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Stand der Technik
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DE 196 50 865 A1 bezieht
sich auf ein Magnetventil zur Steuerung des Kraftstoffdruckes in
einem Steuerraum eines Einspritzventils, etwa eines Common-Rail-Einspritzsystems. Über
den Kraftstoffdruck im Steuerraum wird eine Hubbewegung eines Ventilkörpers
gesteuert, mit dem eine Einspritzöffnung des Einspritzventils
geöffnet oder geschlossen wird. Das Magnetventil umfasst
einen Elektromagneten, einen beweglichen Anker und ein mit dem Anker bewegtes
und von einer Ventilschließfeder in Schließrichtung
beaufschlagtes Ventilglied, das mit dem Ventilsitz des Ventilgliedes
zusammenwirkend, den Kraftstoffausstoß aus dem Steuerraum
steuert.
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Kraftstoffinjektoren,
die an Hochdruckspeichereinspritzsystemen (Common-Rail) eingesetzt werden,
können auch einen zweiteilig aufgebauten Anker aufweisen,
der ebenfalls durch ein Magnetventil betätigt wird. Der
Anker übt in jedem Falle im stromlosen Fall des Magnetventils
die Schließkraft auf eine Ventilkugel aus. Wird der Elektromagnet
bestromt, bewegt sich der Anker um den Ankerhub nach oben, entgegen
der auf die Ventilkugel wirkenden Schließkraft, und ein
Abströmventil öffnet. Eine Ankerführung,
die fest im Injektorkörper des Kraftstoffinjektors verschraubt
ist, nimmt den Ankerbolzen auf. Auf dem Ankerbolzen wird die Ankerplatte
geführt, die ihrerseits vom Elektromagneten angezogen wird.
Der Ankerbolzen kann aufgrund des Führungsspieles in der
Ankerführung kippen. Die Ankerplatte ihrerseits kann auf
dem Ankerbolzen verkippen, so dass sich die Gesamtkippung der Baugruppe
Ankerbolzen/Ankerplatte in Bezug auf die Injektorhauptachse als
Summe der Führungsspiele bestimmen lässt.
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Bei
Kraftstoffinjektoren, die mittels Magnetventil betätigt
werden, wird ein Restluftspalt zwischen der Ankerplatte und der
unteren Stirnseite der Magnetspule in der Regel durch Einlegen einer
Restluftspaltscheibe aus einem nicht-magnetischen Material, die
eine klassierte Einstellscheibe darstellt, eingestellt. Über
den Restluftspalt soll ein Kleben der Ankerplat te an der bestromten
Magnetspule verhindert werden, um ein verzögertes Ansprechen
des Magnetventils am Kraftstoffinjektor zu vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, anstelle einer Restluftspaltscheibe, die ein separates und
hochgenau bearbeitetes Bauteil darstellt, diesen Restluftspalt über
einen Ansatz oder eine Stufe, die bevorzugt an einer den Magnetspulen
des Magnetventils gegenüberliegenden Planseite der Ankerplatte
ausgebildet wird, einzustellen. Damit entfällt die hochgenau
bearbeitete, eine klassierte Einstellscheibe darstellende Restluftspaltscheibe,
so dass die Herstellkosten des Magnetventils bei Entfall dieses hochgenau
bearbeiteten Bauteiles drastisch gesenkt werden können.
Durch einen Absatz beziehungsweise eine Stufe an der der Magnetspule
gegenüberliegenden Planseite der Ankerplatte entsteht ein
Absatz beziehungsweise eine Stufe, die derart ausgelegt wird, dass
die Ankerbaugruppe durch die sich einstellende hydraulische Dämpfung
so stark gedämpft wird, dass dieser nur noch so schnell
an der Stirnseite des Magnetkerns der Magnetbaugruppe anschlägt,
dass weder Anker noch der Magnetkern geschädigt werden
und Prellerscheinungen unterdrückt werden.
