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Als Antrieb von Bearbeitungswerkzeugen dienende kurbel- und schwungradlose
Brennkraftmaschine mit elektromagnetischer Beeinflussung der Kolbenwege und der
Kolbengeschwindigkeit Die Erfindung verfolgt das Ziel, die Leistung von als Antrieb
von Bearbeitungswerkzeugen dienenden kurbel- und schwungradlosen Brennkraftmaschi.nen
mit frei fliegendem Arbeitskolben, dessen Kolbenstange gleichzeitig den Kern eines
oder mehrerer Solenoide bildet, dadurch zu steigern, daß zunächst der Rückhub des
Kolbens durch Einwirkung elektromagnetischer Kräfte bei: gleichzeitiger Kompression
des Arbeitsmittels im Verbrennungsraum erfolgt und anschließend der Arbeitshub durch
Verbrennung fester, vergaster, gasförmiger oder flüssiger Treibmittel durchgeführt
wird, wobei auf den Arbeitskolben zusätzlich in Richtung seiner Arbeitsbewegung
elektromagnetische Kräfte ausgeübt werden.
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Zur Ausführung von Einzelschlägen mit größerem zeitlichem Abstand
kann nach unter Einwirkung von elektromagnetischen Kräften vollzogenem Rückhub die
kinetische Energie in Kompressionsarbeit umgewandelt und diese durch Arretierung
des Kolbens bis zum Zeitpunkt des Schlages gespeichert werden.
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Die mit frei fliegendem Arbeitskolben ausgerüstete Brennkraftmaschi.ne
kann doppelt wirkend ausgebildet sein, wobei es sich empfiehlt, die Solenoide beiderseits
des Verbrennungszylinders anzubringen. J..etztere können auch innerhalb des Kolbenkörpers
angeordnet sein, wobei der Zylindermantel als Ankerteil wirkt, während die Stromzuführung
durch die hin-und hergehende Kolbenstange erfolgen kann. Es besteht auch die Möglichkeit,
die Solenoide innerhalb eines ortsfesten Kolbenkörpers vorzusehen, so daB der Verbrennungszylinder
als beweglicher Anker arbeitet.
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Zwecks Steigerung der elektromagnetischen Wirkung der Solenoi.de können
diese mit einem inneren und äußeren Anker ausgerüstet werden, von denen der innere
von der Kolbenstange und der äußere von einem teilweise oder ganz die Magnetspule
umschließenden Mantel aus magnetisierbarem Material gebildet wird. Durch Zahnstangen
und Umkehrzahnräder mit ortsfesten Drehachsen sind die Anker bewegungsschlüssig
miteinander verbunden, so daß sie bei einem Stromstoß im magnetischen Kraftlinienfeld
gegenläufige Bewegungen ausführen.
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Die Zuführung oder Einspritzung der festen, vergasten, gasförmigen
oder flüssigen Treibmittel sowie der natürlichen oder synthetisch hergestellten
Sauerstoffträger in die Verbrennungskammer erfolgt durch einen elektromagnetisch,
angetriebenen Kolben, wobei durch Steuerung des Elektromagneten die zugeführte Menge
und die Zuführungsgeschwindigkeit geregelt werden kann.
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Zur Erzielung besonderer Wirkungen, z. B. langer Kolbenwege während'
des gleichen Arbeitshubes, kann die Zuführung oder Einspritzung von Treibmitteln
sowie von natürlichen oder synthetisch hergestellten Sauerstoffträgern in den Verbrennungsraum
mehrfach erfolgen.
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Zur zeitlichen Dehnung des unter elektromagnetischer Schlagwirkung
stehenden Einspritzvorganges von flüssigem Treibstoff und Sauerstoffträgern können
diese zunächst in eine mit einem Rückschlagventi.l ausgerüstete Brennstoffvorkammer
mit unter regelbarer Federkraft stehenden Kolben hineingepreßt werden.
