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R e s c h r e i b u n g Magnetisch gesteuerte Schaltvorrichtung,
vorzugsweise, Magnetkupplung oder - bremse.
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Die Erfindung bezieht sich auf Magnetkupplungen, -bremsen, Schaltschütze,
Magnetventile und ähnliche magnetisch gesteuerte Geräte bei denen an zwei miteinander
lösbar zu verbinden Teilen je ein oder mehrere Magnete angeordnet sind.
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Für Großkraftmaschinen ist eine derart elektromagnetisch gesteuerte
Reibungskupplung, mit zwei symmetrisch gegenüberliegenden Elektromagnete bekannt.
(DPS 473 119) Die Elektromagnete werden mit Gleichstrom ungleichpolig erregt.
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Die anziehenden Magnetkräfte bewirken den Reibungsschluß.
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Im stromlosen Zustand der Elektromagnete ist der Reibungsschluß aufgehoben.
Der Reibungsschluß kann auch plötzlich aufgehoben werden, indem der Erregerstrom
eines Elektromagnets umgekehrt wird, so daß sich gleiche Magnetpole gegenüberstehen.
Durch die dabei auftretende magnetische Abstoßung werden die Reibflächen getrennt.
Zum Übergang in einem reibungslosen Ruhezustand, müssen beide Erregerströme gleichzeitig
abgeschaltet werden. Diese große und kostspielige Bauweise ist nur für den Großmaschinenbau
geeignet. Die hinwendung ist ferner auf jene Bälle begrenzt, wo im stromlosen Zustand
der Reibungsschluß aufgehoben sein muß oder sein kann. Im reibungsschlüssigen Betriebszustand
müssen be Elektromagnete ständig erregt sein Der große Stromverbrauch und die ständige
elektrische Belastung der Schleifringe sind nachteilig. Für schnellaufende Maschinen
ist eine derartige elektrische Belastung der Schleifringe nicht zulässig.
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Weiterhin sind ruhestrombetätige Kupplungen und Bremsen bekannt, bei
denen die magnetische Kraft eines Dauermagnets zum Reibungsschluß verwendet wird.
(DPS 1 067 267) Die Lüftüng wird durch das Streufeld des Dauermagnets über konzentrisch
angeordnete Leitringe bewirkt, dem ein gleichpoligen
elektromagnetisches
Feld gegenüberliegt. Die Abstoßungskraft ist gering. Bei stärkerer Erregung des
Elektromagnets würden die Gleitringe vom Elektromagnet angezogen und erneut Reibungsschluß
bewirkt. Eine Schnellschaltung durch Überregung des Elektromagnets ist daher nicht
möglich. Bremsmotoren mit derart betätigten Bremsen laufen bekanntlich beim Axilauf
kurzfristig gegen das Bremsmoment, da die Bremsen zu spät lüften. Das Schließen
der Bremsen bei Stromausfall erfolgt ebenfalls mit einer Verzögerung, da der Dauermagnet
eine Richtungsänderung des Magnetflusses im Elektromagnetkörper bewirken muß. Solche
ruhestrombetätige Bremsen und Kupplungen erfüllen Sicherheitsforderungen, wenn bei
Stromausfall Reibungsschluß hergestellt sein muß. Für andere Zwecke sind sie nur
bedingt verwendbar.
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Bei allen bekannten Bremsen und Kupplungen ist das statisehe Drehmoment
größer als das schaltbare Drehmoment, da die Haftreibung größer ist als die gleitende
Reibung und der Anpreßdruck gleichbleibend. Da beim Einschalten oft große Lassen
zu beschleunigen sind, ist das erforderliche Schaltdrehmoment größer als das erforderliche
Lastdrehmoment, Die bekannten Reibungskupplungen und -bremsen verhalten sich also
entgegengesetzt zu den Forderungen der Praxis.
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Alle bekannten elektromagnetisch gesteuerten Schaltvorrichgen sind
für einen bestimmten Verwendungszweck konstruiert, sind also nicht universell anwendbar.
