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Die Erfindung betrifft einen bistabilen Drehmagnet gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bekannte und gattungsgemäße bistabile Drehmagnete, wie beispielsweise in der
DE 1 289 902 A offenbart, weisen einen Elektromagnet mit zwei Polschuhen auf. Die Polschuhe sind durch ein Joch verbunden, auf das eine Spule gewickelt ist. Ein Drehaufbau ist zwischen den Polschuhen angeordnet.
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Weiteren Stand der Technik bilden die
US 3 311 859 A und
GB 1 471 094 A.
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Die bekannten bistabilen Drehmagnete haben einen komplizierten Aufbau mit mehreren Einzelteilen. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen bistabilen Drehmagnet bereitzustellen, welcher einen einfachen Aufbau aufweist und der kostengünstig herzustellen ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen bistabilen Drehmagnet mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen bistabilen Drehmagnet ist eine Spule zwischen einem ersten Polschuh und einem zweiten Polschuh angeordnet. Ein Zwischenraum ist von einer Fläche des ersten Polschuhs und einer dieser gegenüberliegend angeordneten Fläche des zweiten Polschuhs aufgespannt. Zwischen den Polschuhen ist ein Joch angeordnet, auf das die Spule gewickelt ist. Außerdem weist der bistabile Drehmagnet wenigstens einen um eine Aktuatorachse rotierbaren Permanentmagnet auf. Die Aktuatorachse des Permanentmagnetes liegt zumindest annähernd senkrecht zu einer Längsachse des Joches. Zur Drehbegrenzung des Permanentmagnetes sind Begrenzungsmittel vorgesehen. Der erfindungsgemäße bistabile Drehmagnet zeichnet sich dadurch aus, dass der Permanentmagnet außerhalb des Zwischenraums angeordnet ist. Durch die Anordnung des Permanentmagnetes außerhalb des Zwischenraums kann eine flexiblere Gestaltung eines Drehwinkels erreicht werden. Insbesondere kann ein vorgegebener Drehwinkel nicht lediglich durch eine komplizierte Gestaltung der Polschuhe und eines dazwischen greifenden Stabmagnetes erreicht werden, sondern einfach durch ein Begrenzungsmittel, das eine Drehbewegung des Permanentmagnetes und damit einen Drehwinkel begrenzt.
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Erfindungsgemäß ist ein Abstand des Permanentmagnetes zu dem Joch größer als ein Abstand, den die dem Permanentmagnet zugewandten Enden der beiden Polschuhe zum Joch aufweisen. Mit einer derartige Abstandskonfiguration kann sichergestellt werden, dass der Permanentmagnet nicht in den Zwischenraum zwischen den Polschuhen eingreift.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der wenigstens eine Permanentmagnet eine im Wesentlichen kreisförmige Scheibe. Dadurch kann der Permanentmagnet konzentrisch zu der Aktuatorachse angeordnet werden.
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Vorteilhafterweise weist der wenigstens eine Permanentmagnet wenigstens einen magnetischen Nordpol und wenigstens einen magnetischen Südpol auf. Die magnetische Wechselwirkung zwischen einem derartigen Permanentmagnet und dem magnetischen Feld der Spule führt zu einem auf den Permanentmagnet wirkenden Drehmoment.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der Permanentmagnet in Richtung der Längsachse des Jochs über eine Stirnseite des ersten Polschuhs und über eine Stirnseite des zweiten Polschuhs. Bei einer derartigen Anordnung überdreht der Permanentmagnet in Richtung der Längsachse des Jochs die Polschuhe. Darüber hinaus sind durch eine derartige Gestaltung des Permanentmagnetes die Permanentmagnetflächen größer als dem Permanentmagnet zugewandte Flächen der Polschuhe.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Polschuhe jeweils als Platten ausgebildet. Platten können aus einem Standardflachmaterial relativ einfach und kostengünstig mit vom jeweiligen Einzelfall abhängigen Abmessungen gesägt werden.
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Vorzugsweise weist wenigstens eine Platte der Polschuhe eine Durchgangsbohrung auf, in die das Joch eingeführt ist. Die Durchgangsbohrung, die relativ einfach in die jeweilige Platte gebohrt werden kann, bietet einen Halt für das eingeführte Joch, sodass das Joch besonders einfach mit den Polschuhen haltend verbunden werden kann.
