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I. Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Getriebe.
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Bei
einem Getriebe stehen zwei oder mehr Teile miteinander in Verbindung,
so dass durch die Bewegung des einen Teiles das damit gekoppelte
andere Teil mitbewegt wird.
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II. Technischer Hintergrund
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Bei
einem Hebel-Getriebe wird der erste Hebel des Getriebes bewegt,
wodurch der damit in Verbindung stehende zweite und alle weiteren
Hebel mitbewegt werden.
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Der
häufigste
Fall eines Getriebes ist jedoch ein Räder-Getriebe, so dass durch
Drehung beziehungsweise Rotation des einen Getrieberades die damit
gekoppelten anderen Getrieberäder
mitbewegt werden.
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Die
Kopplung erfolgt daher meist über
physischen Kontakt, beispielsweise durch Kraftschluss wie bei einem
Keilriemen-Getriebe, indem durch die Vorspannung des Keilriemens
auf dem Getrieberad die Drehung des einen Getrieberades aufgrund
der Hafttreibung den darauf laufenden Keilriemen in Bewegung versetzt
und dieser wiederum das nächste Getrieberad.
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Der
wohl bekannteste Fall eines Getriebes ist das Zahnradgetriebe, bei
dem die Kopplung über Formschluss
erfolgt, indem die einzelnen Zahnräder mit ihren Zähnen formschlüssig ineinander
greifen. Gleiches gilt für
ein Zahnriemen-Getriebe.
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Vor
allem mit formschlüssigen
Getrieben lassen sich hohe Drehmomente übertragen, jedoch ist die Herstellung
dieser Getriebe sehr aufwändig:
Zum
einen müssen
die einzelnen Getrieberäder
hinsichtlich z. B. der Zahnform äußerst exakt
gefertigt werden, zum anderen müssen
die Positionierungen und Lagerungen der einzelnen Getrieberäder zueinander äußerst exakt
realisiert sein.
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Selbst
wenn dies erfüllt
ist, tritt immer noch eine hohe mechanische Reibung und damit Verschleiß des Getriebes
als auch Wärmeverluste
auf, was zusätzliche
Maßnahmen
wie Schmierung etc. erfordert.
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Ein
weiterer Nachteil ist, dass bei einem formschlüssigen Getriebe feststehendes Übersetzungsverhältnis des
Getriebes existiert, welches nur mit hohem Aufwand, zum Beispiel
Zwischensetzen weiterer Getrieberäder etc., geändert werden
kann und vor allem nicht stufenlos geändert werden kann.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es
ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung,
ein Getriebe sowie ein Verfahren zum Betreiben dieses Getriebes
zu schaffen, welches einfach und kostengünstig herzustellen ist, eine
geringe Verlustleistung aufweist und auf einfache Art und Weise in
seinem Übersetzungsverhältnis geändert werden kann.
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b) Lösung
der Aufgabe
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 17 gelöst.
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Indem
zwei nebeneinander drehende, insbesondere ohne physischen Kontakt
zueinander entlang ihrer Umfangsbereiche drehende, Getrieberäder magnetisch
miteinander in Verbindung stehen, gibt es keine Kontaktfläche zwischen
den beiden Getrieberädern,
an denen Wärmeverluste,
Reibung und Verschleiß auftreten
können.
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Die
Wirkverbindung der beiden Getrieberäder besteht vorzugsweise ausschließlich in
einer magnetischen Wirkverbindung, indem auf jedem der Getrieberäder entlang
des Umfanges fortlaufend abwechselnde Magnetisierungen, also Nord-
und Südpole,
vorhanden sind.
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An
der Stelle des geringsten Abstandes wird ein z. B. dort vorhandener
Nordpol des einen Getrieberades einen, insbesondere den nächsten erreichbaren,
Südpol
des benachbarten anderen Getrieberades anziehen und das andere Getrieberad
wird in dieser Drehlage gehalten.
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Dreht
man nun das angetriebene Getrieberad etwas weiter, nimmt sein z.
