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Die Erfindung betrifft eine Kupplung, insbesondere zur Übertragung eines Drehmoments von einer von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebswelle auf ein Nebenaggregat, beispielsweise einen Verbrennungsmotorlüfter, eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der
EP 0 634 568 A1 ist eine Kupplung für ein Lüfterrad eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors bekannt, bei welchem das Lüfterrad zur unmittelbaren Übertragung der Motordrehzahl über eine Reibscheibenkupplung direkt mit einer Antriebswelle drehmomentübertragend verbunden ist, wobei das Lüfterrad bei abgeschalteter Reibscheibenkupplung mittels einer Wirbelstromkupplung mitgeschleppt wird. Die Wirbelstromkupplung umfasst an zwei gegenüberliegenden Kreisringbereichen auf einer Seite ein Magnetscheibenrad mit Permanentmagneten und auf der gegenüberliegenden Seite einen flachen Kupferkreisring, der auf einem flachen Stahlkreisring angeordnet ist. Durch den Stahlring (Rückflussring) wird das Magnetfeld zur Erzeugung der Wirbelströme im Kupferkreisring verstärkt, wodurch sich der Wirkungsgrad der Wirbelstromkupplung verbessert. Der Schlupf der Wirbelstromkupplung ist bauartbedingt fest vorgegeben.
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung, insbesondere zur Übertragung eines Drehmomentes von einer Antriebswelle auf einen Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs, anzugeben, bei der die Drehzahl des Abtriebs variabel ist bzw. bedarfsgerecht einstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, anstelle oder zusätzlich zu Permanentmagneten zur Erzeugung von Wirbelströmen in einem Wirbelstromabschnitt der Kupplung mindestens einen Elektromagnet (bestrombare Wicklung) vorzusehen und diesem Bestromungsmittel zuzuordnen, die ausgebildet und bestimmt sind die effektive Bestromung (effektive magnetflussbeeinflussende Stromstärke) des Elektromagneten zur Variation, d. h. Beeinflussung (Vorgabe) des Schlupfes zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungselement einzustellen. Anders ausgedrückt kann durch eine geeignete Bestromung des ausschließlich einen oder der mehreren Elektromagneten das von diesem/diesen erzeugte magnetische Feld gezielt beeinflusst werden, was unmittelbare Auswirkungen auf den Schlupf zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungselement hat. Mit der erfindungsgemäßen ein- oder mehrstufigen Kupplung kann die Drehzahl des Abtriebs und damit beispielsweise die Drehzahl eines Verbrennungsmotorlüfters unabhängig von der Antriebswellendrehzahl in einem großen Bereich variiert und auf die momentanen Bedürfnisse bzw. Vorgaben angepasst werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Kupplung ist also eine präzise Steuerung und/oder Regelung der Abtriebsdrehzahl zum bedarfsgerechten Antrieb des Nebenaggregates, insbesondere eines Kühllüfters möglich. Die Kupplung ermöglicht also eine Variation des übertragenen Drehmoments über die Variation der Stärke des von dem Elektromagneten erzeugten Wirbelstroms.
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Unter einer effektiven Stromstärke bzw. effektiven Bestromung wird dabei die magnetflussrelevante Stromstärke verstanden, also die Stromstärke des mindestens einen Elektromagneten, die zur Erzeugung des magnetischen Feldes zur Verfügung steht bzw. zu der das erzeugte magnetische Feld bzw. der erzeugte magnetische Fluss in einem funktionalen Zusammenhang steht. Wird der Elektromagnet beispielsweise mit konstanten Gleichströmen bestromt, so ist unter der effektiven Stromstärke bzw. Bestromung diese jeweils konstante Stromstärke (nicht gepulster Strom) zu verstehen. Wird die Elektromagnetanordnung beispielsweise mit einem PWM-Signal bestromt, so ist unter der effektiven Stromstärke die resultierende bzw. in einem bestimmten Zeitintervall mittlere Stromstärke zu verstehen.
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Ganz besonders bevorzugt ist es, die unterschiedlichsten effektiven Stromstärken, mit denen der Elektromagnet mittels der Bestromungsmittel bestrombar ist, mit bzw. durch unterschiedliche(n) PWM-Tastverhältnissen einzustellen, wobei hierzu besonders bevorzugt ein PWM-Ausgang eines KFZ-Steuergerätes genutzt werden kann. Unter dem PWM-Tastverhältnis wird das Verhältnis in einer Periode zwischen dem Zeitanteil in dem der Strom eingeschaltet ist zu dem Zeitanteil verstanden, in dem der Strom ausgeschaltet ist. Beträgt die PWM-Frequenz z. B. 1 Hz, beträgt die zu berücksichtigende Zeit (Periodendauer) 1 s; 60% PWM bedeutet dann 0,6 s Strom ein und 0,4 s Strom aus. Beträgt die Frequenz beispielsweise 5 Hz, beträgt die zu betrachtende Zeit (Periodendauer) 0,2 s; 60% PWM bedeuten hier 0,12 s Strom ein und 0,08 s Strom aus. Die effektive Stromstärke ist in beiden vorgenannten Beispielen gleich, lediglich die Zeitbasis, d. h. die Periodendauer (Zeit zwischen zwei ansteigenden Pulsflanken) ist unterschiedlich. Wie ebenfalls angedeutet, ist es denkbar, anstelle von PWM-Bestromungsmitteln eine Stromregeleinrichtung einzusetzen, die unterschiedlich hohe Konstantströme (nicht gepulste Ströme) zur Bestromung des Elektromagneten ausgeben kann.
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Ebenso kann als Bestromungsmittel eine Spannungsregeleinrichtung vorgesehen werden, die unterschiedlich hohe Konstantspannungen (nicht gepulst) ausgeben kann.
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Grundsätzlich ist es möglich, den Elektromagnet drehfest an den ersten Kupplungsmitteln, also um die Antriebswelle rotierbar anzuordnen, wobei in diesem Fall die Kontaktierung der Bestromungsmittel, beispielsweise über Schleifringkontakte möglich ist. Um den Aufbau der Kupplung zu vereinfachen und die Zuverlässigkeit zu erhöhen, ist es jedoch bevorzugt, den Elektromagnet in einem von dem ersten Kupplungselement separaten Bauteil (Elektromagnetträger) und zwar drehfest in Bezug auf die Antriebswelle und das erste Kupplungselement anzuordnen, wobei der magnetische Fluss geeignet in das erste Kupplungselement einzukoppeln ist, insbesondere in dem sich das erste Kupplungselement und ein den Elektromagneten tragendes Bauteil in axialer und/oder radialer Richtung unter Ausbildung eines, vorzugsweise geringen Luftspaltes überlappen.
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In dem ersten Kupplungselement werden mittels des Elektromagneten mindestens zwei, vorzugsweise ausschließlich zwei Bereiche unterschiedlicher magnetischer Polung erzeugt, nämlich ein magnetischer Nordpolbereich und ein drehfest mit diesem verbundener, jedoch magnetisch von diesem (weitgehend) getrennter magnetischer Südpolbereich. Die magnetische Trennung kann zwischen dem Nordpolbereich und dem Südpolbereich beispielsweise über ein die beiden Bereiche mechanisch fest miteinander verbindendes nicht- oder schlecht magnetisch leitendes Material realisiert werden.
