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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet der Zustandsüberwachung von rotierenden Teilen und ist insbesondere auf eine Welle zum Lagern eines Lagers gerichtet, wobei die Welle mit einem oder mehreren Zustandsüberwachungssensoren instrumentiert ist. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Getriebe, welches eine solche instrumentierte Welle aufweist, und auf eine Windturbine, welche ein Getriebe aufweist.
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Hintergrund
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Eine Zustandsüberwachung ist ein wichtiges Werkzeug zum Detektieren von Fehlern und ungünstigen Betriebsbedingungen von rotierenden Maschinenteilen, wie beispielsweise Lagern, wodurch es möglich gemacht wird, eine präventive Wartung oder Reparaturen durchzuführen, bevor ein bedeutender Fehler auftritt. Es ist insbesondere in entfernten Installationen, wie Windturbinen, wichtig, die ohne Überwachung arbeiten und wo kritische Fehler sehr teuer zu reparieren sind.
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Ein Beispiel einer Zustandsüberwachung eines Umlaufgetriebes in einer Windturbine ist in
US8393993 offenbart. Das Getriebe hat zumindest zwei Planetenräder, von denen jedes drehbar auf einer Planetenradwelle durch ein Lager gelagert ist. Das Getriebe hat des Weiteren zumindest einen Planetenträger, der die Planetenräder verbindet. Der Planetenträger ist mit einem oder mehreren Sensoren, einschließlich eines Schwingungssensors, versehen.
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In einer Ausführungsform ist der Planetenträger mit einem Schwingungssensor versehen, der an oder in nächster Nähe zu jedem der Planetenräderwellen angeordnet ist.
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Der Sensor ist daher relativ weit weg von dem Lager angeordnet, das die Planetenradwelle lagert, was bedeutet, dass Schwingungen, die mit Lagerdefekten verbunden sind, schwieriger zu detektieren sind.
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Es gibt Raum für Verbesserung.
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Zusammenfassung
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Die vorliegende Erfindung liegt in einer geflanschten Welle, die ein Wellenteil, das einen Lagersitz zum Befestigen eines Innenrings einer Lageranordnung hat, und ein integral gebildetes Flanschteil aufweist, das eine axial innere Fläche zum axialen Halten des Innenrings hat. Die geflanschte Welle ist mit einer oder mehreren Sensoreinheiten instrumentiert, wobei jede Einheit eine Kontaktplatte hat, auf der ein oder mehrere Sensoren vorgesehen sind, um einen oder mehrere Betriebsparameter der Lageranordnung während des Einsatzes zu überwachen. Gemäß der Erfindung ist jede der einen oder mehreren Sensoreinheiten in einer entsprechenden Vertiefung angeordnet, die sich durch das Flanschteil erstreckt, sodass die axial innere Fläche der Kontaktplatte bündig mit der axial inneren Fläche des Lagers liegt oder etwas über diese auskragt.
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Somit ist bei Verwendung der geflanschten Welle die mit einem Sensor versehene Kontaktplatte jeder Sensoreinheit in Kontakt mit einer Seitenfläche des Lagerinnenrings, was eine genaue Detektion der Betriebsparameter ermöglicht.
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Der eine oder die mehreren Sensoren können zumindest einen eines Schwingungssensors, eines Temperatursensors, eines Schallemissionssensors und eines Dehnungssensors aufweisen. In einer Ausführungsform ist die Sensoreinheit mit zwei oder mehr unterschiedlichen Sensoren ausgestattet. Die unterschiedlichen Sensoren können an einer einzelnen Kontaktplatte der Sensoreinheit angebracht sein. In einer alternativen Ausführungsform hat die Sensoreinheit eine erste und eine zweite Kontaktplatte, an denen unterschiedliche Sensoren angebracht sind.
