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Magnetpulverkupplung Die Erfindung betrifft eine Magnetpulverkupplung
nach Patent 1066 062.
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Die vorgeschlagene Magnetpulverkupplung hat eine treibende und getriebene
magnetisierbare Kupplungshälfte, von denen die eine aus einem oder mehreren einen
kreisringförmigen Hohlraum einschließenden Zylindern besteht und die andere als
zylindrischer Ring ausgebildet ist, der zwischen ihm und den Zylindern der einen
Kupplungshälfte einen radialen Luftspalt beläßt und im wesentlichen axial gerichtete
Schlitze aufweist. Die Schlitze erleichtern die Bewegung des Magnetpulvers in die
Spalten und aus den Spalten, um auf diese Weise ein schnelles Füllen und Leeren
der Spalte herbeizuführen.
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Es ist auch eine Magnetpulverkupplung mit einem sehr kleinen Trägheitsmoment
bekannt, bei der ein leichter Becher aus Aluminium vom Magnetpulver mitgenommen
wird.
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Gegenüber den bekannten Ausführungen kennzeichnet sich die Erfindung
dadurch, daß die Breite der Lochungen in Umfangsrichtung mindestens der doppelten,
aber höchstens der vierfachen radialen Stärke des zylindrischen Ringes des becherförmigen
Körpers entspricht. Die Lochungen erstrecken sich dabei abwechselnd von dem einen
Axialende und dem anderen Axialende des Ringes zu einer vor dem entgegengesetzten
Ende gelegenen Stelle und überlappen sich in Axialrichtung.
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Infolge dieser Anordnung der Lochungen und ihrer Umfangsbreiten werden
alle an den Umfängen der Lochungen auftretenden magnetischen Randeffekte vermieden,
wobei der in den Lochungen fließende Magnetfluß das Magnetpulver mitnimmt. Werden
die Lochungen schmaler ausgeführt, als angegeben, dann hat der Magnetfluß die Neigung,
durch den zwischengeschalteten umlaufenden Teil zurückzufließen und auf diese Weise
eine Anhäufung des Magnetpulvers an den zugehörenden Lochöffnungen zu schaffen.
Kann sich dagegen das Magnetpulver in dem Magnetfluß frei bewegen, dann wird auch
die durch die Wirbelströme erzeugte Wärme schnell verteilt, und infolgedessen wird
die Leistung der Magnetpulverkupplung erhöht.
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In der Zeichnung, in der eine einzige Ausführung von vielen möglichen
Ausführungen der Erfindung dargestellt ist, zeigt Fig. 1 einen Axialschnitt einer
Kraftfahrzeugkupplung gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine Abwicklung der Außenfläche
des getriebenen Teiles der Kupplung, Fig.3 einen vergrößerten Längsschnitt bei Freigabe
des Magnetpulvers, und Fig. 4 ist ein der Fig. 3 ähnlicher Schnitt mit dem Magnetpulver
in Betriebsstellung.
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In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Teile mit den
gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung erfolgt der Antrieb von
der treibenden Welle 1, beispielsweise von dem Flansch einer Brennkraftmaschine.
An die treibende Welle 1 ist die Treibscheibe 5 der Kupplung angeschraubt. Die treibende
Scheibe 5 wird von einer Stirnwand 7, einem ferromagnetischen Außenring 9 und einem
ferromagnetischen Innenring 11 gebildet. Der Ring 11 ist an dem Stirnende
von Ring 9 angeschraubt und hat eine Ausnehmung zur Aufnahme einer ringförmig gewickelten
Magnetspule 13.
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In der Mitte wird der Innenring 11 von einer Büchse 15 getragen, die
ein Lager 17 zum Ausrichten einer umlaufenden Nabe 19 enthält. Die Nabe 19 ist mit
Keilnuten auf der getriebenen Welle 3 befestigt, die mit der Stirnwand 7 über ein
Führungslager 21 ausgerichtet wird. Andere Lagerungen für
die Welle
3 sind nicht dargestellt, da sie außerhalb des für die Kupplung bestimmten, nur
teilweise dargestellten Gehäuses 23 liegen. Der übrige Teil des Gehäuses (nicht
dargestellt) geht von dem Motor aus, von dem der Flansch 1 ein Bestandteil ist.
