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Haltemagnetauslöser
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Die Erfindung betrifft einen Haltemagnetauslöser hoher Empfindlichkeit,
der einen Permanentmagneten, eine oder mehrere Auslösewicklungen zur Erzeugung eines
Erregerflusses und einen unter der Wirkung mindestens einer Abreißfeder stehenden
Auslöseanker aufweist, wobei mindestens zwei den Auslöseanker enthaltende magnetische
Kreise vorgesehen sind, deren magnetische Flüsse in den Ankerluftspalten einander
überlagern und die Auslösung durch Schwächung des Feldes in mindestens einem der
Ankerluftspalte veranlassen.
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Bei diesen bekannten Haltemagnetauslösern, wie sie beispielsweise
in Fehlerstromschutzschaltern Anwendung finden, liegt der Anker im Ruhezustand unter
der Kraft des Permanentmagneten an den Polflächen an, wobei die Abreißfeder entgegen
der Kraft des Permanentmagneten auf den Anker einwirkt, ohne diesen jedoch abzureißen.
Wird die Auslösewicklung von einem Strom durchflossen, durch den ein Magnetfeld
erzeugt wird, das dem Magnetfeld des Permanentmagneten entgegenwirkt, so wird die
resultierende, auf den Anker einwirkende magnetische Anzugskraft soweit geschwächt,
daß die Abreißkraft der Abreißfeder die Anziehungskraft des magnetischen Kreises
überwiegt, so daß der Anker abgerissen wird.
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Ist der durch die Auslösewicklung fließende Strom ein Gleichstrom
entsprechender Stromrichtung, so ergeben sich für die Einstellung einer entsprechenden
Empfindlichkeit und für die Sicherheit der Auslösung keine besonderen Schwierigkeiten.
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Ist jedoch der durch die Auslösewicklung fließende Strom ein Wechselstrom,
so ist ersichtlich, daß nur die eine Halbwelle des Wechsel stromes eine magnetische
Kraft erzeugt, die der Kraft des permanentmagnetischen Feldes entgegenwirkt.
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Die andere Halbwelle des Wechselstromes erzeugt ein magnetisches Feld,
das.in gleichem Sinne polarisiert ist wie das permanentmagnetische Feld, so daß
die gesamte, auf den Anker einwirkende magnetische Kraft verstärkt wird. Eine Auslösung
kann demnach nur während der einen, das auf den Anker einwirkende
Gesamtmagnetfeld
schwächenden Halbwelle des Wechselstromes erfolgen.
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Beim Einsatz derartiger Auslöser in } Schaltern ergeben sich daraus
schwerwiegende Nachteile.
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FI-Schalter enthalten im allgemeinen einen Summenstromwandler, der
bei Auftreten eines Fehlerstromes die nötige elektrische Leistung für den Auslöser
liefert. Aus wirtschaftlichen Gründen und bedingt durch die immer geringere Baugröße
der FI-Schalter müssen die Wandler klein gehalten werden, was die übertragbare Leistung
nach oben begrenzt.
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Daraus ergibt sich die Notwendigkeit des Einbaues hochempfindlicher
Auslöser, wobei in immer stärkerem Maße die Forderung nach bipolarer Arbeitsweise
trotz einfachen Aufbaues erhoben wird. Man erreicht dadurch eine Verkürzung der
Ansprechzeit, die bei den herkömmlichen Auslösern von der augenblicklichen Polarität
des Fehlerstromes abhängig ist. Ein weiterer Grund für die Forderung nach Polaritätsunabhängigkeit
ist der wachsende Anteil der leistungselektronischen Schaltungen bei den zu schützenden
Verbrauchern. Derartige Schaltungen können die Ursacne für Gleichstromanteile in
den Netzzuleitungen sein, im Störungsfall kann dann auch ein Fehl erstrom mit Gleichstromanteil
auftreten. Die Gleichstromanteile haben auf der Sekundärseite des Wandlers abklingende
Stromimpulse einer Polarität, die von der Polarität der Gleichstromanteile abhängt,
zur Folge, die sich dem sekundärseitigen Wechselstrom überlagern. Die vollständige
Berücksichtigung der Gleichstromanteile erfordert daher bipolar wirkende und schnelle
Auslöser. Bisher konnte eine bipolare Funktion mit Überlagerungsauslösern der beschriebenen
Art nur dadurch erreicht werden, indem zwei auf jeweils entgegengesetzt polarisierte
Ströme ansprechende gleichartige Auslöser auf einen gemeinsamen Auslösemechanismus
wirkten. Bine weitere Möglichkeit wäre die Gleichrichtung des Auslösestromes, was
aber wegen des erhöhten Material aufwandes und der durch die zusätzlichen
Bauteile
bedingten erhöhten Unsicherheit auszuschließen ist.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen Haltemagnetauslöser der
eingangs genannten Art zu schaffen, der unmittelbar eine bipolare Auslösung gewährleistet,
daß also jede der beiden Halbwellen eines Wechselstromes eine Auslösung bewirkt.
