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Die
Erfindung betrifft eine permanent magnetische berührungsfreie
Radialdrehkupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 3.
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Zur Übertragung
von Drehmomenten durch geschlossene Wandungen hindurch sind z.B.
aus Lehmann, "Eigenschaften
und Auslegung von Magnetantrieben", in: "Leckagefreie Pumpen und Verdichter", Herausgeber G.
Vetter, Vulkan-Verlag Essen, 2. Auflage, 1992, magnetische Radialdrehkupplungen
bekannt. Diese umfassen ein antreibendes Organ, beispielsweise eine
Welle, die entlang ihres Umfangs gleichverteilt Magnete mit abwechselnd
radial einwärts
und radial auswärts
gerichtetem Nordpol trägt.
Die Welle ist von einem abtreibenden Organ, beispielsweise einem
Hohlzylinder, umgeben, der an seinem Innenumfang die selbe Anzahl
von ebenfalls radial abwechselnd magnetisierten Magneten trägt. Das
antreibende und das abtreibende Organ können in ihrer Funktion auch
vertauscht werden. Die Magnete der Welle und des Hohlzylinders sind
paarweise durch anziehende Magnetkräfte gekoppelt, so dass bei
Drehung des antreibenden Organs über
die Magnetkopplung das angetriebene Organ mitgedreht wird. Hierbei
können
aus produktionstechnischen Gründen
in Axialrichtung mehrere kleinere Magnete mit gleicher radialer
magnetischer Ausrichtung benachbart zueinander angeordnet sein.
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Bei
der permanentmagnetischen Radialkupplung stehen also die Magnete
im Inneren eines hohlzylinderartigen Körpers (Außenring) den Magneten auf der
Außenfläche eines
radial kleineren zylinderartigen Körpers (Innenring) gegenüber und
zwar in der Weise, dass die Wirklinien der Magnete, also ihre Magnetisierungsrichtung,
ebenfalls radial verläuft.
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Bei
der bekannten Radialdrehkupplung entstehen bei einer relativen axialen
Auslenkung zwischen dem antreibenden und dem angetriebenen, d.h.
abtreibenden Organ infolge Magnetkopplung axiale Rückstellkräfte, die
der Auslenkung entgegenwirkend die ursprüngliche Lage wieder herstellen. Diese
Rückstellkräfte sind
jedoch gering, so dass häufig
eine axiale Lagerung zur Aufnahme axialer Auslenkungskräfte verwendet
werden muss.
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Im
Falle einer radialen Auslenkung treten keine Rückstellkräfte, sondern die Auslenkung
verstärkende
radial wirkende Kräfte
auf, da die einander gegenüberliegenden
Magnete einander anziehen. Bei der bekannten magnetischen Radialdrehkupplung
ist daher eine radiale Lagerung zur Aufnahme radialer Auslenkungskräfte unabdingbar.
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Üblicherweise
werden deshalb mechanische oder, wie in der
DE 32 07 166 A1 beschrieben,
hydrodynamische Lager verwendet. Derartige Lager sind jedoch einem
Verschleiß unterworfen.
Zwar sind aus der
EP
0 034 992 A1 auch berührungslos
wirkende permanentmagnetische Lager bekannt. Allerdings wirken dort
radial magnetisierte mit axial magnetisierten Magneten zusammen,
wodurch das übertragbare Drehmoment
verringert wird. Zudem ist der dort beschriebene Aufbau mit ringförmigen Magneten
teuer. Ferner ist aus der
DE
103 38 222 A1 eine axial und radial berührungsfreie Lagerung eines
antreibenden Statorrads in einer Umfassung eines angetriebenen Rotorrads
bekannt. Allerdings betrifft die
DE 103 38 222 A1 eine Stirndrehkupplung und
keine Radialdrehkupplung, bei der eine derartige Umfassung nicht
möglich
ist. Schließlich
ist aus der
DE 1 202 392 OS eine
Stirndrehkupplung bekannt, bei der eine radiale Lagerung durch Magnetisierung
eines Ringabschnitts eines Rotors durch eine entlang des Au ßenumfangs
verlaufende Ringspule im Stator erzeugt wird. Die hierfür erforderlichen
zusätzlichen
Komponenten sind jedoch kostenaufwendig.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine permanent magnetische
berührungsfreie
Radialdrehkupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 4 zu
schaffen, die bei größtmöglicher
magnetischer Kopplung zwischen angetriebenem und antreibendem Organ
eine verschleißfreie sowie
einfach und kostengünstig
herstellbare axiale bzw. radiale Lagerung ohne zusätzliche
Komponenten aufweisen.
