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Elektromagnet hoher Leistungsfähigkeit Die Erfindung betrifft L'lektromagnete
hoher Leistungsfähigkeit für den Antrieb von Einrichtungen, die bestimmte Kraft-Weg-Charakteristiken
erfordern.
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Es sind bereits Elektromagnete bekannt, die größere Hübe mit etwa
gleichbleibender Magnetkraft gewahrleisten und Einrichtungen mit einem bestimmten
Kraftbedarf über einen längeren Weg betreiben können.
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Allen derartigen Einrichtungen ist gemeinsam, die Länge der Feldlinien
beim Arbeitshub des Ankers zu verkürzen. Diese Elektromagnete haben jedoch den Nachteil,
daß prinzipiell keine genaue, über den gesamten Arbeitshub konstante Magnetkraft
erzeugt werden kann und der Betrag der Magnetkraft zu Beginn des Hubes relativ gering
ist, d.h., daß für eine bestimmte Magnetkraft die Magnetsysteme relativ groß gestaltet
werden müssen. Weiterhin besteht oft ein Nachteil darin, daß die Magnetkraft am
Ende des Hubes den höchsten Betrag erreicht, wodurch besondere Dämpfungsmaßnahmen
erforderlich sind.
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Die bekannten Hubmagnete begründen sich grundsätzlich auf die Beziehungen
für die Kraft B² . f F = 2 µ0 woraus die bekannten Nachteile, wie geringe Kraft
bei Hubbeginn und maximale Kraft am Hubende, ablesbar sind Diese Nachteile lassen
sich auch durch spezielle Gestaltungen der Pole nicht grundsätzlich beseitigen.
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Die Erfindung hat den Zweck, den Nachteil der geringen Kraftwirkung
zu Beginn des Hubweges der bekannten Magnetsysteme zu beseitigen und der Magnetkraft
über den Arbeitshub- des Ankers einen projektierten Verlauf zu geben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bisher nicht ausgenutzte
Gesetzmäßigkeit für Hubmagnete anzuwenden und auf dieser Grundlage Magnetsysteme
zu schaffen, die eine hohe Magnetkraft über einen beliebig langen Hub mit konstanter,
linearer oder beliebiger Charakteristik aufweisen.
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Brfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß sich die gegenüberstehenden
Polflächen, die Flächenüberdeckung, in Abhängigkeit voa Hub des elektromagnetischen
Systems verändern, während der Abstand der Polflächen zueinander im wesentlichen
konstant bleibt. Eine allgemein gültige Formel für die Bestimmung der Magnetkraft
F lautet:
Sie gilt für einen magnetischen Flußkreis, der über n parallel
liegende Polflächen, die Luftspalte hi und die Flichenmaße fi geleitet und durch
die Amperewindungszahl Iw erzeugt wird. Die magnetische Kraft F wirkt in Richtung
des Hubes s. Das erste Glied der Summe beschreibt die Abstandsänderungen hi, das
zweite Glied die Flächenänderung fi bezüglich des Hubes s. Diese allgemeingültige
Formel zur Ermittlung der Kraftwirungen bei elektromagnetischen Systemen wurde als
Grundlage für das erfindungsgemäße Grundprinsip gefunden, deren Aussage über die
der bisher dafür bekannten Formeln weitreichender ist.
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Die bisher bekannte Formel für die Hubkraft von Elektromagneten leitet
sich aus dem ersten Glied der Summe in (I) wie folgt-ab: es ist
Die Berechnung ergibt dann: F1 = ½ . µo . (Iw)² . f s² (11) Zur Formel (II) gelangt
man auch unter Benutzung der allgemein bekannten Formel B².f F = 2.µ0 (III)
Der
Vektorcharakter der Größen wird hier nicht angesprochen.
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Das erfindungsgemäße Grundprinzip für Elektromagnete beruht auf dem
zweiten Glied der Summe in (I).
