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Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Reluktanzkupplung zum Kuppeln einer ersten Welle mit einer zweiten Welle.
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Es existieren zahlreiche Lösungen für magnetische Kupplungen. Diese basieren fast alle auf durch Permanentmagnete erzeugten Magnetfeldern. Die einfachste Realisierungsform einer magnetischen Kupplung besteht aus zwei gegenüber angeordneten, rotierenden Magneten. Hierdurch ergibt sich eine berührungslose, aber nicht trennbare Kupplung. Ersetzt man eine Seite dieser mit Permanentmagneten realisierten Kupplung durch eine Drehfeldwicklung, kann die Kupplung auch schaltbar ausgeführt werden. Der Aufwand ist allerdings deutlich erhöht. Insbesondere ist nämlich Leistung auf die rotierende Welle induktiv oder mit Hilfe von Schleifkontakten zu übertragen.
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Die magnetische Kupplung zwischen zwei rotierenden Wellen, die durch das Anlegen eines elektrischen Stroms gesteuert ein Drehmoment übertragen kann, ist jedoch für zahlreiche Anwendungen vorteilhaft. Es können Kräfte je nach Bedarf berührungslos übertragen werden. Wird insbesondere das Magnetfeld bei elektrischer Ansteuerung abgeschaltet, so ist eine offene Kupplung realisiert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Kupplung von zwei Wellen einfacher realisieren zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine magnetische Reluktanzkupplung zum Kuppeln einer ersten Welle mit einer zweiten Welle, wobei einem hohlzylindrischen Stator mit einem oder mehreren Magneten, der/die am Umfang des Stators verteilt angeordnet ist/sind, einem ersten Rotor, der innerhalb des Stators drehbeweglich gelagert ist, mit der ersten Welle drehfest verbunden ist und mehrere an seinem Umfang verteilt angeordnete, voneinander getrennte, ferromagnetische erste Abschnitte aufweist, und einem zweiten Rotor, der innerhalb des ersten Rotors drehbeweglich gelagert ist, mit der zweiten Welle drehfest verbunden ist und mehrere an seinem Umfang verteilt angeordnete ferromagnetische zweite Abschnitte aufweist.
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In vorteilhafter Weise wird die magnetische Reluktanzkupplung also im Wesentlichen durch drei Komponenten realisiert, nämlich Stator, erster Rotor und zweiter Rotor, von denen lediglich der Stator einen oder mehrere Magnete aufweisen muss. Der erste und der zweite Rotor, die mit den beiden Wellen verbunden sind, müssen lediglich zumindest teilweise aus ferromagnetischem Material hergestellt werden. Damit können die Wellen bzw. Rotoren leicht ausgetauscht werden, ohne dass Magnete benötigt werden.
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Vorzugsweise besitzt der Stator zwei ferromagnetische Ringe, die koaxial hintereinander angeordnet sind und zwischen denen der oder die Magnete angeordnet sind. Damit kann das magnetische Feld in jeder Winkellage in den ersten Rotor eingeführt bzw. aus ihm herausgeführt werden.
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Besonders vorteilhaft ist außerdem, wenn der oder die mehreren Magnete jeweils Elektromagnete sind. Hierdurch ist es möglich, dass die magnetische Reluktanzkupplung elektrisch steuerbar ist. Insbesondere kann so das Drehmoment, das zwischen der ersten und zweiten Welle übertragen wird, elektrisch beeinflusst werden.
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Jeder der Elektromagnete kann einen ferromagnetischen Kern aufweisen, der ein Verbindungsstück zwischen den zwei ferromagnetischen Ringen darstellt, sodass zwischen den zwei ferromagnetischen Ringen eine lückenlose ferromagnetische Verbindung besteht. Damit ergibt sich ein sehr geringer magnetischer Widerstand zwischen beiden koaxial hintereinander angeordneten ferromagnetischen Ringen.