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Vorzugsweise weist die geflanschte Welle zumindest zwei Sensoreinheiten auf, um zu ermöglichen, dass Betriebsparameter des Lagers an unterschiedlichen Positionen an dem Innenring gemessen werden. In einer Ausführungsform hat die geflanschte Welle vier Sensoreinheiten, die in gleichmäßigen Winkelabständen um den Umfang der geflanschten Welle angeordnet sind. Wie verstanden werden wird, sind eine unterschiedliche Anzahl an Sensoreinheiten und unterschiedliche Anordnungen davon möglich, abhängig von der Anwendung und den interessanten Betriebsparametern.
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Jede Sensoreinheit weist geeignet Elektronik zum Empfangen und vorzugsweise auch Verarbeiten der Daten von dem einen oder den mehreren Sensoren auf und weist des Weiteren eine Antenne zur kabellosen Übertragung der Sensordaten auf. Jede Sensoreinheit kann auch ihre eigene Energiequelle in einem Gehäuse der Einheit aufweisen. In manchen Anwendungen können es jedoch die Abmessungen des Wellenflansches und der verfügbare Raum in der Anwendung nicht erlauben, dass die Sensoreinheiten ihre eigenen Energiequellen unterbringen.
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Somit ist in einer vorteilhaften weiteren Ausbildung die geflanschte Welle mit einer Energiequelle versehen, um Elektrizität an jede der Sensoreinheiten zu liefern. Eine Aushöhlung ist in einer axial äußeren Fläche des Wellenteils der geflanschten Welle an der geflanschten Seite davon vorgesehen. Mehr Raum ist in dem Wellenteil verfügbar, das auch strukturell robuster ist. Die Aushöhlung ist ausreichend groß, um eine oder mehrere Batterien unterzubringen, die mit den Sensoreinheiten an der axial äußeren Seite verbunden sind. Die Batterien und das axial äußere Ende der Sensoreinheiten ist dann geeignet mittels einer Abdeckplatte abgedeckt, um gegen den Eintritt von Öl und Verunreinigungen zu schützen. Die geflanschte Welle wird somit eine autonome Komponente, die einfach in einem Planetengetriebe ohne das Bedürfnis nach einer komplexen Verkabelung an z.B. dem Planetenträger befestigt werden kann.
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An dem gegenüberliegenden Ende der Sensoreinheit ist das Einheitsgehäuse geeignet mit einer Dichtung versehen, die die Kontaktplatte umgibt, um gegen den Eintritt von Öl und Verunreinigungen zu schützen. Vorteilhafterweise ist die Kontaktplatte gefedert an dem Einheitsgehäuse befestigt, sodass die Kontaktplatte bei Verwendung der geflanschten Welle in Kontakt mit der Seitenfläche des Lagerinnenrings gedrängt wird, der axial an dem Wellenflansch anliegt. Zusätzlich kann das Gehäuse selbst in seiner Vertiefung gefedert befestigt sein, was die Verschiebung des Gehäuses in axialer Richtung, relativ zu der geflanschten Welle ermöglicht, sodass die Dichtung bei Verwendung der Welle gegen die Seitenfläche des Lagerinnenrings gedrängt wird.
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Die geflanschte Welle der Erfindung ist insbesondere zur Verwendung in einem Planetengetriebe geeignet, das zwei oder mehr Planetenräder aufweist, von denen jedes drehbar durch eine Lageanordnung auf einer Planetenradwelle gelagert ist. Zumindest eine der Planetenradwellen ist als eine geflanschte Welle gemäß der Erfindung ausgeführt. Die Planetenradwellen sind an einem Planetenträger befestigt, der üblicherweise ein Spritzgussteil ist, das eine erste und eine zweite Seite hat. Die geflanschte Welle kann in einer Bohrung in dem Planetenträger an der geflanschten Seite gelagert sein. An der Wellenseite kann die Welle an dem Planetenträger über beispielsweise Bolzen befestigt sein.
