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Tauchankermagnet
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Die Erfindung betrifft einen Tauchankermagnet bestehend aus einer
Magnetspule mit darin in Längsrichtung beweglich angeordnetem Kern aus magnetisch
gut leitfähigem Material und einem die Spule ganz oder teilweise umschießenden Joch
aus ebenfalls magnetisch gut leitendem Material.
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Solche Tauchankermagnete gehören seit über 100 Jahren zu einer bevorzugten
Form elektromechanischer Wandler. Es handelt sich um ein sehr einfaches, robustes
und betriebssicheres Bauelement. Es wird überall dort angewendet, wo elektrische
Signale in relativ kleine mechanische Bewegungen umyewandelt werden müssen. Du-rch
geeignete
(;( st alt;uyl(3 der Po:Lf:l.icll(,n ist. els möglicll,
den Zu<jkraftvcrlauf in gewissen Grenzen zu beeinflussen und damit den Erforderni
s sen der nachgeschalteten mechanischen Einrichtungen anzupassen.
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Wie bei allen elektromechanischen Wandlern ist die zuführbare elektrische
Energie durch die zulässige Erwärmung der Isoliermaterialien begrenzt. Sofern keine
besonderen Zusatzeinrichtungen für die Wärmeabfuhr vorgesehen sind, bestimmt somit
die Oberfläche des Bauteils die zulässige elektrische Bealstung.
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Bisher waren alle Bemühungen zur Verbesserung der Eigenschaften des
Tauchankermagneten auf die möglichst günstige Gestaltung des Kraftlinienweges und
hier wieder vorzugsweise auf den Kraftlinienweg im Bereich der wirksamen Polflächen
gerichtet. Verbesserungen der rein mechanischen Eigenschaften, wie sie z.B. durch
Mittel zur besseren Führung des beweglichen Teils erreicht werden, können in diesem
Zusammenhang außer Betracht bleiben.
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Es wurde also bisher der Elektromagnet stets vom magnetischen Kreis
her betrachtet. Zum Erzielen des gewünschten Arbeitsvermögens wurde dabei die wirksame
Pol fläche festgelegt und anschließend der magnetische Rückschluß bemessen. Der
so festgelegte magnetische Kreis bestimmt dann die notwendige elektrische Durchflutung.
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Sollte dabei bei vorgegebenem Volumen des Bauelementes eine Leistungssteigerung
erzielt werden (höheres mechanisches Arbeitsvermögen) , dann erschien es notwendig,
die Durchflutung zu erhöhen. Dabei stieg die Verlustleistung überproportional. an.
Das Frgebnis waren Magnete mit entsprechend reduzierter zulässiger Einschaltdauer.
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Eine Erhöhung des mechanischen Arbeitsvermögens mit gleichzeitiger
Verringerung der Durchflutung war nicht möglich.
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Auch ist es dem Fachmann geläufig, daß der Aufwand an relativ teurem
Kupfer mit einer Leistungssteigerung ebenfalls angehoben werden mußte.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Verringerung des Kupferaufwandes
für die Wicklungen zu ermöglichen und dabei ein Maximum des mechanischen Arbeitsvermögens
bei konstanter Erregerleistung bzw. ein Minimum an erforderlicher Erregerleistung
bei konstantem Arbeitsvermögen zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verhältnis
von Kerndurchmesser zu Außendurchmesser bzw. - bei quadratischem Kernquerschnitt
- das Längenverhältnis von Kernseitenkante zur Außenkante der Spule größer als 0,5
ist. Vorteilhafterweise liegt die Verhältniszahl zwischen 0,55 und 0,80. Als besonders
günstig hat es sich herausgestellt, bei zylindrischem Kern ein Verhältnis von 0,62,
bei quadratischem Kern ein Verhältnis von 0,60 zu wählen.
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Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß das
mechanische Arbeitsvermögen eines Magneten neben der mehr oder weniger günstigen
Ausbildung der Polflächen entscheidend durch geeignete Wahl der Verhältniszahl von
Kerndurchmesser (Ankerdurchmesser) zu Außendurchmesser der Magnetspule (Erregerspule)
beeinflußt werden kann.
