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Die
Erfindung betrifft eine Hubmagnetanordnung gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner
eine Ventilanordnung.
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Eine
derartige Hubmagnetanordnung ist aus der
DE 197 07 587 A1 bekannt.
Ein druckdichter Hubmagnet besitzt neben dem Polrohr eine Spule zur
Betätigung eines in einem Ankerraum des Polrohrs axial
beweglich geführten Ankers. Das Polrohr besteht im Wesentlichen
aus einem Polstück – auch Polkern –,
welches über ein Zentralgewinde in ein Ventilgehäuse
einschraubbar ist, einem unmagnetischen Zwischenstück und
einem sich an dieses anschließenden Rohrstück,
welches an der vom Polstück abgewandten Seite stirnseitig
mittels eines als Hubbegrenzung dienenden Bauteils verschlossen ist.
Das Polstück, das Zwischenstück, das Rohrstück und
die Hubbegrenzung begrenzen den Ankerraum für den mit der
Spule zusammenwirkenden Anker. Dieser ist mit einem Stößel
verbunden, der das Polstück in axialer Richtung durchsetzt
und zur Betätigung eines Ventilschiebers eines hydraulischen
Ventils dient. Das unmagnetische Zwischenstück dient zur
Umleitung des magnetischen Flusses in den Anker. Dieses unmagnetische
Zwischenstück kann zum Erzielen einer günstigen
Kraft-Weg-Kennlinie ringkonusförmig ausgebildet sein. Bei
der Herstellung ist eine solche Formgebung aber mit Aufwand verbunden.
Insbe sondere bei einfachen Schaltmagneten soll eine in der Herstellung
möglichst einfache Geometrie des Zwischenstücks
zur Anwendung kommen.
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Bespiele,
wie ein Anker in Zusammenwirken mit einem Polstück konturiert
werden kann, sind in der
DE
103 27 875 B4 angegeben. Es sind jedoch hinsichtlich der
Herstellung recht aufwendig geformte Polstücke angegeben.
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Bei
herkömmlichen in der Herstellung einfachen Hubmagneten
verläuft derzeit die Kraft-Weg-Kennlinie meist nicht optimal.
Zur Betätigung von hydraulischen Schalt-/oder Proportionalventilen
sind nämlich schon bei geringen bis mittleren Hüben
des Steuerkolbens hohe, der Betätigung entgegen gerichtete
Strömungskräfte zu überwinden, welche
im weiteren Verlauf des Hubes nur noch wenig zunehmen. Zudem sind
die Strömungskräfte oft nur auf einem eng begrenzten
Abschnitt des Hubs wirksam. Dagegen entfalten herkömmliche
Hubmagnete erst im letzten Hubabschnitt eine hohe Kraft. Die Kraftentfaltung
ist davon abgesehen wenig lokalisiert und ist meist über
einen großen Hubbereich gleichmäßig ggf.
mit leichter Steigung ausgebildet Dies bedingt den Einsatz groß dimensionierter
Hubmagnete mit entsprechend hohem Material- und Energieaufwand.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Hubmagnetanordnung anzugeben, welche insbesondere an die Betätigungskraftkennlinie
eines Ventils auf einfache Weise konstruktiv angepasst werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Hubmagnetanordnung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die
Ausbildung eines Bunds am Anker und einer gestuften Vertiefung im
Polkern mit einer Einsenkung zur Aufnahme des Bunds lässt
sich in der Fertigung mit einfachen Mitteln realisieren. Die größere
Länge des Kragens im Vergleich zum Bund am Anker bewirkt,
dass auf dem Hubweg des Ankers beim Betätigungsvorgang
nacheinander und mit Abstand voneinander Kanten bzw. Begrenzungslinien oder
Begrenzungsflächen des Polstücks mit entsprechenden
Abschnitten des Ankers zur Deckung gelangen. Zuerst erfolgt eine Überdeckung
zwischen einer stirnseitigen inneren Begrenzungslinie des Kragens mit
der Stirnfläche des Ankers. Bei fortgesetztem Hub taucht
dann der Bund an einer Schulter der Vertiefung vorbei in die Einsenkung
ein. Auf diese Weise lässt sich die Kraft-Hub-Kennlinie
so gestalten, dass auf einem definierten Abschnitt des Hubs, nämlich auf
dem Weg des Ankers zwischen den beiden Kanten, eine gezielte plateauförmige
Erhöhung der Kraft erfolgt. Dabei ist die erfindungsgemäße
Hubmagnetanordnung einfach aufgebaut und günstig herstellbar.
