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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktor und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktor, umfassend eine Armatur aus magnetisch leitendem Material, ein Armaturführungsrohr, wobei die Armatur in dem Armaturführungsrohr in Richtung der Längsachse des Armaturführungsrohres verschiebbar angeordnet ist, und eine elektrische Spuleneinrichtung, die das Armaturführungsrohr zumindest teilweise umgibt, und angepasst ist, durch Beaufschlagung mit elektrischem Strom, eine Bewegung der Armatur in Richtung der Längsachse des Armaturführungsrohres zu betätigen. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen elektromagnetischen Aktors.
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Ein derartiger elektromagnetischer Aktor wird in verschiedenen Applikationen angewandt, beispielsweise im Zusammenhang mit der Steuerung von Ventilen für hydraulische oder pneumatische Anlagen oder Schaltanwendungen. Eine Armatur aus magnetisch leitendem Material ist in einem Armaturführungsrohr bewegbar geführt, wobei das Armaturführungsrohr zumindest teilweise von einer elektrischen Spuleneinrichtung umschlossen ist und in einem Gehäuse gehalten wird. Durch Beaufschlagung der Spuleneinrichtung mit elektrischem Strom wird die Armatur aus magnetisch leitendem Material in Bewegung versetzt.
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Bei der Ausgestaltung von Aktoren wird oft ein Armaturführungsrohr zur Führung einer Armatur verwendet. Das Armaturführungsrohr kann mehrere Funktionen erfüllen, und ist somit nicht auf die Funktion der Führung der Bewegung der Armatur begrenzt. Das Armaturführungsrohr kann beispielsweise als Dichtmittel des Aktors verwendet werden. Wenn der Aktor nämlich dazu dient, ein Ventil zu öffnen oder schließen, dürfen die Flüssigkeiten, wie z. B. Luft, Wasser, Öl, nicht herausdringen, da die elektrische Schaltung dicht bleiben soll. Die Drähte, Kontakte oder andere Elemente der elektrischen Spuleneinrichtung müssen darüber hinaus vor diesen Flüssigkeiten geschützt sein. Eine mögliche Lösung besteht darin, ein geschlossenes Armaturführungsrohr oder ein Armaturführungsrohr mit einem oder mehreren O-förmigen Dichtringen zu verwenden, um die Schaltung zu schließen.
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Ferner kann das Armaturführungsrohr dazu dienen, andere Teile aus Metall vor der Korrosion zu schützen, wie beispielsweise das Gehäuse des elektromagnetischen Aktors oder das Joch der elektrischen Spuleneinrichtung. Üblicherweise wird ein Kohlenstoffstahl, wie beispielsweise DC01 oder DC04, als magnetisch leitendes Material für das Joch oder das Gehäuse verwendet. Um den Kohlenstoffstahl vor der Korrosion zu schützen, wird eine galvanisierte Schicht aus Zn oder ZnNi verwendet. Allerdings verschwinden diese galvanisierten Schichten nach einer bestimmten Zeit, wenn Reibungskräfte zwischen der Armatur und diesen galvanisierten Schichten vorhanden sind. Darum wird ein Armaturführungsrohr zwischen der Armatur und dem Joch montiert.
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Es gibt zwei grundsätzliche Fertigungstechniken von Armaturführungsrohren, nämlich das Tiefziehen oder das Drehen. Ein tiefgezogenes Armaturführungsrohr besteht üblicherweise aus einem Edelstahl, insbesondere einem austenitischen Edelstahl, wie beispielsweise X4CrNi18-12 1.4303. Es kann auch eine Kupferlegierung als Material verwendet werden. Bei einem austenitischen Edelstahl oder einer Kupferlegierung ist die magnetische Permeabilität μ etwa gleich der magnetischen Permeabilität der Luft und hat somit einen negativen Einfluss auf die magnetische Kraft des elektromagnetischen Aktors. Das magnetische Feld muss nämlich, um eine Kraft zu bewirken, durch die Armatur fließen, aber das magnetische Feld wird um die Spule und durch das Joch und das Armaturführungsrohr geschlossen. Wenn die Permeabilität des Armaturführungsrohres niedriger ist, ist der Widerstand für das magnetische Feld größer und die Kräfte somit kleiner.
