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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetische Stirndreh-Kupplung zur Übertragung von Drehmomenten.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind Magnetkupplungen bekannt, bei denen konzentrisch ineinander angeordnete Magnete bzw. Magnetpaare genutzt werden, um Drehmomente berührungslos zu übertragen. Zusätzlich kann ein Umleitelement genutzt werden, um den magnetischen Fluss zu führen, womit das übertragbare Drehmoment gesteigert wird und die Effizienz erhöht wird. Je nach anliegendem Drehmoment verdrehen sich hierbei die beiden Kupplungsteile um einige Winkelgrade gegeneinander. Durch die Verdrehung entsteht stationär ein Gegenmoment in der Höhe des von außen anliegenden Moments.
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Zur Erhöhung des übertragbaren Moments ist es im Stand der Technik bekannt, die magnetische Polzahl zu erhöhen. Vor allem bei kleinen Abmessungen sind hier jedoch durch Fertigbarkeit und Magnetisierung Grenzen gegeben. Eine aktive Magnetflussführung durch Zusatzelemente kann zur Erhöhung des Drehmoments beitragen. Bei sehr kleinen Abmessungen oder stark beschränktem Bauraum es ist jedoch schwer, das notwendige Drehmoment zu erreichen bzw. die Anordnung konstruktiv zu beherrschen und den zur Verfügung stehenden Bauraum einzuhalten.
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Falls zur Schirmung des Magnetfeldes entweder zur Führung des Magnetflusses dienende Bauteile oder weitere passive Bauelemente hinzugefügt werden, so wird der Bauraum weiter reduziert, was in der Regel konstruktive Probleme bereitet.
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Im Stand der Technik ist es ferner bekannt, dauermagnetische Synchronkupplungen mit Dauermagnetringen, sogenannte Stirndrehkupplungen, zu bauen. Hierbei ist jeder Magnetring in Umlaufrichtung mehrpolig und axial magnetisiert. Eine zusätzliche Eisenrückschlussscheibe übernimmt die magnetische Flussführung. Die Kraft- bzw. Drehmomentübertragung erfolgt mittels magnetischer Felder, so dass Trennwände aus nicht magnetisierbaren Materialien möglich sind.
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Bei der Stirndrehkupplung sind die axial anziehenden Magnetkräfte konstruktiv abzufangen. Deshalb wird dieser Kupplungstyp meist nur für Antriebsleistungen bis maximal 5 kW eingesetzt. Die Trennwände werden aus Materialien mit geringer elektrischer Leitfähigkeit hergestellt.
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Im Stand der Technik sind ebenfalls Halbach-Anordnungen (engl.: Halbach-Arrays) bekannt, welche spezielle Konfigurationen von Permanentmagneten sind. Eine solche Konfiguration ermöglicht, dass sich der magnetische Fluss an der einen Seite der Konfiguration nahezu aufhebt, auf der anderen Seite jedoch verstärkt wird (starke Seite). Eine Halbach-Anordnung setzt sich aus Segmenten von Permanentmagneten zusammen, deren Magnetisierungsrichtung gegeneinander jeweils um 90° in Richtung der Längsachse der Anordnung gekippt ist. Auf diese Weise lässt sich eine seitenabhängige Flussverstärkung erzielen. Im Übrigen sei auch auf die einschlägige Fachliteratur betreffend Hallbach-Anordnungen verwiesen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die magnetische Stirndreh-Kupplung dient der Übertragung von Drehmomenten. Diese Übertragung von Drehmomenten kann zum Beispiel von einer Welle auf eine andere Welle erfolgen.
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Die magnetische Stirndreh-Kupplung weist eine erste Kupplungshälfte auf, welche mit einer ersten Achse verbindbar ist und eine zweite Kupplungshälfte, welche mit einer zweiten Achse verbindbar ist.
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Hierbei weist die erste Kupplungshälfte einen ersten Permanentmagneten auf, welcher eine Halbach-Anordnung aufweist, insbesondere eine Halbach-Anordnung ist.
