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Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Aktor mit einem Stator und
einem relativ dazu in einer Ebene beweglichen, durch Lorentzkräfte betätigbaren,
Stellglied.
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Die
Lorentzkraft wirkt auf bewegte elektrische Ladungen im Magnetfeld.
Wenn beispielsweise in einem homogenen Magnetfeld quer zu den magnetischen
Feldlinien ein elektrisch bestromter Leiter angeordnet ist, wirkt
die Lorentzkraft senkrecht zur elektrischen Stromrichtung und senkrecht
zu den Feldlinien des Magnetfeldes. Die Richtung der Lorentzkraft
läßt sich
mit Hilfe der bekannten Linke-Hand-Regel bestimmen: Hierbei zeigt
der Daumen der linken Hand in Richtung der elektrischen Stromrichtung
(von – nach
+) und der Zeigefinger in Richtung der magnetischen Feldlinien.
Der Mittelfinger weist dann in die Richtung der Kraft, die auf die bewegten
elektrischen Ladungen bzw. den Leiter wirkt.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
einen elektrischen Aktor eingangs erwähnter Art eine verbesserte
Ausführungsform
anzugeben, welche insbesondere eine kompakte und flache Bauweise
bei gleichzeitig hohen Stellkräften
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen
sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, an einem in einer
Ebene beweglichen Stellglied eines elektrischen Aktors eine zu dieser Ebene
parallele Leiterbahnanordnung aus mehreren im Wesentlichen parallel
nebeneinander liegenden und von elektrischem Strom in gleicher Richtung durchsetzten
Leiterbahnen vorzusehen. Ein Stator des Aktors weist eine die Leiterbahnen überdeckende
und in Bewegungsrichtung des Stellgliedes überragende Magnetanordnung
auf, die ein die Ebene der Leiterbahnen im wesentlichen senkrecht
durchsetzendes Magnetfeld erzeugt und bei elektrischer Bestromung
der Leiterbahn Lorentzkräfte
erzeugt, die quer zum Magnetfeld und quer zur das Magnetfeld durchquerenden
Leiterbahn wirken und eine Stellkraft auf das bewegliche Stellglied
ausüben.
Durch Umsteuerung der Richtung des elektrischen Stroms relativ zum
Magnetfeld kann das Stellglied zwischen zwei Endlagen verstellt
werden.
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Dies
bietet den Vorteil, dass ein kompakter und kostengünstiger
Aktor geschaffen wird, der über eine
hohe Stellkraft verfügt
und dadurch vielfältig
einsetzbar ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das Prinzip
der Lorenzkraft zum Betätigen
des Aktors genutzt werden kann. Die Größe der Stellkraft des Aktors
ist dabei unmittelbar proportional zur Größe der Lorentzkraft und kann
entweder durch eine Erhöhung bzw.
eine Verminderung der Anzahl der parallel nebeneinander liegenden
und vom elektrischen Strom in gleicher Richtung durchsetzbaren Leiterbahnen und/oder
durch ein unterschiedlich starkes Magnetfeld und/oder eine Änderung
der die Leiterbahnen durchfließenden
Stromstärke
realisiert werden. Dadurch ist der Aktor bezüglich seiner Stellkraft leicht
an unterschiedlich spezifische Anforderungen anpassbar und somit
flexibel verwendbar.
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Da
die Lorentzkraft lediglich auf bewegte elektrische Ladungen wirkt,
wird gleichzeitig gewährleistet,
dass der Aktor, in unbestromtem Zustand nahezu keinen Widerstand
gegen ein Verstellen von der ersten Endlage in die zweite Endlage
oder umgekehrt aufweist, so dass eine besonders günstige nichtselbsthemmende
Ausbildung des Aktors in unbestromtem Zustand realisiert ist.
