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Die Erfindung betrifft einen elektromagnetisch linear wirkenden Aktor, aufweisend ein stationäres Gehäuse aus einem weichmagnetischen Eisenmaterial, eine erste Magnetspule, eine zweite Magnetspule und einen Magnetanker, der um eine Symmetrieachse rotieren kann und entlang seiner Symmetrieachse verschieblich ist. Die Erfindung betrifft auch eine rotierende Verschiebeeinrichtung, die einen solchen erfindungsgemäßen Aktor aufweist.
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Das Gehäuse, die Magnetspulen, der Magnetanker und die Verschiebeeinrichtung weisen dieselbe Symmetrieachse auf. Verlagerungen entlang dieser Symmetrieachse oder parallel dazu werden als axiale Verlagerungen angesehen, Verlagerungen senkrecht dazu als radiale Verlagerungen.
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Bei bekannten Aktoren ist in oder auf einem beweglichen Bauteil des Aktors ein Permanentmagnetmittel angeordnet, was hohe Kosten durch eine aufwendige Befestigung des Permanentmagnetmittels auf dem mit hoher Drehzahl rotierenden Magnetanker verursacht.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromagnetisch linear wirkenden Aktor mit einer kostengünstigen und betriebssicheren Anordnung der magnetkrafterzeugenden Bauteile zu beschreiben, sowie eine rotierende Verschiebeeinrichtung zu beschreiben, die einen erfindungsgemäßen Aktor enthält.
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Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die Merkmale des ersten Anspruchs, soweit nur der Aktor betroffen ist, und zusätzlich des zehnten Anspruchs, soweit die rotierende Verschiebeeinrichtung betroffen ist.
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Erfindungsgemäß weist das Gehäuse einen ersten und einen zweiten Magnetpol auf, wobei der erste Magnetpol durch einen ersten, mindestens teilweise axialen Luftspalt von dem Magnetanker beabstandet ist und wobei der zweite Magnetpol von dem Magnetanker durch einen zweiten mindestens teilweise axialen Luftspalt beabstandet ist. Die beiden genannten Luftspalte sind axial veränderlich, wenn sich der Magnetanker bewegt.
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Die Magnetspulen ermöglichen im Zusammenwirken mit den Magnetpolen und den genannten axial veränderlichen Luftspalten eine elektromagnetisch gesteuerte axiale Verlagerung des Magnetankers.
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Außerdem weist das Gehäuse einen Mittelsteg auf, der vorzugsweise aus weichmagnetischem Eisenmaterial besteht und axial zwischen den Magnetspulen angeordnet ist und mit einem radial magnetisierten Permanentmagnetmittel verbunden ist, dass über einen radialen dritten Luftspalt magnetisch mit dem Magnetanker zusammenwirkt.
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Das radial magnetisierte Permanentmagnetmittel ruft bei unbestromten Magnetspulen einen Magnetfluss hervor, der über den Mittelsteg, durch das Gehäuse, durch den ersten Magnetpol und über den ersten Luftspalt und/oder durch den zweiten Magnetpol und über den zweiten Luftspalt, durch den Magnetanker und über einen dritten, vorzugsweise radialen Luftspalt zurück zu dem Permanentmagnetmittel verläuft.
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In dem beschriebenen Magnetkreis können vorteilhafterweise weitere Bauteile, insbesondere Flussleitbleche, liegen.
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Das Permanentmagnetmittel und sein Magnetfluss werden durch die Magnetspulen beeinflusst, wenn diese bestromt sind, aber der Magnetfluss des Permanentmagnetmittels wird dadurch nicht aufgehoben oder in seiner Richtung umgekehrt. Das Permanentmagnetmittel wird daher durch die Magnetspulen nicht magnetisch umgepolt, damit besteht auch kein Risiko einer Entmagnetisierung des Permanentmag n etm ittels.
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Wegen der Anordnung des Permanentmagnetmittels am Mittelsteg des ruhenden Gehäuses kann der Magnetanker kostengünstig einteilig aus einem weichmagnetischen Material hergestellt werden. Das Permanentmagnetmittel ruht und ist keinerlei funktionsbedingten Fliehkräften oder Drehbeschleunigungskräften ausgesetzt, was die Kosten dieser Anordnung weiter vermindert. Auch die Betriebssicherheit des Aktors wird durch die hier beschriebene Anordnung und Betriebsweise des Permanentmagnetmittels gefördert.