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Die Stirndreh-Kupplung erreicht vorteilhafterweise, dass der Magnetfluss ohne weitere magnetflussführende Anordnungen konzentriert werden kann. Dies führt wiederum zu einer Reduktion des benötigten Gesamtvolumens oder alternativ zu einer Reduktion des Magnetvolumens bzw. ermöglicht bei gleichem Magnetvolumen denselben Magnetfluss ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen wie z.B. magnetische Rückschlüsse. Das Drehmoment ist somit bei gleichem Bauraum größer als bei herkömmlichen Anordnungen mit einer Rückführung des magnetischen Flusses. Alternativ kann bei gleichbleibendem Drehmoment das Magnetvolumen verkleinert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Stirndreh-Kupplung eine Kupplung eines Herzunterstützungssystems, insbesondere einer Pumpe eines solchen Systems, sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Kupplungshälfte axial magnetisiert. Dies kann mit oder ohne magnetischen Rückschluss geschehen. Dadurch wird vorteilhafterweise das magnetische Feld von der zweiten Kupplungshälfte axial zur ersten Kupplungshälfte geführt, wodurch erreicht wird, dass eine zwischen der ersten und zweiten Kupplungshälfte wirkende Kraft größer ist als im Fall einer nichtaxialen Magnetisierung der zweiten Kupplungshälfte.
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Ohne Einschränkung der Allgemeinheit kann nach einer anderen Ausführungsform die erste und zweite Kupplungshälfte vertauscht sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die zweite Kupplungshälfte einen zweiten Permanentmagneten auf, welcher eine Halbach-Anordnung aufweist, insbesondere eine Halbach-Anordnung ist. Besonders bevorzugt ist die zweite Kupplungshälfte baugleich mit der ersten Kupplungshälfte. Hierbei ist es weiter bevorzugt, dass die Magnetisierung der ersten Kupplungshälfte und der zweiten Kupplungshälfte in dieselbe Richtung zeigen und gemäß einer noch weiter bevorzugten Ausführungsform gleich sind.
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Dieses Merkmal erreicht vorteilhafterweise, dass die Stirndrehkupplung symmetrisch aufgebaut ist und zwischen den beiden Kupplungshälften hohe axiale Magnetkräfte wirken können.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stehen sich die erste Kupplungshälfte und die zweite Kupplungshälfte stirnseitig gegenüber. Hierbei ist es bevorzugt, wenn der Abstand der ersten und zweiten Kupplungshälfte möglichst gering ist. Durch dieses Merkmal wird vorteilhafterweise erreicht, dass die zwischen der ersten und zweiten Kupplungshälfte wirkenden Magnetkräfte möglichst groß sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Achse mit einer antreibenden Welle und die zweite Achse mit einer abtreibenden Welle verbindbar. Dieses Merkmal erreicht vorteilhafterweise, dass ein Drehmoment der antreibenden Welle auf die antreibende Welle übertragen werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Kupplungshälfte und die zweite Kupplungshälfte koaxial angeordnet. Hierbei ist es weiter bevorzugt, wenn die erste Kupplungshälfte und die zweite Kupplungshälfte sich gegenüberstehen. Durch dieses Merkmal wird vorteilhafterweise erreicht, dass zu jedem Zeitpunkt der Drehbewegung der Wellen, die relative Position der ersten Kupplungshälfte zur zweiten Kupplungshälfte identisch ist. Dadurch bleiben die Magnetkräfte zwischen der ersten und zweiten Kupplungshälfte zeitlich Konstanz auf einem maximalen Wert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist eine starke Seite der Halbach-Anordnung der ersten Kupplungshälfte und / oder der zweiten Kupplungshälfte zur jeweils anderen Kupplungshälfte. Für den Fall, dass sowohl die erste als auch die zweite Kupplungshälfte Permanentmagneten aufweisen, welche jeweils eine Halbach-Anordnung aufweisen, ist es weiter bevorzugt, dass sowohl die starke Seite der Halbach-Anordnung der ersten Kupplungshälfte als auch die starke Seite der Halbach-Anordnung der zweiten Kupplungshälfte an der jeweiligen Stirnseite der Kupplungshälften liegen. Hierbei wird unter einer Stirnseite einer Kupplungshälfte diejenige Seite verstanden, welche näher an der jeweiligen anderen Kupplungshälfte liegt. Durch dieses Merkmal wird erreicht, dass der starke Magnetfluss einer jeden Kupplungshälfte zur Kopplung mit der jeweiligen anderen Kupplungshälfte verwendet wird und nicht auf einer von der jeweiligen anderen Kupplungshälfte abgewandten Seite gewissermaßen verschwendet wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Magnetfeld der ersten und / oder zweiten Kupplungshälfte ein- oder mehrpolpaarig. Hierbei liegt jedem Pol einer Kupplungshälfte ein entgegengesetzter Pol der anderen Kupplungshälfte über.