Derartig gesteuerte Kupplu.nr;en und Bremsen müssen in einer bestimmten Schaltposition
ständig elektromagnetisch erregt sein und haben hohen Stromverbrauch. Für Schnellschaltungen
ist eine zusätzliche über stromquelle erforderlich. Außerdem sind Schnellschaltungen
nur in einer Schaltrichtung möglich.
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Die beschriebenen Nachteile der bekannten magnetisch gesteuerten Schaltvorrichtungen,
vorzugsweise Magnetkupplung oder -bremse, bei welchen an zwei miteinander lösbar
zu verbindenden Teilen an einem Teil mindestens ein Dauermagnet und am anderen Teilen
mindestens ein Elektromagnet befestigt ist und die Pole der Magnete sich derart
gegenüberliegen, daß durch elektrische Schaltmaßnahmen beim Elketromagneten das
resultierende
magnetische feld unterschiedliche Kräfte bewirkt,
sind erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß der Elektromagnet zur Anziehung der
beiden Teile in einem solchen Sinne erregt-ist, daß den Dauermagnetpolen ungleiche
Elektromagnetpole gegenüberliegen, zur Abstoßung der beiden Teile im umgekehrten
Sinne erregt ist, und daß der Hub eines beweglichen Dauermagnets auf der einen Seite
durch ein Elektromagnet und auf der anderen Seite durch ein magnetisierbares Teil
begrenzt ist, und der Dauermagnet in einer Schaltposition am stromlosen Elektromagnet
und in der anderen Schaltposition am magnetisierbaren Teil haftet, und daß durch
anziehende oder abstoßende Impulse des Elektromagnets die Schaltposition des Dauermagnets
geändert wird.
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Hierdurch wird bewirkt, daß der Dauermagnet in zwei Schaltpositionen
durch eigene magnetische Haftung stabilisiert ist und durch kurzfristiges anziehende
oder abstoßende magnetische Impulse des Elektromagnets in einer der beiden Schaltpositionen
gesteuert wird. Die Haftkraft des Dauermagnets kann durch Auf rechterhaltung des
elektromagnetischen Feldes verstärkt werden In einem solchen Fall ist der Elektromagnet
ständig erregt. Die Änderung der Schaltposition wird durch Umkehrung des Erregerstroms
bewirkt. Durch die Umkehrung des Erregerstrome wird eine hohe Schaltgeschwindigkeit
erzielt9 da die Remanenz der ersten Magnetflußrichtung durch die umgekehrte Magnetflußrichtung
gelöscht wird.
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Die Erfindung ist rorteilhaft bei Magnetkupplungen und -bremsen anwendbar.
So kanal eine agnetkupplung im stromlosen Zustand mittels der Haftkraft des Dauermagnets
gelüftet, form- oder reibungsschlüssig sein. Dabei sind auch die Schleifringe elektrisch
entlastet Wirken die anziehenden magnetischen Kräfte des Dauermagnets und des Elektromagnets
gemeinsam, so erhöht sich dadurch das übertragbare Drehmoment der Magnetkupplung.
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Die Magnetkupplung arbeitet demnach im stromlosen Zustand mit einem
kieineren und im erregten Zustand mit einem größeren Drehmoment. Die Steuerung erfolgt
in der oben beschriebenen Weise durch Stromstöße in wechselnder Richtung oder durch
Umkehrung des Erregerstroms. Zur Schnellschaltung kann der Einschalt
stromstoß
den zehn- bis zwanzigfachen Betrag des zulässigen Dauerstroms betragen, ohne daß
durch den kurzfristigen Stromstoß eine unzulässige Erwärmung der Erregerwicklung
entsteht.
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Der erhöhte Einschaltstromstoß wird vorteilhaft solange aufrechterhalten
bis die angetriebenen Massen beschleunigt sind; In einem solchen Falle arbeitet
die Magnetkupplung, zur Beschleunigung der angetriebenen Massen, mit ihrem größten
Drehmoment. Sind die Massen beschleunigt, so ist auch der Einschaltstrom abgeklungen
und die Magnetkupplung arbeitet im stromlosen Zustand mit ihrem kleineren Drehmoment,
welches dem erforderlichen tastdrehmoment entspricht. Sind dagegen große Massen
langsam zu beschleunigen, so wird die Magnetkupplung durch ein Stromstoß eingeschaltet,
die getriebenen Massen durch das kleinere Drehmoment der Magnetkupplung teilweise
beschleunigt, und dann durch sinngemäße Erregung des Elektromagnets mit dem größten
Drehmoment vollständig beschleunigt. Anschließend kann auf das kleinere Drehmoment
zurückgeschaltet werden, wenn dies dem erforderlichen lastdrehmoment entspricht.