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Bs wird hiermit die Erzeugung der Magnetkraft bei Veränderung der
Flächenüberdeckung fi beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird ein magnetischer Fluß über zwei Flächenüberdeckungen
(Polflächen) f1, f2 mit den Abständen h1, h2 geleitet, die sich in ihren Beträgen
linear abhängig vom Hub s zueinander gegensinnig oder gleichsinnig verändern.
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Der Elektromagnet besteht aus einem Joch, das eine Spule für die Erzeugung
eines Kraftfeldes trägt und einem Anker jeweils aus weichmagnetischem Material,
die gegenseitig durch Lager stellen geführt sind. Anker und Joch weisen Flächen
auf, deren jeweiliger Überdeckungsbereich die Polflächen bilden, über die der magnetische
Bluß geleitet wird. Die Polflächen stehen sich mit Im wesentlichen konstantem Abstand
gegenüber, deren Größen vom Hub abhängig sind. Für die Länge des Hubes ist die konstruktive
Gestaltung des elektromagnetischen Systems maßgeblich. Das gilt sowohl für rotationssymmetrische
als auch für ebene Anordnungen.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung weisen die Flächen auf dem Joch,
auf dem Anker oder auf beiden zugleich bestimmte KrWiiiaungen auf oder haben bezüglich
der Verschiebungsachse einen bestimmten Neigungswinkel oder Absätze.
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Die Erfindung gestattet auch, daß bei einem Elektromagneten nur eine
Flächenüberdeckung (Polflächen) in Abhängigkeit vom Hub verändert wird, während
die andere Polfläche von Anker und Joch der zweiten Flächenüberdeckung im wesentlichen
konstant bleibt.
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Beispielsweise wird die Fläche des Joches der zweiten Flächenüberdeckung
während des gesamten Hubweges von der Ankerfläche überdeckt. Sie dient hier nur
der Weiterleitung des magnetischen Flusses und gewährleistet die Beweglichkeit des
Ankers. Sie ist so zu dimensionieren, daß ihr Einfluß von untergeordneter Bedeutung
für die Erzeugung der Magnetkraft bleibt.
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Die Hubkraft leitet sich aus (I) in Abhängigkeit vom Weg des Ankers
für die erfindungsgemäßen Ausbildungen wie folgt ab: Fall 1: Die Flächenüberdeckung
(Polflächen) £1; f2 sind bezüglich des Hubes s gegenläufig.
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Es kann angesetzt werden: f1 = A(5o - s) f2 = A(so + s) h1 = h2 =
h dh = 0 ds df1 = -A ds df2 = +A ds h Abstand der Flächen (Luftspalt) A Breite der
Flächen f1; f2 s0 nur für Gesamthub, -s0 = s = Aus (I) folgt für die Magnetkraft:
s F2 = 1/2.µ0.(Iw)² . A/h .
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s0 (1V)
Die Magnetkraft ist also dem Hub 5 streng
proportional.
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Für den Bereich der Kraft gilt: - F20 = F2 = + F20 F20 = 1/2.µ0.(Iw)².A/h
(V) Ball 2: Die Flächenüberdeckung (Polflächen) f1 und f2 sind bezüglich des Hubes
gleichläufig.
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Es kann gesetst werden: f1 = A1 . s f2 = A2 . s h1 = h2 = h dh = 0
ds df1 = A1 df2 = A2 h Abstand der Flächen (Luftspalt) A1 Breite der Fläche fl Breite
der Fläche f2 Aus (I) folgt für die Magnetkraft: Am 1 . 2 F3 = 1/2.µ0.(Iw)². wobei
Am = h A1 + A2 (VI) Die Magnetkraft F ist also vom Hub s nicht abhängig.
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Der Bereich des Hubes ist lediglich konstruktiv bedingt, d.h., er
ist abhängig vom Maximalwert der Uberdeckung (Länge des Ankers).
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Durch Kleinhaltung des Luftspalts h kann die Magnetkraft sehr hoch
gehalten werden.
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Durch die Gestaltung der Flächen auf Joch und/oder Anker in Form von
Krümmungen oder Neigungen bezüglich der Hubrichtung kann ein bestimmter Magnetkraftverlauf
als Überlagerung zu (IV) oder (VI) erzielt werden.