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In einer Ausführungsform weist die Lageranordnung ein erstes und ein zweites Lager auf, die axial beabstandet sind. Ein Innenring des ersten Lagers ist axial durch das Flanschteil der geflanschten Welle gehalten und ein Innenring des zweiten Lagers ist axial durch ein Flanschteil des Planetenträgers gehalten. Um eine Zustandsüberwachung des zweiten Lagers zu ermöglichen, ist das Getriebe vorteilhafterweise mit zumindest einer weiteren Sensoreinheit, wie oben beschrieben, versehen, die in eine Vertiefung angeordnet ist, die sich durch das Flanschteil des Trägers erstreckt, um so in Kontakt mit einer Seitenfläche des Innenrings des zweiten Lagers zu sein. Vorzugsweise sind abhängig von dem verfügbaren Raum zwei oder mehr weitere Sensoreinheiten vorgesehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die geflanschte Welle der Erfindung mit einer Energiequelle ausgestattet, um Elektrizität an die weiteren Sensoreinheiten zu liefern, die durch den Planetenträger bereitgestellt sind. Eine zweite Aushöhlung ist in einer Endfläche des Wellenteils an der Seite gegenüberliegend zu der Flanschseite vorgesehen und eine oder mehrere Batterien sind in der zweiten Aushöhlung aufgenommen. An der Position der zweiten Aushöhlung weist der Planetenträger geeignet eine Öffnung auf, die einen Zugriff auf die Batterien in der zweiten Aushöhlung ermöglicht, sodass Verbindungskabel zwischen den Batterien und den weiteren Sensoreinheiten angeordnet werden können.
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Ein Planetengetriebe, das eine geflanschte Welle gemäß der Erfindung aufweist, ist insbesondere zur Verwendung in einer Windturbine geeignet, und wird nun weiter mit Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben.
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Figurenliste
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- 1A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Planetengetriebes, das eine Anzahl von Planetenrädern aufweist, von denen jedes an einer geflanschten Welle gemäß der Erfindung befestigt ist;
- 1B ist eine perspektivische Schnittansicht des Getriebes von 1A;
- 2A zeigt ein Beispiel einer geflanschten Welle gemäß der Erfindung, die eine Anzahl von Sensoreinheiten aufweist;
- 2B zeigt Komponenten einer Sensoreinheit von 2A.
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Detaillierte Beschreibung
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1A zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Stufe eines Planetengetriebes 100, das zur Verwendung in einem Windturbinenantriebsstrang geeignet ist, der einen Hauptrotor der Windturbine mit einem Generator verbindet. Eine perspektivische Schnittansicht des Getriebes ist in 1B gezeigt, in der ein Teil eines Gehäuses für eine zweite Stufe auch sichtbar ist. In dem dargestellten Beispiel hat das Getriebe 100 ein festes Ringzahnrad 105, das an dem Gehäuse 102 befestigt ist, ein Sonnenrad (nicht gezeigt) und drei Planetenräder 107, die um das Sonnenrad angeordnet sind, sodass eine Verzahnung jedes Planetenrades 107 in kämmendem Eingriff mit einer Verzahnung des Sonnenrades und des Ringzahnrades 105 ist.
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Jedes Planetenrad 107 ist drehbar auf einer entsprechenden Planetenradwelle 110 durch eine Lageranordnung (nicht gezeigt) gelagert. Die Planetenradwellen 110 sind an einem Planetenträger 120 befestigt, der in diesem Beispiel drehbar relativ zu dem Gehäuse 102 durch ein erstes und ein zweites Lager gelagert ist, deren jeweilige Positionen in 1B durch die Pfeile 121 und 122 angedeutet sind. Der Planetenträger 120 ist dazu ausgebildet, mit einer Eingangswelle (nicht gezeigt) gekoppelt zu werden, die selbst direkt oder indirekt mit dem Hauptrotor der Windturbine gekoppelt ist. Eine angetriebene Rotation des Planetenträger 120 verursacht eine Rotation der Planetenräder 107, die das Sonnenrad mit einer schnelleren Ausgangsgeschwindigkeit als der Eingangsgeschwindigkeit der Eingangswelle antreiben. Das Sonnenrad kann direkt mit einer Ausgangswelle gekoppelt sein, die den Generator antreibt, oder kann indirekt mit der Ausgangswelle über eine oder mehrere weitere Stufen des Getriebes 100 gekoppelt sein.