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Werden bei Fern- oder Programmsteuerung die verwendeten Magnetkupplungen
durch Stromstöße gesteuert, so entsteht ein weiterer Vorteil durch Einsparung von
Sieeer- oder Halteschütze. Die Stromimpulse der Hand- oder Maschinentaster, sowie
die Stenerimpulse elektronischer Steueranlagen können bei der Erfindung direkt als
Schaltstromstoß verwendet werden. Dadurch wird auch gleichzeitig die Gesamtsteuerzeit
um die Schützzeit verkurztO Bei allen bekannten Magnetkupplungen, soweit sie nicht
ruhestrombetätigt sind, ist zur Aufrechterhaltung des Erregerstroms ein Steuer-
oder Halte schütz erforderlich.
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Muß aus einer Sicherheitsforderung bei Stromausfall eine bestimmte
Schaltposition hergestellt sein, so kann diese Schaltposition durch Entladung eines
Kondensators hergestellt werden0 ZOBO Eine nach der Erfindung gesteuerte, eingeschaltete
Magnetkupplung muß bei Stromatisfall gelüftet sein. Dann erfolgt der Strom stoß
des Kondensators in dem Sinne, daß in der Magnetkupplung zwei gleichpolige Magnetfelder
die L'iftung durch Abstoßung bewirkend Soll die Magnetkupplung dagegen bei Stromausfall
eing¢
schaltet sein, dann erfolgt der Stromstoß des Kondensators
im umgekehrten Sinn?. Das Freiwerden der Kondensatorkapazität wird durch den Stromausfall
in bekannter Weise direkt oder indirekt bewirkt. Bisher sind keine magnetische Schaltvorrichtungen
und Magnetkupplungen bekannt, welche bei Stromausfall wahlweise ein- oder ausgeschaltet
sein können.
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Die Erfindung kann weiterhin als Sicherheitskupplung und als kombinierte
Schalt- und Sicherheitskupplung verwendet werden.
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Z.B. Eine nach der Erfindung gesteuerte Magnetzahnkupplung, mit schräger,
allgemeinbekannter Verzahnung, soll bei Überschreitung des Nenndrehmoments eine
Maschine gegen Beschädigung schützen. Die Magnetzahnkupplung befindet sich im stromlosen
Zustand und in Einschaltposition. Bei Uberschreitung des Nenndrehmoments spreizen
sich die Kupplungshälften, infolge der Kraftübertragung an den schrägen Zahnflanken.
Durch den dabei entstehenden Luftspalt wird die Haftkraft des Dauer magnets erheblich
verringert und dadurch verringert sich wiederum das übertragbare Drehmoment der
Magnetzahnkupplung, so daß die Spreizung rasch fortschreitet. Dabei nähert sich
der Dauermagnet dem gegenüberliegenden magnetisierbaren Teil, wird von diesem angezogen,
und gelangt in die Ausschaltposition. Der Dauermagnet bleibt an dem magnetisierbaren
Teil haften. Die Kupplung hat sich selbsttätig ausgeschaltet. nach Beseitung der
Störung, die zur Überschreitung des Nenndrehmoments geführt hat, kann die Magnetzahnkupplung
durch ein Stromstoß wieder eingeschaltet werden. Bisher sind keine selbsttätig ausschaltende
Magnetkupplungen bekannt. Die Erfindung ist auch den bisher bekannten Sicherheitskupplungen
überlegen. Die Vorteile ergeben sich aus der kleinen Bauart, Fernbedienung und Verringerung
des Drehmoments während der Ausschaltung.
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Wird ein Schaltgetriebe mit solchen Magnetzahnkupplungen ausgeführt,
so arbeiten diese Magnetzahnkupplungen sowohl als Schaltwie auch als Sicherheitskupplungen.