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Fall 3: Die Flächenüberdeckung f1 ist vom Hub abhängig und die Flächenüberdeckung
f2 ist zur Gewährleistung der Beweglichkeit des Ankers zwar erforderlich, jedoch
vom Hub a nicht abhängig.
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91 = A . s f2 = konstant
= konstant dh ds ° if1 = B as df2 = ds Aus (1) folgt die Magnetkraft:
h2 As Für kleine Werte . folgt aus (VII) h1 f2
bs findet also eine Abnahme der Magnetkraft mit dem Fortschreiten des Hubes statt,
der aber gegebenenfalls durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Polflächen entgegengewirkt
werden kann.
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Die Steilheit des Abfalls der Magnetkraft kann auch durch geeignete
Dimensionierung des Faktors h2 A fi klein gehalten werden.
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Sieht man vom Abfall der Magnetkraft mit fortschreitendem Hub ab,
so ist (VIII) mit (VI) identisch, d.h., die Magnetkraft F4 hängt nicht vom Hub s,
sondern wesentlich vom Luftspalt h und der Polflächenbreite A ab.
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Für viele Anwendungsfälle kann statt Fall 2 aufgrund eines geringeren
Aufwandes Fall 3 angewandt werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung bietet die Möglichkeit, jeden geforderten
Magnetkraftverlauf zu erreichen und die Abmessungen und den Strombedarf wesentlich
zu verringern.
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Der Nutzen der erfindung ergibt sich aus dem Vergleich der Magnetkräfte
nach (II), (IV) und (VI) bzw. (VII). In den häufigsten Anwendungsfällen für Hubmagnete
ist zu Beginn des Hubes eine maximale Kraft erforderlich, die zum Hubende hin abnehmen
sollte oder konstant bleiben muß.
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Alle nach dem Stand der Technik konstruierten Iiubmagnete weisen jedoch
nach (II) grundsätzlich entgegengesetztes -Verhalten auf. Das bedeutet, daß die
Dimensionierung eines Hubmagneten nach Gleichung (II) für den Hubanfang erfolgen
muß, da hier die Magnetkraft am kleinsten und'die zu überwindende Kraft am größten
ist (ruhende Reibung, sicherer und schneller Anzug). Bereits vorgeschlagene Zusatzkonstruktionen
auf der Basis eines Getriebes, dessen Ubersetzungsverhältnis zwischen Anker und
Kraftangriffspunkt vom Hub abhängt, sind durch die erfindungsgemäße Lösung nicht
erforderlich.
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Der Fall der konstanten Magnetkraft nach (VI) bietet weiterhin die
Möglichkeit, quadrierende oder radizierende Einrichtungen zu schaffen. Nach (VI)
hängt die Größe der Magnetkraft F lediglich vom Quadrat des Eingangsstromes ab,
so daß es möglich ist, diese durch elastische Elemente in einen Weg oder eine andere
Art der Anzeige umzuwandeln.
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Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert
werden.
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Es zeigen Fig. 1: Elektromagnet nach dem Stand der Technik (prinzipielle
Form) Fig. 2: Erfindungsgemäßer Elektromagnet, bei dem die Flächenüberdeckungen
mit dem Hub gegenläufig sind.
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Fig. 3: Erfindungsgemäßer Elektromagnet, bei dem die Blächenüberdeckungen
mit dem Hub gleichläufig sind.
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Fig. 4: Erfindungsgemaßer Elektromagnet, bei dem sich nur eine Flächenüberdeckung
mit dem Hub verändert.
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Fig. 5: Erfindungsgemäßer Elektromagnet als Anwendungsbeispiel für
Schaltrelais, bei dem sich nur eine Flächenüberdeckung mit dem Hub verändert.
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Big. 6: Darstellung der Abhangigkeit der Magnetkräfte voa Hub für
erfindungsgemäße Elektromaanete nach den Figuren 2 bis 5 und ein Vergleich zum Elektromagneten
nach dem Stand der Technik.