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Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise erzeugt der Magnetfluss des Permanentmagnetmittels bei unbestromten Magnetspulen an dem ersten und dem zweiten Magnetpol einen magnetischen Nordpol und gleichzeitig an den Randflächen des Magnetankers, die den Magnetpolen zugewandt sind, einen magnetischen Südpol, wenn das Permanentmagnetmittel mit dem magnetischen Nordpol nach außen magnetisiert ist. Ist das Permanentmagnetmittel mit dem magnetischen Nordpol nach innen magnetisiert, kehren sich alle magnetischen Orientierungen der Magnetpole und des Ankers gegenüber den hier beschriebenen magnetischen Orientierungen um. Dieser Fall der umgekehrten Orientierung des Permanentmagnetmittels soll für die technische Lehre dieser Erfindung nicht ausgeschlossen werden, wird aber in den folgenden Teilen der Beschreibung nicht näher betrachtet. In den Ansprüchen werden die unterschiedlichen magnetischen Orientierungen als Orientierungen erster und zweiter Art bezeichnet.
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Vorteilhafterweise wird bei einer gleichgerichteten Bestromung der beiden Magnetspulen in einer ersten Richtung des elektrischen Stromverlaufs durch den Magnetfluss an dem ersten Magnetpol ein magnetischer Nordpol erzeugt und an dem zweiten Magnetpol ein magnetischer Südpol erzeugt. Dabei werden an den beiden axial veränderlichen Luftspalten magnetische Kräfte erzeugt, die den Magnetanker in die Richtung zum ersten Magnetpol ziehen. Die Kräfte sind ausreichend groß, um den Magnetanker aus einer beliebigen Lage auch gegen funktionsbedingte Widerstände, gegen Federkräfte und gegen Reibkräfte in die Nähe des ersten Magnetpols zu bringen. Ein Anschlagen des rotierenden Magnetankers an den ersten Magnetpol ist nicht vorgesehen, dies wird durch Mittel verhindert, die weiter unten beschrieben sind.
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Entsprechend wird vorteilhafterweise bei einer Bestromung der beiden Magnetspulen in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung des elektrischen Stromverlaufs durch den Magnetfluss an dem ersten Magnetpol ein magnetischer Südpol erzeugt und an dem zweiten Magnetpol ein magnetischer Nordpol erzeugt. Dabei werden ausreichend große magnetische Kräfte erzeugt, die den Magnetanker in die Richtung zum zweiten Magnetpol ziehen.
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Durch die gleichzeitige Bestromung beider Magnetspulen wird im Vergleich zu einer Vorrichtung, in der nur jeweils eine von zwei Magnetspulen bestromt wird, eine erheblich höhere Kraft auf den Magnetanker ausgeübt, denn an dem einen axial veränderlichen Luftspalt ergibt sich eine anziehende Kraft und an dem anderen axial veränderlichen Luftspalt ergibt sich eine abstoßende Kraft, weil der Anker seine südliche Polung beibehält.
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Nach dem Abschalten beider Magnetspulen und bei einer weiter andauernden außermittigen Verlagerung des Magnetankers in die Richtung zum ersten Magnetpol ist die durch den Magnetfluss des Permanentmagnetmittels hervorgerufene Magnetkraft am kleineren ersten Luftspalt erheblich größer als die Magnetkraft am größeren zweiten Luftspalt. Dabei ist der Kraftunterschied groß genug, um den Magnetanker gegen anwendungsbedingte Kräfte in seiner außermittigen Lage zu halten.
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Als mittige Lage des Ankers wird eine Lage angesehen, bei der der erste und der zweite Luftspalt gleich groß sind.
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Entsprechend ist bei einer außermittigen Verlagerung des Magnetankers in die Richtung zum zweiten Magnetpol und bei stromlosen Magnetspulen die durch den Magnetfluss des Permanentmagnetmittels hervorgerufene Magnetkraft am kleineren zweiten Luftspalt erheblich größer als die Magnetkraft am größeren ersten Luftspalt, wobei der Kraftunterschied wieder groß genug ist, den Magnetanker in seiner außermittigen Lage zu halten.
