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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, wie z. B. eines Common-Rail-Hochdruckspeichereinspritzsystems. Über
den Kraftstoffdruck im Steuerraum wird eine Hubbewegung eines Ventilkolbens
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. Dieses wirkt
mit dem Ventilsitz des Magnetventils zusammen und steuert den Kraftstoffabfluss
aus dem Steuerraum.
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Bei
bekannten Magnetventilen wirkt sich nachteilig das im Betrieb vorkommende
Schwingen des Ankers und/oder Prellen des Ventilgliedes aus. Durch
ein Nachschwingen der auf dem Ventilsitz auftreffenden Ankerplatte
nimmt diese eine undefinierte Lage ein. So kommt es bei nachfolgenden
Einspritzungen bei gleicher Ansteuerung jedoch zu unterschiedlichen Öffnungszeiten
des Magnetventils und somit zu einer Streuung des Einspritzbeginns
und der Einspritzmenge. Gemäß
DE 196 50 865 A1 sowie
der Lösung nach
DE
197 08 104 A1 ist der Anker des Magnetventils als zweiteiliger
Magnetanker ausgebildet, um so die bewegte Masse der Einheit Anker/Ventilglied
und damit die das Prellen verursachende kinetische Energie zu verringern.
Der zweiteilig ausgeführte Anker umfasst einen Ankerbolzen
und eine auf dem Ankerbolzen gegen die Kraft einer Rückstellfeder
in Schließrichtung des Ventilgliedes unter Einwirkung ihrer
trägen Masse verschiebbar aufgenommene Ankerplatte, welche
mittels einer Sicherungsscheibe und einer diese umgebenden Sicherungshülse
am Ankerbolzen gesichert ist. Die Sicherungshülse und die
Sicherungsscheibe sind vom Magnetkern umschlossen, wodurch sich
jedoch ein erhöhter Platzbedarf ergibt und was zu einem
höheren Durchmesser im Magnetkern führt. Aufgrund
des höheren Durchmessers des Magnetkerns wiederum ergibt sich
eine Begrenzung des magnetischen Flusses.
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Bei
Magnetventilen zum Einsatz an Hochdruckspeichereinspritzsystemen
(Common-Rail) ist es besonders kostengünstig, den oberen
Hubanschlag des Ventilelementes, d. h. des Ankers einer Ankerbaugruppe,
am Magnetkern auszubilden. Um ein magnetisch oder hydraulisch bedingtes
Kleben zu vermeiden, soll andererseits im aktiven Zustand noch ein
geringfügiger Abstand zwischen dem Ventilelement und dem
Magnetkern bestehen. Zwischen diesen beiden Anforderungen gilt es
einen tragfähigen Kompromiss zu finden. Eine Möglichkeit
besteht darin, die Kontaktfläche zwischen dem Ventilelement und
dem Magnetkern auf einen Bruchteil der gesamten Polfläche
an der Stirnseite des Magnetkerns zu beschränken. Dies
wird dadurch erreicht, dass entweder in die Polfläche des
Magnetkerns oder in eine Polfläche des Ankers ein Absatz
eingeschliffen ist, so dass der verbleibende Luftspalt nur an einem
kleinen Teil der Polfläche tatsächlich gleich
Null ist und ansonsten durch die Höhe des Absatzes vorgegeben ist.
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Dabei
ist zum einen die Dimensionierung der Anschlagfläche schwierig,
da wegen des magnetischen/hydraulischen Kleben eine sehr kleine
Anschlagfläche verlangt wird, die jedoch wieder zum Prellen
des Ventilelementes bei Erreichen seines oberen Hubanschlages führen
kann. Ein weiteres Problem besteht darin, die Haltbarkeit der Anschlagflächen
zu garantieren, insbesondere dann, wenn der Magnetkern aus einem
sehr weichen Material gefertigt ist. Hier sind oftmals wiederum
kostenintensive Zusatzmaßnahmen zur Verbesserung der Standfestigkeit
der Anschlagflächen notwendig.