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Die Brennkraftmaschine nach dem Erfin.dungsged'anken soll als Antrieb
von Rammen, Bodenverdichtern u. dgl. dienen, sie kann außerdem verwandt werden als
Pflaster- oder Straßendeckenaufreißhammer, als Bohr-, Stopf- oder Spatenhammer und
weiterhin bei der Herstellung von Tiefbohrungen. Sie läßt sich auch bei Abstützung
an einer Spannsäule u. d'gl. mit Erfolg über oder unter Tage im Bergbau einsetzen,
um z. B. spreizbare, meißelförmige Werkzeuge schlagartig um einen größeren Betrag
in die Kohlefront einzutreiben und um sie dann anschließend unter der gleichen Kraftwirkung
unter Loslösen der Kohle wieder herauszureißen. Auch Gesteinsschichten lassen sich
mit ähnlichen Einrichtungen lösen und brechen.
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Besonders vorteilhaft läßt sich die Brennkraftmaschine als kraftabgebendes
Glied bei Einrichtungen zur Ausführung technologischer Prozesse verwenden, von denen
einige hier als Beispiel .genannt seien: wie Biegen, Ziehen, Prägen, Pressen, Stanzen
sowie Nieten, Schneiden, Walzen mittels Flachbacken, Räumen, beim Spritzgießen u.
dgl. Die Umformungen können hierbei im kalten sowie im warmen Zustand erfolgen.
Das zu verarbeitende Material kann unterschiedliche
Festigkeit
besitzen, -es kann metallisch oder auch nichtmetallischer-Natur sein.
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Bei all diesen Verfahren, deren Aüfzählung naturgemäß hier keimen
Anspruch auf Vollständigkeit erheben kann, findet die Energieerzeugung und -abgabe
durch Zuführung eines natürlichen oder synthetischen Sauerstoffträgers einerseits
sowie von festen, flüssigen oder gasförmigen Treibstoffen andererseits in dem Antrieb
selbst statt, während seine Steuerung sowie eine zusätzliche Steigerung seiner Schlag-
und Druckleistung elektromagnetisch erfolgt. Der kurbel- und schwungradlose Antrieb
kann hierbei jede beliebige Lage im Raum einnehmen.
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Es sind bereits Einrichtungen bekannt, die mit Treibstoffen in den
verschiedenen Aggregatzuständen arbeiten und bei denen die Energieerzeugung im Werkzeug
oder am Ort der Arbeit erfolgt. Es werden z. B. für die Durchführung spanloser Fertigungsverfahren
Werkzeugen feste Treibladungen zugeführt, wo sie dann nach Entzündung starke Kraftwirkungen
ausüben. Außer dem werden die bekannten Brennkraftrammen mit vergast angesaugten
oder eingespritzten Treibstoffen betrieben. Es wurde auch bereits vorgeschlagen,
eine Stoßmaschine, also ein Bearbeitungsgerät mit hin- und hergehenden Bewegungen
nach dem Prinzip des B.rennkraftmotors arbeiten zu lassen.
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Bei allen diesen bekannten, ebenfalls kurbel- und schwungradlosen
Einrichtungen werden die Kraftimpulse für die hin- und hergehende Bewegung eines
Kolbens ausschließlich auf thermischem Wege erteilt. Um einen Rückhub oder eine
kontinuierliche hin- und hergehende -Bewegung zu bewerkstelligen, müssen die Treibmittel
entweder gegen elastische Glieder und bei Rammen z. B. gegen die Schwerkraft arbeiten
oder beiderseits eines Kolbens im entgegengesetzten Sinn zur Wirkung gelangen. Besondere
Schwierigkeiten bereitet bei diesen kurbellosen Motoren das Aufladen des Druckmi:ttelraumes,
das Anwerfen, was durch gespeicherte und verdichtete Luft oder Abgase, durch zusätzliches
Abbrennen von flüssigen oder festen, .gasbildenden Stoffen, durch Auslösen von federnden
Organen oder bei gegen die Schwerkraft arbeitenden Geräten durch Anheben erfolgen
muß.
