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Elektrodynamische Maschine, Kupplung o. dgl. Die Erfindung bezieht
sich auf elektrodynainische Kupplungen, bei denen ein körniges, magnetisches Material
verwendet wird. Sie vereinigt die Eigenschaften einer Wirbelstromkupplung und die
einer Kupplung mit einer magnetischen Kupplungsflüssigkeit miteinander.
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Unter den verschiedenen Aufgaben, die die Erfindung lösen soll, besteht
eine darin, eine solche kombinierte Kupplung vorzusehen, beider jede dieser beiden
Komponenten ,die der anderen Komponente eigentümlichen Nachteile ausgleicht. Einweiterer
Zweck ist die Ausbildung einer elektriscll,cii Kupplung der beschriebenen Art, die
ohne Schlupf oder auch mit Schlupf betätigt werden kann, wenn dies zur Aufnahme
von Drehschwingungen erwünscht ist. Die neue Kupplung zeichnet sich weiterhin dadurch
aus, daß Energieverluste beim Einkuppeln gering und sowohl in ausgekuppeltem als
auch in fest eingekuppeltem Zustand praktisch gleich Null sind. Sie kann bei einer
bestimmten Erregung, bestimmten Gewicht und bestimmter Größe ein sehr hohes Drehmoment
übertragen, spricht auf Erregungsimpulse mit der geringsten Verzögerung an und ist
auch in mechanischer Beziehung insofern verbessert, daß bei der in der Kupplung
enthaltenen magnetischen Flüs'sig'keit keine Verluste entstehen.
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Die Erfindung geht aus von einer °l,ektrodynamischen Kupplung, die
aus einem inneren und einem äußeren, relativ zueinander drehbar angeordneten, zwischen
sich einen magnetischen Spalt aufweisenden Anker- und Feldglied besteht. Die Erfindung
besteht
darin, d@aß das äußere Glied eine Kammer bildet, die ein fließfähiges, körniges
und magnetisches Material in solcher Menge enthält, daß es den genannten Spalt nur
teilweise ausfüllt, ohne das innere Glied zu berühren., wenn das fließfähige Material
unter dem Einfluß der Drehbewegung steht, die für eine nach außen gerichtete Verteilung
des genannten Materials in dem äußeren Glied genügt, und in der das Material aber
unter der Wirkung eines bestimmten, von dem Feldglied erzeugten magneti'sc'hen Feldes
so beeinflußt wird, daß es eine Lage einnimmt, in .der es zum mindesten einen Teil
des Spaltes überbrückt.
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In der Zeichnung sind verschiedene Kupplungen gemäß der Erfindung
dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen axialon Schnitt durch eine Ausführungsform,
bei der Wirbelströme und eine magnetische Flüssigkeit angewendet werden, Fig. 2
einen Teilquerschnitt nach der Linie II-II der Fig. i, Fig. 3 einen Ausschnitt aus
dem in Fig. 2 dargestellten Schnitt in vergrößertem Maßstab, der die Lage der magnetischen
Flüssigkeit bei Drehung und ohne Erregung zeigt, Fig. 4 einen entsprechenden Ausschnitt,
der die magnetische Flüssigkeit bei eingeschalteter E.-regung zeigt, Fig.5 einen
Ausschnitt der Abwicklung ,nach der Linie V-V der Fig. 2, Fig. 6 einen axialen Teilschnitt
ä'hnlic'h Fig. i, der eine andere Ausführungsform der Pole des Feldteiles darstellt,
die mit einer magnetischen Flüssigkeit zusammenarbeiten, aber nur schwächere Ausgleichströme
erzeugt, Fig.7 einen- der Fig.6 entsprechenden Teilschnitt durch eine wertere Polform,
die mit Wirbelströmen und einer magnetischem, Flüssigkeit arbeitet, Fig.8 einen
axialen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform, die ebenfalls mit Wirbelströmen
und einer magnetischen Flüssigkeit arbeitet und Fig.9 ein Diagramm, das die besondere
Abhängigkeit des übertragenen Drehmoments von der Größe des Schlupfs veranschaulicht.
