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Titel: Magnetische Antriebsanordnung

Unser Zeichen: GP 1705 EP

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine magnetische Antriebsanordnung gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Magnetische Antriebsanordnungen der eingangs genannten Art wer- 5 den zu unterschiedlichsten Zwecken eingesetzt, beispielsweise als Rotor von bürstenlosen Gleichstrommotoren oder in magnetischen Kupplungen, um z. B. die Rotation einer Antriebswelle berührungsfrei auf eine Abtriebswelle zu übertragen. Eine solche Kupplung besteht typischerweise aus einem inneren Kupplungsteil und einem äußeren Kupplungs-

10 teil, die jeweils für sich in einem vorzugsweise hermetisch abgeschlossenen Gehäuse angeordnet sind. Dabei weist der innere Kupplungsteil einen inneren Stützkörper auf, der über seinen Außenumfang verteilt Magnete trägt, die von einem geschlossenen Blechmantel als Gehäuse umgeben sind. Der äußere Kupplungsteil weist einen ringförmigen Stütz-

15 körper auf, der an seiner Innenseite über den gesamten Umfang mit Magneten bestückt ist und der ebenfalls durch ein mantelartiges Gehäuse gekapselt ist.

Um eine möglichst hohe Momentenübertragung zu erreichen, ist es er-

20 strebenswert, die Konstruktion so auszubilden, dass der Abstand der

Magnete zwischen innerem und äußerem Stützkörper möglichst klein ist.

Um dies zu erreichen, sind Stützkörper, Magnete und Gehäuse exakt aufeinander auszurichten. Dies erfolgt beim Stand der Technik dadurch, dass die Magnete durch Kleben auf dem Stützkörper befestigt werden,

25 bevor der umgebende Gehäusemantel montiert wird. Einerseits soll der

Abstand der Magnete zum umgebenden Gehäusemantel möglichst

Patentanwälte Wilcken & Vollmann 28.10.2008

BESTäTIGUNGSKpPü

gering sein, um eine hohe magnetische Kraftentfaltung nach außen zu gewährleisten, andererseits soll zwischen den Magneten und dem Gehäusemantel ein Spalt verbleiben, um diesen überhaupt montieren zu können. 5

Bei bekannten Magnetkupplungen sind die Magnete daher beim inneren Kupplungsteil im Querschnitt nach außen hin gerundet geformt, um so über die gesamte Fläche des Magneten einen möglichst konstanten und geringen Abstand zum Gehäusemantel erzielen zu können. Ent- 10 sprechend sind die Magnete des äußeren Kupplungsteils im Querschnitt nach innen hin eingezogen ausgebildet, um auch hier einen möglichst konstanten Abstand zum Gehäusemantel zu erzielen.

Nachteilig bei dieser bekannten Magnetkupplung ist, dass deren Her- 15 Stellung recht aufwändig ist, da die Magnete sorgfältig am Stützkörper verklebt werden müssen und darüber hinaus mit einer einachsigen Wölbung versehen sein müssen, die etwa dem Durchmesser des Gehäusemantels an dieser Seite entspricht.

20 Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Antriebsordnung mit einer Vielzahl von Permanentmagneten, die längs des Umfangs einer Gehäusewand angeordnet sind, so auszugestalten, dass einerseits die Herstellungs- und Montagekosten gesenkt und andererseits der Wirkungsgrad erhöht

25 wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der nach- 30 folgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben. Besonders vorteilhaft wird die magnetische Antriebsanordnung zum Aufbau einer magnetischen Kupplung eingesetzt, wie sie gemäß Anspruch 14 ange-

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geben ist, bei der zwei erfindungsgemäße Antriebsanordnungen zu einer magnetischen Kupplung zusammen Verwendung finden.