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Es ergibt sich vorteilhafterweise durch die Wirkung des Permanentmagnetmittels und der veränderlichen ersten und zweiten Luftspalte ein bistabiles Verhalten des Aktors, damit wird die zuletzt durch die Magnetspulen vorgegebene Lage des Magnetankers auch nach dem Ausschalten der Magnetspulen beibehalten.
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Vorteilhafterweise ist das hohlzylinderförmige Permanentmagnetmittel auf seiner inneren Seite mit einem ersten hohlzylindrischen Flussleitblech verbunden, das den magnetischen Fluss des Permanentmagnetmittels auf den angrenzenden dritten (radialen) Luftspalt konzentriert. Das Flussleitblech ermöglicht auch durch seine Form eine Anpassung der Größe des Permanentmagnetmittels an die Erfordernisse der Anwendung, insbesondere die Anforderungen an die magnetische Haltekraft in einer außermittigen Lage des Aktors.
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Ebenfalls vorteilhafterweise ist das Permanentmagnetmittel mit einem zweiten hohlzylindrischen Flussleitblech verbunden, das den magnetischen Fluss des Permanentmagnetmittels zu dem Mittelsteg leitet. Auch dieses Flussleitblech verbessert den Magnetfluss, nämlich bei einer Ausführung des Permanentmagnetmittels, die axial über den Mittelsteg hinausragt. Das Permanentmagnetmittel ist damit in seiner Größe wenig beschränkt, und diese Tatsache gestattet die Verwendung kostengünstiger Materialien und die Erzielung hoher Haltekräfte.
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Vorteilhafterweise ist das Gehäuse mit einem dritten Flussleitblech und einem vierten Flussleitblech verbunden, die zu dem Magnetanker radial so wenig beabstandet sind, dass jeweils ein Teil des Magnetflusses von den Magnetpolen zu dem Magnetanker über das dritte und/oder das vierte Flussleitblech fließt. Diese radialen Magnetflüsse sind dann besonders stark, wenn eine Überlappung zwischen einem der Flussleitbleche und dem Magnetanker vorliegt. Der geringe Abstand wird erreicht, indem die dritten und vierten Flussleitbleche in der Nachbarschaft der beiden ersten und zweiten Magnetpole angeordnet sind.
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Die beiden Flussleitbleche beeinflussen den hubabhängigen Kraftverlauf bei einer Bestromung der beiden Magnetspulen derart, dass bei einer Bewegung des Magnetankers von einer Endlage in die andere die Kraftwirkung auf den Magnetanker zu Beginn der Bewegung erhöht und am Ende der Bewegung vermindert wird. Die Kraftwirkung wird zu Beginn erhöht, weil die wirksame Luftspaltlänge vermindert wird, und sie wird am Ende der Bewegung vermindert, weil ein erheblicher Teil des Magnetflusses nicht axial, sondern radial über eines der dritten oder vierten Flussleitbleche von dem Gehäuse zu dem Magnetanker fließt und der radiale Magnetfluss keine axiale Kraft erzeugt.
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Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Aktor Teil einer rotierenden Verschiebeeinrichtung, wobei der Magnetanker des Aktors vorzugsweise auf einer Welle drehbar und axial verschieblich gelagert ist. Dabei kann die Welle auch eine Hohlwelle sein.
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Alternativ kann der Magnetanker auch an der Welle befestigt sein und mit der Welle axial verschieblich sein.
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Diese Verschiebeeinrichtung kann beispielsweise eine Schiebemuffe eines Schaltgetriebes sein oder eine solche Schiebemuffe betätigen. Auch die Betätigung einer Kupplung oder einer sonstigen drehbaren Schalteinrichtung ist möglich.
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Vorteilhafterweise ist die axiale Verschieblichkeit des Magnetankers auf der Welle oder in einer anderen Ausführung mit der Welle durch mechanische Anschläge in beiden axialen Richtungen begrenzt. Dadurch wird ein Anschlagen des Magnetankers gegen einen der Magnetpole verhindert.