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Der
erfindungsgemäße Aktor
ist dadurch beispielsweise für
einen Einsatz in Verbindung mit einem Sicherungsautomaten besonders
geeignet. Durch Betätigen
des Aktors kann/können
ein oder mehrere Sicherungsautomat(en) von ferne in eine einen Stromkreis
unterbrechende Stellung überführt werden,
was insbesondere hinsichtlich von Notfallmaßnahmen bei Katastrophen, unter
Umweltaspekten durch Energieeinsparung, bei Brandschutzmaßnahmen
oder bei einer zentralen Überwachung
von Werksgebäuden
vorteilhaft ist.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, am Stellglied zwei voneinander beanstandete
Leiterbahnanordnungen in gleicher Ebene anzuordnen, wobei die Leiterbahnabschnitte
der Leiterbahnanordnungen eine elektrische Reihenschaltung bilden,
in der alternierend ein Leiterbahnabschnitt der einen Leiterbahnanordnung
auf einen Leiterbahnabschnitt der anderen Leiterbahnanordnung folgt.
Zudem erzeugen die den beiden Leiterbahnanordnungen zugeordneten
Teile/Bereiche der Magnetanordnung zueinander antiparallele Magnetfelder
und bewirken bezüglich
der Bewegungsrichtung des Stellgliedes gleichgerichtete Lorentzkräfte.
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Die
alternierende Anordnung der Leiterbahnabschnitte verbunden mit den
zueinander antiparallelen Magnetfeldern der Magnetfeldanordnung
der den beiden Leiterbahnanordnungen zugeordneten Teile/Bereiche
der Magnetanordnung bewirken bei Bestromung der Leiterbahnanordnungen
einen stets gleichgerichteten Elektronenfluss in den jeweils parallelen
Leiterbahnabschnitten. Daraus resultieren Lorentzkräfte, die
in den jeweiligen Leiterbahnabschnitten bzw. Leiterbahnanordungen
gleichgerichtet wirken, wodurch der Effekt der durch die Lorentzkräfte hervorgerufenen
Verstellbewegung verstärkt
wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Lösung kann
vorgesehen sein, dass die Magnete als scheibenförmige Permanentmagnete ausgebildet
sind und/oder dass der Permanentmagnet als kunststoffgebundener
Selten-Erd-Magnet
ausgebildet ist. Derartige Selten-Erd-Magnete, beispw. aus Neodymium-Eisen-Bor
oder Samarium-Cobalt- Legierungen
mit Kunststoff-Bindemitteln, sind besonders für anspruchsvolle Anwendungen
und damit für
hohe Steuergenauigkeit geeignet. Zudem erlaubt ihre hohe Energiedichte,
die magnetischen Bauteile immer kleiner zu machen. Die Technologie
zur Herstellung extrem starker Dauermagnete hat bereits einen so
hohen Entwicklungsstand erreicht, dass heute Dauermagnete Aufgaben übernehmen
können,
für die
früher Elektromagnete
oder Supraleiter nötig
waren. Gleichzeitig sind die Selten-Erd-Magnete kostengünstig und
in nahezu beliebiger äußerer Form
herzustellen.
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Zweckmäßig kann
der elektrische Aktor mit einem Sicherungsautomaten kombinierbar
sein und günstiger
Weise eine kompakte, sicherungsautomatenähnliche Form aufweisen. Hierdurch
kann erreicht werden, dass der Aktor ähnlich dem Sicherungsautomaten
in einen Sicherungsschrank einsteckbar ist und durch seine kompakte
Bauweise entweder platzsparend neben dem Sicherungsautomaten anbringbar
oder günstigstenfalls
in diesen integrierbar ist. Dies bietet den Vorteil, dass herkömmliche
Sicherungsschränke
bzw. Sicherungsautomaten mit dem beschriebenen Aktor nachgerüstet werden
können und
gleichzeitig bei einer Neukonzeption von Sicherungsanlagen herkömmliche
Bauelemente, wie z.B. Sicherungsschränke und Sicherungsautomaten,
weiter verwendet werden können.
Eine aufwändige
Umstellung der Produktion von Sicherungsschränken bzw. Sicherungsautomaten
bzw. eine Anpassung dieser an die Anforderungen des Aktors sind
somit vermeidbar, wodurch sich die Vermarktung des Aktors erleichtert.
