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Die Erfindung betrifft einen bistabilen Aktuator für ein polarisiertes elektromagnetisches Relais, insbesondere für ein Relais sehr kleiner Abmessungen zum Führen und Schalten höherer stationärer Lastströme, wie sie beispielsweise im Bereich bis 120 A/230 VAC für Trennrelais in intelligenten Stromzählern anzutreffen sind.
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Aus
DE 10 2010 017 874 B4 ist ein bistabiler Magnetaktuator mit einem polarisierten Magnetkreis und parallelen Arbeitsluftspalten bekannt, wobei zwischen den Außenschenkeln eines U-förmigen Weicheisenjochs ein Weicheisenmittelschenkel mit einem flachen Permanentmagnet vorgesehen ist, welcher einen auf dem Mittelschenkel schwenkbar gelagerten Wippanker mit einem dauermagnetischen Magnetfluss beaufschlagt, wobei auf jedem Außenschenkel eine getrennt ansteuerbare Erregerwicklung Umschwenkimpulse für den Wippanker von einer dauermagnetisch selbsthaltenden Schwenkstellung in die andere liefert, und wobei ein dauermagnetisch erzeugter Hauptfluss durch den über den Wippanker geschlossenen Magnetkreiszweig und im parallel dazu angeordneten Magnetkreiszweig ein dauermagnetisch erzeugter Nebenfluss entstehen. Es herrscht eine Symmetrie in der konstruktiv-mechanischen Anordnung in den beiden Magnetkreiszweigen. Nach einer Variante kann eine asymmetrische Umschwenkkraft erzeugt werden, indem auf einen der beiden Außenschenkel eine zusätzliche Erregerwicklung aufgebracht wird, welche so geschaltet und gewickelt ist, das beim Umschwenken des Wippankers nach dem bevorzugten Magnetkreiszweig hin eine Kraftverstärkung erfolgt.
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Aus
DE 21 48 377 A ist ein gepoltes Miniaturrelais mit nur einer Spule und einem parallel zur Spule angeordneten stabförmigen Dauermagnet bekannt, welcher an beiden Enden gleichförmige Pole und in seiner Mitte einen gemeinsamen Gegenpol aufweist, sowie einen auf dem Gegenpol gelagerten Wippanker, der an seinen beiden Enden jeweils mit einem der Dauermagnetpole bzw. einem am Dauermagnet anliegenden Polschuh einen Arbeitsluftspalt bildet. Zwischen dem Mittelpol des Dauermagneten und dem Anker ist ein magnetisches Flussblech angeordnet. Bei einer symmetrischen Anordnung des Flussbleches genau in der Mitte zwischen den Polenden des Dauermagneten befindet sich der Wippanker in Mittelstellung in einem Kräftegleichgewicht. Durch Verschieben des Flussblechs zum einen oder anderen Ende des Dauermagneten hin kann dieses Kräftegleichgewicht je nach Verschiebungsrichtung zugunsten der links- oder rechtsdrehenden Kraft verändert werden. Auf diese Weise können bei der Fertigung Unsymmetrien des Magneten ausgeglichen oder eine gewollte Unsymmetrie des Magnetkreises z. B. zum Erreichen einer monostabilen Ruhelage eingestellt werden.
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Nach der
DE 195 44 520 A1 ist ein polarisiertes elektromagnetisches Relais mit einer Spule, einem Kern und zwei Polschuhen sowie einer Dauermagnetanordnung bekannt, wobei ein Wippanker mit jedem seiner Enden einen Arbeitsluftspalt gegenüber den beiden Polschuhen bildet. Auf einer Seite des Wippankers ist eine unmagnetische Trennfolie auf dem Wippanker befestigt, die einen definierten Arbeitsluftspalt zwischen dem Wippanker und dem betreffenden Polschuh sicherstellt. Da durch das Trennblech immer ein vorgegebener Restspalt verbleibt, ist die magnetische Haltekraft des Ankers an diesem Polschuh vermindert. Hierdurch wird der grundsätzlich symmetrische und bistabile Aufbau des Relais monostabil. Nach einer Variante ist das Trennblech federelastisch und zum Polschuh hin so abgespreizt, dass es den Anker auch mechanisch von diesem Polschuh weg vorspannt. Nach einer anderen Variante geht das Trennblech über beide Polschuhe, ist aber unterschiedlich dick. Das Trennblech hat außerdem eine dämpfende Wirkung beim Ankeranschlag.
