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Die
Erfindung bezieht sich auf einen doppeltwirkenden elektromagnetischen
Aktor, insbesondere für
Hydraulik- und Pneumatikanwendungen, mit einer Spule, einem in der
Spule angeordneten Anker mit mindestens zwei in axialer Richtung
magnetisierten Permanentmagneten und einer Zentralscheibe zwischen
den Permanentmagneten, wobei zwischen Anker und Spule in axialer
Richtung stärker
beziehungsweise leicht magnetisierbare Bereiche vorgesehen sind
und zwischen diesen ein schwach- beziehungsweise nichtmagnetisierbarer
Bereich ausgebildet ist.
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Doppeltwirkende
elektromagnetische Aktoren in Hydraulik- und Pneumatikanwendungen
sind bekannt. Sie können,
wenn sie mit einem Ventil verbunden sind, das Ventil in drei Zustände schal ten.
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Gleichstrommagnete
zur Betätigung
von Hydraulikventilen sind seit vielen Jahren üblich. Solche Gleichstrommagnete
haben jedoch mindestens zwei beschränkende Eigenschaften. Die Kraft
wird nur in eine Richtung erzeugt. Doppeltwirkende Magnete mit zwei
Magnetkörpern
auf einem Tubus sind relativ lang und anfällig für Beschädigungen. Außerdem ist die
Induktivität
einer Spule relativ hoch, was die Magnete langsam macht. Des Weiteren
ist die Induktivität
vom Hub abhängig.
Diese variable Induktivität kann
zu Stabilitätsproblemen
in Regelkreis-Anwendungen führen.
Es sind deshalb bidirektionale elektromagnetische Aktoren mit doppeltwirkender
Kraft entwickelt worden. Der Vorteil bei diesen besteht darin, dass
im Notfall, bei Stromausfall, das Ventil in eine ausfallsichere
Stelle zurückfällt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen doppeltwirkenden elektromagnetischen
Aktor in der eingangs genannten Art zu schaffen, der einfach und
kostengünstig
aufgebaut ist und zuverlässig arbeitet.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass der Anker in einem Polrohr angeordnet, insbesondere gelagert
ist, das in der Spule vorgesehen ist. Das Polrohr schafft einen
Bewegungsraum, in dem der Anker zuverlässig arbeiten kann. Das Polrohr
hat die Aufgabe, den Anker beziehungsweise die Ankerstange aufzunehmen.
Es bildet damit auch eine Anschlußmöglichkeit des erfindungsgemäßen Aktors
an das zu beeinflussende Element, zum Beispiel eine Stellanordnung,
ein Ventil oder dergleichen. Es ist auch grundsätzlich möglich, hier einen entsprechend
dichten Anschluß zu
realisieren, wobei das bevorzugt einstückig ausgebildete Polrohr die empfindliche
Elektronik, nämlich
insbesondere den Spulenkörper
und die Wicklung, schützt,
da das Medium gegebenenfalls in den Polraum gelangen kann, der aber
gegenüber
der Spule dicht ist. Der Polraum hat des Weiteren die Aufgabe gegebenenfalls
eine Lagerung des Ankers zur Verfügung zu stellen. Da der Anker
auf der Ankerstange angeordnet ist, erfolgt eine Lagerung des Ankers
gegebenenfalls auch mittelbar (ebenfalls erfindungsgemäß) über die
Ankerstange, die in entsprechenden Lagern im Polraum gelagert ist.
Es ist aber auch möglich,
eine eigene Lagerung der Ankerstange, zum Beispiel durch eine entsprechende
Gleitlagerung, zu realisieren. Hierdurch wird ein zuverlässiger Betrieb
des Aktors sichergestellt, wobei bei der Ausgestaltung des Aktors bevorzugt
auf Bauteile, wie sie zum Beispiel im Bereich der Elektromagnetfertigung
bekannt sind, zurückgegriffen
werden kann, wodurch sich auch eine kostengünstige Realisierung der Erfindung
ergibt.
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In
einer bevorzugten Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß das Polrohr
druckdicht ausgeführt
ist. In diesem Fall ist es möglich,
daß der
Polraum, welcher den Anker aufnimmt, auch Teil des Medienkreislaufes
sein kann, der durch den Aktor zu beeinflussen ist. Durch die druckdichte
Ausgestaltung wird erreicht, daß natürlich auch
unter Druck kein Mediumverlust im Aktor erfolgt und zum anderen wird
auch sichergestellt, daß kein
unter Umständen aggressives
Medium die stromleitenden Bereiche oder andere Bereiche des Aktors
angreifen kann.
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Im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen doppeltwirkenden Aktor
beziehungsweise elektromagnetischen Aktor ist zu bemerken, daß die Funktionsweise
des Aktors von der Ausgestaltung des schwach- beziehungsweise nichtmagnetischen Bereiches
im Verhältnis
zu dem stärker
beziehungsweise leicht magnetisierbaren Bereich abhängt. Im weiteren
Verlauf wird daher der grundsätzlich
stärker magnetisierbare
Bereich als "magnetisierbarer
Bereich" beschrieben
und der schwach- beziehungsweise nichtmagnetische Bereich grundsätzlich als "nichtmagnetischer
Bereich", ohne dabei
die Erfindung auf genau diesen speziellen Anwendungsfall, insbesondere
des nichtmagnetischen Bereiches, reduzieren zu wollen. Es ist klar,
daß es
gemäß der Erfindung darauf
ankommt, daß die
Magnetisierung im schwach- beziehungsweise nichtmagnetischen Bereich
in jedem Fall geringer ist, wie in dem stärker beziehungsweise leicht
magnetisierbaren Bereich, um erfindungsgemäß zu wirken.