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Eine
weitere Möglichkeit, einen geringstmöglichen Restabstand
zu gewährleisten und dauerhaft beizubehalten, liegt im
Einlegen einer dünnen, aus amagnetischem Material gefertigten
Scheibe zwischen dem Ventilelement und dem Magnetkern. Diese Scheibe
weist üblicherweise eine Dicke von weniger als 0,1 mm auf.
Die Form dieser Scheibe ist so ausgelegt, dass ein Prellen des Ventilelementes beim
Anschlagen am Magnetkern durch hydraulische Dämpfung vermieden
wird. Bei dieser Lösung kann es beim Schließvorgang
des Magnetventils zum Haften der Scheibe am Ventilelement, d. h.
am Anker und/oder am Magnetkern kommen, wobei die Ausprägung
des sich einstellenden Haftens die Wiederbefüllung des
Spaltes zwischen dem Ventilelement und dem Kern (Quetschspalt) und
damit den Schließvorgang des Ventilelementes beeinflusst.
Die Folge ist eine veränderliche, nicht reproduzierbare
Ventildynamik beim Schließvorgang von Ansteuerung zu Ansteuerung
und/oder von Injektor zu Injektor und/oder über dessen
Lebensdauer.
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Offenbarung der Erfindung
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Durch
die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
kann eine erhebliche Stabilisierung, d. h. eine erhebliche Verbesserung
der Reproduzierbarkeit der Schaltvorgänge eines Magnetven tils
zur Betätigung eines Kraftstoffinjektors erreicht werden,
ohne dass hierzu zusätzliche Prozessschritte erforderlich
wären und ohne zusätzliche Kosten zu bewirken.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
liegt in der Absenkung des Strombedarfes des Magnetventils bzw.
von dessen Magnetgruppe zur Betätigung eines Kraftstoffinjektors.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Anker
einer Ankerbaugruppe des Magnetventils an seiner Polfläche
im Wesentlichen konkav auszubilden. Dadurch wird erreicht, dass
ein Kontakt zwischen dem Anker bzw. von dessen Planseite und der
einen Abstand zwischen der Stirnseite des Magnetkerns, in den die
Magnetspule eingebettet ist, und der Planseite des Ankers bewirkenden
Scheibe nur noch entlang einer kreisförmigen Linie am Außenrand
der Scheibe und nicht mehr auf der kompletten Oberfläche
der Scheibe herbeigeführt wird. Für den Fall,
dass die den Abstand zwischen der Stirnseite des Magnetkerns und der
Planseite des Ankers definierende Scheibe nicht rotationssymmetrisch,
sondern mit Aussparungen entlang des Außenrandes ausgeführt
ist, beschränkt sich der Kontakt nur auf eine unterbrochene
Linie oder gar auf einzelne Kontaktpunkte. Je kleiner die Kontaktfläche
ist, die sich zwischen dem bewegten Anker und der den Abstand zwischen
der Planseite des Ankers und der Stirnseite des Magnetkerns definierenden
Scheibe einstellt, desto geringer ist die Gefahr des hydraulischen
Klebens, was das Schließen eines Ventilelementes negativ
beeinflusst.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
wird in jedem Falle die Haftfähigkeit der Scheibe mit ihrer
dem Anker bzw. dessen Planseite zuweisenden Seite erheblich herabgesetzt.
Kann eine Ebenheitsabweichung des Ankers bzw. von dessen Planseite
klein gehalten werden, so besteht kurz vor Erreichen des Anschlages
ein sehr geringer Spalt zwischen der Planseite des Ankers und der
Scheibe, aus welchem der Kraftstoff verdrängt werden muss und
der gemeinhin als Quetschspalt bezeichnet wird. Dieser dient der
hydraulischen Dämpfung zur Vermeidung eines Prellens des
Ventilelementes beim Erreichen seines oberen Hubanschlages. Unter
Prellen wird nachfolgend ein ungewolltes Wiederverlassen eines einmal
erreichten Anschlages durch ein Ventilelement verstanden, was durch
ein Nachschwingen bewegter Komponenten ausgelöst wird.