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In einer Ausführungsform ist jeder der ersten Abschnitte des ersten Rotors stabförmig ausgebildet und besitzt drei Unterabschnitte, wovon ein erster und zweiter Unterabschnitt aus ferromagnetischem Material bestehen und radial unterhalb der zwei ferromagnetischen Ringe angeordnet sind, und ein dritter Unterabschnitt aus einem nicht magnetischen Material besteht und axial zwischen dem ersten und zweiten Unterabschnitt angeordnet ist. Durch den ersten und zweiten Unterabschnitt des ersten Abschnitts des ersten Rotors wird das Magnetfeld aus den Ringen radial nach innen gerichtet bzw. radial nach außen in die Ringe geführt.
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Der erste Rotor kann ein scheibenförmiges Halteelement aufweisen, auf dessen einer Seite die erste Welle und auf dessen gegenüberliegender, anderer Seite die ersten Abschnitte befestigt sind. Auf diese Weise lässt sich Drehmoment von den ersten Abschnitten des ersten Rotors auf die erste Welle übertragen.
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Vorzugsweise besitzt der zweite Rotor die gleiche axiale Länge wie der erste Rotor, und diese axiale Länge entspricht der axialen Länge des Stators. Hierdurch entsteht eine möglichst kompakte und effiziente magnetische Reluktanzkupplung.
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Die zweiten Abschnitte des zweiten Rotors können sternförmig um die Drehachse des zweiten Rotors angeordnet sein. Damit berühren sich die zweiten Abschnitte in der Mitte des zweiten Rotors, d. h. an der Drehachse. Hierdurch werden die radial eintreffenden magnetischen Flüsse ins Zentrum geführt und axial umgelenkt bzw. radial umgelenkt und nach außen geführt.
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Vorzugsweise sind die Wicklungen der Elektromagnete des Stators in Serie geschaltet. Hierdurch ergibt sich der gleiche elektrische Strom durch sämtliche Wicklungen der Elektromagnete, womit sich eine einfache Steuerung der magnetischen Reluktanzkupplung realisieren lässt.
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Erfindungsgemäß wird auch eine Kupplungsanordnung mit der genannten magnetischen Reluktanzkupplung und einer Steuereinrichtung bereitgestellt, mit der die magnetische Reluktanzkupplung so ansteuerbar ist, dass in einem Einkuppelzustand ein erstes magnetisches Feld im ersten und zweiten Rotor in eine erste Richtung gerichtet ist und unmittelbar nach Beenden des Einkuppelzustands durch Stromimpulse ein zweites magnetisches Feld in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung in dem ersten und zweiten Rotor zu deren Entmagnetisierung ausbildbar ist. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass nach einem Einkuppelzustand eine Restmagnetisierung in den Rotoren und gegebenenfalls auch in dem Stator abgebaut wird, sodass in einem Auskuppelzustand zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor tatsächlich kein Drehmoment mehr übertragen wird. Damit sind die beiden Wellen vollständig entkoppelt.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften magnetischen Reluktanzkupplung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 die magnetische Reluktanzkupplung von 1 aus einer anderen Perspektive;
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3 den äußeren, ersten Rotor der magnetischen Reluktanzkupplung;
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4 den inneren, zweiten Rotor der magnetischen Reluktanzkupplung;
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5 den Stator der Reluktanzkupplung mit Wicklungen;
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6 den Stator ohne Wicklungen;
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7 eine Stirnseitenansicht der magnetischen Reluktanzkupplung mit Magnetfeldlinien;
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8 eine Ansicht auf die magnetische Reluktanzkupplung von 1 und 2 auf eine Stirnseite bei einer Stellung der Rotoren mit größerem magnetischen Widerstand und
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9 eine Stellung der Rotoren bei minimalem magnetischen Widerstand.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsformen stellen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar.
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1 zeigt beispielhaft eine magnetische Reluktanzkupplung in einer dreidimensionalen Ansicht. Die magnetische Reluktanzkupplung dient zum Kuppeln einer ersten Welle 1 mit einer zweiten Welle 2. Sie besitzt einen Stator 3, der in etwa rohrförmige bzw. hohlzylindrische Gestalt besitzt. Im Inneren des Stators 3 ist ein erster Rotor 4 drehbar gelagert. Dieser Rotor 4 ist mit der ersten Welle 1 drehfest verbunden. Im Inneren des ersten Rotors 4 ist ein zweiter Rotor 5 drehbeweglich gelagert. An ihn ist die zweite Welle 2 drehfest fixiert.