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Besonders zweckmäßig ist es zur Konzentration des magnetischen Flusses an mehreren in Umfangsrichtung angeordneten, vorzugsweise in Umfangsrichtung beabstandeten über einen Luftspalt von dem Windungsabschnitt im zweiten Kupplungselement beabstandeten Stellen an dem Nordpolbereich mehrere Nordpole und an dem Südpolbereich mehrere Südpole auszubilden, wobei bevorzugt die Anzahl der Nordpole der Anzahl der Südpole entspricht. Dabei sind weiter bevorzugt die Nord- und die Südpole derart relativ zueinander anzuordnen, dass bei einer Relativbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungselement in Umfangsrichtung sich das Magnetfeld in dem Wirbelstromabschnitt ändert. Anders ausgedrückt, wird durch eine entsprechende Anordnung der Nordpole und Südpole zueinander ein in Umfangsrichtung inhomogenes Magnetfeld erzeugt. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Nordpole und die Südpole in Umfangsrichtung alternierend angeordnet werden können, wobei sich Nord- und Südpole alternativ in Umfangsrichtung überlappen (sich dabei selbstverständlich zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlusses nicht berühren) oder in der Umfangsrichtung betrachtet voneinander beabstandet sind. Denkbar ist es, die in Umfangsrichtung alternierenden Nord- und Südpole verzahnungsartig ineinander greifen zu lassen und, insbesondere hierzu in einer gemeinsamen Radialebene anzuordnen. Auch ist es möglich eine in Umfangsrichtung alternierende Anordnung von Nord- und Südpolen zu schaffen, wenn diese in axialer Richtung bezogen auf die Längserstreckung der Antriebswelle beabstandet sind. Wesentlich ist es, die mit einem magnetischen Fluss von dem Elektromagneten beaufschlagten Nord- und Südpole derart anzuordnen, dass ein in Umfangsrichtung inhomogenes Magnetfeld resultiert, ggf. erst durch Wechselwirkung mit später noch zu erläuternden fakultativen Permanentmagneten.
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Hinsichtlich der Anordnung des Nordpolbereichs und des Südpolbereichs, genauer der Nordpole und der Südpole relativ zu dem, vorzugsweise ringförmigen, elektrisch leitenden Wirbelstromabschnitt gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Gemäß einer ersten alternativen Ausführungsvariante sind sämtliche Nord- und Südpole zusammen auf einer gemeinsamen radialen oder einer gemeinsamen axialen Seite des Wirbelstromabschnittes angeordnet, wobei es in diesem Fall bevorzugt ist, wenn auf der von den Nord- und Südpolen abgewandeten Seite (Axialseite oder Radialseite) des Wirbelstromabschnittes Magnetleitmittel (z. B. ein Stahlring), insbesondere in Form eines Rückschlussringes vorgesehen sind, um das Magnetfeld bzw. die Magnetfeldstärke in den Magnetleitmitteln zu erhöhen, um somit den Wirkungsgrad zu verbessern. Gemäß einer zweiten Alternative sind die Nordpole auf einer ersten Seite und die Südpole auf einer von der ersten (axialen oder radialen) Seite abgewandten zweiten (axialen oder radialen) Seite angeordnet, so dass die magnetischen Feldlinien auf ihrem Weg von einem der Nordpole zu einem der Südpole nicht wie bei der ersten Alternative zweimal die Magnetleitmittel durchkreuzen müssen, sondern nur einmal.
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In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Magnetmittel zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes neben den, mindestens einen, vorzugsweise ausschließlich einen, Elektromagneten mindestens einen, vorzugsweise mehrere Permanentmagnet(e) umfassen, wobei die Permanentmagnete vorzugsweise derart relativ zu dem Nordpolbereich und dem Südpolbereich, insbesondere zu den mittels des Elektromagneten beaufschlagten Nord- und Südpolen angeordnet und bestrombar sind, dass ein aus den Permanentmagneten und den Nord- und Südpolen resultierendes Magnetfeld stärker oder schwächer ist als das ausschließlich von den Permanentmagneten generierte Feld.
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Anders ausgerückt, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, das von Permanentmagneten erzeugte magnetische Feld mit Hilfe des mindestens einen Elektromagneten durch eine entsprechende Bestromung und Anordnung der Nord- und Südpole relativ zu den Permanentmagneten zu verstärken oder abzuschwächen. Eine derartige Ausführungsform ermöglicht auch eine fehlersichere (fail safe) Ausbildung der Wirbelstromkupplung, da Wirbelströme auch erzeugt werden können, wenn der Elektromagnet ausfällt bzw. nicht bestromt wird, so dass im Falle des Antriebs eines Lüfterrades eine Kühlung des Verbrennungsmotors sichergestellt ist.
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Hinsichtlich der Anordnung der permanentmagnetischen Nord- und Südpole sowie der elektromagnetischen Pole relativ zueinander, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Gemäß einer ersten Alternative wechseln sich in Umfangsrichtung permanentmagnetische und elektromagnetische Polpaarungen ab, d. h. einem permanentmagnetischen Nordpol ist mit Axial- oder Radialabstand ein permanentmagnetischer Südpol zugeordnet und umgekehrt. Gleichzeitig ist einem elektromagnetischen Südpol ein elektromagnetischer Nordpol in radialer oder axialer Richtung gegenüberliegend angeordnet. Gemäß einer zweiten Alternative werden sämtliche auf einer gemeinsamen Axialseite oder Radialseite der Wirbelstrommittel liegenden Pole (Nord- und Südpole) von Permanentmagneten gebildet und sämtliche radial oder axial gegenüberliegenden Pole (Nord- und Südpole) durch eine entsprechende Beaufschlagung mittels des Elektromagneten. Bevorzugt ist dabei einem permanentmagnetischem Südpol gegenüberliegend (vorzugsweise axial oder radial fluchtend) ein elektromagnetischer Nordpol angeordnet und/oder einem permanentmagnetischem Nordpol ein elektromagnetischer Südpol.
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Im Hinblick auf die weitere Ausgestaltung der Kupplung, insbesondere einer Lüfterkupplung, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten.
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So ist es denkbar, die Kupplung als einstufige Wirbelstromkupplung auszubilden, also als eine Kupplung, bei der neben dem Wirbelstrommechanismus, umfassend mindestens einen Elektromagneten, kein weiteres Kupplungsmechanismus vorgesehen ist. Alternativ ist es möglich und bevorzugt zusätzlich zu dem Wirbelstromkupplungsmechanismus, d. h. zusätzlich zu der Wirbelstromkupplung einen weiteren Kupplungsmechanismus (eine weitere Kupplung) vorzusehen, beispielsweise eine weitere Wirbelstromkupplung und/oder, was bevorzugt ist mindestens eine Reibscheibenkupplung, etc.. Im Falle des Vorsehens einer Reibescheibenkupplung kann über diese, in an sich bekannter Weise die Wirbelstromkupplung überbrückt bzw. kurzgeschlossen werden, so dass 1:1 das Drehmoment von der Abtriebswelle auf den Abtrieb übertragen werden kann.
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Bevorzugt umfasst die Reibscheibenkupplung eine durch Bestromung eines Elektromagneten, insbesondere axial, verstellbare Reibscheibe (Anker), die alternativ am ersten oder zweiten Kupplungselement der Reibscheibenkupplung angebracht sein kann.
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Im Hinblick auf konstruktive Ausgestaltungen einer Kupplung mit mindestens zwei unterschiedlichen Schaltmechanismen, nämlich einem erfindungsgemäßen, elektromagnetbasierten Wirbelstromschaltmechanismus und einem elektromagnetisch betätigbaren Reibscheibenkupplungsmechanismus gibt es grundsätzlich unterschiedliche Möglichkeiten. So ist es möglich, den Wirbelstrommechanismus und den Reibscheibenschaltmechanismus durch zwei unabhängig voneinander bestrombare Elektromagnete zu steuern oder alternativ bei geeigneter Magnetflussführung über einen gemeinsamen, vorzugsweise einzigen Elektromagneten. Im Falle des Vorsehens eines Elektromagneten für den Wirbelstrommechanismus und eines davon separaten Reibscheibenkupplungselektromagneten können diese alternativ radial oder axial benachbart angeordnet werden.
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Insgesamt resultieren aus der Kombination des Schlupf-variablen Wirbelstrommechanismus mit einer durchschaltbaren Reibscheibenkupplung erhebliche Vorteile.