Gemäß der Erfindung weist die magnetische Antriebsanordnung eine 5 Vielzahl von Permanentmagneten auf, die längs des Umfangs einer Gehäusewand angeordnet sind, wobei die Magnete kraftschlüssig an der Gehäusewand anliegen. Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es somit, die Magnete nicht, wie beim Stand der Technik, durch eine Verbindung zwischen Stützkörper und Magneten zu fixieren, son-

10 dem mithilfe der Gehäusewand selbst. Da die Gehäusewand typischerweise als dünner Edelstahlmantel ausgebildet ist, kann diese beispielsweise in gedehntem Zustand über Magnete und Stützkörper gezogen und dann entspannt werden, so dass die Eigenspannung der Gehäusewand den Kraftschluss zwischen Magneten, Gehäusewand

15 und Stützkörper herstellt. Die Magneten brauchen daher nur unmittelbar vor der Montage in ihre bestimmungsgemäße Position gebracht zu werden, danach sind sie durch die Gehäusewand stets sicher gehalten, und zwar nicht nur durch den ohnehin gegebenen Formschluss, sondern durch Kraftschluss. Sie liegen somit spielfrei zwischen Stützkörper

20 und Gehäusewand.

Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung ist grundsätzlich in zwei Varianten anwendbar, nämlich einmal diejenige, bei welcher ein innerer Stützkörper vorgesehen ist, auf dessen Außenumfang die Magnete an-

25 geordnet sind und die radial nach außen hin an der Innenseite der diese umgebenden und form- und kraftschlüssig haltenden Gehäusewand anliegen. Dann sind die Magnete zwischen dem inneren Stützkörper und der Innenseite der äußeren Gehäusewand eingespannt. Die magnetische Kraft ist also von der äußeren Gehäusewand nach außen ge-

30 richtet.

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Alternativ können die Magnete an der Innenseite der inneren Gehäusewand angeordnet und zwischen dieser und einem äußeren Stützkörper eingespannt sein. Bei einer solchen Anordnung ist die magnetische Kraft von der inneren Gehäusewand zur Längsmittelachse des Gehäu- 5 ses gerichtet. Letztere Antriebsanordnung bildet beispielsweise bei einer Kupplung den äußeren Kupplungsteil, wohingegen die erstere Antriebsanordnung den inneren Kupplungsteil oder den Rotor eines Motors bilden kann.

10 Der Stützkörper ist vorteilhaft ringförmig ausgebildet und kann zur Steigerung der magnetischen Kräfte magnetisch leitend ausgebildet sein. Es kann jedoch auch ein Kunststoff- oder anderes Bauteil Verwendung finden. Die ringförmige Ausbildung führt zu einer deutlichen Gewichtsersparnis und ist insbesondere für den inneren Kupplungsteil vorteilhaft

15 anwendbar. Beim äußeren Kupplungsteil ist der Stützkörper zumindest im Bereich der Magnete ringförmig, er kann jedoch auch topfförmig oder in anderer Weise gebildet sein.

Bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung sind die Magnete vor- 20 teilhaft im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. Auf eine nach außen oder innen hin gekrümmte Form kann verzichtet werden, ohne die Kraftübertragung der Kupplung zu schwächen. Dies hat den Vorteil, dass keine Anpassung der Magnete an die Gehäuseform erforderlich ist. Es können somit kostengünstige Magnete aus der Massenfertigung 25 Verwendung finden.

Bei quaderförmiger Ausbildung der Magnete liegen diese z. B. beim inneren Kupplungsteil mit einer Seite flächig am inneren Stützkörper und mit zwei parallel zur Längsmittelachse der Antriebsanordnung angeord- 30 neten äußeren Kanten an der Innenseite der Gehäusewand an, und zwar an der äußeren Gehäusewand. Dadurch, dass die Magnete nur mit ihren Kanten an der Gehäusewand anliegen, kann auf den sonst

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üblichen, insbesondere zu Montαgezwecken erforderlichen Spalt völlig verzichtet werden. Der Gehäusemantel kann vorgespannt über den mit Magneten bestückten inneren Stützkörper gezogen werden, so dass dieser nach Entspannung elastisch rückfedert und auf die Kanten der 5 Magnete drückt und diese damit in ihrer bestimmungsgemäßen Position am Stützkörper festhält.