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Als zweite Möglichkeit, ein Armaturführungsrohr zu bilden, bietet sich das Drehverfahren an. Beim Drehverfahren muss eine relative hohe Menge an Material entfernt werden, da der Durchmesser des zu drehenden Stückes im Vergleich mit dem Durchmesser des fertigen Armaturführungsrohres relativ groß ist. Da zur Gewährleistung einer guten Funktion ein dünner Querschnitt notwendig ist, ist dieses Herstellungsverfahren somit teuer und aufwendig
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Im Vergleich mit dem Drehverfahren bietet das Tiefziehen des Armaturführungsrohres den Vorteil, dass die Rauhigkeit des Armaturführungsrohres besser ist und das Herstellungsverfahren einfacher ist. Das Drehverfahren hingegen bietet den Vorteil, dass andere Elemente der magnetisch leitenden Kette mit hergestellt werden können, wie beispielsweise der Kernabschnitt.
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Ein tiefgezogenes Armaturführungsrohr führt zu einem elektromagnetischen Aktor, der eine niedrige magnetische Kraft hat. Zum Ausgleich müssen dann mehr Kupferdrähte verwendet werden, als notwendig wäre, die Drahtdicke muss größer sein und mehr Raum wird benötigt. Dies führt zu einem teueren elektromagnetischen Aktor.
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Die
DE 10 2006 060 270 A1 offenbart einen Aktor mit einer zylindrischen Spule, einem Joch und einem zylindrischen Ankerkolben, wobei der Ankerkolben in einer an einem Ende geschlossenen Lagerhülse axial zu einem Magnetkörper verschieblich gelagert ist. Die Zylinderspule ist auf einem Kunststoffkörper angeordnet und zum Führen des Magnetflusses außerhalb der Spule ist ein durch ein Polrohr und eine Jochscheibe gebildetes Joch vorgesehen. Weiterhin ist bei diesem Aktor eine antimagnetische Lagerhülse vorgesehen, die zwischen dem beweglichen Ankerkolben und dem Joch angeordnet ist und insbesondere Abdichtungsfunktionen übernehmen kann.
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Aus der
DE 100 38 139 B4 ist ein Führungselement in einer Magnetanordnung bekannt, beispielsweise ein Druckrohr zur Aufnahme eines Magnetankers für ein elektromagnetisch betätigbares Ventil, wie es zum Beeinflussen des Volumenstroms fluider Medien eingesetzt wird. Insbesondere besitzt dieses Druckrohr einen Bereich mit verminderter Magnetisierbarkeit, der eine Trennung der magnetisierbaren Teile voneinander in longitudinaler Richtung bewirkt.
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Die
DE 44 38 158 A1 offenbart einen Elekto-Hubmagneten mit einem in einen Konus auslaufenden Pol und einem diesem gegenüberstehenden, rohrartigen Joch für die Aufnahme eines im wesentlichen zylindrisch Ankers, bei dem der Konus mit dem Joch durch einen nicht magnetisierbaren Werkstoff verbunden ist.
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Die
DE 10 2005 061 184 A1 eine Betätigungsvorrichtung, insbesondere zum Betätigen von außenseitig anschließbaren Ventilen mit einem Gehäuse und einem darin angeordneten Spulenkörper mit Spulenwicklung, der zumindest teilweise ein nichtmagnetisches Polrohr umfasst, an dessen einem freien Ende sich ein Polkern anschließt, mit einem zumindest im Polrohr innerhalb eines Ankerraumes geführten Magnetanker, der mit einem Betätigungsteil für das Betätigen des jeweiligen Ventils zusammenwirkt, wobei das Polrohr in der Art einer Aufnahmehülse für den Magnetanker ausgebildet ist, die unter Bildung einer Anschlagsfläche für den Magnetanker an ihrem einen Ende einen nach innen weisenden Umlegerand aufweist.
