DE2502714A1 - Elektromagnet - Google Patents

Description

Dayton, Ohio 45401 /V.St.A.

Unser Zeichen: L

Elektromagnet

Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten mit einem auf einer axial verschiebbaren Achse angeordneten Anker, einer Nabe und wenigstens einer ringförmigen Basis, die mit dem Anker zur Festlegung eines Umfangs-Luftspalts zwischen letzteren zusammenwirken, wobei der Anker bei mangelnder Konzentrizität zwischen dem Anker und der Basis einer . magnetischen Neben belastung unterliegt.

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In der DT-AS 1 270 178 ist ein Elektromagnet beschrieben, bei den relativ zueinander bewegliche Elemente durch einen konstanten Luftspalt getrennt sind und sich um einen Wert bewegen, welcher proportional zum Energiebetrag ist, der an die Elektromagnetspule angelegt wird. Da sich der Anker von Scheitel des Konus, der durch das Polstück gebildet wird, in Richtung auf die Basis des Konus bewegt, wird das Material des Polstücks in dem direkt jenseits des Ankers liegenden Bereich gesättigt. Die Form oder die Neigung der Kraftkurve, die bei einem derartigen Elektromagnetentyp erzeugt wird, bestimmt sich nach der Konfiguration des Konus und der Energiebetrag oder die erzeugte Linearkraft ist eine Funktion der Geschwindigkeit der Flächenänderung am konischen Element.

Eine dera beschriebenen, allgemeinen Elektromagnettyp oder Betätigungsglied anhaftende Eigenschaft besteht darin, daß eine feste Nebenbelastung des Ankers über die Belastung hinaus auftreten kann, die bei konventionellen konischen oder flachpoligen Konstruktionen vorhanden ist, weil viele Kraftlinien senkrecht zum Bewegungsweg des Ankers liegen. Jede Fehlausrichtung oder jedes Fehlen an Konzentrizität des Ankers in der Nabe und/oder Basis kann somit zu großen Nebenbelastungen führen, die durch das Magnetfeld auf den Anker wirken. Hierdurch werden die Anker-FUhrungslager einer hohen Beanspruchung ausgesetzt, es wird eine Reibung hervorgerufen und eine starke Abnutzung der Lager bewirkt.

Die Erfindung bezieht sich auf doppelt und/oder einfach wirkende Elektromagneten mit konusfö'rmigen Polstück-Elementen, welche einen kreisförmigen Luftspalt bilden und mit einer Lager-

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führungskonstruktion zur Aufrechterhaltung der Konzentrizitöt der bewegenden Teile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromagneten zu schaffen, der die Nachteile bekannter Konstruktionen vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Lagergehäuse vorgesehen ist, welches ein Lager zur Führung eines Endes der Achse bei deren Axialbewegung durch das Lagergehäuse aufweist, daß das Lagergehäuse einen Wandabschnitt enthält, welcher einen ringförmigen, konzentrisch zur Achse liegenden Konus bildet, daß ein ringförmiger konzentrischer Konus auf der Basis derart bemessen ist, daß er in den Gehäusekonus eingebaut werden kann und an diesem anliegt, und daß das Lagergehäuse und die Basis mit den Konussen in eingebauter Anordnung verbunden sind, um einen peripher konstanten Luftspalt zwischen dem Anker und der Basis aufrechtzuerhalten.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Da es wichtig ist, einen kreisförmig konstanten Luftspalt zwischen den sich relativ zueinander bewegenden magnetischen Teilen aufrechtzuerhalten und diese Teile in der richtigen konzentrischen Anordnung zueinander beizubehalten, um-die Seiten- bzw. Nebenbelastung auf ein Minimum zu reduzieren, welche andererseits durch das Magentfeld erzeugt würde und zu einem Verschleiß der Lager und zu Reibung führen würde,

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sind die Basen und die Lagergehäuse mit zueinander passenden oder aneinander anliegenden konzentrischen Konussen versehen. Dies bedeutet, daß die Konusse identische Abschrägungen aufweisen. Diese aneinanderliegende Konusanordnung und die Dichtungen zwischen den Befestigungswänden und Gehäuselagern verringern die Möglichkeiten eines Verspannens der Gehäuselager bei einer rauhen Handhabung, indem ein vollständiger Kontakt zwischen den eingesetzten bzw. eingebauten Teilen sichergestellt wird. Die aneinander anliegenden Konusse gewährleisten außerdem, daß der Anker ständig in der Mitte des freien Raums der öffnungen in den Basen bewegt wird.