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Das
Polrohr führt
zudem zu einer Verstärkung
des von der Spule erzeugten Magnetfelds, wenn das Polrohr vorzugsweise
aus einem magnetisierbaren Werkstoff hergestellt ist. Die erzeugte
Magnetfeldkraft ist ungefähr
proportional zum Eingangsstrom.
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In
einer bevorzugten Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß das Polrohr
die stärker
beziehungsweise leicht magnetisierbaren Bereiche und den schwach-
beziehungsweise nichtmagnetischen Bereich aufweist. Geschickterweise
werden die verschiedenen Funktionen des Gerätes in den zur Verfügung stehenden
Bauteilen integriert, um die Anzahl der Bauteile zu reduzieren.
Neben der Aufgabe des Polrohres, eine Aufnahme für den Anker zu bilden, umfaßt das Polrohr
somit auch die Aufgabe, den magnetisierbaren beziehungsweise nichtmagnetischen Bereich
zur Verfügung
zu stellen. Dabei ist natürlich zu
beachten, daß die
Erfindung auch Lösungen
umfaßt,
bei welchen das Polrohr die magnetischen Eigenschaften des Gerätes nicht
beeinflußt
und der magnetisierbare Bereich beziehungsweise nichtmagnetische
Bereich durch zusätzliche
Elemente, zum Beispiel eine Hülse
oder einem Rohr, die innerhalb oder außerhalb des Polrohrs angeordnet
sein mag, realisiert werden.
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Erfindungsgemäß wird ein
bezüglich
einer Mittelebene der Spule symmetrischer Aufbau des Ankers vorgeschlagen.
Als Mittelebene der Spule wird dabei eine zur Spulenachse senkrechte
Ebene angesehen, die als Symmetrieebene der Spule dient. Durch eine
solche Ausgestaltung wird erreicht, daß die Wirkweise des Aktors
in beide Richtungen im Wesentlichen gleich ist.
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Ähnliches
wird dadurch erreicht, daß eine bezüglich einer
Mit telebene der Spule symmetrische Anordnung des starken beziehungsweise
leicht magnetisierbaren Bereiches und des schwach- beziehungsweise
nichtmagnetisierbaren Bereiches vorgesehen wird.
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Neben
dieser grundsätzlich
symmetrischen Ausgestaltung der Erfindung ist es aber auch möglich, ein
bezüglich
der Mittelebene der Spule asymmetrischen Aufbau des Ankers beziehungsweise
Anordnung des stark beziehungsweise leicht magnetisierbaren Bereiches
beziehungsweise schwach- beziehungsweise nichtmagnetischen Bereiches
vorzusehen. In diesem Fall ist dann das Kennlinienverhalten und
die beiden Hubrichtungen unterschiedlich, das Verhalten ist aber
auch durch die spezielle Gestaltung der Begrenzungsflächen zwischen
dem magnetisierbaren Bereich beziehungsweise nichtmagnetischen Bereich
beeinflußbar
und daher auch korrigierbar. Es ist daher zum Beispiel auch erreichbar, einen
asymmetrischen Aktor in seiner Ausgestaltung bezüglich der Begrenzungsfläche so zu
beeinflussen, daß er
einen symmetrischen Kennlinienverlauf beziehungsweise den Verlauf
der Kennlinien wie bei einem symmetrisch gestalteten Aktor besitzt.
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Um
den Anker mit angeordneten Permanentmagneten zu einem Polraum des
Polrohrs in einer Mittelstellung als ausfallsichere Stellung zu
halten beziehungsweise überführen zu
können,
ist zu diesem Polraum der schwach- beziehungsweise nichtmagnetische
Bereich zentriert ausgebildet.
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In
einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß der nichtmagnetische Bereich
als Luftspalt ausgebildet ist. Zum Beispiel ist das Polrohr aus
zwei Teilrohren gebildet, die entsprechend beabstandet sind, um
den Luftspalt zu schaffen. Es ist aber auch möglich, ein separates Element,
zum Beispiel eine entsprechende Hülse oder ein Rohr, welche/s
den magnetisierbaren Bereich bildet, in zwei Teilelemente aufzuteilen
und zu beabstanden, um, bei durchgehendem Polrohr, ebenfalls einen
Luftspalt zu Bildung des nichtmagnetischen Bereichs zur Verfügung zu stellen.
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Günstig ist
es aber, daß der
nichtmagnetische Bereich aus Vollmaterial besteht, wodurch das Polrohr
eine entsprechende mechanische Stabilität besitzt und auch einfacher
zu montieren ist, da dieses dann in einem Bearbeitungsschritt entsprechend bearbeitet
und ausgerichtet ist und eine separate Ausrichtung der beiden Teilrohre
nicht notwendig ist. Der nichtmagnetische Bereich kann beispielsweise aus
einem nichtmagnetisierbaren Metallwerkstoff hergestellt sein. Dies
ist insbesondere von Vorteil, um den daran anknüpfenden, in axialer Richtung
beidseitig angeordneten hülsen-beziehungsweise
ring- oder rohrförmigen
magnetischen Bereich beziehungsweise stärker magnetischen Bereich besser stoffschlüssig miteinander
zu verbinden.