Vorteilhaft können gemäß der Erfindung auch für eine Antriebsanordnung, wie sie z. B. für den äußeren Kupplungsteil Verwendung findet,

10 quaderförmige Magnete eingesetzt werden, wobei diese dann nach außen hin flächig am Stützkörper anliegen und nach innen hin eine etwa linienförmige Berührung mit der Innenseite der inneren Gehäusewand aufweisen. Auch hier tritt ein vergleichbarer, jedoch in Kraftrichtung umgekehrter Effekt ein, d. h. die Vorspannung der inneren Gehäu-

15 sewand drückt etwa jeweils in der Mitte auf die Magnete, die sich flächig im äußeren Stützkörper abstützen.

Grundsätzlich sind gemäß der Erfindung die Magnete durch die Vorspannung der Gehäusewand kraftschlüssig am bzw. im Stützkörper

20 gehalten. Dies schließt jedoch nicht aus, dass zu Montagezwecken Hilfsmittel vorgesehen sind, welche die Magnete so lange am Stützkörper fixieren, bis diese durch die Gehäusewand gehalten werden. Diese Hilfsmittel können je nach Anwendung nach Anbringen der Gehäusewand entfernt werden oder auch dort verbleiben. Solche Hilfsmittel

25 gemäß der Erfindung können beispielsweise elastische Stege sein, welche in Umfangsrichtung zwischen den Magneten angeordnet sind und mit denen die Magnete in einem vorbestimmten Abstand angeordnet und in dieser Position am Stützkörper gehaltert sind. Solche Hilfsmittel können jedoch auch mechanische Halterungen sein, die nach Anbrin-

30 gen der Gehäusewand wieder entfernt werden, also die Magnete nach Art eines Greifers während der Montage halten.

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Beim Einsatz der vorgenannten elastischen Stege ist es besonders vorteilhaft, wenn diese fest mit dem Stützkörper verbunden sind, vorzugsweise einstückig mit diesem als Kunststoffspritzgussteil ausgebildet sind. Dann können die Magnete in einfacher Weise zwischen diesen am 5 Stützkörper befindlichen elastischen Stege eingegliedert werden, wobei der Abstand der Stege vorzugsweise etwas kleiner als die lichte Weite der Magnete in diesem Bereich ist, damit die Magnete durch Kraft- schluss zwischen den Stegen gehalten werden können.

10 Alternativ oder zusätzlich können gemäß einer Weiterbildung der Erfindung im Stützkörper Ausnehmungen für die Magnete vorgesehen sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Ausnehmungen in Form von Nuten im Stützkörper vorgesehen sind, die sich parallel zur Längsmittelachse der Antriebsanordnung erstrecken und die zur formschlüssigen

15 Aufnahme der Magnete vorgesehen sind. Eine solche Nutanordnung hat den Vorteil, dass eine Ausnehmung, also eine Nut, zur Anordnung mehrerer Magnete dienen kann, wenn nämlich in einer Nut zwei oder mehr Magnete in Längsrichtung der Nut hintereinander angeordnet sind. Bei dieser Anordnung sind alle Magnete in einer Nut gleich gepolt.

20 Das bedeutet in einer Nut sind alle Magnete so gepolt, dass ihr Nordpol radial innen liegt und ihr Südpol radial außen liegt, während in der nächsten benachbarten Nut vorzugsweise alle Magnete so angeordnet sind, dass ihr Südpol radial innen liegt und ihr Nordpol radial außen liegt. So sind die Magnete über den Umfang abwechselnd gepolt, jedoch

25 innerhalb einer Nut immer gleich gepolt. Eine solche Anordnung hat weiterhin den Vorteil, dass bei Kupplungen, die große Momente übertragen müssen und daher verhältnismäßig lang ausgebildet sind, keine Sondermagnete eingesetzt werden müssen, sondern handelsübliche, quaderförmige Magnete Verwendung finden können, die dann in ent-

30 sprechender Anzahl hintereinander in der jeweiligen Nut angeordnet werden.