Die Erfindung betrifft somit Elektromagneten, deren Anker zur Ausführung einer Axialbewegung auf einer Achse befestigt sind, wobei der Elektromagnet eine Nabe und wenigstens eine ringförmige Basis enthält, die mit dem Anker zusammenwirken und einen umlaufenden Luftspalt zwischen der Basis und dem Anker festlegen; der Anker unterliegt hierbei einer magnetischen Nebenbelastung, sobald es an einer Konzentrizität mangelt oder eine nicht zentrierte Anordnung zwischen dem Anker und der Basis und/oder der Nabe existiert. Die Erfindung schafft eine Lösung hinsichtlich des Problems der magnetischen Nebenbelastung, indem gewährleistet wird, daß der Luftspalt gleichförmig ist und eine günstige Zentrierung des Ankers sichergestellt wird. Ein Lagergehäuse weist ein Lager auf, welches die Achse zur Ausführung einer Axialbewegung führt. Eine Wand oder ein Wandteil des Gehäuselagers weist einen ringförmigen Konus auf, der konzentrisch zur Achse liegt. An der Basis ist ebenfalls ein ringförmiger Konus ausgebildet und dieser konusförmige bzw. abgeschrägte Abschnitt der Basis ist derart festgelegt oder bemessen, daß er eingesetzt werden kann und in Anlage zum Konus des Gehäuses liegt. Das Gehäuselager und die Basis sind in einer eingesetzten An-

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Ordnung fest miteinander verbunden, um einen umlaufend konstanten Luftspalt oder ein Spiel zwischen dem Anker und der Basis aufrechtzuerhalten und somit diese Teile in konzentrischer Beziehung zueinander beizubehalten.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Perspektivansicht eines doppelt wirkenden Elektromagneten gemäß der Erfindung,

Figur 2 einen Längsschnitt durch den Elektromagneten gemäß Fig. 1,

Figur 3 eine auseinandergezogene Perspektivansicht, welche die gegenseitige Anordnung einer der Basen, der Befestigungswände bzw. -arme und der. benachbarten Seitenwand veranschaulicht,

Figur 4 einen Querschnitt durch einen einfach wirkenden Elektromagneten gemäß der Erfindung, und

Figur 5 eine Teil-Detailansicht eines abgewandelten Ankers und von Polstücken.

Eine Ausführungsform der Erfindung, die bei einem doppelt wirkenden proportionalen Elektromagneten verwendet ist, wird in den Figuren 1 bis 3gezeigt und ist mit 10 bezeichnet. Diese Ausführungsform umfaßt ein identisches, hülsenähnliches, zylindrisches Gehäuse-Paar 12, wobei die Gehäuse

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12 aus ferromagnetischem Material bestehen. Die Gehäuse 12 sind axial an den einander gegenüberliegenden Seiten einer ringförmigen Nabe 14 angeordnet. Die Nabe 14 weist einen mittleren, radial verlaufenden Körperabschnitt 15 und ein Paar von sich axial erstreckenden Hülsenteilen 16 auf. Die inneren Enden der Gehäuse befinden sich mit den benachbarten bzw. anliegenden radialen Stirnseiten des Körperabschnitts 15 in wärmeübertragender Anlage, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die Nabe 14 besteht ebenfalls aus ferromagnetischem Material und die Hülsenteile 16 legen eine durch sie verlaufende Bohrung oder öffnung zur Aufnahme eines Ankers fest.

