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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Magnetkern für eine Magnetbaugruppe
eines Kraftstoff-Injektor-Magnetventils gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Magnetbaugruppe gemäß Anspruch
15, ein Kraftstoff-Injektor-Magnetventil gemäß Anspruch
16 sowie einen Kraftstoff-Injektor gemäß Anspruch
17.
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Aus
der
DE 196 50 856
A1 ist ein Magnetventil für einen Kraftstoff-Injektor
bekannt. Mit Hilfe des als Steuerventil (Servo-Ventil) ausgebildeten
Magnetventils wird der Kraftstoffdruck in einem Steuerraum des Kraftstoff-Injektors
gesteuert. Über den Kraftstoffdruck im Steuerraum wird
wiederum eine Hubbewegung eines Einspritzventilelementes gesteuert,
mit dem eine Einspritzöffnung des Kraftstoff-Injektors
geöffnet oder geschlossen wird. Das Magnetventil umfasst
einen Elektromagneten, einen beweglichen Magnetanker und ein mit
dem Magnetanker bewegtes und von einer Ventilschließfeder in
Schließrichtung beaufschlagtes Ventilglied (Steuerventilelement),
das mit einem Ventilsitz des Magnetventils zusammenwirkt und so
den Kraftstoffabfluss aus dem Steuerraum steuert. Die Krafterzeugung
erfolgt über das Luftspaltfeld eines Topfmagneten, dessen
Magnetfeld sich über einen Innenpol, ein Joch, einen Außenpol,
die zusammen einen Magnetkern bilden, weiter über einen
außenpolseitigen Luftspalt, eine bewegliche Ankerplatte
des Magnetankers und einen innenpolseitigen Luftspalt um eine stromdurchflossene
Wicklung (Magnetspule) schließt.
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Es
ist bekannt, den Magnetkern mehrteilig aus Vollmaterial auszubilden.
Daneben sind einteilige, jeweils als einteiliges Sinterelement ausgebildete Magnetkerne
bekannt. Diese haben den Vorteil, dass das Auftreten von Wirbelströmen
minimiert wird, was zu einer besseren Schaltdynamik führt.
Nachteilig bei den bekannten, als einteilige Sinterelemente ausgebildeten
Magnetkernen ist jedoch, dass deren Geometrie nicht optimal an die
Spulengeometrie anpassbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magnetkern vorzuschlagen,
der zum einen verminderte Wirbelströme garantiert und zum
anderen bei gleichen Außenmaßen im Vergleich zu
bekannten Magnetkernen den Einsatzgrößerer Spulen
ermöglicht.
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Ferner
besteht die Aufgabe darin, eine entsprechend optimierte Magnetbaugruppe,
ein entsprechend optimiertes Kraftstoff-Injektor-Magnetventil und
einen entsprechend optimierten Kraftstoff-Injektor vorzuschlagen.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Magnetkerns mit den Merkmalen des
Anspruchs 1, hinsichtlich der Magnetbaugruppe mit den Merkmalen
des Anspruchs 15, hinsichtlich des Kraftstoff-Injektor-Magnetventils
mit den Merkmalen des Anspruchs 16 und hinsichtlich des Kraftstoff-Injektors
mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angege ben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche
Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen
und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Magnetkern mehrteilig
auszubilden, wobei mindestens eines der zu einem Magnetkern zusammengesetzten
Kernelemente als Sinterelement ausgebildet ist. Durch die Ausbildung
mindestens eines der Kernelemente als Sinterelement können
Wirbelströme reduziert werden, was zum einen zu einem besseren
Wirkungsgrad einer mit einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten
Magnetkern ausgestatteten Magnetbaugruppe führt und zum
anderen zu einer verbesserten Schaltdynamik eines entsprechend ausgestalteten
Magnetventils. Das Vorsehen von mindestens zwei Kernelementen ermöglicht
es, die Polflächen des Magnetkerns unabhängig
von der Spulengeometrie zu optimieren. Insbesondere können
größere elektrische Magnetspulen eingesetzt werden,
da die Spule nach der Integration in eine entsprechende Aufnahmeöffnung
des Magnetkerns abschnittsweise von einem eine Polfläche
bildenden Kernelement des Magnetkerns überdeckbar ist.
Der Einsatz größerer elektrischer Spulen ermöglicht
den Einsatz eines kleineren Magnetankers, wodurch die Dynamik eines
entsprechend ausgebildeten Magnetventils weiter optimiert wird.
