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Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Kolbenmaschine,
insbesondere einen Hydromotor eines hydrostatisch
angetriebenen Fahrzeugs, und ein Übertragungssystem.
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Die Antriebseinheit eines hydrostatisch angetriebenen
Fahrzeugs, wie beispielseise einem Bagger, besteht aus einer
als Pumpe arbeitenden hydrostatischen Kolbenmaschine, sowie
einer als Hydromotor arbeitenden hydrostatischen
Kolbenmaschine. Die als Pumpe arbeitende hydrostatische
Kolbenmaschine wird von einem Antriebsmotor angetrieben. Der
Antriebsmotor eines Fahrzeugs mit einem bezüglich eines
Unterwagens drehbar angeordneten Oberwagens sowie die
hydrostatische Kolbenmaschine, welche als Pumpe arbeitet,
sind dabei zumeist in dem Oberwagen angeordnet. Der
Oberwagen ist mit einer drehbaren Einrichtung auf einem
Unterwagen fixiert. Die als Motor arbeitenden
hydrostatischen Kolbenmaschinen, welche für den Fahrantrieb
vorgesehen sind, sind in dem Unterwagen angeordnet. Die
hydrostatischen Kolbenmaschinen des Ober- bzw. Unterwagens
sind über ein Leitungssystem miteinander verbunden, über
welches Arbeitsdrücke, Steuerdrücke und Tankdrücke
übertragbar sind.
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In dem Oberwagen ist ferner die elektrische Anlage
angeordnet, durch welche beispielsweise die Drehzahl des
Antriebsmotors geregelt wird oder Schaltventile zur
Betätigung des Schaufelarmes gestellt werden. Die
Energieversorgung der elektrischen Anlage wird durch einen
an den Antriebsmotor angekoppelten Generator gewährleistet,
durch den eine Batterie gespeist wird mit der die
elektrischen Verbraucher über ein Netz von elektrischen
Leitungen verbunden sind.
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Die Steuerung und Regelung der im Unterwagen angeordneten
hydrostatischen Kolbenmaschine, etwa zum Korrigieren der
Fahrgeschwindigkeit, erfolgt ausschließlich über
Steuerdrücke und hydraulisch betätigte Regelventile. Eine
Durchführung von elektrischen Leitungen vom Oberwagen in den
Unterwagen ist aufgrund der Möglichkeit, den Oberwagen
unbegrenzt in eine beliebige Richtung drehen zu können,
unmöglich. Ebenso ist eine Verbindung des Oberwagens mit dem
Unterwagen durch Schleifkontakte in der Praxis wenig
geeignet, da aufgrund der schwierigen Arbeitsbedingungen mit
hoher Neigung zum Verschmutzen, bei denen Fahrzeuge der
beschriebenen Art eingesetzt werden, eine Ausfallsicherheit
nicht gewährleistet werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Übertragungssystem, mit der auch in dem Unterwagen
elektrische Signale verarbeitet werden können, und durch die
eine Kommunikation mit dem Oberwagen ermöglicht wird und
eine zur Energieversorgung des Unterwagens geeignete
hydrostatische Maschine zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße hydrostatische
Kolbenmaschine nach Anspruch 1 sowie das Übertragungssystem
nach Anspruch 7 gelöst.
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Durch die Anordnung von elektrisch leitfähigen Wicklungen im
Inneren eines Gehäuses einer hydrostatischen Kolbenmaschine
und zumindest eines permanentmagnetischen Körpers an einer
im Betrieb rotierenden Zylindertrommel gemäß Anspruch 1 wird
im Inneren der hydrostatischen Kolbenmaschine ein Generator
geschaffen. Die Integration des Generators in die
Kolbenmaschine erspart nicht nur zusätzlichen Bauraum durch
die Anordnung eines externen Generators, sondern reduziert
auch den konstruktiven Aufwand, da das Herausführen einer
zusätzlichen Antriebswelle, zum Antrieb des externen
Generators entfällt. Durch den integrierten Generator kann
beispielsweise die Energie, die zum Betätigen von Regel- und
Schaltventilen sowie Sensoren im Bereich der hydrostatischen
Kolbenmaschine erforderlich ist in unmittelbarerer Nähe
erzeugt werden, so daß eine aufwendige Verlegung von
elektrischen Zuleitungen aus einer zentralen Versorgung
entfällt. Durch die nur kurzen Leitungswege sinkt nicht nur
der Installationsaufwand, sondern auch eine eventuelle
Fehlersuche ist einfach möglich.