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So ist zum einen eine volle Variabilität des Abtriebsdrehmomentes von null bis zum maximalen Wirbelstrommoment gegeben. Darüber hinaus kann eine schlupffreie Vollzuschaltung bzw. Durchschaltung über die Reibscheibenkupplung realisiert werden. Bei Bedarf kann dabei vollständig auf den Einsatz von Permanentmagneten verzichtet werden, was bevorzugt ist.
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Wie zuvor bereits angedeutet, ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform möglich, die Reibscheibenkupplung mit dem mindestens einen, vorzugsweise ausschließlich einen, Elektromagneten der Wirbelstromkupplung zu schalten, wobei die Kupplungsanordnung dann bevorzugt so ausgelegt ist, dass bei Überschreiten einer definierten (vorgegebenen) Bestromung (Stromstärke) dieses Elektromagneten der Reibscheibenkupplungsmechanismus betätigt wird wodurch vorzugsweise der Wirbelstromkupplungsmechanismus überbrückt wird, so dass das volle Drehmoment von der Antriebswelle zum Abtrieb bzw. auf das Nebenaggregat durchgeschaltet wird. Bei vorstehender Ausführungsform verläuft der magnetische Fluss des Elektromagneten einerseits durch den Reibscheibenkupplungsmechanismus und überbrückt dabei – im nicht zugeschalteten Zustand der Reibscheibenkupplung – den Arbeitsluftspalt zwischen einer verstellbaren, vorzugsweise mittels einer Feder rückverstellbaren Reibscheibe und dem dieser zugeordneten Reibpartner und verläuft zusätzlich durch den Wirbelstromkupplungsmechanismus, d. h. zwischen dessen Nord- und Südpolbereich, und trägt hierdurch dafür Sorge, dass bei einer Relativrotation des ersten und des zweiten Kupplungselementes der Wirbelstromkupplung zueinander in dem Wirbelstromabschnitt des Wirbelstromkupplungsmechanismus Wirbelströme erzeugt werden, um hierdurch das gegenüberliegende Kupplungselement in Umfangsrichtung mitzuschleppen. Dabei ist der Schlupf, wie zuvor bereits eingehend erläutert, abhängig von der effektiven Bestromung.
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Bei einer alternativen Ausführungsform umfasst die Reibscheibenkupplung mindestens einen, vorzugsweise ausschließlich einen, von dem mindestens einen, vorzugsweise ausschließlich einen, Elektromagneten der Wirbelstromkupplung separaten Elektromagneten (Reibscheibenkupplungsmagnet), der vorzugsweise unabhängig von dem Elektromagneten der Wirbelstromkupplung bestrombar ist. Hierdurch können die unterschiedlichen Elektromagneten besser für ihre spezifische Aufgabe ausgelegt werden und im Regelfall insgesamt kleinvolumiger bzw. leistungsschwächer ausgelegt werden als ein gemeinsamer Elektromagnet. Nachteilig ist jedoch, dass insgesamt mehr als ein Elektromagnet vorgesehen werden muss, bevorzugt mit voneinander separaten Ansteuerleitungen.
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Im Falle des Vorsehens von mindestens zwei Elektromagneten (ein Elektromagnet für die Reibscheibenkupplung und ein weiterer Elektromagnet für die Wirbelstromkupplung) gibt es grundsätzlich zwei alternative Anordnungsmöglichkeiten. So können die Magnete in radialer Richtung oder in axialer Richtung benachbart, vorzugsweise beabstandet, angeordnet werden, wobei hierdurch, d. h. bei der letztgenannten Alternative die axiale Baulänge der Gesamtkupplungsanordnung minimiert werden kann. Alternativ ist eine axiale Benachbarung, vorzugsweise Beabstandung möglich, wodurch die radiale Erstreckung minimiert, d. h. optimiert werden kann.
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Unabhängig von der konkreten Anordnung ist es vorteilhaft (doch nicht zwingend), dass die Reibscheibenkupplungspartner in axialer Richtung benachbart sind und die Wirbelstromkupplungspartner in radialer Richtung.
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Besonders bevorzugt ist es bei einer radial benachbarten Anordnung des Elektromagneten und des Reibscheibenkupplungselektromagneten, wenn der Reibscheibenkupplungselektromagnet radial innen und der Elektromagnet der Wirbelstromkupplung radial außen angeordnet ist. Bevorzugt ist bei einer axialen Anordnung der beiden Elektromagneten der Reibscheibenkupplungselektromagnet näher an einer Reibscheibe der Reibscheibenkupplung angeordnet als der axial benachbarte Elektromagnet der Wirbelstromkupplung.
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Bevorzugt wirkt der Reibscheibenkupplungsmechanismus (auch) zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungselement der Wirbelstromkupplung, wobei dann eines der Kupplungselemente die verstellbare Reibscheibe trägt und das jeweils andere Kupplungselement den Reibpartner trägt oder bildet. Die Reibscheibenkupplung kann alternativ als bei Bestromung geöffnete oder geschlossene Kupplung ausgebildet werden.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich im Falle des Vorsehens von separaten Magneten für die Wirbelstromkupplung und Reibscheibenkupplung herausgestellt, wenn zwischen den axial oder radial benachbarten Magneten ein Magnetleitabschnitt vorgesehen ist, mit dem sowohl der magnetische Fluss des Elektromagneten der Wirbelstromkupplung und des Reibscheibenkupplungselektromagneten in radialer bzw. axialer Richtung leitbar ist.
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Bevorzugt ist eine Ausführungsvariante, bei der eine verstellbare Reibscheibe/Anker der Reibscheibenkupplung an demjenigen Kupplungselement angeordnet ist, an dem auch der Wirbelstromabschnitt der Wirbelstromkupplung angeordnet ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in:
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1 eine stark schematisierte Darstellung einer als einstufige Wirbeistromkupplung ausgebildeten Kupplung, umfassend einen Elektromagneten zur Erzeugung eines Wirbelstroms in einem Wirbelstromabschnitt eines zweiten Kupplungselementes,
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2 eine mögliche Anordnung von Nord- und Südpolen der Kupplung gemäß 1 in einer Darstellung entlang der Linie A-A,
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3 eine alternative Ausführungsform einer Wirbelstromkupplung, bei der Nord- und Südpole axial voneinander beabstandet und gleichzeitig in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind,
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4 eine weitere alternative Ausführungsform einer als Wirbelstromkupplung ausgebildeten Kupplung, bei der Nord- und Südpole in radialer Richtung und in Umfangsrichtung beabstandet sind,
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5 eine mögliche Anordnung der Nord- und Südpole bei der Kupplung gemäß 4,
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6 eine Längsschnittansicht einer Kupplung, bei der sämtliche Nord- und Südpole auf einer gemeinsamen Radialseite des Magnetabschnittes des zweiten Kupplungselementes angeordnet sind,
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7 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A gemäß 6,
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8 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer Kupplung, bei welcher zusätzlich zu von einem Elektromagnet beaufschlagten Nord- und Südpolen eine Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Permanentmagneten vorgesehen sind,
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9 eine mögliche Anordnung der Permanentmagnete sowie von dem Elektromagneten beaufschlagten Nord- und Südpolen für ein Ausführungsbeispiel gemäß 8,
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10 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer Kupplung, bei der sich in radialer Richtung permanentmagnetische und elektromagnetische Pole gegenüberliegen,
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11 eine mögliche Anordnung der als Stabmagnete ausgebildeten Permanentmagnete sowie von dem Elektromagneten beaufschlagten Nord- und Südpolen für das Ausführungsbeispiel gemäß 10,
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12 ein Ausführungsbeispiel der Kupplung, die neben einem variablen Wirbelstrommechanismus einen Reibscheibenkupplungsmechanismus umfasst, wobei die beiden Kupplungsmechanismen mit separaten Elektromagneten betrieben werden können, die bei der Ausführung gemäß 12 axial beabstandet sind,
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13 eine Kupplungsvariante mit einem Reibscheibenkupplungsmechanismus und einem variable Wirbelstrommechanismus, wobei jedem Kupplungsmechanismus ein eigener Elektromagnet zugeordnet ist und die Elektromagneten radial beabstandet sind,
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14 eine Ausführungsform einer Kupplung mit einem variablen Wirbelstrommechanismus und einem Reibscheibenkupplungsmechanismus, die mit einem gemeinsamen (einzigen) Elektromagneten betätigbar sind,
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15 eine hälftige, geschnittene Darstellung einer konstruktiven Ausestaltung der Kupplungsvariante gemäß 12 mit zwei axial beabstandeten Elektromagneten für den Wirbelstrommechanismus und den Reibscheibenkupplungsmechanismus,
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16 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A gemäß 15,
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17 eine konstruktive Ausgestaltungsmöglichkeit der Kupplungsvariante gemäß 13 mit zwei radial benachbarten bzw. hier beabstandeten Elektromagneten für die Reibscheibenkupplung einerseits und die Wirbelstromkupplung andererseits,
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18 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A gemäß 17,
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19 eine konstruktive Ausgestaltungsmöglichkeit der Kupplungsvariante gemäß 14 mit einem gemeinsamen Elektromagneten zur Betätigung der Reibscheibenkupplung und des Wirbelstrommechanismus und
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20 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A gemäß 19.