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Ein
weiterer Nachteil des aus
DE
196 50 865 A1 zum Beispiel bekannten Magnetventils liegt
darin, dass im Falle eines verkippt im Magnetventil aufgenommenen
Ankers dieser beim Öffnen einseitig auf eine Kante der
hochgenau bearbeiteten Restluftspaltscheibe aufschlägt.
Dies führt auf Dauer zu einer Schädigung der in
der Regel 50 μm dicken Restluftspaltscheibe. Wird der Restluftspalt über
einen eingeschliffenen Absatz realisiert, stehen weniger Verformungen
des Absatzes aufgrund der höheren Materialfülle
zu erwarten.
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Vorteilhaft
beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hubanschlag über
einen Absatz im Anker ist der Umstand, dass aufgrunddessen die von der
Magnetspule des Magnetventils erzeugte Magnetkraft eine leichte
Erhöhung erfährt. Dadurch kann der Strom durch
die Magnetspule abgesenkt werden und die Boostzeit, die Zeit, während
der eine erhöhte Boostspannung anliegt, verkürzt
werden. Durch einen abgesenkten Strom ergibt sich eine niedrigere Wärmebelastung
der Magnetspule und des diese ansteuernden Steuergerätes.
Daraus wiederum ergibt sich, dass das Steuergerät entsprechend
der an dieses geforderten Anforderungen kostengünstig ausgeführt
werden kann.
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Bleibt
der Ankerstrom konstant, kann der Anker kleiner ausgeführt
werden, was zu einem die Baugröße des Magnetventils
vorteilhaft beeinflussenden kleinerbauenden Anker führt.
Eine kleinere Masse des Ankers wiederum ergibt eine geringere Sitzbelastung,
eine kleinere Ankerfläche führt zu einem geringeren
hydraulischen Einfluss auf die Ankerbewegung.
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
hat den potenziellen Nachteil, dass der Anker in der oberen Position
am Magneten „kleben” bleibt, da der Abstand zwischen
dem Absatz auf dem Anker, d. h. auf dessen oberer Planseite und
dem Magnettopf auf Null sinkt. Mit Hilfe einer Magnetkraftsimulation kann
jedoch gezeigt werden, dass der Kraftaufbau bei der vorgeschlagenen
Lösung nur geringfügig schneller und der Kraftabbau
geringfügig langsamer ist. Durch eine Anpassung der Ansteuerung
können demnach gleiche Schaltzeiten erreicht werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung ist auf der Oberseite des Magnetankers, d. h. auf
der Planseite, die der Magnetspule im Magnetkern zuweist, im radial
innenliegenden Bereich ein Absatz spanabhebend gefertigt, der exakt
die Höhe des erforderlichen Restluftspaltes hat. Wird die
Magnetspule nun bestromt, so erfolgt ein Anziehen des Ankers durch
den Elektromagneten. In der oberen Hubposition des Ankers, die durch
den in diesen eingeschliffenen Absatz vorgegeben wird, bleibt über
den Großteil der Ankeroberseite ein Restluftspalt bestehen,
so dass der Absatz, der zum Beispiel in die obere Planseite der
Ankerscheibe der Ankerbaugruppe eingeschliffen oder eingedreht wird,
die Funktion der entfallenen Restluftspaltscheibe übernimmt.
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Wird
der Absatz radial innenliegend in Bezug auf die obere Planseite
beziehungsweise deren Durchmesser ausgeführt, so geht dies
mit dem Vorteil einer kleineren Oberfläche und damit eines
kleineren Einflusses auf die hydraulische Dämpfung einher.
Durch Abrunden von Absatzkanten kann vermieden werden, dass bei
einem schräg auftreffenden Anker auf die der Planfläche
der Ankerbaugruppe gegenüberliegende Stirnseite des Elektromagneten Verschleiß oder
Verformung, über die Lebensdauer des Magnetventils gesehen,
auftreten.