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Das Übertragungssystem gemäß Anspruch 7 hat den Vorteil, daß
im Ober- bzw. im Unterwagen eines Fahrzeugs zwei
abgeschlossene, miteinander kommunizierende Systeme
angeordnet sind. Dadurch ist der Betrieb verschleißfrei
möglich. Die problematische Durchführung der elektrischen
Leitungen von dem Oberwagen in den Unterwagen entfällt.
Damit wird nicht nur der Konstruktionsaufwand verringert,
sondern auch die Betriebssicherheit der Anlage erhöht. Ein
weiterer Vorteil ist die durch das Übertragungssystem
geschaffene Möglichkeit, Regelelektronik im Bereich des
Unterwagens einzusetzen. Damit können einstellungssensible
Bauteile, wie zum Beispiel Regelventile durch elektronische
Lösungen ersetzt werden.
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Neben den vielseitigen Möglichkeiten zur Erweiterung der
Regelungstechnik im Unterwagen, bietet das
Überwachungssystem auch die Möglichkeit, die Funktion der im
Unterwagen angeordneten Baugruppen zu überwachen. So kann
beispielsweise der Fahrer über Temperatur, Drehzahl, Druck
oder andere den Fahrzustand der Antriebseinheit betreffenden
Größen informiert werden.
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Durch die in den Unteransprüchen angeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen der hydrostatischen
Kolbenmaschine und des Übertragungssystems möglich.
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In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen der
hydrostatischen Kolbenmaschine und des Übertragungssystems
vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines hydrostatisch
angetriebenen Fahrzeugs mit einem Ober- und einem
Unterwagen;
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Fig. 2 einen Teilschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen hydrostatischen
Kolbenmaschine;
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Fig. 3 einen Teilschnitt im Ausschnitt 3 der Fig. 2 durch
eine erfindungsgemäße hydrostatische
Kolbenmaschine; und
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Fig. 4 eine Schnittdarstellung entlang der Linie IV-IV
der Fig. 3.
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In Fig. 1 ist ein hydrostatisch angetriebenes Fahrzeug
dargestellt, wobei in einem Teilaufriss die wesentlichen
Komponenten des hydrostatischen Antriebs dargestellt sind.
Das Fahrzeug weist einen Oberwagen 1 und einen Unterwagen 2
auf, welche drehbar miteinander verbunden sind. In dem
Oberwagen 1 ist ein Antriebsmotor 3 angeordnet, welcher im
Normalfall als Brennkraftmaschine ausgeführt ist. Die
Abtriebswelle des Antriebsmotors 3 ist mit einer
hydrostatischen Kolbenmaschine 4 verbunden. In dem Oberwagen
1 ist weiterhin eine elektrische Anlage 12b angeordnet,
welche von einer Batterie 5 mit elektrischer Energie
versorgt wird. Die Batterie 5 wird durch einen nicht
dargestellten Generator, der von dem Antriebsmotor 3
angetrieben wird, gespeist. In der Zeichnung ist die
elektrische Anlage 12b als Einheit zusammengefaßt
dargestellt. Sie umfaßt neben den Signaleinrichtungen des
Fahrzeugs auch Eingänge für die Bedienelemente, wie etwa
Fahrhebel, Fahrtrichtungsanzeiger usw., sowie Ein- und
Ausgänge für die Steuer- und Regelelektronik des
Antriebsmotors 3.