B. Nordpol den gegenüberliegenden
Südpol
des benachbarten Getrieberades mit und versetzt dieses solange in
Drehung, bis der nächste
Südpol
des angetriebenen Getrieberades einen geringeren Abstand zu dem
nächsten – nun Nordpol – des gegenüberliegenden
Rades erreicht und diese magnetische Kopplung stärker wird als die des vorhergegangenen
und Pol-Paares, die daraufhin abreißt.
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Auf
diese Art und Weise verursacht die Drehung des angetriebenen Getrieberades
eine entsprechende Drehung des damit magnetisch gekoppelten anderen
Getrieberades, wie bei einem z. B. Zahnrad-Getriebe, jedoch ohne
mechanischen Kontakt der Umfangsbereiche der Getrieberäder zueinander.
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Wie
groß der
Abstand zwischen den magnetisch gekoppelten Getrieberädern sein
darf und welche Drehmomente übertragen
werden können,
hängt von
der Feldstärke
der verwendeten Magnete ab.
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Dabei
kann es sich um Permanentmagnete handeln, als auch um Elektromagnete,
wobei letztere den Nachteil besitzen, dass dann in das drehende Getrieberad
hinein eine Stromzuführung
erforderlich ist.
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Bei
Verwendung von Permanentmagneten können durch Einsetzen von Magnetkörpern in
den Grundkörper
Getrieberäder
erzeugt werden, oder auch indem auf z. B. der Umfangsfläche des
Getrieberades eine magnetisierbare Schicht aufgebracht wird, die
anschließend
abschnittsweise abwechselnd magnetisiert wird.
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Das
Aufbringen ist sehr einfach z. B. durch Aufvulkanisieren eines vulkanisierbaren
Kunststoffes möglich,
in dem fein verteilt in ausreichender Konzentration magnetisierbaren
Partikel vorhanden und gebunden sind.
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Im
einfachsten Fall besteht somit ein magnetisches Getrieberad aus
einem quer zur Rotationsachse angeordneten Stabmagneten, so dass
dessen Nordpol die eine Hälfte
des Umfanges und dessen Südpol
die andere Hälfte
des Umfanges des Getrieberades bildet.
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Es
versteht sich von selbst, dass die exakte Ausrichtung der Getrieberäder bei
ausschließlich magnetischer
Kopplung nur geringe Bedeutung hat, beispielsweise können die
Rotationsachsen der Getrieberäder
windschief zueinander stehen und ebenso können dieselben Getrieberäder, die
parallel zueinander in einer Ebene drehend verwendet werden, auch
im Winkel zueinander stehend angeordnet werden.
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Dies
ermöglicht
es aus einigen wenigen Getrieberädern
sehr unterschiedliche Getriebe zusammenzusetzen.
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Des
Weiteren müssen
die Abstände
der Pole entlang des Umfanges bei zwei zusammenwirkenden Getrieberädern nicht
die gleichen sein:
Selbst wenn der Abstand der Pole auf dem
einen Getrieberad 2 cm und dem anderen 3 cm beträgt, können die beiden Räder magnetisch
gekoppelt werden, was bei formschlüssigen blickenden Zahnrädern nicht
möglich
wäre.
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Ebenso
müssen
die Getrieberäder
keinen exakt runden Umfang aufweisen, sondern können stattdessen auch eine
polygone Umfangskontur besitzen.
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Dementsprechend
kann auf einer magnetisierbaren Schicht eines Getrieberades auch
nachträglich
noch die Anzahl der Pole – die
immer eine gerade Anzahl sein muss – geändert werden, indem die magnetisierbare
Schicht neumagnetisiert wird, um das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes zu verändern.
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Die
neue Magnetisierung kann auch im eingebauten Zustand des Getrieberades
im Getriebe erfolgen, was die Änderung
der Übersetzung
stark vereinfacht, da keine Demontage und neue Montage des Getriebes
oder gar ein Ersatz des Getriebes notwendig ist.
