DE2259167A1

DE2259167A1 - Wirbelstromkupplung

Info

Publication number: DE2259167A1
Application number: DE2259167A
Authority: DE
Inventors: Ralph Louis Jaeschke
Original assignee: REDMAN HEENAN FROUDE Ltd
Current assignee: REDMAN HEENAN FROUDE Ltd
Priority date: 1971-12-02
Filing date: 1972-12-02
Publication date: 1973-06-07
Also published as: FR2162121B1; CA962312A; ES409240A1; BE792225A; NL7216385A; AU4945172A; BR7208486D0; GB1411619A; FR2162121A1; IT971465B; AU467730B2; US3742270A

Description

Dr.-ing. DipvPKys OSKAR KÖNIG Patentanwalt

2259Ί67

Deutsche Bank AG S'u^gart Telefon: (0711)6285 61 . Konto Nr.89 CO30t

Telegramm: Koenigpat 7000 STUTTGART-I, Klüpfelstraße 6 Postscheck Sigt. 84919

Postfach 51

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REDMAN HEENAN FPOUDE LIMITED WORCESTER / ENGLAND

Wirbelstromkupplung

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Kupplung mit gleichachsig angeordneten Eingangs- und Ausgangswellen, einem an einer der Wellen gleichachsig befestigten Induktionsteil, einem runden, an der anderen Welle gleichachsig befestigten Polglied, das so in Bezug auf das Induktionsteil angeordnet ist, dass ein ringförmiger Luftspalt zwischen ihnen besteht, einer elektrisch erregbaren Feldspule, um einen Magnetfluss entlang einem Flussweg zu erzeugen, welcher den Luftspalt quert und sich durch das Polglied und das Induktionsteil erstreckt. _BAD ORIGINAL

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Bei konventionellen elektromagnetischen Kupplungen dieser Art (z.B. Bödefeld/Sequenz "Elektrische Maschinen" Springer- Verlag, 6. Aufl. 1962, S. 266/267) bleibt bei hohem Schlupf, wenn die Differenz der Drehzahl zwischen dem Induktionsteil und deir. Polglied ansteigt, entweder das erzeugte Drehmoment im wesentlichen konstant oder sinkt. Diese Charakteristik ergibt in gewissen Fällen keinen hinreichenden überlastschutz und hat auch andere Nachteile.

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte elektromagnetische Kupplung zu schaffen.

Erfindungsgemäß ist bei einer Kupplung der eingangs genannten Art vorgesehen, dass das Induktionsteil nur an einem Ende mit einer der Wellen verbunden ist und dass die Feldspule eine ringförmige Gestalt hat und gleichachsig in bezug auf das Induktionsteil angeordnet ist, um einen magnetischen Flussweg zu schaffen, welcher den ringförmigen Spalt an zwei im Abstand voneinander befindlichen Bereichen kreuzt, wobei sich an diesen beiden Bereichen zwei Ringe von Vorsprüngen befinden, von denen einer durch den vom Polglied zu dem Induktionsteil gehenden Fluss and der andere von dem von dem Induktionsteil zurück zu der Polglied führenden Fluss durchdrungen wird.

Eine elektromagnetischeKupplung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat gleichachsig angeordnete Eingangs- und Ausgangswellen, ein hierzu gleichachsig angeordnetes trommeiförmiges Induktionsteil (inductor drum), welches nur mit seinem einen

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Ende mit einer der Wellen verbunden ist, ein rundes Polglied, welches gleichachsig an der anderen Welle befestigt und so in bezug auf das Induktionsteil angeordnet ist, dass zwischen beiden ein Ringspalt besteht, eine stationäre Ringspule, welche gleichachsig in bezug auf das Induktionsteil und das Polgliec angeordnet ist und elektrisch erregbar ist, um einen Magnetfluss entlang einen*) Kraftlinienweg zu erzeugen, welcher den Ringspaltan zwei im Abstand voneinander befindlichen Bereichen quert und hindurchgeht durch das Polglied und durch das Induktionsteil und durch nicht ineinandergreifende, bogenförmig getrennte Vorsprünge, die zu zwei im" Abstand voneinander gleichachsig angecrc-

angeordnet sind/'
neten P.ingen/,~"welche in dem Magnetflusskreis liegen und von denen einer von dem vom Polglied zum Induktionsteil fliessenden Fluss und der andere von dem von dem Induktionsteil zurück zu dem Polglied fliessenden Fluss durchdrungen wird*l