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Die auf der Büchse 15 befindlichen voneinander isolierten Schleifringe
25 liegen in einem elektrischen Steuerstromkreis mit den Bürsten 27. Die Verbindung
zwischen den Schleifringen 25 und der Magnetspule 13 erfolgt über Drähte 29.
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An der Nabe 19 ist ein Boden 31 eines becherförmigen Körpers 33 befestigt.
Der becherförmige Körper weist einen ferromagnetischen zylindrischen Ring 35 mit
in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten 37 bzw. 39 auf. Diese Nuten sind zwar in der
Zeichnung als kreisförmige Nuten dargestellt, können aber auch schraubenlinienförmige
Nuten sein. Die Innenfläche und die Außenfläche des Ringes 35 werden daher von gleich
großen zylindrischen Kopfflächen oder Köpfen 41 und 43 gebildet, die von den Nuten
37 bzw. 39 geformt sind. Zwischen der zylindrischen Innenfläche des Außenringes
9 und den Außenflächen der Köpfe 43 des Ringes 35 besteht ein kleiner magnetischer
Spalt 73 von beispielsweise 0,5 mm. Zwischen der zylindrischen Außenfläche des Innenringes
11 und den Innenflächen der Köpfe 41 des Ringes 35 besteht ebenfalls ein kleiner
magnetischer Spalt 75 von der gleichen Größe.
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Beim Erregen der Magnetspule wird ein torroidales Magnetfeld, wie
es durch die Linie F angedeutet ist, erzeugt. Dieses Magnetfeld schneidet die zylindrische
Innenfläche des ferromagnetischen Außenringes 9, den Ring 35 und die zylindrische
Außenfläche des Innenringes 11. Es wird also ein Magnetfeld in den innerhalb und
außerhalb des Ringes 35 liegenden beiden Spalten 73 und 75 erzeugt. Mittels Regelvorrichtungen
des mit den Bürsten 27 verbundenen Stromkreises kann die Stärke dieses Magnetfeldes
geändert werden.
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Die Kante 45 des Ringes 35 liegt nahe der einen Seite der Magnetspule
13, so daß ein Vorratsraum 47 für das Magnetpulver verbleibt. Ein Vorratsraum 49
ist auch zwischen dem gegenüberliegenden Ende des becherförmigen Körpers 33 und
der Stirnwand 7 und dem Außenring 9 vorhanden. Der ferromagnetische Ring 9 ist auf
der Außenseite der Vorratsräume 47 bzw.49 mit dünnen unmagnetischen Messingringen
51 und 53 ausgekleidet.
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Der Ring 35 hat Öffnungen in Form von radial durchgehenden Längsschlitzen
55 und 57. Diese Schlitze können gewünschtenfalls winklig zur Achse angeordnet sein.
Der becherförmige Körper 33 wird durch Anschweißen des Ringes 35 an den Boden 31
hergestellt. An der Schweißstelle hat der Ring 35 eine Abschrägung 36. Der Ring
35 und der Boden 31 können auch aus einem Stück bestehen, wobei jedoch in beiden
Fällen vorteilhaft die Abschrägung 36 beibehalten wird.
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Zwischen dem Boden 31 und der Stirnwand 7 und zwischen dem Boden 31
und dem Innenring 11 befinden sich labyrinthartige Abdichtungen. An der Stirnwand
7 ist eine Reihe von Kegelflächen 61. befestigt, die mit einer Reihe von in entgegengesetzter
Schräglage gerichteten Kegelflächen 63 des Bodens 31 verzahnt sind. Die andere Labyrinthdichtung,
nämlich zwischen dem Innenring 11 und dem Boden 31, besteht aus einer Gruppe von
Kegelflächen 65, die an dem Innenring 11 befestigt sind und die mit einer in entgegengesetzter
Schräglage gerichteten Reihe von Kegelflächen 67 des Bodens 31 verzahnt sind.