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Natürlich können mit
einem solchen ausschließlich
magnetisch gekoppelten Getriebe keine so hohen Drehmomente übertragen
werden, wie mittels eines kraftschlüssig oder formschlüssig arbeitenden
Getriebes. Jedoch gibt es genug Anwendungsfälle, in denen dies auch nicht
notwendig ist, beispielsweise wenn nur geringe Kräfte übertragen
werden müssen,
oder eher eine hohe Drehzahl als ein hohes Drehmoment im Vordergrund
steht.
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Da
vor allem beim Anlaufen eines Getriebes hohe Drehmomente übertragen
werden müssen,
ist es auch möglich,
die magnetische Kopplung mit einer physischen Kopplung der Getrieberäder zu kombinieren,
um zu Beginn, also beim Anlaufen des Getriebes, die Getrieberäder durch
physischen Kontakt zueinander anzutreiben, beispielsweise mittels
Kraftschluss oder Formschluss, und nach Erreichen einer Mindestdrehzahl
diese physische Kopplung aufzuheben und nur noch die magnetische
Kopplung beizubehalten, die dann aufgrund der hohen Drehzahl und des
dann niedrigeren zu übertragenden
Drehmomentes für
die jeweilige Anwendung ausreichend sein kann.
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Zu
diesem Zweck können
auf dem Außenumfang
der Getrieberäder
zusätzlich
zu den unterschiedlichen Magnetisierungen kraftschlüssige oder formschlüssige Kopplungsmittel
vorhanden sein, beispielsweise zum formschlüssigen Ineinandergreifen der
Getrieberäder
als Zahnräder,
die bei einer entsprechend hohen Drehzahl z. B. durch Abstandsvergrößerung,
oder axialen Versatz der Kopplungsmittel der Getrieberäder außer Eingriff
gebracht werden.
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Die
Tatsache, dass mit zunehmender Drehzahl das zu übertragenden Drehmoment geringer wird,
kann bei einem magnetischen Getriebe gemäß der Erfindung zusätzlich weitere
Vorteile ergeben:
Zum einen hat sich gezeigt, dass ab einer
Mindestdrehzahl von beispielsweise 100 U/min eine Art magnetischer
Sog entsteht, der von der bloßen
Wechselwirkung zwischen einzelnen Polen zweier gegenüberliegender
Getrieberäder
abweicht und in eine Art gleichförmiges
Magnetfeld und die Magnete übergreifendes
Band übergeht,
die dennoch ein Mitdrehen des gekoppelten Getrieberades bewirken.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass der mit zunehmender Drehzahl
zurückgehende
Bedarf an Antriebsleistung des Getriebes dadurch Rechnung getragen
werden kann, dass der in seiner Leistung meist nicht veränderbare
Antrieb immer die gleiche Leistung in das Getriebe hinein abgibt,
dafür jedoch
an einer oder mehreren Stellen des Getriebes, insbesondere dem Abtriebsrad
des Getriebes, die nicht benötigte
Antriebsleistung abgenommen werden kann. Z. B. kann dort ebenfalls
wiederum kontaktlos fest positioniert am Umfang des Abtriebsrades
und dessen Magneten gegenüberliegend
ein oder mehrere elektrische Spulen angeordnet werden, in denen
durch die sich vorbeibewegenden Pole des gegenüberliegenden Getrieberades
Strom induziert wird, der nutzbringend verwendet werden kann, beispielsweise
auch bei Bedarf dem elektrischen Antrieb des Getriebes wieder zugeführt werden
kann, oder auf andere Weise genutzt werden kann.
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Auf
diese Art und Weise wird der Wirkungsgrad des Getriebes umso besser,
je höher
die Drehzahl wird, was ebenfalls im Gegensatz zu der Veränderung
des Wirkungsgrades bei mechanischen Getrieben steht.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass mangels eines mechanischen
Kontaktes zwischen den Getrieberädern
zwischen den verbundenen magnetischen Getrieberädern auch eine dichte Wand
angeordnet sein kann, sofern diese nicht aus einem magnetisierbaren
Material besteht.