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Bei der als Antrieb dienenden Brennkraftmaschine nach dem Erfindungsgedanken
wird der der durch Verbrennung erzeugten Kolbenbewegung entgegen wirkende Rückhub
mittels magnetischer Kräfte bewerkstelligt. Letztere können dann bei Umkehr der
Richtung des durch die Magnetspulen fließenden Stromes beim Schlaghub die Kolbengeschwindigkeit
und die Schlagenergie durch Su.mmierung der Wirkungen noch wesentlich . steigern.
Da die auf den Kolben beim Rückhub ausgeübten magnetischen Einflüsse es gestatten,
die Kolbenkräfte, die Kolbengeschwindigkeit, den Kolbenweg und damit die Verdichtung
mittels eines Steuermechanismus zu beeinflussen, man außerdem in der Lage ist, ebenfalls
mittels einer in ihrer Wirkung einstellbaren Magnetkolbenpumpe die Treibstoffzufuhr
mengenmäßig und in der zeitlichen Folge zu regeln, bietet die Kombination des nach
einem wärmetechnischen Prozeß sich abwickelnden Schlaghubes mit einem unter magnetischer
Wirkung- stehenden Rückhub erhebliche Vorteile gegenüber bekannten Konstruktionen,
einerseits hinsichtlich der Steuermöglichkeiten (magnetisches Anwerfen, Regelung
der Kolbenwege, der Schlagstärke sowie des zeitlichen Abstandes der Schläge und
somit der Schlagfrequenz, mehrere Treibstoffeinspritzungen, insbesondere bei größeren
Hüben), andererseits hinsichtlich der Leistung (Summierumg der thermischen und magnetischen
Wirkungen, Ausnutzung des Vor- und Rückhubes) sowie der Bedienbarkeit (leichte und
schnelle Einstellung des Steuermechanismus, Fernsteuerung).
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Bei dem kurbel- und schwungradlosen Antrieb nach dem Erfindungsgedanken
ist also eine weitgehende elektrische Anpassung an den Ablauf des Verbrennungsprozesses
im Zylinder beim Arbeitshub (Summierung der thermischen und magnetischen Wirkungen)
und beim Rückhub hinsichtlich der Erfordernisse bei-Spülung, Verdichtung oder beim
Laden möglich.
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Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind schematisch
in der Zeichnung dargestellt, wo bedeutet Abb.1 einen Schnitt durch eine als Antrieb
dienende, im Zweitaktverfahren arbeitende kurbel-und schwu.ngradlose Brennkraftmaschine,
bei der der Kolben von einer Kolbenstange getragen wird, deren aus dem Zylinder
herausragender Abschnitt gleichzeitig den Kern eines Solenoides bildet, Abb. 2 die
Ansicht einer doppelt wirkenden kurbel-und sch-,vungradlosen Brennkraftmaschine
mit beiderseits des Zylinders angeordneten Solenoiden, Abb. 3 eine Arretierungseinrichtung
für den Kolben zur mechanischen Speicherung der kinetischen Energie des Rückhubes,
Abb.4 ein Solenoid der Brennkraftmaschdne mit gegenläufig sich bewegendem innerem
und äußerem Ankerteil, Abb. 5 einen senkrecht zur Mittelachse verlaufenden Schnitt
durch das Solenoid und die inneren und äußeren Ankerteile nach der Linie A-A der
Abb. 4.
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In dem Verbrennungszylinder 1 der Abb. 1 ist der auf der Kolbenstange
5 befestigte Leichtkolben 4 angeordnet. Die Kolbenstange 5 ist auf der linken Seite
des Zylinders in einer Stopfbüchse geführt. Wenn keine äußeren Kräfte einwilrkem,
zieht eine Zugfeder 50 den Kolben in die in der Abbildung dargestellte Lage, in
der die Spülöffnung 48 und die Abgasöffnung 49 freigegeben sind. Der aus der Stopfbüchse
herausragende Teil der Kolbenstange dient als Anker 3 des Solenoides 2, das mit
dem Zylinder 1 starr verbunden ist und über die elektrischen Leitungen 7 und 8 gespeist
wird.