Ein Paar indentischer Basen 20 bestehen gleichfalls aus ferromagnetischem Material und sind mit scheibenförmigen Bereichen 21 versehen. Die Bereiche 21 tragen radiale, nach innen liegende Flächen, welche gegen die Außenenden des Gehäuses in Wärme übertragender Beziehung anliegen.

Jedes Basiselement endet in einem inneren, radial abgeschrägten, kegelförmigen Pol-Abschnitt 22. Der Pol-Abschnitt 22 ist vom Bereich bzw. Körper 21 nach innen in Richtung zum benachbarten Hülsen-Teil 16 der Nabe abgebogen. Der Scheitel 22' jeder Basis befindet sich zur Reduzierung von Streuungen aufgrund eines festen Luftspalts 23 in Axialrichtung in Abstand zum benachbarten Außenende eines Hülsenteils 16. Vorzugsweise ist nur die Außenfläche des Pol-Abschnitts 22 abge-, schrägt, während die Innenfläche des Pol-Abschnitts 22 eine zylindrische Öffnung festlegt, die im wesentlichen gleichen Innendurchmesser wie diejenige öffnung aufweist, welche durch

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den Hülsenteil 16 der Nabe 14 festgelegt wird, obgleich es nicht wesentlich ist, daß diese Innendurchmesser genau gleich sind.

Bei der doppelt wirkenden Ausführungsform des Elektromagneten 10 werden ein Paar identische Magnetspulen-Einheiten verwendet, die auf beiden Seiten des radialen Körper-Abschnitts 15 der Nabe 14 symmetrisch angeordnet sind. Die Magnetspulen-Einheiten enthalten jeweils einen im wesentlichen spulenförmigen Wickelkörper oder Spulenkörper 30. Die Spulenkörper 30 bestehen aus nichtmagnetischem Material und besitzen einen Innendurchmesser, der so groß ist, daß er auf einen der Hülsenteile 16 in dem axialen Zwischenraum zwischen den radialen Flächen der Basis und der Nabe aufgesetzt werden kann. Eine Magnetspule 32 ist um jeden Spulenkörper 30 gewickelt; der Außendurchmesser der Magnetspule sitzt fest an dem Innendurchmesser des zugeordneten Gehäuses 12.

Ein sich in Axialrichtung erstreckender zylindrischer Anker 35 wird von den Ankeröffnungen aufgenommen, die durch die Hülsenteile 16 und den Pol-Abschnitt 22 gebildet werden. Der Anker besteht ebenfalls aus einem geeigneten ferromagnetischen Material; seine Länge ist geringfügig größer als der Abstand zwischen den Basen, die durch die Basis-Abschnitte 22 bestimmt sind; wenn somit das eine Ende des Ankers 35 vollständig in einen der konischen Basis-Abschnitte 22 eingeschoben ist, tritt das andere Ende gerade in den gegenüberliegenden Basis-Abschnitt an dessen Scheitel 22* ein.

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Die Hülsenteile 16 der Nabe 14 wirken mit dem Anker 35 zusammen und schaffen einen langen, nichtwirksamen Luftspalt.

Der Anker 35 ist zur Ausführung einer Axialbewegung in dem Elektromagneten an einer zentralen Lagerachse 40 befestigt. Die Achse 40 wird von Lagern 42 mit niedriger Reibung aufgenommen, wobei die Lager 42 in auf identische Weise kombinierten Elektromagnet-Seitenwänden und Lagergehäusen 45 angeordnet sind. Die Lagergehäuse 45 wirken mit den Basen 20 in besonderer Weise zusammen, so daß die Konzentrizität des Ankers gegenüber den Basen gewährleistet wird. Idealerweise wird ein radialer Luftspalt als konstanter Spielraum um den Anker 35 gegenüber den Basen und der Nabe beibehalten, obgleich ein unterschiedliches Spiel zwischen dem Anker und den Basen einerseits sowie zwischen dem Anker und der Nabe andererseits vorgesehen sein kann.