Das Induktionsteil kann von bei derartigen Schlupfkupplungen an sich bekannter Bauart sein, vorzugsweise rus Weicheisen _und/oder Kupfer oder dergleichen bestehen und bildet einen induzierten, drehbaren Anker -

Die erfindungsgemäße Kupplung ist in der Lage, ein ansteigendes Drehmoment zu erzeugen, wenn der Schlupf zwischen Induktionsteil und Polglied bei hohen P.elativdrehzahlen ansteigt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spielernoch in weiteren Einzelheiten erläutert.

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In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße elektromagnetische Kupplung,

Fig. 2 in vergrösserter Darstellung einen Teilschnitt durch Fig. 1 gesehen entlang der Schnittlinie II-II, wobei dieser Teilschnitt die Bauart des Polgliedes in mehreren Einzelheiten zeigt,

Fig. 3 eine grafische Darstellung des Drehmomentes

in Abhängigkeit des Schlupfes für die vorliegende Kupplung im Vergleich zu vorbekannten Kupplungen.

Die Beschriftung in Fig. 3 hat folgende Bedeutung:

M = Drehmoment
S = Schlupf.

Die in Fig. 1 dargestellte elektromagnetische Kupplung IO weist ein Gehäuse 12 mit je einem zugeordneten Eingangsglied und Ausgangsglied auf. Die Eingangs- und Ausgangsglieder weisen je eine Eingangs- bzw. Ausgangswelle 14 bzw. 16 auf, welche drehbar gelagert sind, so dass sie sich relativ zueinander in dem Gehäuse 12 drehen können. Die Eingangs- und Ausgangswellen 14 und 16 sind in dem Gehäuse 12 gleichachsig zueinander angeordnet und eine nicht dargestellte Antriebsmaschine, beispielsweise ein

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Motor, ist vorzugsweise mit der Eingangswelle 14 zu ihrem Antrieb verbunden.

Auf der Eingangswelle 14 ist, um mit ihr zu rotieren, ein Induktionstrommelglied (inductor drum member) 18 angeordnet. Das Induktionstrommelglied 18, welches vom Einzelträger-Typ ist, v/eist ein Nabenteil (Nabenbereich) 20 und ferner ein zylindrisches Teil (Induktionsteil) 26 auf. Das Nabenteil 20 ist mittels eines Keiles 22 mit der Welle 14 drehfest verbunden. Von der Drehachse des Nabenteiles 20 erstrecken sich eine Mehrzahl von Tragarmen (Speichen) 24 radial auswärts, welche das zylindrische Teil 26 des Induktionstrommelgliedes 18 an einem Ende tragen, so dass dieses Teil 26 nur einseitig gehalten ist. Die äussere Oberfläche des zylindrischen Teiles 26 des Induktionstrommelgliedes 18 weist eine Vielzahl von Pippen 28 auf, welche der Ableitung von Wärme vom Induktionstrommelglied 18 zur Luft oder zu einem Kühlmedium, welches um das Glied 18 fliesst, dienen, um eine übermäßige Erwärmung zu verhindern. Die Bauart des einen einzigen Träger aufweisenden Induktionstrommelgliedes 18, bei welcher der zylindrische Teil 26 mittels der sich radial erstreckenden Arme 24 nur an einem Ende getragen ist, ergibt eine Konstruktion, welche leichter und kompakter ist als diejenigen bekannten Konstruktionen mit Induktionstrommeln,die mittels Doppel-Trägern getragen sind, d.h., bei denen das zylindrische Induktionsteil an seinen beiden Enden getragen ist.

