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Getriebe mit elektrischer Schlupfkupplung Die Erfindung bezieht sich
auf ein Getriebe mit elektrischer Schlupfkupplung.
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Solche Getriebe sind an sich bereits in verschiedenen baulichen Abwandlungen
bekannt. Sie werden sowohl für direkten Antrieb als auch bei über ein Zwischengetriebe
bewirktem, indirektem Antrieb, so beispielsweise zum Antrieb von Schiffsschrauben
mittels Dieselmotoren, angewendet. Die bisher bekanntgewordenen Bauarten der für
solche Getriebe verwendeten elektrischen Schlupfkupplungen bestehen aus zwei zueinander
konzentrisch umlaufenden, mechanisch nicht miteinander gekuppelten Teilen. Den einen
dieser Kupplungsteile bildet ein gleichstromerregtes, umlaufendes Polrad, den zweiten
Kupplungsteil bildet ein etwa dem Anker einer Asynchronmaschine entsprechender,
umlaufender Käfiganker. Bei Bewegung dieser beiden Teile gegeneinander werden in
den Käfigstäben Ströme induziert, die im Zusammenwirken mit dem Drehfeld des Polrades
sowohl am Polrad als auch am Anker angreifende Drehmomente entwickeln, so daß der
eine dieser Kupplungsteile, beispielsweise der Käfiganker, vom anderen, rascher
laufenden angetriebenen Kupplungsteil, beispielsweise dem Polrad, im Schlepp mitgenommen
wird. Ob hierbei das Polrad oder der Käfiganker angetrieben wird, ist gleichgültig,
ebenso, ob das als Primärteil dienende, die gleichstromerregten Magnetspulen tragende
Polrad den als Sekundärteil ausgebildeten Kurzschlußkäfig umschließt oder von diesem
umschlossen wird. Im ersteren Fall ist das Polrad mit Innenpolen, im zweiten mit
Außenpolen ausgerüstet.
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Neben Getrieben mit solchen zweiteiligen elektrischen Schlupfkupplungen
sind auch besonderen Verwendungszwecken angepaßte Getriebe mit anderen Bauformen
solcher elektrischer Kupplungen bekanntgeworden.
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So beschreibt beispielsweise die deutsche Patentschrift 882 269 einen
stufenlos regelbaren elektrischen Steuermotor mit umlaufender Ständerwicklung, die
elektrisch gegenläufig so ausgebildet ist, daß sie von allen umlaufenden Motorteilen
die geringste mechanische Drehzahl hat und auf einem zwischen dem Gehäuse und dem
Läufer umlaufenden Endläufer angeordnet ist, wobei der Endläufer die Lager für den
Läufer trägt. Der Endläufer ist dabei an einer Stirnseite als Gehäuse für die Kupplung
des Läufers mit denn Antriebsmotor ausgebildet. Eine Einrichtung zum Steuern des
Drehmoments eines wechselstromgespeisten Motors bei Verwendung einer elektromagnetischen
Wirbelstromkupplung beschreibt die deutsche Patentschrift 894 272.
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Eine andere Verwendung elektrodynamischer Schlupfkupplungen mit Gleichstromerregung,
insbesondere für Schiffsantriebe, bei welcher Mittel zur zeitweisen Erhöhung des
Erregerstromes der Kupplung vorgesehen sind, beschreibt beispielsweise die deutsche
Patentschrift 887532.
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Bei elektrischen Schlupfkupplungen der vorbeschriebenen, bereits bekannten
Bauarten ist es notwendig, den zur Erregung des Magnetsystems des Primärteiles erforderlichen
Strom dem die Spulen tragenden, umlaufenden Polrad über Schleifringe zuzuführen.