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Fig. 7a bis 7e: Beispiele für Ausbildungsmöglichkeiten der Flächen
und ihre prinzipiellen Auswirkungen als überlagerte Kräfte für Elektromagnete nach
Bigsren 2 bis 5.
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Die erfindungsgemäßen Beispiele 2 bis 4 beziehen sich auf rotationssymmetrische
Systeme, andere Bauformen der erfindungsgemäßen Lösung können ohne weiteres abgeleitet
werden. Die Berechnung erfolgt nach Gleichung (I) bzw. nach den Gleichungen (IV),
(VI) oder (VII).
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Der Elektromagnet nach Fig. 1 weist einen Anker 1, ein Joch 2 und
eine Wicklung 3 auf. Als rotationssymmetrische Ausführung ist die Fläche f in Gleichung
(11) durch # . R2 zu ersetzen.
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Im Beispiel nach Fig. 1 ist R1 der Durchmesser des Ankers 1.
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Nach Gleichung (II) beträgt die Hubkraft F1 am Hubbeginn für einen
Gesamthub s = 5 mm und R1 = 5
(IZ) Die Hubkraft vergrößert sich entsprechend Gleichung (II). Der Verlauf der Magnetkraft
F1 in Abhängigkeit vom Hub s ist in Fig. 6 dargestellt.
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Der Elektromagnet nach Fig. 2 enthält ein Joch 22, mit einem Luftspalt
der Breite 1B und einem Radius R12. Auf dem Joch ist die Wicklung untergebracht.
Der Luftspalt wird vom Anker 12 mit der Länge lA und dem Radius RA2 überdeckt. Er
ist über die Stange 11 in den Lagern 9 längsverschiebbar gelagert. Nach Gleichung
(1V) beträgt die Hubkraft F2 z.B. für einen Gesamthub s0 = 5 mm und RI2 + RA2 R
= = 5 mm, h = 0,2 mm (A = 2 R) 2#R F2 = 1/2.µ0.(Iw)². .s/s h
s
5,0 mm F2 = 1/2.µ0.(Iw)² 2# .
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5 mm 0,2 mm (X) Die Hubkraft ist im Bereich -5mm = 5 = 5mm streng
linear vom Hub s abhängig. Die Maximalwerte betragen F2max = # 1/2 . µ0 . (Iw)².#.
50 (XI) Der Verlauf der Magnetkraft F2 in Abhängigkeit vom Hub s ist in Fig. 6 dargestellt.
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Der Hubmagnet nach Fig. 3 enthält einen Hinganker (rotationssymmetrisches
Beispiel), der mit einer Ankerplatte 8 verbunden ist. Die Lagerung des Ankers erfolgt
längsverschieblich über die Stange 10 und über die Lager 9.
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Das Joch 23 enthält die Wicklung 3 sowie einen Ringspalt, der durch
die konzentrischen Jochteile 5 und 7 der Radien R31 und R32 gebildet wird.
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Der Ringanker 4 taucht in den Ringspalt ein, wodurch die Luftspalte
h1 und h2 entstehen.
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Der Gesamthub ist durch das Maß s0 konstruktiv vorgebbar. Die Berechnung
der Hubkraft F3 erfolgt nach Gleichung (VI). Es wird z.B. für R31 = 5mm und R31
= 10mm, s0 = 5mm, h1 = h2 = 0,2mm mit A1 = 2 R31 und A2 = 2 R32 angenommen.
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F3 = 1/2.µ0.(Iw)².#. 33,3 CXII) Der Verlauf der Magnetkraft F3 in
Abhängigkeit vom Hub s ist in Fig. 6 dargestellt.
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Diese Kraft ist im gesamten Bereich so konstant und um den Faktor
33,3 höher als beim Elektromagneten entsprechend Fig. 1 bei Beginn des Hubes. Um
diesen Faktor kann durch die erfindungsgemäße Lösung der Erregerstrom verringert
oder die Baugröße verkleinert werden Der Elektromagnet nach Fig. 4 ist ähnlich dem
nach Fig. 2 aufgebaut, lediglich der Anker 14 ist länger gehalten, so daß sich der
Ringluftspalt 14 eines Uberdeckungsbereiches flächenmäßig nicht verändern kann,
d.h., nur die zweite Flächenüberdeckung ändert sich in Abhängigkeit vom Hub des
Ankers 14.