Besonders bevorzugt ist es, wenn mit dem Magnetkern elektrische
Spulen mit einem Vergleich zu bekannten Spulen größeren Drahtdurchmesser,
insbesondere bei gleicher Windungszahl eingesetzt werden, woraus
ein geringerer elektrischer Widerstand resultiert. Dies wiederum verringert
die Verlustleistung und optimiert die Dynamik. Darüber
hinaus können geringere elektrische Spannungen zum Betreiben
eines mit einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Magnetkern
ausges tatteten Kraftstoff-Injektor-Magnetventils eingesetzt werden.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die
Kernelemente, ohne miteinander verklebt oder verlötet zu
werden, aneinander anliegend angeordnet sind. Durch eine bindemittelfreie Ausführung
des Magnetkerns können magnetische Flussverluste minimiert
werden. Bei Bedarf können die Kernelemente formschlüssig
miteinander verbunden werden, wobei dies nicht zwingend notwendig ist,
insbesondere dann, wenn die Montage des Magnetkerns im Injektorkörper
(Gehäuseteil) eines Kraftstoff-Injektors erfolgt und die
Kernelemente im Gehäuse des Kraftstoff-Injektors gegeneinander
verspannt werden.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der eines der Kernelemente
als ein eine Polfläche aufweisendes Polflächenelement
ausgebildet ist, das eine, insbesondere nutförmige Aufnahmeöffnung
für eine elektrische Spule (Magnetspule) abschnittsweise,
verschließt. Bevorzugt handelt es sich bei dem Polflächenelement
um ein mit Radialabstand zu einer Innenpolfläche angeordnetes
Außenpolflächenelement, das die Aufnahmeöffnung
abschnittsweise in radialer Richtung nach innen überragt.
(Dabei kann das Polflächenelement als letztes Kernelement
bei der Montage des Magnetkerns montiert werden).
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Im
Hinblick auf die Ausbildung, des insbesondere als Sinterelement
ausgebildeten, Polflächenelementes gibt es unterschiedliche
Möglichkeiten. So ist es beispielsweise möglich,
das Polflächenelement als flache Ringscheibe auszubilden.
In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, das Polflächenelement
an einem insbesondere als Sinterelement aus gebildeten Einstellstück
abzustützen, welches wiederum an einem, einen Jochabschnitt
bildenden Grundkörper anliegt.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform kann das ringförmige
Polflächenelement im Querschnitt L-förmig ausgebildet
werden, wobei sich ein Schenkel des L-förmigen Querschnitts
in radialer Richtung über die Aufnahmeöffnung
für die Magnetspule erstreckt. Anders ausgedrückt
weist das Polflächenelement eine Zylinderform mit innenliegender,
umlaufender Innenstufung auf.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform des Magnetkerns, bei
der die Polfläche des Polflächenelementes eine
radial äußere Polfläche ist, die mit
einer radial inneren, von der äußeren Polfläche
beabstandeten Polfläche in einer gemeinsamen, quer zur
Längsmittelachse des Magnetkerns verlaufenden Ebene angeordnet
ist, wobei axial zwischen dem Polflächenelement und dem
Magnetanker eine Restluftscheibe angeordnet ist. Dabei begrenzen
die Polflächen bevorzugt einen Restluftspalt zwischen dem
Magnetkern und dem relativ zum Magnetkern verstellbaren Magnetanker.
Alternativ ist es möglich, die äußere
und die innere Polfläche als sich quer zur Längsmittelachse
erstreckende, parallel verschobene Ebene auszubilden, sodass auf
eine Restluftscheibe verzichtet werden kann. In diesem Fall begrenzt
die höhere Polfläche den Ankerhub und es wird
ein Restluftspalt an der anderen (niedrigeren) Polfläche
erhalten.
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Wie
erläutert, ist es möglich, das Polflächenelement
als Sinterelement auszubilden. Daneben ist eine Ausführungsform
realisierbar, bei der das Polflächenelement aus Vollmaterial
ausgebildet ist. Eine derartige Ausführungsform ist insbesondere
dann von Vorteil, wenn das Polflächenelement als Hubanschlag
für den Magnetanker dient, da Vollmaterial in der Regel
eine höhere Festigkeit aufweist, als gesintertes Sintermaterial.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass eines
der den Magnetkern bildenden Kernelemente als Grundkörper
ausgebildet ist, der von einem Zentralkanal durchsetzt ist. Bevorzugt kann
durch den Zentralkanal bei fertig montiertem Kraftstoff-Injektor,
Kraftstoff aus der Steuerkammer zum Injektorrücklauf strömen.
