser Lösung ist beispielsweise ein Magnetfeldsensor zur Positionserkennung des Ventilschiebers vorgesehen, welcher mit dem Magnetfeld eines am Ventilschieber angeordneten ringförmigen Permanentmagneten beaufschlagt ist. Der Magnetfeldsensor erfasst die Größe des von dem Permanentmagneten erzeugten und an der entsprechenden Stelle im Bereich des Magnetfeldsensors wirkenden Magnetfeldes, sodass durch Positionserkennung des Magneten mittels des Magnetfeldsensors die Position des Ventilschiebers des Wegeventils erfasst werden kann. Ein Nachteil bei dieser Anordnung ist es, dass sich der Permanentmagnet relativ zum Magnetfeldsensor drehen kann, wobei sich das auf den Magnetfeldsensor gerichtete Magnetfeld des Permanentmagneten aufgrund der inhomogenen Ausrichtungen des Magnetmaterials sowie durch beispielsweise herstellungsbedingte Form- und Lagetoleranzen der Permanentmagnete und deren Aufnahmen ändert, sodass ein inhomogenes Magnetfeld auftritt und die Messergebnisse vielfach den hohen Anforderungen an die Positionsermittlung nicht genügen.
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Die
DE 10 2006 049 724 A1 offenbart als Lösung für dieses Problem eine sogenannte Verdrehsicherung. Die Anordnung hat ein Gehäuse, in dem zumindest ein Element (der Tauchkern) verschiebbar geführt ist, wobei mindestens ein Magnetfeldsensor zur Positionserkennung des Elementes vorgesehen ist, der von dem Magnetfeld zumindest eines an dem Tauchkern angeordneten Permanentmagneten beaufschlagt ist. Der Permanentmagnet ist relativ zum Magnetfeldsensor drehfest, aber axial verschiebbar, in dem Gehäuse geführt. Die Verdrehsicherung erfolgt durch ein mechanisches Führungselement.
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Ein Nachteil dieser Erfindung ist, dass durch das Führungselement zusätzliche mechanische Reibungsverluste auftreten. Ein weiterer Nachteil ist das Erfordernis zusätzlicher Bauteile für die Verdrehsicherung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Elektromagneten mit einer Verdrehsicherung bereitzustellen, die diese Nachteile vermeidet.
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Diese Aufgabe wird durch einen Elektromagneten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Der erfindungsgemäße Elektromagnet weist einen in Richtung seiner Längsachse und auf dieser bewegbar geführten, zumindest teilweise magnetisierbaren Tauchkern auf, eine um den Tauchkern herum angeordnete erste bestrombare Spule zur Bewegung des Tauchkernes in Richtung der Längsachse, sowie wenigstens einen durch einen Luftspalt von dem Tauchkern beabstandeten Permanentmagnet. Der Tauchkern weist zumindest entlang eines Längsabschnittes eine im Querschnitt senkrecht zu der Längsachse nicht kreisförmige Umfangsform auf, wobei der wenigstens eine Permanentmagnet relativ zum Tauchkern so angeordnet ist, dass die vom Magnetfeld des wenigstens einen Permanentmagneten auf den Tauchkern induzierte Kraft den Tauchkern senkrecht zur Längsachse in eine Vorzugsrichtung ausrichtet. Die vom Magnetfeld des Permanentmagneten über die Magnetfeldlinien induzierte Kraft wirkt dabei so, dass bei einer axialen Verdrehung des Tauchkernes aus der Vorzugsrichtung heraus um bis zu einen maximalen Drehwinkel der Tauchkern wieder in die Vorzugsrichtung ausgerichtet wird. Die Bereitstellung eines Tauchkernes mit einer zumindest entlang eines Längsabschnittes nicht kreisförmigen Umfangsform ermöglicht die Ausbildung einer Verdrehsicherung, die keine zusätzlichen Bauteile erfordert.