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Kupplungen, die allein auf Grund der Wirkung von Wirbelströmen arbeiten,
müssen stets Schlupf haben, der, wenn er klein ist, oftmals besser vermieden werden
sollte. Die Eigentümlichkeiten von allein mit magnetischem Pulver oder einer magnetischen
Flüssigkeit arbeitenden Kupplungen sind Reibungsverluste in -der magnetischen Flüssigkeit
bei Leerlauf oder beim Anfahren, unerwünscht starke Erregungsiströme und zu große
Verzögerungen beim Ansprechen auf Steuervorgänge, sowie Lagerschwierigkeiten infolge
des Vorhandenseins der magnetischen Flüssi,gikeit.
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Bei vier Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung ergänzen sieh Wirkungen
der V@'irl.>elströme und der magnetischen Flüssigkeit so, daß jede Wirkung die bei
der anderen Komponente auftretenden Nachteile ausschaltet, wobei sich für eine bestimmte
Leistung eine wesentlich kleinere Einrichtung ergibt.
Die Teile der magnetischen Flüssigkeit, die bei ,geringeren Drehzahlen
nicht in dem erwähnten Film gehalten werden, neigen dazu, auf den Boden des Gehäuses
7 herabzutropfen. Dabei werden diese Flüssigkeitsteile von den in der Mitte liegenden
Teilen der Maschine durch Zentrifugalwirkung der sich bewegenden Teile 20 und 24
der Labyrinthdichtungen 23 und 24 ferngehalten. Selbst bei Stillstand werden die
Labyrint'hdichtungen die gesamte Flüssigkeit ohne Verluste zu dem Boden des Gehäuses
7 herumführen. Würde z. B. etwas von der Flüssigkeit ganz oben auf die Labyriuthdichtung
gelangen, so würde diese Flüssigkeit selbst bei Stillstand der Maschine im Höchstfalle
an wenigen äußeren Ringen 24 entlang laufen urid so wieder den Weg zu .dem unteren
Teil des Gehäuses finden, ehe sie beispielsweise zu den Lagern der Maschine gelangt.
Bei verhältnismäßig hohen Geschwindigkeiten wird die gesamte Flüssigkeit dann wieder
nach außen gegen die Innenwand der Zylindertrommel 17 geschleudert. Auf diese Weise
kann das Eisen-Ü1-Gemisch unter keimen Umständen aus dem Innenraum austreten oder
die Lager der Maschine erreichen.
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Wie schon erwähnt wurde, ergibt sich hei verhältnismäßig 'hohen Umlaufgeschwindigkeiten
der Zylindertrommel der in Fig.3 dargestellte Zustand, bei dem keine Berührung zwischen
der magnetischen Flüssigrkeit und dein Feldglied- besteht. Es entstehen infolgedessen
keine Energieverluste durch Reibung, und die Abtriebswelle neigt nicht dazu, mitzulaufen.
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Zum Einschalten der Kupplung wird die Spule 33 unter Strom gesetzt.
Dies ahn stufenweise geschehen. Hierd!urrh wird bewirkt, daß die magnetischen Ringe
41 und 43 zu Nord.- bzw. Südpolen erregt werden. Dementsprechend werden die Polenden
abwechselnd Nord- und Südpole. Welche der Pole Nord- urnd welche Südpole werden,
hängt von der Richtung ab, i,n der,die Spule 33 von dem Strom durchflossen wird.