Besonders bevorzugt ist es dabei, den Grundkörper als Sinterelement
auszubilden.
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Mit
Vorteil ist der Grundkörper derart aufgebaut, dass er einen
ringförmigen, einen Jochabschnitt bildenden Grundplattenabschnitt
aufweist, ausgehend von dem ein den Zentralkanal begrenzender Rohabschnitt
in axialer Richtung vorsteht.
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Im
Hinblick auf eine passgenaue Fertigung der Kernelemente ist es möglich,
zumindest eines der Kernelemente, insbesondere das Polflächenelement,
nach dem Sinterprozess auf Maß zu schleifen. Alternativ
ist es gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung möglich, ein hülsenförmiges
Einstellstück vorzusehen, das axial zwischen dem Grundplattenabschnitt
des Grundkörpers und dem, insbesondere als Außenpolflächenelement ausgebildeten,
Polflächenelement angeordnet ist. Ganz besonders bevorzugt
ist es dabei, wenn das Polflächenelement als flache Ringscheibe
ausgebildet ist. Durch das Vorhalten des Einstellstücks
in unterschiedlichen Axialabmessungen ist es möglich, die
Polfläche des Polflächenelementes exakt zu positionieren,
ins besondere ohne einen abschließenden Schleifprozess realisieren
zu müssen.
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Besonders
bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei der das hülsenförmige
Einstellstück als Sinterelement ausgebildet ist.
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Zweckmäßiger
Weise ist der Magnetkern als Topfmagnetkern ausgebildet und umfasst
dabei einen Außenpolabschnitt, einen Innenpolabschnitt
und einen den Außenpolabschnitt und den Innenpolabschnitt
in radialer Richtung verbindenden Jochabschnitt, wobei der Außenpolabschnitt,
der Jochabschnitt und der Innenpolabschnitt eine, insbesondere ringnutförmige,
Aufnahmeöffnung für eine Magnetspule begrenzen,
wobei diese Aufnahmeöffnung bevorzugt auf der von dem Jochabschnitt
abgewandten Seite abschnittsweise von einem Polflächenelement in
radialer Richtung überragt ist.
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Die
Erfindung führt auch auf eine Magnetbaugruppe für
ein Kraftstoff-Injektor-Magnetventil, umfassend einen nach dem Konzept
der Erfindung ausgebildeten, mehrteiligen Magnetkern, wobei zumindest
eines der den Magnetkern bildenden Kernelemente als Sinterelement
ausgebildet ist.
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Darüber
hinaus führt die Erfindung auf ein Kraftstoff-Injektor-Magnetventil.
Bevorzugt handelt es sich dabei um ein Servo-Ventil (Steuerventil)
mit dem der Druck in einer von einem Einspritzventilelement begrenzten
Steuerkammer steuerbar ist. Das Kraftstoff-Injektor-Magnetventil
zeichnet sich durch eine Magnetbaugruppe mit einem nach dem Konzept der
Erfindung ausgebildeten Magnetkern aus.
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Weiterhin
führt die Erfindung auf einen Kraftstoff-Injektor, insbesondere
einen Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen
Brennraum einer Brennkraftmaschine. Der Kraftstoff-Injektor zeichnet
sich durch das Vorsehen eines Kraftstoff-Injekor-Magnetventils aus,
dessen Magnetbaugruppe einen mehrteiligen Magnetkern aufweist, wobei
zumindest ein Kernelement des Magnetkerns als Sinterelement ausgebildet
ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1 in
einer unvollständigen Darstellung ein Kraftstoff-Injektor-Magnetventil,
dessen Magnetbaugruppe einen zweiteiligen Magnetkern aufweist,
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2 eine
alternative Ausführungsform eines Kraftstoff-Injektor-Magnetventils
mit einem zweiteiligen Magnetkern, dessen Polflächenkernelement als
flache Scheibe ausgebildet ist und
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3 eine
weitere alternative Ausführungsform eines Kraftstoff-Injektor-Magnetventils
mit einem dreiteilig ausgebildeten Magnetkern.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
ausschnittsweise ein Magnetventil 1 zur Steuerung des Kraftstoffdrucks
in einem von einem nicht gezeigten Einspritzventilelement, insbesondere
stirnseitig begrenzten, ebenfalls nicht gezeigten Steuerkammer eines
Kraftstoff-Injektors gezeigt. Das Magnetventil 1 umfasst
eine in der Zeichnungsebene unten angeordnete Magnetbaugruppe 2,
die sich bevorzugt in einem Injektorkopf des Kraftstoff-Injektors
befindet. Die Magnetbaugruppe 2 wirkt axial verstellend
auf einen eine Ankerplatte 3 aufweisenden Magnetanker 4.