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Bei
besonders leichten Anwendungen oder bestimmten Anwendungen, bei
denen beispielsweise der magnetische Bereich aus einem Kunststoffverbund
hergestellt ist, kann der schwach- beziehungsweise nichtmagnetische
Bereich aus einem nichtmagnetisierbaren Kunststoff beziehungsweise
Kunststoffverbund hergestellt sein.
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Um
einen besonders einfachen Aufbau des doppeltwirkenden elektromagnetischen
Aktors bereitzustellen, ist das Polrohr mit dem schwach- beziehungsweise
nichtmagnetischen Bereich bereits ausgebildet.
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Um
besondere Magnetkraftkennlinien und magnetische Eigenschaften bei
möglichst
geringem Energieverbrauch an der Spule zu erzeugen, erstreckt sich
der Polraum, in dem sich die Permanentmagneten befinden, lediglich über eine
Hälfte
der Spule hinaus. Die andere Hälfte
ist vorzugsweise magnetisierbares Vollmaterial, das die magnetische
Wirkung der Spule verstärkt.
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Dabei
erstreckt sich gegebenenfalls der Polraum zu der zur Ankerstange
abliegenden Seite über die
Spule hinaus und wird dort durch einen Verschlußstopfen entsprechend verschlossen.
Hieraus resultiert ein asymmetrischer Aufbau des Aktors. Es ist
aber auch möglich,
einen entsprechend symmetrischen Aufbau zu realisieren, bei welchem
sich dann die Höhe
des Polraumes nur ungefähr über die
Hälfte der
Höhe der
Spule erstreckt und die ganze Anordnung bezüglich der Mittelebene symmetrisch
ausgerichtet ist.
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Aufgrund
einer derartigen Anordnung ist der nichtmagnetische Bereich im Polrohr
in der Ruhestellung des Ankers in axialer Richtung ungefähr gegenüberliegend
zur Zentralscheibe angeordnet. Eine solche Ausgestaltung führt dazu,
daß auch
bei einem stromlosen Zustand des Aktors (zum Beispiel bei Stromausfall)
die Position des Ankers vorbestimmt ist und zum Beispiel für entsprechend
sicherheitsrelevante Anwendungen das erfindungsgemäße Gerät verwendbar
ist.
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Die
Permanentmagneten, die in axialer Richtung magnetisiert sind, sind
auf dem Anker derart angeordnet, daß Polung bezüglich der
Zentralscheibe symmetrisch ist. Somit wird eine doppeltwirkende Hubbewegung
des Ankers erreicht, wobei der Anker sich, je nach Stromflußrichtung,
in der Spule in die eine oder andere Richtung bewegt.
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In
einer bevorzugten Variante der erfindung ist vorgesehen, daß an den
Stirnseiten der Permanentmagneten anschließend jeweils eine Scheibe angeordnet
ist. Der Aufbau des Ankers nach der Erfindung ist von der herkömmlichen
Ankergestaltung abgeleitet. Es folgt daher, daß der Permanentmagnet geschickterweise
symmetrisch auf der bekannten Ausgestaltung eines Ankers eingebettet
wird und sich auf der der Zentralscheibe abgewandten Seite des Permanentmagneten
eine weitere Scheibe anschließt.
Für ein
möglichst
symmetrisches Kennlinienverhalten ist es dabei günstig, daß natürlich auch der Anker einen
entsprechend symmetrischen Aufbau aufweist, das heißt, daß die Dicken
der außenliegenden
Scheiben gleich sind. Auch die Dicken der beiden Permanentmagneten
sind geschickterweise gleich. Die Dicke der Permanentmagneten kann
aber natürlich
unterschiedlich sein von der Dicke der außenliegenden Scheiben.
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Um
die magnetischen Eigenschaften zu verbessern, so daß insbesondere
kleinere Magneten eingesetzt werden können und der Aufbau insgesamt kostengünstiger
ausfällt,
ist die an die Permanentmagneten anschließende Scheibe mindestens eine
ferromagnetische Polscheibe.
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Die
Zentralscheibe zwischen den Permanentmagneten kann aus einem nichtmagnetischen beziehungsweise
schwachmagnetischen Werkstoff oder bevorzugt, wie oben dargestellt,
zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften aus einem ferromagnetischen
Werkstoff hergestellt sein.
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Um
die Kraftkennlinie des Gerätes
für bestimmte
Anwendungen vorteilhaft zu modifizieren, also zu verändern, kann
die Zentralscheibe einen größeren Durchmesser
als die Polscheiben und die Permanentmagneten aufweisen. Für den kleineren Durchmesser
des (abgestuften) Ankers ist der Innendurchmesser des Polrohrs an
beiden Enden reduziert, in dem Standard-Lagerbuchsen, die aus ferromagnetischem
Werkstoff hergestellt und mit einer entsprechenden Gleitbeschichtung
ausgeführt
sind, in den Polraum des Polrohrs eingeschoben sind. Die Permanentmagneten
und die Polscheiben sind also jeweils in Lagerbuchsen geführt. Vorteilhafterweise ist
die Zentralscheibe ungefähr
so breit ausgebildet wie der nichtmagnetische Bereich.