Die Wahl ist jedoch beliebig. Ein Beispiel für die Verteilung der einzelnen Pole
ist in Fig. 1 bis 5 dargestellt. Durch die Entstehung der Pole werden zwei Wirkungen
erzielt. Einmal erzeugt der durch die Trommel 17 verlaufende magnetische
Kraftlinienfluß Wirbelströme in dieser "Trommel, die ein magnetisches Gegenfeld
und damit ein Gegendrehmoment erzeugen, welches das Feldglied einschließlich der
Trommel 31 und der Ahtriebswelle 15 zu beschleunigen sucht. Zum anderen wird
die Flüssigkeit 71 dbrch Induktion magnetisch und angezogen. Sie fließt in den magnetisierten
Spalt 65 hinein und sucht ihn gegenüber den Polenden auszufüllen. Dadurch verändert
sich das in Fig. 3 dargestellte Bild in das in Fig. 4 gezeigte. Die magnetische
Flüssigkeit wird infolge der gegenseitigen Anziehung seiner Teilchen auch steifer
und die innere Reibung nimmt zu. Je stärker die Pole magnetisiert werden, desto
stärker wird die erzielte Wirkung bezüglich des Hereinziehens der Flüssigkeit in
den Spalt, untd um so steifer wird diese. Bei genügend starker Erregung hört jeder
Schlupf zwischen dem Induktorglied und dem Feldglied auf, so claß eine Blockierung
ohne Schlupf entsteht. Es versteht sich jecIocli, daß die durch die magnetische
Flüssigkeit erzielte Verbindung bei der LTbertragung von Drehmomenten auch mit gewissem
Schlupf arbeiten kann. Beim Auftreten von Schlupf ist ein Teil des übertragenen
Di-ellmomentes den in der Trommel 17 entstehenden Wirbelströmen' zuzuschreiben.
Dadurch wird ein durch Schlupf entstehendes Durcheinanderwirbeln und infolgedessen
Erhitzen der magretischen Flüssigkeit auf ein Mindestmaß herabgesetzt, denn das
Auftreten der Wirbelströme trägt zur Drehmomentühertragung bei.
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Wird die Erregung vermindert, so wird auch der magnetische Kraftlinienfluß
infolge des in dem magnetischen Kreislauf vorgesehenen unmagnetisehen Materials
59 zurückgehen. Die Einfügung des Materials in den magnetischen Kreislauf
ist deshalb erwünscht, weil überall sonst in diesem Kreislauf magnetisches Material
vorhanden ist, das dazu neigt, diesen magnetischen Kreislauf zu erhalten. Würde
dieses unmagnetische Material 59 nicht vorgesehen sein, so würde die Kupplung nicht
sofort lösen, um gegebenenfalls einen Schlupf zuzulassen, und sein geringstes übertragbares
Drehmomeint würde bei ausgeschalteter Spule verhältnismäßig hoch sein. Zum mindesten
würde dies bei der beschriebenen magnetischen Flüssigkeit der Fall sein. Ist aber
ein uninagnetischer Teil in den magnetischen Kreislauf eingefügt, so folgt die Abschwächung
des magnetischen Kreislaufes der Verminderung des durch die Spule geschickten Erregerstromes
mehr oder weniger proportional und unmittelbar. Sobald die Dichte des durch die
iln dem Spalt enthaltende magnetische Flüssigkeit hindurc'hge'henden magnetischen
Kraftlinienflusses vermindert wird, nimmt die Steitigkeit der Flüssigkeit ab bzw.
sie verliert ihre hohe innere Reibung, und unter der erwähnten Zentrifugalwirkung
des Induktors 17 breitet sie sich wieder als dünner Film aus, wie dies in Fig 3
dargestellt ist. Es sei hier noc'11 erwähnt, dali das den Spalt in dem magnetischen
Kraftlinienfluß bildende :Material 59 mit der gleichen Wirkung in dem liiduktorteil
des magnetischen Feldes angeordnet werden könnte, anstatt in dein Feldglied.
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Die Anordnung mehrerer abwechselnder Pole auf dem Feldglied trägt
auch dazu bei, daß sowohl der Induktor 17 als auch die inagnetisclle Flüssigkeit
71 schnell entmagnetisiert werden. Das ergibt sich durch den beim Vorbeistreichen
der Pole abwechselnd in entgegengesetzter Richtung wirkenden permanenten Magnetismus
in den Polen. Diese Wirkung setzt sich fort, bis die 1Zelativbe-#vegungen zwischeir
dem lnd":'ktor find dem Feldglied' aufhören. Zur vollständigen 1?ntniagiretisierung
nach dem Ausschalten der Spule 33 ist an sich nur eine relative Bewegung zwischen
dem Feldglied und dem Induktor von einem Teilungsabstand zwischen den Nord- und
Südpolen erforderlich. 1;s ist einleuchtend, -daß diese Bedingung in der Praxis
weitaus erfüllt wird, so daß eine schnelle l-,'ntmagnetisierung auch ohne Verwendung
von Material mit
niedriger magnetischer Remanenz, wie beispielsweise
N ickelstahl, gesichert ist.