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Ein von der hydrostatischen Kolbenmaschine 7 gespeistes
Leitungssystem 6 führt durch einen Drehkranz 8, der den
Oberwagen 1 mit dem Unterwagen 2 verbindet, in den
Unterwagen 2 und verbindet so einen Hydromotor 7 mit der
hydrostatischen Kolbenmaschine 4. Das Leitungssystem 6 kann
neben den Arbeitsdruckleitungen für den Fahrantrieb auch
eine oder mehrere Steuerleitungen sowie zusätzliche
Druckleitungen und eine Tankleitung zur Betätigung einer
Lenkeinrichtung aufweisen. Die Steuerleitungen dienen
beispielsweise der Einstellung eines Schwenkwinkels des
Hydromotors 7. Die Abtriebswelle des Hydromotors 7 ist über
eine Kardanwelle und ein nicht dargestelltes
Verteilergetriebe mit zumindest einer Achse des Fahrzeugs
verbunden (Beispiel Radbagger).
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Der Hydromotor 7, der unter Bezugnahme auf die Fig. 2-5
ausführlich beschrieben wird, weist einen integrierten
Generator auf, dessen Anschlußleitungen mit einem
Kondensator 10 verbunden sind. Der Kondensator 10 dient als
Zwischenspeicher der von dem integrierten Generator
erzeugten elektrischen Energie. Damit ist es möglich, auch
während eines kurzfristigen Anhaltens des Hydromotors 7
ausreichend elektrische Energie zu Verfügung zu haben, um
die Stromversorgung der elektrischen Anlage 12a des
Unterwagens 2 sicherzustellen. Zur elektrischen Anlage 12a
des Unterwagens 2 gehören z. B. Drehzahlsensoren,
Temperatur- sowie Druckfühler oder elektrische
Schaltventile, welche in der Zeichnung allgemein als
Sensoren 13 dargestellt sind.
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Weiterhin umfaßt die elektrische Anlage 12a des Unterwagens
2 eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung 11a, welche mit
einer in der elektrischen Anlage 12b des Oberwagens 1
angeordneten zweiten Sende- und/oder Empfangseinrichtung 11b
kommuniziert. Die Kommunikation zwischen der Sende- und/oder
Empfangseinrichtung 11a des Unterwagens 2 und der zweiten
Sende- und/oder Empfangsvorrichtung 11b des Oberwagens 1
erfolgt durch die Übertragung von Funksignalen, wobei
vorzugsweise das Bluetooth-Verfahren eingesetzt wird. Durch
die Funkverbindung zwischen den elektrischen Anlagen 12a und
12b des Unterwagens 2 bzw. des Oberwagens 1 ist es möglich,
die Werte, welche in den Sensoren 13 erfaßt werden, z. B. in
der Armaturentafel des Führerhauses des Oberwagens 1
anzuzeigen und so dem Fahrzeugführer mitzuteilen. Bei der
Bluetooth Technologie kann die Information, (z. B.
Wirkungsgrad Überwachung, Serviceintervalle,
Zykluszeitenstatistik) auch weitergesendet werden und
woanders verarbeitet werden.
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Zur Informationsübermittlung an den Fahrzeugführer ist es
ausreichend, die Sende- und/oder Empfangseinrichtung 11a des
Unterwagens als reine Sendevorrichtung auszubilden, welche
Maßsignale an die Sende- und/oder Empfangseinrichtung 11b,
welche als reine Empfangseinrichtung ausgebildet ist,
übermittelt. Wird die Funkverbindung bidirektional
ausgeführt, so ist es zudem möglich, zwischen der Sende-
und/oder Empfangseinrichtung 11b des Oberwagens 1 und der
Sende- und/oder Empfangsvorrichtung 11a des Unterwagens 2
Steuerbefehle zu übertragen. So kann die Änderung eines
Fahrbefehls durch den Fahrzeugführer im Unterwagen 2 durch
direkte Betätigung von Schaltventilen umgesetzt werden. Die
Anzahl der durch den Drehkranz 8 durchzuführenden
hydraulischen Leitungen kann damit reduziert werden, Damit
sinkt neben den Herstellungskosten auch die Gefahr einer
Leckage im Bereich der drehbaren Leitungsverbindung.