Dabei muß nicht nur der Verschleiß an Schleifringen und Bürsten in Kauf genommen
werden, sondern es bilden sich außerdem zufolge der hohen Selbstinduktion des umlaufenden
Polrades bei raschen Drehzahländerungen und damit verbundenen Spannungsänderungen
derart hohe Spannungsspitzen aus, daß Überschläge an Schleifringen und Bürsten unvermeidbar
sind. Dazu kommt, daß die umlaufenden beiden Teile der Kupplung (Polrad und Kurzschlüßanker)
beachtliche Schwungmassen darstellen, die bei Verringerung der Drehzahl oder bei
Änderung der Drehrichtung abgebremst bzw. wieder beschleunigt werden müssen, wodurch
die Geschwindigkeit des Ansprechens der Regelung begrenzt ist. Zufolge dieses verhältnismäßig
langsamen Einsetzens der Regelung sind solche Getriebe zur Regelung auf konstante
Drehzahl bei wechselndem Drehmoment zu träge. Als weiterer Nachteil kommt hinzu,
daß als Magnetspulen vielfach nicht einfache Ringspulen genügen, sondern den Polen
besonders angepaßte Spulenformen notwendig sind, die überdies gegen die Wirkung
der Fliehkraft verankert werden müssen und trotzdem nicht selten zu Isolierfehlern
infolge Durchscheuerns der Isolierung durch Vibrieren der Bewicklung führen.
Beim
Gegenstand der Erfindung werden diese Nachteile dadurch verringert, daß die Erregerwicklung
der Schlupfkupplung im Raum feststehend angeordnet ist, so daß Schleifkontakte oder
andere bewegliche Stromzuführungen mit allen ihren Komplikationen entfallen und
überdies durch Verringerung der Schwungmassen der umlaufenden Teile eine rasch ansprechende
Regelung ermöglicht wird. Die Spulen können als einfache Ringspulen ausgebildet
sein; die bei umlaufenden Ankerspulen sonst notwendigen Bandagen entfallen. Das
neue Getriebe ist insbesondere dort von Vorteil, wo es sich darum handelt, Maschinen
und Mechanismen anzutreiben, die eine sehr exakte Regelung erfordern und auch dann,
wenn auf konstante Drehzahl bei wechselndem Drehmoment geregelt werden soll.
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Um die Schleifkontakte zu umgehen, wurde zwar bereits vorgeschlagen
(vgl. die Druckschrift »AEG-Motoren« vom Juni 1954, S.41 - »Magnetpulverkupplungen«),
die Spannung für den Erregergleichstrom von den Motorklemmen über einen induktiven,
also kontaktlosen Übertrager dem umlaufenden Kupplungsteil zuzuführen. Bei dieser
Ausführung muß dieser Kupplungsteil jedoch auch noch die notwendige Gleichrichteranordnung
aufnehmen, die mit ihm umläuft, was bei der neuen Anordnung gemäß dem Gegenstand
der Erfindung nicht erforderlich ist.
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Es sind zwar auch bereits Getriebe mit elektrischer Schlupfkupplung
bekannt (USA-Patentschriften 2 233 060 und 2 488 827 sowie 2 193 214), bei denen
die Erregerwicklung im Raum feststehend angeordnet ist und Polrad und Anker konzentrisch
gelagert sind. Diese bekannten Schlupfkupplungen sind jedoch so ausgebildet, daß
ein Magnetjoch zwei drehbare Scheiben oder Zylinder umfaßt. Eine oder auch beide
Scheiben oder Zylinder sind so geformt, daß der vom Magnetjoch ausgehende Kraftfluß
sie in verschiedener Stärke längs ihres Umfanges durchflutet. Hierbei ist im Optimum
eine Kraftflußdifferenz zwischen benachbarten Gebieten auf den Rotationskörpern
vom maximalen Fluß bis zur Kraftflußfreiheit möglich.