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Die Lageranordnungen, die die Planetenräder 107 lagern, sind kritische Komponenten des Getriebes 100. Eine frühe Detektion von Betriebsbedingungen, die das Ende des Lagerlebens beschleunigen könnten, ist daher wichtig, sodass z.B. ein Wartungsalarm übertragen werden kann. Gemäß der Erfindung wird die dies erreicht, indem die Planetenradwellen als eine geflanschte Welle, instrumentiert mit einer oder mehreren Sensoreinheiten, ausgeführt werden.
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Eine perspektivische Ansicht einer geflanschten Welle gemäß der Erfindung ist in 2A gezeigt. Die Welle 110 hat ein Wellenteil 111 und ein integral gebildetes Flanschteil 112. Eine äußere zylindrische Fläche 113 des Wellenteils dient als ein Sitz für zumindest einen Innenring einer Lageranordnung. Üblicherweise weist die Lageranordnung zumindest zwei Reihen von Rollen auf, und kann eine doppelreihige Wälzlagereinheit oder eine Anordnung von zwei getrennten Lagern sein. Ein abgestimmtes Paar von Kegelrollenlagern in einer Rückseite-zu-Rückseiten-Anordnung ist ein Beispiel einer Lageranordnung, die üblicherweise verwendet wird, um Planetenräder in einem Getriebe zu lagern.
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Die Erfindung wird des Weiteren mit Bezug auf eine solche Anordnung eines ersten und eines zweiten Kegelrollenlagers beschrieben werden, obwohl verstanden werden wird, dass die geflanschte Welle 110 verwendet werden kann, um irgendeine geeignete Art von Lager zu lagern.
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Bei Verwendung der geflanschten Welle ist ein Innenring des ersten und des zweiten Kegelrollenlagers an dem Lagersitz 113 des Wellenabschnitts befestigt, sodass der erste Innenring des ersten Lagers axial durch das Flanschteil 112 der Welle gehalten wird. Eine axiale Seitenfläche des ersten Innenrings ist somit in Kontakt mit einer axial inneren Fläche 114 des Flanschteils 112. In dem dargestellten Beispiel ist die Welle 110 mit vier Sensoreinheiten 140 versehen, von denen jede in einer Vertiefung vorgesehen ist, die sich durch das Flanschteil 112 von einer axial äußeren Fläche zu der axial inneren Fläche 114 erstreckt. Jede Sensoreinheit 130 hat eine Sensorfläche 132, die durch eine axial innere Fläche einer Platte gebildet ist, an der ein oder mehrere Sensoren vorgesehen sind, und ist so eingerichtet, dass bei Verwendung die Sensorfläche in Kontakt mit der Seitenfläche des ersten Innenrings ist. Eine genaue Detektion von Lagerbetriebsparametern wird somit sichergestellt.