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die erste Kupplungshälfte und die zweite Kupplungshälfte jeweils 2n Segmente auf, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist. Hierbei liegt jedem Segment der ersten Kupplungshälfte, welche bevorzugt eine Polarität aufweist, ein entsprechendes Segment der zweiten Kupplungshälfte, welches eine entgegengesetzte Polarität aufweist, gegenüber.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens einer der ersten Kupplungshälfte und der zweiten Kupplungshälfte eine runde oder ringförmige Form auf. Bevorzugt weist die erste oder zweite Kupplungshälfte einen Rund- oder Ringmagnet auf oder ist ein solcher. Eine solche Form ist sehr praktisch für die vorliegende Anwendung, bei der ein Drehmoment mithilfe von Wellen übertragen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die erste Kupplungshälfte und die zweite Kupplungshälfte jeweils einen Scheibenmagnet auf. Eine solche Form ist sehr praktisch für die vorliegende Anwendung, bei der ein Drehmoment mithilfe von Wellen übertragen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Radius der ersten Kupplungshälfte gleich groß wie ein Radius der zweiten Kupplungshälfte. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine axiale Länge der ersten Kupplungshälfte gleich groß wie eine axiale Länge der zweiten Kupplungshälfte. Diese Merkmale haben den Vorteil, dass die Kupplungshälften gleich oder identisch hergestellt werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Kupplungshälfte und / oder die zweite Kupplungshälfte jeweils mindestens zwei Kupplungsteile auf. Hierbei kann jedes Kupplungsteil die Option eines Segmentes einer Halbach-Anordnung erfüllen. Durch dieses Merkmal kann eine Halbach-Anordnung auf einfache Weise realisiert werden.
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Bevorzugt haben die erste Kupplungshälfte und die zweite Kupplungshälfte jeweils dieselbe Anzahl und dieselbe Anordnung. Ferner ist es bevorzugt, dass die Kupplungsteile der Kupplungshälften symmetrisch zu einer Ebene zwischen der ersten Kupplungshälfte und der zweiten Kupplungshälfte liegen. Dies hat den Vorteil einer einfachen Struktur bei optimaler Feldverteilung des Magnetfeldes.
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Bevorzugt verläuft die Magnetisierungsrichtung der ersten Kupplungshälfte und / oder zweiten Kupplungshälfte zumindest in einem von einer axialen Achse entfernten Bereich entlang einer axialen Richtung. Hierbei weist sowohl in der ersten Kupplungshälfte als auch in der zweiten Kupplungshälfte die Magnetisierungsrichtung in dieselbe Richtung. Dies hat den Vorteil, dass eine starke Kraftkopplung zwischen den Kupplungshälften erzielt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die Kupplungsteile jeweils auf einer Welle angeordnet sein. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Kupplungsteile auf einem Träger auf der Rückseite der Kupplungshälften angeordnet sein.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1A zeigt eine magnetische Stirndreh-Kupplung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht.
- 1B zeigt eine Frontalansicht der magnetischen Stirndreh-Kupplung gemäß 1A entlang einer Schnittebene.
- 2A zeigt eine magnetische Stirndreh- Kupplung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht.
- 2B zeigt eine Frontalansicht der magnetischen Stirndreh-Kupplung gemäß 2A entlang einer Schnittebene.
- 3A zeigt eine magnetische Stirndreh- Kupplung gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht.
- 3B zeigt eine Frontalansicht der magnetischen Stirndreh-Kupplung gemäß 3A entlang einer Schnittebene.
- 4A zeigt eine magnetische Stirndreh-Kupplung gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht.
- 4B zeigt eine Frontalansicht der magnetischen Stirndreh-Kupplung gemäß 4A entlang einer Schnittebene.
- 5A zeigt eine magnetische Stirndreh-Kupplung gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht.
- 5B zeigt eine Frontalansicht der magnetischen Stirndreh-Kupplung gemäß 5A. Hierbei ist die Ansicht der 5A eine Schnittansicht entlang der Linie aA, welche in 5B gezeigt ist.
- 6A zeigt eine magnetische Stirndreh-Kupplung gemäß dem Ausführungsbeispiel der 5A und 5B in einer Seitenansicht. Hierbei ist die Ansicht der 6A eine Schnittansicht entlang der Linie bB, welche in 6B gezeigt ist.
- 6B zeigt eine Frontalansicht der magnetischen Stirndreh-Kupplung gemäß 6A.
- 7A, 7B und 7C zeigen jeweils eine Kupplungshälfte einer magnetischen Stirndreh-Kupplung zur Übertragung von Drehmomenten gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in drei unterschiedlichen Ansichten.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1A zeigt eine magnetische Stirndreh-Kupplung 100 zur Übertragung von Drehmomenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht.