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Vorteilhafterweise sind zumindest ein Teil des Tauchkernes, die erste Spule, sowie der Permanentmagnet in einem Gehäuse untergebracht. Das Gehäuse kann zum Beispiel aus einem Metall oder aus einem magnetisierbaren Material sein. Auf diese Weise können die im Gehäuse untergebrachten elektrischen Bauteile gegen elektromagnetische Störungen abgeschirmt werden. Magnetisierbare Gehäuse ermöglichen das stromlose Verharren des Tauchkernes in einer bestimmten Position.
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Der Elektromagnet kann eine Sensoreinrichtung zur Bestimmung der relativen Position des Tauchkernes auf der Längsachse umfassen, die vorteilhafterweise in dem gleichen Gehäuse untergebracht ist, wie der Tauchkern, die erste Spule und der Permanentmagnet.
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Das Gehäuse weist wenigstens ein Führungselement zur Führung des Tauchkernes entlang der Längsachse auf. Dadurch wird ein mechanischer Schutz der Anordnung gewährleistet, der Gehäuseinnenraum und die darin untergebrachten Elemente bleiben weitestgehend staubfrei und die Sensoreinrichtung wird somit nicht durch Staub beeinträchtigt.
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Zur Minimierung der Reibung des wenigstens einen Führungselementes bei einer Bewegung des Tauchkernes entlang seiner Längsachse kann der Tauchkern am Führungselement beispielsweise kugelgelagert ausgebildet sein.
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Der Elektromagnet kann eine zweite, um den Tauchkern herum angeordnete bestrombare Spule aufweisen. Der wenigstens eine Permanentmagnet ist dann vorzugsweise zwischen der ersten und der zweiten Spule angeordnet zur Bildung eines bistabilen Elektromagneten. Ein bistabiler Elektromagnet kann in zwei Lagen stromlos verharren und benötigt daher keine feste Stromquelle. Nur zum Umschalten von einer Position in die andere Position ist ein Strompuls erforderlich. Bistabile Elektromagnete sind daher ideal geeignet für beispielsweise Verriegelungen, die keine permanente Bestromung benötigen. Dadurch reduziert sich die Erwärmung und die Energieeffizienz erhöht sich.
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Die Sensoreinrichtung zum Detektieren des Schaltzustandes des Elektromagneten kann einen Hall-Sensor aufweisen. Damit kann die Position der Lage des zumindest teilweise magnetisierbaren Tauchkernes bestimmt werden. Der Tauchkern weist jedoch vorteilhafterweise an einem seiner axialen Enden, besonders vorteilhafterweise an dem axialen Ende, welches den geringsten Abstand zum Hall-Sensor aufweist, zur zuverlässigeren Bestimmung seiner relativen Position auf der Längsachse ein Magnetelement auf, oder er ist mit einem Magnetelement an diesem Ende verbunden. Natürlich können auch andere Sensoreinrichtungen zur Bestimmung der relativen Position des Tauchkernes auf der Längsachse, wie beispielsweise Lichtschrankensysteme, verwendet werden. Das Magnetelement kann von einer Hülle, die am Tauchkern befestigt sein kann und die vorzugsweise aus Metall oder einem keramischen Material oder auch Kunststoff besteht, umgeben sein. Das Magnetelement kann alternativ auch aufgeklebt sein. Dadurch wird sichergestellt, dass das Magnetelement bei einer Arretierung des Tauchkernes nicht beschädigt werden kann.