Um die Konzentrizität zwischen Basis und Anker aufrechtzuerhalten, ist das Gehäuse 45 mit einem sich nach innen erstreckenden Abschnitt 46 versehen; die Außenfläche 48 wird durch eine konische Verjüngung bzw. Abschrägung festgelegt und steht mit einer dazu passenden inneren, konisch abgeschrägten Fläche in Verbindung, welche an jeder Basis 20 vorgesehen ist. Wenn die zueinander passenden Flächen 48 und 50 (Fig. 3) zusammengebaut sind, wird die Achse 40 präzis und konzentrisch zur zylindrischen Öffnung in dem abgeschrägten Basis-Abschnitt 22 gehalten. Die zusammenpassenden und aufeinander abgestimmten Abschrägungen, die an jedem Lagergehäuse und an jeder Basis vorgesehen sind, gewährleisten eine Ausrichtung, die nicht dazu neigt, aufgrund

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einer Benutzung oder rauhen Handhabung beeinträchtigt zu werden. An den innen liegenden Flächen der Lagergehäuse können Federscheiben 52 angeordnet werden, um jeden Stoß bei einer Berührung durch den Anker zu absorbieren.

Wenn die Basen 20 und die Gehäuse 45 in der beschriebenen Weise zusammengesetzt sind, besteht ein axialer Spielraum zwischen jedem Lagergehäuse und der zugeordneten Basis. Diese Zwischenräume nehmen Befestigungswände 55 aus Aluminium auf, welche mit einer zentralen Öffnung 56 versehen sind, wie dies in Fig. 3 veranschaulicht wird; von dieser Öffnung wird der konisch vorspringende Abschnitt der Lagergehäuse 45 aufgenommen. Die Träger bzw. Trägerwände 55 weisen nach außen gebogene Schenkel 58 auf, welche die Befestigungsfüße darstellen. Die Lagergehäuse 45 sind mittels Gewindeschrauben 60 an den Trägerwänden 55 befestigt. Zwischen die radiale Innenwand des Gehäuses 45 und die benachbarte Planfläche des Arms 55 ist eine Dichtung 62 eingesetzt. Vier Verbindungsbolzen 65 erstrecken sich außerhalb der Gehäuse 12 und der Nabe zwischen den einander gegenüberliegenden Trägerwänden 55, um die gesamte Einheit dadurch zusammenzuhalten, daß die Befestigungswände in enge Anlage zu den äußeren Radialflächen der benachbarten Basen gehalten werden, ^ie Träger 55 haben somit einen optimalen direkten Flächenkontakt mit den Basen, um von diesen Wärme aufzunehmen und die Wärme zur Befestigungsanordnung zu leiten. Die Dichtungen 62 gestatten, daß die zueinander passenden Abschrägungen an der Basis und dem Lagergehäuse aufgrund des Drucks des Dichtungsmaterials vollständig aneinanderliegen, wenn die Schrauben 60 angezogen sind.

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Die Spulenkörper 30 sind vorzugsweise aus hochwärmeleitföhigera Buntmetall, beispielsweise Aluminium hergestellt. Die äußere Radialfläche einer Seite jedes Spulenkörpers steht in Anlage zur benachbarten Radialfläche der Nabe 14 und die gegenüberliegende äußere Radialfläche des Spulenkörpers 30 befindet sich in vollständiger Anlage zur benachbarten inneren Radialfläche der Basis 20. Die innere zylindrische Fläche des Spulenkörpers ist als Festsitz auf der Außenseite des Hülsenteils 16 der Nabe 14 ausgebildet.