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Eine Explosionsansicht der Sensoreinheit 130 und ihrer Komponenten ist in 2B gezeigt. Die Einheit hat ein Gehäuse 131, das eine Platine 133 aufnimmt, mit der der eine oder die mehreren Sensoren verbunden sind. Die Platine weist geeignet Elektronik zum Verarbeiten und Übertragen von Signalen auf, die von den Sensoren empfangen werden. Bevorzugt ist die Einheit 130 mit einer Antenne zur kabellosen Datenübertragung ausgestattet. In dem dargestellten Beispiel ist die Sensorfläche der Einheit durch eine erste und eine zweite Kontaktplatte gebildet, die an der jeweiligen Unterseite des ersten und des zweiten Sensorschlittens 134, 135 vorgesehen sind. Die Kontaktplatten sind bevorzugt aus einem metallischen Material hergestellt. Ein Schwingungssensor, ein Schallemissionssensor und ein Temperatursensor sind an der Kontaktplatte des ersten Sensorschlittens 134 vorgesehen. Die Sensoren können auf einer biegbaren PCB befestigt sein, die an der Kontaktplatte des ersten Schlittens 134 angeklebt ist und mit der Hauptplatine 133 verbunden ist. Ein Dehnungssensor ist an der Kontaktplatte des zweiten Sensorschlittens 135 vorgesehen. Der Dehnungssensor kann ein Reibungsdehnmessstreifen oder ein Piezodehnmessstreifen sein.
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Bei Verwendung der Welle ist die Sensorfläche 132 in Kontakt mit der Seitenfläche des ersten Lagerinnenrings. Die Schlitten 134, 135 sind geeignet in dem Gehäuse 131 über Federn 136 gefedert, um sicherzustellen, dass ein fester Kontakt gehalten wird. Zusätzlich kann das Gehäuse 131 der Einheit gegen die geflanschte Welle 110 gefedert sein. Jede Seite des Gehäuses ist mit einem Federhalter 137 zum Aufnehmen einer weiteren Feder 138 versehen. Ein Ende der Feder liegt gegen den Federhalter 137 an, das gegenüberliegende Ende kann axial mittels einer Abdeckplatte gehalten werden, die z.B. auf die axial äußere Fläche des Flanschteils 112 geschraubt ist.
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Vorzugsweise ist die Einheit des Weiteren mit einer Gleitringdichtung 139 versehen, die an dem Gehäuse 131 an einem axial inneren Ende davon angebracht ist und die die Sensorfläche 132 umgibt, um die Sensoren vor Öl und anderen Verunreinigungen zu schützen. Bevor die Lageranordnung an dem Lagersitz 113 der geflanschten Welle befestigt wird, ist die Einheit geeignet ausgestaltet, sodass das axial innere Ende des Gehäuses etwas über die axial innere Fläche 114 des Flanschteils 112 der Welle 110 auskragt. Wenn die Lageranordnung befestigt ist, drückt die Seitenfläche des ersten Innenrings gegen die Gleitringdichtung 138 und verschiebt das Einheitsgehäuse 131 axial relativ zu dem Flanschteil 112 der Welle, über die weiteren Federn 138, axial, bis der Ring in Kontakt mit der axial inneren Fläche 114 des Flanschteils 112 ist. Eine enge Dichtung wird somit zwischen der Sensoreinheit und dem Lagerring bei Verwendung der Welle gehalten.
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Abhängig von den Abmessungen der geflanschten Welle kann das Sensoreinheitsgehäuse 131 groß genug sein, um eine Batterie zum Versorgen der Sensoren und der Elektronik mit Energie aufzunehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 1B gesehen werden kann, ist eine Aushöhlung 115 in der geflanschten Welle 110, in einer axial äußeren Fläche der Welle an der Flanschseite, die als die erste axiale Seite bezeichnet werden wird, vorgesehen. Die Aushöhlung ist radial nach innen von den Vertiefungen durch das Flanschteil 112 der Welle angeordnet und nimmt eine oder mehrere Batterien 150 auf, die mit den Sensoreinheiten 130 verbunden sind.
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In dem dargestellten Beispiel ist jede Sensoreinheit 130 in einem Schlitz vorgesehen, der in einen äußeren Umfang des Flanschteils 112 maschinell hergestellt ist, sodass die Einheit an drei Seiten durch den Flansch umschlossen ist. Die Fläche der Einheit, die radial nach außen gewandt ist, ist bei Verwendung der Welle 110 durch eine zylindrische Bohrung eines ersten Flanschteils 125 des Planetenträgers 120 an der ersten Seite des Trägers abgedeckt. Die Aushöhlung 115 und die Batterien 150 sind geeignet durch die Abdeckplatte, die oben erwähnt ist, umschlossen, die axial die Sensoreinheiten an der ersten Seite der Welle 110 hält. Die geflanschte Welle der Erfindung stellt somit eine abgeschlossene Anordnung zum Lagern einer Lageranordnung und Überwachen ihres Zustands bereit, die in einer unkomplizierten Weise installiert werden kann.