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Entsprechend
einer besonders günstigen Ausführungsform
kann vorgesehen sein, dass der elektrische Aktor über eine
unrunde Welle oder über einen
Bügel mit
dem Sicherungsautomaten wirkverbunden ist. Die Verbindung des elektrischen
Aktors mit dem Sicherungsautomaten über eine unrunde Welle bietet
den Vorteil, dass diese unsichtbar und praktisch unzugänglich ausführbar ist,
wogegen die Verbindung des elektrischen Aktors über einen Bügel mit dem Sicherungsautomaten
den Vorteil besitzt, dass diese Verbindungen nachträglich manuell
einfach anbringbar oder entfernbar ist und somit eine nachträglich leicht
zu entkoppelnde bzw. zu koppelnde Wirkverbindung geschaffen werden
kann.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus den zugehörigen Figurenbeschreibungen
anhand der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
den nachfolgenden Beschreibungen näher erläutert, wobei sich Bezugszeichen
auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei
zeigen:
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1 eine schematisierte Darstellung
des Lorentz-Prinzips,
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2 eine perspektivische Ansicht
auf einen erfindungsgemäßen Aktor,
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3 eine perspektivische Ansicht
auf ein erfindungsgemäßes Stellglied
des Aktors mit ankerförmiger
Leiterbahnanordnung,
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4 eine perspektivische Ansicht
auf eine erfindungsgemäße Magnetanordnung
des Aktors.
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Entsprechend 1 soll kurz das Lorentz-Prinzip
erläutert
werden, welches die physikalische Grundlage der vorliegenden Erfindung
ist.
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Ein
Magnet 10, hier ein Hufeisenmagnet, weist einen Nordpol 19 und
einen Südpol 20 auf,
zwischen welchen magnetische Feldlinien 18 von Nord nach
Süd verlaufen.
Im offenen Bereich des U-förmigen
Magneten 10 entsteht so zumindest bereichsweise ein homogenes
Magnetfeld 5, welches durch im wesentlichen parallele Feldlinien 18 dargestellt
ist. Senkrecht zu den magnetischen Feldlinien 18 verläuft im Bereich
des Magnetfeldes 5 eine Leiterbahn 6, welche an
ihren Enden an einer nicht näher
bezeichneten Stromquelle angeschlossen ist und gemäß 1 durch einen Schalter 21 leitend
mit der Stromquelle in Verbindung gebracht werden kann. Die Leiterbahn 6 kann ähnlich einer
Schaukel um eine Achse 22 geschwenkt werden.
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Wird
nun der Schalter 21 geschlossen (unterbrochene Linie),
so fließen
Elektronen vom Minuspol der Stromquelle durch die Leiterbahn 6 zum
Pluspol. Im Bereich des Magnetfeldes 5 werden die durch die
Leiterbahn 6 fließenden
Elektronen nun in Richtung der Lorentzkraft 4, welche quer
zur Elektroenflussrichtung und quer zur Richtung der Magnetfeldlinien 18 gerichtet
ist, abgelenkt. Die Lorentzkraft 4 bewirkt ein Ausschwenken
der Leiterbahn 6 um die Achse 22 in Richtung der
Lorentzkraft 4 (unterbrochene Linie).
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Die
Lorentzkraft 4 muss dabei nicht immer dieselbe Richtung
aufweisen. Werden beispielsweise der Nordpol 19 mit dem
Südpol 20 des
Permanentmagneten 14 oder der Pluspol mit dem Minuspol
der Stromquelle vertauscht, so bewirkt dies eine Umkehr der Lorentzkraft 4 gemäß der Linken-Hand-Regel
in entgegengesetzte Richtung.
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Entsprechend
den 2 und 3 weist ein elektrischer
Aktor 1 einen Stator 2 auf, welcher hier als Aktorgehäuse ausgebildet
ist, sowie ein relativ zum Stator 2 in einer Ebene bewegliches
Stellglied 3, welches durch Lorentzkräfte 4 betätigt wird
und um die Achse 22 schwenkbar gelagert ist. Der elektrische
Aktor 1 ist demnach als Drehschieber ausgebil det, wobei
jedoch auch eine nicht gezeigte Ausbildung als translatorischer
Schieber denkbar ist.