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Damit
können
die beiden wirkverbundenen Getrieberäder gegeneinander abgeschottet
in unterschiedlichen Räumen
untergebracht sein, beispielsweise das Abtriebsrad zusammen mit
dem davon angetriebenen Aggregat in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht
sein, während
der Antrieb von außerhalb
des Gehäuses
erfolgt.
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Es
versteht sich von selbst, dass die Getrieberäder nicht nur einander gegenüberliegend
angeordnet sein müssen,
sondern auch ineinander laufen können,
also z. B. ein Getrieberad im Inneren eines anderen ringförmigen Getrieberades
angeordnet sein kann, wobei die beiden Räder dann insbesondere nicht
konzentrisch zueinander angeordnet sind.
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c) Ausführungsbeispiele
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Ausführungsformen
gemäß der Erfindung sind
im Folgenden beispielhaft näher
beschrieben. Es zeigen:
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1:
ein ausschließlich
magnetisches Rädergetriebe
betrachtet in Achsrichtung,
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2a:
ein kombiniertes Zahnrad- und magnetisches Rädergetriebe in der gleichen
Blickrichtung und
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2b:
einen Teil des Getriebes der 2a quer
zur Achsrichtung.
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1 zeigt
ein magnetisches Getriebe, bestehend aus drei in der gleichen Ebene
nebeneinander drehend angeordneten Getrieberädern 2a, b, c, von
denen Getrieberad 2a angetrieben wird über einen Antrieb 9 und
das Getrieberad mit dem kleinsten Umfang ist, während die weiteren Getrieberäder 2b, c
einen jeweils größeren Umfang
besitzen.
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Entlang
des Umfanges sind auf jedem der Getrieberäder 2a, b, c jeweils
abwechselnde Magnetisierungen vorhanden, also beispielsweise radial
orientierte Stabmagnete, die in Umfangsrichtung abwechselnd einmal
ihren Nordpol N und einmal ihren Südpol S auf der Außenseite
tragen.
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Das
angetriebene Getrieberad 2a besteht nur aus einem einzigen,
quer zur Achsrichtung 3a angeordneten Stabmagneten, so
dass die eine Hälfte des
Getrieberades 2a der Nordpol und die andere der Südpol ist.
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Demgegenüber weist
das zweite Getrieberad 2b bereits vier Magnete über den
Umfang verteilt auf, und das nochmals größere dritte Getrieberad 2c zwölf Magnete über den
Umfang.
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Dementsprechend
sind die entlang des Umfanges gemessenen Abstände 6b, 6c von
einem zum nächsten
Magneten N, S auf den einzelnen Getrieberädern 2b, c unterschiedlich
hinsichtlich des absoluten Abstandes als auch hinsichtlich des Winkelabstandes,
wodurch die gewünschte
Drehzahlerniedrigung oder -erhöhung
zustande kommt. Denn wie bei einem Zahnradgetrie be wird auch hier
durch die Drehung des z. B. angetriebenen Getrieberades 2a das benachbarte
Getrieberad 2b mitgedreht und von diesem das Getrieberad 2c,
jedoch hier allein aufgrund der magnetischen Kopplung der zueinander
benachbarten Getrieberäder,
und ohne dass sich diese gegenseitig physisch berühren.
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Deshalb
kann auch – wie
beispielsweise zwischen den Getrieberädern 2b und 2c eingezeichnet – in dem
Abstand zwischen den magnetisch gekoppelten Getrieberädern eine
dichte Wand 7 aus nicht magnetisierbarem Material angeordnet
sein. Auch die Anordnung von Flussleitstücken 8 zwischen zwei magnetisch
gekoppelten Getrieberädern
ist möglich, um
den magnetischen Fluss zu konzentrieren. Diese Leitstücke können auf
oder in einer ansonsten dichten Wand 7 zwischen den Getrieberädern angeordnet
sein.