Sie lässt sich optimal an die Strömungskraftkennlinien
z. B. von Schaltventile anpassen. Mittels der beschriebenen Bauform
sinkt im Endbereich des Ankerhubs, also nach Eintauchen des Bunds
in die Einsenkung die Kraft sogar wieder ab. Dies trägt
zu einer geringern Beanspruchung der Antiklebscheibe, zu einem geringerem
Schaltgeräusch und einer schnelleren Abschaltzeit bei.
Ingesamt können mit der erfindungsgemäßen
Ventilanordnung bei geringerer elektrischer Leistung höhere
Ventilkräfte bzw. Strömungskräfte überwunden
werden und insbesondere Schaltventile sicher und effizient betätigt
werden.
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Die
Aufgabe wird demnach ebenfalls durch eine Ventilanordnung gelöst,
welche eine solche Hubmagnetanordnung besitzt.
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Insbesondere
ist das Ventil mit einer in Ihrer Kennlinie optimal an die Strömungskraftverhältnisse des
Ventils angepassten Hubmagnetanordnung kombiniert. Die Anpassung
erfolgt konstruktiv einfach über die geometrischen Längenverhältnisse
an Kragen und Bund. In anschaulicher Weise wird z. B. die Lage der
besagten Kanten an den Verlauf des Öffnungsquerschnitts
des Ventils auf dem Betätigungshub angepasst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Übergangsabschnitt
aus einem nicht-magnetisierbaren Material gebildet und eine Trennfläche
zwischen dem Übergangsabschnitt und dem Kragen ist im Wesentlichen senkrecht
zu einer Mittelachse des Polrohrs ausgerichtet. Gerade bei solch
einfachen Geometrien an der Trennfläche lassen sich mittels
der erfindungsgemäßen Ausbildung von Anker und
Polkernabschnitt gut auf ein Ventil angepasste Kennlinien erzielen.
Die Fertigung gestaltet sich z. B. unter Verwendung der Widerstandsschweißtechnik – z.
B. des Kondensatorentladungsschweißens oder des Mittelfrequenzschweißens – zum
Fügen von Polstück und Trennring, welcher den Übergangsabschnitt
bildet, besonders einfach.
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Vorzugsweise
ist zwischen der Stirnfläche des Ankers und der Schulter
des Polstücks eine Antiklebscheibe angeordnet. Dort steht
eine vergleichsweise große Fläche zur Verfügung,
so dass die Antiklebscheibe auch hohen Belastungen standhält.
Die Antiklebscheibe könnte sogar auf den Bund aufgezogen
werden und somit unverlierbar auf der Stirnfläche des Ankers
aufliegen.
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Die
beschriebene Geometrie an Anker und Polkernabschnitt kann auch zur
Dämpfung eines Anschlags des Ankers am Polkern genutzt
werden. Dazu wird ein Radialspalt zwischen dem Bund und der Einsenkung
entsprechend eng bemessen. Die fluidische Dämpfung erfolgt
dann über die Verdrängung von Fluid aus einem äußeren
Ringraum zwischen dem Anker – genauer seiner Stirnfläche
und dem Bund – und der Schulter der Vertiefung.