Jede schaltbare Drehzahl ist mit ihrem eigenen Nenndrehmoment gesichert. Das verwendete
Schaltystem braucht keine Sicherheitseinrichtung gegen Blocklerungen zu enthaltenen,
denn bei einer Blockierschaltung werden
die eingeschalteten Magnetzahnkupplungen
selbstt£tig ausgeschaltet.
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Soll der Arbeitsweg eines Maschinenschlittens, s.R. einer Drehbank
wahlweise durch Abschaltung des Antriebs oder durch Auflaufen gegen einen festen
Anschlag begrenzt werden, so kann die Magnetzahnkupplung als Schalt- und Sicherheitskupplung
verwendet werden. Die Arbeitsweise ist dann folgende. Die Xagnetzahnkupplung wird
durch ein Stromstoß eingeschaltet und bewirkt eine kraftschlüssige Verbindung im
Antrieb des Arbeitsschlittens.
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Bei Beendigung des Arbeitsweges kann die Magnetzahnkupplung durch
ein Stromstoß ausgeschaltet werden oder man läßt den Arbeitsschlitten gegen einen
festen Anschlag auflaufen, so daß der Antrieb blockiert ist und die Magnetkupplung
sich selbsttätig ausschaltet.
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Soll bei Strom-ausfall eine bestimmte Schaltposition hegestellt sein,
so kann dies erfindungsgemäß auch ohne Kondensator erreicht werden. Oder es wird
mit einem Kondensator eine Schnellschaltung ersielt. Dies geschieht dadurch daß
im Luftspalt zwischen Dauermagnet und Elektromagnet, oder im Luftspalt zwischen
Dauermagnet und einem magnetisierbaren Teil eine nichtmagnetisierbare Scheibe angeordnet
ist, und daß die nichtmagnetisierbare Scheibe durch eine, durch Abstandstücke oder
Anschläge erzeugte Luftschicht ersetzt wird, so daß die Kräfte des Dauermagnets
auf zwei verschiedene Teile einwirken, sich aber nicht im Gleichgewicht befinden.
Dadurch wird erreicht, daß der Dauermagnet durch geringe magnetische Kräfte des
Elektromagnets in eine bestimmte Schaltposition gehalten werden kann. Bei einer
Umsteuerung oder bei Stromausfall verbleibt in dem vorher schwach erregten Elektromagnet
nur eine geringe Remanenz, welche leicht zu löschen ist. Bei Stromausfall nimmt
der Dauermagnet die, im voraus bestimmte Schaltposition ein, die er über den Weg
des geringsten magnetischen Widerstandes erreicht0 Die geringe Remanenz des schwach
erregten Elektromagnets ist ist deshalb vorteilhaft, da sie bei Stromausfall durch
den Dauermagnet gelöscht werden muß. Wird bei Stromausfall die ge ringe Remanenz
durch einen sinngemäßen Kondensatorstromatoß golöscht und gleichzeitg ein umgekehrter
Magnetfluß aufgebaut, so wird eine Schnellschaltung bei Stromausfall bewirkt. Bisher
sind
Schnellschaltungen nur beim Einschalten elektromagnetischer Geräte bekannt. In den
meisten Fällen ist die Anschaltgeschwindigkeit von größter Bedeutung.
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Im folgenden sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher beschrieben. In Abb. 1 ist eine Magnetzahnkupplung dargestellt.
Das getriebene Zahnrad 1 ist mittels der Laufbuchse 2 auf der Welle 3 drehbar gelagert.
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Durch den Bolzen 4 wird das Zahnrad 1 mit dem axial verschiebbaren
Dauermagnet 5 kraftschlüssig verbunden. Der Kupplungskörper 6 ist durch die Keilwellenverzahnung
3' fest mit der Welle 3 verbunden. Die Drahtenden der Erregerwicklung 7 führen zu
den Schleifringen 8 und 9. Der Distanzring 10 stellt den erforderlichen Abstand
zwischen dem Zahnrad 1 und dem Kupplungskörper 6 her. Die Kupplungszähne 11 und
12 dienen zur kraftschlüssigen Verbindung des Dauermagnets 5 und des Kupplungskörpers
6.