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Erfindungsgemäß ruht der Auslöseanker im Ruhe zu stand auf mindestens
drei Polflächen, wovon mindestens eine Polfläche den einen magnetischen Pol und
die anderen Polflächen den anderen magnetischen Pol darstellen, wobei sich der gesamte
magnetische Fluß im Ruhezustand über den Auslöseanker schließt, und in an sich bekannter
Weise mindestens zwei der Polflächen innerhalb eines die Auslösewicklung bzw. die
Auslösewicklungen enthaltenden magnetischen Kreises angeordnet sind, zwischen diesen
Polflächen und der dritten Polfläche der Permanentmagnet liegt und der Auslöseanker
im Zuge der Auslösung um mindestens zwei verschiedene, der Polarität des Auslösestromes
zugeordnete Achsen kippbar bzw. schwenkbar angeordnet ist, wobei der Auslöseanker
im Ruhezustand durch den Permanentmagnet auf allen Polflächen gehalten ist und die
Schwenkachsen durch die Lage einer der Polflächen des permanentmagnetischen Kreises
und jeweils einer der Polflächen des elektromagnetischen Kreises bestimmt sind.
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Durch geeignete Anordnung der Magnetkreise wird erreicht, daß bei
jeder Halbwelle des auslösenden Wechselstromes die Anziehungskraft an der einen
bzw. den einen Polflächen des die Auslösewicklung tragenden magnetischen Kreises
geschwächt, an der anderen bzw. den anderen Polflächen hingegen verstärkt wird.
Unter der Kraft der Abreißfeder wird demzufolge der Anker von der Polfläche bzw.
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den Polflächen, an der bzw. an denen die magnetische Kraft geschwächt
wird, abgehoben und um eine Achse, die durch
die andere dem elektromagnetischen
Kreis zugehörige Polfläche bzw. die anderen Polflächen und die Polfläche bzw.
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Polflächen, die unmittelbar dem den Permanentmagneten enthaltenden
magnetischen Kreis angehören, bestimmt ist, gekippt.
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Durch die zufolge des Kippens herbeigeführte Vergrößerung des Abstandes
zwischen dem Anker und mindestens einer Polfläche, über die sich der magnetische
Fluß des Permanentmagneten im Ruhezustand des Ankers schließt, nimmt der Fluß des
Permanentmagneten über den Anker stark ab und weicht auf Streuwege aus, wodurch
die Haltekraft auch in den anderen Polflächen reduziert wird und der Anker in weiterer
Folge durch die Abreißfeder zur Gänze von allen Polflächen abgehoben wird.
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Vorteilhafterweise ist der den Permanentmagneten enthaltende magnetische
Kreis senkrecht an ein die Auslösewicklung tragendes, U-förmiges magnetisches Joch
angeschlossen. Hiedurch wird ein besonders einfacher Haltemagnetauslöser erzielt.
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Zweckmäßigerweise ist der Permanentmagnet mit dem ihm zugehörigen
Schenkel in der Mitte zwischen den beiden Schenkeln des U-förmigen Joches angeordnet,
womit sich ein symmetrischer Aufbau ergibt.
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Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung sind insgesamt vier
in einer Ebene liegende Polflächen und zwei insbesondere U-förmige Magnetjoche vorgesehen,
wobei einander benachbarte Schenkel der beiden Joche je eine bzw.