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene, im Wesentlichen
konkav verlaufende Oberflächenausbildung des Ankers kann
zum Beispiel durch Schleifen der Polfläche direkt hergestellt
werden und erfordert keinen zusätzlichen Prozessschritt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung ist darin zu erblicken, dass der Abstand zwischen
dem Magnetkern und dem Ventilelement im Bereich des Außenpoles
im Vergleich zu einer eben ausgebildeten Polflächengeometrie
an der Stirnseite des Magnetkerns automatisch abnimmt. Damit sinkt auch
der Strom, der benötigt wird, um das Ventilelement gegen
die Wirkung einer Federkraft, die durch eine Schließfeder
erzeugt wird, im geöffneten Zustand zu halten, und die
Anforderungen an das das Magnetventil des Kraftstoffinjektors steuernde
Steuergerät vereinfachen sich erheblich.
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In
vorteilhaften Ausführungsvarianten kann eine vergleichbare
Form des Spaltes zwischen dem Magnetkern und dem Ventilelement dadurch
erreicht werden, wenn anstelle des Ankers der Magnetkern der Magnetgruppe
eine im Wesentlichen konkav verlaufende Oberflächenausbildung
aufweist.
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Ein
identischer Effekt kann theoretisch dadurch erreicht werden, die
Oberflächen von Anker und Kern eben auszuführen
und stattdessen die Dicke der Scheibe, die den Abstand zwischen
der Stirnseite des Magnetkerns und der Planseite des Ankers definiert,
so zu konfigurieren, dass deren Dicke in radiale Richtung nach außen
hin zunimmt. Dies ist für die Herstellbarkeit der Scheibe
jedoch von Nachteil und hat darüber hinaus negative Einflüsse
auf den ansonsten positiv zu bewertenden Effekt des Strombedarfs
des Magnetventils. Da die Scheibe nunmehr nicht mehr flächig,
sowohl am Anker als auch am Magnetkern anliegen kann, ist es nunmehr
nicht mehr zwingend erforderlich, die Scheibe aus nicht-magnetischem
Material auszubilden. Die Ausbildung der Scheibe aus einem nicht-magnetischen
Material bleibt jedoch die bevorzugte Ausführungsform.
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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
Magnetgruppe eines Magnetventils gemäß des Standes
der Technik, bei welchem ein Anker einen Absatz aufweist,
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2 eine
weitere Ausführungsform einer Magnetgruppe mit einer einen
Restluftspalt definierenden Restluftspaltscheibe zwischen Stirnseite
des Magnetkerns und Ankerpolfläche des Ankers und
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3 die
erfindungsgemäß vorgeschlagene, im Wesentlichen
konkav verlaufende Oberflächenausbildung an der Ankerpolfläche
des Ankers, welche der Stirnseite des Magnetkerns der Magnetgruppe
zuweist.
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Ausführungsformen
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Der
Darstellung gemäß 1 ist zu
entnehmen, dass ein Magnetventil 10, mit dem insbesondere
ein Kraftstoffinjektor eines Hochdruckspeichereinspritzsystems (Common-Rail)
betätigt werden kann, eine Magnetgruppe 12 aufweist.
Die Magnetgruppe 12 ihrerseits umfasst eine in einen Magnetkern 15 eingebettete
Magnetspule 14.
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Der
Stirnseite des Magnetkerns 15 gegenüberliegend
befindet sich eine Ankergruppe 16, die eine Ankerplatte 18 aufweist.