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In Lageranordnungen, in denen das erste und das zweite Lager auf der geflanschten Welle befestigt sind, ist es vorteilhaft, wenn Betriebsparameter des zweiten Lagers auch messbar sind. In der Ausführungsform, die in 1B dargestellt ist, sind eine oder mehrere weitere Sensoreinheiten 140 an der zweiten axialen Seite der Welle 110 und des Trägers 120 vorgesehen, welche Einheiten eine Sensorfläche in Kontakt mit einer Seitenfläche des Innenrings des zweiten Lagers haben. In dem dargestellten Beispiel sind drei weitere Sensoreinheiten 140 vorgesehen.
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Die Planetenradwellen 110 sind an dem Planetenträger 120 an der zweiten Seite davon gesichert. Ein zweiter Flanschteil 127 ist in dem Träger für jede Planetenradwelle 110 vorgesehen, wobei eine axial innere Fläche des zweiten Trägerflansches 127 axial den Innenring des zweiten Lagers hält. Die zweite Seite der Welle (siehe 2A) weist Befestigungslöcher 117 auf und entsprechende Befestigungslöcher sind z.B. durch den Träger hindurch gebohrt. Eine Vertiefung für jede der einen oder mehreren weiteren Sensoreinheiten 140 ist maschinell durch den zweiten Trägerflansch 127 hindurch hergestellt, sodass die Sensorfläche jeder Sensoreinheit in Kontakt mit der Seitenfläche des zweiten Innenrings der Lageranordnung ist, die jedes Planetenrad 107 lagert. Die weiteren Sensoreinheiten können identisch zu der Sensoreinheit sein, die mit Bezugnahme auf 2B beschrieben ist, wobei die Sensoren an den gefederten Schlitten befestigt sind und das Sensorgehäuse relativ zu dem zweiten Trägerflansch 127 gefedert ist.
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Vorteilhafterweise werden die einen oder mehreren weiteren Sensoreinheiten durch zumindest eine Batterie 150 mit Energie versorgt, die in einer zweiten Aushöhlung 117 an der zweiten Seite der geflanschten Welle 110 aufgenommen ist. Bezugnehmend auf 2A kann ein Batteriegehäuse 152 zum Aufnehmen der zumindest einen Batterie in der Aushöhlung 117 an der zweiten axialen Seite vorgesehen sein, wobei ein Abschnitt des Batteriegehäuses von der axialen Endfläche des Wellenteils 111 auskragt. Geeignet ist ein entsprechend geformtes Loch in den Planetenträger 120 maschinell hergestellt, um zu ermöglichen, dass jede weitere Sensoreinheit 140 mit der Energieversorgung in dem Batteriegehäuse 152 verbunden wird. Nach Verbindung der weiteren Sensoreinheiten 140 kann eine Abdeckplatte mit Befestigungslöchern auf den zweiten Trägerflansch 127 geschraubt werden, wobei sich die Schrauben in die Befestigungslöcher 117 in der Planetenradwelle 110 erstrecken.
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Die vorhergehende detaillierte Beschreibung wurde exemplarisch und zur Veranschaulichung bereitgestellt, und ist nicht dazu gedacht, den Schutzumfang der angehängten Ansprüche zu beschränken. Viele Variationen der vorliegend bevorzugten Ausführungsformen, die hierin dargestellt sind, werden für den Fachmann ersichtlich sein, und bleiben in dem Schutzumfang der angehängten Ansprüche und ihrer Äquivalente.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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