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Die Stirnwand 7, Außenring 9 und Innenring 11 zusammen mit den Labyrinthdichtungen
bilden einen becherförmigen Raum, in dem der becherförmige Körper 33 liegt, -der
aus dem Boden 31 und dem geschlitzten Ring 35 besteht. Infolge dieser Ausführung
entstehen die Magnetspalte 73 und 75 sowie die Vorratsräume 47 und 49. In den auf
diese Weise gebildeten becherförmigen Räumen wird ein Magnetpulver 69 eingebracht,
das vorzugsweise aus einem Gemisch von ferromagnetischen Teilchen, beispielsweise
pulverförmigem Eisen, Eisenlegierungen und einem Zusatz, beispielsweise pulverförmigem
Graphit, Aluminiumoxyd od. dgl., besteht. Der Zusatz kann auch aus einem Schmiermittel,
beispielsweise Öl, bestehen. Weitere Einzelheiten über dieses Magnetpulver
sind nicht erforderlich, da verschiedene Pulver dieser Art in der Technik bekannt
sind. Die Magnetpulver mit trockenen Zusatzstoffen sind als Trockenpulver, die Pulver
mit flüssigen Zusatzstoffen als Naßpulver bekannt. Das Einfüllen des Pulvers erfolgt
durch die verschließbare Öffnung 71.
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Eine Eigenheit eines Magnetpulvers der erwähnten Art besteht darin,
daß das Pulver in das Magnetfeld gezogen wird, das durch die Linie F angedeutet
ist. Beim Erregen der Magnetspule 13 wird das Magnetpulver in die Spalte 73 und
75 (Fig. 4) gezogen. Das Magnetfeld erhöht auch die Scherfestigkeit zwischen den
magnetischen Teilchen, so daß die Kupplung ein Drehmoment überträgt. Nach Anhalten
der Spule verschwindet das Magnetfeld F, und das Magnetpulver ist wieder entmagnetissiert
und lose. Die Teilchen sind dann frei und nehmen unter der Wirkung der Schleuderkraft
irgendeine Lage ein, wie dies beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist, in der das
Magnetpulver in die Vorratsräume 47 und 49 verlagert wurde und nur eine kleine Menge
oder überhaupt nichts an der Innenfläche des Außenringes 9 verblieben ist. Damit
ist die Kupplung ausgerückt, d. h., es wird kein Drehmoment übertragen. Durch Veränderung
des die Magnetspule 13 durchfließenden Stromes kann die Stärke des Magnetfeldes
geändert und das zu übertragende Drehmoment durch Änderung des Schlupfes in den
Spalten 73 und 75 geändert werden. Bei höchster Erregung der Magnetspule 13 erfolgt
ein Gleichlauf zwischen treibender und getriebener Welle ohne Schlupf in den Spalten
73 und 75. Der becherförmige Körper 33 ist zwar als die getriebene Kupplungshälfte
und die Stirnwand 7, Außenring 9 und Innenring 11 sind als
treibende Kupplungshälfte dargestellt, doch kann es unter gewissen Umständen auch
umgekehrt sein.
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Die Nuten 37 und 39 sind in den Ring 35 so angebracht, daß die durch
Schlupf erfolgende Erwärmung hauptsächlich nahe den Oberflächen der Ringe 9 und
11 auftritt, von denen die Wärme leicht abgeleitet werden kann. Der Grund hierfür
ist darin zu sehen, daß der Kraftlinienstrom am dichtesten an den Flächen der Köpfe
41 und 43 ist, so daß der Schlupf an diesen Flächen klein ist. Der Schlupf tritt
in der Hauptsache dort auf, wo die Kraftliniendichte geringer ist, d. h. an den
Zylinderflächen der Bauteile 9 und 11.