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Schon bisher traten bei Tauchankermagneten je nach den baulichen Umständen
alle möglichen Verhältnis zahlen auf. Hierdurch wurde aber dem Fachmann keine technische
Lehre an die Hand gegeben, mit deren Hilfe ihm eine Optimierung seiner Konstruktion
möglich gewesen wäre. Nunmehr stellt sich aber heraus, daß bei Befolgung der oben
angeführten Dimensionierungsvorschrift eine erhebliche Steigerung des Arbeitsvermögens
bei gleichem Kupferaufwand bzw. eine erhebliche Verminderung des Kupferaufwandes
bei gleichem Arbeitsvermögen erzielt werden kann.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung von verschiedenen Ausführulzgsformen der Erfindung anhand
der Zeichnungen, auf die wegen der erfindungswesentlichen Offenbarung aller in folgen
den nicht näher beschriebenen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen
Figur 1 einen Tauchankermagneten mit zylindrischem Kern im Längsschnitt und im Querschnitt
bei Linie A -Figur 2 einen Graphen zur Erläuterung des mechanischen Arbeitsvermögens
eines derartigen Tauchankermagneten, Figur 3 die Spule eines Tauchankermagneten
in einer zylindrischen und einer quadratischen Ausführungsform jeweils in Endansicht
und im Schnitt zur Erläuterung der Maße, deren Verhältnis erfindungsgemäß zu optimieren
ist, Figur 4 und Figur 5 zwei Graphen für die Bestimmung der optimalen Verhältnis
zahl für zwei unterschiedliche Aus führungsformen, Figur 6 und Figur 7 für die gleichen
Ausführungsformen je einen Graphen zur Darstellung der Abhängigkeit des mechanischen
Arbeitsvermögens von der Verhältniszahl, Figur 8 und Figur 9 für die gleichen Ausführungsformen
die Abhängigkeit der Luftspaltinduktion von der Verhältniszahl, Figuren 10 - 15
verschiedene Ausführungsformen des Tauchankermagneten jeweils in Schnitt, Endansicht
und perspektivisch, und Fi(3llr 16 eine alternative Ausführungsform zur Ausführungsform
llach Figur 15.
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Figur 1 zeigt einen Tauchankermagneten 10 bestehend aus einer Spule
11 in Form eines Hohlzylinders, einem in die Spule 11 eintauchenden in Längsrichtung
beweglich angeordneten zylindrischen Kern 12, der als Anker dient und einem die
Spule 11 ganz oder teilweise umschließenden Joch 13, das eine Art Gehäuse bildet.
Der Kern 12 besteht aus ngnetisch gut leitfähigem Material, vorzugsweise aus kohlenstoffarmcm
Eisen. Auch das Joch 13 ist aus magnetisch gut leitfähigem Material hergestellt.
Die Spule 11 ist aus Kupferdraht gewickelt. Die elektrischen Anschlüsse der Spule
11, die mechanische Führung des Kerns 12 und die Befestigungshilfen für das im Joch
13 konkretisierte Gehäuse sind dem Fachmann geläufig und bedürfen keiner näheren
Erläuterung.
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Figur 2 dient der Erläuterung des mechanischen Arbeitsvermögens eines
Tauchankermagneten. Dieses ist definierbar als
worin Ani die mechanische Arbeit, F die Kraft und S, genauer S2-Sl,der vom Kern
zurückgelegte Weg ist. Die geleistete Arbeit ist von der Ausbildung des Magnetkreises
und der der Spule 11 zugeführten elektrischen Leistung abhängig. Im folgenden wird
gezeigt werden, daß überraschenderweise das mechanische Arbeitsvermögen eines Magneten
nicht nur von der mehr oder weniger günstigen Ausbildung der Polflächen sondern
im ganz entscheidenden Maße von dem Verhältnis von Ankerdurchmesser zum Außendurchmesser
der Erregerspule abhängig ist. Bei Tauchankermagneten mit quadratischem Kern gilt
das gleiche sinngemäß.