Ein Polglied 30 ist auf der Ausgangswelle 16 drehfest mit ihr mittels eines,Keilgliedes 32 befestigt. Das Polglied 30

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weist einen Nabenabschnitt 31 und einen sich vor der einer Seite des Nabenabschnittes 31 aus radial nach außen erstrekkenden ringförmigen Abschnitt 33 auf,welcher erste und zweite, jeweils in Ringform angeordnete Gruppen 34 und 36 von Vorsprüngen 4o trägt, wobei die Vorsprünge jeder Gruppe nicht zwischen die Vorsprünge der jeweils anderen Gruppe eingreifen. Diese Vorsprünge bilden Pole und ihre Gestalt ist aus den Fig. 1 bzw. 2 zu ersehen. Jeder Vorsprung erstreckt sich in axialer Richtung und ist radial nach außen gerichtet. Tn Umfangsrichtung des Polgliedes 3o benachbarte Vorsprünge
sind durch nutförmige Ausnehmungen bogenförmigen Querschnitt' tes voneinander getrennt, die sich in axialer Richtung erstrecken. Die Vorsprünge der Gruppe 36 sind einstückig mit dem Abschnitt 33, der seinerseits einstückig mit der Nabe
31 aus magnetisierbarem Werkstoff ist. Die Vorsprünge der
Gruppe 34 sind einstückig mit einem sie tragenden und verbindenden Ring aus magnetisierbarem Werkstoff. Dieser Ring und damit die Gruppe 34 von Vorsprüngen ist von der anderen ringförmigen Gruppe 36 von Vorsprüngen und dem Abschnitt durch ein ringförmiges, nicht magnetisches Isolierglied 38 getrennt, welches die Vorsprünge der ersten Gruppe 34 von
den Vorsprüngen der zweiten Gruppe 36 isoliert. Die Vorsprünge 4o der ringförmigen Sätze von Vorsprüngen 34 und sind mittels eines Luftspaltes 62 von dem zylindrischen Teil 26 des Induktionstrommelgliedes 18 getrennt. (Polglieder, die anstelle der hier vorgesehenen zwei Ringe vcn Vorsprüngen
einen einzigen Ring von Vorsprüngen aafweisen , wie die Vcrsprünge 4o,sind im angelsächsischen Sprachgebrauch allgemein bezeichnet als "cookie" Poltypen und haben eine Querschnittkonfiguration, die der aus Fig. 2 entspricht).

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In dem Polglied 3c ist eine ringförmige Ausnehmung 46 vorhanden, in welcher eine stationäre ringförmige Feldspule 42 mittels eines ringförmigen Feldgliedes 4 4 aus magnetisierbarer: Werkstoff gehalten ist* Das Feldgiied 44 ist mit dem Gehäuse 12 mittels Schrauben 45 verbunden,, um es starr in der ring* förmigen Ausnehmung 46 zu halten»

Es ist ersichtlich, daß die Spule 42 so gehalten ist, daß das Polglied 3o, ohne durch die· Spule 42 und das Feldglied 44 gestört zu werden, um die Spule 42, welche sich nicht dreht, rotieren kann. Ein Leiterpaar 48 ist an die Spule 42 angeschlossen und dient ihrer Erregung mittels einer nicht dargestellten, geeigneten Gleichstromquelle. Die Tatsache, daß die Feldspule 42 starr angeordnet ist, vermeidet die Notwendigkeit von Schleifringen und anderen zugeordneten Mechanismen, welche in Eetrieb Verschleiß unterliegen.