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Vorzugsweise
entspricht bei einer Ventilanordnung mit der erfindungsgemäßen
Hubmagnetanordnung eine erste Position des Ankers, bei der die Stirnfläche
des Ankers einer Begrenzungslinie der Stirnfläche des Kragens
gegenübersteht, einem geringen Öffnungsgrad des
Ventils, also einer Stellung des Ventilkolbens an der Strömungskräfte
maßgeblich werden. Eine zweite Position des Ankers, bei
der eine Stirnfläche des Bunds des Ankers der Schulter der
Vertiefung gegenübersteht, entspricht einem stärkeren Öffnungsgrad
des Ventils, bei dem der Ventilkolben seinen Öffnungshub
schon nahezu beendet hat und bei dem die Strömungskräfte
wieder nachlassen. Dies können z. B. 25% bzw. 75% des Öffnungshubs
des Ventilkolbens sein.
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Nachfolgend
werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile unter Bezugnahme
auf das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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1 zeigt
eine Hubmagnetanordnung in schematischer Schnittdarstellung,
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2 stellt
einen Ausschnitt aus 1 um den Bereich des Arbeitsluftspalts
vergrößert dar und
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3 zeigt
eine Kennlinie der erfindungsgemäßen Hubmagnetanordnung
im Vergleich mit einer Strömungskraftkennlinie eines Ventils
und einer Kennlinie eines herkömmlichen Hubmagneten.
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In 1 ist
eine Hubmagnetanordnung 1 zur Betätigung eines
Ventilschiebers eines Hydraulikventils (nicht dargestellt) gezeigt.
Die Hubmagnetanordnung 1 besitzt ein fluiddichtes Polrohr 3.
Das Polrohr 3 besitzt einen Polkernabschnitt 5,
einen Trennabschnitt 7 – in den Patentansprüchen
auch als Übergangsabschnitt bezeichnet –, einen
Rohrabschnitt 9 und ein Verschlussstück 11 – auch
Hubbegrenzung genannt. Der Polkernabschnitt 5, der Trennabschnitt 7,
der Rohrabschnitt 9 und das Verschlussstück 11 bilden
einen kreiszylinderförmigen Aufnahmeraum für einen
Anker 13. Ein Stößel 15 ist
im Polkernabschnitt 5 geführt und tritt an der äußeren
Stirnseite des Polkernabschnitts 5 aus diesem hervor.
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Mittels
eines Gewindes 17 am Polkernabschnitt 5 wird das
Polrohr 3 in ein Ventilgehäuse des Hydraulikventils
eingeschraubt. Auf dem Polrohr 3 ist ein Spulenbauteil
aufgeschoben. Diese umfasst die eigentliche Spule 19 sowie
ein Gehäuse aus magnetischem Material (nicht dargestellt),
welches ein Joch für einen magnetischen Kreis unter Einbeziehung des
Polrohrs 3 darstellt. Der Trennabschnitt 7 unterbricht
den magnetischen Kreis im Bereich des Arbeitsluftspalts 21 zwischen
Anker 13 und Polkernabschnitt 5 und zwingt die
Magnetfeldlinien vom Polkernabschnitt 5 auf den Anker 13 überzutreten.
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Der
Anker 13 ist an seiner dem Polkernabschnitt 5 zugewandten
Stirnseite mit einem aus der Stirnfläche 22 hervortretenden
Bund 24 versehen. Auf die kreisringförmige Stirnfläche 22 ist
eine Antiklebscheibe 25 aufgelegt. Diese kann zur Befestigung
ggf. auf den Bund 24 aufgezogen werden. Den Anker 13 durchziehen
axiale Fluidausgleichskanäle 27. Diese münden
in einer Stirnfläche 29 des Bunds 24.