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Vorteilhafterweise sind die Polschuhe relativ zu der Aktuatorachse (a) des Permanentmagnets symmetrisch angeordnet. Mit einer symmetrischen Anordnung kann ein relativ kompakter Aufbau für den bistabilen Drehmagnet erreicht werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein weiterer Permanentmagnet in einer an einem Umfang des Begrenzungsmittels angeordneten Aufnahme angeordnet. Der weitere Permanentmagnet kann somit die Rotation des wenigstens einen Permanentmagnetes mitausführen und ist damit geeignet, in Verbindung mit einem Hallsensor eine Drehstellung des wenigstens einen Permanentmagnetes zu detektieren.
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Vorzugsweise ist der Permanentmagnet auf einer Welle angeordnet. Die Welle ist dabei konzentrisch zu der Aktuatorachse angeordnet. Vorteilhafterweise ist die Welle in einem Lager gelagert. In dem Lager kann die Welle eingespannt werden, um translatorischen Bewegungen zu unterbinden. Vorzugsweise ist das Lager ein Kugellager. Mit einer Kugellagerung kann ein Verschleiß der rotierenden Teile relativ gering gehalten werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der bistabile Drehmagnet ein Gehäuse mit einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil auf. Das zweite Gehäuseteil weist relativ zu der Aktuatorachse (a) des Permanentmagnets eine spiegelsymmetrische Form zu dem ersten Gehäuseteil auf. Das Gehäuse schützt insbesondere die Spule vor äußeren Einflüssen. Zwei Gehäuseteile erlauben es, den bistabilen Drehmagnet relativ einfach in das Gehäuse einzubauen, indem nämlich der bistabile Drehmagnet zunächst in das erste Gehäuseteil eingesetzt wird und anschließend das zweite Gehäuseteil auf das erste Gehäuseteil aufgesetzt wird. Montagekosten hinsichtlich Schrauben, Ausrichten und Prüfen des genauen Zusammenhalts können durch ein Einsetzen in ein Gehäuse bestehend aus zwei Gehäuseteilen, dessen inneren Wandungen jeweils an den bistabilen Drehmagnet angepasst sind, relativ gering gehalten werden. Durch die spiegelsymmetrische Form des zweiten Gehäuseteils zu dem ersten Gehäuseteil braucht nur eine einzige Spritzgussform zur Herstellung der beiden Gehäuseteile eingesetzt werden, sofern das Gehäuse beispielsweise aus Kunststoff gebildet wird.
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Nach einer Weiterentwicklung der Erfindung ist ein Anschlagmittel an einem inneren Umfang der Gehäuseteile angeordnet. An dieses Anschlagmittel können die Begrenzungsmittel anschlagen, wodurch ein Drehwinkel relativ einfach begrenzt werden kann.
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Vorzugsweise ist wenigstens ein Dämpfungselement an dem Anschlagmittel vorgesehen. Das Dämpfungselement unterdrückt ein störendes, lautes Anschlaggeräusch des Begrenzungsmittels an dem Anschlagelement und kann zum anderen den Verschleiß des Begrenzungsmittels und des Anschlagsmittels reduzieren.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren ausführlich erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines bistabilen Drehmagnets in einem ersten Gehäuseteil,
- 2 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Gehäuseteils mit einem Ausführungsbeispiel eines Anschlagmittels und einem Ausführungsbeispiel Dämpfungselement,
- 3 eine Explosionsdarstellung eines bistabilen Drehmagnets nach 1 mit einem Ausführungsbeispiel eines zweiten Gehäuseteils,
- 4 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Elektromagnetes,
- 5 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Drehaufbaus,
- 6 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Drehaufbaus,
- 7 eine perspektivische Darstellung eines Gehäuseteils nach 2 mit eingesetztem Drehaufbau nach 5,
- 8a eine Seitenansicht des Elektromagnetes nach 4 mit einem daran angeordneten Drehaufbau nach 5 und
- 8b eine Draufsicht auf den Permanentmagnet nach 5.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit der gleichen Bedeutung. Zur besseren Übersicht werden in den Figuren nur die relevanten Bezugszeichen angegeben.
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Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen bistabilen Drehmagnet 1, der in ein Gehäuse, das ein erstes Gehäuseteil 2 und ein zweites Gehäuseteil 3 aufweist, eingebaut ist. Die Gehäuseteile 2, 3 sind vorzugsweise Kunststoffteile, die relativ einfach in einem Kunststoffspritzguss hergestellt werden können, und haben jeweils eine für den jeweiligen Anwendungsfall variable Länge d. Bevorzugt beträgt die Länge d etwa 30 mm bis 100 mm, besonders bevorzugt etwa 40 mm bis 60 mm. Zur besseren Darstellung der Anordnung des bistabilen Drehmagnets 1 ist in 1 ein zweites Gehäuseteil 3, das mit dem ersten Gehäuseteil 2 zusammengefügt ist, nicht dargestellt.