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Figur 3 zeigt die hierfür benötigten Maßangaben. b ist die Bauhöhe
der hohlzylindrischen Spule 11 bzw. der hohlquadratischen Spule 14. D ist der Außendurchmesser
der hohlzylindri schen Spule 11 b bw. die AußenkantellEänge
der
hohlquadratischen Spule 14. d ist der Kerndurchmesser des zylindrischen Kerns 12
bzw. die Kernseitenkantenlänge oj.njj quadratischen Kerns. SelDstverstcilldlich
stimmt der Kctndllrchmesser d des Kerns 12 unter Berücksichtigung des notwendigen
Spiels mit dem Innendurchmesser der hohlzylindrischen Spule 11 überein. Ebenso stimmt
bei der hohlquadratischen Spule 14 die Seitenkantenlänge von deren im Querschnitt
quadratischen inneren Freiraum unter Berücksichtigung des notwendigen Spiels mit
der Kernseitenkantenläge überein, wie das Figur 3 zeigt. Es wird nun die Verhältniszahl
d/D aus Kerndurchmesser und Außendurchmesser der Spule bzw. bei der hohlquadratischen
Spule 14 aus Kernseitenkantenlänge und Außenkante der Spule gebildet. Die Größe
dieser Verhältniszahl d/D ist von erheblichem Gewicht.
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Figur 4 zeigt für die hohlzylindrische Spule 11 aufgetragen über
der Verhältniszahl d/D zwei Kurven. Die eine Kurve stellt, wie in der Figur angedeutet,
die Verhältniszahl des Kupfervolumens Vcu zum optimalen Kupfervolumen Vcuo dar,
die andere Kurve das Verhältnis der elektrischen Leistungsaufnahme Pcu der Erregerspule
zur optimalen elektrischen Leistungsaufnahme Pcuo dar. Die elektrische Leistungsaufnahme
Pcu ist also dort optimal, wo sie ein Minimum, im Graphen den Wert 1 erreicht. Das
Kupfervolumen nimmt mit steigender Verhältnis zahl d/D ab. Es gibt jedoch einen
aus beiden Kurven abzuleitenden Optimalwert.
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Es seien nun einige Punkte im Graphen betrachtet. Die Punkte A und
B entsprechen einem Magneten aus dem Fertigungsprogramm eines bekannten Herstellers,
bei dem die Verhältniszahl d/D = 0,43 beträgt. Aus Punkt A läßt sich entnehmen,
daß hier die elektrische Leistungsaufnahme um 24 % über dem Optimalwert in Punkt
C liegt. Das erforderliche Kupfervolumen (Kup£ergewi.cht) liegt nach Punkt B sogar
um 34 o über dem Opti.malwert nach Punkt C, der für die holzl%yli.Ildr.ische Spule
11 mit zylindrischem Kern bei einer
Verhältniszahl d/D = 0,62 liegt.
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Aus dem Schaubild kann man weiter erkennen, daß man bci Beibehaltung
der derzeitigen Listendaten des Tauchankermagneten, also bei gleicher Zugkraft und
gleicher Erregerleistung auch einen Magneten in Punkt A' betreiben könnte, bei dem
die Verhältniszahl d/D = 0,78 beträgt und demnach das aufzuwendende Kupfervolumen
durch Punkt B' festgelegt wird.
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Hier ist der Kupferaufwand gegenüber Punkt A um weitere 38 2 (Bezugspunkt
ist der Punkt C) gesenkt. Ausgehend vom derzeitigen Kupferaufwand (Punkt A) entspricht
das einer Verminderung um 54 %.