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Für einen
einfachen und preiswerten Aufbau und Zusammenbau sowie eines verstärkten magnetischen
Kraftfeldes, weist der Anker eine Ankerstange auf, auf der die Polscheiben,
die Perma nentmagneten und die Zentralscheibe angeordnet sind.
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Da
der doppelt wirkende elektromagnetische Aktor insbesondere für pneumatische
oder hydraulische Anwendungen geschaffen wird, bei denen das Polrohr
mit dem Fluid in Kontakt steht und das Polrohr insbesondere durckdicht
ausgeführt
ist, weist die Ankerstange zum Druckausgleich eine Durchgangsbohrung
auf.
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In
einer bevorzugten Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß der magnetisierbare
Bereich an einer Begrenzungsflächen
an den nichtmagnetischen Bereich anschließt und sich die Dicke des magnetisierbaren
Bereiches im Bereich der Begrenzungsfläche bezogen auf den (innenliegenden)
Anker entweder von innen beginnend nach außen oder von außen beginnend
nach innen verringert. Die hier beschriebenen Varianten sind insbesondere
in 9 und 10 gezeigt.
Gerade die Ausgestaltung des Endbereiches des magnetisierbaren Bereiches
hin zum nichtmagnetischen Bereich (auch als Polkern beschrieben),
beeinflußt
in entscheidender Weise die Kennliniengestaltung des erfindungsgemäßen Aktors.
So ist es möglich,
im Querschnitt der Seitenansicht gesehen, schräge, zum äußeren Umfang zunehmende oder
abnehmende, insbesondere zur Spulenachse konkave oder auch bevorzugt
nicht gerade und nicht glatte Begrenzungsflächen vorzusehen. Der Verlauf
der Begrenzungsfläche
ist dabei gegebenenfalls abgewinkelt und durch diesen Verlauf die
Kraftkennlinie entsprechend zu beeinflussen oder zu modifizieren.
Der Einfluß des
magnetisierbaren Bereiches hängt
dabei natürlich
davon ab, wie dieser mit den Permanentmagneten des Ankers zusammenwirkt.
So ist zum Beispiel in einer erfindungsgemäßen Variante zunächst vorgesehen,
daß sich
der magnetisierbare Bereich im Hinblick auf den Anker von außen beginnend
nach innen verringert, das bedeutet, daß, wie in 9 gezeigt,
an der dem Anker zugewandten inneren Seite noch der magnetisierbare
Bereich (in radialer Richtung bezüglich der Ankerstange beziehungsweise
des Ankers gesehen), im äußeren Bereich
bereits der nichtmagnetische Bereich ist. Der Verlauf der Begrenzungsfläche ist
aber auch umdrehbar, wie das in 10 gezeigt
ist, bei welchen innen beginnend der magnetisierbare Bereich in
seiner Dicke verringert wird.
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Bei
einer besonderen alternativen Ausführungsform sind der schwach-
beziehungsweise nichtmagnetische Bereich zwei in axialer Richtung,
hintereinander angeordnete, schwach- nichtmagnetische Teilbereiche.
In diesem Fall wirken sich nur die Außenkanten beziehungsweise Begrenzungsflächen dieser
Bereiche auf die Kraftkennlinie aus und sind deshalb wiederum schräg und nicht
glatt. Die Innenkanten beziehungsweise Innenbegrenzungsflächen der
nichtmagnetischen Teilbereiche zum magnetischen Bereich können einfache,
bevorzugt 45°,
besonders bevorzugt gerade Winkelflächen haben.
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Um
eine Kraftkennlinie in beiden Hubrichtungen möglichst gleichförmig zu
erzielen, sind die schwach- beziehungsweise nichtmagnetischen Teilbereiche
gleichförmig,
bevorzugt im Wesentlichen spiegelbildlich identisch, ausgebildet.
Eine vollständig
asymmetrische Kraftkennlinie wird natürlich bevorzugt bei einem symmetrischen
Aufbau des erfindungsgemäßen Aktors
in einfacher Weise erreicht. Bei dem oftmals eingesetzten asymmetrischen
Aufbau des Aktors wird trotzdem ein symmetrischer Kraftkennlinienverlauf
beziehungsweise ein annähernd
symmetrischer Kraftkennlinienverlauf erreicht, indem in geeigneter
Weise durch die Anordnung beziehungsweise Ausgestaltung der Begrenzungsfläche Einfluß genommen
wird. Gemäß der Erfindung ist
es dabei gleichbedeutend, ob die Ausgestaltung der Begrenzungsfläche bezüglich einer
Symmetrieebene symmetrisch ist oder hiervon abweichend. Die einzelnen
Begrenzungsflächen
können
dabei auch unterschiedlich gestaltet sein, um entsprechende Kennlinienverläufe zu realisieren.
Letztendlich bildet die Ausgestaltung der Begrenzungsfläche, ihre
Orientierung und abschnittsweise Steigung einen weiteren Parameter,
der in ge eigneter Weise beeinflußt werden kann, um entsprechende
Eigenschaften des Gerätes
nach der Erfindung zu erreichen.