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An
dem beweglichen Stellglied 3 sind gemäß 2 und 3 zwei
zur vorgenannten Ebene parallele Leiterbahnanordnungen 7 und 7' angeordnet,
welche mehrere im Wesentlichen parallel nebeneinander liegende und
vom elektrischen Strom in jeweils gleicher Richtung durchsetzbare
Leiterbahnen 6 aufweisen, wobei die Leiterbahnen 6 der
beiden Leiterbahnanordnungen 7 und 7' Teile einer
im Bereich der Leiterbahnanordnungen 7 und 7' flachen Elektrospule
mit z.B. 300 Windungen bilden.
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Gemäß 4 sind am Stator 2,
hier am Aktorgehäuse,
eine die Leiterbahnanordnungen 7 bzw. 7' überdeckende
und in Bewegungsrichtung 8 des Stellgliedes 3 überragende
Magnetanordnung 9 angeordnet bzw, angeklebt, die ein die
Ebene der Leiterbahnen 6 im wesentlichen senkrecht durchsetzende
Magnetfelder 5 erzeugt, wobei die Bewegungsrichtung 8 und
die Lorentzkraft 4 gleichgerichtet wird, wie nachfolgend
erläutert
wird.
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Gemäß 3 weist das Stellglied 3,
welches hier als ankerförmiges
Element 15 ausgebildet ist, zwei voneinander beabstandete
und in gleicher Ebene angeordnete Leiterbahnanordnungen 7 und 7' auf, bei welchen
die als Teile einer Elektrospule angeordneten Leiterbahnabschnitte 13, 13' der Leiterbahnanordnung 7, 7' eine elektrische
Reihenschaltung bilden, in der alternierend ein Leiterbahnabschnitt 13 der
einen Leiterbahnanordnung 7 auf einen Leiterbahnabschnitt 13' der anderen
Leiterbahnanordnung 7' folgt,
wobei die elektrische Stromrichtung in der einen Leiterbahnanordnung 7 oder 7' bezüglich der
Achse 22 radial einwärts
und in der anderen Leiterbahnanordnung 7' oder 7 radial auswärts verläuft. Darüber hinaus
erzeugen die den beiden Leiterbahnanordnungen 7 und 7' zugeordneten
Teile/Bereiche der Magnetanordnung 9 zueinander antiparallele
Magnetfelder 5. Im Ergebnis werden damit an den beiden
Leiterbahnanordnungen 7 und 7' bezüglich der Schwenkrichtung 8 des
Stellgliedes 3 gleich gerichtete Lorentzkräfte 4 erreicht.
Diese Anordnung verstärkt
den Lorentzeffekt und erhöht
damit die Stellkraft des Aktors 1.
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Die
Lorentzkräfte 4 wirken
dabei unter elektrischer Bestromung der das Magnetfeld 5 durchquerenden
Leiterbahnen 6 quer zum Magnetfeld 5 und quer
zur jeweiligen Leiterbahn 6 (vgl. 1), d.h. in Schwenkrichtung des Stellgliedes 3.
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Die
Betätigung
des Aktors 1 erfolgt durch Anschließen der Leiterbahnanordnung(en) 7 an
eine Stromquelle, wodurch das Stellglied 3 aufgrund der Lorentzkraft 4 zwischen
den zwei Endlagen verstellbar ist. Gemäß 2 ist hiervon eine erste Endlage dargestellt.
In unbestromtem Zustand kann das Stellglied 3 nahezu kraftlos,
d.h. nicht selbsthemmend, zwischen der ersten und der zweiten Endlage
verstellt werden. Die Lorentzkraft 4 wirkt ausschließlich auf
bewegte elektrische Ladungen, d.h. nur auf eine bestromte Leiterbahnanordnung 7.
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Deutlich
zu erkennen ist gemäß 2 die kompakte und flache
Form des elektrischen Aktors 1, welche zudem der äußeren Form
eines Sicherungsautomaten stark ähnlich
ausgebildet ist. Die beiden Halbschalen des Stators 2 sind über nicht
näher bezeichnete
Stifte miteinander verbunden, welche gleichzeitig eine magnetische
Rückschlussleiteranordnung 12 bilden
(vgl. 4).
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Günstiger
Weise sind die Magnete 10, 10' als scheibenförmige Permanentmagnete 14,
vorzugsweise als kunststoffgebundener Selten-Erd-Magnet, ausgebildet,
wobei jedoch auch eine Ausbildung als Elektromagnet denkbar ist.