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Die Vorratsräume 47 und 49 sind so groß, daß sie das gesamte oder
im wesentlichen das gesamte Magnetpulver bei abgeschalteter Kupplung aufnehmen können.
Das Magnetpulver wird auf den unmagnetischen
Ringen 51 und 53 gespeichert.
Die Vorratsräume ermöglichen es auch, daß die Füllung der Kupplung über die Menge
hinaus erhöht werden kann, die üblicherweise in Kupplungen dieser Art vorhanden
ist. Das Ergebnis ist eine höhere Drehmomentübertragungskapazität und geringere
Arbeitstemperaturen in dem die Füllung bildenden Magnetpulver.
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Das Kennzeichen ist in den Schlitzen 55 und 57 zu sehen. Damit diese
Schlitze leistungsfähig sind, müssen sie die richtige Breite haben, d. h., die Breiten
dürfen nicht kleiner als das Zweifache, aber höchstens das Vierfache der radialen
Stärke des zylindrischen Ringes 35, vorzugsweise das Drei- bis Vierfache dieser
Stärke sein. Die Schlitze 55 sollen sich ferner vorzugsweise nicht bis zu der Kante
45 erstrecken. Die Schlitze 57 bilden Unterbrechungen der Kante 45 an Abschnitten,
die nicht an die Stirnenden der Schlitze 55 angrenzen. In Umfangsrichtung sind die
Stirnenden 56 der Schlitze 55 und die Stirnenden 58 der Schlitze 57 versetzt angeordnet
und überlappen sich. Die Gründe für diese Anordnung und Ausführung der Schlitze
55 und 57 sind folgende: Es soll eine freie Verteilung und ein freier Umlauf des
Magnetpulvers zwischen der Außenseite und der Innenseite des Ringes 35 vorhanden
sein. Sind die Schlitze 55 und 57 zu schmal, so tritt eine sogenannte magnetische
Fransenwirkung auf, die die Verteilung des Magnetpulvers in den Schlitzen 57 verhütet,
diese aber nicht unterstützt. Das Feld läuft an dem Schlitz vorbei und durchströmt
den Schlitz nicht. Ist der Schlitz größer, dann entsteht keine Fransenwirkung, und
ein wesentlicher Teil des Feldes durchströmt den Schlitz und nimmt das Magnetpulver
mit. Das geforderte Verhältnis von 2: 1 oder größer der Umfangsbreiten der Schlitze
55 und 57 zur Dicke des Ringes 35 ist daher wichtig.
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Wichtig ist ferner, daß über die gesamte Axiallänge des Ringes 35
offene Räume vorhanden sind, so daß das durch die Schlitze 55 und 57 gezogene Magnetpulver
während des Schlupfes bei der Beschleunigung über die gesamte Axiallängen der Ringe
9 und 11 und um diese nahe dem Ring 35 befindlichen Ringe 9 und 11 ausgebreitet
wird. Die Staffelung der Schlitze 55 und 57 ergibt einen Ringaufbau, der bei den
unter Schleuderkraft auftretenden Spannungen kräftiger ist als ein Aufbau, bei dem
die Schlitze 55 unmittelbar bis zur Kante 45 geführt würden.
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Andererseits soll die Breite oder Zahl der Schlitze 55 und 57 nicht
unnötig erhöht oder vergrößert werden, da hierdurch der Ring 35 zu wenig Magnetpulver
enthält und eine Verminderung des zu übertragenden Drehmoments erfolgt. Der Höchstwert
für die Breite der Schlitze zu der zwischen den Flächenköpfen 41, 43 vorhandenen
Dicke des Ringes 35 beträgt 4 : 1. Eine vorteilhafte Zahl von Schlitzen 55 und 57
für die dargestellte Kupplung ist acht, so daß im ganzen sechzehn Schlitze vorhanden
sind.
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Die in der Zeichnung dargestellten Schlitze 55 und 57 sind zwar längsgerichtet,
doch können diese Schlitze auch zur Drehachse winkelig verlaufen.