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An
dieser Stelle wird natürlich
darauf hingewiesen, daß im
Bereich der Begrenzungsfläche
nicht nur von dem magnetisierbaren Material auf das nichtmagnetische
Material gewechselt wird, gleiches kann aber auch dadurch erreicht
werden, daß zum
Beispiel in einer Verbundbauweise zunächst von einem magnetisierbaren
Material auf ein zunächst
weniger magnetisierbares Material gewechselt wird, was zum Beispiel
einer Verringerung der Dicke des magnetisierbaren Materials entspräche, an
dem sich dann der nichtmagnetische Bereich, wie beschrieben, anschließt. Bei
der Erfindung kann also auch mit der Wahl des Materiales in diesem
Bereich entsprechend gearbeitet werden, um die Eigenschaften des
Gerätes
einzustellen.
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Bevorzugt
ist der druckdichte Polraum, dessen eine Seite zum Einsetzen des
Ankers dient, durch einen Verschlußstopfen abgedichtet. Dieser Verschlußstopfen
kann aus einem nichtmagnetisierbarem Werkstoff hergestellt sein.
Bevorzugt ist jedoch der Verschlußstopfen aus einem ferromagnetischem
Werkstoff hergestellt, um das Magnetfeld positiv und verstärkend zu
beeinflussen.
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Natürlich kann
der Verschlußstopfen
auch verlängert
hergestellt sein, um das magnetische Kraftfeld zu verändern.
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Bei
einer bevorzugten weiteren Ausführungsform
ist zumindest eine Polscheibe zum Verschlußstopfen hin verlängert ausgebildet
und erstreckt sich insbesondere aus dem Körper der Spule heraus.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform,
für hochleistungsfähige Magnete/Aktoren,
bei denen magnetische Verluste auf ein Minimum reduziert sein müssen, sind
Spule und Polrohr nicht separat sondern integriert ausgebildet.
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Bei
einer bevorzugten alternativen Ausführungsform kann das Polrohr
und der Verschlußstopfen
jeweils Lager zur Führung
der Ankerstange aufweisen. Somit ist sichergestellt, daß keine
Reibung der Permanentmagneten oder Polscheiben beziehungsweise Zentralscheibe
im zylinderförmigen
Polraum auftritt.
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Ein
erfindungsgemäßer doppeltwirkender Aktor
weist eine druckdichte Gestaltung auf, die einen Arbeitshub, ähnlich wie
bei herkömmlichen,
einstufigen Magnetventilen hat. Existierende Magnetfertigungsverfahren
können
genutzt werden, wodurch eine kostengünstige Realisierung möglich ist.
Der Anker gelangt in eine ausfallsichere Mittelstellung, wenn der
Aktor nicht mit Strom beaufschlagt wird. Die Richtung der Kraft
ist von der Richtung des Spulenstroms abhängig und über einen begrenzten Hub relativ
unabhängig
von der Position des Ankers. Der Aktor kann für alle elektromagnetischen
Aktor-Anwendungen eingesetzt werden, die eine bidirektionale Kraft
brauchen.
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Es
versteht sich, daß die
vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur
in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen denkbar sind.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen, unter Bezugnahme
auf dazugehörige
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt einer Seitenansicht eines erfindungsgemäßen doppeltwirkenden
Aktors,
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2 einen
schematischen Querschnitt einer Seitenansicht eines doppeltwirkenden
Aktors mit abgestuften Anker,
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3 einen
schematischen Querschnitt einer Seitenansicht eines erfindungsgemäßen doppeltwirkenden
Aktors mit einer in Lagern geführten
Ankerstange,
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4 einen
schematischen Querschnitt einer Seitenansicht des erfindungsgemäßen doppeltwirkenden
Aktors mit zwei nichtmagnetischen Teilbereichen,
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5 ein
Kraftkennliniendiagramm eines elektromagnetischen Aktors gemäß 1 und 3,
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6 ein
Kraftkennliniendiagramm eines elektromagnetischen Aktors gemäß 4,
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7 ein
Kraftkennliniendiagramm eines elektromagnetischen Aktors gemäß 2,
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8 einen
schematischen Querschnitt einer Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Aktors in
symmetrischem Aufbau und
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9, 10 jeweils
in einer Vergrößerung ein
Detail des erfindungsgemäßen Aktors.
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Die 1 zeigt
einen elektromagnetischen Aktor 1 im Querschnitt einer
Seitenansicht. In einem zylindrischen Polrohr 10 ist ein
Anker 2 angeordnet. Das Polrohr 10 weist einen
Polraum 16 auf, der durch einen Verschlußstopfen 30 und
mit einer Runddichtung 40 zu einer Seite druckdicht verschlossen
ist. An dem zum Verschlußstopfen 30 gegenüber liegenden, stirnseitigen
Ende des Polrohrs 10 befindet sich eine weitere Runddichtung 50 zum
Abdichten gegenüber einem
nicht dargestellten befestigbaren Ventilkörper. Der Ventilkörper wird
von dem Anker 2 betätigt.
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Der
Anker 2 umfaßt
eine Ankerstange 24, auf der im Bereich des Polrohrraums 16 zwei
Permanentmagneten 22, 25 angeordnet sind. Zwischen
den Permanentmagneten 22, 25 ist eine Zentralscheibe 23,
bevorzugt aus ferromagnetischem Material angeordnet. Stirnseitig
in axialer Richtung zu den Permanentmagneten ist jeweils eine aus
ferromagnetischem Werkstoff hergestellte Polscheibe 21 beziehungsweise 26 angeordnet.