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Da der Anker 3 und die Kolbenstange 5 aus magnetischem Material bestehen,
empfiehlt es sich, den magnetischen Fluß .durch ein Zwischenstück 6 aus nichtmagnetischem
'.Material zu unterbrechen. An Stelle der in dem Gehäuse 45 angeordneten Magnetspule
2 können auch mehrere dicht nebeneinander oder in einem gewissen Abstand angeordnete
Spulen treten, die gleichzeitig oder nach einer den erwünschten Bewegungs- und Beschleunigungsverhältnissen
entsprechenden Charakteristik mit Strom versorgt werden. Das Solenoid 2 bewegt nun
beim StromduTchgang gegen die Kraft der Zugfeder 50 den Kolben 4 in Richtung des
Verbrennungsraumes 9 des Zylinders 1 und verdichtet hierbei die Luft. Der Treibstoff
wird, nachdem er unter magnetischer Wirkung durch das Solenoid 23 in den unter Belastung
der regelbaren Feder 51 stehenden Raum 12 gepreßt wurde, durch die Leitung 11 der
Zerstäuberdüse 10 zugeführt, durch die er dann in den Verbrennungszylinder gelangt.
Dar eingespritzte Treibstoff verbrennt hierbei, da die Luft vorher entsprechend
verdichtet wurde. Natürlich ist es auch möglich, die Brennkraftmaschine mit geringerer
Verdichtung und einer besonderen Zündeinrichtung arbeiten zu lassen.
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Während des Verbrennungsprozesses wird der Kolhen
nach
links geschleudert, hierbei wird die Luft in dem Raum unterhalb des Kolbens verdichtet.
Gelangt der Kolben dann in die in der Abbildung ,gezeigte Lage, so wird die verdichtete
Luft durch die Öffnung 47 über die Leitung 46 und den Spülschlitz 48 nach der Verbrennurugskammer
9 geleitet und sorgt hier, da der Auspuffschlitz 49 gleichfalls freigegeben, für
die entsprechende Spülung.
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Die magnetische Brennstoffpumpe besteht aus dem Zylinder 20, in dem
der auf der Kolbenstange 24 befestigte Förderkolben 22 durch das Solenoid, 23 gesteuert
wird. Die Stromzuführung erfolgt durch die Zuleitungen 25 und 26. Auch bei der Brennstoffpumpe
wirkt ein Teil der Kolbenstange 24 als Anker des Salenoides. Die Kolbenstange 24
und der Kolben 22 werden durch die Zugfeder 21 in Richtung des Solenoides 23 gezogen.
In der linken Totlage wird dann die Treibstoffzuleitung 19 freigegeben, durch die,
da in der linken Totlage über dem Kolben 22 ein Unterdruck herrscht, der Treibstoff
aus einem Vorratsbehälter angesaugt wird. Der Treibstoffpumpenzylinder 20 ist durch
die Zwischenwand 17 in einen Saugraum (links) und in einen Druckraum 12 (rechts)
unterteilt. In der Zwischenwand 17 ist zentral eine Bohrung 18 angeordnet, die durch
das Rückschlagventil 16 abgeschlossen werden kann. In der Brennstoffvorkammer 12
kann der überdruck des durch den Kolben 22 hineingepreßten Treibstoffes durch den
zusätzlichen Kolben 13, die Druckfeder 51 und die Regulierschraube 15, auf der der
Federteller 14 abgestützt ist, so eingeregelt werden, daß die Einspritzung des Treibstoffes
durch die Zerstäuberdüse 10 sich über einen kürzeren oder über einen längeren Zeitabschnitt
erstreckt, also in ,gewünschter Form erfolgt. Da der Kern 24 des Solenoides 23 beim
Schließen des Spulenstromkreises das Treiböl schlagartig durch die Öffnung 18 in
die Brennstoffvorkammer 12 preßt, ist dieser Druckausgleich, durch den federbelasteten
überd@ruckk-olben 13 erforderlich. Für den Betrieb der Brennkraftmaschine können
auch mehrere der beschriebenen Brennstoffpumpen gleichzeitig zur Anwendung gelangen,
wobei eine der Pumpen den Brennstoff und eine weitere z. B. einen synthetischen
Sauerstoffträger zuführt.