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Der Elektromagnet zeichnet sich vorteilhafterweise dadurch aus, dass zumindest ein zweiter Permanentmagnet dem ersten Permanentmagneten axial gegenüberliegend und mit im Wesentlichen gleichen Abstand wie der erste Permanentmagnet vom Tauchkern beabstandet angeordnet ist. Alternativ können auch wenigstens drei oder mehrere Permanentmagnete mit gleichen Abständen vom Tauchkern um diesen herum angeordnet sein, wobei die Permanentmagnete vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
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Bevorzugt weisen entweder alle Permanentmagnete oder zumindest einander paarweise gegenüber angeordnete Permanentmagnete die gleiche Form und die gleichen magnetischen Eigenschaften auf. Die Permanentmagnete sind vorzugsweise in gleicher Höhe zentral und in gleichem Abstand von der Längsachse um die Längsachse herum angeordnet. Die Permanentmagnete sind vorteilhafterweise so gerichtet, dass sie auf ihren in Richtung Tauchkern weisenden Seiten gleiche magnetische Polaritäten aufweisen. Es sind jedoch auch Anordnungen denkbar, in denen dies nicht der Fall ist. Doch sollten zumindest paarweise einander gegenüberliegend angeordnete Permanentmagnete jeweils die gleiche magnetische Polarität auf ihren in Richtung Tauchkern weisenden Seiten aufweisen. So kann beispielsweise ein Paar einander gegenüberliegend angeordneter Permanentmagnete so gerichtet sein, dass die magnetischen Nordpole in Richtung Tauchkern weisen, ein anderes sich gegenüberliegend angeordnetes Paar von Permanentmagneten in der gleichen Anordnung kann so gerichtet sein, dass es mit seinen Südpolseiten in Richtung Tauchkern weist. Vorrichtungen, bei denen mehrere Permanentmagnete gleichmäßig um den Tauchkern herum angeordnet sind, weisen den Vorteil auf, dass sie eine Ausrichtung des Tauchkernes in eine Vorzugsrichtung bewirken, ohne eine axiale Kraft auf den Tauchkern auszuüben. Auf diese Weise wird der Tauchkern ohne zusätzliche mechanische Reibung rein magnetisch ausgerichtet.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführung erhält man, wenn um den Tauchkern herum zentral um die Längsachse vier Permanentmagnete in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind und wenn die Außenkontur des Tauchkernes vier um jeweils 90° zueinander versetzt angeordnete Abflachungen im Bereich der Permanentmagnete aufweist. Ein solcher Tauchkern ist leicht aus einem runden Material herzustellen, man muss ihn dazu nur an vier Stellen abflachen.
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Die erste und die zweite Spule des Elektromagneten sind vorzugsweise gegensinnig zueinander gewickelt und in Reihe geschaltet. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Bestromung der Spulen die in den Tauchkern von den Spulen induzierten magnetischen Momente nicht dazu führen, dass der Tauchkern im Laufe der Zeit in eine Vorzugsrichtung magnetisiert wird. Alternativ können die Spulen natürlich auch parallel geschaltet sein und sie können unabhängig voneinander bestromt werden, wobei die Spulen dann auch gleichsinnig gewickelt sein können.
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Der Tauchkern kann an dem aus seinem Gehäuse herausgeführten axialen Ende mit einem Betätigungselement verbunden sein, welches beispielsweise tellerförmig ausgebildet sein kann, um zum Beispiel einen Schalter zu betätigen.
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Der Tauchkern kann aus einer vorzugsweise nicht magnetisierbaren Achse bestehen, die von einem Anker aus magnetisierbarem, vorzugsweise ferromagnetischem Material umgeben ist. Der Tauchkern kann rund sein, jedoch weist der Anker zumindest entlang eines vollständig im Gehäuse verlaufenden Abschnittes eine nicht kreisförmige Umfangsform auf. Die Achse selbst kann beispielsweise aus austenitischem Edelstahl bestehen oder aus einem anderen nicht magnetisierbaren Metall oder Material. Dadurch können die Arbeitselemente des Elektromagneten den jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
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Besonders einfach ist ein solcher Tauchkern herzustellen, wenn das magnetisierbare Material eine Vergussmasse oder Eisen ist und das magnetisierbare Material mit der Achse vorzugsweise vergossen und/oder verpresst und/oder verstemmt ist.
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Elektromagnete, bei denen der maximale Drehwinkel, bis zu dem der Tauchkern wieder in die Vorzugsrichtung zurückehrt, etwa 360/n° beträgt, wobei n eine positive ganze gerade Zahl größer gleich 2 ist, können dadurch realisiert werden, dass beispielsweise der nicht runde Teil des Tauchkernes oval ausgebildet ist und dass n/2 Permanentmagnete um die Mittelpunktsachse, das heißt die Längsachse, des Tauchkernes herum gleichmäßig angeordnet werden, wobei alle Permanentmagnete die gleiche Form und die gleichen magnetischen Eigenschaften aufweisen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:
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1 ein Schnittbild durch einen bistabilen Elektromagneten,
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2 einen Querschnitt senkrecht zur Längsachse des Elektromagneten an der Stelle C-C in Höhe des zwischen den Spulen angeordneten Permanentmagneten.