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Die beiden Wellen 1 und 2 sind koaxial bezüglich der Drehachse 6 angeordnet. Die erste Welle 1 steht von der einen Stirnseite der magnetischen Reluktanzkupplung ab und die zweite Welle 2 von der gegenüberliegenden anderen Stirnseite. Die Drehachse 6 bildet somit das Rotationszentrum des ersten Rotors 4 und des zweiten Rotors 5. Darüber hinaus stellt sie die Mittelachse des rohrförmigen Stators 3 dar.
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Während 1 die magnetische Kupplung eher von der Seite der zweiten Welle 2 zeigt, zeigt 2 die magnetische Reluktanzkupplung eher von der Seite der Welle 1. In dieser Ansicht ist insbesondere ein scheibenförmiges Halteelement 7 des ersten Rotors 4 zu erkennen, das drehfest an die erste Welle 1 befestigt ist. Das scheibenförmige Halteelement 7 ist rotationssymmetrisch bezüglich der Drehachse 6.
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Wie die 1 und 2 zeigen, besitzt der Stator 3 zwei ferromagnetische Ringe 8 und 9, die vorzugsweise die gleiche Geometrie besitzen. Diese beiden ferromagnetischen Ringe 8 und 9 sind koaxial angeordnet und besitzen die gemeinsame Achse 6. Sie sind voneinander beabstandet. Zwischen ihnen befinden sich am Umfang gleich verteilt mehrere Magnete, im vorliegenden Beispiel Elektromagnete mit Wicklungen 10.
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Bei den Magneten kann es sich um Permanentmagneten handeln, die ein festes Magnetfeld erzeugen, womit sich vorgegebene Kupplungseigenschaften zwischen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 ergeben. Vorzugsweise handelt es sich bei den Magneten jedoch um Elektromagnete, die elektrisch steuerbar sind. Insbesondere sind solche Elektromagnete auch abschaltbar, sodass dann die Wellen 1 und 2 voneinander entkoppelt sind.
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Bevor die Wirkungsweise der magnetischen Reluktanzkupplung erläutert wird, wird anhand der 3 bis 6 zunächst der Aufbau der magnetischen Reluktanzkupplung im Detail dargestellt. So zeigt 3 den äußeren, ersten Rotor 4. Er besitzt, wie bereits erwähnt wurde, das scheibenförmige Halteelement 7. An einer Seite des Halteelements 7 ist in der Mitte die Welle 1 drehfest fixiert. Die Welle 1 endet in diesem Beispiel an dem Halteelement 7 und ragt nicht durch dieses hindurch. Auf der der Welle 1 gegenüberliegenden Seite des scheibenförmigen Halteelements 7 sind stabförmige erste Abschnitte 11 befestigt. Ihre Längsachse erstreckt sich parallel zur Drehachse bzw. Welle 1. Sie sind am Außenrand des Halteelements 7 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet.
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Jeder einzelne stabförmige erste Abschnitt 11 ist in Längsrichtung 3 geteilt. Er besitzt einen proximalen ersten Unterabschnitt 12, einen distalen, zweiten Unterabschnitt 13 und einen dazwischen liegenden, dritten Unterabschnitt 14. Der erste Unterabschnitt 12 und der zweite Unterabschnitt 13 bestehen aus einem ferromagnetischen Material, während der dazwischen liegende dritte Unterabschnitt 14 aus einem nicht magnetischen Material gefertigt ist.
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Im vorliegenden Fall besitzt der erste Rotor 4 vier erste Abschnitte 11. Die Anzahl der ersten Abschnitte kann aber auch größer oder kleiner gewählt werden, z. B. 1, 2, 3, 5, 6 etc.
