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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Polrohres gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein durch das Verfahren hergestelltes Polrohr und eine Ventilmagnetvorrichtung.
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Hintergrund der Erfindung
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Ventilmagnete bestehen aus druckdichten Polrohren, in denen sich ein Anker bewegt. Damit ein magnetischer Fluss über den Anker verläuft und damit eine Kraftwirkung entwickelt, muss im Polrohr ein nichtmagnetisierbarer Bereich eingebracht werden, den man als magnetische Trennung bezeichnet.
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Derzeit wird durch verschiedene Schweiß- und Lötverfahren ein nichtmagnetisierbarer Werkstoff in das Polrohr eingebracht. So wird beispielsweise eine Kontur in ein Stangenmaterial gedreht und anschließend durch Auftragsschweißen eine nichtmagnetische Trennung eingebracht. Diese Verfahren sind jedoch sehr kostenintensiv. Als kostengünstige Alternative konnte sich das Dünndrehen etablieren. Dabei wird der Durchmesser eines Rohrs an einer Stelle stark verringert, um an dieser Stelle den Magnetfluss zu unterbrechen. Aufgrund des magnetischen Nebenschlusses an der dünngedrehten Stelle ist die Leistung gegenüber den konventionellen Schweiß- und Lötverfahren jedoch geringer. Ferner ist die Druckfestigkeit wegen der begrenzten Wandstärke der dünngedrehten Stelle eingeschränkt.
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Das Dokument
DE 10 2009 060 406 A1 offenbart ein Rohrelement für ein Polrohr. Das Rohrelement umfasst ein Rohrstück, ein unmagnetisches Zwischenstück und ein Anschlussstück. Die Bauteile sind durch Einpressen mechanisch fest miteinander verbunden.
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Das Dokument
US 2014/0353533 A1 offenbart ein Polrohr, das einen Adapter, einen Stecker und ein nichtmagnetisches Rohrstück aufweist. Die Bauteile sind mittels einem zusätzlichen Lot verlötet.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und einfaches Verfahren zu schaffen, mit dem ein Polrohr herstellbar ist sowie ein Polrohr, das durch das Verfahren hergestellt ist und eine Ventilmagnetvorrichtung, die das Polrohr aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst hinsichtlich eines Verfahrens gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, hinsichtlich eines Polrohrs gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 12 und hinsichtlich einer Ventilmagnetvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 15.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines Polrohrs vorgesehen. Dabei können zwei ferromagnetische Polrohrbauteile und ein nicht ferromagnetisches Trennelement vorgesehen sein. Die ferromagnetische Polrohrbauteile können vorteilhafterweise in einer Reihe entlang einer Mittelachse angeordnet sein, wobei das nicht ferromagnetische Trennelement zwischen den beiden ferromagnetischen Bauteilen vorgesehen sein kann. Es ist möglich, die ferromagnetischen Bauteile und das nicht ferromagnetische Bauteil mittels einer Axialkraft vorzuverspannen. Weiterhin kann ein induktives Erwärmen der Bauteile vorgesehen sein. Dadurch kann das nicht ferromagnetische Bauteil schmelzen, da es einen niedrigeren Schmelzpunkt als die ferromagnetischen Bauteile haben kann. Anschließend oder gleichzeitig kann ein, insbesondere thermisches, Fügen der ferromagnetischen Polrohrbauteile und des nicht ferromagnetischen Trennelements mittels Aufbringen einer Kraft erfolgen.