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Zum Unterschied von diesen bekannten Getrieben mit elektrischer Schlupfkupplung
und im Raum feststehender Erregerwicklung ist die neue Anordnung gemäß der Erfindung
so getroffen, daß die Polringe koaxial nebeneinander angeordnet sind, wobei südpolarisierte
mit nordpolarisierten Polringen in der Reihenfolge abwechseln und der jeden Polring
sowie den ihm benachbarten Polflügel und den Kurzschlußanker durchflutende Kraftfluß
in sich geschlossen ist. Dieser Kraftlinienfluß ändert in aufeinanderfolgenden Sektoren
des Ankerkörpers in Abhängigkeit von der jeweiligen Lage des betreffenden Ankersektors
zu den umlaufenden Polflügeln sowohl seine Intensität als auch seine Richtung.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung sind zwei oder mehrere auf dem
Polrad über seinen Umfang gleichmäßig verteilte Polflügel, die im Raum zwischen
den Polringen und dem Anker umlaufen, an ihrer den Polringen zugekehrten Mantelfläche
so profiliert, daß c jeder nordpolarisierte Flügel an die nordpolarisierten Polringe
bis auf einen kleinen Luftspalt heranreicht und von den südpolarisierten Polringen
durch einen breiten Luftspalt getrennt ist, wogegen der ihm benachbarte südpolarisierte
Polflügel in seiner Profilierung etwa dem Negativ des nordpolarisierten entspricht.
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Durch diese Anordnung des magnetischen Kreises gemäß der Erfindung
werden die benachbarten Segmente des äußeren Polrades entgegengesetzt polarisiert
und die benachbarten Gebiete des Innenrotors ebenfalls entgegengesetzt durchflutet,
so daß bei einer Relativbewegung zwischen den benachbarten Segmenten des äußeren
Polrades zum Innenrotor durch diesen eine Änderung der Durchflutung vom Maximum
des negativen Flusses bis zum Maximum des positiven Flusses eintritt.
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Da nach dem Induktionsgesetz die elektromotorische Kraft ist, erreicht
man mit der neuen Anordnung gemäß der Erfindung zum Unterschied von den bekannten
Anordnungen gleicher Abmessungen die doppelte Spannung und somit das doppelte Schlupfmoment.
Die Ausnutzung ist sogar höher, da bei der Ausbildung gemäß der Erfindung die gesamte
Polfläche zwischen den Rotorkörpern größer ist als bei den bekannten Anordnungen.
Weitere Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung sollen an Hand von
Ausführungsbeispielen besprochen werden, von welchen die Zeichnung einige in schematischer
Darstellung zeigt.
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Fig. 1 zeigt einen senkrechten Axialschnitt durch ein Getriebe gemäß
der Erfindung; Fig.2 stellt in perspektivischer Ansicht einen Schnitt nach II-II
in Fig. 1 dar; Fig.3 ist ein senkrechter Schnitt durch ein abgeändertes Getriebe;
Fig. 4 zeigt in senkrechtem Schnitt den Zusammenbau zweier Aggregate gemäß Fig.
1 mit gemeinsamer Hauptwelle, wobei das zweite Aggregat als Bremse zum Ändern des
Drehsinns oder der Kraftrichtung verwendet wird; Fig. 5 zeigt in senkrechtem Schnitt
den Zusammenbau eines Aggregats gemäß Fig. 1 mit einem als Bremse arbeitenden Aggregat
mit im Raum feststehenden Polflügeln; Fig.6 zeigt in senkrechtem Schnitt eine abgeänderte
Bauart des Getriebes mit einer im Gehäuse befestigten Tragachse für den Erregermagneten
und mit außenliegendem Anker; Fig.7 ist ein senkrechter Schnitt durch eine Bauart
mit zur Schlupfkupplung konzentrisch angeordnetem Bremsaggregat; Fig. 8 und 9 sind
senkrechte Schnitte durch mit einem Differentialgetriebe zusammengebaute Elektrogetriebe
zum Zwecke der Drehzahl-Drehmomentenwandlung.
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Auf der Hauptwelle 1 des in Fig. l dargestellten Getriebes ist der
Anker 2 befestigt. Kontentrisch zu diesem Anker sind Polflügel 6 bzw. 6' drehbar
angeordnet. Die diese Polflügel tragende Trommel 7 ist mittels ihrer Hohlwelle 7'
und Wälzlagern 8, 8' auf der Hauptwelle 1 gelagert. Die umlaufenden Teile 2, 6 bzw.