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Wenn die Magnete innerhalb des Stützkörpers in einer Ausnehmung liegen, also beispielsweise einer Nut, dann ist es von Vorteil, wenn ein Magnet mit maximal 20 % seiner radialen Erstreckung innerhalb der Ausnehmung liegt und im übrigen, also mit minimal 80 % seiner radialen 5 Erstreckung diese überragt, also vom Außen- bzw. Innenumfang des Stützkörpers radial vorsteht. Da Magnete typischerweise feuchtigkeitsempfindlich sind, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Wand Teil eines die Magnete und vorteilhaft auch den Stützkörper hermetisch umgebenden Gehäuses ist. Ein solches Gehäuse 10 besteht vorzugsweise aus Edelstahlblech, wobei die Stahllegierung insbesondere hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit auf die zu erwartenden Umgebungsmedien abgestimmt ist.

Um eine Drehmomentübertragung zwischen Stützkörper und einer An- 15 triebs- oder Abtriebswelle zu gewährleisten, sind Stützkörper und Welle drehfest mechanisch miteinander zu verbinden. Dabei ist es insbesondere aus Gesichts- und Materialersparnisgründen vorteilhaft, den Stützkörper nicht unmittelbar mit der Welle zu verbinden, sondern den Stützkörper vorteilhaft über stirnseitig angeordnete Kraftübertragungsmittel 20 mit einer Nabe zu verbinden, die dann auf einer Welle sitzt. Für eine Antriebsanordnung, bei der der Stützkörper die Magnete außen umgibt, ist es zweckmäßig, diesen direkt mit der vorzugsweise hohlen Welle stirnseitig zu verbinden.

25 Vorteilhaft werden zwei der vorbeschriebenen magnetischen Antriebsanordnungen zu einer magnetischen Kupplung vereint, die zur übertragung einer Rotationsbewegung mit einem inneren Kupplungsteil und mit einem äußeren Kupplungsteil versehen ist, die drehbar ineinander angeordnet und magnetisch miteinander antriebsverbunden sind. Die

30 Kupplungsteile können dann wie vorbeschrieben gebildet werden.

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Besonders vorteilhaft ist eine solche magnetische Kupplung zur Verbindung zwischen einem Elektromotor und einer Kreiselpumpe vorgesehen, um den Elektromotor gegenüber dem von der Kreiselpumpe geförderten Medium zuverlässig zu isolieren. Eine solche Anordnung hat 5 den Vorteil, dass quasi beliebige Motoren, so auch sogenannte Normmotoren eingesetzt werden können, die vergleichsweise kostengünstig sind, also insoweit auf teure Kleinserien- und Spezialmotoren verzichtet werden kann. Eine solche magnetische Kupplung hat darüber hinaus den Vorteil, dass auf das sonst bei Kreiselpumpen typischerweise vorge- 10 sehene Spaltrohr oder die sonst erforderlichen aufwändigen und verschleißanfälligen Dichtungen verzichtet werden kann.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: 15

Fig. 1 einen äußeren Kupplungsteil im Querschnitt,

Fig. 2 einen inneren Kupplungsteil im Querschnitt,

20 Fig. 3 einen inneren Kupplungsteil in perspektivischer Ansicht mit teilweise geschnittenem Gehäuse,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Kreiselpumpe mit einer daran angeschlossenen magnetischen Kupplung und 25

Fig. 5 die inneren und äußeren Kupplungsteile in Wirkverbindung im Querschnitt.