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Nach
EP 1 081 733 A2 wird ein bistabiles Relais mit U-Joch und Spule, Dauermagnet und Wippanker zu einem monostabilen Relais, indem der Wippanker zur Lagerachse in einen schmaleren Arm und einen breiteren Arm und damit unsymmetrisch ausgebildet ist. Dadurch verteilt sich der Magnetfluss im Ruhezustand des Relais ungleichförmig auf die beiden Hälften des Wippankers. Allerdings gerät der dünnere Wippankerflügel sehr schnell in die Sättigung, wodurch die Anzugs- und Haltekraft nach dieser Seite stark vermindert ist.
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Die bekannten Relais haben meist größere Abmessungen, sind im konstruktiven Aufbau und bei der Teilefertigung kompliziert, aufwändig zu kalibrieren und nicht im erwünschten Maße einfach einstellbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bistabilen Aktuator für ein polarisiertes elektromagnetisches Kleinrelais hoher Stromtragefähigkeit, aufweisend ein E-förmiges Joch mit zwei Außenschenkeln sowie einem Mittelschenkel, welcher um einen Permanentmagnet ergänzt ist oder lediglich von einem Permanentmagnet gebildet wird, um einen um den Mittelschenkel schwenkbaren Wippanker mit einem dauermagnetisch erzeugten Kraftfluss zu beaufschlagen, wobei die in den Parallelkreisen des Jochs angeordneten Erregerwicklungen jeweils Umschwenkimpulse für den Wippanker liefern, derart weiterzuentwickeln, dass sich ohne baulichen Mehraufwand, ohne Zusatzerregerwicklung und ohne aufwändige Kalibrierarbeiten am fertig montierten Relais zugunsten verbesserter Schalteigenschaften des Relais eine vorbestimmte Asymmetrie im Kräftegleichgewicht und damit im Anzugsverhalten des Wippankers nach der einen und anderen Schwenkseite erreichen lassen.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem E-förmigen Joch eines bistabilen Aktuators die lichten Abstände zwischen den Polflächen der beiden Außenschenkel und dem Mittelschenkel verschieden groß ausgebildet sind.
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Der Wippanker liegt in jeder Schaltstellung infolge des dauermagnetischen Kraftschlusses stets an einem der Außenschenkel an. Indem derjenige Arbeitsluftspalt zwischen dem Außenschenkel und dem Wippanker und damit derjenige magnetische Widerstand geringer ist, welcher näher zur Schwenkachse des Wippankers gelegt ist, ist der Kraftlinienfluss über diesen und somit das auf den Wippanker ausgeübte Drehmoment bezogen auf seine Lagerung stärker. Durch diese Maßnahme lässt sich ohne Verwendung von zusätzlichen Bauteilen, wie Flussblechen, Trennblechen, Justierfedern usw. eine Asymmetrie im Umschaltverhalten erreichen, insbesondere ein prellarmes, aber druckvolles Schließen und schnelles Öffnen der Kontakteinrichtung im wesentlichen ohne Kontaktabbrand. Andererseits ist in jeder der beiden Schaltpositionen ein sicheres allein permanentmagnetisch bedingtes Halten gegeben.
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Nach einer ersten asymmetrischen Ausführung der Erfindung steht einer der Außenschenkel näher oder entfernter zum Mittelschenkel als der jeweils andere. Die Außenschenkel selbst können im Querschnitt identisch oder verschieden ausgebildet sein.
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Nach einer weiteren asymmetrischen Ausgestaltung des Aktuators gemäß der Erfindung hat einer der Außenschenkel eine vergrößerte oder verkleinerte Polfläche zum Mittelschenkel hin gegenüber der Polfläche des anderen Außenschenkels.
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In einer anderen Variante sind nicht nur die Polflächen der Außenschenkel zueinander asymmetrisch, sondern die Außenschenkel selbst sind bereits mit unterschiedlich dimensionierten Eisenquerschnitten ausgebildet.
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In einer bevorzugten Ausbildung liegen die Polflächen der Außenschenkel und die Polfläche des Mittelschenkels des bistabilen Aktuators einschließlich seines Permanentmagneten bündig in einer Ebene und der Wippanker hat eine gering V-förmig nach oben abgewinkelte Form. Dies ermöglicht ein sattes Aufliegen der Flügel des Wippankers auf den ebenen Polflächen der Außenschenkel.