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In Fig. 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines
Hydromotors 7 eines hydrostatischen angetriebenen Fahrzeugs
dargestellt. Das Gehäuse des Hydromotors 7 besteht aus einem
ersten Gehäuseteil 15 und einem zweiten Gehäuseteil 16. In
dem ersten Gehäuseteil 15 ist eine Abtriebswelle 17 drehbar
gelagert. Eine Zylindertrommel 18 ist verdrehgesichert auf
der Abtriebswelle 17 angeordnet. Die Zylindertrommel 18
weist um ihre Mittelachse 50 herum angeordnet mehrere
parallel zur Mittelachse 50 ausgerichtete Zylinderbohrungen
19 auf. In den Zylinderbohrungen 19 sind Kolben 20
angeordnet, welche mit der Zylinderbohrung 18 zu einem
Zylinderraum zusammenwirken. Die Kolben 20 sind hohl
ausgeführt und weisen an ihrer von dem Zylinderraum
abgewandten Seite eine Kugelgelenkverbindung mit einem
Gleitschuh 22 auf, wobei sich der Gleitschuh 22 auf einer
Schrägscheibe 21 abstützt. Der Neigungswinkel der
Schrägscheibe 21 bezüglich der Mittelachse 50 der
Zylindertrommel 18 ist mit Hilfe einer druckbetätigten
Verstellvorrichtung 51 einstellbar, wodurch sich der Hub der
Kolben 20 und somit das Schluckvolumen des Hydromotors 7
einstellen läßt.
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An dem äußeren Umfang der Zylindertrommel 18 sind über ihren
Umfang verteilt Außennuten 23 in die Mantelfläche der
Zylindertrommel 18 eingebracht. Die Außennuten 23 erstrecken
sich in Längsrichtung der Zylindertrommel 18 und treten
zumindest auf der von der Schrägscheibe 21 abgewandten Seite
der Zylindertrommel 18 stirnseitig aus. Im Eingriff mit den
Außennuten 23 sind an der Zylindertrommel 18 erste
Bremsscheiben 24 angeordnet. Die im dargestellten
Ausführungsbeispiel 3 ersten Bremsscheiben 24 weisen an
ihrem inneren Umfang eine mit der Geometrie der Außennut 23
korrespondierende Verzahnung auf, mit der die ersten
Bremsscheiben 24 von der Stirnseite 52 her auf die
Zylindertrommel 18 aufgeschoben sind. Jede der drei ersten
Bremsscheiben 24 ist zwischen zweiten Bremsscheiben 25
angeordnet, wobei die zweiten Bremsscheiben 25 an ihrem
äußeren Umfang eine Verzahnung aufweisen, mit der sie sich
im Eingriff mit Innennuten 26 befinden, die in das erste
Gehäuseteil 15 eingebracht sind.
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Der Durchmesser der kreisförmigen Außengeometrie der ersten
Bremsscheiben 24 ist größer als der Durchmesser der
kreisförmigen Innengeometrie der zweiten Bremsscheiben 25,
so daß sich eine kreisscheibenförmige Kontaktfläche zwischen
den jeweils benachbarten ersten und zweiten Bremsscheiben 24
und 25 ergibt. Die ersten und zweiten Bremsscheiben 24 bzw.
25 sind in axialer Richtung nicht in dem ersten Gehäuseteil
15 fixiert, wobei durch eine radiale Stufung 27 in dem
ersten Gehäuseteil 15 eine Anlagefläche in Richtung der
Schrägscheibe 21 für die äußerste zweite Bremsscheibe 25
ausgebildet ist. Auf der von der radialen Stufung 27
abgewandten Seite des Satzes erster und zweiter
Bremsscheiben 24 und 25 ist ein Bremsring 28 angeordnet,
welcher sich in axialer Richtung in Anlage mit der
Stirnfläche 53 einer zweiten Bremsscheibe 25 befindet.