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In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist eine Kupplung 1, in diesem Fall bestehend aus einer Wirbelstromkupplung 2 zur Übertragung eines Drehmomentes von einer von einem Verbrennungsmotor 3 angetriebenen Antriebswelle 4 auf ein Nebenaggregat 5 eines Kraftfahrzeugs, hier auf einen Verbrennungsmotorlüfter gezeigt.
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Die Wirbelstromkupplung 2 umfasst ein drehfest mit der Antriebswelle 4 verbundenes erstes Kupplungselement 6, an welchem später noch zu erläuternde Magnetpole ausgebildet sind und ein zweites Kupplungselement 7, welches relativ zu dem ersten Kupplungselement 6 und der Antriebswelle 4 rotierbar mittels eines Lagers 8 gelagert ist.
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Dem ersten Kupplungselement 6 sind Magnetmittel 9 in Form eines Elektromagneten 10 zugeordnet, welcher an einem Trägerbauteil 11 gehalten ist, welches über ein Lager 12 gegenüber der Antriebswelle 4 gelagert ist, so dass die Antriebswelle 4 gegenüber den im Bezug auf diese ortsfest, d. h. nicht drehbar angeordneten Trägerbauteil 11 rotierbar ist.
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Wie sich aus 1 ergibt, überlappen sich das Trägerbauteil 11 und das erste Kupplungselement 6 in radialer Richtung unter Einhaltung geringer Spalte 13, so dass der von dem Elektromagneten 10 generierte magnetische Fluss in das erste Kupplungselement 6 einkoppelbar ist. Dem Elektromagneten 10 sind Bestromungsmittel 15 zugeordnet, welche bevorzugt von einem KFZ-Steuergerät gebildet sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Bestromungsmittel 15 zur Beaufschlagung des Elektromagneten 10 mit einem pulsweitenmodulierten Strom ausgebildet.
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Bei Bestromung des Elektromagneten 10 mit Hilfe der Bestromungsmittel 15 wird, wie vorerwähnt, das von dem Elektromagnet 10 erzeugte magnetische Feld eingekoppelt in das erste Kupplungselement 6, wobei sich dann ein magnetischer Nordpolbereich 16 und ein magnetischer Südpolbereich 17 in dem ersten Kupplungselement 6 ausbilden, wobei in den gezeigten Ausführungsbeispielen der Nordpolbereich 16 radial außerhalb des Südpolbereichs 17 angeordnet ist (die umgekehrte Anordnung ist selbstverständlich alternativ realisierbar). Nordpolbereich 16 und Südpolbereich 17 sind über eine magnetische Trennung, zumindest weitgehend magnetisch zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlusses voneinander getrennt und kreisseitig drehfest miteinander verbunden.
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Wie sich aus einer Detaildarstellung gemäß 2 ergibt, sind an dem magnetischen Nordpolbereich 16 eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten und in radialer Richtung, hier nach innen, weisenden Nordpole 19 ausgebildet, die verzahnungsartig in zwischen die in radialer Richtung beabstandete Südpole 20 des Südpolbereichs 17 eingreifen. In radialer Richtung sowie in Umfangsrichtung zwischen den Nord- und Südpolen 19, 20 befindet sich die magnetische Trennung 18. Insgesamt ergibt sich hieraus eine Anordnung von in Umfangsrichtung alternierend angeordneten Nord- und Südpolen zur Erzeugung eines in Umfangsrichtung inhomogenen Magnetfeldes.
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In axialer Richtung über einen Luftspalt 21 von den Nord- und Südpolen bzw. diesen gegenüberliegend beabstandet ist ein ringförmiger Wirbelstromabschnitt 22 in Form eines ringförmigen elektrischen Leiters, beispielsweise Kupfer angeordnet, in dem bei einer Relativbewegung von erstem und zweitem Kupplungselement 6, 7 zueinander Wirbelströme induziert werden.
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Auf der von den Nord- und Südpolen 19, 20 abgewandten Seite des Wirbelstromabschnittes 22 befinden sich Magnetleitmittel 23 in Form eines Rückschlussringes, die das magnetische Feld in dem Wirbelstromabschnitt 22 konzentrieren.
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Bei sich drehendem ersten Kupplungselement 6 induzieren die Magnetfelder des Elektromagneten in dem Wirbelstromabschnitt 22 Wirbelströme. Diese Wirbelströme erzeugen ihrerseits ein Magnetfeld, das mit dem Magnetfeld des Elektromagneten in eine Interaktion tritt und diesem Magnetfeld derart entgegenwirkt, dass das zweite Kupplungselement 7 durch die Drehung des ersten Kupplungselementes 6 ebenfalls in eine Drehung und zwar in dieselbe Umfangsrichtung versetzt (mit geschleppt) wird.
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Durch Variation des Tastverhältnisses des PWM-Stromes kann die effektive Bestromung (effektive magnetfeldrelevante Stromstärke) und damit die Stärke des von dem Elektromagneten zwischen den Nordpolen und Südpolen ausgebildeten Magnetfeldes beeinflusst werden und damit wiederum unmittelbar der Schlupf zwischen dem ersten, unmittelbar von der Antriebswelle 4 angetriebenen Kupplungselement 6 und dem mitgeschleppten zweiten Kupplungselement 7, welches in dem gezeigten Ausführungsbeispiel den Abtrieb der Kupplung 1 bildet, an welchem hier das Nebenaggregat 5 unmittelbar festgelegt ist. Bei einer alternativen Ausführungsform ist es denkbar, dass zwischen Abtrieb der Kupplung 1 und dem Nebenaggregat eine Drehmomentübertragung mittels geeigneter Mittelkörper im Zweifel mittels eines Riementriebes erfolgt.
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele von Kupplungen beschrieben, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen im Wesentlichen auf die Unterschiede zu dem voranstehenden Ausführungsbeispiel eingegangen wird. Im Hinblick auf die Gemeinsamkeiten wird auf die vorstehenden Figuren mit zugehöriger Beschreibung verwiesen.
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Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist ein mit Hilfe von Bestromungsmittel 15 bestrombarer Elektromagnet 10 zur Erzeugung des Magnetfeldes vorgesehen, wobei das erste, drehfest mit der Antriebswelle 4 verbundene Kupplungselement 6 relativ zu dem Elektromagneten 10 drehbar ist und derart relativ zu diesem angeordnet ist, dass das von dem Elektromagneten 10 erzeugte magnetische Feld in das erste Kupplungselement unter Ausbildung eines magnetischen Nordpolbereichs 16 und eines magnetischen Südpolbereichs 17 eingekoppelt wird. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind die beiden Bereiche 16, 17 unterschiedlicher magnetischer Polung über eine magnetische Trennung 18 magnetisch miteinander getrennt und gleichzeitig über diese drehfest aneinander festgelegt.