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Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach Abb. 1 ist folgende:
In der gezeichneten Lage haftet der Dauermagnet 5 durch seine eigene magnetische
Kraft am Zahnrad 1. Wird die Erregerwicklung 7 über die Schleifringe 8 und 9 in
einem solchen Sinne erregt, daß den Polen des Dauermagnets 5 ungleiche elektromagnetische
Pole gegenüberliegen so bewirkt die gegenseitige magnetische Anziehung eine Verschiebung
des Dauermagnets 5 nach rechts. Dabei gelangen die Kupplungszähne 11 und 12 im Eingriff
und- stellen eine kraftschlüssige Verbindung her. Wird der Erregerstrom umgekehrt,
so stehen sich gleiche Magnetpole gegenüber. Durch die gegenseitige Abstoßung kehrt
der Dauermagnet 5 in die gezeichnete Lage zurück. Die kraftschlüssige Verbindung
ist aufgehoben. Der Dauermagnet 5 haftet am Zahnrad t.
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Wird der Strom nicht umgekehert so bleibt der Dauermagnet 5 am Kupplungskörper
6 haften, auch wenn dieser stromlos ist. Im stromlosen Zustand der Magnetzahnkupplung
haftet der Dauermagnet 5 also entweder am Zahnrad 1 oder am Kupplungskörper 6. In
beiden Fällen kann die Haftkraft des Dauermagnets 5 in einer, dargestellten Doppelkupplung,
kraftschlüssige Verbindungen bewirkt. Die Magnetzahnkupplung nach Abb. 1 ist eine
einfach-Wirkende Kupplung. Die magnetische Anziehung oder Abstoßung
kann
auch durch kurze Erregerstromstöße bewirkt werden. Als Stromquelle kann ein Kondensator
verwendet werden. Durch ververschiedene Steuerungsarten kann die Magnetkupplung
verschiedene Forderungen erfüllen, also universell verwendet werden. Im folgenden
sind einige Steuerungsbeispiele der einfachwirkenden Magnetzahnkupplung nach Abb.
1 beschrieben.
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Die Magnetkupplung wird durch sinngenäße elektrische Dauererregung
eingeschaltet und bei Stromausfall durch ein entgegengesetzter Stromstoß eines Kondensators
gelüftet. Während der Dauererregung kann die Magnetkupplung ein großes Drehmoment
iibertragen, da beide Magnete wirksam sind. Gleichzeitig wird die magnetische Energie
des Dauermagnets erneuert, falls seine Remanenz nachgelassen hat. Es kann also ein
einfacher, preisgünstiger und leicht zu bearbeitender Magnetstahl verwendet werden.
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Die Magnetkupplung wird sinngemäß elektrisch erregt bis die getriebenen
Massen teschlennigt sind, dann wird der Erregerstrom abgeschaltet. Der Dauermagnet
hält die kraftschlüssige Verbindung aufrecht. Während der Massenbeschleunigung beträgt
der Erregerstrom ein Mehrfaches des zulässigen Dauerstroms. Daher steht ein großes
Drehmoment zur Verfügung. Die Lüftung der IvIagnetkupplungerfolgt durch ein entgegengesetzter
Stromstoß, welcher bei Stromausfall durch ein Kondensator bewirkt wird. Im stromlosen
Zustand kann die Eagnetkupplung ein- oder ausgeschaltet sein. Es entsteht nur ein
geringer Stromverbrauch.
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Im eingeschalteten, stromlosen Zustand übernimmt die Magnetzahnkupplung
die Funktion einer selbstättig ausschaltbaren Sicherheitskupplullg. Bei Überschreitung
des Drehmoments entsteht durch die, in bekannter Weise ausgeführten schrägen Kupplungszähne
11 und 12 eine Spreizwirkung. Dabei entfernt sich der Dauermagnet 5 vom Kupplungskörper
6 und nähert sich dem Zahnrad 1. Zunächst verringert sich dabei die Haftkraft des
Dauermagnete 5 und zugleich das übertragbare Drehmoment der Magnetzahnkupplung.