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Figur 5 zeigt die gleichen Verhältnisse für die hohlquadratische
Spule 14. Auch hier entsprechen die Punkte A und B bei einer Verhältniszahl d/D
= 0,32 den Listendaten eines Tauchankermagneten aus dem Fertigungsprogramm eines
weiteren großen Herstellers. Die erforderliche Erregerleistung liegt nach Punkt
A 60 % über dem Optimalwert (Punkt C) und auch der Kupferaufwand ist um 32 % höher
als im Leistungsoptimum. Auch hier ergibt sich wieder aus den Punkten A' und B',
daß die derzeitigen Listendaten auch bei einer Verhältniszahl d/D = 0,84 erreicht
würden, bei denen das Kupfervolumen gegenüber dem Optimalwert (C) um weitere 54
%, gegenüber Punkt B sogar um 66 % gesenkt ist. Der Optimalwert nach Punkt C liegt
bei der hohlquadratischen Spule 14 bei einer Verhältnis zahl d/D = 0,60. Die Verschiebuny
des Optimalwertes ist auf die gegenüber der hohlzylindrischen Konstruktion unterschiedliche
Relation zwischen Kernquerschnitt und mittlerer Windungslänge zurückzuführen Die
Interpretation der Figuren 4 und 5 zeigt in den Kurven Pcu/Pcuo ein ausgeprägtes
Minimum im Punkt C. Hier ist die für eine vorgegebene Zugkraft, also das gcwünschte
mechanische Arbeitsvermöqen aufzuwcndende elekti: I.(:l1L Leistung ebenfalls im
Minimum. Sehr günstige Werte werden
auch noch für einen Bereich
erzielt, in dem die Verhältniszalll d/D zwischen 0,5 und 0,7 liegt (vergl. Figur
5). Es darf jedoch nicht nur auf die Optimierung des Verhältnisses zwischen eingesetzter
elektrischer Leistung und erzieltem mechanischen Arbeitsvermögen geachtet werden.
Vielmehr ist es auch wichtig, mit welchem Aufwand an Kupfer ein bestimmtes mechanisches
Arbeitsvermögen erzielt wird. Der Kupferaufwand nimmt nun mit ansteigender Verhältniszahl
d/D weiter stark ab. Der soeben erläuterte Optimierungsbereich für die Verhältniszahl
von 0,5 bis 0,7 muß deshalb in Richtung weiterer Verminderung an Kupfer bis dorthin
ausgedehnt werden, wo die Pcu/Pcuo-Kurve äußerst stark anzusteigen beginnt. Das
ist bei einem Wert von d/D = 0,8 der Fall.
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Innerhalb des Gesamtbereiches der Verhältnis zahl d/D von über 0,5,
vorzugsweise 0,55 bis 0,8 kann der Fachmann nach dieser Lehre die Verhältniszahl
seinen jeweiligen Bedürfnissen entsprechend wählen. Die Optimalwerte liegen je nach
Konstruktion bei 0,60 bis 0,62. Hier wird der Fachmann seine Konstruktion ansiedeln,
wenn es ihm darum geht, bei relativ geringem Kupferaufwand eine maximale Zugkraft
für die eingesetzte Leistung zu erzielen. Ist ihm die Kupferersparnis wichtiger
als die Optimierung des Verhältnisses zwischen mechanischem Arbeitsvermögen des
Tauchankermagneten und eingesetzter elektrischer Energie, so kann der Fachmann auch
einen höheren Wert der Verhältniszahl auswählen.
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Bei den beiden vorstehend beschriebenen Beispielen wurde die mögliche
Verringerung der Kupferverluste erlautert. Selbstverständlich ist umgekehrt auch
bei Beibehalten der maximal zulässigen Erregung eine erhebliche Zunahme des Arbeitsvermögens
der Magnete durch die Vergrößerung der Ankerquerschnitte möglich.
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Figur 6 und Figur 7 zeigen dies für die hohlzylindrische Spule 11
bzw. die hohlquadratische Spule 14 durch Auftragen der Verhältnis zahl der Kraft
F zur optimalen Kraft Fopt über der Verhältniszahl d/D. Aus Figur 6 kann abgelesen
werden, daß hezogen auf Figur 4 bei einer Vergrößerung der Verhältniszahl von 0,43
auf 0,62 ein Zugkraftgewinn von 20 % erzielt werden kann. Ebenso ergibt sich aus
Figur 7 bei einer Vergrößerung der Verhältniszahl von 0,32 auf 0,6 ein Zugkraftgewinn,
der hier sogar 40 g beträgt.