Deren Planseite 20 ist in der Darstellung gemäß 1 eben
ausgeführt und weist einem Anschlag 36 an der
Stirnseite des Magnetkerns 15 zu. Die Ankerplatte 18 weist
darüber hinaus ein in der Darstellung gemäß 1 nur
angedeutetes Ventilelement 22 auf, welches z. B. hülsenförmig
ausgebildet ist. Das Ventilelement 22 verschließt
oder öffnet einen Ventilsitz, der in der Darstellung gemäß 1 nicht
dargestellt ist, über den ein mit unter Systemdruck stehendem
Kraftstoff beaufschlagter Steuerraum druckentlastet oder druckbeaufschlagt
wird. Die Ankerplatte 18 der Ankergruppe 16 ist
mit einer Schließkraft 24 beaufschlagt, die über
eine in 1 nicht dargestellte Schließfeder
erzeugt wird. Die Magnetgruppe 12 erzeugt eine der Schließkraft 24 entgegengerichtete
Magnetkraft, mit welcher die Ankerplatte 18 der Ankergruppe 16 mit daran
aufgenommenem Ventilelement 22 entgegen der Wirkung der
Schließkraft 24 geöffnet wird, so dass
aus dem erwähnten Steuerraum Kraftstoff abströmt.
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Die
in 1 dargestellte Magnetgruppe 12 ist symmetrisch
zur Achse 26 aufgebaut, wobei sich die Ankergruppe 16 ebenso
wie die Magnetgruppe 12 in einem mit Kraftstoff 28 befüllten
Niederdruckraum befindet. In diesen Niederdruckraum wird der beim Öffnen
eines Ventilsitzes durch das Ventilelement 22 abgesteuerte
Kraftstoff geleitet, der demzufolge die Magnetgruppe 12 sowie
die Ankergruppe 16 umgibt. Aus der Darstellung gemäß 1 geht
darüber hinaus hervor, dass die der Planseite 20 der
Ankerplatte 18 zuweisende Stirnseite der Magnetgruppe 12 die
zurückspringend angeordnete Magnetspule 14 aufweist,
die einen Innenpol 30 des Magnetkerns 15 von dessen
Außenpol 32 trennt. Die sich durch die zurückspringende
Anordnung der Magnetspule 14 ergebende Stufe ist durch
Bezugszeichen 34 kenntlich gemacht. 1 ist des
Weiteren zu entnehmen, dass sich am Innenpol 30 ein Anschlag 36 befindet,
der z. B. als separater Ring oder dergleichen ausgebildet sein kann.
Die Planseite 20 der in 1 dargestellten
Ankerplatte 18 weist darüber hinaus einen eingeschliffenen
Absatz 38 auf, welcher das Pendant zum ringförmig
konfigurierten Anschlag 36 am Innenpol 30 des
Magnetkerns 15 bildet.
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2 zeigt
ein Magnetventil gemäß des Standes der Technik,
bei dem zur Einstellung eines Restluftspaltes zwischen der Stirnseite
des Magnetkerns 15 und der eben ausgebilde ten Planseite 20 der
Ankerplatte 18 eine Restluftspaltscheibe 44 verwendet
wird. Die Restluftspaltscheibe 44 wird in der Regel aus
einem amagnetischen Material gefertigt und weist eine Dicke von
etwa 0,1 mm oder weniger auf. Aufgrund der Dicke der Restluftspaltscheibe 44 wird
ein Luftspalt 40 erzeugt, dessen Spalthöhe 42 der
Dicke der Restluftspaltscheibe 44 entspricht. Die Restluftspaltscheibe 44 aus
amagnetischem Material liegt sowohl am Anschlag 36 des
Innenpols 30, der plan verläuft, an, als auch
auf der plan ausgebildeten Planseite 20 der Ankerplatte 18,
an der das hülsenförmig ausgebildete Ventilelement 22 verläuft.
Auch die Ankerplatte 18 sowie die Magnetgruppe 12 gemäß der
Konfiguration in 2 befindet sich im Niederdruckraum
eines Kraftstoffinjektors und ist von Kraftstoff 28 umgeben.