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Der
Polkernabschnitt besitzt innenseitig eine gestufte Vertiefung 31 zur
Aufnahme des ihr zugewandten Ankerabschnitts. Diese Vertiefung 31 gliedert
sich wie folgt: Ein Kragen 33 steht über eine
innenseitige Stirnfläche 34 des Polkernabschnitts 5 kreisringförmig
vor. Die Stirnfläche 34 bildet weiter eine Schulter
für eine zentrale Einsenkung 36.
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Der
Innendurchmesser des Kragens 33 entspricht dabei dem Innendurchmesser
des Trennabschnitts 7 und des Rohrabschnitts 9.
Der Innendurchmesser der Einsenkung 36 ist so gewählt,
dass der Bund 24 in die Einsenkung 36 eintauchen
kann. Über einen Spalt zwischen Bund 24 und Einsenkung 36 kann
eine fluidische Dämpfung der Ankerbewegung in der Endlage
erzielt werden. Das Dämpfungsvolumen befindet sich dabei
in einem vom Bund 24, der Stirnfläche 22,
der Stirnfläche 34 und dem Kragen 33 begrenzten
Ringraum.
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Der
Bereich um den Arbeitsluftspalt 21 ist in 2 vergrößert
dargestellt. Zu erkennen ist die im Wesentlichen kreisrohrförmige
Gestalt des Trennabschnitts 7, welcher keinen Konus aufweist.
Ein Polrohr 3 mit einem solchen Trennabschnitt 7 lässt
sich z. B. durch elektrisches Widerstandsschweißen aus rohrförmigen
bzw. topfförmigen Halbzeugen fügen. Hinsichtlich
der Antiklebscheibe 25' ist eine Variante zur 1 dargestellt.
Die Antiklebscheibe 25' ist in den Arbeitsluftspalt 21 eingelegt
und liegt auf der Stirnfläche 34 auf. Dort kann
sie ggf. befestigt werden.
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Der
Bund 24 ist stirnseitig durch eine äußere Ringkante 41 begrenzt.
Ebenso ist am Übergang von der Stirnfläche 22 des
Ankers in dessen Mantelfläche eine Ringkante 40 vorhanden.
An der Innenwand des Polrohrs 3 befindet sich am Übergang
vom Kragen 33 zum Trennabschnitt 7 eine gedachte,
kreislinienförmige Begrenzungslinie 42, an welcher
sich die Magnetisierbarkeit des Polrohrs 3 im Axialverlauf sprunghaft ändert.
Zwischen der Stirnfläche 34 und der Einsenkung 36 ist
in der gestuften Vertiefung 31 des Polkernabschnitts 5 die
Ringkante 43 vorhanden. Diese kann gefast oder abgerundet
sein.
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Die
3 zeigt
eine Kraft-Hub-Kennlinie
50 einer herkömmlichen
Hubmagnetanordnung, z. B. eines Betätigungsmagneten, wie
in die eingangs erwähnte
DE 197 07 587 A1 beschreibt, eine Kraft-Hub-Kennlinie
52 der
erfindungsgemäßen Hubmagnetanordnung
1 sowie
eine Betätigungskraft-Hub-Kennlinie
54 (gestrichelt)
eines typischen direkt betätigten Schaltventils der Nenngröße
6 oder
10.
Der Hub ist in Bereiche B1 bis B6 unterteilt. Die Länge
der Bereiche liegt in der Größenordnung von z.
B. jeweils 1 bis 2 mm. Die Kennlinie
54 des Ventils besitzt
eine zum Bereich B1 hin ansteigende Grundlinie, die durch die übliche
Beaufschlagung des Ventilkolbens mit einer Rückstellfeder
und durch die Reibung des Ventilkolbens in der Ventilbohrung bedingt ist.
Eine große Auswirkung auf die Kennlinie
54 haben
allerdings die beim Öffnungsvorgang auf den Ventilkolben
einwirkenden Strömungskräfte. Diese bewirken den
in den Bereichen B2 und B3 der Kennlinie
54 zu erkennenden
starken Anstieg der erforderlichen Betätigungskraft. Nach
vollständigem Durchschalten des Ventils sind die Strömungskräfte
nicht mehr maßgeblich, wie die Kurve
54 in Bereich
B1 zeigt.