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Ebenso können aber auch die Polflächen der Außenschenkel gegenüber der Polfläche des Mittelschenkels einschließlich seines Permanentmagneten zurückgesetzt und nach außen hin abgeschrägt ausgebildet und der Wippanker flächig eben ausgebildet sein. Dies erlaubt ebenfalls ein sattes Aufliegen der Flügel des Wippankers auf den Polflächen der Außenschenkel.
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Vorzugsweise sind nach einer weiteren Ausbildung des Aktuators die Außenschenkel an den Innenkanten der Polflächen gerade und parallel zur Schwenkachse des Wippankers, wodurch sich verbesserte magnetische Flusseigenschaften gegenüber abgerundeten Kanten ergeben.
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In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung steht diejenige Polfläche eines Außenschenkels des bistabilen Aktuators näher zum Mittelschenkel als die andere, zu deren Seite der Wippanker bei einem Umschaltimpuls schwenkt, um die direkt oder indirekt betätigte elektrische Kontakteinrichtung von der Schließposition in die offene Schaltposition umzuschalten.
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Entsprechend steht diejenige Polfläche eines Außenschenkels entfernter zum Mittelschenkel als die andere, zu dessen Seite der Wippanker bei einem Umschaltimpuls schwenkt, um die elektrische Kontakteinrichtung von der Offenposition in die Schließposition umzuschalten.
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Der Weicheisenteil des E-förmigen Jochs kann einfach aus einem oder mehreren Stanz-Biege-Teilen oder einem oder mehreren kalt umgeformten Teilen hergestellt werden oder aus einem oder mehreren Stapel(n) von in sich kongruenten Schnittblechen bzw. Stanzblechen, die zu einem das Weicheisenjoch bildende Blechpaket gefügt sind.
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Die beiden Erregerspulen sitzen nach einer Variante parallel zueinander auf je einem Außenschenkel des Weicheisenjochs oder nach einer weiteren Variante auf einer gemeinsamen Achse auf der Jochbasis, jeweils zwischen einem Außenschenkel und dem Mittelschenkel des Weicheisenjochs.
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Beide Erregerspulen werden entweder separat mit Gleichstrom-Impulsen oder einer Halbsinus-Welle angesteuert oder sie sind zu einer Spule elektrisch zusammengefasst und werden gemeinsam wechselweise mit einem positiven und einem negativen Gleichstromimpuls oder einer Halbsinus-Welle zwecks Umschaltens des Wippankers angesteuert.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass eine der Erregerspulen zwecks Verstärkung des asymmetrischen Verhaltens des Aktuators stärker elektromagnetisch ausgebildet ist als die andere.
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Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels in verschiedenen Varianten näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1 einen Aktuator mit einem abgewinkelten Wippanker in Explosionsdarstellung,
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2 ein Joch mit einem abgewinkelten Wippanker in einer Draufsicht,
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3 ein modifiziertes einteiliges Weicheisenjoch,
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4 einen Aktuator mit einem gestreckten Anker in Explosionsdarstellung und
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5 einen Aktuator mit einem geteilten Weicheisenjoch.
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Der schematisch in einer Explosionsdarstellung gezeichnete bistabile Aktuator gemäß der 1 besitzt ein Weicheisenjoch 1, dessen Außenschenkel 2a, 2b einen unterschiedlichen Abstand a bzw. b zum Mittelschenkel 3 aufweisen und zudem im Querschnitt voneinander abweichen. Der schmalere Außenschenkel 2a hat eine lichte Weite a zum Mittelschenkel 3, die geringer ist als die lichte Weite b des breiteren Außenschenkels 2b. Alle drei Schenkel 2a, 2b, 3 sind ausgehend von ihrer Jochbasis 8 quaderförmig bis zu ihren Polflächen ausgebildet. Auf den schmaleren Außenschenkel 2a ist eine kleinere Erregerspule 6a gesteckt, auf den breiteren Außenschenkel 2b eine entsprechend größere Erregerspule 6b. Der Mittelschenkel 3 trägt einen Permanentmagnet 4 mit identischen Querabmessungen, wobei dessen Höhe mit den Polflächen 7a, 7b der Außenschenkel fluchtet. Oberhalb des Permanentmagneten 4 ist ein Wippanker 5 gelagert, dessen Flügel leicht V-förmig abstehen und an die Jochdimensionierung angepasst sind. Hier in diesem Beispiel ist folglich der über dem Außenschenkel 2b stehende Flügel länger ausgebildet als der Flügel auf der Gegenseite. Der Wippanker 5 kann entweder mit seiner Schneide direkt mittig auf dem Permanentmagnet 4 gelagert sein oder er ist in einem nicht näher dargestellten Gehäusegestell des Aktuators geführt und gelagert. Im Beispiel nach 1 wirken die magnetischen Kraftflüsse in den beiden Parallelkreisen in Abhängigkeit der lichten Abstände a, b der Außenschenkel 2a, 2b zum Mittelschenkel 3 sowie in Abhängigkeit der beiden wechselweise bestromten Erregerspulen 6a, 6b.