Entsprechend 4 sind die
Magnete 10, 10' kreissegmentartig
ausgebildet.
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Die
in 2 gezeigten Magnete 10, 10' sind beidseitig
der Leiterbahnebene angeordnet und bilden eine Magnetanordnung 9,
wobei die Magnete 10, 10' einander mit magnetisch entgegengesetzten
und zur Leiterbahnebene im wesentlichen parallelen Polflächen 11 zugewandt
sind. Zwischen diesen Polflächen 11 bewegen
sich die Leiterbahnanordnungen 7 und 7', welche gemäß den 2 und 3 als Spulenpakete ausgebildet sind.
Die voneinander abgewandten Flächen 17 der
Magnete 10 und 10' sind über die
magnetische Rückschlussleiteranordnung 12 aus Weicheisen
oder einem sonstigen ferromagnetischen Material, hier dem Aktorgehäuse, miteinander verbunden.
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Entsprechend 2 und 3 weist das Stellglied 3 eine
unrunde Achse 16 auf, über
welche der Aktor 1 mit einem nicht dargestellten Sicherungsautomaten
wirkverbindbar ist. Durch die Kombination des Aktor 1 mit
einem Sicherungsautomaten wird eine Fernabschaltung sowie eine Ferneinschaltung des
Sicherungsautomaten durch das Betätigen des Aktors 1 ermöglicht.
Zur Übertragung
der Stellkräfte des
Aktors 1 auf den Sicherungsautomaten kann alternativ ein
Bügel 17 vorgesehen
sein (vgl. 2), welcher
zur Wirkverbindung auf den Kipphebel des Sicherungsautomatens und
das Stellglied 3 des Aktors aufgeclippt wird. Dadurch wird
insbesondere ein schnelles Koppeln bzw. Entkoppeln des Aktors 1 vom Sicherungsautomaten
durch ein manuelles Aufbringen bzw. Abnehmen des Bügels 17 erreicht.
Generell sind aber auch andere Verbindungsarten des Bügels 17 mit
dem Aktor 1 denkbar.
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Zusammenfassend
lassen sich die wesentlichen Merkmale der Erfindung wie folgt charakterisieren:
Die
Erfindung sieht vor, einen kompakten Aktor 1 zu schaffen,
der über
eine hohe Stellkraft verfügt.
Hierbei sollen Lorenzkräfte 4 zum
Betätigen
des Aktors 1 genutzt werden.
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Der
Aktor 1 ist dazu vorzugsweise wie folgt aufgebaut: An einem
in einer Ebene beweglichen Stellglied 3 des elektrischen
Aktors 1 ist eine zu dieser Ebene parallele Leiterbahnanordnung 7 aus mehreren
im Wesentlichen parallel nebeneinander liegenden und von elektrischem
Strom in gleicher Richtung durchsetzten Leiterbahnen 6 vorgesehen. Der
Stator 2 weist eine die Leiterbahnen 6 überdeckende
und in Bewegungsrichtung 8 des Stellgliedes 3 überragende
Magnetanordnung 9 auf, die ein die Ebene der Leiterbahnen 6 im
wesent lichen senkrecht durchsetzendes Magnetfeld 5 erzeugt
und bei elektrischer Bestromung der Leiterbahnen 6 Lorentzkräfte 4 erzeugt,
welche eine Stellkraft auf das bewegliche Stellglied 3 ausüben und
dieses betätigen.
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In
unbestromtem Zustand weist das Stellglied 3 nahezu keinen
Widerstand gegen ein Verstellen auf. Hierdurch ist der Aktor 1 besonders
für den Einsatz
in Verbindung mit einem Sicherungsautomaten geeignet, welcher durch
Betätigen
des Aktors 1 von ferne in eine einen Stromkreis unterbrechende Stellung überführt werden
kann.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass die Stellkräfte des Aktors nahezu linear
mit der elektrischen Stromstärke
des die Leiterbahnen 6 durchsetzenden elektrischen Stromes
ansteigen und von der Schwenklage des Stellgliedes 3 nahezu
unabhängig
sind. Außerdem
treten keine magnetischen Sättigungseffekte auf.