6' und 7 sind in einem sie konzentrisch umgebenden, im Raum feststehenden Getriebegehäuse
10, 11 - beispielsweise mittels Wälzlagern 9, 9'- gelagert. Der Mantel 11 dieses
Gehäuses trägt Polringe 12, 13, 14 sowie Erregerspulen 15, 16, welche die umlaufenden
Polflügel 6, 6' bei Wahrung eines Luftspaltes L umgeben. Ja, nach der verlangten
Anlaufcharakteristik kann der Anker 2 die bei Kurzschlußmotoren übliche Käfigform
aufweisen und z: B: mit Rundstäben bei geringem Anlaufmoment und Flachstäben oder
mit einem Doppelkäfig bei hohem Anlaufmoment ausgeführt sein. Diese Stäbe 5 sind
dann in an sich bekannter Weise mittels Ringe kurzgeschlossen. Der Anker 7 kann
jedoch auch als Volleisenkörper ausgebildet und mit zwei Kurzschlußringen 4 an den
Stirnseiten versehen sein. Ferner ist es möglieh, den Ankerkörper zu verkupfern,
um eine besonders
flache Anlaufcharakteristik zu erreichen. Um
die sich im Anker 2 bildende Wärme von der Ankermitte bzw. von der Hauptwelle 1
und den Lagern 8, 8' fernzuhalten, wird entweder zwischen dem Ankerkörper und der
Hauptwelle eine aus wärmeisolierendem Material bestehende Büchse 3 angeordnet, oder
es können in der Nähe der Hauptwelle parallel zur Wellenachse verlaufende, durch
den Ankerkörper geführte Bohrungen vorgesehen werden. Ebenso ist es möglich, beide
Vorkehrungen - Isolierbüchse und Langlöcher - gemeinsam vorzusehen.
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Weitere Einzelheiten und die Wirkungsweise des Getriebeaggregats sollen
an Hand der Schnittzeichnung gemäß Fig. 2 erörtert werden.
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Der Erregermagnet wird aus den beispielsweise aus Dynamoblechscheiben
zusammengesetzten Polringen 12, 13, 14 und dem das Joch bildenden Gehäusemantel
11 gebildet. Die Ringspulen 15, 16 werden derart vom Strom durchflossen, daß je
zwei benachbarte Polringe entgegengesetzte Polarität aufweisen, so daß Nordpolringe
mit Südpolringen abwechseln. Je höher die Polringzahl gewählt wird, um so gleichmäßiger
ist die Verteilung des gesamten Magnetflusses. Innerhalb der Polringe 12, 13, 14
laufen die Polflügel 6, 6' um. Diese dünnen Polflügel verringern die Masse der umlaufenden
Teile. Sie sind so ausgebildet, daß beispielsweise der Polflügel 6 zu den Polringen
12 und 14 einen nur geringen Luftspalt aufweist, wogegen zwischen dem Mittelteil
dieses Flügels und dem mittleren Polring 13 ein breiter Luftspalt vorgesehen ist.
Der Polflügel 6 ist nordpolarisiert. Der Gegenpolflügel 6' entspricht in seiner
Profilierung etwa dem Negativ des Polflügels 6. Der Luftspalt zwischen dem Mittelteil
des Flügels 6' und dem einen Südpol bildenden mittleren Polring 13 ist gering, während
seine Randteile zu den Polringen 12 und 14 einen großen Luftspalt aufweisen. Der
Polflügel 6' ist daher südpolarisiert. Die Wirkungsweise des Getriebes gemäß Fig.
1 bzw. 2 ist wie folgt: Werden die umlaufenden Polflügel 6, 6' über die Hohlwelle
7' und die Trommel 7 angetrieben, so entsteht, wie bei einem Drehstrom-Synchron-oder
Asynchronmotor, ein in bezug auf den Anker 2 sich drehendes Kraftfeld. Dieses Drehfeld
drückt dem Anker 2 in an sich bekannter Weise ein Drehmoment auf, dessen Größe von
der Ausbildung der Ankerwicklung sowie von der Geschwindigkeit der Relativbewegung
zwischen dem Anker 2 und den Polflügeln 6 bzw. 6' und von der Stärke der magnetischen
Erregung dieser Polringe in an sich bekannter Weise abhängt. Bei Änderung der Umlaufzahl
der angetriebenen Hauptwelle 1 und des Ankers 2 tritt demzufolge auch eine Änderung
der Umlaufzahl der die Polflügel 6, 6' tragenden Trommel 7 und damit der abgetriebenen
Hohlwelle 7' ein. Selbstverständlich kann umgekehrt die Hauptwelle 1 als Abtriebswelle
und die Hohlwelle 7' als Antriebswelle verwendet werden.