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Aus dem Verlauf der Kennlinien für den Kupferaufwand ist die oben
schon erläuterte Tatsache zu erkennen, daß bereits bei geringfügigem überschreiten
des Optimalwertes (Punkt C) der Kupferaufwand überproportional abnimmt. Es erscheint
somit aus wirtschaftlichen Gründen ratsam, eine Verhältnis zahl oberhalb des Minimums
für die Kupferverluste anzustreben und den möglichen Zugkraftgewinn nicht in allen
Fällen voll auszuschöpfen. So beträgt die Zugkrafteinbuße nach Ausweis der Figuren
6 und 7 bei einer Erhöhung der Verhältniszahl von 0,6 auf 0,7 nur 5 bis 7 %, während
gleichzeitig die zusätzliche Kupfereinsparung zwischen 15 und 20 % liegt Figur 8
und 9 zeigen für die hohlzylindrische Spule 11 bzw. die hohlquadratische Spule 14
aufgetragen über der Verhältnis zahl d/D die Verhältnis zahl der Luftspaltinduktion
B zur optimalen Luftspaltinduktion Bopt. Man erkennt daraus, daß entsprechend der
Zunahme der wirksamen Polfläche mit der Vergrößerung des Kerndurchmessers die für
die Erzeugung einer bestimmten Zugkraft erforderliche Luftspaltinduktion abnimmt.
Daraus folgt, daß in vielen Fällen, insbesondere bei Magneten für relativ lange
Einschaltdauern, der Querschnitt des Kern- bzw. Ankerschaftes verringert werden
kann, ohne daß die - Eiseninduktion unzulässig hohe Werte erreicht. Es empfiehlt
sich deshalb, den Kern
hohl, also als Hülse auszuführen. Gelegentlich
wird man durch diese Maßnahme auch eine wünschenswerte Abflachung der Arbeitskennlinie
erreichen. Weiter hat ein hohler Kern eine verminderte Masse und ist auch dem Einfluß
der Wirbelströme beim Anzugs- und Abfallvorgang weniger ausgesetzt.
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Das gilt im besonderen Maße dann, wenn ein solcher hülsenförmiger
Kern noch zusätzlich durch einen oder mehrere in Achsrichtung durchlaufende Längs
schlitze unterbrochen ist.
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Die durchlaufenden Längsschlitze erleichtern auch den Druckausgleich
im Spuleninnenraum während der Ankerbewegung.
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Figur 10 zeigt eine entsprechende Ausführungsform. Die hohlzylindrische
Spule 11 ist im Joch 13 untergebracht. In die Spule 11 ist eine Führungshülse 15
eingestellt. In diese taucht ein Kern in Form einer Zylinderhülse 16 ein.
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Die Zylinderhülse 16 ist oben mit Querbohrungen 17 versehen und weist
an ihrem unteren Ende über einem im Joch 13 gelagerten Polstück 18 eine Polfläche
19 auf. Achsparallel ist die Zylinderhülse 16 durch 2 einander diametral gegenüberliegende
Längsschlitze 20 geteilt.
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Figur 11 zeigt eine ähnlich aufgebaute Ausführungsform, bei der jedoch
die Zylinderhülse 16 an ihrem unteren Ende eine kegelig vorstehende Polfläche 21
aufweist, der eine kegelig eingetiefte Ausführung des Polstücks 22 entspricht.
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Figur 12 und 13 zeigen Ausführungsformen, die denjenigen nach den
Figuren 10 und 11 ähnlich sind. Die Längsschlitze 23 haben aber im Unterschied zu
den Längsschlitzen 20 bei den Ausführungsformen von Figur 10 und 11 nicht über die
ganze Länge des Kerns die gleiche Breite.
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Vielmehr erweitern sich die Längsschlitze 23 hier ausgehend von der
ebenen Pol fläche 19 bzw. der kegeligen Polfläche 21 nach oben zunehmend. Auf diese
Weise veränderL- sich die Querschnittsfläche des Luftspaltes 24 zwischen dem Joch
13 und dem Kern 16 in Abhängigkeit vom
Abstand von der Polfläche
19 bzw. 21.
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Verbreitert man beispielsweise die Schlitze in der Weise, daß sich
der magnetische Widerstand des Luftspaltes zwischen Joch 13 und Kern 16 infolge
Querschnittsänderung in dem Maße vergrößert, wie sich der magnetische Widerstand
zwischen den Polflächen 19 und 21 und den Polstücken 18 und 22 bei der Annäherung
verringert, dann bleibt die Summe der magnetischen Widerstände konstant. Bei konstanter
Erregung ist demzufolge auch der magnetische Fluß konstant und desgleichen auch
die Zugkraft. Durch entsprechende Formgebung der Längsschlitze 23 lassen sich verständlicherweise
auch andere Zugkraftkennlinien erreichen.