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Der Hub ist durch den Weg 5o konstruktiv vorgebbar.
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Die Berechnung der Hubkraft erfolgt nach Gleichung (VII).
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Für R = 5mm und h2 = h1 = h = 0,2mm folgt als Maximalkraft A F4max
= 1/2.µ0.(Iw)².
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h1 F4max = 1/2.µ0.(Iw)² . 50 (XIII) Der relative Betrag der Magnetkraft
F4 zum Hub s beträgt nach (VIII) in 1. Näherung
Entsprechend der Fig. 4 ist A = 2 R und f2 = 2 R14.
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Daraus folgt für den relativen Abfall der Magnetkraft F4 # F4 = l4
(IV) Für #/F4 = 20 % ist l4 = 10 so zu wählen.
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Bs kann entsprechend Gleichung (XIV) der Spalt h2 auch verringert
werden. Der Verlauf der Magnetkraft F4 in Abhängigkeit vom Hub s ist in Fig. 6 dargestellt.
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Die Anfangskraft des erfinderischen Elektromagneten nach Fig. 5 ist
um den Faktor 50 höher als die des Magneten nach Fig. 1.
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Der Elektromagnet nach Fig. 5 ist ein Anwendungsbeispiel für nicht
rotationssymmetrische Systeme, z.B. für Schaltrelais.
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Ein Joch 11, das eine Abflachung 12 aufweist, tragt eine Wicklung
13. Ein im Lager 14 gelagerter Klappanker 15 hat eine Abwinkelung 16. Zwischen der
Abflachung 12 des Joches 11 und dem Klappanker 15 ist ein Luftspalt h5 vorgesehen.
Die Berechnung erfolgt wiederum entsprechend Gleichung (VII). Statt der Polflächenbreite
A ist 2R für die Querschnittsabmessung der Abflachung 12 zu setzen.
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Für R = 5mm und h = 0,2mm folgt aus (VII) F5 = 1/2.µ0.(Iw)².#.16 (XVI)
Es wird also eine 16fach höhere Kraft ausgeübt, wobei wiederum von einem Gesamthub
von so s 5mm ausgegangen wurde und entsprechend Fig. 5 der Gesamthub sO ebenfalls
ein Konstruktionsmaß ist. Bei verkleinerten Luftspalten steigen die Magnetkräfte
der beschriebenen Ausführungsbeispiele. Die Jochfläche 17 wirkt gegen Ende des Hubes
kraftverstärkend, Wodurch der Kraftabfall infolge des magnetischen Widerstandes
der Lagerung 14 kompensiert werden kann.
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Der Verlauf der Magnetkraft F5 in ibhängigkeit vom Hub ß ist in Fig.
6 dargestellt, Die Figuren 7a bis 7e zeigen verschiedene Möglichkeiten Zur Ausbildung
von Joch- und Ankerflächen auf. Es können auch die Flächen von Jochteilen 5 und/oder
7 bei zylindrischem Anker entsprechend verändert werden. Die Figuren 7a bis 7e stellen
jeweils zu den verschiedenen Querschnitten den entsprechenden?
Magnetkraftverlauf
in Abhängigkeit vom Hub s dar.
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Entsprechende Flächenveränderungen gegenüber einer Form, die einen
konstanten Luftspalt h gewährleisten würde, sind auch bei nichtrotationssymmetrischen
Baukernen möglich.
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Ein Beispiel zeigt die Abflachung 12 des Joches 11 in der Fig. 5,
wodurch ein Kraftanstieg am Hubende zu verzeichnen ist.
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Die jeweilige Neigung 18 in Fig. 7 ist für den Verlauf der Magnetkraft
F bestimmend.
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Diese Flächenveränderung zur Korrektur der Magnetkraft ist hauptsächlich
für Systeme entsprechend den Figuren 3, 4 oder 5 (S konst.) sinnvoll.