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Werden bei einem Getriebe gemäß Fig. 1 oder Fig. 3 die Erregerspulen
15, 16 statt mit Gleichstrom mit Wechselstrom gespeist, dann ändert sich das bei
Gleichstrom umlaufende Drehfeld in ein nicht mehr umlaufendes, also stehendes Feld
mit in Aufeinanderfolge von Null bis zum Maximum ansteigender und wieder auf Null
abfallender Stärke. Dieses im Raum stehende Feld drückt den unter Wirkung des Beharrungsvermögens
auslaufenden Polflügeln 6, 6' bzw. deren Trommel 7 und der mit dieser Trommel verbundenen
Abtriebswelle 7' ein zur Laufrichtung entgegengesetztes Drehmoment auf. Somit ist
es möglieh, die Polflügeltrommel 7 samt der Abtriebswelle 7' durch Ändern des Erregerstroms
für die Spulen 15,16 von Gleichstrom auf Wechselstrom intensiv abzubremsen. Durch
Ändern der Erregung des den Erregerspulen aufgedrückten Wechselstroms im Verhältnis
zur Polteilung der Flügel 6, 6' ist es weiter möglich, das im Raum stehende Feld
in ein Drehfeld beliebiger Richtung und Drehzahl zu ändern und somit eine Umkehr
der Drehrichtung und Änderung der Drehzahl der Abtriebswelle zu erzielen und damit
die Bremswirkung zu steigern. Um den induktiven Widerstand bei Wechselstrombetrieb
niedrig zu halten, würde zweckmäßig nur ein Teil der Windungen der Erregerspulen
15, 16 für diesen Zweck heranzuziehen sein.
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Bei der abgeänderten Bauart des Getriebes gemäß Fig. 3 wird die auf
der Hauptwelle 1 drehbar gelagerte, die Polflügel 6, 6' tragende Trommel 7 nicht
mittels Hohlwelle 7', sondern mittels eines Zahnradpaares 26, 22 angetrieben, wobei
das Zahnrad 26 mit der Polflügeltrommel 7 starr verbunden und das mit ihm zusammenarbeitende
Ritzel 22 am Ende der Ab= triebswelle 27 angeordnet ist. Die Welle 27 ist in der
Stirnwand 10 des Getriebekastens 10, 11 drehbar gelagert. Das Ventilatorrad 17 ist
beispielsweise mit der Trommel 7 verbunden. Ebenso kann jedoch die Hauptwelle 1
als Abtriebswelle und die Welle 27 als Antriebswelle dienen.
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Werden zwei Aggregate gemäß Fig. 1 oder Fig. 3 auf einer gemeinsamen
Hauptwelle 1 angeordnet, wie in Fig. 4 beispielsweise dargestellt, dann kann eines
dieser Aggregate als Bremse und zur Änderung des Drehsinns oder der Kraftrichtung
verwendet werden. Auf diese Weise erhält man ein auf Regelimpulse rasch ansprechendes,
der Regelung streng folgendes Wendegetriebe. Bei der abgeänderten Ausführung gemäß
Fig. 5 ist ein Getriebe gemäß Fig. 1 oder 3 mit einem Bremsaggregat zusammengeschaltet,
welches aus dem auf der gemeinsamen Hauptwelle 1 befestigten Anker 32 und den. am
Gehäusemantel 11' befestigten Polringen 33, 34 samt Polflügeln 33', 34' und den
Erregerspulen 116 besteht. Die Polflügel und Erregerspulen des Bremsaggregats sind
somit im Raum feststehend angeordnet. Der Gehäusemantel ist zweckmäßig geteilt,
und in derTrennfugezwischendenbeiden Mantelteilen 11, 11' ist eine Zwischenwand
23 befestigt, in welcher das Lager 25 für den Hohlwellenstumpf 24 der umlaufenden,
die beweglichen Polflügel 6 tragenden Trommel 7 angeordnet ist.