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2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Aktuators in einer Ansicht auf seine Breitseite. Die beiden Außenschenkel 2a, 2b gleichen Querschnitts sind wiederum unterschiedlich vom Mittelschenkel 3 beabstandet. Die lichte Weite a ist geringer als die lichte Weite b. Der Mittelschenkel 3 trägt bündig zu den beiden Polflächen 7a, 7b einen Permanentmagnet 4. Der auf seiner Schwenkachse S oder direkt auf dem Permanentmagnet 4 gelagerte Wippanker 5 ist in einer indifferenten Lage gezeichnet, die so allerdings im Relaisbetrieb nicht vorkommt, weil der Wippanker 5 in jeder der beiden bistabilen Schaltstellungen infolge des permanentmagnetischen Kraftschlusses stets an einem der Außenschenkel 2a, 2b anliegt. Die Darstellung verdeutlicht jedoch, dass sich mit einer geringeren lichten Weite zu einem Außenschenkel, hier zum Außenschenkel 2a, auch der Arbeitsluftspalt La zum Wippanker 5 im Vergleich zum Arbeitsluftspalt Lb am Außenschenkel 2b verringert.
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Indem nun derjenige Arbeitsluftspalt La zwischen dem Außenschenkel 2a und dem Wippanker 5 und damit derjenige magnetische Widerstand über den Arbeitsluftspalt La geringer ist, welcher näher zur Schwenkachse S des Wippankers 5 gelegt ist, ist der elektromagnetische Kraftfluss Fm1 über diesen Wippankerflügel und somit das auf den Wippanker 5 ausgeübte Drehmoment stärker im Vergleich zum elektromagnetischen Kraftfluss Fm2 über den anderen Wippankerflügel. Es entsteht ein asymmetrisches Anzugsverhalten, welches sich vorteilhaft für eine Anpassung an eine vom Aktor zu betätigende Kontakteinrichtung nutzen lässt. Der Schwenkwinkel des V-förmig abgewinkelten Wippankers selbst ist nach beiden Seiten identisch.
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Nach 3 bildet einer der Außenschenkel 2a des einteiligen Weicheisenjochs 1 zusätzlich zu seinem kleineren Abstand zum Mittelschenkel 3 eine vergrößerte Polfläche 7a in Richtung zum Mittelschenkel 3 aus, wodurch sich eine deutlich geringere lichte Weite a zwischen der Polfläche 7a und dem Mittelschenkel 3 im Vergleich zur lichten Weite b zwischen dem Mittelschenkel 3 und der Polfläche 7b des entfernteren Außenschenkels 2b ergibt. Ein hier nicht dargestellter auf der Schwenkachse S positionierter V-förmiger Wippanker wird folglich bei gleicher Aw-Zahl der Erregerspulen aufgrund des geringeren Arbeitsluftspalts kräftiger zur Seite des Außenschenkels 2a angezogen werden als zum Außenschenkel 2b hin.
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Die 4 zeigt in einer Explosionsdarstellung einen Aktuator mit einem flächig ebenen Wippanker 5. Von der Jochbasis 8 des einteiligen Weicheisenjochs 1 aus gesehen hat der linke Außenschenkel 2a eine geringere Querschnittsfläche und einen geringeren lichten Abstand a zum Mittelschenkel 3 als der rechte Außenschenkel 2b. Somit kann der rechte Außenschenkel 2b eine Erregerspule 6b mit anderen geometrischen Abmessungen, aber beispielsweise gleicher Durchflutung tragen als der linke. Bevorzug ist allerdings der linke Außenschenkel mit größeren geometrischen Abmessungen ausgebildet (nicht gezeichnet). Mit dem aufgesetzten Permanentmagnet 4 überragt der Mittelschenkel 3 mit 4 insgesamt die Außenschenkel 2a, 2b. Der auf der Schwenkachse S gelagerte Wippanker 5 schwenkt um den dachförmig geformten Permanentmagnet 4 bis zur Auflage auf einer der Polflächen 7a, 7b der Außenschenkel 2a, 2b. Um ein sattes Aufliegen des ebenen Wippankers 5 auf den Polflächen 7a, 7b zu ermöglichen, sind diese nach außen zu unter Beachtung der unterschiedlichen Kippwinkel abgeschrägt.