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Diese Lösung hat den Vorteil, dass hierdurch ein einfaches und kostengünstiges Verfahren geschaffen werden kann, mittels dem ein Polrohr hergestellt werden kann. Durch die gezielte induktive Wärmeeinbringung kann eine, im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren, geringere Aufhärtung der Schweißzonen erreicht werden und dadurch die Bearbeitbarkeit des Polrohrs verbessert werden. Zusätzlich ist beim Fügen kein gesondertes Lot nötig, da die Bauteile gepresst werden und mittels einer Diffusionsverbindung fest verbunden sind. Dabei wird mit Hilfe eines engen Kontakts zwischen den zu verbindenden Bauteilen und einer hohen Temperatur ein Kornwachstum zwischen den Bauteilen angeregt und so eine fugenlose Verbindung erzeugt. Das Verfahren ist prozesstechnisch einfach überwachbar und beeinflussbar. Beispielsweise sind die Wärmeeinbringung in die Polrohrbauteile und das Trennelement, sowie der Einsinkweg beim Fügen der Bauteile leicht zu überwachen. Induktive Erwärmung ist zudem eine im Vergleich zu bekannten Verfahren eine kostengünstige Lösung. Die Polrohrbauteile können kostengünstige und einfache Teile sein, beispielsweise Rohr- oder Stababstiche. Im Vergleich zum bekannten Auftragsschweißen ist zudem die für den Fügeprozess benötigte Zeit deutlich geringer.
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Bevorzugt kann das gefügte Polrohr nach dem thermischen Fügen mittels einem spanenden Fertigungsverfahren in eine endgültige Form gebracht werden. Beispielsweise kann das Polrohr gedreht und/oder gebohrt werden. Mit anderen Worten kann das Polrohr beispielsweise nach dem Verbinden der Einzelteile innen und außen abgedreht werden. Es ist auch möglich, dass das spanende Verfahren während des thermischen Fügens angewendet wird. Es ist weiterhin möglich, dass das spanende Verfahren nach dem Start, aber vor dem Ende des thermischen Fügens begonnen wird. Dadurch kann fertigungstechnisch einfach, schnell und kostengünstig ein Polrohr hergestellt werden. Durch die verringerte Aufhärtung durch die induktive Erwärmung der Bauteile kann eine nachfolgende spanende Behandlung zusätzlich erleichtert werden.
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Die Kraft, die beim Fügen auf das Polrohr aufgebracht wird, kann bevorzugt eine Axialkraft sein, welche die beiden Polrohrbauteile jeweils aus entgegengesetzter Richtung entlang einer Mittelachse gegen das nichtmagnetische Trennelement presst. Dadurch kann vorzugsweise eine stabile Verbindung der magnetischen Polrohrbauteile und des nicht magnetischen Trennelements erreicht werden. Weiterhin vorteilhaft kann eine Lunkerbildung an der Fügestelle vermieden werden, da während des Fertigungsprozess eine äußere Druckkraft auf die Fügestelle einwirkt.
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Eines der Polrohrbauteile oder beide Polrohrbauteile können beispielsweise einfach als Voll- oder Stabmaterial ausgebildet sein. Möglich ist auch, dass eines der oder beide Polrohrbauteile als Rohrstücke ausgestaltet sind. Das nichtmagnetische Trennelement kann beispielsweise als Ring oder als Scheibe ausgestaltet sein. Diese Bauelemente können vorteilhafterweise einfach und kostengünstig hergestellt und/oder erworben werden, da es sich nicht um Sonderteile handelt.
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Um die Polrohrbauteile und das Trennelement während und/oder vor dem Fügen aufzuheizen, können eine oder mehrere Induktionsspule/n vorgesehen sein. Das thermische Fügen kann beispielsweise unter Schutzgasatmosphäre bewerkstelligt werden, wodurch vorteilhaft eine Verzunderung der Oberfläche vermieden wird. Ebenso kann Flussmittel, das die anliegenden Bauteile benetzt zugegeben werden, um eine Oxidation zu verhindern. Es ist möglich, dass das Trennelement das Flussmittel bereits aufweist. Die Induktionsspule/n kann/können während des Aufheizvorgangs vorrichtungstechnisch einfach umlaufend um die zu fügenden Polrohrbauteile und das Trennelement angeordnet sein, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung zu ermöglichen.