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Die Kupplung arbeitet in folgender Weise: Es sei angenommen, daß sich
die treibende Scheibe 5 dreht; daß der getriebene becherförmige Körper 33 stillsteht
und daß die Magnetspule 13 abgeschaltet ist. Das Magnetpulver 69 verteilt sich infolgedessen
ungefähr so, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Fast das gesamte Pulver fließt aus
den Spalten 73, 75 in die Vorratsräume 47 und 49. Eine kleine Menge des Pulvers
ist in der außenliegenden Spalte 73 schematisch dargestellt und bildet einen dünnen
Film, wie er auch unter praktischen Betriebsverhältnissen auftritt. Es wird daher
von der Kupplung kein Drehmoment übertragen, und es erfolgt auch keine Drehmomentübertragung
durch das Magnetpulver, ausgenommen die übertragung, die von der Lagerreibung herrührt,
die aber klein ist.
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Beim Erregen der Magnetspule 13 wird ein toroidales Kraftlinienfeld
F einer Stärke erzeugt, die von den Amperewicklungen in der Spule abhängt. Das Magnetpulver
69 wird von den nichtmagnetischen Ringen 51 und 52 in die Spalte 73 und 75 gezogen.
Das meiste Pulver fließt zuerst in den Außenspalt 73. Das Pulver wird dann in den
Schlitzen 55 und 57
nach innen gezogen und wird während des Schlupfes
durch eine Art Sprühwirkung über die gesamte Außenfläche des Innenringes 11 verteilt.
Auf diese Weise werden sowohl der äußere Spalt 73 als auch der innere Spalt 75 schnell
gefüllt (Fig. 4). Während der Beschleunigungsperiode oder während der Zeit, in der
die Feldstärke noch nicht ihren Höchstwert erreicht hat, tritt ein Schlupf mit einem
Umlauf des Magnetpulvers zwischen dem inneren und dem äußeren Magnetspalt durch
die Schlitze hindurch auf. Hierdurch erfolgt eine schnelle Wärmeübertragung von
dem Magnetpulver auf die umgebenden Metallflächen. Die Bildung von nachteiligen
heißen Stellen in dem Magnetpulver wird auf diese Weise vermieden.
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Nach vollem Erregen der Spule 13 ist das Magnetfeld so stark, daß
jeder Schlupf verhütet wird, worauf das Drehmoment bei Gleichlauf der treibenden
und der getriebenen Welle voll übertragen wird. Bei diesen Betriebsverhältnissen
besteht eine sehr kräftige Verriegelungswirkung infolge der Materialdicken, die
die Ringe 9 und 11 über die Schlitze 55 und 57 (Fig. 4) verbinden.
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Beim Entregen tritt der umgekehrte Vorgang auf, wobei das dann lose
Magnetpulver unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft in den Schlitzen 55 und 57
zu dem äußeren Spalt 73 fließt und sich schließlich in die Vorratsräume 47 und 49
verlagert. Die unmagnetischen Ringe 51 und 53 sollen Streuströme des Feldes F verhüten,
die das Bestreben haben könnten, das Magnetpulver in den Vorratsräumen zu halten.
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Die Vorteile der Erfindung sind folgende: Die Vorratsräume 47 und
49 sind so groß, daß sie das gesamte Magnetpulver aufnehmen und speichern. Dadurch
ist es möglich, die Spalte 73 und 75 sowie die Schlitze 55 und 57 völlig zu entleeren
und die Kupplung nach Entregen der Spule 13 schnell zu entkuppeln. Die Summe der
axialen Vorratsraumlänge an beiden Seiten des Ringes 35 ist annähernd gleich der
wirksamen Trommellänge, d. h. gleich der Länge nahe der Außenfläche des innerhalb
des Ringes 35 befindlichen Innenringes 11. Infolgedessen kann die Kupplung mit einer
größeren Füllung an Magnetpulver betrieben werden, als dies bei den bekannten Kupplungen
dieser Art der Fall ist. Die bei der Erfindung verwendete Füllmenge beträgt etwa
das Doppelte der Füllmenge bekannter Kupplungen.