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Damit
die Polscheiben 21, 26, die Permanentmagneten 22, 25 und
die Zentralscheibe 23 möglichst
reibungsfrei in dem zylinderförmigen
Polrohrraum 16 gleiten können und die Ankerstange 24 des
Ankers 2 führen
können,
sind die Innenflächen des
Polrohrraums mit einer Folie, insbesondere einer PTFE(Polytetrafluorethylen)-Folie
als Lager 60 überzogen.
Um das Polrohr 10 befindet sich ein Magnetkörper 70 mit
einer elektromagnetischen Spule 71. Der Polraum 16 erstreckt
sich von der einen Stirnseite der Spule 71 bis etwa über die
Hälfte
der Spule 71.
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Um
den Anker 2 innerhalb des Polraums 16 zu zentrieren,
ist in der äußeren Umfangs-
beziehungsweise Mantelfläche
des ferromagnetischen Polrohrs 10 ein schwach- beziehungsweise
nichtmagnetischer Bereich 8 vorgesehen. In dem hier gezeigten
Aus führungsbeispiel
besitzt das Polrohr 10 neben dem nichtmagnetischen Bereich 8 auch
den magnetisierbaren Bereich 7. Zwischen dem magnetisierbaren
Bereich 7 und dem nichtmagnetischen Bereich 8 ist
eine Begrenzungsfläche 79 vorgesehen. Die
Begrenzungsfläche 79 ist
im Querschnitt der Seitenansicht gesehen schräg, zum äußeren Umfang radial nach außen zunehmend,
insbesondere zu einer Parallelen der Bewegungsrichtung des Ankers 2 oder
Spulenachse der Spule 71 konkav, nicht gerade und gegebenenfalls
auch nicht glatt ausgebildet. Diese nicht geraden Begrenzungsflächen 79 beziehungsweise
dieser nicht gerade Übergang
führt zu
einer Kraftkennlinie die nicht direkt vom Hub abhängt. Im
Gegensatz zu einer Kraftkennlinie, deren Übergänge senkrecht, das heißt radial
ausgebildet sind. Kanten dieser Übergänge wirken
wie Polkerne. Der nichtmagnetische Bereich 8 teilt das
Polrohr 10 somit in zwei Polkerne 11, 13.
Die Permanentmagneten 22, 25 bilden somit jeweils
ein geschlossenes Magnetfeld 72 und 73 mit jeweils
einem Polkern 11, 13 des Polrohrs 10 für sich aus,
das zum nichtmagnetischen Bereich 8 spiegelbildlich ist.
Es versteht sich, daß das Magnetfeld 72 und 73 jeweils
ringförmig
zur Ankerachse angeordnet ist, wenn die Spule 21 nicht
mit Strom beaufschlagt ist.
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Im
Rahmen der Definition dieser Anmeldung wird unter einem magnetisierbaren
Bereich 7 gemäß dem Anspruch
ein stärker
beziehungsweise leicht magnetisierbarer Bereich verstanden, dessen
Magnetisierung in der Regel größer ist
wie die Magnetisierung des nichtmagnetischen Bereiches 8,
der gegebenenfalls schwach- beziehungsweise eben nichtmagnetisch
ist.
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Zum
Druckausgleich weist die Ankerstange 24 eine Durchgangsbohrung 28 auf.
Der Anker könnte
alternativ auch durchgebohrt sein.
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Die 2 zeigt
im schematischen Querschnitt eine Seitenansicht eine besondere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen doppeltwirkenden
Aktors 1. Dieser unterscheidet sich gegenüber der
Ausführungsform
gemäß der 1 dadurch,
daß die
Zentralscheibe 23 einen größeren Durchmesser aufweist
als die Permanentmagneten 22, 25 und die Polscheiben 21, 26.
Die Polscheiben 21, 26 und die Permanentmagneten 22, 25 sind
abgestuft in, insbesondere magnetischen, Hülsen beziehungsweise hülsenförmigen Lagerbuchsen 62 geführt. Auch
die Lagerbuchsen 62 weisen in ihren Innenflächen eine Folie,
vorzugsweise aus PTFE zur verbesserten Gleitfähigkeit auf.
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Die 2 zeigt
außerdem
das magnetische Kraftflußfeld 74 in
gestrichelter Linie für
eine Bewegung der Ankerstange 24 aus dem Polrohr 1.
Der Anker wird bei einem positiven Strom in der eingezeichneten
Pfeilrichtung aus dem Polrohr 10 gezogen. Der magnetische
Fluß des
einen Dauermagneten 25 wird durch die Spule 71 verstärkt und
der magnetische Fluß des
anderen Dauermagneten 22 wird vermindert. Die unterschiedlichen
Magnetflüsse
durch die zwei Polkerne 11, 13 verursachen eine
Nettokraft, die den Anker 2 in eine positive Richtung aus
dem Polrohr 10 hinauszieht.
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Die 3 zeigt
dagegen den Stromfluß in der
Spule in umgekehrter Richtung. Hieraus resultiert ein Kraftflußfeld 76,
das dem nach 2 gerade entgegengerichtet ist.
Die Kraftfeldlinien des Kraftflußfeldes 76 laufen
entgegen der Uhrzeigerrichtung. Hier wird der Stromfluß des Permanentmagnetens 22 verstärkt und
der magnetische Fluß des
Permanentmagnetens 25 vermindert. Dadurch erfolgt eine Hubbewegung
des Ankers 2 in das Polrohr 10. Es erfolgt somit
eine Bewegung in negativer Richtung. Der doppelt wirkende Aktor
gemäß der 3 zeichnet sich
zudem dadurch aus, daß die
Ankerstange 24 mittels zwei Lagern 92 und 94 geführt ist.