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Im
radial innenliegenden Bereich, so zum Beispiel im Bereich des Innenpoles
des Magnettopfes, wird der Absatz eingedreht oder eingeschliffen. Der
Absatz hat genau die Höhe des vorgegebenen Restluftspaltes,
so dass die bisher eingesetzte Restluftspaltscheibe, die diesen
einstellt, entfallen kann. Wird die in den Magnettopf eingelassene
Magnetspule nun bestromt, so wird die Ankerplatte der Ankerbaugruppe
von der Magnetspule angezogen. In der oberen Position der Ankerplatte
der Ankerbaugruppe, die durch den Absatz vorgegeben wird, stellt sich
in radiale Richtung über die Oberseite der Ankerplatte
gesehen der Restluftspalt ein. Die radial innenliegende Position
des Absatzes, z. B. dem Innenpol des Magnettopfes gegenüberliegend,
hat den Vorteil einer kleineren Oberfläche und damit eines
kleineren Einflusses auf die hydraulische Dämpfung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht eines Magnetventiles,
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1.1 eine Darstellung in erheblich vergrößertem
Maßstab der im Innenpol des Magnettopfes gegenüberliegenden
Planseite der Ankerplatte mit eingearbeitetem Absatz und
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2 eine
Gegenüberstellung der Magnetkraft, der Spannung sowie des
Hubweges eines Ankers jeweils mit Restluftspaltscheibe und – wie
erfindungsgemäß vorgeschlagen – mit Absatz
im radial innenliegenden Bereich.
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Ausführungsformen
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1 ist
ein Magnetventil in schematischer Anordnung zu entnehmen.
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Ein
Magnetventil 10, welches insbesondere der Betätigung
eines Kraftstoffinjektors zum Einspritzen von Kraftstoff in selbstzündende
Verbrennungskraftmaschinen dient, umfasst eine Magnetbaugruppe 12.
Die Magnetbaugruppe 12 umfasst im Wesentlichen einen Magnettopf 14 beziehungsweise
einen Magnetkern 14, in den eine Magnetspule 16 eingebettet
ist. Die Magnetspule 16 wird über in 1 nicht
dargestellte Kontaktierungspins bestromt und weist eine Stirnseite 18 auf,
die einer Ankerplatte 24 einer Ankerbaugruppe gegenüberliegt.
Die Ankerbaugruppe umfasst neben der Ankerplatte 24 einen Ankerbolzen 22.
Die Stirnseite 18, die der Ankerplatte 24 gegenüberliegt,
ist durch die Magnetspule 16 in einen Innenpol 30 und
einen Außenpol 32 geteilt. Der Magnettopf 14 der
Ankerbaugruppe 12 umfasst eine Durchgangsöffnung 20,
durch die sich ein Zapfen des Ankerbolzens 22 der Ankerbaugruppe
in axiale Richtung erstreckt.
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Wenngleich
in 1 nicht näher dargestellt, ist die Magnetspule 16 in
einer Einbettung im Magnettopf 14 aufgenommen und so angeordnet,
dass sie möglichst nahe an der Stirnseite 18 des
Magnettopfes 14, die der Ankerplatte 24 zuweist,
ausgerichtet ist. Sowohl der Ankerbolzen 22 sowie die mit
diesem gefügte Ankerplatte 24 als auch Magnetspule 16 und
Magnettopf 14 sind rotationssymmetrisch ausgeführt.
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In
der Darstellung gemäß 1.1 ist
der Bereich zwischen der Stirnseite des Magnettopfes und der diesem
gegenüberliegenden Ankerplatte in vergrößertem
Maßstab herausgezeichnet.