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Fig. 6 zeigt eine abgeänderte Bauart mit einer im Gehäuse 10, 11 starr
gelagerten Achse A, auf welcher der aus Polringen 12, 13, 14 und Spulen 15, 16 gebildete
Erregermagnet gleichfalls starr befestigt ist. Das Joch für die Polringe bildet
die auf der Achse A aufgekeilte Büchse J. Die die Polflügel 6 tragende Trommel ist
mittels der Wälzlager 20 auf der Achse A und ihre Hohlwelle 7' mittels des Wälzlagers
36 in der Stirnwand 10 des Gehäuses gelagert. Der Anker 2 ist als eine zu den Polflügeln
6 bzw. zu der Polflügeltrommel 7 konzentrisch angeordnete, drehbare Trommel ausgebildet
und mittels der Wälzlager 18 bzw. 37 auf der Achse A bzw. in der Gehäusewand 10
gelagert. Mit der Ankertrommel 2 ist das Zahnrad 26 starr verbunden, welches mit
dem Ritzel 22 der Motorwelle 1 kämmt. Bei der Bauart gemäß Fig. 6 liegt der sich
während des Betriebes erwärmende Anker 2 außen, seine Oberfläche kann überdies in
an sich bekannter Weise durch Rillen 35 vergrößert sein, so daß eine gute Kühlung
erreicht und die sich im Anker 2 bildende Wärme von den Wälzlagern 18, 20,
36
und 37 ferngehalten wird. Zum intensiven Kühlen und Ableiten der Wärme dient das
Ventilatorrad 17.
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Die Fig. 7 stellt eine Vereinfachung der Bauart gemäß Fig. 5 dar,
die dadurch erreicht ist, daß das Bremsaggregat nicht axial neben, sondern konzentrisch
zu einem Elektrogetriebe, beispielsweise einem solchen gemäß Fig. 6, geschaltet
ist. Um den trommelförmigen Anker 2 sind, bei Wahrung eines Luftspaltes L, die Polflügel
38 des am Gehäusemantel 11 befestigten und die Erregerspulen 116 sowie die Ringe
33, 34, 39 enthaltenden Bremsaggregates im Raum feststehend angeordnet. Da das Bremsaggregat
bei dieser Bauart außen angeordnet ist, kann die sich in ihm anstauende Wärme durch
Strahlung gut abgeleitet werden. Zur Kühlung des Bremsaggregates sowie des Ankers
2 und der die Polflügel 6 tragenden Trommel 7 dient ein Ventilatorrad 17.
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Fig. 8 zeigt einen Längschnitt durch ein Getriebe mit elektrischer
Schlupfkupplung im Zusammenbau mit einem Differentialgetriebe zum Zweck der Drehzahl-Drehmomentenwandlung.
Der Steg 40 des aus den Stirnrädern 41, 42, 43 und 44 bestehenden Differentials
ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel mittels der Hohlwelle 7' mit der die
Polflügel 6 tragenden Trommel 7 starr verbunden. Die gleichbleibende Umdrehungszahl
der Hauptwelle 1 wird mittels des Differentialgetriebes in an sich bekannter Weise
mit den veränderlichen Drehzahlen der Hohlwelle 7' vereint bzw. von letzteren überlagert
an das Abtriebsrad 43 und die mit diesem fest verbundene Abtriebswelle 45 abgegeben.
Das Differentialgetriebe ist in einem an das Gehäuse 11 des Elektrogetriebes angeschlossenen
staub- und öldichten Gehäuse 46 untergebracht.
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Ebenso wird das Endlager 47 der Hauptwelle 1 zweckmäßig mit einem
Deckel 48 gegen das Innere des Gehäuses 11 öldicht abgeschlossen.
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Die Fig. 9 zeigt eine abgewandelte Bauart eines Getriebes gemäß Fig.
8, bei welchem zwischen die Hohlwelle 7' und das Differentialgetriebe 40, 41, 42,
43, 44 ein aus den Stirnräderpaaren 49, 50, 51 und 52 bestehendes weiteres Übersetzungsgetriebe
geschaltet ist.