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In Fig. 6 ist eine der in Fig. i gezeigten Ausführungsform ähnliche
andere Bauart gemäß der Erfindung dargestellt. Die magnetische Indu@ktortrommel
139 ist beiderseits durch Deckel 141 und 143 abgeschlossen, wobei Behälter 145 vorgesehen
sind. Der magnetische Rotor ist mit 147 bezeichnet. Er trägt die Erregerspule 149
zwischen einem durchlaufenden, mit dem Rotor 147 aus einem Stück bestehenden Flansch
151 und einem besonderen magnetischen Ring 153, der unter Zwischen-Schaltung einer
dünnen Lage 155 aus nichtmagnetischem Material auf dem Rotor 147 sitzt. Das geschlossene
magnetische Feld der Spule 149 hat einen der gestrichelten Linie entsprechenden
mittleren Verlauf. In diesem Falle wird der eine Ring zum Nordpol und der andere
zum Südpol, und da keine einzelnen Polzähne vorgesehen sind, stellen die Ringe fortlaufernde
Pole dar. Die magnetische Flüssigkeit 71 wirkt in der gleichen Weise wie bei der
Ausführungsform gemäß Fig. i, mit der Ausnahme, daß auch bei Auftreten von Schlupf
weder die Flüssigkeit noch -der Induktor irgendeiner Umpolung unterworfen wird.
Infolgedessen entstehen nur geringe Ausgleichströme im Induktor, und das von ihnen
herrührende Drehmoment ist wesentlich kleiner. Ein Drehmoment wird hier also im
wesentlichen durch die magnetische Flüssigkeit übertragen. Die magnetische Flüssigkeit
wird von den mittleren Lagern mittels Labyrinthdichtungen 157 ferngehalten, die
den schon beschriebenen ent= sprechen. Bei dieser Ausführungsform wird die Entmagiietisierung
der magnetischen Flüssigkeit nicht durch relative Bewegungen der Glieder hervorgerufen,
weil hier keine Umpolung stattfindet. Die Entmagnetisierung 'kann jedoch dadurch
erleichtert werden, daß man für die magnetische Flüssigkeit ein Material wählt,
das seine magnetischen Eigenschaften leicht verliert, wenn das Erregerfeld verschwindet,
beispielsweise indem man die magnetischen Teilchen aus einem legierten Stahl holten
Nickelgehaltes herstellt. Dann wird auch diese Kupplung infolge dies Vorhandenseins
des magnetischen Spaltes 155 schnell lösen, wenn die Erregung auf Null gebracht
wird.
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Man kann bei einer Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 6 aber
auch stärkere Wirbelströme erzeugen, in dem man die Außenfläche der Polringe 151
und 153 in bestimmten Abständen mit Nuten versieht, wie dies bei 152 bzw. 154 in
Fig. 7 dargestellt ist. Diese Nuten können mit unmagnetisc'hem Füllstoff ausgefüllt
werden, doch kann dies auch unterbleiben. In Fig. 7 sind sie ohne einen solchen
Füllstoff dargestellt. Die anderen Teile der in Fig. 7 dargestellten Kupplung sind
die gleichen wie in Fig. 6.
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Die Wirkung der so erzeugten Wirbelströme kann auf diese Weise mit
der bereits beschriebenen Kupplungswirkung der magnetischen Flüssigkeit vereinigt
werden. In diesem Falle wird das durch die Wirbelströme entstehende Drehmoment durch
die Veränderungen> erzeugt, denen der magnetische Fluß in dem Induktor
139 unterworfen wird, im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß Fig. i, bei
der sich der magnetische Fluß umkehrt. Dort wird die Fläche des Induktors 17 durch
sich umkehrende magnetische Felder bestrichen, so daß in ihrer Strömungsrichtung
wechselnde Wirbelströme entstehen, wogegen der in Fig. 7 dargestellte Induktor von
einem magnetischen Feld verschiedener Stänke jedoch gleichbleibender Polarität bestrichen
wird, so daß in gleicher Richtung verlaufende, jedoch verschieden, starke Wirbelströme
entstehen. Nach dem der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken können auch andere
Polformen verwendet werden, z. B. einzelne mit Spulen versehene vorstehende Pole.