Die Zwischenflächen zwischen der Spuleneinheit einerseits und zwischen der Nabe, der Basis und dem Gehäuse andererseits sind mit einem warmfesten, wärmeleitfähigen oder Wärmeübertragungs-Biaterial70, beispielsweise einem Silikon-Fett-Gemisch beschichtet. Derartige Fette sind halbfeste Mischungen aus Silikonöl und Verdickern oder Verdickungsmittel, welche die Fähigkeit haben, ihre Viskosität oder Konsistenz Ober große Temperaturbereiche beizubehalten, ohne zu schmelzen oder wegzufließen, zu rauchen, verkohlen oder zu verfestigen. Besonders für diesen Zweck geeignete Materialien bestehen aus Silikonmischungen G-640 und G-641 (erhältlich von General Electric Company, Silicone Products Department, Waterford, New York). Diese Mischung kann auch auf die sich gegenseitig berührenden radialen Flächen der Gehäuse 12, der Nabe und der Basen aufgebracht werden. Die Mischung 70 beseitigt auf diese Weise alle Luftspalte, insbesondere zwischen der Spulen-Anordnung und den benachbarten BerUhrungselementen, so daß eine beständige und verbesserte Wärmeleitfähigkeit erhalten wird.

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Die Erfindung laßt sich bei einem einfach wirkenden Elektromagneten wie auch bei einem doppelt wirkenden Elektromagneten dadurch anwenden, daß viele von den gleichen Teilen benützt werden, die in Verbindung mit den Figuren 2 und 3 erläutert wurden. Es kann jedoch auch eine abgewandelte Nabe 14A verwendet werden, die aus dem gleichen Material wie die Nabe 14 bestehen kann, wobei sich jedoch der Hülsenteil 16A nur in einer Richtung erstreckt; der übrige Teil der Nabe weist konstante Dicke auf, um einen Kraftlinienweg mit geringer Streuung zu erzeugen. In diesem Fall ist die innen liegende Abschrägung 5OA an der Innenseite der abgewandelten Nabe 14A ausgebildet, um die entsprechende Abschrägung 48 des benachbarten Lagergehäuses 45 aufzunehmen, damit die Ausrichtung der Achse 40A gewährleistet wird(Fig. 4). Ein abgewandelter Anker 35a, der von dieser Achse getragen wird, ist natürlich kürzer, da er nur mit einer Basis 20 zusammenwirkt. Eine Rückholfeder 110 kann auf dem verlängerten Ende der Achse 4OA gegenüber der Außenfläche des Gehäuses 45A angeordnet sein, um der Bewegung des Ankers 35A bei einer einfach arbeitenden Anordnung entgegenzuwirken.

Eine weiter abgewandelte Ausführungsform, die bei einem einfach oder doppelt wirkenden Elektromagneten anwendbar ist, ist in Fig. 5 dargestellt; der konisch sich verjüngende Abschnitt des Pols wird bei dem Anker 135 verwendet, wie dies bei 135Ä veranschaulicht ist und wobei die Basis 120 einen sich nicht verjüngenden zylindrischen Pol-Abschnitt 136 aufweist. Die übrigen Teile können den oben erläuterten Elementen entsprechen.

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Während des Betriebs der einfach oder doppelt wirkenden Elektromagneten können die Magnetspulen mit geöffneter oder geschlossener Schleife betrieben werden.

Da sich der Anker in Richtung auf die Basis des Konus bewegt, der bei den Ausführungsformen der Figuren 2 und 4 durch den Basis-Abschnitt festgelegt wird, sättigt sich Jeder Abschnitt des Konus direkt über den Anker. Die Form oder die Neigung der Kraft-Hub- Kennlinie wird durch den Winkel und die Neigung des Konus bestimmt; der erzeugte Energiebetrag ist hierbei eine Funktion der Geschwindigkeit der Flächenänderung im Konus.

Es ist ebenfalls wichtig, daß der Innendurchmesser der Nabe 14 konzentrisch zum Anker 35 und den Basen angeordnet und beibehalten wird, um auf diese Weise einen konstanten Luftspalt um den Anker herum zu erzeugen. Dies kann durch die Anordnung der Basen und der Nabe auf einem Präzisionsdorn erreicht werden. Die Konzentrizität zwischen Nabe und den Basen wird dann durch die Verbindungsbolzen 65 aufrechterhalten, die an die Basen 20 eine Druckkraft anlegen, welche durch die Gehäuse 12 zu dem radialen Abschnitt bzw. Teil 15 der Nabe 14 übertragen wird . Die Verbindungsbolzen 65 spannen die Basen 20 und die Nabe 14 in der vorbestimmten konzentrischen Anordnung fest. Die Lagergehäuse 45 können durch Schrauben 60 befestigt oder entfernt werden, ohne daß die Montage aus Basis,Gehäusen und Nabe beeinträchtigt wird.