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Die zusammengefügten Gehäuseteile 2, 3 werden durch Halteelemente 4a, 4b, die beispielsweise als Klemmringe ausgeführt sein können, zusammengehalten. Die 2 und 7 zeigen jeweils auch einen Fortsatz 5 an den Gehäuseteilen 2, 3, durch den im zusammengefügten Zustand der Gehäuseteile, 2, 3 die Zuleitung 15 für die Spule 11 und die Leitung 9 für den Sensor 8 geführt werden. Die Gehäuseteile 2, 3 ohne eingesetzten bistabilen Drehmagnet 1 sind in 2 gezeigt.
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Der bistabile Drehmagnet weist einen Elektromagnet 10 und einen Aktuatoranordnung 20 auf. Der Elektromagnet 10 ist mit seinen einzelnen Bestandteilen in 4 ersichtlich. 5 zeigt die Aktuatoranordnung 20 im Detail. Die einzelnen Teile des bistabilen Drehmagnets 1 und deren relativen Anordnung zueinander gehen aus der Explosionsdarstellung der 3 hervor.
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Der Elektromagnet 10, der vollständig in dem Gehäuse angeordnet ist, weist eine Spule 11 auf, die um ein Joch 14 gewickelt ist. Das Joch 14, das beispielsweise ein Zylinderstift sein kann, der als genormtes Einzelteil erhältlich ist, ist zwischen einem ersten Polschuh 12 und einem zweiten Polschuh 13 angeordnet. Die Polschuhe 12, 13, die zu einer Längsachse s des Jochs 14 symmetrisch angeordnet sind, können beispielsweise Platten sein, insbesondere quaderförmige Platten, die aus einem Standardflachmaterial herausgesägt werden können. Bevorzugt weisen die Platten eine Länge 1 von 24 mm, eine Breite b von 20 mm und einer Höhe h von 6 mm auf. In jeweiligen Stirnseiten 12c, 13c weisen die Polschuhe 12, 13 Durchgangsbohrungen 17 auf, in die das Joch 14 eingeführt ist. Eine Bestromung der Spule erfolgt über eine Zuleitung 15.
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Eine Fläche 12a des ersten Polschuhs 12 und eine dieser gegenüberliegend angeordneten Fläche 13a des zweiten Polschuhs 13 spannen einen Zwischenraum 16 auf, vergleiche 4. Dies bedeutet, dass ein Volumen des Zwischenraums 16 von den Flächen 12a, 13a und von Verbindungslinien gegenüberliegender Berandungspunkte der Flächen 12a, 13a begrenzt wird.
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Die Aktuatoranordnung 20 weist einen Permanentmagnet 21 auf, der erfindungsgemäß außerhalb des Zwischenraums 16 angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Anordnung des Permanentmagnetes 21 an dem bistabilen Drehmagnet 1 ist aus 8a ersichtlich. Der Permanentmagnet 21 hat zu dem Joch 14 einen Abstand p. Dem Permanentmagnet 21 zugewendete Enden 12b, 13b der Polschuhe 12, 13 haben von dem Joch 14 einen Abstand q. Erfindungsgemäß ist der Abstand p größer als der Abstand q.
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Beispielsweise kann der Permanentmagnet 21 eine dünne Scheibe sein, deren Durchmesser c beispielsweise 25 mm beträgt. Auf einer ersten Seite weist die Scheibe einen vorzugsweise halbkreisförmigen magnetischen Nordpol N und einen halbkreisförmigen magnetischen Südpol S auf. Auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Scheibe kann ebenfalls ein vorzugsweise halbkreisförmiger magnetischer Nordpol N und ein halbkreisförmiger magnetischen Südpol S angeordnet sein. Dabei ist der magnetische Nordpol N der ersten Seite dem magnetischen Südpol S der zweiten Seite und der magnetische Südpol S der ersten Seite dem magnetischen Nordpol N der zweiten Seite gegenüberliegend angeordnet. Durch eine derartige sektionale Aufteilung der magnetischen Pole kann der Permanentmagnet 21 besonders vorteilhaft eine Drehung im magnetischen Feld der Spule 11 ausführen. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, dass anstatt eines Permanentmagnetes 21 in Form einer Scheibe zwei Permanentmagnet-Platten mit gegenseitigen magnetischen Polen verwendet werden können, wie dies aus 6 ersichtlich ist.