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Die in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten Bezeichnungen, wie oben, unten, links und rechts und ähnliches, beziehen sich auf die Figuren und sollen in keiner Weise einschränkend sein, obwohl sie sich auf eine bevorzugte Ausführungsform beziehen können.
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1 zeigt einen Elektromagneten 1 mit einem auf und entlang seiner Längsachse 2 bewegbar angeordneten und geführten Tauchkern 4. Tauchkern 4 ist zumindest teilweise magnetisierbar und besteht aus einem beispielsweise ferromagnetischen Material, wie Eisen. Um den Tauchkern 4 herum ist eine erste bestrombare Spule 6 angeordnet zur Bewegung des Tauchkernes 4 in Richtung der Längsachse 2.
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Oberhalb der ersten bestrombaren Spule 6 ist eine zweite bestrombare Spule 8 angeordnet, die ebenfalls um den Tauchkern 4 herum angeordnet ist. Zwischen der ersten Spule 6 und der zweiten Spule 8 befindet sich wenigstens ein Permanentmagnet 10, 10a, 10b, 10c, 10d, der durch einen Luftspalt 12 vom Tauchkern 4 beabstandet ist. Oberhalb der zweiten Spule 8 und von dieser hinreichend weit beabstandet, befindet sich ein Positionsdetektor in Form eines Hall-Sensors 14.
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Der Tauchkern 4 besteht aus einer nicht magnetisierbaren Achse 16, die von einem Anker 18 umgeben ist. Der Anker 18 besteht aus einem magnetisierbaren, vorzugsweise ferromagnetischen Material wie beispielsweise Eisen. Die Achse 16 besteht beispielsweise aus austenitischem Stahl und ist beweglich in den Ankerführungen 20a, 20b gelagert. Die untere Ankerführung 20a ist fest mit dem unteren Anschlagselement 22a verbunden, die obere Ankerführung 20b ist fest mit dem oberen Anschlagselement 22b verbunden.
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Die elektromagnetische Anordnung ist in einem Gehäuse 24 untergebracht. Die Spulen 6, 8 und der wenigstens eine Permanentmagnet 10 sind in einem rohrförmig das Gehäuse 24 von innen umgebenden Auskleidungsbereich 26, welcher einen Gehäuseinnenraum 28 definiert, angeordnet. Der Anker 18 ist mit einer Verstemmung 30 mit der Achse 16 verbunden. Der Anker 18 befindet sich vollständig im Gehäuseinnenraum 28 und kann sich mit der Achse 16 zwischen dem unteren Anschlag 22a und dem oberen Anschlag 22b bewegen. Auf dem oberen Ende der Achse 16 ist ein Magnetelement 32 befestigt, welches von einer Hülle 34 aus Metall oder keramischem Material umgeben ist. Die Hülle 34 ist an der Achse 16 befestigt. Am anderen axialen Ende des Tauchkernes 4, also am außerhalb des Gehäuses 24 angeordneten axialen Ende der Achse 16, ist ein Betätigungselement 36 befestigt. Das Betätigungselement 36 ist tellerförmig ausgebildet und kann beispielsweise einen mechanischen Schalter ein- oder ausschalten oder in eine Verzahnung eingreifen. Am oberen Ende des Elektromagneten 1 befindet sich ein hutförmig ausgebildetes Element, welches einen Freiraum 38 für das mit dem Magnetelementes 32 verbundene obere Ende der Achse 16 beinhaltet.
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2 zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Längsachse 2 des Elektromagneten 1 an der Stelle C-C im Bereich der Permanentmagnete 10. Um den Tauchkern 4 mit der Achse 16 und dem Anker 18 herum angeordnet sind vier Permanentmagnete 10a, 10b, 10c, 10d, die mit ihren Nordpolen in Richtung des Tauchkernes 4 weisen. Die Permanentmagnete 10 sind im Auskleidungsbereich 26 untergebracht und in diesem vorzugsweise mit ferromagnetischen Flussleitstücken / Segmenten 11 fixiert. Der Tauchkern 4 ist durch einen Luftspalt 12 von den Permanentmagneten 10a, 10b, 10c und 10d beabstandet. Der Anker 18 weist auf seiner äußeren Oberfläche vier Abflachungen 40 auf. Die Permanentmagnete 10 sind paarweise einander gegenüberliegend in jeweils gleichem Abstand zur Längsachse 2 angeordnet und gleichmäßig voneinander beabstandet.