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Diese
Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 3 gelöst.
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Durch
die Lösung
nach Anspruch 1 wird eine Radialdrehkupplung geschaffen, bei der
Magnete von einem antreibenden und von einem angetriebenen Organ,
die koaxial mit axialer Überlappung
angeordnet sind, jeweils schachbrettartig mit in Umfangs- und Axialrichtung
abwechselnd radial einwärts
und radial auswärts
gerichtetem Nordpol getragen sind. Die Übertragung des Drehmoments
erfolgt durch paarweise magnetische Anziehung, während die Funktion einer axialen
Lagerung eines der beiden Organe durch Polwechsel in axialer Richtung
erzeugt wird. Es wird so eine passive magnetische und damit verschleißfreie axiale
Lagerung eines der beiden Organe geschaffen, die ohne Komponenten,
die nur der Lagerung dienen, auskommen kann. Die Magnete tragen
sowohl zur Übertragung
des Drehmoments als auch zur axialen Lagerung bei. Das andere Organ der
Kupplung wird auf andere Weise, insbesondere mechanisch, axial gelagert,
um dort die axialen Kräfte
weiterzugeben.
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Günstig und
den Effekt der axialen Steifigkeit noch verstärkend wirkt sich eine möglichst
häufige Abwechslung
der Polung pro Längeneinheit
in axialer Richtung aus. Mit steigender Anzahl an Polwechseln ergeben
sich durch Streuverluste jedoch auch immer kleinere übertragbare
Drehmomente, was der Konstrukteur berücksichtigen muss. Das übertragbare Drehmoment
und die Lagersteifigkeit stehen dabei in Wechselwirkung derart,
dass ein höheres
Drehmoment eine geringere Lagersteifigkeit bedingt und umgekehrt.
Ein besonders wichtiger Bereich einer Konstruktion nach dieser neuartigen
technischen Lehre ist daher ein Bereich, der bei gleicher Geometrie, gleicher
Magnet masse und gleichem Magnetwerkstoff wie bei der Anordnung nach
Stand der Technik immer noch ein übertragbares Drehmoment zwischen
90% und 50% des maximal erreichbaren bewirkt. Dieser Bereich hat
sich als optimal herausgestellt.
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Benachbart
zu den Magneten, die die axiale Lagerung darstellen, können an
den Organen weitere Magnete vorgesehen sein, die eine berührungslos wirkende
passive radiale Lagerung zur Aufnahme von Radialkräften zwischen
den Organen bilden. Auf diese Weise ist die axiale mit der radialen
Lagerung kombinierbar.
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Durch
die Lösung
nach Anspruch 3 wird eine Radialdrehkupplung mit einem antreibenden
und einem angetriebenen Organ, die koaxial angeordnet sind und einander
axial überlappen,
geschaffen, bei der Magnete am angetriebenen Organ und Magnete am
antreibenden Organ einander mit gleichnamigen Polen radial zugewandt
sind. Durch die magnetische Abstoßung werden sowohl ein Drehmoment übertragen
als auch radiale Rückstellkräfte für eines
der Organe sichergestellt, die eine stabile relative radiale Lagerung
dieses Organs gewährleisten.