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Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 befinden sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 die Nordpole 19 und die Südpole 20 auf unterschiedlichen Axialseiten des Wirbelstromabschnittes 22 des zweiten Kupplungselementes 7, wobei die Nord- und die Südpole folglich in axialer Richtung beabstandet sind. Zur Erzeugung eines inhomogenen Magnetfeldes sind diese analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ebenfalls in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet, so dass in der Umfangsrichtung betrachtet Nord- und Südpole abwechseln.
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Wie sich aus 3 ergibt, greift das zweite Kupplungselement 7 mit dem Wirbelstromabschnitt 22 in radialer Richtung zwischen die axial beabstandeten Nord- und Südpole 19, 20 ein. Durch Rotation des über den Elektromagnet 10 mit einem elektrischen Feld beaufschlagten Kupplungselement 6 relativ zu dem zweiten Kupplungselement 7 werden in dessen Wirbelstromabschnitt 22 Wirbelströme induziert, die ein Magnetfeld erzeugen, das dafür Sorge trägt, dass das zweite Kupplungselement 7 in Umfangsrichtung mitgeschleppt wird. Der Schlupf zwischen dem ersten Kupplungselement 6 und dem zweiten Kupplungselement 7 ist durch die Einstellung der effektiven, d. h. Magnetfeld beeinflussenden Bestromung des Elektromagneten 10 beeinflussbar bzw. einstellbar.
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Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer Kupplung 1 ist in 4 gezeigt, wobei im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 die Nordpole 19 von den Südpolen 20 radial (und nicht axial) beabstandet sind.
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Axial in die in radialer Richtung voneinander beabstandeten Nordpole 19 und Südpole 20 greift das zweite Kupplungselement 7 mit dem Wirbelstromabschnitt 22 in axialer Richtung ein. Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist sowohl zwischen den Nordpolen 19 und dem Wirbelstromabschnitt 22 als auch zwischen diesem und den Südpolen 20 jeweils ein Luftspalt 21 ausgebildet.
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Aus 5 ergibt sich eine mögliche Anordnung der Nordpole 19 und Südpole 20 relativ zueinander sowie relativ zu dem ringförmigen Wirbelstromabschnitt 22. Zu erkennen ist die zum einen radiale Beabstandung von Nord- und Südpolen 19, 20, die sich also auf unterschiedlichen Radialseiten des Wirbelstromabschnitts 22 befinden. Gleichzeitig alternieren in einer Umfangsrichtung betrachtet die von dem Elektromagneten 10 beaufschlagten Nord- und Südpole.
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In den 6 und 7 sind Schnittansichten eines alternativen Kupplungsaufbaus gezeigt. Die Kupplung 1 dient dazu, das Drehmoment von einer verbrennungsmotorseitig angetriebenen Antriebswelle 4 auf ein zweites Kupplungselement 7 zu übertragen. Hierzu ist ein erstes Kupplungselement 6 drehfest (formschlüssig) mit der Antriebswelle 4 verbunden.
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Die Antriebswelle 4 ist über ein als Wälzlager ausgebildetes Lager 12 relativ drehbar zu dem im Bezug auf die Welle ortsfest angeordneten Trägerteil 11 für den Elektromagneten 10 das Trägerbauteil 11 ist über ein sich in axialer Richtung Umfangsspalt 13 beabstandet von dem axialer Richtung erstreckenden Umfangsspalt 13 beabstandet von dem ersten Kupplungselement 6 und über einen sich in radialer Richtung erstreckenden Radialspalt 24 von einem in radialer Richtung betrachtet inneren Abschnitt des ersten Kupplungselementes 6. Über diese geringen Spalte 13, 24 wird das magnetische Feld in das erste Kupplungselement 6 eingekoppelt, unter Ausbildung eines magnetischen Nordpolbereichs 16 und eines radial nach innen beabstandeten magnetischen Südpolbereichs 17. Die beiden Bereiche 16, 17 sind drehfest über ein magnetisch nicht leitendes Material (magnetische Trennung 18) miteinander verbunden.
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In axialer Richtung gegenüberliegend von dem ersten Kupplungselement 6 befindet sich das zweite Kupplungselement 7 mit einem in axialer Richtung vorstehenden Wirbelstromabschnitt 22 radial außerhalb dessen sich Magnetleitmittel 23 in Form eines, beispielsweise aufgepressten Rings befinden.
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Wie sich aus der Schnittansicht gemäß 7 ergibt befinden sich die am magnetischen Nordpolabschnitt 16 ausgebildeten Nordpole 19 auf derselben Radialseite, wie die am magnetischen Südpolbereich 17 ausgebildeten Südpole 20. Nord- und Südpole 19, 20 befinden sich im gezeigten Ausführungsbeispiel radial innerhalb des ringförmigen Wirbelstromabschnittes 22 und sind von diesem über den Luftspalt 21 beabstandet. Nordpole 19 und Südpole 20 alternieren in Umfangsrichtung und erzeugen bei Bestromung des Elektromagneten 6 ein in Umfangsrichtung betrachtet inhomogenes Magnetfeld.
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In den 8 und 9 ist ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer als Wirbelstromkupplung 2 ausgebildeten Kupplung 1 gezeigt. Auch diese Kupplung 1 umfasst einen mit Hilfe von Bestromungsmitteln 15 bestrombaren Elektromagneten 10, der in einem nicht rotierbaren Trägerbauteil 11 gehalten ist, über welches das von dem Elektromagneten 10 erzeugte elektromagnetische Feld in ein erstes Kupplungselement 6, genauer in einen magnetischen Nordpolbereich 16 und einen magnetischen Südpolbereich 17 einkoppelbar ist. An dem magnetischen Nordpolbereich 16 sind eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Nordpolen 19 und an den Südpolbereich 17 eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Südpolen 20 ausgebildet. Zwischen diesen rotierbar über Luftspalte 21 beabstandet befindet sich der Wirbelstromabschnitt 22 des zweiten Kupplungselementes.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die mittels des Elektromagneten 10 beaufschlagbaren Nordpole 19 radial gegenüberliegend angeordnet von den Südpolen 20. D. h. die magnetischen Nordpole und die magnetischen Südpole sind in Umfangsrichtung nicht versetzt zueinander angeordnet sondern befinden sich jeweils auf den gleichen Umfangswinkeln.
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In Umfangsrichtung zwischen zwei jeweils als Paar angeordneten (elektromagnetisch beaufschlagbaren) Nord- und Südpolen 19, 20 befindet sich eine Permanentmagnet-Nord-Südpol-Kombination. Anders ausgedrückt, befindet sich zwischen zwei in Umfangsrichtung beabstandeten elektromagnetischen Nordpolen 19 ein von einem Permanentmagnet 25 gebildeter Südpol 26, wobei der permanentmagnetische Südpol von einem eigenständigen Permanentmagneten und der zugehörige, radial beabstandete permanentmagnetische Nordpol von einem eigenständigen Permanentmagneten (umgekehrte Ausrichtung) gebildet werden. Dabei weisen die entsprechenden Gegenpole der Permanentmagnete jeweils in die entgegengesetzte Radialrichtung. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete als kurze, zylindrische Stabmagnete realisiert. Denkbar ist auch eine alternative Ausführungsvariante bei der sich jeweils ein Permanentmagnet 25 hufeisenartig unter Umgreifung des Wirbelstromabschnittes 22 auf die radial innere Seite des Wirbelstromabschnittes 22 erstreckt und dort einen permanentmagnetischen Nordpol 27 ausbildet.
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Bei dieser alternativen Variante wird also jede Kombination von permanentmagnetischem Südpol 26 und permanentmagnetischem Nordpol 27 von einem gemeinsamen Permanentmagneten 25 gebildet, und nicht wie bei der gezeigten Ausführung von zwei separaten Permanentmagneten.