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Die
DE 42 37 405 A1 bezieht sich auf einen Aktor mit einer Spule und zumindest teilweise im Inneren dieser Spule angeordneten sogenannten festen Kern. Dieser feste Kern ist zweiteilig aus zwei verschiedenen magnetischen Werkstücken mit einer dazwischen geschalteten nichtmagnetischen Austenitstruktur hergestellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Aktor und ein Herstellungsverfahren der genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die magnetische Kraft des elektromagnetischen Aktors größer ist und das Herstellungsverfahren kostengünstiger ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch einen elektromagnetischen Aktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand mehrerer Unteransprüche.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, das Armaturführungsrohr aus einem magnetisch leitenden Stahl zu bilden, der sehr gute magnetische Eigenschaften aufweist. Dadurch, dass das Armaturführungsrohr bessere magnetische Eigenschaften aufweist, ist der magnetische Fluss, und dadurch die magnetische Kraft, größer.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das Armaturführungsrohr aus einem ferritischen Edelstahl. Da die magnetische Permeabilität des ferritischen Edelstahls ca. 1000 mal größer ist als die magnetische Permeabilität der Luft, ist die magnetische Kraft eines solchen elektromagnetischen Aktors größer als in einem herkömmlichen elektromagnetischen Aktor. Vorzugsweise besteht das Armaturführungsrohr aus dem ferritischen Edelstahl X6Cr17 1.4016.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die elektrische Spuleneinrichtung ein Joch und das Armaturführungsrohr ist so ausgestaltet, dass es beide Enden des Joches miteinander verbindet und ein von der elektrischen Spuleneinrichtung erzeugtes magnetisches Feld von einem Ende des Joches über die Armatur zum anderen Ende des Joches leitet. Somit wird ein größerer magnetischer Fluss gewährleistet.
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Allerdings kann es auch zu einem magnetischen Kurzschluss führen, da der magnetische Fluss direkt von einem Ende des Jochs zum anderen Ende des Jochs geführt werden kann, ohne durch die Armatur zu gehen. Dies führt zu einer niedrigeren magnetischen Kraft. Um dieses Problem zu beheben, umfasst das Armaturführungsrohr gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Wandung mit einer Dicke von 0,1 mm bis 0,5 mm. Die dünne Wandung führt zu einem kleineren Fluss durch das Armaturführungsrohr, was die Reduzierung der magnetischen Kraft verhindert. Da die Luftstrecke zwischen dem Joch und der Armatur kleiner ist, ist die magnetische Kraft entsprechend höher. Die Kombination dieser zwei Effekte führt zu einer höheren magnetischen Kraft.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der elektromagnetische Aktor weiterhin ein Gehäuse, wobei das Armaturführungsrohr so ausgestaltet ist, dass es ausschließlich zwischen dem Gehäuse und der Armatur angeordnet ist. In diesem Fall besteht kein Risiko eines magnetischen Kurzschlusses des magnetischen Feldes, da das Armaturführungsrohr nur zwischen dem Gehäuse und der Armatur angeordnet ist, d. h. das Armaturführungsrohr verbindet nicht mehr die beiden Enden des Joches der elektrischen Spuleneinrichtung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der elektromagnetische Aktor weiterhin ein Gehäuse, wobei das Armaturführungsrohr eine Umkantung an dem Ende umfasst, wo die Armatur aus dem Gehäuse herausragt, wobei die Umkantung des Armaturführungsrohrs auf einer Fläche des Gehäuses angeordnet ist.