Es wird so eine passive magnetische und damit verschleißfreie radiale
Lagerung für
dieses Organ geschaffen, die ohne Komponenten, die nur der Lagerung
dienen, auskommen kann. Die Magnete tragen sowohl zur Übertragung
des Drehmoments als auch zur radialen Lagerung bei. Das andere Organ
der Kupplung wird auf andere Weise, insbesondere mechanisch, radial gelagert,
um dort die radialen Kräfte
weiterzugeben.
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Eine
besonders günstige
Ausführungsform unterteilt
darüber
hinaus die Magnete in axialer Richtung, um abwechselnde radiale
Polungen vornehmen zu können.
Dieser Wechsel der Polung über
die axiale Länge
beeinflusst günstig
den magnetischen Fluss, so dass ein Drehmoment von über 50%
des mit der herkömmlichen
Anordnung maximal möglichen übertragen
werden kann.
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Benachbart
zu den Magneten, die die radiale Lagerung darstellen, können an
den Organen weitere Magnete vorgesehen sein, die eine berührungslos wirkende
passive axi ale Lagerung zur Aufnahme von Axialkräften zwischen den Organen bilden.
Auf diese Weise ist die radiale mit der axialen Lagerung kombinierbar.
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Zweckmäßigerweise
sind die von den Organen getragenen Magnete axial voneinander beabstandet.
Hierdurch können
Befestigungsstege für eine
einfache Montage verwendet werden.
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Vorzugsweise
ist eine Trennwand zwischen den Organen vorgesehen. Hierdurch können zwei Raumbereiche
einer Pumpe oder dgl. hermetisch ohne verschleißbehaftete Wellendichtung oder
dgl. dauerhaft und einfach voneinander getrennt werden. Ein Austritt
gefahrbringender Substanzen in die Umwelt wird damit sicher unterbunden.
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Es
ist sinnvoll, dass alle Magnete eines Organs dieselbe Geometrie
haben. Hierdurch entfallen Produktions- und Vorhaltekosten für verschieden große Magnete.
Zudem wird die Montage vereinfacht, da nicht zwischen verschiedenen
Magneten unterschieden werden muss. Insgesamt ist die Radialdrehkupplung
damit kostengünstiger
herstellbar.
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Zweckmäßigerweise
ist mindestens ein Organ aus magnetisierbarem Material gebildet,
wodurch die magnetische Wirkung der Magnete verstärkbar ist.
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Gegebenenfalls
ist an einem Organ eine Schutz- und/oder Haltevorrichtung insbesondere
in Form einer die jeweiligen Magnete überdeckenden Hülse vorgesehen.
Hierdurch kann ein Kontakt mit beispielsweise korrodierender Flüssigkeit
unterbunden werden, wodurch die Magnete und deren Befestigung keiner
Abnutzung unterliegen. Zudem ist ein sicherer Halt der Magnete am
Organ gewährleistet und
ein Ablösen
eines Magnets, das zur Blockade der Radialdrehkupplung führen kann,
wird verhindert.
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Die
Schutz- und/oder Haltevorrichtung kann aus gegossener oder gepresster
Formmasse, insbesondere aus Kunststoff, gebildet sein. Eine derartige Schutz-
und/oder Haltevorrichtung ist einfach und kostengünstig mit üblichen
Mitteln herstellbar.
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Die
Radialdrehkupplung ist zweckmäßigerweise
zur Übertragung
einer Drehbewegung in einen hermetisch abgedichteten Raumbereich
ausgestaltet, der beispielsweise Teil eines Rührwerks, einer Turbomaschine,
einer Pumpe, eines Verdichters oder eines Gebläses ist.
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Die
vorgenannten sowie die beanspruchten und die in den Ausführungsbeispielen
beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden
Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung,
Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen,
so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung
finden können.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstands der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen
sowie aus der nachfolgenden Beschreibung.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen
schematisiert dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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1 zeigt
eine passiv magnetisch axial gelagerte magnetische Radialdrehkupplung
im Längsschnitt.
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2 zeigt
die Radialdrehkupplung der 1 im Querschnitt
entlang der Linie A-A.