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Zur Ausführung leichterer Schläge kann auch ohne Brennstoffzufuhr
gearbeitet werden. Das Solenoid 2 bewegt hierbei, den Anker 3 und damit auch die
Kolbenstange, 5 und den Kolben 4 entgegen der eigentlichen Arbeitsrichtung zunächst
in .die rechte Endstellung, verdichtet hierbei in dem Zylinder 1 die Luft und speichert
dadurch vorübergehend die kinetische Energie des Rückhubes, so daß sie für den Arbeitshub
mitausgenutzt werden kann. Nach Erreichen der rechten Endstellung wird dann durch
geeignete elektrische Steuereinrichtungen, die zweckmäßig in bekannter Weise in
Abhängigkeit von der Bewegung der Kolhenstan.ge gebracht werden, der Strom in de-in
Solenoid 2 in seiner Richturig so umgekehrt, daß der Anker 3 in der Arbeitsrichtung
(in der Abbildung nach links) beschleunigt wird, wobei sich die kinetischen Energien
des Rückhubes und des Arbeitshubes summieren.
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Zur Steigerung der Schlagleistung werden dann in vorstehend bereits
beschriebener Weise der Brennkammer 9 genau dosierte Mengen fester, gasförmiger
oder flüssiger Treibstoffe zugeführt. Diese Zuführung erfolgt in der Regel periodisch,
sie kann jedoch auch in einer Einzeldosierung vorgenommen werden.
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Um die Brennkraftmaschine als Antrieb in der eingangs erwähnten Weise
zu verwenden, wird sie entweder als selbständige Arbeitsmaschine eingesetzt, z.
B. zum Hereingewinnen von Kohle, oder ihr Zylin der 1 wird in dem Gestell einer
liegenden oder stehenden Presse, einem Bügel, einer Stampframme od. dgl. verankert.
Die Fortsetzung der Kolbenstange 5, also der Kern 3, wird hierbei Träger des Werkzeuges,
eines Werkzeugteiles od. dgl., er kann für bestimmte Zwecke auch als Hammerbär ausgebildet
sein. Kolbenstange 5 und Kern 3 können auch zur Verwertung der Abgase, z. B. zum
Ausblasen von Bohrungen u. dgl., mit einer Längsbohrung versehen werden.
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Ein weiteres Beispiel einer Brennkraftmaschine nach dem Erfindungsgedanken,
die hinsichtlich ihrer Wirkung ähnlich wie bereits beschrieben arbeitet, zeigt die
Abb. 2. Um gleich. große Kräfte beim Vor- und Rückhub des Kolbens und der Kolbenstange
zu erwirken, ist hier die Brennkraftmaschine doppelt wirkend ausgebildet. Der Kolben
4 wird von der Kolbenstange 5 getragen und ist in dem Zylinder 1 geführt, der beiderseitig
Deckel mit den Stopfbüchsen 28 und 28' trägt. Beiderseits des Zylinders 1 sind weiterhin
die Solenoide 2 und 2' mit den Stromzuführungen 7 und 8 sowie 7' und 8' angeordnet.