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Vorzugsweise sind die Innenkanten der Polflächen 7a, 7b gerade und parallel zur Schwenkachse des Wippankers 5, wodurch sich verbesserte magnetische Flusseigenschaften gegenüber abgerundeten Kanten ergeben.
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In 5 ist eine Variante der Erfindung dargestellt, bei der das Weicheisenjoch 1 zweigeteilt und der Mittelschenkel 3 ausschließlich von einem Permanentmagnet 4 gebildet ist, der bis zur Ebene der Polflächen 7a, 7b der Außenschenkel 2a, 2b reicht. Die Jochbasis 8 und der rechte Außenschenkel 2b bilden ein Bauteil, der linke Außenschenkel 2a das andere. Hierdurch ist es möglich, die zwei Erregerspulen 6a, 6b vor der Komplettierung des Weicheisenjochs 1 in Reihe auf die Jochbasis 8 aufzuschieben. Die Außenschenkel 2a, 2b haben denselben Abstand vom Mittelschenkel 3 und dieselben Querabmessungen, jedoch sind die Polflächen 7a, 7b verschieden groß, wodurch sich im Beispiel eine größere lichte Weite a zur lichten Weite b der Polflächen 7a, 7b bezüglich des vom Permanentmagnet 4 gebildeten Mittelschenkels 3 einstellt. Der V-förmige Wippanker 5 wird also bei gleichgroßer Erregung der beiden Spulen 6 aufgrund der unterschiedlichen Arbeitsluftspalte kräftiger zum Außenschenkel 2b hin angezogen als zum Außenschenkel 2a. Hierzu wird auf die näheren Erläuterungen zu 2 verwiesen. Die beiden Erregerspulen 6a, 6b sind in einer gemeinsamen Richtung gewickelt oder entsprechend geschaltet. Sind sie in Reihe geschaltet, so wird der Wippanker 5 durch Wechseln der Polarität der Erregerimpulse von einer Stellung in die andere umgelegt. Sind die Erregerspulen 6a, 6b getrennt ansteuerbar, so wird an die für eine Umschaltung verantwortliche Erregerspule jeweils ein polarisierter Impuls unter Berücksichtigung der Wickelrichtung angelegt. Der elektromagnetische Fluss wird dem permanentmagnetischen Fluss überlagert. Je nach System kann der Dauermagnetfluss im dauermagnetischen Hauptkreis des E-förmigen Jochs bis zu Umschalten des Wippankers geschwächt oder im dauermagnetischen Nebenkreis bis zum Umschalten verstärkt werden. Vorzugsweise aber ersteres, da sich dieses als energetisch günstiger erwiesen hat. Um eine Vorstellung von der Größe eines erfindungsgemäßen Jochs für ein polarisiertes Kleinrelais zu geben, seien folgende Angaben beispielhaft gemacht: Die Abmessungen eines fertigen Jochs betragen < (10 × 10 × 24) mm. Im Falle eines geblechten Jochs beträgt die Stärke der einzelnen Stapelbleche 0,5 mm, die stanztechnischen Toleranzen liegen bei +/–0,05 mm. Die Gleichstrom-Umschaltimpulse haben jeweils eine Dauer von wenigen Millisekunden und lassen sich auch aus einer Sinus-Halbwelle der Netzwechselspannung gewinnen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Weicheisenjoch
- 2a, 2b
- Außenschenkel
- 3
- Mittelschenkel
- 4
- Permanentmagnet
- 5
- Wippanker
- 6a, 6b
- Erregerspulen
- 7a, 7b
- Polflächen
- 8
- Jochbasis
- a, b
- lichte Weite zwischen den Polflächen der Außenschenkel zum Mittelschenkel
- La, Lb
- Arbeitsluftspalte
- Fm1, Fm2
- magnetische Kräfte
- S
- Schwenkachse des Wippankers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010017874 B4 [0002]
- DE 2148377 A [0003]
- DE 19544520 A1 [0004]
- EP 1081733 A2 [0005]