Dieser ist beispielsweise durch einteilige Ausbildung oder material- und/oder
formschlüssige Verbindung mit einem lediglich angedeuteten
Steuerventilelement 5 verbunden, das mit einem nicht gezeigten
Ventilsitz zusammenwirkt. Von einer Magnetschließfeder 6,
die in einem Zentralkanal 7 der Magnetbaugruppe 2 aufgenommen
ist und sich an der Ankerplatte 3 abstützt, wird der
Magnetanker 4 zusammen mit dem Steuerventilelement 5 in
Richtung einer Schließstellung, hier in der Zeichnungsebene
nach oben, federkraftbeaufschlagt. Zum Öffnen des Magnetventils 1 wird
die Magnetbaugruppe 2, genauer eine Magnetspule 8 (elektrische
Spule, Wicklung) bestromt, wodurch der Magnetanker 4 in
der Zeichnungsebene nach unten verstellt wird. Wie sich aus 1 ergibt,
erstreckt sich der Magnetanker 4, genauer eine der Magnetbaugruppe 2 zugewandte,
ringförmige Polfläche 9 der Ankerplatte 3,
in radialer Richtung von innen nach außen über
eine Innenpolfläche 10 sowie eine radial beabstandete
Außenpolfläche 11 der Magnetbaugruppe 2.
Die Innenpolfläche 10 und die Außenpolfläche 11 sind
an Kernelementen eines Magnetkerns 12 der Magnetbaugruppe 2 ausgebildet.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Magnetkern 12 zweiteilig
ausgebildet und umfasst einen ringförmigen, im Querschnitt
L-förmig konturierten Grundkörper 13,
an dem bindemittelfrei ein ebenfalls ringförmiges, im Querschnitt
L-förmiges, als Außenpolflächenelement
ausgebildetes Polflächenelement 14 in axialer
Richtung anliegt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
sind sowohl das Polflächenelement 14 als auch
der Grundkörper 13 als Sinterelemente (gesinterter
Verbundwerkstoff) ausgebildet. Der Grundkörper 13 umfasst
einen in der Zeichnungsebene unteren, ringscheibenförmigen,
einen Jochabschnitt bildenden Grundplattenabschnitt 15, der
in axialer Richtung von dem zentrischen Zentralkanal 7 durchsetzt
wird. Über den größten Teil seiner Axialerstreckung
wird der Zentralkanal 7 begrenzt von einem in axialer Richtung
von dem Grundplattenabschnitt 15 in Richtung Magnetanker 4 vorstehenden
hohlzylindrischen Rohrabschnitt 16.
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Von
dem Grundkörper 13 und dem Polflächenelement 14 wird
eine ringförmige Aufnahme 17 für die
Magnetspule 8 begrenzt, wobei die Aufnahme 17 in
Richtung des Magnetankers 4 offen ist. Zu erkennen ist,
dass die Aufnahme 17, bzw. die Magnetspule 8 in
radialer Richtung von außen nach innen ein Stück
weit übergriffen wird von dem Polflächenelement 14,
welches stirnseitig die ringförmige Außenpolfläche 11 aufweist.
Diese Ausführungsform mit großer Magnetspule (große
Radialerstreckung) ist ausschließlich aufgrund der mehrteiligen
Ausbildung des als Topfmagnetkern ausgebildeten Magnetkerns 12 möglich,
insbesondere deshalb, weil das Polflächenelement 14 nach
der Montage der Magnetspule 8 montiert werden kann und
somit eine Montage der Magnetspule 8 nicht behindert. Die
stirnseitig am Rohrabschnitt 16 des Grundkörpers 13 angeordnete, ringförmige
Innenpolfläche 10 und die stirnseitig am Polflächenelement 14 ausgebildete
Außenpolfläche 11 des Magnetkerns 12 liegen
in einer gemeinsamen Ebene, die parallel zur Polfläche 9 des
Magnetankers 4 verläuft.