Sowohl die Magnetgruppe 13 als auch das Ventilelement 22 sowie
die einstückig mit dieser ausgebildete Ankerplatte 18 sind
symmetrisch zur Achse 26 ausgeführt.
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Der
Darstellung gemäß 3 ist die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
eines Magnetventils zu entnehmen.
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Wie 3 zeigt,
umfasst das Magnetventil 10 ebenfalls die Magnetgruppe 12,
in der die Magnetspule 14 eingebettet ist. Durch die Magnetspule 14 wird
die der Ankerplatte 18 zuweisende Stirnseite des Magnetkerns 15 in
den Innenpol 30 und den Außenpol 32 geteilt.
In Bezug auf den Innenpol 30 und den Außenpol 32 ist
die Magnetspule 14 durch die Stufe 34 zurückspringend
angeordnet. Der Innenpol 30 stellt einen Anschlag 36 für
eine erste Oberfläche 52 der aus vorzugsweise
amagnetischem Material gefertigten Restluftspaltscheibe 44 dar.
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Wie 3 des
Weiteren zeigt, weist die Ankerplatte 18 eine Ankerpolfläche 46 auf,
die eine im Wesentlichen konkav verlaufende Oberflächenausbildung 48 aufweist.
Die im Wesentlichen konkav verlaufende Oberflächenausbildung 48 an
der Ankerpolfläche 46 der Ankerplatte 18 bewirkt,
dass sich bei Annäherung der Ankerpolfläche 46 an
eine zweite Planseite 54 der Restluftspaltscheibe 44 lediglich
in dessen Außenbereich ein Kontaktring 50 ausbildet. Dadurch
ist die Kontaktfläche zwischen der Ankerpolfläche 46 und
der zweiten Planseite 54 der Restluftspaltscheibe 44 im
Vergleich zu den Lösungen gemäß des Standes
der Technik um ein Vielfaches geringer, so dass hydraulisches Kleben
signifikant reduziert, im Idealfall vollständig vermieden
werden kann. Anstelle des in 3 angedeuteten
ringförmigen Kontaktbereiches 50 zwischen der
im Wesentlichen konkav verlaufenden Oberflächenausbildung 48 der Ankerpolfläche 46 der
zweiten Planseite 54 der Restluftspaltscheibe 44 aus
vorzugsweise amagnetischem Material, können auch einzelne
Kontaktpunkte zwischen der im Wesentlichen konkav verlaufenden Oberflächenausbildung 48 der
Ankerpolfläche 46 und der zweiten Oberfläche 54 der
Restluftspaltscheibe 44 geschaffen werden. Zu diesem Zwecke ist
die Restluftspaltscheibe 44, die bevorzugt aus amagnetischem
Material gefertigt wird, an ihrem Außenrand mit einzelnen
Schlitzen zu versehen. In diesem Falle ergeben sich einzelne Kontaktpunkte
zwischen der im Wesentlichen konkav verlaufenden Oberflächenausbildung 48 der
Ankerpolfläche 46 und den durch die Schlitze voneinander
getrennten Zungen im verbleibenden Material der Restluftspaltscheibe 44 aus
vorzugsweise amagnetischem Werkstoff.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgeschlagene im Wesentlichen
konkav verlaufende Oberflächenausbildung 48 wird
die Haftfähigkeit der Restluftspaltscheibe 44 in
Bezug auf die Ankerpolfläche 46 des Ankers 18 erheblich
herabgesetzt. Kann die Ebenheitsabweichung der Ankerpolfläche 46 des
Ankers 18 klein gehalten werden, so besteht kurz vor dem Erreichen
des Anschlages 36, d. h. des Kontaktrings 50 bzw.