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Der Permanentmagnet 21 ist um eine Aktuatorachse a rotierbar, die annähernd senkrecht zu einer Längsachse s des Jochs 14 und in dem Zwischenraum 16 angeordnet ist. Eine Welle 22, auf der der Permanentmagnet 21 angeordnet ist, ist in 5 konzentrisch zu der Aktuatorachse a angeordnet. Der Permanentmagnet 21 ist an einem auf der Welle 22 angeordnetem Begrenzungsmittel 27, 28 angeordnet und mit diesem vorteilhafterweise feststehend verbunden, beispielsweise durch Aufkleben oder, falls das Begrenzungsmittel 27, 28 ein ferromagnetisches Material aufweist, durch magnetische Wechselwirkung. Das Begrenzungsmittel 27, 28 ist vorzugsweise ein Frästeil, vorzugsweise ein rotationssymmetrisches Frästeil, dessen Durchmesser vorzugsweise im Wesentlichen dem Durchmesser c des scheibenförmigen Permanentmagnetes entspricht. Abhängig von einer gewählten Form begrenzt das Begrenzungsmittel 27, 28 die Drehbewegung des Permanentmagnetes 21. Hierzu weist das Begrenzungsmittel 27 an einem äußeren Umfang Anschlag-Nasen 27a auf, die gegen das Anschlagmittel 6 anschlagen, vgl. 7. Das Begrenzungsmittel 28 gemäß 6 weist ebenfalls Anschlag-Nasen 28a auf, allerdings sind die Anschlag-Nasen 28a im Vergleich zu den Anschlag-Nasen 27a dergestalt, dass mit dem Begrenzungsmittel 28 ein Anschlag bei einem kleineren Drehwinkel erfolgt als bei dem Begrenzungsmittel 27.
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Hierzu weisen die Gehäuseteile 2, 3 ein Anschlagmittel 6 auf, gegen das das Begrenzungsmittel 27, 28 bei Drehung des Permanentmagnetes 21 anschlägt und damit die Drehbewegung des Permanentmagnetes 21 stoppt, vgl. 7. Je nach Form des Begrenzungsmittels 27, 28 können verschiedene Drehwinkel realisiert werden, bevorzugt aus dem Bereich von 30° bis 150°. Die 5 und 6 zeigen Beispiele von Begrenzungsmitteln 27, 28, mit denen jeweils ein bestimmter Drehwinkel erreicht werden kann. Der Drehwinkel ist damit nicht durch eine besondere Gestaltung der Polschuhe 12, 13 und eines dazwischen greifenden Stabmagnetes zu realisieren, sondern einfach durch ein auf den jeweiligen Einzelfall angepasstes Begrenzungsmittel 27 ,28 und ein an einer Wandung der Gehäuseteile 2, 3 hervorspringendes Anschlagmittel 6. Zur Dämpfung des Anschlags des Begrenzungsmittels 27, 28 an das Anschlagmittel 6 sind Dämpfungselemente 7 vorgesehen, die an dem Anschlagelement 6 in radialer Richtung hervorstehen.
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Die Drehbewegung des Permanentmagnetes 21 ist in 8b verdeutlicht. 8b zeigt eine Draufsicht auf den Permanentmagnet 21, wobei die Welle 22 senkrecht aus der Zeichenebene hinausragt. Der Permanentmagnet 21 dreht auf Grund der magnetischen Wechselwirkung zwischen den Magnetpolen des Permanentmagnetes 21 und einem magnetischen Feld der bestromten Spule 11 in eine Drehrichtung r. Eine Fläche des Permanentmagnetes 21 überstreift dabei die Polschuhe.
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Das Begrenzungsmittel 27, 28 und die Welle 22 können einstückig ausgeführt sein, wobei an einem Ende 22a der Welle 22 das Begrenzungsmittel 27, 28 angeordnet ist. Ein dem Ende 22a gegenüberliegendes Ende 22b der Welle 22 ragt aus dem Gehäuse heraus, vergleiche 1. Dieses zweite Ende 22b dient als Aktuator des bistabilen Drehmagnets 1, der zum Beispiel zum Verriegeln, Klemmen, Befördern, Lenken, Sortieren und anschließend energiefreiem Festhalten von Gegenständen geeignet ist.