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Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen wird die Erfindung im Folgenden naher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktors sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktors;
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2 eine perspektivische Darstellung von der anderen Seite aus des in 1 gezeigten erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktors;
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3 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktors;
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4 einen Schnitt durch den in 3 gezeigten elektromagnetischen Aktor,
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5 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktors;
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6 einen Schnitt durch den in 5 gezeigten elektromagnetischen Aktor;
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7 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktor, wenn die elektrische Spuleneinrichtung mit elektrischem Strom beaufschlagt wird;
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8 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktor, wenn die Stromzufuhr zur elektrischen Spuleneinrichtung nicht mehr vorhanden ist;
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9 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktors gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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10 eine graphische Darstellung der magnetischen Kraft in einem elektromagnetischen Aktor gemäß dem Stand der Technik; und
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11 eine graphische Darstellung der magnetischen Kraft in einem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktor.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines elektromagnetischen Aktors 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der elektromagnetische Aktor 10 umfasst ein Gehäuse 9, aus dem ein Ende einer Armatur 1 aus magnetisch leitendem Material herausragt. Die. Armatur 1 ist in einem Armaturführungsrohr (nicht gezeigt) innerhalb des elektromagnetischen Aktors 10 verschiebbar angeordnet. Das Gehäuse 9 umfasst eine Aussparung, in der elektrische Anschlüsse angeordnet sind, die zur Stromversorgung einer elektrischen Spuleneinrichtung (nicht gezeigt) dienen.
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2 zeigt eine andere perspektivische Ansicht des elektromagnetischen Aktors 10 gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung, wobei die Armatur 1 als aus dem Gehäuse 9 herausragend zu sehen ist.
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3 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines elektromagnetischen Aktors gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Der elektromagnetische Aktor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Armatur 1 aus magnetisch leitendem Material, die in einem Armaturführungsrohr 2 in Richtung der Längsachse des Armaturführungsrohres 2 verschiebbar angeordnet ist. In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist das Armaturführungsrohr 2 hohl und zylindrisch ausgebildet.
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Der elektromagnetische Aktor umfasst weiterhin eine elektrische Spuleneinrichtung, die das Armaturführungsrohr 2 zumindest teilweise umgibt. Die elektrische Spuleneinrichtung in dieser Ausführungsform besteht aus Spulenwicklungen 3, die um ein Element 4 aus isolierendem Material gewickelt sind. Ein vorzugsweise C-förmiges Joch 5 nimmt die um das isolierende Material 4 gewickelten Spulenwicklungen 3 auf. Die elektrische Spuleneinrichtung 3, 4, 5 wird von einer Stromquelle über elektrische Anschlüsse 7 versorgt, die in einer Ausnehmung vom Gehäuse 9 angeordnet sind.
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Das Armaturführungsrohr 2 verbindet beide Enden des Joches 5 miteinander, sodass ein magnetisches Feld, das von der elektrischen Spuleneinrichtung erzeugt wird, vom Armaturführungsrohr 2 von einem Ende des Jochs 5 über die magnetisch leitende Armatur 1 zum anderen Ende des Joches 5 geleitet wird.
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Ein Gehäuse 9 umschließt das Joch 5 und das durch das Joch 5 geführte Armaturführungsrohr 2 weist eine Umkantung 2' auf, die an dem Ende des Armaturführungsrohres 2 angeordnet ist, wo die Armatur 1 aus dem Gehäuse 9 herausragt, wobei die Umkantung 2' auf einer Fläche des Gehäuses 9 angeordnet ist.
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Zwischen der Armatur 1 und dem Gehäuse 9 ist eine Feder 8 angeordnet, die so ausgestaltet ist, dass bei Unterbrechung der Stromzufuhr zur elektrischen Spuleneinrichtung 3, 4, 5 die Armatur 1 zu einer Ruheposition gedrückt wird.