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Organe ähnlich 1, jedoch
mit einer größeren Anzahl
von Magneten sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung.
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4 illustriert
den Feldlinienverlauf bei dynamischer Auslenkung in axialer Richtung
der Radialdrehkupplung nach 1.
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5 zeigt
eine weitere passiv magnetisch axial gelagerte magnetische Radialdrehkupplung
im Längsschnitt.
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6 zeigt
eine passiv magnetisch radial gelagerte magnetische Radialdrehkupplung
im Längsschnitt.
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7 zeigt
die Radialdrehkupplung der 6 im Querschnitt
entlang der Linie A-A.
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8 illustriert
den Feldlinienverlauf bei dynamischer Auslenkung in radialer Richtung
der Radialdrehkupplung nach 7.
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9 zeigt
eine weitere passiv magnetisch radial gelagerte magnetische Radialdrehkupplung
im Längsschnitt.
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10, 11 und 12 zeigen
jeweils weitere passiv magnetisch gelagerte magnetische Radialdrehkupplungen
im Längsschnitt.
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Die
in 1, 2 dargestellte Radialdrehkupplung 1 für Rührwerke,
Turbomaschinen, Pumpen, Verdichter, Gebläse oder dgl. umfasst ein antreibendes
(oder – wahlweise – angetriebenes)
Organ 2, hier eine stirnseitig an einen Motor od. dgl.
koppelbare Hohlwelle, und ein angetriebenes (oder – wahlweise – antreibendes)
Organ 3, hier ein Hohlzylinder mit einem stirnseitigen
Anschluss für
ein Schaufelrad einer Pumpe oder dgl. Die koaxial angeordneten Organe 2, 3 überlappen
einander axial. Im Bereich der axialen Überlappung 4 trägt jedes
Organ 2, 3 beispielsweise vier axial benachbarte
Sätze einander
radial gegenüberliegender
Magnete 5a, 5b, 5c, 5d bzw. 6a, 6b, 6c, 6d.
Die Magnete 5 sind dabei entlang des inneren Umfangs 7 des
Organs 3 angeordnet, während die
Magnete 6 entlang des äußeren Umfangs 8 des Organs 2 angeordnet
sind. Entlang des jeweiligen Umfangs 7, 8 und
in axialer Richtung weisen die Magnete 5, 6 abwechselnd
radial einwärts
und radial auswärts
gerichtete Nordpole auf, die in den Fig. kreuzschraffiert dargestellt
sind. Zweckmäßigerweise
tragen die Organe 2, 3 die selbe Anzahl insbesondere
gleichbeabstandeter Magnete 5, 6, so dass diese
paarweise durch magnetische Anziehungskraft gekoppelt sind und ein
Drehmoment vom antreibenden Organ 2 auf das angetriebene
Organ 3 schlupffrei übertragbar
ist. Die Anordnung der Magnete 6 ist in 3 veranschaulicht.
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Die
dargestellte magnetische Radialdrehkupplung 1 weist zudem
eine berührungslose
passive, d.h. regelungslose, magnetische axiale Lagerung auf. Eine
axiale Rückstellkraft
wirkt infolge der Polwechsel in axialer Richtung einer relativen
axialen Auslenkung der Organe 2, 3 entgegen. Der
Feldlinienverlauf bei Auslenkung in axialer Richtung ist in 4 illustriert.
Die axiale Rückstellkraft
ist um so größer, je
stärker
die relative axiale Auslenkung ist. Das Organ 2 ist dadurch
axial relativ zum Organ 3 gelagert, und zwar in einem stabilen
Gleichgewicht. Axialkräfte
können
so aufgenommen werden. Die dargestellte Anordnung stellt damit eine
berührungslose axiale
Lagerung dar.
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Die
Lagersteifigkeit der axialen Lagerung und das zwischen den Organen 2, 3 übertragbare Drehmoment
stehen dabei wie folgt in Wechselwirkung. Die axiale Rückstellkraft
und somit die Lagersteifigkeit steigt mit der Anzahl der Polwechsel
in Axialrichtung pro Längeneinheit.