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Anstelle der in 9 gezeigten radialen Anordnung ist selbstverständlich auch eine axiale Beabstandung analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 realisierbar.
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Bei Bestromung des Elektromagneten 10 bilden sich die Nordpole 19 und Südpole 20 aus, so dass sowohl radial außerhalb als auch radial innerhalb des Wirbelstromabschnittes 22 alternierend Nord- und Südpole angeordnet sind, wobei jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung beabstandeten (elektromagnetischen) Nordpolen ein permanentmagnetischer Südpol bzw. zwischen zwei permanentmagnetischen Nordpolen auf der radial inneren Seite ein (elektromagnetischer) Südpol angeordnet ist. Durch Variation der effektiven Bestromung des Elektromagneten 10 kann das resultierende Magnetfeld und damit der Schlupf zwischen erstem und zweitem Kupplungselement 6, 7 beeinflusst werden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Schlupf bei maximaler Bestromung am geringsten.
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In den 10 und 11 ist ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer als Wirbelstromkupplung 2 ausgebildeten Kupplung 1 gezeigt. Auch diese Kupplung 1 umfasst ein mit Hilfe von Bestromungsmitteln 15 bestrombaren Elektromagneten 10, der in einem nicht rotierbaren Trägerbauteil 11 gehalten ist, über welches das von dem Elektromagneten 10 erzeugte elektromagnetische Feld in ein erstes Kupplungselement 6, genauer in einem magnetischen Nordpolbereich 16 und einem magnetischen Südpolbereich 17 einkoppelbar ist. An dem magnetischen Nordpolbereich 16 sind eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Nordpolen 19 und eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Südpolen 20 ausgebildet, wobei diese Nord- und Südpole im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den 8 und 9 nicht radial einander gegenüberliegend bzw. auf unterschiedlichen Seiten des Wirbelstromabschnittes 22 angeordnet sind, sondern auf einer gemeinsamen Radialseite in Umfangsrichtung alternierend vorgesehen sind. Lediglich beispielhaft sind die elektromagnetischen Nord/Südpole radial innen angeordnet und die im Folgenden zu erläuternden permanentmagnetischen Pole radial außen. Alternativ ist auch eine vertauschte Anordnung möglich. Ferner ist ein Ausführungsbeispiel in Analogie zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 realisierbar, bei welchem die hier radial beabstandeten Pole axial beabstandet sind und den Wirbelstromabschnitt 22 axial zwischen sich aufnehmen.
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Wie sich aus 11 ergibt, liegt jedem elektromagnetischem Südpol 20 radial beabstandet bzw. fluchtend (d. h. auf jeweils demselben Umfangswirbel) ein permanentmagnetischer Nordpol 27 gegenüber und jedem elektromagnetischem Nordpol 19 ein permanentmagnetischer Südpol 26.
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Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 wechseln also nicht gleichartige, d. h. permanentmagnetisch und elektromagnetische Polpaarungen in Umfangsrichtung ab, sondern die Paarungen sind inhomogen insoweit, als dass jeweils ein elektromagnetischer Pol mit einem permanentmagnetischem Gegenpol zusammenwirkt bzw. in radialer Richtung mit diesem fluchtet, wobei, wie bereits erläutert auch eine axial fluchtende Anordnung in Analogie zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 realisierbar ist. Das Ausführungsbeispiel gemäß den 10 und 11 erzeugt auch bei fehlender Bestromung einen Polwechsel durch die Anordnung der Permanentmagnete wodurch auch bei Ausfall der Bestromung ein Mitschleppen des Wirbelstromabschnittes 22 bzw. des zweiten Kupplungselementes 7 sichergestellt ist.
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Wie aus 11 zu entnehmen ist, werden die permanentmagnetischen Pole von separaten Permanentmagneten gebildet, wobei die Gegenpole zu den jeweils für die Erzeugung der Wirbelströme relevanten permanentmagnetischen Pole in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach radial außen gerichtet sind.
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In 12 ist eine Kupplung 1 gezeigt, die neben einer Wirbelstromkupplung 2 eine Reibscheibenkupplung 28 umfasst. Beide Kupplungen wirken zwischen den gemeinsamen ersten und zweiten Kupplungselementen 6, 7. Zum Betätigen der Wirbelstromkupplung ist ein Elektromagnet 10 vorgesehen, der drehfest angeordnet ist, so dass sich eine Antriebswelle 4 sowie ein erstes und ein zweites Kupplungselement 6, 7 relativ zu diesem verdrehbar sind. Axial benachbart und beabstandet ist ein Reibscheibenkupplungselektromagnet 29 vorgesehen, der mit dem Elektromagnet 10 der Wirbelstromkupplung an einem gemeinsamen (nicht drehbaren) Träger angeordnet ist. Die Elektromagnete 10, 29 sind separat voneinander bestrombar. Hierzu sind nicht eingezeichnete Bestromungsmittel vorgesehen, welche bevorzugt von einem Kfz-Steuergerät gebildet sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die nicht dargestellten Bestromungsmittel zur Beaufschlagung des Elektromagneten 10 mit einem pulsweitenmodulierten Strom ausgebildet. Bei Bedarf kann der Reibscheibenkupplungsmagnet 29 ebenfalls mit einem pulsweitenmodulierten Strom bestromt werden, wobei hier auch alternativ eine Bestromung mit Konstantstrom möglich ist.
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Bei Bestromung des Elektromagneten 10 mit Hilfe der Bestromungsmittel wird das von dem Elektromagneten 10 erzeugte magnetische Feld eingekoppelt in das erste Kupplungselement 6 und zwar in der Zeichnungsebene links in axialer Richtung und in der Zeichnungsebene mittig in radialer Richtung, wobei sich dann ein magnetischer Nordpolbereich 16 und ein magnetischer Südpolbereich 17 ausbilden.
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Nordpolbereich 16 und Südpolbereich 17 sind über eine magnetische Trennung zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlusses voneinander getrennt und drehfest miteinander verbunden. Bevorzugt greifen Nordpolbereich und Südpolbereich 16, 17 in axialer Richtung verzahnungsartig ineinander. Es sind also bevorzugt in Umfangsrichtung nebeneinander abwechselnd Nordpole und Südpole angeordnet – anders ausgedrückt ergibt sich eine Anordnung von in Umfangsrichtung alternierend angeordneten Nord- und Südpolen zur Erzeugung eines in Umfangsrichtung inhomogenen Magnetfeldes.
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In radialer Richtung über einen Luftspalt 21 von den Nord- und Südpolen 16, 17 getrennt bzw. diesen in radialer Richtung gegenüberliegend und beabstandet ist ein ringförmiger Wirbelstromabschnitt 22 in Form eines ringförmigen elektrischen Leiters, beispielsweise aus Kupfer, angeordnet, in dem bei einer Relativbewegung von erstem und zweitem Kupplungselement 6, 7 zueinander Wirbelströme induziert werden.
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Auf der von den Nord- und Südpolen abgewandten Seite des Wirbelstromabschnittes 22 befinden sich Magnetleitmittel 23 in Form eines Rückschlussringes, die das magnetische Feld in dem Wirbelstromabschnitt 22 konzentrieren.
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Bei sich drehendem ersten Kupplungselement 6 induzieren die Magnetfelder des Elektromagneten 10 in dem Wirbelstromabschnitt 22 Wirbelströme. Diese Wirbelströme erzeugen ihrerseits ein Magnetfeld, das mit dem Magnetfeld des Elektromagneten 10 in eine Interaktion tritt und diesem Magnetfeld derart entgegenwirkt, so dass das zweite Kupplungselement durch die Drehung des ersten Kupplungselementes 6 ebenfalls in eine Drehung und zwar in dieselbe Umfangsrichtung versetzt (mitgeschleppt) wird.