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Es ist auch möglich, dass zumindest zwei Induktionsspulen vorgesehen sind, die während der induktiven Erwärmung oder des Aufheizvorgangs zwischen den Polrohrbauteilen und dem Trennelement angeordnet sind. Dazu kann eine Induktionsspule axial zwischen dem ersten Polrohrbauteil und dem Trennelement angeordnet sein und eine weitere Induktionsspule axial zwischen dem Trennelement und dem zweiten Polrohrbauteil. Im Laufe des Verfahrens können die Induktionsspulen entfernt werden und die Polrohrbauteile jeweils gegen eine Seite des Trennelements gepresst werden.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Polrohrbauteile jeweils als Rohrstück ausgebildet und das Trennelement als ein Ringelement. Mit Vorteil kann dadurch eine Nachbehandlung, beispielsweise ein Bohren oder Innendrehen, vermieden oder der Aufwand einer solchen vermindert werden.
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In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Polrohrbauteile jeweils als Voll- oder Stabmaterial ausgebildet und das Trennelement als eine Scheibe. Vorteilhafterweise können dadurch hohe Kräfte zum Pressen der Bauteile angewendet werden.
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Anschließend kann das fertige Polrohr durch Drehen und/oder Bohren hergestellt werden.
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In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Polrohrbauteile jeweils als Voll oder Stabmaterial ausgebildet und das Trennelement als Ringelement. Dadurch sind bevorzugt hohe Kräfte zum Zusammenpressen der Bauteile ermöglicht. Zudem kann im Vergleich zu einem scheibenförmigen Trennelement, ein Energiebedarf zum Aufheizen der Bauteile verringert werden, da nicht die gesamte Scheibenfläche des Trennelements erhitzt werden muss. Abschließend kann das Polrohr durch Drehen und/oder Bohren gefertigt werden.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Polrohr vorgesehen, das zumindest zwei Polrohrbauteile und zumindest ein Trennelement aufweist, und wobei das Polrohr durch das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergenannten Aspekte gefertigt ist.
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Das Polrohr kann zumindest zwei Polrohrbauteile haben. Diese können beispielsweise aus ferromagnetischem Material, beispielsweise aus Stahl, ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Polrohrbauteile oder eines der Polrohrbauteile aus dem Automatenstahl 11SMn30 ausgebildet. Andere, ferromagnetische Materialien sind für die Polrohrbauteile ebenfalls denkbar.
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Das Trennelement, das in dem Polrohr vorgesehen ist, ist bevorzugt aus einem nicht ferromagnetischen Material ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das Trennelement aus Messing oder Bronze oder Edelstahl hergestellt. Denkbar ist, dass das Trennelement im Wesentlichen aus Messing besteht und Beimengungen aufweist. Möglich ist auch, dass das Trennelement aus einem anderen, nicht ferromagnetischen Material ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Ventilmagnetvorrichtung vorgesehen, die das Polrohr aufweist. Zusätzlich kann die Ventilmagnetvorrichtung einen Anker aufweisen, der sich in dem Polrohr bewegt. Über den Anker kann bevorzugt der magnetische Fluss laufen. Der Anker ist beispielsweise mit einem Ventilkörper verbindbar.
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Figurenliste
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 Verfahrensschritte eines Verfahrens in einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 Verfahrensschritte eines Verfahrens in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 3 Verfahrensschritte eines Verfahrens in einem dritten Ausführungsbeispiel,
- 4 Verfahrensschritte eines Verfahrens in einem vierten Ausführungsbeispiel,
- 5 in einem Längsschnitt ein Polrohr während eines Fügeprozesses,
- 6 in einem Längsschnitt das Polrohr während in gefügtem Zustand,
- 7 in einem Längsschnitt ein fertiges Polrohr nach einem Drehprozess in einem Ausführungsbeispiel und
- 8 in einem Längsschnitt ein fertiges Polrohr in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile behalten ihr Bezugszeichen.
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Gemäß 1a ist ein erster Schritt des Verfahrens dargestellt. Darin sind Polrohrbauteile 1 und 2 axial entlang einer Mittelachse 4 angeordnet. Die Polrohrbauteile 1 und 2 sind jeweils als Rohrstück ausgebildet. Zwischen den Polrohrbauteilen ist ein Trennelement 6 angeordnet. Das Trennelement 6 ist als Ringelement ausgebildet.