Mit steigender Anzahl von Polwechseln erhöhen sich jedoch auch Streuverluste,
so dass das zwischen den Organen 2, 3 übertragbare
Drehmoment kleiner wird. Das übertragbare Drehmoment
steigt also mit abnehmender Anzahl von Polwechseln in Axialrichtung
und zudem mit steigender Länge
der Magnete 5, 6 in Axialrichtung.
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Die
optimale Anzahl von axialen Polwechseln pro Längeneinheit und die optimale
Länge der Magnete 5, 6 in
Axialrichtung ist daher abhängig
von den jeweiligen Anforderungen an die zu übertragenden Drehmomente und
die Lagersteifigkeit beispielsweise empirisch zu ermitteln. Zweckmäßigerweise wird
ein Bereich zwischen 50% und 90% des ohne axialen Polwechsel bei
gleicher Geometrie, gleicher Magnetmasse und gleichem Magnetwerkstoff übertragbaren
Drehmoments angestrebt. Im in 1 dargestellten
Beispiel beträgt
das übertragbare
Drehmoment etwa 80% des ohne axialen Polwechsel übertragbaren Drehmoments.
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Die
Magnete 5, 6 sind Permanentmagnete, können antriebsseitig
ggf. aber auch Elektromagnete sein. Aus Kostengründen sind die Magnete 5 bzw. 6 wie
in 1, 2 dargestellt vorzugsweise jeweils von
gleicher Geometrie. Die Dimension in Axial-, Radial- und/oder Umfangsrichtung
kann jedoch auch wie in 5 beispielhaft für die Axialrichtung
dargestellt zwischen den Sätzen
variieren, damit die Axiallager- und Drehmomentübertragungseigenschaften optimal
an die jeweiligen Anforderungen anpassbar sind.
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Der
axiale Abstand zwischen axial benachbarten Sätzen von Magneten 5, 6 ist
entsprechend den Anforderungen variierbar. Herstellungsbedingt können nicht
dargestellte Haltestege zwischen den Magneten 5, 6 vorgesehen
sein, so dass diese wie dargestellt in Axial- und/oder Umfangsrichtung
voneinander beabstandet sind. Die Magnete 5, 6 können jedoch
auch insbesondere in Axialrichtung aneinander angrenzen und mit
den jeweiligen Organen 2, 3, die zur Verstärkung der
magnetischen Wirkung ganz oder teilweise aus magnetisierbarem Material
gebildet sein können,
verklebt, in diese insbesondere klemmend eingesetzt und/oder anderweitig
fest mit diesen verbunden sein. Insbesondere können sie von einer Halte- und
Schutzvorrichtung, beispielsweise einer die Magnete 5 und/oder 6 übergreifenden Hülse gehalten
und vor Flüssigkeiten,
Gasen oder dgl. geschützt
werden. Die Schutzvorrichtung kann aus gegossener oder gepresster
Formmasse wie etwa Kunststoff gebildet sein.
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Die
radiale Dimension der Magnete 5, 6 wird in Abhängigkeit
des Innendurchmessers des Organs 3 und des Außendurchmessers
des Organs 2 so gewählt,
dass zwischen einander radial gegenüberliegenden Magneten 5, 6 ein
möglichst
kleiner Spalt 9 in radialer Richtung verbleibt. Durch den
Spalt 9 und entlang des Bodens des hier hohlzylinderförmigen Organs 3 kann
sich eine gestrichelt angedeutet dargestellte Trennwand 11 topfzylinderförmig erstrecken.
Die Trennwand kann einen mit Flüssigkeit
oder dgl. in Berührung
kommenden, das angetriebene Organ 3 umfassenden Raumbereich
gegenüber
einem trockenen und das antreibende Organ 2 umfassenden
Raumbereich abtrennen, beispielsweise in einer Flüssigkeitspumpe.