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Durch Variation des Tastverhältnisses des PWM-Stroms kann die effektive Bestromung (effektive magnetfeldrelevante Stromstärke) und damit die Stärke des von dem Elektromagneten zwischen den Nordpolen und den Südpolen ausgebildeten Magnetfeldes beeinflusst werden und damit wiederum unmittelbar der Schlupf zwischen dem ersten, unmittelbar von der Antriebswelle 4 angetriebenen Kupplungselement 6 und dem mitgeschleppten zweiten Kupplungselement 7, welches in dem gezeigten Ausführungsbeispiel den Abtrieb der Kupplung 1 bildet, an welchem hier das Nebenaggregat 5 unmittelbar festgelegt ist.
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Um das Drehmoment verlustfrei, d. h. ohne Schlupf, von der Abtriebswelle 4 bzw. dem ersten Kupplungselement 6 auf das zweite Kupplungselement 7 übertragen zu können, ist die vorerwähnte Reibscheibenkupplung 28 vorgesehen. Diese umfasst den Reibscheibenkupplungsmagneten 29, mit dem eine Reibscheibe 30 axial verstellbar ist, die über eine Rückstellfeder 31 an das zweite Kupplungselement 7 angebunden ist. Zu erkennen ist, dass in einem Radialarm 32 (Radialscheibe) eine sich in Umfangsrichtung erstreckende magnetische Trennung 33 integriert ist, die einen radial äußeren Abschnitt von einem radial inneren Abschnitt trennt. Diese magnetische Trennung 33 ist notwendig, um bei einer Bestromung des Reibscheibenkupplungsmagneten 29 den magnetischen Fluss über den Arbeitsluftspalt 34 zu zwingen, der sich in Umfangsrichtung sowie in radialer Richtung erstreckt und bei nicht bestromtem Reibscheibenkupplungsmagneten 29 den Radialarm 32 des ersten Kupplungselementes 6 axial beabstandet von der an dem zweiten Kupplungselement 7 festgelegten, (hier axial) mittels des Reibscheibenkupplungsmagneten 29 verstellbaren Reibscheibe 30. Wird der Elektromagnet 29 also bestromt, wird der magnetische Fluss in den radial oberen Abschnitt und den radial unteren Abschnitt des Kupplungselementes 6 eingekoppelt und zwar in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über einen sich in axialer Richtung erstreckenden Spalt zwischen dem Träger des Reibscheibenkupplungsmagneten 29 und einem (unteren) bzw. inneren Axialfortsatz des ersten Kupplungselementes. In diesem verläuft der magnetische Fluss über den Arbeitsluftspalt 34 in die Reibscheibe 30, in dieser in radialer Richtung nach außen, dann axial zurück in den radial äußeren Abschnitt des Kupplungselementes 6, dort in axialer Richtung und überbrückt dann den Radialspalt zwischen dem oberen Abschnitt des Kupplungselementes 6 und dem Träger des Reibscheibenkupplungsmagneten 29 in radialer Richtung. Die Elektromagnete 10, 29 sind so gepolt, dass sie sich in ihrer Wirkung nicht blockieren – d. h. der Südpolbereich 17 der Wirbelstromkupplung 2 ist gleichzeitig auch der Südpolbereich der Reibscheibenkupplung. Der Nordpolbereich der Reibscheibenkupplung wird von dem radial unteren Abschnitt des Radialarms 32 gebildet.
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Zu erkennen ist, dass zwischen dem Elektromagneten 10 und dem Reibscheibenkupplungselektromagneten 29 gemeinsame Magnetleitmittel 35 vorgesehen sind, durch die sowohl der magnetische Fluss des Elektromagneten 10 als auch der magnetische Fluss des Reibscheibenkupplungselektromagneten 29 in radialer Richtung fließen kann.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 13 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 12 lediglich durch die Anordnung des Elektromagneten 10 und des Reibscheibenkupplungselektromagneten 29, die hier radial beabstandet sind und voneinander beabstandet sind über gemeinsame Magnetleitmittel 35 zum Leiten des magnetischen Flusses hier in axialer Richtung. Die Reibscheibenkupplung 28 weist ansonsten einen fast identischen Aufbau auf. Zu erkennen ist auch die magnetische Trennung 33 im Radialarm 32 sowie die an dem zweiten Kupplungselement 7 fixierte Reibscheibe 30, mit der das erste Kupplungselement 6 drehmomentübertragend, schlupffrei mit dem zweiten Kupplungselement koppelbar ist und zwar bei Bestromung des Reibscheibenkupplungselementes 29.
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Auch der Aufbau der Wirbelstromkupplung 2 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 12. Es sind in Umfangsrichtung alternierende Nord- und Südpole vorgesehen, die – bei nicht eingekoppelter Reibscheibenkupplung 28 – relativ zu dem zweiten Kupplungselement 7, genauer zu dem Wirbelstromabschnitt 22, rotieren können.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 14 sind ebenfalls eine Reibscheibenkupplung 28 und eine Wirbelstromkupplung 2 in einer gemeinsamen Kupplung 1 realisiert, wobei hier im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß den 12 und 13 ein gemeinsamer Elektromagnet 10 vorgesehen ist für die Reibscheibenkupplung 28 und die Wirbelstromkupplung 2. Anders ausgedrückt bildet der Elektromagnet 10 gleichzeitig den Reibscheibenkupplungsmagneten 29. Der magnetische Fluss verläuft ausgehend von dem Elektromagneten 10 bzw. dessen drehfest angeordneten Träger durch die Wirbelstromkupplung 2 und durch die Reibscheibenkupplung 28 und überbrückt dort im nicht zugeschalteten Zustand der Reibscheibe 30 den Arbeitsluftspalt 34. Bei ausreichend großer effektiver Bestromung wird die Reibscheibe 30 betätigt und somit die Wirbelstromkupplung 2 überbrückt, d. h. dann wird das Drehmoment unmittelbar schlupffrei von der Abtriebswelle und dem damit drehfest angeordneten ersten Kupplungselement auf das zweite Kupplungselement 7 und damit auf das Nebenaggregat 5 übertragen.
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Grundsätzlich sind Variationen der Ausführungsbeispiele gemäß den 12 bis 14 möglich – so kann die Wirbelstromkupplung und insbesondere deren Nord- und Südpolbereiche bzw. wiederum deren Anordnung relativ zu dem Wirbelstromabschnitt auch analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ausgebildet werden.
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Im Folgenden werden anhand der 15 bis 20 unterschiedliche konstruktive Ausgestaltungsmöglichkeiten der verschiedenen Ausführungsbeispiele gemäß den 12 bis 14 beschrieben.
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In 15 ist die obere Hälfte einer Kupplung 1 in einem Kraftfahrzeug zum Betreiben eines hier als Lüfterrad ausgebildeten Nebenaggregates 5 gezeigt, welches drehfest mit einem zweiten Kupplungselement 7 verbunden ist. Die Kupplung 1 umfasst neben einer schlupfvariablen Wirbelstromkupplung 2 eine Reibscheibenkupplung 28. Wie sich aus 15 ergibt, ist drehfest mit einer Antriebswelle ein erstes Kupplungselement 6 verbunden, welches einen Radialarm 22 (Radialscheibenabschnitt) aufweist, der mit magnetischen Trennungen 33 versehen ist.
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Das erste Kupplungselement 6 umgreift einen drehfest angeordneten Träger 36, der über ein Wälzlager 37 gelagert ist auf der rotierbar angeordneten Antriebswelle.
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Das zweite Kupplungselement 7 ist über ein weiteres Wälzlager 38 axial beabstandet zu dem Wälzlager 37 relativ zur Antriebsachse 4 rotierbar gelagert.
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Zu erkennen ist, dass in dem Träger zwei Elektromagnete angeordnet sind, nämlich ein Elektromagnet 10 der Wirbelstromkupplung 2 als auch ein Reibscheibenkupplungselektromagnet 29.