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Der Bremsring 28 weist an seinem äußeren Umfang eine radiale
Stufe auf, welche mit einer zweiten radialen Stufe 33 des
ersten Gehäuseteiles 15 korrespondiert. Durch die radiale
Stufung des Bremsrings 28 ist an dem Bremsring 28 eine
Kolbenfläche 34 ausgebildet, welche zusammen mit der zweiten
radialen Stufung des ersten Gehäuseteils 15 einen Druckraum
ausbildet. In den Druckraum mündet eine Steuerleitung 35,
welche als Bohrung in dem ersten Gehäuseteil 15 eingebracht
ist.
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Auf seiner von der Schrägscheibe 21 abgewandten Seite weist
der Bremsring 28 mehrere über den Umfang verteilte
Ausnehmungen 32 auf, in welche Führungshülsen 29 eingesetzt
sind. In das zweite Gehäuseteil 16 sind Führungsstifte 30
eingepreßt, auf welchen ein Teil der Führungshülsen 29
geführt ist und damit der Bremsring 28 axial verschieblich
gelagert ist. In dem anderen Teil der Führungshülsen 29 ist
anstelle des Führungsstiftes 30 je eine Druckfeder 31
angeordnet, welche sich an dem Bremsring 28 bzw. der
Stirnseite des zweiten Gehäuseteils 16 auf der
gegenüberliegenden Seite abstützt. Der Bremsring 28 wird
damit in axialer Richtung mit einer Kraft beaufschlagt,
welche ihn in Richtung der Schrägscheibe 21 drückt.
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Zwischen den ersten und zweiten Bremsscheiben 24 und 25 wird
durch die von dem Bremsring 28 ausgeübte Axialkraft eine
Flächenpressung erzeugt. Bei sich drehender Zylindertrommel
18 und der damit verbundenen ersten Bremsscheiben 24 wird
durch die Verzahnungen der ersten und zweiten Bremsscheiben
24 und 25 mit dem ersten Gehäuseteil 15 bzw. der
Zylindertrommel 18 dadurch eine Bremskraft auf die
Zylindertrommel 18 erzeugt.
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Über die Steuerleitung 35 ist in dem Druckraum ein Druck
erzeugbar, durch den über die Stirnfläche 34 eine Kraft auf
den Bremsring 28 wirkt, der der Kraft der Druckfedern 31entgegengerichtet ist. Diese Gegenkraft kann soweit erhöht
werden, bis von dem Bremsring 28 keine Kraft in axialer
Richtung auf die ersten und zweiten Bremsscheiben 24 und 25
übertragen wird. Die Flächenpressung zwischen den ersten und
zweiten Bremsscheiben 24 und 25 wird verringert und die
Bremskraft auf die Zylindertrommel 18 reduziert. Zur
Begrenzung des axialen Hubes des Bremsrings 28 ist in einer
Nut des ersten Gehäuseteils 15 eine Anschlagscheibe 42
angeordnet.
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In dem Bremsring 28 ist eine Wicklung 36 aus einem
elektrisch leitenden Material eingebracht. Die
Anschlußleitungen 40 der Wicklungen 36 werden durch eine in
die Stirnseite des Bremsrings eingebrachte Nut 37 und eine
in dem ersten Gehäuseteil 15 angeordnete korrespondierende
zweite Nut 38 herausgeführt. Durch die Verlegung der
Anschlußleitungen in einer ersten und zweiten Nut 37 und 38
ist eine Möglichkeit zur axialen Bewegung der
Anschlußleitungen 40 relativ zu dem Bremsring 28 und dem
ersten Gehäuseteil 15 gegeben. Die axiale Verschiebung des
Bremsrings 28 in dem ersten Gehäuseteil 15, bei einer
Betätigung oder einem Lösevorgang der Lamellenbremse, führt
damit nicht zu einem Knicken der Anschlußleitungen 41 an der
Stelle der Relativbewegung. Bei einer ausreichend großen
Dimensionierung der zweiten Nut 38 kann die Anschlußleitung
41 in dem Bremsring 28 auch vollständig umspritzt sein. Die
Verlegung der Anschlußleitung 41 erfolgt dann in einer
entsprechend großzügig bemessenen Schlaufe in der zweiten
Nut 38.