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Die Stirndreh-Kupplung 100 weist eine erste Kupplungshälfte 102, welche mit einer ersten Achse verbindbar ist, und eine zweite Kupplungshälfte 104, welche mit einer zweiten Achse verbindbar ist, auf.
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Die erste Kupplungshälfte 102 weist einen ersten Permanentmagneten 106 in einer Halbach-Anordnung auf. Die zweite Kupplungshälfte 104 weist einen zweiten Permanentmagneten 108 in einer Halbach-Anordnung auf.
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Die erste Kupplungshälfte 102 und die zweite Kupplungshälfte 104 sind symmetrisch zu einer Symmetrieebene 110 angeordnet, welche in der Mitte zwischen der ersten Kupplungshälfte 102 und der zweiten Kupplungshälfte 104 angeordnet ist und entlang der y-Achse verläuft.
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Die erste Kupplungshälfte 102 weist drei Kupplungsteile 111, 112 und 113 auf. Die zweite Kupplungshälfte 104 weist drei Kupplungsteile 114, 115 und 116 auf.
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Die erste Kupplungshälfte 102 hat dieselben Abmessungen wie die zweite Kupplungshälfte 104. Die erste Kupplungshälfte 102 und die zweite Kupplungshälfte 104 sind jeweils rund und rotieren bei bestimmungsgemäßem Gebrauch um die x-Achse, welche mittig durch die erste Kupplungshälfte 102 und die zweite Kupplungshälfte 104 verläuft. 1B zeigt eine Frontalansicht, welche die magnetische Stirndreh-Kupplung 100 entlang der durch die gestrichelte Linie 105 markierten Schnittebene von rechts zeigt. Man sieht hierbei die zweite Kupplungshälfte 104, während die erste Kupplungshälfte 102 von der zweiten Kupplungshälfte 104 verdeckt wird.
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Die Kupplungsteile 111 und 114 haben dieselbe Magnetisierung, welche in Richtung der negativen x-Achse verläuft.
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Die Kupplungsteile 113 und 116 haben dieselbe Magnetisierung, welche in Richtung der positiven x-Achse verläuft.
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Die Kupplungsteile 112 und 115 haben entgegengesetzte Magnetisierungen, wobei das Kupplungsteil 112 entlang der y-Achse und das Kupplungsteil 115 entlang der negativen y-Achse verläuft.
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Die drei Kupplungsteile 111, 112 und 113 der ersten Kupplungshälfte 102 weisen eine Halbach-Anordnung auf. Eine Halbach-Anordnung mit nur drei Segmenten bildet die kleinstmögliche Halbach-Anordnung. Die drei Kupplungsteile 114, 115 und 116 der zweiten Kupplungshälfte 104 weisen eine Halbach-Anordnung auf.
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Die Kupplungsteile 111 und 113 der ersten Kupplungshälfte 102, welche in der 1A auf der linken Seite abgebildet ist, bilden zusammen ein Magnetfeld, welches auf der rechten Seite der ersten Kupplungshälfte 102 nach unten zeigt und auf der linken Seite der ersten Kupplungshälfte 102 nach oben zeigt. Das Kupplungsteil 112 der ersten Kupplungshälfte 102 weist ein Magnetfeld auf, welches auf der rechten Seite der ersten Kupplungshälfte 102 nach unten zeigt und auf der linken Seite der ersten Kupplungshälfte 102 ebenfalls nach unten zeigt. Falls man das Gesamtmagnetfeld der Kupplungsteile 111, 112 und 113 berechnet, so ergibt sich für die rechten Seite der ersten Kupplungshälfte 102 eine Verstärkung der Magnetfeldanteile, welche einerseits von dem Kupplungsteil 112 und andererseits von den Kupplungsteilen 111 und 113 stammen, und für die linke Seite der ersten Kupplungshälfte 102 eine gegenseitige Abschwächung der Magnetfeldanteile, welche einerseits von dem Kupplungsteil 112 und andererseits von den Kupplungsteilen 111 und 113 stammen. Somit ist das Magnetfeld auf der rechten Seite der ersten Kupplungshälfte 102 die starke Seite der Halbach-Anordnung und auf der linken Seite der ersten Kupplungshälfte 102 die schwache Seite der Halbach-Anordnung.
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Entsprechend folgt für die zweite Kupplungshälfte 104 auf der linken Seite eine Verstärkung der Magnetfeldanteile, welche einerseits von dem Kupplungsteil 115 und andererseits von den Kupplungsteilen 114 und 116 stammen, und für die rechte Seite der ersten Kupplungshälfte 104 eine gegenseitige Abschwächung der Magnetfeldanteile, welche einerseits von dem Kupplungsteil 115 und andererseits von den Kupplungsteilen 114 und 116 stammen. Somit ist das Magnetfeld auf der rechten Seite der zweiten Kupplungshälfte 104 schwach und auf der linken Seite der zweiten Kupplungshälfte 104 stark.