Die konusförmigen, aufeinander abgestimmten Konusse zwischen den Lagergehäusen und den Basen gemäß den Figuren 2 und 3

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oder im Falle einer einfach wirkenden Ausführungsform zwischen dem Lagergehäuse und der Nabe 14A gewährleisten die Beibehaltung einer genauen Konzentrizität zwischen dem Anker und den Basen. Die Dichtungen 62 stellen ein günstiges Zusammenpassen der Konusse sicher und absorbieren den Stoß bzw. eine Erschütterung aufgrund einer rauhen Handhabung oder dergleichen, welcher bzw. welche an die Träger 55 gelangen. Falls es notwendig sein sollte, die Gehäuse 45 zu entfernen oder wieder zu verbinden, werden sie wegen den zusammenpassenden Konussen automatisch in eine günstige konzentrische gegenseitige Lage verbracht. Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Anordnung ist darin zu sehen, daß die Toleranz und die Konzentrizität zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser von Nabe, den Basen und den Lagerhäusen großzügig gewählt werden kann.

Außerdem können die Ausführungsformen des Proportional-Elektromagneten nach der Erfindung nur als langhubige Elektromagnete bei herkömmlichen Anwendungen brauchbar sein, wenn eine Last Über eine feste Distanz bewegt werden muß und die gewähnlich nicht lineare Kraftkennlinie eines herkömmlichen Elektromagneten unerwünscht ist.

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Claims (4)

Patentansprüche Ύ -

1./Elektromagnet mit einem auf einer axial verschiebbaren ^—-^ Achse angeordneten Anker, einer Nabe und wenigstens einer ringförmigen Basis, die mit dem Anker zur Festlegung eines Umfangs-Luftspalts zwischen letzteren zusammenwirken, wobei der Anker bei mangelnder Konzentrizität zwischen dem Anker und der Basis einer magnetischen Neben belastung unterliegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lagergehäuse vorgesehen ist, welches ein Lager zur Fuhrung eines Endes der Achse bei deren Axialbewegung durch das Lagergehäuse aufweist, daß das Lagergehäuse einen Wandabschnitt enthält, welcher einen ringförmigen, konzentrisch zur Achse liegenden Konus bildet, daß ein ringförmiger konzentrischer Konus auf der Basis derart bemessen ist, daß er in den Gehäusekonus eingebaut werden kann und an diesem anliegt, und daß das Lagergehäuse und die Basis mit den Konussen in eingebauter Anordnung verbunden sind, um einen peripher konstanten Luftspalt zwischen dem Anker und der Basis aufrechtzuerhalten.

2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse einen äußeren, nach innen gerichteten ringförmigen Konus aufweist und daß die Basis einen inneren, nach auswärts gerichteten ringförmigen Konus mit solcher Bemessung umfaßt, daß letzterer an dem Gehäuse-Konus anliegt.

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3. Elektromagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite derartige Basis vorgesehen ist, die
in axialer Richtung Abstand zur ersten Basis aufweist und daß sich ein zweites Lagergehäuse in an der zweiten Basis anliegender Anordnung befindet und ein Lager zur Aufnahme des anderen Endes der Achse aufweist.

4. Elektromagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites derartiges Lagergehäuse sowie eine in der Nabe befindliche Einrichtung zum Festlegen eines inneren, nach außen gerichteten Konus vorgesehen sind, welcher derart bemessen ist, daß er an dem äußeren Konus des zweiten Lagergehäuses anliegt, daß das zweite Lagergehäuse ein
Lager zur Aufnahme des anderen Endes der Achse aufweist
und daß eine Einrichtung zur Verbindung des zweiten Gehäuses mit der Basis angeordnet ist, wobei deren
Konusse aneinander anliegen.

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