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1b zeigt den zweiten Verfahrensschritt. Darin sind Induktionsspulen 8 so vorgesehen, dass sie radial um das Trennelement 6 und um die jeweils zu dem Trennelement 6 weisenden Enden der Polrohrbauteile 1 und 2 angeordnet sind. Die Induktionsspulen 8 erwärmen die Polrohrbauteile 1 und 2, sowie das Trennelement 6, zumindest in einem Fügebereich oder vollständig. Axial an dem jeweils nicht zu dem Trennelement 6 weisenden Ende der Polrohrbauteile 1 und 2 greift eine Axialkraft F an, die die Polrohrbauteile 1 und 2 fest gegen das Trennelement 6 presst. Dadurch entsteht eine Diffusionsverbindung zwischen den Polrohrbauteilen 1 und 2, sowie dem Trennelement 6.
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1c zeigt das fertig gefügte Polrohr 10. Durch ein spanendes Verfahren, beispielsweise Bohren oder Drehen kann die endgültige Formgebung des Polrohrs 10 erreicht werden.
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Die 2a-c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Darin sind die Polrohrbauteile 1 und 2 jeweils als Stabmaterial ausgebildet, das Trennelement 6 als Scheibe. Die Verfahrensschritte sind analog zu 1 dargestellt. 2b zeigt das Aufbringen der Kraft F und die Induktionsspulen 8, die analog zu 1b so vorgesehen sind, dass sie radial um das Trennelement 6 und die jeweils zu dem Trennelement 6 weisenden Enden der Polrohrbauteile 1 und 2 angeordnet sind. 2c zeigt analog zu 1c das fertige Polrohr 10, nachdem es spanend bearbeitet wurde.
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Gemäß 3a-c ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zu sehen. Das Verfahren verläuft analog zu den 1 und 2. Hier sind die Polrohrbauteile 1 und 2 als Stabmaterial ausgebildet, das Trennelement 6 als Ringelement. Gemäß 3b sind die Induktionsspulen 8 analog zu den 1b und 2b so vorgesehen, dass sie radial um das Trennelement 6 und die jeweils zu dem Trennelement 6 weisenden Enden der Polrohrbauteile 1 und 2 angeordnet sind. 3c zeigt analog zu den 1c und 2c das fertige Polrohr 10, nachdem es spanend bearbeitet wurde.
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4 zeigt das Verfahren in einem vierten Ausführungsbeispiel. In einem ersten Schritt, siehe 4a, sind die Polrohrbauteile 1 und 2 entlang der Mittelachse 4 angeordnet. Zwischen den Polrohrbauteilen 1 und 2 ist das Trennelement 6 vorgesehen. Jeweils zwischen dem Trennelement 6 und dem jeweiligen, zu dem Trennelement 6 weisenden, Ende der Polrohrbauteile 1 und 2 sind Induktionsspulen 8 vorgesehen. Diese erwärmen die Bauteile. In einem zweiten Schritt, siehe 4b, sind die Induktionsspulen 8 entfernt, und die Bauteile werden mit der Axialkraft F entlang der Mittelachse 4 gegeneinander gepresst. 4c zeigt das fertige Polrohr 10, nachdem es spanend bearbeitet wurde.