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Ebenfalls vorteilhafterweise wirkt mindestens ein auf den Magnetanker kraftwirksam angeordnetes mit dem Magnetanker mitdrehendes Federmittel der außermittigen Verlagerung des Magnetankers in die Richtung eines der Magnetpole entgegen. Wenn dieses mindestens eine Federmittel zentrierend wirkt, kann wegen der nichtlinearen Wirkung der Magnetkräfte auch eine mittige Lage des Magnetankers zwischen den Magnetpolen erzeugt werden, wobei allerdings eine geeignete elektrische Ansteuerung der Magnetspulen, vorzugsweise in Verbindung mit einer Überwachung der Lage des Magnetankers, vorgenommen werden muss, um eine zu starke Annäherung des Magnetankers an einen der Magnetpole zu verhindern. Die elektrische Ansteuerung muss vor allem in der Lage sein, die antreibende Magnetspule während der Bewegung des Magnetankers aus einer außermittigen Lage heraus rechtzeitig abzuschalten. Damit ergibt sich dann eine Verschiebeeinrichtung mit der, drei unterschiedliche Lagen des Magnetankers stabil, ohne dauerhafte Bestromung einer der Magnetspulen, erzeugt werden können.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung anhand der Zeichnung.
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Es zeigt:
- 1 eine Teilschnittdarstellung des Aktors,
- 2 eine Teilschnittdarstellung der Verschiebeeinrichtung
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen elektromagnetisch linear wirkenden Aktor 1, aufweisend ein stationäres Gehäuse 2 aus einem weichmagnetischen Eisenmaterial, eine erste Magnetspule 3, eine zweite Magnetspule 4 und einen Magnetanker 10, der um eine Mittellinie 19 rotieren kann und entlang seiner Rotationsachse längs verschieblich ist.
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Das Gehäuse 2 enthält einen ersten und einen zweiten Magnetpol 8, 9, wobei der erste Magnetpol 8 durch einen ersten axialen Luftspalt 11 von dem Magnetanker 10 beabstandet ist und wobei der zweite Magnetpol 9 von dem Magnetanker 10 durch einen zweiten axialen Luftspalt 12 beabstandet ist.
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Das Gehäuse 2 weist einen Mittelsteg 5 auf, der zwischen den Magnetspulen 3, 4 angeordnet ist und mit einem radial magnetisierten Permanentmagnetmittel 6 verbunden ist, das bei unbestromten Magnetspulen 3, 4 einen Magnetfluss hervorruft, der über den Mittelsteg 5, durch das Gehäuse 2, über den ersten Magnetpol 8 durch den ersten Luftspalt 11 und/oder über den zweiten Magnetpol 9 durch den zweiten Luftspalt 12, über den Magnetanker 10 und durch einen dritten radialen Luftspalt 13 zurück zu dem Permanentmagnetmittel 6 verläuft.
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Bei unbestromten Magnetspulen 3, 4 erzeugt der Magnetfluss des Permanentmagnetmittels 6 an den beiden Magnetpolen 8, 9 einen magnetischen Nordpol, und an den Randflächen des Magnetankers 10, die den Magnetpolen 8, 9 zugewandt sind, jeweils magnetische Südpole.
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Bei einer gleichen in einer ersten Richtung gerichteten elektrischen Bestromung der ersten Magnetspule 3 und der zweiten Magnetspule 4 und daraus folgend bei einem durch einen von den Magnetspulen 3, 4 hervorgerufenen Magnetfluss durch das Gehäuse 2 wird an dem ersten Magnetpol 8 ein magnetischer Nordpol erzeugt und an dem zweiten Magnetpol 9 ein magnetischer Südpol erzeugt, wobei an den beiden Luftspalten 11, 12 magnetische Kräfte bewirkt werden, die den Magnetanker 10 in die Richtung zum ersten Magnetpol 8 ziehen.