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Bei
einer elektrischen Betätigung der Hubmagnetanordnung 1 durch
Bestromen der Spule 19 läuft folgender Vorgang
ab: Aus einer Endlage an der Hubbegrenzung 11 oder einer
Anlage am Stößel 15 – wie in 1 dargestellt – beginnt
sich der Anker 13 in Richtung des Polkernabschnitts 5 zu
bewegen. Die Bewegung beginnt im Bereich B6 oder am Übergang vom
Bereich B5 zum Bereich B4 – hier erfolgt eine Anlage am
Stößel 15 – mit zunächst
niedriger Kraft, wie die Linie 52 zeigt. Der Bereich B3
ist der Abschnitt des Bewegungsablaufs, an der die Ringkante 40 des
Ankers 13 die Begrenzungslinie 42 zum Kragen überfährt.
Zwischen der Ringkante 40 und der Begrenzungslinie 42 befindet
sich eine hohe Dichte von magnetischen Feldlinien im Arbeitsluftspalt.
Bei Eintauchen des Ankers 13 mit der Ringkante 40 in den
Kragen 33 erfolgt daher eine deutliche Abnahme der im Arbeitsluftspalt
vorhandenen magnetischen Feldenergie. Aufgrund dessen steigt die
Kennlinie 52 vom Bereich B4 zum Bereich B3 hin steil an.
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Nach
dem der Anker 13 die Begrenzungslinie 42 passiert
hat, ist ein weiterer Bereich hoher Feldliniendichte zwischen der
Ringkante 41 am Bund 24 des Ankers 13 und
der Ringkante 43 der gestuften Vertiefung 31 vorhanden.
Bei weiterem Eintauchen des Ankers 13 in die gestufte Vertiefung 31 kann
daher die hohe Kraft aufrechterhalten werden, bis der Anker mit
dem Bund 31 in die Einsenkung 36 eintaucht. Dies
ist in der Kennlinie 52 im Bereich B2 und am Übergang
vom Bereich B2 in den Bereich B1 erkennbar. Auf dem weiteren Weg
des Ankers 13 wird nun nur noch das mit wenigen magnetischen
Feldlinien gefüllte Volumen in der Einsenkung 36 verringert. Die
Kraft sinkt demgemäß im Bereich B1 ab. Die Bewegung
endet wenn der Anker 13 mit der Antiklebscheibe 25 oder 25' an
der Stirnfläche 34 anliegt. Zwischen der Stirnfläche 29 des
Bunds 24 und dem Boden der Einsenkung 36 verbleibt
ein Spalt.
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Durch
die Auswahl der axialen Anordnung der Begrenzungslinie 42 und
der Ringkante 43, d. h. der Länge des Kragens 33,
und durch eine geeignete Länge des Bunds 24 kann
also eine plateauförmige Anhebung der Magnetkraft über
einen vergleichsweise breiten Hubbereich in der Kraft-Hub-Kennlinie 52 der
Hubmagnetanordnung 1 erzielt werden. Die Längendifferenz
zwischen dem Kragen 33 und dem Bund 24 ergibt
dabei etwa die Länge des Plateaus der Kraft-Hub-Kennlinie 52 im
Bereich B2 und B3. Die Magnetkraft ist dafür zu Beginn
und in der Endphase des Ankerhubs – Bereiche B4 bis B6
und Bereich B1 – entsprechend verringert – jeweils
im Vergleich zur Kennlinie 50 eines herkömmlichen
Magneten der gleichen elektrischen Leistung.