Ein Außenteil 1 einer magnetischen Kupplung 2 besteht aus einem ring-

30 förmigen, äußeren Stützkörper 3, der an seiner Innenseite parallel zur

Längsmittelachse 4 angeordnete Nuten 5 aufweist, in denen Magnete

6 angeordnet sind. Durch die Nuten 5 sind die Magnete 6 in gleichem

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Abstand verteilt über den Innenumfang des Stützkörpers 3 angeordnet. Die Magnete 6 haben rechteckigen Querschnitt und liegen mit ihrer radial nach außen weisenden Flachseite 7 jeweils in einer Nut 5. An der davon abgewandten, nach innen weisenden Flachseite 8 liegen sie an 5 der Innenseite einer inneren Gehäusewand 9 an, die Teil eines die Magnete 6 hermetisch abschließenden Gehäuses bildet. Die innere Gehäusewand 9 drückt die Magnete durch Vorspannung in die Nuten 5. Da die Magnete 6 rechteckige Form haben, ergibt sich an der inneren Gehäusewand 9 eine etwa linienförmige Anlage parallel zur 10 Längsmittelachse 4.

Ein Innenteil 10 der magnetischen Kupplung 2 weist einen Stützkörper 1 1 auf, der ebenfalls ringförmig ausgebildet ist und über seinen Außenumfang mit parallel zur Längsmittelachse 4 angeordneten Nuten 12 verse-

15 hen ist, in denen Magnete 13 liegen. Die Magnete 13 entsprechen in ihrer Anzahl der der Magnete 6 und haben ebenfalls rechteckigen Querschnitt. Sie liegen jeweils mit zwei Kanten 14 an der Innenseite einer äußeren Gehäusewand 15 an, die ebenfalls Teil eines die Magnete 13 hermetisch abschließenden Gehäuses bildet und derart vorgespannt

20 ist, dass sie die Magnete 13 kraftschlüssig in die Nuten 12 presst. Der Stützkörper 1 1 ist ringförmig und mit einem Hohlzylinder 16 verbunden, der mit Abstand innerhalb des Stützkörpers 1 1 angeordnet ist und über einen Teil seiner Länge mit einem Profil 17 versehen ist, dessen Gegenprofil auf einer Welle sitzt und somit eine Wellen-Nabenverbindung für

25 eine Welle bildet. Der Aufbau des Innenteils 10 im Einzelnen ergibt sich aus Fig. 3.

Wie Fig. 3 insbesondere zeigt, liegen in den Nuten 12 mehrere Magnete 13 in Längsrichtung der Nut gesehen hintereinander. Die Magnete 13 30 sind dabei so angeordnet, dass sie in radialer Richtung magnetisiert sind, d.h. Nordpol und Südpol der einzelnen Magnete sind jeweils in radialer Richtung voneinander beabstandet. Die in Längsrichtung hinter-

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einander in einer Nut 12 angeordneten Magnete sind in ihrer Polarität gleich ausgerichtet, d.h. alle Magnete in einer Nut 12 sind so ausgerichtet, dass ihre Nordpole und ihre Südpole an derselben Seite in radialer Richtung gelegen sind. Dabei wechselt sich die Polarität in Umfangs- 5 richtung nebeneinander liegende Magnete ab, wie durch die Kennzeichnung S für Südpol und N für Nordpol in Fig. 3 dargestellt ist. Das bedeutet in einer Nut sind die Magnete 13 so angeordnet, dass ihr Nordpol radial innen liegend und ihr Südpol radial außen liegend ist, während in den beiden benachbarten Nuten 12 die Magnete so an-

10 geordnet sind, dass ihr Südpol radial innen liegend und ihr Nordpol radial außen liegend ist. Die Anordnung der Polaritäten im Zusammenwirken ist anhand von Fig. 5 ersichtlich, in welcher die Kupplung im gekuppelten Zustand, d. h. wenn das Innenteil 10 innerhalb des Außenteils 1 angeordnet und durch die magnetischen Kräfte der Magnete 6 und

15 13 drehfest mitdiesem verbunden ist. In Figur 5 ist beispielhaft für die Magnete 6 und 13 in einer Ausschnittsvergrößerung die Polung dargestellt. Es ist zu verstehen, dass bei den zu diesen jeweils benachbarten Magneten die Polarität genau umgekehrt ist, d.h. die Nordpole liegen radial außen und die Südpole radial innen. So sind die Magnete in Um-

20 fangsrichtung immer abwechselnd gepolt.