Der Eingangswelle 14 ist eine Lagerhülse 56 zugeordnet, welche mit einer Lagerhülse 52 zusammenwirkt, welche an dem Polglied 2,O mittels mehreren Schrauben 54 befestigt ist. Zwischen den Gleitlagerhülsen 56 und 52 befindet sich ein Ring von zylindrischen Rollen 50. Die Hülsen 56 und 52 und die Rollen 50 bilden eine Rollenlagerung, welche die inneren Enden der Fellen 14 und 16 relativ zueinander gleichachsig positioniert und Pelativdrehungen zwischen den Wellen 14 und 16 ermöglicht. Eine Lagerung 58, in der Zeichnung als Kugellager dargestellt, ist an einem Ende des Gehäuses angeordnet und bildet eine Drehlagerung für die Welle 16 relativ zu dem Gehäuse 12.

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Die Erregung der Spule 42 über die Leiter 48 ruft ein Magnetfeld hervor, dessen Kraftlinienweg durch die gestrichelten Linien 6o in Fig. 1 dargestellt ist. Wenn die Spule 42 erregt ist, geht der Fluß durch das Feldglied 44, durch die Vorsprünge 4o der ersten ringförmigen Gruppe von Vorsprüngen 34, durchquert den Luftspalt 62 zwischen den Vorsprüngen 4o und dem zylindrischen Teil 26 des InduktioristroninelgHedes 18, geht dann durch das zylindrische Teil 26 des Ihduktionstromielgliedes 10, quert den Luftspalt 62 zurück, geht dann durch die Vorsprünge 4o des zweiten ringförmigen Satzes 36 von Vorsprüngen, durch den Bereich 33 und den | Nabenbereich 31 des Polgliedes 3o und zurück zu den¹- Feldglied 44. Die Erzeugung dieses ■ ' . . Magnet- ^:;||

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feldes .im Gefolge der Erregung der Spule 42, welches den ' ' ||

Fluflpfad 6o hat, welcher durch das dargestellte Polglied 3o und das Einfach-Träger- Inauktionstrommelglied 18 hindurchgeht, verbindet operativ die Eingangswelle 14 mit der Ausgangs- ■ ;J|

welle 16 . ' . ■ . ■■ ■' ' ,:||

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Der Betrag des Drehschlupfas zwischen der Induktionstrommel 18 und dem Polglied 3o oder zwischen der Eingangswelle 14 end j der Ausgangswelle 16 ist abhängig von dem Widerstar.dsdreh-

moment oder der Last der Welle 16 und der Intensität ■ ces «||

■' ■ Ii durch die Spule 42 bewirkten Feldes. Diese Intensität oder Stärke des Feldes wird durch die nröße des durch die Spule 42 fließenden Stromes gesteuert. Bei größerem Strom, und/oder geringerem Drehmoment ist der Schlupf geringer und bei kiel*.

nerem Strom und/oder größeren Drehmoment ist der Schlupf großer. || Der Schlupfbetrag zwischen de i* Induktionstrommel 18 und derr Polglied 3o ist proportional zu der Wärme , welche innerhalb der Kupplung erzeugt wird. Folglich ist der Schlupf umso größer, je größer die entwickelte Wärme ist. Inderr man die Bippen (Kühlrippen) 28 vorsieht, hilft dies, die in deir Kuppluncsglied als Folge des Schlupfes entstehende Wärme abzuleiter durch das Kühlmedium, welches in dem dargestellten Ausführungs-

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beispiel Luft ist, welche durch geeignete öffnungen des Gehäuses 12 strömt. Da der durch die Spule 42 erzeugte Magnetfluß durch die Vorsprünge 4o der ringförmigen Gruppen von Vorsprüngen 34 und 36 fließt, konzentrieren diese Vorsprünge 4o den durch sie hindurchgehenden Flußweg zwischen der Induktionstroinmel 18 und dem' Polglied 3o. Diese Konzentration des Flußweges durch die Vorsprünge 4o er·* möglicht, daß die Kupplung bei verschiedenen Schlupfgeschwind igkeiten Drehmomente gemäß der in Fig. 3 dargestellten Kurve 64 überträgt. Dies ist eine Verbesserung gegenüber vorbekannten Kupplungen ähnlicher Größe, deren Drehmoment-Schlupf-Charakteristik durch die Kurve 72 in Fig.3 dargestellt ist. Es ist folglich festzustellen, daß die vorliegende Kupplung mit dem beschriebenen Polglied und einer Einzel-Träger-Induktionstromrtel eine viel größere Kapazität zurr übertragen von drehmoment bei höheren Schlupfges chwindigkeiten als vorbekannte Pvupp-