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eine gemeinsame Auslösewicklung tragen und zwischen den beiden anderen
einander benachbarten Enden der Magnetjoche der Permanentmagnet angeordnet ist,
wodurch nicht nur ein smmetrischer Aufbau, sondern auch eine weitere VergröBerung
der Sicherheit der Auslösung und eine einfachere Herstellung des Haltemagnetauslösers
erreicht werden. Die Anordnung des Permanentmagneten zwischen den magnetisch gut
leitenden
Pochteilen bewirkt außerdem eine weitgehende Unempfindlichkeit gegen störende Streufelder.
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Vorteilhafterweise liegen die beiden U-förmigen Magnetjoche zumindest
angenähert parallel zueinander, wobei jeweils ein Schenkel derselben eine Auslösewicklung
trägt und die Auslösewicklungen in einander entgegengesetztem Sinn gewickelt sind.
Hiebei wirkt bei jeder Halbwelle jede Auslösewicklung das Magnetfeld an der einen
Polfläche des zugehörigen Magnetkreises verstärkend, an der anderen Polfläche schwächend.
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Zweckmäßigerweise sind die eine gemeinsame Auslösewicklung tragenden
Schenkel der beiden Magnetjoche knapp nebeneinander angeordnet, wobei die beiden
anderen Enden der Magnetjoche durch den Permanentmagneten voneinander distanziert
sind. Dies hat einen besonders raumsparenden Aufbau zur Folge.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung überkreuzen sich die Stege
der beiden Magnetjoche, wodurch eine höhere Auslöseempfindlichkeit erreicht wird.
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Die Erfindung wird anhand der zeichnung näher erläutert, in der einige
Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt sind.
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Fig.1 zeigt einen erfindungsgemäßen Haltemagnetauslöser mit drei Polflächen
im Schrägriß, Fig,2 eine Draufsicht auf die Polflächen des Haltemagnetauslösers
nach Fig.1, Fig.3 eine Variante hierzu, Fig.4 die Draufsicht auf die Polflächen
eines Haltemagnetauslösers mit vier Polflächen und zwei parallelen Jochen, Fig.5
eine Variante hierzu, bei der die einen Schenkel der beiden Joche knapp nebeneinander
angeordnet sind, Fig.6 eine Variante mit einander überkreuzenden Jochen, Fig.7 einen
schematischen Schrägriß der Joche hiefür und
Fig.8 die Draufsicht
auf die Polflächen zweier sich kreuzender Joche, wobei die einander benachbarten
Polflächen der Joche voneinander distanziert sind.
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Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen
ist der die Auslösewicklung 1 enthaltende magnetische Kreis aus einem U-förmigen,
die Auslösewicklung 1 tragenden Joch 2 gebildet. Senkrecht zur Ebene des Joches
2 ist in der Mitte zwischen den beiden Schenkeln 3,4 des U-förmigen Joches 2 ein
ermanentmagnet 5 angeordnet, an den sich parallel zu den beiden Schenkeln 3,4 ein
Schenkel 6 anschließt, der dem Permanentmagneten 5 zugehört. Durch die Enden der
drei Schenkel 3,4,6 werden Polflächen 7,8,9 gebildet, die in einer gemeinsamen Ebene
liegen. Auf diesen Polflächen 7,8,9 ruht unter der Anziehungskraft des Permanentmagneten
5 ein plättchenförmiger Anker 10, der unter der Kraft einer Abreißfeder 11 steht,
die den Anker 10 von den Polflächen 7,8,9 abzuheben bestrebt ist.
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Der Permanentmagnet 5 erzeugt beispielsweise an der Polfläche 9 einen
magnetischen S-Pol und an den Polflächen 7,8 magnetische N-Pole.
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Fließt nun durch die Auslösewicklung 1 ein Strom, der an der Polfläche
7 einen S-Pol und an der Polfläche 8 einen N-Pol erzeugt, wie dies in Fig.2 in Klammern
dargestellt ist, so wird die magnetische Anziehungskraft an der Polfläche 8 verstärkt,
an der Polfläche 7 hingegen geschwächt. Demzufolge wird der Anker 10 unter der Kraft
der Abreißfeder 11 (Fig.1) von der Polfläche 7 abgehoben, so daß er an den Kanten
der Polflächen 8,9 um die strichpunktiert dargestellte Kippachse A-A gekippt und
schließlich abgerissen wird.