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1.1 zeigt, dass in dieser Ausführungsvariante
die Ankerplatte 24 an einer Fügestelle 50 am Ankerbolzen 22 zum
Beispiel über eine Presspassung gefügt ist. Die
sich in radiale Richtung erstreckende Ankerplatte 24 weist
an ihrer ersten Stirnseite 26 einen Absatz 42 beziehungsweise
eine Erhebung 42 auf, welche dem in 1 dargestellten
Innenpol 30 des Magnettopfes 14 beziehungsweise
des Magnetkerns 14 gegenüberliegt. Die Höhe, über
welche eine Planfläche 46 des Absatzes 42 über
die erste Stirnseite 26 der Ankerplatte 24 hervorsteht,
definiert einen Restluftspalt 52. Dieser ist demnach durch
die Höhe definiert, um welche die Planfläche 46 des
Absatzes 42 beziehungsweise der Erhebung 42 aus
der ersten Stirnseite 26 hinausragt. Die bisher zur Einstellung
des Restluftspaltes 52 erforderliche Restluftspaltscheibe
ist – wie aus 1.1 hervorgeht – entfallen.
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1.1 zeigt des Weiteren, dass die Planflache 46 des
Absatzes 42 eine erste Schräge 44 und eine
zweite Schräge 48 aufweist, um einen scharfkantigen Übergang
zwischen den Enden des im Wesentlichen in Ringform ausgebildeten
Absatzes 42 und der Planfläche 26 zu
vermeiden. Anstelle der in 1.1 angedeuteten
ersten Schräge 44 und der zweiten Schräge 48 könnten
auch Rundungen mit großem Radius vorgesehen sein. Verkippt
die Ankerplatte 24 beziehungsweise die Ankerbaugruppe samt Ankerbolzen 22,
so wird durch die Ausbildung der Schrägen 44 beziehungsweise 48 eine
Beschädigung der Stirnseite 18 des Magnettopfes 14 der
Magnetbaugruppe 12 vermieden, da scharfkantige Übergänge
fehlen. Neben der Möglichkeit einer Beschädigung
ist auch eine Deformation der Stirnseite 18 des Magnettopfes 14 beziehungsweise
des Magnetkerns 14 ausgeschlossen.
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Wird
die Magnetspule 16 am Magnettopf 14 bestromt,
so wird die Ankerplatte 24 von der Magnetspule 16 angezogen.
In der oberen Position der Ankerplatte 24, die durch die
Höhe des Absatzes 42 beziehungsweise die Position
der Planfläche 46 des Absatzes 42 in
Bezug auf die Stirnseite 18 des Magnettopfes 14 gebildet
ist, bleibt über den Großteil der ersten Stirnseite 26 der
Ankerplatte 24 der Restluftspalt 52 bestehen.
Die radial innenliegende Position des Absatzes 42 in Bezug
auf die erste Stirnseite 26 der Ankerplatte 24 hat
des Weiteren den Vorteil, eine kleine Oberfläche darzustellen
und damit einen relativ geringen, wenn nicht vernachlässigbaren
Einfluss auf die hydraulische Dämpfung auszuüben.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
der Ausbildung des Absatzes 42 auf der ersten Stirnseite 26 der
Ankerplatte 24 und deren Auslegung kann die Ankerbaugruppe
durch die hydraulische Dämpfung so stark gedämpft
werden, dass die Ankerplatte 24 nur noch so stark an der
Stirnseite 18 des Magnettopfes 14 anschlägt,
dass weder die erste Planseite 26 der Ankerplatte 24 noch
die Stirnseite 18 des Magnettopfes 14 der Magnetbaugruppe 12 eine
mechanische Beschädigung erfahren.
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Bei
dem vorgeschlagenen Absatz 42 im radial innenliegenden
Bereich der ersten Stirnseite 26 der Ankerplatte 24 ist
zudem der Vorteil erreichbar, dass die Magnetkraft leicht erhöht
wird. Dies gestattet eine Absenkung des durch die Magnetspule 26 fließenden
Stromes in absoluter Höhe sowie eine Verkürzung
der Boostzeit, während der ein erhöhtes Spannungsniveau
anliegt, was zum unerwünschten Erwärmen der Magnetspule 16 beiträgt.