Dies kann vorteilhafterweise die Reibung minimieren. Das eine Lager 92 ist
koaxial im Polrohr 10 angeordnet, während das zweite Lager 94 im
Verschlußstopfen 30 eingesetzt
ist. Wahlweise ist es möglich,
nur ein Lager 92, 94 vorzusehen.
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Die 4 zeigt
den elektromagnetischen doppeltwirkenden Aktor 1 in einer
weiteren Ausführungsform
mit zwei nicht oder schwach magnetischen Teilbereichen 82, 84.
Der nicht- beziehungsweise schwachmagnetische Bereich 82, 84 ist
somit aufgesplittet und wirkt vergrößernd. Dementsprechend ist
die Zentralscheibe 23 deutlich breiter ausgebildet. Bei
einer derartigen Ausgestaltung wirken nur die äußeren Begrenzungsflächen beziehungsweise Übergangsbereiche
von den Stirnseiten des Polrohrs 10 sich auf die Eigenschaften
der Kraftkennlinie des Aktors 1 aus. Die Innenkanten beziehungsweise
Innenbegrenzungsflächen
oder Übergänge vom
nichtmagnetischen Bereich 82, 84 zum magnetischen
Mantel des Polrohrs 10 können einfache Winkel, insbesondere
45°-Winkel
und bevorzugt gerade Flächen
aufweisen. Die Ausgestaltung ist aber auch variabel, wie zum Beispiel
in 9 und 10 gezeigt, bezüglich Ausführung und
Neigung der Begrenzungsflächen
realisierbar. Die Kanten beziehungsweise Begrenzungsflächen dieser Übergangsbereiche
wirken wie Polkerne.
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Der
nichtmagnetische Bereich 8, 82, 84 kann mittels
verschiedenen Fertigungsverfahren produziert werden. Der Verschlußstopfen
kann entweder aus ferromagnetischem oder nichtmagnetischem Stoff
hergestellt sein. Die Permanentmagneten 22, 25 sind
in der axialen Richtung magnetisiert und sind so angeordnet, daß jeweils
gleiche Pole zu den Stirnseiten gerichtet sind und gleiche Pole
zu gegenüberliegenden
Flächen
gerichtet sind. Im vorliegenden Beispiel sind die S-Pole zu den äußeren Stirnseiten des
Ankers 2 gerichtet.
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Die 5 zeigt
ein Kraftkennliniendiagramm gemäß der Ausführungsform,
die in der 1 und 3 gezeigt
ist. Die Form des Polkerns beeinflußt dabei die gewünschte Kraftkennlinie.
Die 5 zeigt eine typische Kraftkennlinie, wenn die
Polkerne 11, 13 mit einfachen Winkeln verbaut
sind.
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Die 6 zeigt
ein Kraftkennliniendiagramm mit einer flacheren Kraftkennlinie.
Dies kann erreicht werden, wenn die Polkerne 11, 13 (beziehungsweise unterschiedlich
ausgebildete Begrenzungsflächen 79)
zwei oder mehrere unterschiedliche Winkel beinhalten.
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Die 7 zeigt
eine Kraftkennlinie mit einem abgestuften Anker, gemäß der Ausführungsform,
wie sie in der 2 dargestellt ist. Hier ist
jedoch, da die Permanentmagenten kleiner ausgebildet sind und weiter
von der Spule entfernt liegen, die Nennkraft ungefähr 15% niedriger
als diejenige, die von einem zylindrischen, in der 1 und 3 gezeigten
Anker erreicht werden kann.
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Mit
dem elektromagnetischen doppeltwirkenden Aktor 1 kann somit
eine flache Kennlinie mit einem Arbeitshub, ähnlich wie bei Standardmagneten, erzielt
werden. Die Kraftkennlinie kann durch Polkerne (beziehungsweise
Begrenzungsflächen 79)
mit Mehrfachwinkeln optimiert werden. Dabei ist das druckdichte
Polrohr 10 ähnlich
wie bei Standardelektromagneten ausgebildet, so daß vorhandene
Standardmagnetkörper
eingesetzt werden können.
Außerdem
ist der elektromagnetische doppeltwirkende Aktor 1 für alle möglichen
anderen Baugrößen anpassungsfähig.
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Im
Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Variante
nach 1 zeigt 8 eine weitestgehend symmetrische
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktors.
Als Symmetrieebene wird dabei eine Mittelebene der Spule 71 angesehen,
die rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Ankers 2 beziehungsweise
Spulenachse der Spule 71 orientiert ist. In der Ruhestellung,
also der nicht strombeaufschlagten Stellung, ist der Anker 2 zentrisch
bezüglich
des nichtmagnetischen Bereiches 7 positioniert, da sich hier
ein entsprechendes Kräftegleichgewicht
der verschiedenen gegengerichteten magnetischen Kräfte ergibt.
Aufgrund des symmetrischen Aufbaus schließt sich an den verhältnismäßig langge streckten Anker 2 links
und rechts jeweils kleine Luftspalte 17 beziehungsweise 17' an, die den
Hub des Ankers nach links beziehungsweise rechts begrenzen. Auf der
linken Seite befindet sich der Luftspalt 17', der zwischen dem Boden 14 des
Polrohres 10 und der linken Scheibe 21 ist.