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2 zeigt den inneren, zweiten Rotor 5. Dieser besitzt sternförmig von der Achse 6 nach außen ragende, ferromagnetische, zweite Abschnitte 15. Sie erstrecken sich in Längsrichtung, d. h. in Richtung der Achse 6 ebenso weit wie die ersten Abschnitte 11 des ersten Rotors 4. Der zweite Rotor 5 ist vorzugsweise einstückig gebildet, sodass die zweiten Abschnitte 15 im Zentrum, d. h. im Bereich der Achse 6 ineinander übergehen. An der einen Stirnseite des zweiten Rotors 5 ist die zweite Welle 2 drehfest befestigt.
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5 zeigt den Stator 3 in nicht montiertem Zustand. Zwischen den beiden Ringen 8 und 9 befinden sich die Elektromagnete, von denen hier lediglich die Wicklungen 10 zu erkennen sind. Die Elektromagnete sind am Umfang des Stators 3 gleichmäßig verteilt. Sie ragen nicht in das Innere des Stators 3, das durch einen Zylinder definiert wird, welcher durch die Innenflächen der beiden Ringe 8 und 9 begrenzt ist. Die Wicklungsachsen der Wicklungen 10 verlaufen parallel zur Mittelachse des Stators 3.
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6 zeigt den Stator 3 ohne die Wicklungen 10. Es sind daher ferromagnetische Verbindungsstücke 16 zwischen den beiden Ringen 8 und 9 zu erkennen, die die Kerne der Elektromagneten darstellen. Jedes der Verbindungsstücke 16 besitzt in etwa quaderförmige Gestalt und erstreckt sich in axialer Richtung von einem Ring 8 zum anderen Ring 9. Damit bestehen mehrere durchgängige ferromagnetische Brücken zwischen beiden Ringen 8 und 9. Das Wirkungsprinzip der magnetischen Reluktanzkupplung wird nun anhand der 7 bis 9 näher erläutert. 7 zeigt eine Stirnseitenansicht der Kupplung. Es ist der Stator 3 mit dem Ring 8 zu erkennen, in dessen Innerem der äußere, erste Rotor 4 läuft, von dem Unterabschnitte 13 zu erkennen sind. Von dem inneren, zweiten Rotor 5 sind die zweiten Abschnitte 15 zu erkennen. Außerdem ist die zweite Welle 2 eingezeichnet.
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Durch die Elektromagnete (symbolisiert durch die Wicklungen 10) wird jeweils ein Magnetfeld erzeugt, das bei der gewählten Hohlrichtung aus der Zeichnungsebene herausgerichtet ist. Demnach verlaufen die Magnetfeldlinien gemäß den Symbolen 17 vom jeweiligen Elektromagneten in den Ring 8. Dort werden die Magnetfeldlinien in Umfangsrichtung umgelenkt. Sie verlaufen dort bis zum nächsten Unterabschnitt 13 des ersten Rotors. Durch diesen jeweiligen Unterabschnitt 13 werden die Magnetfeldlinien radial nach innen gelenkt.
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In dem Beispiel von 4 stehen die zweiten Abschnitte 15 des inneren Rotors 5 den jeweiligen ersten Abschnitten 11 bzw. Unterabschnitten 13 des ersten Rotors 4 exakt gegenüber. Daher verlaufen die Magnetfeldlinien 18 in radialer Richtung durch den zweiten Rotor in dessen Zentralabschnitt 19, in dem alle zweiten Abschnitte 15 ineinander laufen. Im Zentralabschnitt 19 verlaufen die Magnetfeldlinien in einer Richtung in die Zeichenebene hinein, wie das Symbol 20 andeutet.
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Die Magnetfeldlinien verlaufen entlang der Achse 6 weiter zum anderen Ende des zweiten Rotors 5. Dort werden sie radial nach außen in die zweiten Abschnitte 15 gelenkt. Sie durchdringen dann die ersten Unterabschnitte 12 der ersten Abschnitte 11 des ersten Rotors 4 in radialer Richtung nach außen. Anschließend münden sie in den radial darüber liegenden Ringen 9, von dem sie zurück in den jeweiligen Elektromagneten geführt werden.