Durch einen im Vergleich zu bisherigen Einsatzfällen abgesenkten
Strom beim Bestromen der Magnetspule 16 ergibt sich eine
niedrigere Wärmebelastung derselben sowie des zugehörigen
Steuergerätes.
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2 zeigt
eine Gegenüberstellung von Magnetkraftverläufen,
Hubwegen und der Bestromungsspannung der Magnetspule 16 für
einen Anker mit Restluftspaltscheibe und mit – wie erfindungsgemäß vorgeschlagen – im
radial innenliegenden Bereich der Stirnseite der Ankerplatte liegendem
Absatz.
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2 ist
zu entnehmen, dass bei einem Anker mit Restluftspaltscheibe die
Magnetkraft entsprechend des Kurvenzuges 60 verläuft.
Der Kurvenzug 60 – aufgetragen über die
Zeit – ist durch ein ausgeprägtes erstes Maximum 62 am
Ende eines Plateaus 66 gekennzeichnet sowie durch ein relatives
Maximum 64, welches im Absolutbetrag geringer ist als das
erste Maximum 62. Bis zum Erreichen des Plateaus 66 ist
die Magnetspule mit einem ersten Spannungsniveau 89.1 bestromt,
vergleiche Verlauf der Spannung (Bezugszeichen 80).
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Nach
Erreichen des Maximums 62 wird die Spannung an der Magnetspule 16 bis
auf ein Niveau eines ersten Spannungsabfalls 82 zurückgenommen und
anschließend erfolgt eine erneute Spannungserhöhung 86,
an die sich ein zweiter Spannungsabfall 84 wieder anschließt.
Diese Spannungserhöhung 86 ist die Ursache für
das Erreichen des Nebenmaximums 74 im Verlauf 70 der
Magnetkraft für einen Anker mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen,
im radial innenliegenden Bereich liegenden Absatz 42 beziehungsweise
der dort angeordneten Erhebung.
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Wie
aus einem Vergleich der beiden Magnetkraftverläufe 60 beziehungsweise 70 für
einen Anker mit Restluftspaltscheibe sowie für den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Anker mit Absatz 42 hervorgeht, verlaufen diese im Wesentlichen ähnlich.
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Bezugszeichen 80 bezeichnet
den Verlauf der Spannung, die an dem Magnetventil 26 der
Magnetbaugruppe 12 angelegt wird. Diese schwankt zwischen
einem ersten Spannungsniveau 87.1, welches nach Erreichen
des Plateaus 66 – abzulesen im Verlauf der Magnetkraft – auf
ein zweites Spannungsniveau 87.2 abfällt. In diesem
zweiten Spannungsniveau 87.2 wird die Spannung entsprechend
des Verlaufes 80 nochmals zurückgenommen, und
zwar zum ersten Spannungsabfall 82, während dessen
sich ein starker Abfall der Magnetkraft einstellt.
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Der
Magnetkräfte 60 beziehungsweise 70 stellen
sich gegen Ende der Spannungserhöhung 86 ein,
an die wiederum sich ein zweiter Spannungsabfall 84 anschließt.
Während des zweiten Spannungsabfalles fallen die Magnetkräfte 60 beziehungsweise 70 entsprechend
des Hystereseverhaltens der Magnetspule 26 nahezu identisch
in Bezug aufeinander ab.
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Mit
Bezugszeichen 90 beziehungsweise 100 sind die
Hubverläufe des Ankers mit Restluftspaltscheibe, vergleiche
Position 90, sowie der Hubverlauf 100 des Ankers
mit Absatz 42 bezeichnet, einander gegenübergestellt.
Ein Vergleich der beiden Hubverläufe 90 beziehungsweise 100 zeigt,
dass sich beim Hub des Ankers mit Ankerplatte 24 mit dem
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Absatz 42 ausgebildet,
ein Zeitgewinn 104 erreichen lässt, da der erfindungsgemäß vorgeschlagene
Anker früher seinen Anschlag an der Stirnseite 18 des
Magnettopfes 14 erreicht.