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Die Welle 22 ist in einem Lager 23 gelagert. Das Lager 23 kann beispielsweise ein Kugellager sein, vgl. 5, 6, durch das ein Verschleiß rotierender Teile relativ gering gehalten werden kann. Das Lager 23 ist mittels eines Sicherungselements 26 an der Welle 22 sicher angebracht.
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Das Begrenzungsmittel 27, 28 weist in einem äußeren Umfang eine Aufnahme 25 auf, in die ein weiterer Permanentmagnet 24 angeordnet werden kann. Der weitere Permanentmagnet 24 dreht sich also mit dem Begrenzungsmittel 27, 28 und kann als Stellungsanzeige für die Drehbewegung des Permanentmagnetes 21 bzw. der Welle 22 verwendet werden. Dazu ist in dem ersten Gehäuseteil 2 ein Sensor 8, vorzugsweise ein Hallsensor, angeordnet. Bei jedem Wirkkontakt des weiteren Permanentmagnetes 24 an dem Sensor 8 wird in dem Sensor 8, beispielsweise mittels des Hall-Effekts, eine Spannung erzeugt, die über eine Leitung 9 ausgelesen werden kann. Anhand der von dem Sensor 8 detektierten Spannung kann somit die Drehbewegung des Permanentmagnetes 21 bzw. der Welle 22 detektiert werden, insbesondere eine Stellung, in der das Begrenzungsmittel 27, 28 an dem Anschlagmittel 6 anschlägt. In dieser Stellung kann die Spule 11 zum Umschalten bestromt werden, sodass der Permanentmagnet 21 in eine zu der Drehrichtung r entgegengesetzte Richtung dreht, bis ein nächster Anschlag des Begrenzungsmittels 27, 28 an dem Anschlagmittel 6 detektiert wird.
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Der erfindungsgemäße bistabile Drehmagnet 1 weist im Vergleich zu den bekannten bistabilen Drehmagneten eine relativ kleine Baugröße auf. Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße bistabile Drehmagnet 1 besonders kostengünstig herzustellen. Durch seine kompakte Bauform ist der erfindungsgemäße bistabile Drehmagnet 1 für vielfältige Anwendungen geeignet, beispielsweise kann er als Drehregler, als Exzenter, als Klappe bzw. Blende, als Weichensystem, im Tampondruckverfahren oder als Blendensystem eingesetzt werden. Der eingebaute Sensor 8 kann zuverlässig die Drehbewegung an die Welle 22 übertragen. Mit dem bistabilen Drehmagnet 1 sind Schaltzeiten von unter 10 ms erreichbar und ein Drehwinkel bis zu 150°. Größe, Funktionalität und technische Parameter können auf den jeweiligen Einzelfall angepasst werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen bistabilen Drehmagnets 1 liegt darin, dass der bistabile Drehmagnet 1 nur während den Umschaltzeiten bestromt werden muss, womit der bistabile Drehmagnet 1 besonders energieeffizient ist. Die Einfachheit der Einzelteile und die der Montage führt zu einer äußerst günstigen Herstellung für den bistabilen Drehmagnet 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bistabiler Drehmagnet
- 2
- Gehäuseteil
- 3
- Gehäuseteil
- 4a
- Halteelement
- 4b
- Halteelement
- 5
- Fortsatz
- 6
- Anschlagmittel
- 7
- Dämpfungselement
- 8
- Sensor
- 9
- Leitung
- 10
- Elektromagnet
- 11
- Spule
- 12
- Polschuh
- 12a
- Fläche
- 12b
- Ende
- 12c
- Stirnseite
- 13
- Polschuh
- 13a
- Fläche
- 13b
- Ende
- 13c
- Stirnseite
- 14
- Joch
- 15
- Zuleitung
- 16
- Zwischenraum
- 17
- Durchgangsbohrung
- 20
- Aktuatoranordnung
- 21
- Permanentmagnet
- 22
- Welle
- 22a
- Ende
- 22b
- Ende
- 23
- Lager
- 24
- weiterer Permanentmagnet
- 25
- Aufnahme
- 26
- Sicherungselement
- 27
- Begrenzungsmittel
- 27a
- Anschlag-Nase
- 28
- Begrenzungsmittel
- 28a
- Anschlag-Nase
- r
- Drehrichtung
- a
- Aktuatorachse
- s
- Längsachse
- p
- Abstand
- q
- Abstand
- 1
- Länge
- b
- Breite
- h
- Höhe
- d
- Länge
- c
- Durchmesser
- N
- Nordpol
- S
- Südpol