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Im
Folgenden werden die Ausführungsbeispiele gemäß der 2 und 3 erläutert.
Die Funktionsweise und der Aufbau der in den 2 und 3 gezeigten
Magnetventile 1 entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten
und zuvor beschriebe nen Ausführungsbeispiel, sodass zur
Vermeidung von Wiederholungen im Folgenden im Wesentlichen nur auf
die Unterschiede zu dem in 1 gezeigten
und zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen
wird. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf 1 sowie
die zugehörige Beschreibung verwiesen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel eines Magnetventils 1 gemäß 2 für
einen Kraftstoff-Injektor ist der Magnetkern 12 wie bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 zweiteilig
ausgebildet und besteht aus zwei Kernelementen, nämlich
einem Grundkörper 13 und einem als Außenpolflächenelement
ausgebildeten Polflächenelement 14. Letzteres
ist im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 jedoch
im Querschnitt nicht L-förmig konturiert, sondern als flache
Ringscheibe ausgebildet, die auf einer Stirnseite eines radial äußeren
Hülsenabschnittes 18 des Grundkörpers 13 aufliegt.
Der Hülsenabschnitt 18 ist konzentrisch zu dem
radial inneren, den Zentralkanal 7 begrenzenden Rohrabschnitt 16 angeordnet.
Der Grundkörper 13 begrenzt in beide Radialrichtungen
sowie in der Zeichnungsebene in axialer Richtung nach unten eine
ringförmige, querschnittlich im Wesentlichen rechteckig
konturierte Aufnahme 17 für die Magnetspule 8.
Die Aufnahme 8 wird in radialer Richtung von außen
nach innen teilweise überragt von dem zylinderscheibenförmigen
Polflächenelement 14, welches nach dem Einsetzen
der Magnetspule 8 in die Aufnahme 7 bindemittelfrei
montiert wurde. Im nicht gezeigten, fertig montierten Kraftstoff-Injektor
werden die Kernelemente des Magnetkerns 12 durch entsprechende
Spannmittel, wie Spannschrauben und/oder -Federn in axialer Richtung
aneinandergepresst. Bevorzugt ist der Grundkörper 13 als
Sinterelement ausgebildet. Das Polflächenelement 14 kann
entweder aus Vollmaterial (massi vem Material) oder alternativ auch
als Sinterelement ausgebildet werden. Insbesondere dann, wenn das
Außenpolflächen 11 bildende Polflächenelement 14 als
Hubanschlag für den Magnetanker 4 dienen soll,
ist eine Ausführungsform aus Vollmaterial bevorzugt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist
der Magnetkern dreiteilig ausgeführt und umfasst drei Kernelemente,
nämlich einen ringförmigen, im Querschnitt L-förmig
konturierten Grundkörper 13 mit einem einen Flachabschnitt
bildenden Grundplattenabschnitt 15 sowie einem axial vorstehenden,
zentrischen Rohrabschnitt 16. Der in 2 als
Hülsenabschnitt 18 bezeichnete Abschnitt des Magnetkerns 12 wird
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 von
einem von dem Grundkörper 13 separaten, hülsenförmigen
Einstellstück 19 gebildet, welches konzentrisch
zum Rohrabschnitt 16 ausgebildet ist und wie der Hülsenabschnitt 18 gemäß 2 eine
geringere Axialerstreckung aufweist als der Rohrabschnitt 16.
Das Polflächenelement 14 ist wie bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 als flache Ringscheibe ausgeformt.
Diese stützt sich stirnseitig an dem Einstellstück 19 ab
und überragt die Magnetspule 8 ein Stück
weit in radialer Richtung nach innen. Durch das Vorsehen des Einstellstücks 19 müssen
der Grundkörper 13 und das Polflächenelement 14 nicht auf
Maß geschliffen werden. Bevorzugt bestehen das Einstellstück 19 sowie
der Grundkörper 13 aus gesintertem Material, sind
also als Sinterelemente ausgebildet. Insbesondere das Polflächenelement 14 kann alternativ
als Sinterelement oder Vollmaterialelement ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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