lungen ähnlicher Eaugröße hat. Im besonderen wurden Wirbelst romkupp Iu ngen ähnlicher Größe untersucht und es zeigte sich, daß die vorliegende Kupplung eine 5o% höhere Drehmomentübertragungskapazität haben kann.

Das isolierende Glied 38 isoliert die ringförnige Gruppe von Vorsprüngen von der ringförmigen Gruppe 36 von Vorsprüngen. Folglich hat die Ringgruppe 34 von Vorsprüncen eine Polarität und die Ringgruppe 36 von Vorsprüngen eine zweite Polarität, welche entgegengesetzt der erster. Polarität ist, weil der Fluß in der entgegengesetzten Richtung durch sie fließt. Wenn der Flußweg 6o sich im Gefolge der Erregung •der Spule 42 einstellt, beeinflußt die Stärke des Magnetflusses den Eetrag des Schlupfes zwischen der Induktionstrom-

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mel 18, welche mit der Eingangswelle 14 rotiert, und der Polglied 3o, welches mit der Ausgangszeile 16 rotiert.

Die Vervrendung einer Einfachträger-Induktionstronmel 18 und das dargestellte Polglied 3o schaffen eine Kupplung, welche leichter und kompakter ist als die vorbekannten Kupplungen derselben Größe. Darüber'hinaus schafft die erfindungsgeräße Kupplung ausgezeichneten überlastschutz bei hohen Schlupfdrehzahlen. Es ist ferner aus Fig. 3 ersichtlich, dai? der Ausgang der vorbekannten Kupplungen, denen die dargestellte Kurve 72 zugeordnet ist, bei höherem Schlupf dazu tendiert, daß sich das übertragbare Drehmoment nicht mehr ändert, vogegen die neue Kupplung gemMß der Kurve 64 der Fig. 3 ein mit ansteigenden·. Schlupf nnsteiqendes Drehmoment ermöglicht.

■ günstiaen

Diese Charakteristik zu.sarr.men mit üer/GrZPe c?er Kupplung ermöglicht es, diese Kupplung in vielen Fällen anzuwenden, ν^το die vorbekannten Kupplungen unzulänglich sind.,Auch ermöglicht die Erfindung baulich kleine Kupplungen.

ßs" ergibt sich aus dem Vorhergehenden, daß eine neue und verbesserte elektrcmagnetische Kupplung eine Einfachträger-Trduktionstroninel, eine stationäre Feldspule und ein Polgliec, welches zwei ringförmige Cruppen von in Abstand veneirercer ancreerdneten Vorsprüngen, welche sich zwischen der Feldspule und der Induktionstrannal befinden, aufweist. Die zwei ringfcrmigen Gruppen von Vorsprüngen sind getrennt voneinander durch ein isolierendes Glied, welches die zwei ringförmigen Cn:ppen oder Sätze von Vorsprüngen gegeneinander magnetisch isoliert, so daß die Vorsprünge der einen Gruppe eine erste Polarität und die Vorsprünge der zweiten Gruppe eine zu der ersten Polarität entgegengesetzte Polarität haben. Die neue elektrcmagnetische Kupplung kann baulich kleiner sein, weil sie eir.c-

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höhere Drehmomentkapazität als die vorbekannteh elektromagnetischen Kupplungen hat. Obwohl die in der Zeichnung dargestellte Kupplung eine luftgekühlte elektromagnetische Kupplung ist, versteht es sich, daß sie auch als flüssigkeitsgekühlte Kupplung ausgebildet sein kenn.