Jedoch ist die in Fig. i dargestellte Bauart mit fingerartig von beiden Seiten ineinandergreifenden
Polzähnen besonders vorteilhaft wegen ihrer wirksameren Wirbelstromeffekte, .der
selbsttätigen Entmagnetisierungseffekte und der geringen Größe der Einrichtung.
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Es ist selbstverständlich, daß jedes der beiden sich relativ zueinander
bewegenden Feld- und Induktorglieder das treibende oder das getriebene Glied sein
kann und daß die ringförmige Spule, anstatt daß sie an dem mit Polen versehenen
Feldglied angeordnet ist, auch an dem Induktorglied vorgesehen sein kann oder auch
an einem dritten, fest stehenden Glied, sofern dieses so angeordnet ist, daß sein
magnetisches Feld die Feld- und Induktorglieder miteinander verbindet.
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In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
die insbesondere als Fahrzeugkupplung gedacht ist. Mit 75 ist hier eine von dem
Motor angetriebene Hohlwelle bezeichnet, mit deren Flansch 77 die innere magnetische
Trommel 79 des Feldgliedes verschraubt ist. Diese Trommel läuft auf einem Lager
81 und trägt ein Hilfsschw,ungrad; 8o mit einem Zahnkranz 83 für den Eingriff des
Anlaseerritzels. Das Schwungrad 8o trägt außerdem einen. Kollektorring 85, gegen
den eine Bürste 87 anliegt. In diesem' Falle ist nur ein Kollektorring erforderlich,
weil das andere Ende der auf der Trommel 79 angeordneten Feldspule 89 an Masse gelegt
ist.
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An der einen Seite neben der Spule 89 ist auf der Trommel 79 ein magnetischer
Ring 9i angeordnet, der mit Nuten 93 versehen ist und dementsprechend klauenartige
Zähne 95 aufweist, die in durch die Breite der Nuten gegebenen Abständen auf den
Umfang des Ringes 9i verteilt sind. Auf der anderen Seite der Spule 89 ist ein weiterer
magnetischer Ring 97 vorgesehen:, der- mit Nuten 99 und entsprechenden, in entgegengesetzter
Richtung sieh erstreckenden Zähnen ioi versehen ist. Die Zähne 95 und ioi wechseln,
sich auf diese Weise ab. Hierbei ist jeder Polzahn einteilig und mit dem zugehörigen
Ring aus einem Stück hergestellt, anstatt zweiteilig, wie dies bei der Ausführungsform
gemäß der Fig. i der Fall ist. Hier ist auch kein Füllmaterial in die Zwischenräume
zwischen den Zähnen eingebracht. Eine unrnagnetische Einlage 103 zwischen dem Ring
97 und der Trommel 79 dient wiederum der Bildung eines Spaltes indem
niagnetisc'lten
Kreis. Der mittlere Verlauf dieses Kreises ist durch die gestrichelte Linie ciargestcllt.
An beiden Seiten sind an .den Ringen gi und 97 die
inneren Elemente :der nichtmagnetischen
Labyrinthdichttingen 107 vorgesehen, die ähnlich den schon lieschrielienen
ausgebildet sind. Jedoch erstrecken sich die -inneren Glieder io5 dieser Dichtungen
bis zu der äußeren Fläche der Polzähne 95 und ioi. Ein Stahlband roh von etwa einem
halben Millimeter Dicke ist auf die Außenfläche der Zähne 95 und ioi aufgeschrumpft.
Es ist dann seitlich bei iio 'herumgerollt und mit drei Gliedern io5 verlötet oder
verschweißt. Diese Bauart ergibt ähnlich wie das Füllmaterial 53 bei der :,#usfiihrungsform
gemäß Fig. i eine verhältnismäßig glatte äußere Oberfläche des Feldgliedes.