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Wesentlich für die Wirkung sind die durch die Abstände der Schwerpunkte
der Polflächen von der Kippachse A-A bestimmten Kraftarme a,b,c. Je kleiner diese
für die verstärkten Kräfte und je größer sie für die geschwächten Kräfte sind, desto
leichter wird die Kippbewegung herbeigeführt.
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Fließt durch die Auslösewicklang 1 ein Strom, durch den an der Polfläche
8 ein S-Pol und an der Polfläche 7 ein N-Pol erzeugt wird, so wird die Anziehungskraft
an der Polfläche 7 verstärkt und an der Polfläche 8 geschwächt, so daß der Anker
10 um die strichpunktiert dargestellte Kippachse B-B gekippt und der Anker 10 abgerissen
wird.
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Eine Variante hierzu ist in Fig.3 dargestellt, bei der der den Permanentmagneten
5 enthaltende magnetische Kreis zwar ebenfalls senkrecht zum Joch 2 angeordnet ist,
der Permanentmagnet 5 aber an das eine Ende des Joches 2 gerückt ist, so daß die
Schwerpunkte der Polflächen 7,8,9 ein rechtwinkliges Dreieck bilden. Es ist ersichtlich,
daß bei diesem Ausführungsbeispiel die Kippachsen A-A und B-B unsymmetrisch zur
Gesamtanordnung liegen und auch die bei der Kippbewegung wirkenden Kraftarme bei
einer Kippbewegung um die Kippachse A-A andere Längen besitzen als bei einer Kippbewegung
um die Kippachse B-B. Außerdem ist auch die an der Polfläche 8 herbeigeführte magnetische
Kraft des Permanentmagneten 5 kleiner als jene an der Polfläche 7.
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Demzufolge ist die fürfdas Abreißen erforderliche Stromstärke des
die Auslösewicklung 1 durchfließenden Stromes bei der einen Halbwelle eines Wechselstromes
von jener bei der anderen verschieden.
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Es ist ersichtlich, daß anstelle einer etwa im Schwerpunkt des Ankers
10 angreifenden Abreißfeder 11 auch mehrere Abreißfedern treten können. So können
beispielsweise auch drei, den Polflächen 7,8,9 gegenüberliegende Abreißfedern vorgesehen
sein. Analoges gilt auch für die nachfolgenden Ausführt ngsbeispiele.
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Fig.4 zeigt die Draufsicht auf die Polflächen 12,13, 14,15 zweier
beispielsweise U-förmiger paralleler Magnetjoche 16,17, wobei der Permanentmagnet
5 zwischen den die Polflächen 12,13 aufweisenden Schenkeln angeordnet ist und die
die Polflächen 14,15 aufweisenden Schenkel je eine
Auslösewicklung
18,19 tragen. Die Auslösewicklung 18 ist gegenüber der Auslösewicklung 19 in entgegengesetztem
Sinne gewickelt.
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Die Pole des Permanentmagneten 5 sind an den Polflächen 12,13,14,15
mit den Buchstaben N,S bezeichnet, wobei die folsturke des Permanentmagneten 5 an
den Polflächen 14, 15 naturgemäß kleiner ist als an den Polflächen 12,13.
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Fließt nun durch die gemeinsam durchflossenen Auslösewicklungen 18,19
ein Strom, der bei diesem Ausführungsbeispiel an der Polfläche 14 einen magnetischen
N-Pol und damit zufolge des entgegengesetzten Wicklungssinnes an der Polfläche 15
einen magnetischen S-Pol erzeugt, wie dies in Klammern der Polaritätsbezeichnungen
dargestellt ist, so entsteht auch an der Polfläche 12 ein magnetischer S-Pol des
Magnetfeldes, der durch den die Auslösewicklungen 18,19 durchfließenden Strom herbeigeführt
wird, und an der Polfläche 13 ein magnetischer N-Pol. Die magnetische Kraft an den
Polflächen 12,13 wird verstärkt, jene an den Polflächen 14, 15 geschwächt. Unter
der Wirkung der nicht dargestellten Abreißfeder wird der Anker von den Polflächen
14,15 abgerissen und um die Kippachse A-A gekippt.
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Fließt der Strom durch die Auslösewicklungen 18,19 in umgekehrtem
Sinne, so wird die magnetische Kraft an den Polflächen 14,15 verstärkt, an den Polflächen
12,13 geschwächt.