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Im
Vergleich zum Hubverlauf 90 eines Ankers mit Restluftspaltscheibe,
der eine niedrigere Anstiegsflanke 102 aufweist, verglichen
mit der Anstiegsflanke des Hubverlaufes des Ankers 100 mit
im innenliegenden Radialbereich angeordnetem Absatz 42,
ergibt sich bei diesem eine zeitliche Verzögerung in Bezug
auf das Erreichen des oberen Hubanschlages. Mit Bezugszeichen 102 ist
eine Anstiegsflanke bezeichnet, die beim Hubverlauf 100 für
einen Anker mit Absatz auftritt. Demgegenüber ist mit Bezugszeichen 92 die
Anstiegsflanke des Hubverlaufes 90 für einen Anker
mit Restluftspalt dargestellt.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht hervor,
dass der Kraftaufbau der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung gemäß des Magnetkraftverlaufes 70,
der den Magnetkraftverlauf für einen Anker mit Absatz charakterisiert,
geringfügig schneller erfolgt, im Vergleich zu einer Ausführungsvariante
mit Hubanschlag mit Restluftspaltscheibe, die aus nichtmagnetischem
Werkstoffgefertigt ist. Dieser Kraftaufbau ist in der Darstellung
gemäß 2 durch den Magnetkraftverlauf 60 für
einen Anker mit Restluftspaltscheibe dargestellt. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung erreicht die Ankerplatte 24 der Ankerbaugruppe
früher, d. h. um ein Δt 104, was einem
Zeitgewinn gleichkommt, ihre maximale Position an der Stirnseite 18 des
Magnettopfes 14 bei Bestromung der Magnetspule 16.
Dies bedeutet, dass die Spannung an der Magnetspule 16 der
Magnetbaugruppe 12 ausgehend vom Boostspannungsniveau 87.1 auf
ein geringeres Spannungsniveau, d. h. ein Bordspannungsniveau 87.2,
welches dem zweiten Spannungsniveau entspricht, abgesenkt werden
kann. Die Absenkung erfolgt früher im Vergleich zur Absenkung
eines Spannungsverlaufes bei einem Anker mit Restluftspaltscheibe,
der hier jedoch aus darstellerischen Gründen nicht dargestellt
ist. Durch den schnelleren Kraftaufbau beim Einschalten mit einem
sich einstellenden Magnetkraftverlauf 70 für einen
Anker mit Absatz kann bei dieser Lösung der Strom durch
die Magnetspule 16 früher ausgeschaltet werden.
Dadurch lässt sich ein langsamer erfolgender Kraftabbau
kompensieren, so dass die Schaltzeit des Ankers entsprechend des
Magnetkraftverlaufes 70 für einen Anker mit Absatz
annähernd dieselbe ist.
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Durch
den Anker mit Absatz kann bei gleicher Funktion wie bei einem Anker
mit Restluftspaltscheibe die Magnetbaugruppe 12 kostengünstiger gefertigt
werden.
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
hat den potenziellen Nachteil, dass die Ankerplatte 24 in
der oberen Position am Magnettopf 14 „kleben” bleibt,
da der Abstand zwischen dem Absatz 42 auf der ersten Stirnseite 26 der
Ankerplatte 24 und der Stirnseite 18 des Magnettopfes 14 auf
Null sinkt. Der Kraftaufbau bei der vorgeschlagenen Lösung
ist geringfügig schneller, d. h. die Ankerplatte 24 der
Ankerbaugruppe erreicht früher ihre maximale Position – der
Stirnseite 18 des Magnettopfes 14 bei Bestromung
der Magnetspule 26 gegenüberliegend, wohingegen
der Kraftabbau geringfügig langsamer ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19650865
A1 [0001, 0005]