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Erfindungsgemäß ist das Armaturführungsrohr 2 aus einem magnetisch leitenden Edelstahl. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Armaturführungsrohr 2 aus einem ferritischen Edelstahl, wie beispielsweise dem feqrritischen Edelstahl X6Cr17 1.4016.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Armaturführungsrohr 2 eine Wandung mit einer Dicke von 0,1 mm bis 0,5 mm. Die dünne Wandung führt zu einem kleineren Fluss durch das Armaturführungsrohr, was die Reduzierung der magnetischen Kraft verhindert. Da die Luftstrecke zwischen dem Joch und der Armatur kleiner ist, ist die magnetische Kraft entsprechend höher. Die Kombination dieser zwei Effekte führt zu einer höheren magnetischen Kraft. Dies ermöglicht es, den durch den magnetischen Kurzschluss verursachten Verlust in der magnetischen Kraft vom elektromagnetischen Aktor vollständig auszugleichen und eine größere magnetische Kraft des elektromagnetischen Aktors zu erreichen.
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4 zeigt einen Schnitt durch den elektromagnetischen Aktor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das Gehäuse 9 nicht dargestellt ist.
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5 zeigt einen Querschnitt durch einen elektromagnetischen Aktor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der elektromagnetische Aktor gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem elektromagnetischen Aktor gemäß der ersten Ausführungsform zum einen durch die Form des Gehäuses 9. Darüber hinaus weist das Armaturführungsrohr 2 keine Umkantung auf.
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6 zeigt einen Schnitt durch den elektromagnetischen Aktor gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das Gehäuse 9 nicht dargestellt ist.
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7 zeigt einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktor, wobei die elektrische Spuleneinrichtung 3, 4, 5 mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird, sodass die Armatur 1 in Richtung der Längsachse des Armaturführungsrohres 2 bewegt wird. In dem dargestellten Fall wird die Armatur 1 gegen das Gehäuse 9 bewegt, sodass die Feder 8 komprimiert ist.
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8 zeigt einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktor, wobei die Stromzufuhr zur elektrischen Spuleneinrichtung 3, 4, 5 gestoppt wurde. Die Feder 8 ging dadurch von einem komprimierten Zustand, der in 7 dargestellt ist, zu einer Ruheposition. Dabei ging die Armatur 1 von ihrer in 7 dargestellten Position in Richtung der Längsachse des Armaturführungsrohres zu einer Ruheposition.
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9 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Armaturführungsrohr 12 ist so ausgestaltet, dass es ausschließlich zwischen dem Gehäuse 9 und der Armatur 1 angeordnet ist. Somit wird die galvanisierte Schicht auf den metallischen Teilen, wie z. B. dem Gehäuse 9, vor der Korrosion geschützt. Es besteht kein Risiko, dass ein magnetischer Kurzschluss zwischen den beiden Enden des Joches entsteht, weil das Armaturführungsrohr 12 ausschließlich zwischen dem Gehäuse 9 und der Armatur 1 angeordnet ist, d. h. nur an einem Ende des Aktors angeordnet ist.
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10 zeigt eine graphische Darstellung der magnetischen Kraft in einem elektromagnetischen Aktor gemäß dem Stand der Technik, wo das Armaturführungsrohr aus einem herkömmlichen Edelstahl hergestellt wird.
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11 zeigt hingegen die magnetische Kraft in einem elektromagnetischen Aktor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wo das Armaturführungsrohr aus einem magnetisch leitenden Edelstahl besteht. Die Simulation wurde für unterschiedliche Parameter ausgeführt, wie beispielsweise den Durchmesser der Armatur und die Dicke der Hülse. Aus dem Vergleich der
10 und
11 ist ersichtlich, dass die magnetische Kraft in dem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktor um zwischen 20% und 30% höher ist als in einem herkömmlichen elektromagnetischen Aktor. Bezugszeichenliste
| 1 | Armatur |
| 2 | Armaturführungsrohr |
| 2' | Umkantung |
| 3 | Spulenwicklungen |
| 4 | isolierendes Material |
| 5 | Joch |
| 7 | elektrische Anschlüsse |
| 8 | Feder |
| 9 | Gehäuse |
| 10 | elektromagnetischer Aktor |
| 12 | Armaturführungsrohr |