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Der Anker wird um die Kippachse B-B gekippt.
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Die Anordnung je einer Auslösewicklung auf den einen Schenkeln der
magnetjoche 1o,17 beansprucht viel Raum. Dies kann dadurch vermieden werden, daß
die beiden für die Auslösewicklung vorgesehenen Schenkel aneinandergerückt werden,
wie dies in Fig.5 dargestellt ist, in der die beiden, die Polflächen 14,15 aufweisenden
Schenkel zusaramengelückt sind und die Auslösewicklung 20 tragen.
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Im Ruhezustand wirkt nur der Permanentmagnet 5, der an den Polflächen
12,13,14,15 die nicht eingeklammert mit den
Buchstaben N,S darybestellten
magnetischen Pole erzeugt.
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Durchfließt nun die Auslösewicklung 20 ein Strom, der an den Polflächen
12,13,14,15 die in Klammern dargestellten niagnetischen Polaritäten erzeugt, so
wird die magnetische Kraft an der ;'clfiäche 12 verstärkt, an der Polfläche 13 geschwächt,
an der Polfläche 14 geschlecht und an der Polfläche 15 verstärkt. Unter der Kraft
der etwa an der Stelle 21 an dem nicht dargestellten Anker angreifenden Abreißfeder
wird derzufolge der Anker von der geschwächten Polfläche 13 abgehoben und um die
Kippachse A-A gekippt.
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Durchfließt der Auslösestroni die Auslösewicklung 20 in entgegengesetzteni
Spinne, so wird der Anker um dIe Kippachse B-B gekippt.
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Aus Fig.5 ist ersichtlich, daß die Verstärkung der magnetischen Kraft
an der Polfläche 15 der Kippbewegung um die Kippachse A-A entgegenwirkt, was bei
entgegengesetzter Stromrichtung analog für die Kippbewegung um die Kippachse B-B
gilt, da in diesem Falle die r:gnetische Kraft an der Polfläche 14 verstärkt wird.
Da aber durch das Zusammenrücken der Polflächen 14,15 der Kraftarm d, also der Abstand
des magnetischen Schwerpunktes der Polfläche 15 von der Kippachse A-A relativ klein
und nicht wesentlich größer ist als die Kraftarme e,f für die Polflächen 12,14,
ist der an sich nachteilige Einfluß der verstärkten Anziehungskraft an der Polfläche
15 vernachlässigbar.
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Um diesen, wenn auch geringen Nachteil zu vermeiden, sind bei dem
Ausführungsbeispiel nach den Figuren 6 und 7 die Stege der beiden Magnetjoche 16,17
überkreuzt ausgeführt, was dadurch erreicht werden kann, daß an den Stegen der Magnetjoche
16,17 Ausnehmungen vorgesehen werden, in die die verbleibenden Stegteile 22,23 eingefügt
sind.
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Wie aus Fig.6 ersichtlich ist, wird durch die Überkreuzung erreicht,
daß der Abstand d des Schwerpunktes
der Polfläche 15, deren Anziehungskraft
durch den Ausl<Wsestrom verstärkt wird, näher an der Kippachse A-A liegt als
bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.5, daß also der Kraftarm d verkleinert wird.
Dabei wird zwar der Kraftarm e für die geschwächte Polfläche 14 vergrößert, was
aber zufolge der Schwächung otme Nachteil ist. Die Länge des Kraftarmes g für die
Polfläche 13 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.6 ebenso groß wie bei dem
Ausführungsbeispiel nach Fig.4.
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Zufolge der Überkreuzung der Stege der beiden Magnetjoche 16,17 können
die Polflächen 14,15 der die Auslösewicklung 20 tragenden Schenkel der Magnetjoche
wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 auseinandergerückt werden, wie dies in
Pig.8 dargestellt ist, wobei allerdings nur eine Auslösewicklung 20 benötigt wird,
die beide Schenkel mit den Polflächen 14,15 umfaßt. Der Vorteil des Ausführungsbeispiele
nach Fig.8 liegt darin, daß die beiden Kippachsen A-A und B-B parallel zueinander
liegen und die Abstände der Kraftarme der Schwerpunkte der Polflächen mit verstärkter
Anziehungskraft sehr gering gehalten werden können.
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