Die Kerne 3 dieser Solenoide sind, wie dies in der Abb. 1 bereits gezeigt, durch
ein Zwischenstück 6 gegenüber der Kolbenstange 5 magnetisch isoliert. Die Befestigung
der ;Magnetspulen 2 ,und 2' auf den Zylinderdeckeln erfolgt mittels mehrerer Distanzbolzen
27 und 27', die zwischen Spulengehäuse und Zylinderdeckel einen Zwischenraum schaffen,
der es gestattet, die für den wärmetechnischen Prozeß erforderlichen Steuereinrichtungen
unterzubringen, z. B. die Brennstoffeinspritzdüsen 10 und 10', die über die Zuleitungen
11 und 11' gespeist werden. Die in dem Zylinder 1 vor und hinter dem Kolben 4 vorhandenen
Brennkammern sind in der Abbildung mit 9 und 9' bezeichnet. Die Wirkungsweise der
doppelt wirkenden Brennkraftmaschine ist nun ähnlich wie bereits beschrieben, nur
daß die Solenoi,de 2 und 2' .durch eine Schaltwalze so gesteuert werden müssen,
daß sich auch hier die magnetischen und thermischen Wirkungen summieren.
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Die Abb. 3 veranschaulicht eine ebenfalls magnetisch gesteuerte Arretiervorri.chtung
für den Kolben bzw. die Kolbenstange nach erfolgter Verdichtung der Luft. Diese
Einrichtung ist vorzugsweise vorgesehen für Einzelschläge. Die Kolbenstange oder
der Kern 3 ist mit einer Einkerbung 29 versehen, in die nach vollzogenem Rückhub
(Verdichtung der Luft, Spannen der Zugfeder) ein radial angeordneter :und in dem
Deckel 30 sowie dem Gehäuse 35 geführter Stößel 31 mit einer Schneide 32 unter Wirkung
der Druckfeder 34 einrasten kann. In den Stößel 31 ist nun eine Aussparung33 eingearbeitet,
deren eine innere Seitenwand im Sinne der Abbildung geneigt ist. In diese Aussparung
33 kann nun bei Betätigung des Hilf ssolenoides 37, das durch die beiden Winkel
40 mit dem Arbeitszylinder 1 verbunden ist und das die Zuleitungen 38 und 39 trägt,
dessen .mit einer Abschrägung versehener Kern 36 eindringen, wobei durch die hierbei.
auftretende Keilwirkung der Stößel 31 so angehoben wird, d-aß er aus der
Kerbe 29 ausrastet und die Kolbenstange freigibt. Da der Kern 36 schlagartig beim
Einschalten des Stromes den Stößel 33 verschiebt, erfolgt die Freigabe .der gespeicherten
Energie des Rückhubes in einem sehr kurzen Zeitabschnitt. Die elektromagnetische
Steuerung der Arretierung bietet besondere Vorteile, da hierdurch leicht eine Synchronisierung
mit der ebenfalls magnetisch gesteuerten Brennstoffeinspritzung und den Wirkungen
der Solenoide erreicht werden kann.
Die Kraftwirkung der Solenoide
kann bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen noch durch zusätzliche
Anordnung von äußeren Ankerteilen 44 und 44' nach den Abb. 4 und 5 gesteigert werden,
die mantelförmig geschlossen oder in Abschnitten die Magnetspulen 2 umhüllen. Die
äußeren Ankerteile 44 und 44' tragen als Führung bei ihrer Längsbewegung und zur
Übertragung dieser Bewegung Zahnstangen 43 und 43', die mit den Zahnrädern 41 und
41' in ständigem Eingriff stehen. Die Drehachsen dieser Zahnräder sind in den mit
dem Solenoidgehäuse 45 starr verbundenen Böcken 42 und 42' gelagert. Der innere
Ankerteil, der Kern 3, trägt ebenfalls beiderseitig die Verzahnungen 52, die mit
41 und 41' gleichfalls im Eingriff stehen. Da einerseits bei einem Stromimpuls entsprechend
dem magnetischen Kraftlinienfluß der innere Ankerteil 3 (Kern) und die äußeren Ankerteile
43 und 43' (Mantel) gegenläufige Bewegungen ausführen und andererseits durch die
Zahnstangen und Zahnräder ein Bewegungsschluß herbeigeführt wird, läßt sich die
Gesamtwirkung des Solenoides entsprechend steigern.