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Einer der Vorteile der größeren Füllung besteht darin, daß ein größeres
Drehmoment übertragen
werden kann, da die Drehmomentübertragung
von der Füllmenge abhängt. Bei der Kupplung hat das Magnetpulver eine geringere
Temperatur als bisher, da für die beim Schlupf erzeugte Wärme annähernd die doppelte
Magnetpulvermenge zur Verfügung steht. Bei einer Kupplung, deren Vorratsräume mit
1000g Magnetpulver gefüllt waren, erreichte die Temperatur des Magnetpulvers ungefähr
315°C, während bei einer Füllung von 500 g, die ohne die Vorratsräume vorhanden
sein könnten, die Temperatur ungefähr 537°C erreichte. Die niedrige Temperatur ist
erwünscht, da die Verwendungsdauer des Pulvers mehr oder weniger von seiner Arbeitstemperatur
abhängt. Die Temperaturen der Magnetspule 13 erreichten diese Werte nicht, und zwar
infolge der Wärmeleitung und Wärmestrahlung, die in dem Außenring 9, becherförmigen
Körper 33 und Innenring 11 erfolgt. Die Wärmeübertragung wird auch durch die Vorratsräume
begünstigt, so daß die Kühlung durch Wärmezerstreuung in jeder Beziehung verbessert
wird.
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Ein weiterer Vorteil der großen Vorratsbehälter 47 und 49 ist darin
zu sehen, daß beim Ausschalten der Kupplung keine große Radialtiefe des Magnetpulvers
in diesen Räumen vorhanden ist. Das der Zentrifugalkraft unterworfene Magnetpulver
versucht nicht, nach Entregen der Spule 13 in die Spalte 73
und 75
zurückzufließen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die verhältnismäßig
breiten Schlitze 55 und 57 eine schnelle gleichmäßige Verteilung des Magnetpulvers
in die Magnetspalte 73 und 75 beim Erregen der Spule 13 ermöglichen. Das
Magnetpulver durchfließt leicht die Schlitze. Wenn einmal der innere Spalt 75 gefüllt
ist, werden die Schlitze mit dem Pulver verstopft, so daß ein weiteres Eindringen
in den inneren Spalt 75 verhindert wird. Beim Entregen der Spule dagegen fällt das
steif gewordene Pulver schnell zusammen, und die Zentrifugalkraft führt dieses Pulver
durch die Schlitze hindurch zum äußeren Spalt 73 und dann zu den Vorratsräumen 47
und 49. Ein Teil des Pulvers erreicht die Vorratsräume unmittelbar von dem inneren
Spalt 75.
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Ein anderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die breiten
Schlitze 55 und 57 und die großen Vorratsräume 47 und 49 zusammen
mit den in dem Boden 31 befindlichen Öffnungen 59 eine fortgesetzte Wirbelung in
dem Magnetpulver beim Beschleunigen während des Erregens der Magnetspule
13 erzeugen. Bei voller Erregung unter synchronisierenden Antriebsverhältnissen
ist das Magnetpulver im wesentlichen von dem Magnetfeld an seiner Stelle verriegelt.
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Die Schlitze 55 reichen nicht bis zur Kante 45 des Ringes 35, sondern
werden von zusätzlichen, gestaffelt angeordneten Schlitzen 57 ergänzt, die so groß
sind, daß die entstehenden Gesamtschlitze die Ausdehnung von Schlitzen haben, die
die Kante 45 erreichen würden. Hierdurch wird vermieden, daß die Festigkeit vermindernde
frei tragende Abschnitte zwischen den Schlitzen 55 vorhanden sind. Diese erwähnten
Vorteile werden erzielt, ohne daß die Festigkeit oder Starrheit des Ringes 35 unter
der Einwirkung von Zentrifugalkräften beeinträchtigt wird.
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Die eingangs erwähnten und erstrebten Ziele werden also mit der Erfindung
gleichzeitig mit anderen vorteilhaften Ergebnissen erreicht.