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An der Zylindertrommel 18 ist ein Magnetkörper 41
angebracht, dessen Position in axialer Richtung mit der
Position der Wicklung 36 korrespondiert, so daß bei Drehung
der Zylindertrommel 18 durch das sich ändernde Magnetfeld in
der Wicklung 36 eine elektrische Spannung induziert wird.
Die Anschlußleitungen 40 sind durch eine Bohrung 39 in dem
zweiten Gehäuseteil 16 einem Regler 43 zugeführt, durch den
die Spannung, welche mit der Drehzahl der Zylindertrommel 18
variiert, auf einen Maximalwert begrenzt wird. Zur
Speicherung der erzeugten Energie ist mit dem Regler 43 ein
Elektrolytkondensator 44 verbunden, aus dem die Versorgung
der weiteren elektrischen Anlage 45 sichergestellt wird.
Durch den Regler 43 und den Elektrolytkondensator 44 wird
der weiteren elektrischen Anlage 45 eine Gleichspannung
konstanter Größe zugeführt. Die Pufferung kann anstatt mit
einem Kondensator auch mit einem Akkumulator erfolgen.
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Zur Aufnahme des Reglers 43 des Elektrolytkondensators 44
sowie der elektrischen Anlage 45 ist in einer Außenseite des
zweiten Gehäuseteils 16 ein Raum 46 angeordnet, der mit
einem Deckel 47 verschließbar ist, wobei der Deckel 47 für
Arbeiten an der elektrischen Anlage 45 abnehmbar ist. Bei
Verwendung eines Funkübertragungssystems mit der Bluetooth
Technologie ist eine Miniaturisierung der Komponenten
einfach möglich, so daß die Sende- und/oder
Empfangseinrichtung als Teil der elektrischen Anlage 45
ausgeführt sein kann.
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Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung im Ausschnitt 3
der Fig. 3. Die Anschlußleitungen 40 der Wicklungen 36
werden entlang der ersten Nut 37 aus dem Bremsring 28
herausgeführt. Der Bremsring 28 ist vorzugsweise aus einem
Kunststoff hergestellt, so daß die Wicklung 36 durch
Umspritzen in dem Bremsring 28 fixiert werden kann. Um eine
vollständige Reduzierung des Druckvolumens zu verhindern,
sind an der Stirnfläche 34 des Bremsrings 28 Stege 34a
angebracht. In der Außennut 23 der Zylindertrommel 18 ist
der Magnetkörper 41 angeordnet.
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Eine Schnittdarstellung entlang der Linie IV-IV der Fig. 3
ist in Fig. 4 dargestellt. In dem Bremsring 28 sind über den
Umfang verteilt mehrere Wicklungen 36 angeordnet, wobei die
Wicklungen 36 zur Erhöhung der von dem wechselnden
Magnetfeld durchdrungenen Anzahl von Wicklungen 36 in Serie
angeordnet sind. Entsprechend der Anzahl von Wicklungen 36
sind in den Außennuten 23 der Zylindertrommel 18 mehrere
Magnetkörper 41 angeordnet. Die Magnetkörper 41 können zur
Fixierung beispielsweise in die Außennuten 23 eingepreßt
sein.
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Um die Montage und die Befestigung der einzelnen
Magnetkörper 41 auf der Zylindertrommel 18 zu vereinfachen,
können die Magnetkörper 41 ebenfalls in einem Kunststoffring
vergossen sein, der einteilig auf die Zylindertrommel 18
aufschiebbar ist.
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Ferner ist es möglich, durch mehrere voneinander getrennte
Wicklungssysteme, welche jedoch gemeinsam in einem Bremsring
28 angeordnet werden, eine mehrphasige Spannungserzeugung
auszubilden und durch unterschiedliche Anzahlen von
Wicklungen in den einzelnen Wicklungssträngen
unterschiedliche Maximalspannungen zu erzeugen, wovon eine
Phase durch einen Elektrolytkondensator 44 gepuffert sein
kann, während die zweite nur zur Versorgung von Aggregaten
eingesetzt wird, deren Funktion nur im Fahrbetrieb
erforderlich ist.