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5 zeigt die Polrohrbauteile 1 und 2, ausgerichtet an der Mittelachse 4 mit dem Trennelement 6 dazwischen. Das Polrohrbauteil 1 ist so ausgestaltet, dass es radial außenseitig, beabstandet von dem Ende, welches dem Polrohrbauteil 2 zugewandt ist, einen Absatz 12 hat, wobei das Polrohrbauteil 1 somit endseitig radial zurückgestuft ist. Eine durch den Absatz 12 gebildete Ringfläche ist etwa rechtwinklig zu der Mittelachse 4 ausgestaltet. An dem Ende, das dem Polrohrbauteil 2 zugewandt ist, hat das Polrohrbauteil 1 folglich einen geringeren Außendurchmesser als auf der dem Polrohrbauteil 2 abgewandten Seite. Zusätzlich ist an dem Polrohrbauteil 2 zugewandten Ende des Polrohrbauteils 1 eine Einfuhrschräge zur erleichterten Montage vorgesehen. Das Polrohrbauteil 2 hat eine zweistufige Ausnehmung 14, wobei eine, einen großen Durchmesser aufweisende, erste Stufe von einer zweiten, einen kleinen Durchmesser aufweisenden, Stufe koaxial zur Mittelachse 4 eingebracht sind. Dabei ist in die erste Stufe, insbesondere formschlüssig, das Trennelement 6 passend eingelegt. Die Polrohrbauteile 1 und 2 sind so angeordnet, dass das Ende des ersten Polrohrbauteils 1 in die zweite Stufe der Ausnehmung 14 des zweiten Polrohrbauteils 2, insbesondere formschlüssig, eintaucht und das Polrohr 1 mit seinem großen Durchmesser in die erste Stufe eingetaucht ist. Der verjüngte Abschnitt des Polrohrbauteils 1 passt dann formschlüssig in die zweite Stufe der Ausnehmung 14. Der Boden der Ausnehmung 14 dient dabei als Anschlag, so dass das erste Polrohrbauteil 1 nur bis zu diesem Anschlag in das zweite Polrohrbauteil 2 eintauchen kann. Auf der ersten Stufe der Ausnehmung 14 ist somit zwischen den Polrohrbauteilen 1 und 2 das Trennelement 6 vorgesehen. Das Polrohrbauteil 2 weißt mittig eine Bohrung 16 auf. Durch die Induktionsspulen 8 werden alle Bauteile 1, 2 und 6 erwärmt und durch eine axiale Kraft F in axialer Richtung entlang der Mittelachse 4 zusammengedrückt.
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6 zeigt die Polrohrbauteile 1 und 2 und das Trennelement 6 in zusammengedrücktem Zustand. Die Induktionsspulen 8 sind radial um die zu Fügende Stelle der Polrohrbauteile 1 und 2, sowie des Trennelements 6 angeordnet.
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7 zeigt das Polrohr 10 in fertigem Zustand. Die Polrohrbauteile 1 und 2 wurden mit dem Trennelement 6 zusammengefügt. In das Polrohr 10 ist hierbei von dem Polrohrbauteil 1 her eine Sacklochbohrung 18 eingebracht, die sich bis in das Polrohrbauteil 2 erstreckt. Die Sacklochbohrung 18 ist hierbei koaxial zur Mittelachse 4 ausgebildet.
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8 zeigt ein Polrohr 20, bei dem zwei Polrohrbauteile 22 und 24 und ein Trennelement 26 gefügt sind. Das Trennelement 26 ist als ein rotationssymmetrisches Bauteil ausgestaltet, dessen Querschnitt als ein, insbesondere gleichseitiges, Trapez oder konusförmig, ausgebildet ist, dessen kürzere der parallelen Seiten radial in Richtung einer Mittelachse 30 innen liegt. Die Polrohrbauteile 22 und 24 haben an ihrer jeweils dem Trennelement 26 zuweisenden Seite eine entsprechende Abschrägung so, dass die Teile 22,24,26 formschlüssig zueinander passen. In das Polrohr 20 ist hierbei von dem Polrohrbauteil 22 her eine Sacklochbohrung 28 eingebracht, die sich bis in das Polrohrbauteil 24 erstreckt. Die Sacklochbohrung 28 ist hierbei koaxial zur Mittelachse 30 ausgebildet.
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Offenbart ist ein Verfahren zum Herstellen eines Polrohrs mittels induktiver Erwärmung. Dabei sind zwei Polrohrbauteile vorgesehen, die erwärmt und mit Kraft jeweils gegen ein Trennelement gepresst werden, um dadurch das fertige Polrohr zu fügen.
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Bezugszeichenliste
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- 1,2,22,24
- Polrohrbauteil
- 4,30
- Mittelachse
- 6,26
- Trennelement
- 8
- Induktionsspule
- 10,20
- Polrohr
- 12
- Verjüngung
- 14
- Ausnehmung
- 16
- Bohrung
- 18,28
- Bohrung/Innengedrehte Ausnehmung
- F
- Axialkraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009060406 A1 [0004]
- US 2014/0353533 A1 [0005]