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Claims

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1.)Elektromagnetische Kupplung mit gleichachsig angeordneten Eingangs- und Ausgangswellen, einem an einer der Wellen gleichachsig befestigten Induktionsteil, eineir runden, an der anderen Welle gleichachsig befestigten Polglied, das so in bezug auf das Induktionsteil angeordnet ist, dass ein ringförmiger Luftspalt zwischen ihnen besteht, einer elektrisch erregbaren Feldspule, um einen Magnetfluss entlang einem Flussweg zu erzeugen, welcher den Luftspalt quert und sich durch das Polglied und das Induktionsteil erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionste.il (26) nur an einem Ende mit einer der Wellen (14) verbunden ist und dass die Feldspule (42) eine ringförmige Gestalt hat und gleichachsig in bezug auf das Induktionsteil angeordnet ist, um einen magnetischen _v Flussweg (60) zu schaffen, welcher den ringförmigen Spalt (62) an zwei im Abstand voneinander befindlichen Bereichen (34, 36) kreuzt, wobei sich an diesen beiden Bereichen zvei Ringe (34, 36) von Vorsprüngen (40) befinden, von denen einer durch den vom Polglied (30) zu dem Induktionsteil (26) gehenden Fluss und der andere von dem von dem Induktionsteil zurück zu dem Polglied führenden Fluss durchdrungen wird.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (40) jedes der beiden Finge von Vorsprüngen nicht zwischen die Vorsprünge des jeweils anderen Ringes eingreifen.

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3. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (40) jedes Ringes in gleichmäßigen Abständen über den Umfang verteilt und vorzugsweise durch Muten bogenförmigen Querschnittes voneinander getrennt sind.

4. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch■gekennzeichnet , dass die Finge (34, 36) von Vorsprüngen (40) auf dem Polglied in in axialem Abstand befindlichen Stellungen vorgesehen sind.

5. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldspule (42) an einem ringförmigen, · vorzugsweise stationär angeordneten Feldglied (40) und innerhalb einer ringförmigen Ausnehmung (46) , die sich in das Folglied (30) von einem Ende des Polgliedes aus hinein erstreckt, angeordnet ist.

6. Kupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Ausnehmung (46) in dem Ende des Polgliedes (30) angeordnet ist, welches von dem Träger (20) des Induktionsteiles (26) am weitesten entfernt ist.

7. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringe (34, 36) von VorSprüngen (40) mechanisch verbunden, jedoch magnetisch voneinander getrennt sind mittels eines ringförmigen, unmagnetischen Gliedes (38), welches sich zwischen ihnen axial erstreckt.

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8. Kupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das
unmagnetische Glied (38) aus einem isolierenden Material besteht,

9. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (40) sich von dem Umfang
des Polgliedes (30) radial erstrecken und dass das Polglied

(30) konzentrisch innerhalb des als Trommel ausgebildeten
Induktionsteiles (26) angeordnet ist, so dass die zwei Ringe (34, 37) von Vorsprüngen in axialem Abstand voneinander angeordnet sind.

10. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polglied (30) von einem Rollenlager (52, 56, 50) getragen ist, welches sowohl an der einen Welle (14) als auch an der anderen Welle (16) angebracht ist.

11. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionsteil (26) aussenseitig des
Polgliedes (30) angeordnet und an seiner von dem Polglied abgewendeten Seite mit sich radial erstreckenden Kühlrippen (28) versehen ist.

12. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionsteil zylindrisch und vorzugsweise massiv ist.

13. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionsteil (26) aus massivem, rragnetisch weichem Werkstoff besteht.

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14. Kupplung nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionsteil aus elektrisch gut leitendein Materia¹ beispielsweise Kupfer, Aluminium oder dergleichen besteht.

15. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (40) jedes Ringes von Vorsprüngen durch sich axial erstreckende Nuten voneinander getrennt s ind.

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