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Die magnetische Reluktanzkupplung basiert also auf einem Gleichfeld, das durch eine bzw. mehrere Spulen 10 mit entsprechendem Wicklungssinn im Eisenkreis erzeugt wird. Der Kreis wird durch den Stator 3 sowie die zwei Rotoren 4 und 5 gebildet, die jeweils mit einer Seite der Wellen 1, 2 verbunden sind.
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Wenn kein Strom durch die Spule(n) 10 fließt und dadurch der Eisenkreis in erster Näherung feldfrei ist, wird auch kein Moment zwischen den Wellen 1, 2 übertragen. Fließt jedoch ein geeigneter DC-Strom durch die Spule(n) 10, wird ein Gleichfeld erzeugt, was sich über die beiden Rotoren 4, 5 schließt.
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Je nach Stellung der Zähne, (d. h. der Abschnitte 11 und 15) der Rotoren 4, 5 zueinander ändert sich der Luftspalt bzw. der magnetische Widerstand der Anordnung, wie aus den 8 und 9 hervorgeht. Das Reluktanzprinzip sagt aus, dass eine solche Anordnung das Bestreben haben wird, den Luftspalt bzw. den magnetischen Widerstand möglichst klein zu halten, was z. B. in Reluktanzmotoren oder Magnetlagern technisch genutzt wird. Dies führt beispielsweise in der in 8 dargestellten Stellung des ersten Rotors 4 gegenüber dem zweiten Rotor 5 dazu, das bei angelegtem Feld eine Kraft wirkt, die ein Drehmoment auf die Wellen 1, 2 ausübt, um korrespondierende Rotorzähne bzw. -Abschnitte der beiden Rotoren 4, 5 in die gleiche Winkelposition zu drehen.
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Wie bereits erwähnt wurde, kann die Anzahl der Zähne der Rotoren 4 und 5 auch anders als vier sein. Vorzugsweise besitzen der äußere Rotor 4 und der innere Rotor 5 die gleiche Anzahl an Zähnen. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich.
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Der Stator 3 hat mindestens eine magnetische Verbindung zwischen dem einen Ring 8 und dem anderen Ring 9 über einen Magneten. Es können aber auch mehrere Verbindungen realisiert sein, die dann jeweils vorzugsweise durch Elektromagneten gebildet werden. Es existiert kein Bezug zwischen der Anzahl der Zähne der Rotoren und der Anzahl von Verbindungen bzw. Magneten im Stator 3.
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Alle Wicklungen werden zweckmäßigerweise vom gleichen Strom durchflossen und mit dem gleichen Wicklungssinn aufgebaut, damit sich die Felder addieren. Prinzipiell können die Wicklungen aber auch unterschiedlich angesteuert werden, um beispielsweise zusätzliche Kräfte zu kompensieren.
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Die oben dargestellte Anordnung ergibt eine einfache, über einen Gleichstrom ansteuerbare magnetische Kupplung, die ohne rotierende Permanentmagneten auskommt. Dies stellt einen wesentlichen Kostenvorteil dar.
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Darüber hinaus können der Stator und die Rotoren je nach geforderter Drehzahl aus Massivteilen aufgebaut werden. Gegebenenfalls müssen einige Komponenten wie etwa die Statorringe für höhere Drehzahlen geblecht ausgeführt werden.
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Gegenüber Anordnungen mit rotierenden Permanentmagneten und einem schaltbaren Drehfeld ist der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung, dass weder ein Umrichter noch Schleifkontakte zum Erzeugen eines rotierenden Wechselfelds notwendig sind. Ein einfach zu erzeugender Gleichstrom genügt.
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Sollen die beiden Wellen entkoppelt werden, so müssen die Elektromagneten stromlos geschaltet werden. Um jedoch eine vollständige Entkoppelung zu erreichen, ist eine tatsächliche Feldfreiheit des Magnetkreises sicherzustellen. Dazu ist eine etwaige Remanenz gezielt durch geeignete Stromimpulse abzubauen. Bei den Stromimpulsen ist der Strom so zu richten, dass das Feld im Eisen umgekehrt wird.