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Das
Polrohr 10 ist, ähnlich
wie bei 1, aus einem Vollmaterial geschaffen,
welches an seiner Außenkontur
im Wesentlichen zylinderförmig
ist und innenseitig zur Aufnahme des Ankers 2 eine Ausnehmung
oder Bohrung aufweist.
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Auf
der rechten Seite wird der Luftspalt 17 begrenzt von der
Anlagefläche 32 des
Verschlußstopfens 30,
der an das rechte, offene Ende des Polrohrs 10 eingesetzt
ist und durch eine Verstemmung 31 oder Gewinde oder dergleichen
druckfest gehalten ist. Zur Verbesserung der Dichheit ist eine Dichtung 40 vorgesehen.
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Durch
die spezielle Ausgestaltung der Polkerne 11, 13 ist
die Kraftkennlinie entsprechend einstellbar. Die Polkerne 11, 13 sind
die Bereiche des magnetisierbaren Bereiches 7, die sich
an den nichtmagnetisierbaren Bereich 8 anschließen und
insbesondere die Begrenzungsfläche 79 aufweisen.
Gerade auf die Ausgestaltung der Polkerne 11, 13 im
Bereich der Begrenzungsfläche 79 kommt
es an, um die Kraftkennlinie entsprechend zu beeinflussen. Diese Situation
ist vergrößert in 9, 10 nochmals dargestellt.
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In
Bezug auf die weitere Definition ist im Sinne der Anmeldung vorgesehen,
daß sich
die Ankerstange 24 innen befindet, da alle Elemente, die
radial weiter von der Ankerstange 24 entfernt sind, entsprechend
außen
liegen.
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In
dem in 9 Gezeigten verringert sich die Dicke des magnetisierbaren
Bereiches 7 beginnend von außen nach innen.
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Das
bedeutet, daß in
Längsrichtung
des Poles zuerst an der Außenseite
der magnetisierbare Bereich geschwächt wird, wohingegen der innere,
dem Anker 2 zugewandte Bereich nach wie vor vorhanden ist.
Es ergibt sich dadurch eine umlaufende Nut in dem Polrohr 10 mit
schräg
verlaufenden Begrenzungsflächen 79'. In dem hier
ausgeführten
Beispiel sind auch die Begrenzungsflächen nicht in sich eben, sondern
abgewinkelt. Bezüglich
der Ausgestaltung dieser Begrenzungsfläche 79' ist die Erfindung in keinster
Weise festgelegt, sie kann entsprechend der gewünschten Kraftkennlinie gebogen,
sphärisch
geformt, abgestuft, eben, konisch und so weiter sein.
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Hier
entgegen zeigt 10 einen anderen Anwendungsfall,
bei welchem die Dicke des magnetisierbaren Bereiches 7 innen
beginnend nach außen verringert
wird. Hieraus resultiert eine ringförmige Ausnehmung in dem zylinderartigen
Polrohr 10, welches im Bereich des magnetisierbaren Materials 7 eine
Hinterschneidung aufweist, wie dies mit den Begrenzungsflächen 79'' angedeutet ist. Auch hier ist die
Erfindung wiederum nicht festgelegt, wie die konkrete Form dieser
Begrenzungsflächen 79'' gebildet ist.
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Insbesondere
wird auf die zeichnerischen Darstellungen für die Erfindung als wesentlich
verwiesen.
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Die
jetzt mit der Anmeldung und später
eingereichten Ansprüche
sind Versuche zur Formulierung ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Schutzes.
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Sollte
sich hier bei näherer
Prüfung,
insbesondere auch des einschlägigen
Standes der Technik, ergeben, daß das eine oder andere Merkmal
für das
Ziel der Erfindung zwar günstig,
nicht aber entscheidend wichtig ist, so wird selbstverständlich schon
jetzt eine Formulierung angestrebt, die ein solches Merkmal, insbesondere
im Hauptanspruch, nicht mehr aufweist.
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Es
ist weiter zu beachten, daß die
in den verschiedenen Ausführungsformen
beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausgestaltungen und Varianten
der Erfindung beliebig untereinander kombinierbar sind. Dabei sind
einzelne oder mehrere Merkmale beliebig gegeneinander austauschbar.
Diese Merkmalskombinationen sind ebenso mit offenbart.
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Die
in den abhängigen
Ansprüchen
angeführten
Rückbeziehungen
weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches
durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Jedoch sind
diese nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen,
gegenständlichen
Schutzes für
die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
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Merkmale,
die bislang nur in der Beschreibung offenbart wurden, können im
Laufe des Verfahrens als von erfindungswesentlicher Bedeutung, zum Beispiel
zur Abgrenzung vom Stand der Technik beansprucht werden.
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Merkmale,
die nur in der Beschreibung offenbart wurden, oder auch Einzelmerkmale
aus Ansprüchen,
die eine Mehrzahl von Merkmalen umfassen, können jederzeit zur Abgrenzung
vom Stande der Technik in den ersten Anspruch übernommen werden, und zwar
auch dann, wenn solche Merkmale im Zusammenhang mit anderen Merkmalen
erwähnt wurden
beziehungsweise im Zusammenhang mit anderen Merkmalen besonders
günstige
Ergebnisse erreichen.