der sich ausbildenden Kontaktpunkte, trotzdem ein sehr enger keilförmiger
Quetschspalt 58, in dem ein Volumen von Kraftstoff 28 komprimiert
werden kann. Der keilförmig ausgebildete Quetschspalt 58,
der sich aufgrund der im Wesentlich konkav verlaufenden Oberflächenausbildung 48 zwischen
der zweiten Planseite 54 der Restluftspaltscheibe 44 und der
Ankerpolfläche 46 einstellt, läuft ausgehend
vom Kontaktring 50 bzw. den sich einstellenden Kontaktpunkten
in radiale Richtung nach innen. Der keilförmige Quetschspalt 58 öffnet
sich demnach in radiale Richtung nach innen in Richtung auf die
Achse 26. Aufgrund des im Quetschspalt 58 eingeschlossenen Kraftstoffvolumens,
welches bei der Annäherung der Ankerpolfläche 46 an
die Restluftspaltscheibe 44 komprimiert wird, kann somit
nach wie vor das Auftreten von Prellerscheinungen des Ventilelementes 18, 22 beim
Erreichen des oberen Hubanschlages, d. h. der Restluftspaltscheibe 44,
vermieden werden.
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Die
im Wesentlichen konkav verlaufende Oberflächenausbildung 48 der
Ankerpolfläche 42 wird zum Beispiel beim Schleifen
der Ankerpolfläche 46 direkt hergestellt und erfordert
keinen zusätzlichen Prozessschritt. Ein zusätzlicher
mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
zu erreichender Vorteil liegt darin, dass ein Abstand 56 zwischen dem
Magnetkern 15, insbesondere dessen Außenpol 32,
und der Ankerpolfläche 46 mit im Wesentlichen konkav
verlaufender Oberflächenausbildung 48 im Vergleich
zur ebenen Polflächengeometrie abnimmt. Damit sinkt auch
der Strom, der benötigt wird, um die Ankergruppe 16,
d. h. die Ankerplatte 18 mitsamt daran ausgebildetem Ventilelement
gegen die Wirkung der Schließkraft 24 der nicht
dargestellten Schließfeder im geöffneten Zustand
zu halten. Damit können sich auch die an das Steuergerät
zu stellenden Anforderungen zur Betätigung des Kraftstoffinjektors 10 bzw.
von dessen Magnetgruppe erheblich vereinfachen.
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Die
in 3 dargestellte erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung führt zu einer erheblichen Stabilisierung
der Schaltvorgänge des Magnetventils 10, ohne
dass hierzu zusätzliche Prozessschritte erforderlich sind
und ohne dass zusätzliche Kosten entstehen. Ein weiterer Vorteil
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
ist darin zu erblicken, dass der Strombedarf des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Magnetventils 10 gegenüber aus dem Stand der Technik
bekannten Lösungen reduziert ist. Dies setzt die Temperaturbelastung
der eingesetzten Bauteile, aufgrund der geringeren Bestromung, herab. Wenngleich
in Zusammenhang mit der 3 der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung anhand einer die im Wesentlichen konkav verlaufende
Oberflächenausbildung 48 aufweisenden Ankerpolfläche 46 beschrieben
wurde, so kann die im Wesentlichen konkav verlaufende Oberflächenausbildung 48 ebenso
gut nach dem Prinzip der kinematischen Umkehr an der Stirnseite
der Magnetgruppe 12, insbesondere an der Stirnseite des
Magnetkerns 15, ausgeführt sein. Des Weiteren
ist durchaus denkbar, die Ankerpolfläche 46 und
die Stirnseite des Magnetkerns 15 eben auszubilden und
stattdessen die Dicke der Restluftspaltscheibe 44 nach
außen hin zunehmend zu gestalten. Damit lässt
sich derselbe Effekt erreichen wie mit dem Ausbilden einer im Wesentlichen konkav
verlaufenden Oberflächenausbildung 48 im Bereich
der Ankerpolfläche 46 oder alternativ in der Stirnseite
des Magnetkerns 15, die der Ankergruppe 16 zuweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19650865
A1 [0001, 0002]
- - DE 19708104 A1 [0002]