Dadurch schreitet die Spreizung rasch fort.
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Dabei wird der Dauermagnet 5 mehr und mehr vom Zahnrad 1 angezogen.
Zu dem Zeitpunkt, wo seine Anziehungskraft zum Zahnrad 1
größer
ist als zum Kupplungskörper 6 bewirken die magnetische AnzieX=ung und die Spreizwirkung
eine selbsttätige Ausschaltung der MagnetzaILnkoplung. In der Ausschaltposition
bleibt der Dauermagnet 5 am Zahnrad 1 haften, Im Bedarfsfall kann die Magnetzahnkupplung
durch einen sinngemäßen Stromstoß wieder eingeschaltet werden. Die Magnetzahnkupplung
nach Abb. 1 kann gleichzeitig als Schalt- und Sicherheitskupplung verwendet werden.
Dadurch werden technische und preisliche Vorteile erzielt.
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Die eingangs beschriebenen Steuerungs-arten durch Stromstoß mittels
Hand- und Maschinentaster und elektronische Impulse, sowie durch Richtungsänderung
eines Dauererregungsstroms, sind auch ohne Bezugnahme auf die Zeichnung verständlich
und brauchen hier nicht wiederholt zu werden.
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Abb. 2 zeigt eine Magnetzahnkupplung welche sich von Abb. 1 nur dadurch
unterecheidet, daß zwischen dem Zahnrad 1 und dem Dauermagnet 5 eine nicht magnetisierbare
Scheibe 13 angeordnet ist.
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Der übrige Aufbau und die Bezugszahlen sind die gleichen wie bei Abb.
1. Die nicht magnetisierbare Scheibe 13 hat einen größeren magnetischen Widerstand
als der Luftspalt zwischen dem Dauermagnet 5 und dem Kupplungskörper 6, Die magnetischen
Kräfte des Dauermagnets 5 wirken sowohl auf das Zahnrad 1 wie auch auf den Kupplungskörper
6. Infolge des unterschiedlichen, magnetischen Widerstandes wird, im stromlosen
Zustand der Kupplung, der Dauermagnet 5 vom Kupplungskörper 6 angezogen.
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Ist der Elektromagnet derart erregt, daß er ein schwao'hes,gleich
poliges Feld erzeugt, so werden die Anziehungskräfte des Dauermagnets 5 teilsweise
aufgehoben. Der Dauerinagnet 5 wird dadurch stärker vom Zahnrad 1 angezogen und
in der gezeichneten Ausschaltposition festgehalten. Wird der Erregerstrom umgekehrt
und gleichzeitig die Spannung erhöht, so wird das schwache, gleichpolige Magnetfeld
sehr rasch abgebaut und ein ungleiohes Magnetfeld aufgebaut. Duridiese Steuerungsart
wird kurze Schaltzeit erzielt und gleichzeltig gewährleistet, daß im stromlosen
Zustand der Kupplung eine kraftschlüssige Verbindung besteht Die
kurze
Schaltzeit wird durch drei Faktoren bestimmt. Zunächst wird die geringe Remanenz
des Elektromagnet durch einen hohen Stromstoß sehr schnell gelöscht. Noch ehe sich
das entgegengesetzte elektromagnetische Peld aufgebaut hat, ist schon das vorhandene
Feld des Dauermagnets wirksam, wodurch der Schaltvorgang sofort eingeleitet wird.
Die Ansprechzeit ist also denkbar gering. Die nun folgende Hubzeit wird durch das
entstehende elektromagnetische Feld verkürzt, da dieses Feld die Wirkung des Dauermagnets
unterstützt.
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Die nichtmagnetisierbare Scheibe 13 kann auch im Luftspalt zischen
dem Dauermagnet 5 und dem Kupplungskörper 6 angeordsein. Bei dieser Anordnung ist
die Magnetzahnkupplung im stromlosen Zustand gelüfftet. Die nichtmagnetisierbare
Scheibe 13 kann durch eine entsprechende Buftschicht ersetzt und die iuftschieht
durch Abstandsstücke oder Anschläge bewirkt werden.