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Da der Anker magnetisierbar ist, richtet sich der Tauchkern 4 senkrecht zu seiner Längsachse 2 so aus, dass die Abflachungen 40 zwischen benachbart zueinander angeordneten Permanentmagneten zu liegen kommen. Dreht man den Anker aus dieser Position um einen Winkel von weniger als 45° senkrecht zur Längsachse 2 heraus, wird er durch die von den Permanentmagneten erzeugten Feldlinien wieder zurück in seine Ausgangsposition gedreht. Beträgt die Verdrehung mehr als 45°, wird der Tauchkern 4 in eine um 90° zur ursprünglichen Position versetzte Position gedreht.
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Um den Elektromagnet 1 zu betätigen, muss an die Spulen 6, 8 zumindest ein Strompuls angelegt werden. Befindet sich der Elektromagnet 1 in seiner ausgezogenen Stellung, das heißt mit dem Tauchkern 4 am unteren Anschlag 22a, so wird er dort zunächst durch das von dem Permanentmagneten 10 induzierte Magnetfeld, dessen Magnetfeldlinien vom Permanentmagneten 10 ausgehend durch den Anker 18 über den unteren Anschlag 22a und das Gehäuse 24, sowie die Segmente 11 wieder zum Permanentmagneten 10 zurücklaufen, gehalten. Wird nun durch die in Reihe geschalteten Spulen 6, 8 ein hinreichend großer Stromimpuls geleitet, so induziert dieser ein Magnetfeld. Wird der Strom wieder abgeschaltet, bricht das Magnetfeld zusammen und die Arretierung am oberen Anschlag wird durch den Permanentmagneten 10, dessen Magnetfeldlinien nun ausgehend vom Permanentmagneten 10 über den Anker 18 und den oberen Anschlag 22b durch das Gehäuse 24, sowie die Segmente 11 zurück zum Permanentmagneten 10 verlaufen, aufrecht erhalten. Um den Elektromagneten wieder in den Ausgangszustand umzuschalten, muss nun die Stromrichtung umgepolt und die Spulen 6, 8 mit einem hinreichend großen Strompuls beaufschlagt werden. Während der Bewegung des Tauchkerns 4 und der Achse 16 wird das Magnetelement 32 an der Hall-Sonde 14 vorbeigeführt und jedes Mal detektiert. Da die über die Permanentmagnet-Anordnung und die äußere Form des magnetischen Ankers 18 gewährleistete magnetische Verdrehsicherung ein Verdrehen der Achse 16 während der Hubbewegungen entlang der Längsachse 2 verhindert, kann die Position des Tauchkernes 4 sicher bestimmt werden.
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Die Erfindung wurde anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles erläutert, ohne auf diese Ausführungsform beschränkt zu sein. Dem Fachmann sind zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen der erfinderischen Vorrichtung möglich, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromagnet
- 2
- Längsachse
- 4
- Tauchkern
- 6
- erste Spule
- 8
- zweite Spule
- 10
- Permanentmagnet
- 11
- Segment
- 12
- Luftspalt
- 14
- Hall-Sensor, Positionsdetektor
- 16
- Achse
- 18
- Anker
- 20a
- unteres Führungselement
- 20b
- oberes Führungselement
- 22a
- unterer Anschlag
- 22b
- oberer Anschlag
- 24
- Gehäuse
- 26
- Auskleidungsbereich und innere Führung für den Tauchkern
- 28
- Gehäuseinnenraum
- 30
- Verstemmung
- 32
- Magnetelement
- 34
- Hülle
- 36
- Betätigungselement
- 38
- Freiraum
- 40
- Abflachungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1184611 [0005]
- DE 102006049724 A1 [0006]