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Durch eine in einer zweiten Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, gleich gerichtete elektrische Bestromung der ersten Magnetspule 3 und der zweiten Magnetspule 4 werden durch den von den Magnetspulen 3, 4 hervorgerufenen Magnetfluss an dem ersten Magnetpol 8 ein magnetischer Südpol und an dem zweiten Magnetpol 9 ein magnetischer Nordpol erzeugt, wobei an den beiden Luftspalten 11, 12 magnetische Kräfte bewirkt werden, die den Magnetanker 10 in die Richtung zum zweiten Magnetpol 8 ziehen.
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Bei einer außermittigen Verlagerung des Magnetankers 10 in die Richtung zum ersten Magnetpol 8 und bei stromlosen Magnetspulen 3, 4 ist die durch den Magnetfluss des Permanentmagnetmittels 6 hervorgerufene Magnetkraft am ersten axialen Luftspalt 11 größer als die Magnetkraft am zweiten axialen Luftspalt 12, wobei der Kraftunterschied groß genug ist, den Magnetanker 10 in seiner außermittigen Lage zu halten.
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Bei einer außermittigen Verlagerung des Magnetankers 10 in die Richtung zum zweiten Magnetpol 9 und bei stromlosen Magnetspulen 3, 4 ist die durch den Magnetfluss des Permanentmagnetmittels 6 hervorgerufene Magnetkraft am zweiten Luftspalt 11 größer als die Magnetkraft am ersten Luftspalt 12, wobei der Kraftunterschied groß genug ist, den Magnetanker 10 in seiner außermittigen Lage zu halten.
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Das Permanentmagnetmittel 6 ist mit einem ersten Flussleitblech 21 verbunden, das den magnetischen Fluss des Permanentmagnetmittels 6 auf den an das Flussleitblech 21 angrenzenden radialen dritten Luftspalt 13 konzentriert.
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Das Permanentmagnetmittel 6 ist auch mit einem zweiten Flussleitblech 22 verbunden, das den magnetischen Fluss des Permanentmagnetmittels 6 zu dem Mittelsteg 5 leitet.
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Das Gehäuse 2 ist in der Nachbarschaft der Magnetpole 8, 9 mit einem dritten Flussleitblech 23 und einem vierten Flussleitblech 24 verbunden, wobei beide Flussleitbleche 23, 24 zu dem Magnetanker 10 radial so wenig beabstandet sind, dass ein Teil des Magnetflusses von den Magnetpolen 8, 9 zu dem Magnetanker 10 über das dritte und/oder vierte Flussleitblech 23, 24 fließt, wenn eine axiale Überlappung zwischen dem Magnetanker 10 und einem der Flussleitbleche 23, 24 vorliegt.
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2 zeigt eine rotierende Verschiebeeinrichtung 30, die einen erfindungsgemäßen elektromagnetisch linear wirkenden Aktor 1 aufweist, wobei der Magnetanker 10 des Aktors 1 auf einer Welle 31 drehfest und axial verschieblich gelagert ist.
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Die axiale Verschieblichkeit des Magnetankers 10 ist auf der Welle 31 durch einen ersten mechanischen Anschlag 32 und einen zweiten mechanischen Anschlag 33 in beiden axialen Richtungen begrenzt.
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Zwei zwischen der Welle 31 und dem Magnetanker 10 axial wirkende Federmittel 34, 33 wirken einer relativ zu den Magnetpolen 8, 9 außermittigen Verlagerung des Magnetankers 10 entgegen.
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Die vorhergehende Beschreibung gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktor
- 2
- Gehäuse
- 3
- erste Magnetspule
- 4
- zweite Magnetspule
- 5
- Mittelsteg
- 6
- Permanentmagnetmittel
- 8
- erster Magnetpol
- 9
- zweiter Magnetpol
- 10
- Magnetanker
- 11
- erster Luftspalt
- 12
- zweiter Luftspalt
- 13
- dritter Luftspalt
- 21
- erstes Flussleitblech
- 22
- zweites Flussleitblech
- 23
- drittes Flussleitblech
- 24
- viertes Flussleitblech
- 30
- Verschiebeeinrichtung
- 31
- Welle
- 32
- erster Anschlag
- 32
- zweiter Anschlag
- 33
- Federmittel
- 34
- Federmittel
- 40
- Symmetrieachse