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Die
Magnete 5a, 6a eines Satzes können gegenüber den Magneten 5b, 6b eines
benachbarten Satzes in Umfangsrichtung gegebenenfalls versetzt sein.
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Bei
der in 6, 7 dargestellten magnetischen
Radialdrehkupplung 10 ist eine berührungslose passive magnetische
radiale Lagerung vorgesehen. Diese wird dadurch gebildet, dass die
Sätze von Magneten 5, 6 einander
radial mit gleichnamigen Polen zugewandt sind. Durch die magnetische
Abstoßung
der Magnete 5 am Organ 3 und der Magnete 6 am
Organ 2 ergibt sich die in 7 dargestellte
unbelastete Ruhestellung, in der die Magnete 5 gegenüber den
Magneten 6 in Umfangsrichtung um eine halbe Teilung versetzt
sind.
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Eine
radiale Rückstellkraft
wirkt infolge der magnetischen Abstoßung einer relativen radialen Auslenkung
der Organe 2, 3 entgegen. 8 illustriert
den Feldlinienverlauf bei einer derartigen radialen Auslenkung.
Die radiale Rückstellkraft
ist um so größer, je
stärker
die relative radiale Auslenkung ist. Das Organ 2 ist dadurch
relativ zum Organ 3 radial gelagert, und zwar in einem
stabilen Gleichgewicht. Radialkräfte
können
so aufgenommen werden. Die dargestellte Anordnung stellt damit eine
berührungslose
radiale Lagerung dar.
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Durch
die magnetische Abstoßung
ist zudem eine magnetische Kopplung zwischen den Organen 2, 3 gegeben,
mit der ein Drehmoment von einem Organ 2, 3 auf
das jeweils andere Organ 3, 2 übertragbar ist. Wird beispielsweise
das Organ 2 mit einem Motor in eine Drehbewegung um seine
Längsachse versetzt,
drehen sich die daran befestigten Magnete 6 und stoßen die
Magnete 5 in Drehrichtung weg, so dass das Organ 3 ebenfalls
in eine Drehbewegung um die Längsachse
versetzt wird.
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Auch
hier können
wie in den unter Bezugnahme auf 1 und 3 beschriebenen
Ausführungsbeispielen
axial benachbarte, gegebenenfalls axial aneinander angrenzende Sätze von
Magneten vorgesehen sein, vgl. 9. Um den
Grad der magnetischen Kopplung und damit das übertragbare Drehmoment zu erhöhen, weisen
derart axial benachbarte Magnete 5a, 5b; 5b, 5c; 6a, 6b; 6b, 6c jeweils
radial entgegengesetzt ausgerichtete Nordpole auf. Allerdings sind
die Magnete 5a, 6a; 5b, 6b und 5c, 6c jedes
Satzes einander mit gleichem Pol zugewandt.
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Die
Funktion der Organe 2, 3 kann auch vertauscht
sein, so dass das Organ 3 antreibt und das Organ 2 angetrieben
wird. Zudem ist die geometrische Form nicht auf einen Hohlzylinder
mit darin befindlicher Hohlwelle beschränkt. Beispielsweise können die
Organe 2, 3 auch kegelig ausgebildet sein, vgl. 10.
Es kann auch vorgesehen sein, dass sich die Organe 2, 3 zwischen
zwei zylindrischen Abschnitten mit verschiedenen Durchmessern konisch verjüngen, vgl. 11.
Gegebenenfalls kann ein sich stufig verjüngender Abschnitt 11 vorgesehen
sein, vgl. 12. Konische, zylindrische,
stufige und/oder gegebenenfalls weitere Abschnitte können beliebig kombiniert
werden, um beispielsweise geometrische Vorgaben durch die Pumpe
oder an die Organe 2, 3 an schließbare Komponenten
der Pumpe zu erfüllen. Hierbei
ist darauf zu achten, dass die axiale Lagersteifigkeit ausreichend
hoch ist, damit die Organe 2, 3 bzw. deren Magnete 5, 6 im
Bereich einer Verjüngung
nicht aneinanderstoßen.