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Der
Antrieb des Getrieberades 2a erfolgt ebenfalls kontaktlos
mittels einer im Abstand zum Umfang dieses Getrieberades 2a angeordneten
Spule 5, die durch gesteuerte Beaufschlagung mit Wechselstrom
das Getrieberad 2a in Drehung versetzt.
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Ferner
ist anhand des Getrieberades 2c dargestellt, dass dieses
aus einem zentralen Grundkörper 11 aus
nicht magnetisierbarem Material bestehen kann, auf welchem eine
magnetisierbare Schicht 4 entlang des Umfanges angeordnet
ist, in der nach dem Aufbringen dieser Schicht 4 die abwechselnden Magnetisierungen
erzeugt werden können,
und somit auch – selbst
ohne das Getriebe zu demontieren – diese Magnetisierungen erneuert
werden können, beispielsweise
mit einer anderen Polanzahl über
den Umfang verteilt, wodurch die Übersetzung des Getriebes ohne
Demontage verändert
werden kann.
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An
einem solchen Getriebe kann ferner an einer beliebigen Stelle, vorzugsweise
am vom Antrieb am weitesten entfernten Getrieberad – wie in 2a dargestellt – mittels
wiederum im Abstand zum Umfang positionierten Spulen 5 Strom
induziert werden mittels des sich ändernden Magnetflusses bei
vorbeidrehendem magnetischem Getrieberad.
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Der
Hauptunterschied der Darstellung der 2a gegenüber 1 besteht
jedoch darin, dass die einzelnen Getrieberäder 2a, b – zusätzlich zu
den entlang des Umfanges abwechselnden Magnetisierungen N, S – an ihrem
Umfang auch noch Zähne 12 aufweisen,
die wie bei konventionellen Zahnrädern mit den Zähnen des
benachbarten Getrieberades 2a, b in Eingriff stehen können.
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Dadurch
kann ein systemimmanenter Nachteil von ausschließlich magnetisch gekoppelten
Getrieberädern überwunden
werden, nämlich
die relativ geringe Drehmomentübertragung:
Das
zu übertragende
Drehmoment ist vor allem beim Anlaufen oder einer starken Drehzahländerung
des Getriebes am höchsten,
nimmt mit zunehmender Drehzahl bzw. Drehzahlveränderung jedoch stark ab.
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Daher
können
die Getrieberäder 2a,
b, c des Getriebes gemäß 2a wahlweise
mit ihren Zähnen 12 gegeneinander
in Eingriff oder außer
Eingriff gebracht werden, wie in der Seitenansicht der 2b dargestellt:
Sofern eines der Getrieberäder, z.
B. 2b, einen ausreichend großen Axialversatz 13 gegenüber dem
anderen Getrieberad 2a vollzieht, geraten die wechselseitigen
Zähne 12 außer Eingriff.
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Da
deren axiale Erstreckung jedoch wesentlich geringer ist als diejenige
der über
den Umfang angeordneten Magnetisierungen N, S, bleibt bei Außereingriffbringen
der Zähne 12 die
magnetische Wirkverbindung zwischen zwei benachbarten Getrieberädern 2a,
b nach wie vor intakt, sodass ab diesem Zeitpunkt die Getrieberäder 2a,
b nur noch magnetisch in Wechselwirkung miteinander stehen und ohne
physischen Kontakt und damit ohne Verschleiß, Wärmeerzeugung und laute Geräusche.
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- 1
- Getriebe
- 2a,
b
- Getrieberad
- 3a,
b
- Rotationsachse
- 4
- magnetisierbare
Schicht
- 5
- elektrische
Spule
- 6a,
b
- Abstand
- 7
- Wand
- 8
- Flussleitstück
- 9
- Antrieb
- 10
- Achsrichtung
- 11
- Grundkörper
- 12
- Zähne
- 13
- Axialversatz
- N,
S
- Pol