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Die
beschriebene Hubmagnetanordnung 1 eignet sich hervorragend
zur Betätigung eines Schalt-Wegeventils. Die typische Betätigungskraftkennlinie 54 auf
dem Hub des Ventilschiebers weist wie gesagt eine signifikante Erhöhung
aufgrund von Strömungskräften bei der Vergrößerung
des Öffnungsquerschnitts auf, bis die volle Ventilöffnung
erreicht ist. Dies ist als Plateau der Betätigungskraft
in den Bereichen B2 und B3 der Kennlinie 54 erkennbar.
Die Hubmagnetanordnung 1 ist nun unter Anderem mittels
der Längen von Bund 24 und Kragen 33 so
ausgelegt, dass das Plateau der Betätigungskraft in der
Kennlinie 54 von der plateauartigen Anhebung der Magnetkraft
in der Kennlinie 52 abgedeckt ist. So ist auf jedem Abschnitt
des Ankerhubs genügend Magnetkraft zum sicheren Durchschalten
des Ventils vorhanden. Durch den steilen Magnetkraftanstieg im Bereich
B4 der Kennlinie 52 ist auch schon zu Beginn des Hubs des
Ventilschiebers, an dem die Vorspannung der Rückstellfeder überwunden
werden muss, genügend Magnetkraft vorhanden. Der Magnetkraftrückgang
im Bereich B1 fällt mit dem Rückgang der Strömungskräfte
bei einem voll durchgeschalteten Ventil zusammen. Zudem wird aufgrund
des Kraftrückgangs die Antiklebscheibe 25 oder 25' weniger stark
durch den Anprall des Ankers 13 belastet. Das Anprallgeräusch
ist ebenfalls gering. Der Anker 13 kehrt nach dem Abschalten
der Spule 19 schneller in seine Ausgangslage zurück.
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Anhand
des Ausführungsbeispiels wurde die Verwendung der erfindungsgemäßen
Hubmagnetanordnung bei einem stromlos geschlossenen Schalt-Wegeventil
zur Durchführung des Öffnungshubs beschrieben.
Selbstverständlich kann die Anwendung auch bei einem stromlos
offenen Schalt-Wegeventil zur Durchführung des Schließhubs
verwendet werden. Weiter kann die erfindungsgemäße
Hubmagnetanordnung auch zur Betätigung eines Proportionalventils
verwendet werden. Dabei können auch mehrere in Stufen angeordnete
Bunde am Anker vorgesehen werden und eine entsprechende mehrfach
gestufte Vertiefung am Polstück, welche die Bunde jeweils
in geeignete Einsenkungen aufnimmt, zum Einsatz kommen.
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Eine
weitere Variante besteht darin, den Kragen 33 konisch auszubilden.
Dann kann durch die zuvor beschriebene Form des Ankers 13 mit
Bund 24 und durch die gestufte Vertiefung 31 der
Proportionalbereich auf einen größeren Hubbereich
ausgedehnt werden.
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- 1
- Hubmagnetanordnung
- 3
- Polrohr
- 5
- Polkernabschnitt
- 7
- Trennabschnitt
- 9
- Rohrabschnitt
- 11
- Verschlussstück
- 13
- Anker
- 15
- Stößel
- 17
- Gewinde
- 19
- Spule
- 21
- Arbeitsluftspalt
- 22
- Stirnfläche
- 24
- Bund
- 25
- Antiklebscheibe
- 25'
- Antiklebscheibe
- 27
- Fluidausgleichskanäle
- 29
- Stirnfläche
des Bunds
- 31
- Gestufte
Vertiefung
- 33
- Kragen
- 34
- Stirnfläche
- 36
- Einsenkung
- 40
- Ringkante
- 41
- Ringkante
- 42
- Begrenzungslinie
- 43
- Ringkante
- 50
- Kraft-Hub-Kennlinie
- 52
- Kraft-Hub-Kennlinie
- 54
- Betätigungskraft-Hub-Kennlinie
des Ventils
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19707587
A1 [0002, 0026]
- - DE 10327875 B4 [0003]