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Figur 14 und 15 zeigen Ausführungsformen, bei denen die Kerne 25
bzw. 26 und die Joche 27 bzw. 28 lamelliert aufgebaut sind.
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Bei der Ausführungsform nach Figur 14 umschließt das Joch 27 mit
integriertem Polstück 29 die innen eine Führungshülse 30 aufweisende hohlquadratische
Spule 14 teilweise. Die Polfläche 31 am unteren Ende des längsbeweglichen Kerns
25 mit quadratischem Querschnitt ist eben Auch hier kann der Kern 25 Längsschlitze
32 enthalten.
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Das wird beispielsweise durch das Einfügen einiger schmälerer Bleche
erreicht. Die Längsschlitze 32 dienen wiederum dem Druckausgleich bei Ankerbewegung.
Sie unterdrücken weiter die auch von der Lamellierung bereits unterdrückte Wirbelstrombildung.
Die Lamellierung verläuft achsparallel.
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Auf Figur 14 ist deutlich zu erkennen, daß der Kern 25 in Seitenansicht
die Form eines Rechteckes mit ausgenommenem Innenteil hat. Ebenso ist jede einzelne
Schicht seines Lamellierungsaufbaus durch ein Blech gebildet, dessen Außenumfang
Rechteckform hat und in dem innen zentriert
eine rechteckförmicje
Öffnung ausgespart ist.
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Die Ausführungsform von Figur 15 ist ganz ähnlich aufgebaut. Es ist
jedoch hier eine dachartig vorspringende Polfläche 33 vorgesehen. Zu dieser passend
ist das dachartig einspringende in das Joch 28 integrierte Polstück 34 ausgehildet.
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Figur 16 zeigt eine Ausführungsform ähnlich Figur 15.
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Hier ist jedoch auf die Lamellierung verzichtet. Der Kern 35 hat die
Form eines U mit zwei Schenkeln 36, 37 und einer ebenfalls'dachförmig vorspringenden
Polfläche 38.
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Parallel zur Bewegungsrichtung des Kerns 37 verlaufende Schlitze 39
bzw. eine ebenfalls parallel zur Bewegungsrichtung verlaufende Bohrung 40 sorgen
auch bei dieser Ausführungsform für einen Druckausgleich.
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Die oben erläuterten Ausführungsbeispiele sind auf Tauchankermagnete
bezogen, die Zugkräfte ausüben. Selbstverständlich gelten die gleichen Überlegungen
auch für Magnete, die Druckkräfte ausüben. Es ist lediglich notwendig, den Kern
mit einem Druckstift zu versehen, der durch eine entsprechende Bohrung im Polstück
des Joches hindurchragt.
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Tauchankermagne t Bezugszeichenliste 10 Tauchankermagnet 11 Spule
(hohlzylindrisch) 12 Kern 13 Joch 14 Spule (hohlquadratisch) 15 Führungshülse 16
Zylinderhülse 17 Querbohrung 18 Polstück (eben) 19 Polfläche (eben) 20 Längs schlitze
21 Polfläche (kegelig) 22 Polstück 23 Längsschlitze 24 Luft-spalt 25 Kern 26 Kern
27 Joch 28 Joch 29 Polstück (integriert) 30 Führungshülse 31 Polfläche (eben) 32
Längsschlitze 33 Polfläche (dachförmig) 34 Pol stück (integriert) 35 Kern 36 Schenkel
37 Schenkel 38 Polfläche (dachförmig) 39 Schlitze 40 Bohrung Am mechanische Arbeit
B Luftspaltinduktion Bopt Optimalwert der Luftspaltinduktion b Bauhöhe D Außendurchmesser/Außenkaxltenlänge
d Kerndurchmesser/Rernseitenkantenlänge F Kraft Fopt Optimalwert der Kraft Pcu elektrische
Leistungsaufnahme Pcuo Optimalwert der elektrischen Leistungsaufnahme s Weg Vcu
Kupfervolumen Vcuo optimierter Wert des Kupfervolumens