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Die Abtriebswelle log ist in dem Lager 81 und in einem flilfsführungslager
i i i innerhalb der Hohlwelle ; 5 ,gefü'Iirt. Auf der Welle log sitzt eine nichtmagnetische
Scheibe t 13, die die aus magtietischein Material, z. B. Eisen, bestehende Induktorhülse
117 trägt. An, der Innenseite der Scheibe 113 sind außerdem die äußeren ringförmigen
Elemente der einen Dichtung 107 vorgesehen. An ,dem anderen Ende der Induktorhiilse
117 ist eine urimagnetische, z. B. aus Aluminium bestehende Absclilußscheibe 125
angeordnet, auf deren Innenseite die äußeren Elemente der zweiten Dichtung
107 vorgesehen sind. Beide Dichtungen sind, wie auch bei den anderen Ausführungsformen,
titimagnetis:b. Der gesamte Rotor ist mit 127 bezeichnet. Innerhalb dieses Rotors
sind Aufnahmebehälter 131 für die magnetische Flüssigkeit vorgesehen.
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Die magnetische Flüssigkeit neigt dazu, sieh an magnetische Teile
anzusetzen, wenn sie selbst magnetisiert wird; sie wird daher wesentlich leichter
von einem nichtmagnetischen Material fortfließen, wenn sie durch das von den Polen
95 und ioi ausgehende dichte magnetische Feld angezogen wird. Daher wird die magnetische
Flüssigkeit bei Einschaltung der Spule 89 sehr viel schneller aus den Behältern
131 in den Spalt 137 hineingezogen werden, wenn diese Behälter aus nichtmagnetischem
Material hergestellt sind, als wenn sie aus magiietischem Material bestehen.
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Die Wirkungsweise der in Fig.8 dargestellten Bauart ist ähnlich der
bereits beschriebenen, mit der Ausnahme, daß beim Starten die magnetische Flüssigkeit
durch die Drehbewegung des das Antriebsglied' bildenden Feldgliedes in Drehbe@#:egung
versetzt wird'. Die Flüssigkeit wird dadurch nach außen gegen die Innenfläche des
anzutreibenden Rotors 127 geschleudert, und zwar sowohl wenn dieser noch stillsteht,
als auch wenn er sich dreht. Dreht er sich, so hält seine Z.entriftigal@virkung
die magnetische Flüssigkeit zusätzlich in der Form eines dünnen Filmes frei von
dem inneren Feldglied, wenn die Spule 89 nicht unter Strom steht. Im übrigen ist
die Wirkungsweise dieser Ausführungsform gemäß der Erfindung ähnlich der im Zusammenhang
mit Fig. i erläuterten.
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Die Zahl der die Pole bildenden Zähne hängt von
inoment von etwa
300 mkg auftritt, wogegen im Falle des Punktes
X der Kurve
A der gleiche Scliltipf hei einem Drehmoment von nur 75
ml<-vorhanden ist. in Vorteil der Kurve C gegenüber der Kurve B ist' der, daß
das Drehmoment durch eine Änderung des Schlupfes geändert werden kann.
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Der Ausdruck Induktor, wie er für eines der beweglichen Glieder verwendet
wird, ist in den Fällen angewendet worden, in denen dieses Glied von Wirbelströmen
durchflossen wird, wie dies beispielsweise bei der in Fig. i dargestellten Ausführungsform
der Fall ist. Der weitergehende Begriff Anker ist für dieses Glied angewendet worden,
wenn es als :'\bschltiß des nia-netischen Kraftlinienflusses ohne Rücksicht auf
das -auftreten von Wirbelströmen dient, als welcher es bei dem in Fig. 6 dargestellten
Beispiel betrachtet wird. Während die Erfindung insbesondere in (,er Anals Kupplung
beschrieben worden ist ist es klar, (laß auch bei verschiedenen anderen elektrodynamischen
Maschinen, bei denen mechanische Kräfte übertragen oder abgebremst werden sollen,
z. B. bei Dynamometern und Bremsen, von der vorgeschlagenen Maßnahme Gebrauch gemacht
werden ,kann.