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Somit ist das Gesamtmagnetfeld zwischen der ersten Kupplungshälfte 102 und der zweiten Kupplungshälfte 104 stark und das Gesamtmagnetfeld außerhalb der ersten Kupplungshälfte 102 und der zweiten Kupplungshälfte 104 schwach. Hierdurch ergibt sich eine starke Kopplung zwischen der ersten Kupplungshälfte 102 und der zweiten Kupplungshälfte 104.
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Die Stirndreh-Kupplung 100 ist einpolpaarig. Die erste Kupplungshälfte 102 weist die zwei Segmente 120 und 122 auf.
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2A zeigt eine magnetische Stirndreh-Kupplung 100 zur Übertragung von Drehmomenten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht. 2B zeigt eine Frontalansicht, der magnetischen Stirndreh-Kupplung gemäß 2A entlang einer Schnittebene. Im Unterschied zur Ausführungsform der 1A und 1B weist sowohl die erste Kupplungshälfte 102 als auch die zweite Kupplungshälfte 104 jeweils eine unmagnetische Montageplatte 130 auf.
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3A zeigt eine magnetische Stirndreh-Kupplung 100 zur Übertragung von Drehmomenten gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht. 3B zeigt eine Frontalansicht, der magnetischen Stirndreh-Kupplung gemäß 3A entlang einer Schnittebene. Die Ausführungsform der 3A und 3B unterscheidet sich von der Ausführungsform der 2A und 2B dadurch, dass sowohl die Montageplatte 130 der ersten Kupplungshälfte 102 als auch die Montageplatte 130 der zweiten Hälfte 104 jeweils mit einer Welle verbunden sind. Die Montageplatte 130 der ersten Kupplungshälfte 102 ist mit einer antreibenden Welle 132 und die Montageplatte 130 der zweiten Kupplungshälfte 104 ist mit einer abtreibenden Welle 134 verbunden.
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4A zeigt eine magnetische Stirndreh-Kupplung 100 zur Übertragung von Drehmomenten gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht. 4B zeigt eine Frontalansicht, der magnetischen Stirndreh-Kupplung gemäß 4A entlang einer Schnittebene. Die Ausführungsform der 3A und 3B unterscheidet sich von der Ausführungsform der 3A und 3B dadurch, dass sowohl die antreibende Welle 132 als auch die abtreibende Welle 134 direkt mit den jeweiligen Magneten der ersten Kupplungshälfte 102 und der zweiten Kupplungshälfte 104 verbunden ist.
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5A zeigt eine magnetische Stirndreh-Kupplung 100 zur Übertragung von Drehmomenten gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht. 5B zeigt eine Frontalansicht der magnetischen Stirndreh-Kupplung gemäß 5A. Die Ansicht der 5A ist eine Schnittansicht entlang der Linie aA. Die Ausführungsform der 5A und 5B unterscheidet sich von der Ausführungsform der 1A und 1B dadurch, dass die Stirndreh-Kupplung 100 zweipolpaarig. Die erste Kupplungshälfte 102 und die zweite Kupplungshälfte 104 weisen jeweils vier Segmente auf. In den 6A und 6B ist dieselbe Ausführungsform der 5A und 5B gezeigt, wobei die 6A jedoch einen Schnitt entlang der Linie bB zeigt.
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7B zeigt eine erste Kupplungshälfte 102 einer magnetischen Stirndreh-Kupplung 100 zur Übertragung von Drehmomenten gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht. 7A und 7C zeigen jeweils eine Frontalansicht der zweiten Kupplungshälfte 102 der magnetischen Stirndreh-Kupplung gemäß 7B, 7A zeigt eine Ansicht von links, 7C eine Ansicht von rechts.
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Die erste Kupplungshälfte 102 ist in diesem Fall eine vierpolige Variante mit insgesamt fünf Segmenten, wobei an einer Innenseite, d.h. der Stirnseite abgewandten Seite, der ersten Kupplungshälfte 102 ein Ringmagnet als ein Segment angebracht ist und die Hälfte der ersten Kupplungshälfte 102 an der Stirnseite vier Segmente aufweist. Die magnetische Stirndreh-Kupplung 100 zur Übertragung von Drehmomenten weist zwei sich gegenüber stehende solche Kupplungshälften auf.