Wie Fig. 5 verdeutlicht, weisen sowohl das Außenteil 1 als auch das Innenteil 10 ein hermetisch dichtes Gehäuse auf, so dass die Magnete 6, 13 gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere umgebenden Fluiden

25 zuverlässig geschützt sind. Zwischen der äußeren Gehäusewand 15 des Innenteils 10 und der inneren Gehäusewand 9 des Außenteils 1 ist ein Spalt gebildet, so dass Außen- und Innenteil mechanisch nicht miteinander verbunden sind und nach überwindung der Magnetkraft zueinander rotierbar sind.

30

In eingebautem Zustand gemäß Fig. 4 ist die magnetische Kupplung 2 zur berührungsfreien Verbindung zwischen einer Eingangswelle 18 und

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einer Abtriebswelle 19 vorgesehen. Die Abtriebswelle 19 bildet hier die Antriebswelle einer Kreiselpumpe 20, die hier nicht im Einzelnen dargestellt ist und beschrieben ist. In der Schnittdarstellung erkennbar ist ein Kreiselrad 21. Wie die Schnittdarstellung nach Fig. 4 weiter zeigt, ist der

5 Stützkörper 1 1 des Innenteils 10 über zwei stimseitige Ringscheiben 22 mit dem Hohlzylinder 16 verbunden. In der vorstehend beschriebenen Ausführung sind diese Bauteile aus Metall und fest miteinander verschweißt, wobei die Ringscheiben 22 den Stützkörper 1 1 und die Magnete 13 radial überragen und mit der äußeren Gehäusewand 15 durch

10 Schweißen dicht und fest verbunden sind.

Beim Außenteil 2 hingegen schließt der Stützkörper 3 an seiner von der Pumpe 20 abgewandten Seite unmittelbar an die Hohlwelle 18 an, die in diesem Bereich abgestuft ausgebildet ist. Zur anderen Seite hin ist der

15 Stützkörper 3 des Außenteils 1 mittels einer Ringscheibe 23 abgedeckt, so dass die Magnete 6 in den Nuten 12 auch in Längsrichtung der Nuten formschlüssig gehalten sind. Stützkörper 3, Hohlwelle 18, Ringscheibe 23 und die innere Gehäusewand 9 sind fest und dicht miteinander verschweißt, so dass auch hier die Magnete 6 hermetisch gegenüber

20 Fluideinflüssen abgeschlossen sind.

Bei der dargestellten Kupplung sind die Magnete 6 und 13 vor Montage der Gehäusewände 9 bzw. 15 in den Nuten 5 bzw. 12 durch Einpressen gehalten. Es können jedoch auch Hilfswerkzeuge oder andere Hilfsmit- 25 tel vorgesehen sein, um diese Stellung während der Montage zu fixieren, die entweder nach Aufbringen und Entspannen der Gehäusewände 9 und 15 entfernt werden oder dort verbleiben.

Die Tiefe der Nuten 5 und 12 ist so gewählt, dass sie maximal 20 % der

30 radialen Erstreckung der zugehörigen Magnete 6 bzw. 13 beträgt, also den Abstand zwischen den Flachseiten 7 und 8. Bei den dargestellten

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Ausführungsbeispielen beträgt die Nuttiefe 10 % der radialen Erstreckung der Magnete 6 bzw. 13.

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Bezυgszeichenliste

1 Außenteil

2 magnetische Kupplung

3 Stützkörper

4 Längsmittelachse

5 Nuten

6 Magnete

7 nach außen weisende Flachseite

10 8 nach innen weisende Flachseite

9 innere Gehäusewand

10 Innenteil

1 1 Stützkörper

12 Nuten

15 13 Magnete

14 Kanten

15 äußeren Gehäusewand

16 Hohlzylinder

1 7 Profil

20 18 Eingangswelle

19 Abtriebswelle

20 Kreiselpumpe

21 Kreiselrad

22 Ringscheiben

25 23 Ringscheibe

N - Nordpol

S - Südpol

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