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Fest mit dem zweiten Kupplungselement 7 ist eine Reibscheibe 30 verbunden, die an dem Kupplungselement 7 über als Rückstellfeder 31 ausgebildete Rückstellmittel festgelegt ist, die dafür Sorge tragen, dass bei Abschaltung des Reibscheibenkupplungselektromagneten 29 die Reibscheibenkupplung 28 entkoppelt wird. Zum Einkuppeln der Reibscheibenkupplung 28 wird der Reibscheibenelektromagnet 29 bestromt. Hieraus resultiert ein Magnetfluss 39, der mit einer großen Strichlierung angedeutet ist. Der Magnetfluss 39 fließt durch radiale Magnetleitmittel 35 des Trägers 36 in einen axialen Fortsatz des Trägers und von diesem in radialer Richtung über einen Umfangsspalt 40 in einen Reibscheibenkupplungsnordpolbereich 41 des ersten Kupplungselementes 6. Dieser Reibscheibenkupplungsnordpolbereich 41 ist über die magnetischen Trennungen 33 magnetisch entkoppelt von dem magnetischen Südpolbereich 17 der Wirbelstromkupplung, wobei dieser Südpolbereich 17, zumindest in einem der Reibscheibe 30 gegenüberliegenden Bereich, auch den Südpolbereich der Reibscheibenkupplung 28 darstellt. Der Magnetfluss 39 überquert in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mehrfach den Arbeitsluftspalt 34 und fließt dann über den Südpolbereich 17 wieder radial nach innen in einen radial äußeren Axialfortsatz des Trägers 36.
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Zum Betätigen der Wirbelstromkupplung 2 ist der Elektromagnet 10 vorgesehen.
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Zu erkennen ist, dass der magnetische Südpolbereich 17 und der magnetische Nordpolbereich 16 der Reibscheibenkupplung 2 über ein nicht magnetisch leitendes Verbindungsteil 42 drehfest aneinander gekoppelt sind. Insgesamt ergibt sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 15 und 16 hierdurch eine alternierende Anordnung von in Umfangsrichtung alternierend angeordneten Nord- und Südpolen, die relativ verdrehbar angeordnet sind zu einem radial beabstandeten Wirbelstromabschnitt 22 mit radial außerhalb angeordneten Magnetleitmittel 23 des zweiten Kupplungselementes 7.
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Zu erkennen ist in den 15 und 16 der Magnetfluss 43, der aus der pulsweitenmodulierten Bestromung des Elektromagneten 10 resultiert.
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In den 17 und 18 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Kupplung 1, umfassend eine variable Wirbelstromkupplung 2 und eine Reibscheibenkupplung 28 zum Durchschalten des Drehmomentes der Antriebswelle auf den Abtrieb bzw. das Nebenaggregat 5 gezeigt. Im Unterschied zu den voranstehenden Ausführungsbeispielen hat der Träger 36 für den Elektromagneten 10 und den Reibscheibenkupplungsmagneten 29 eine größere Radial- als Axialerstreckung. Der Elektromagnet 10 befindet sich radial außerhalb des Reibscheibenkupplungselektromagneten 29. Die beiden Magneten 10, 29 sind beabstandet über gemeinsame Magnetleitmittel 35.
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Das zweite Kupplungselement 7 trägt eine Reibscheibe 30, die axial gegenüberliegt einem Radialarm 32 des ersten Kupplungselementes 6, an welchem in einem radial äußeren Bereich, wie aus 18 ersichtlich ist, Nordpole 19 und Südpole 20 der Wirbelstromkupplung 2 ausgebildet sind, die im konkreten Ausführungsbeispiel in radialer Richtung alternierend angeordnet sind.
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Zu erkennen ist in 17 insbesondere auch das Verbindungsteil 42 aus einem nicht magnetisch leitenden Werkstoff, welches den magnetischen Nordpolbereich 16 der Wirbelstromkupplung 2 drehfest mit dem magnetischen Südpolbereich 17 verbindet.
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In den 19 und 20 ist ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Kupplung 1, umfassend eine Wirbelstromkupplung 2 und eine Reibscheibenkupplung 28 dargestellt, wobei hier nur ein einziger (gemeinsamer) Magnet zur Betätigung beider Kupplungen 2, 28 vorgesehen ist. In einem unteren Bestromungsbereich kann die Wirbelstromkupplung 2 variabel, d. h. mit variablem Schlupf, betätigt werden, wohingegen bei Überschreiten einer Grenzbestromung bzw. Mindestbestromung die Reibscheibenkupplung 28 geschaltet wird. In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Reibscheibenkupplung 28 bei Überschreiten einer gewissen Bestromung zugeschaltet – selbstverständlich ist auch die alternative Ausführung realisierbar, bei der die Reibscheibenkupplung bei Unterschreiten einer vorgegebenen Bestromung öffnet.
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Die rechts straffierten Bauteile sind magnetflussführend (magnetisch leitend), wohingegen die links straffierten Bauteile magnetisch nicht leitend sind.
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Der gemeinsame Elektromagnet 10, 29 ist in einem Träger 36 gehalten, der drehfest angeordnet ist, wobei sich die Antriebswelle 4 relativ zum Träger 36 rotiert. Zu diesem Zweck ist das Lager 37 in Analogie zu den vorstehenden Ausführungsbeispielen vorgesehen. Das erste Kupplungselement 6 ist drehfest gekoppelt mit der Antriebswelle 4, wohingegen das zweite Kupplungselement 7 über das Wälzlager 38 gegenüber der Antriebswelle 4 rotierbar gelagert ist.
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Wie sich aus 20 in Zusammenschau mit 19 ergibt, werden durch Bestromung des Elektromagneten 10 ein Nordpolbereich 16 und ein Südpolbereich 17 mit alternierend angeordneten Nord- und Südpolen 19, 20 gezeigt, die relativ zu einem Wirbelstromabschnitt 22 des zweiten Kupplungselementes 7 rotierbar angeordnet sind. Der magnetische Fluss 39 des Elektromagneten 10 überbrückt sowohl den Arbeitsluftspalt 34 der Reibscheibenkupplung, fließt also von dem ersten Kupplungselement 6 in die Reibscheibe 30 und wieder zurück und durchsetzt zudem den Umfangsspalt zwischen erstem Kupplungselement 6 und zweitem Kupplungselement 7 im Bereich der Wirbelstromkupplung 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kupplung
- 2
- Wirbelstromkupplung
- 3
- Verbrennungsmotor
- 4
- Antriebswelle
- 5
- Nebenaggregat
- 6
- erstes Kupplungselement
- 7
- zweites Kupplungselement
- 8
- Lager
- 9
- Magnetmittel
- 10
- Elektromagnet
- 11
- Trägerbauteil
- 12
- Lager
- 13
- Spalt
- 14
- Bestromungsmittel
- 15
- Bestromungsmittel
- 16
- magnetischer Nordpolbereich
- 17
- magnetischer Südpolbereich
- 18
- magnetische Trennung
- 19
- Nordpol
- 20
- Südpol
- 21
- Luftspalt(e)
- 22
- Wirbelstromabschnitt
- 23
- Magnetleitmittel
- 24
- Radialspalt
- 25
- Permanentmagnet(e)
- 26
- permanentmagnetischer Südpol
- 27
- permanentmagnetischer Nordpol
- 28
- Reibscheibenkupplung
- 29
- Reibscheibenkupplungsmagnet
- 30
- Reibscheibe
- 31
- Rückstellfeder
- 32
- Radialarm
- 33
- magnetische Trennung
- 34
- Arbeitsluftspalt
- 35
- Magnetleitmittel
- 36
- Träger
- 37
- Wälzlager
- 38
- Wälzlager
- 39
- Magnetfluss
- 40
- Umfangsspalt
- 41
- Reibscheibenkupplungsnordpol
- 42
- Verbindungsteil (magnetische Trennung)
- 43
- Magnetfluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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