DE3228275A1

DE3228275A1 - Antriebsvorrichtung mit elektrischer geschwindigkeitsregelung, insbesondere wirbelstromantrieb

Info

Publication number: DE3228275A1
Application number: DE19823228275
Authority: DE
Inventors: James W. 45459 Centerville Ohio Albrecht; Harold G. Farmers Branch Tex. Spriggs
Original assignee: Maschinenfabrik Stromag GmbH
Current assignee: Maschinenfabrik Stromag GmbH
Priority date: 1981-08-20
Filing date: 1982-07-29
Publication date: 1983-03-24
Also published as: US4400638A; US4400638B1

Description

ΡΑτΈ.Ντ.Α:Ν,wählte' *.*** : DR.-ING. H. H. WILHELM - D I P L.-ΊΊ\Γ£. H. D A U ST E R D-7000 STUTTGART 1 · GYMNASIUMSTRASSE 31 B · TELEFON (07 11) 291133/29 28 57

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Anmelder;

Maschinenfabrik
Stromag GmbH
Hansastrasse 120

4750 Unna

Antriebsvorrichtung mit elektrischer Geschwindigkeitsregelung, insbesondere Wirbelstromantrieb

Die Erfindung bezieht sich auf Wirbelstromantriebe oder Kupplungen, die auf einer Welle montiert sind und insbesondere auf die Gattung von Antrieben, bei. denen ein Magnetkörper drehbar auf einer Nabe angeordnet ist, die ihrerseits auf einer getriebenen Welle sitzt. Der Magnetkörper beinhaltet oder trägt eine elektrische Spule, die über Schleifringe von einem stationären Bürstenhalter versorgt wird. Ein magnetischer Geschwindigkeitsaufnehmer kann ebenfalls vorgesehen sein, durch den die Drehzahl des Abtriebes angezeigt werden kann.

Bei Antrieben der beschriebenen Gattung ist es üblich, einen stationären Befestigungsarm oder ein Befestigungsteil neben dem Antrieb vorzusehen, der die Bürstenhalteranordnung für den Schleifring und, wenn das vorgesehen ist, auch die Geschwindigkeitsmeßeinrichtung, wie beispielsweise einen magnetischen Aufnehmer

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trägt. Da die Kupplungen oder Antriebe mit steuerbarer Drehzahl dieser Art häufig direkt an einer Abtriebswelle einer Antriebsmaschine/ beispielsweise an der Welle eines Elektromotors angebracht werden, ist es in der Praxis schwierig, einen gleichbleibenden Abstand zwischen den nicht gedrehten Teilen einschließlich des Bürstenhalters und des magnetischen Aufnehmers einerseits und dem Schleifring und einem verzahnten Geschwindigkeitsanzeigegetriebe andererseits aufrechtzuerhalten. Radiale und/oder axiale Verlagerungen zwischen dem angetriebenen Teil und den fest angeordneten elektrischen Tragarmen führen zu Verlagerungen des Bürstenhalters und/oder des magnetischen Aufnehmers in bezug auf ihre rotierenden und mit ihnen zusammenwirkenden Teile, was wiederum zu Schwierigkeiten beim Betrieb führt. Insbesondere dann, wenn der getriebene Teil mit einer Riemenscheibe versehen ist, von der die Leistung über Keilriemen o.dgl. abgenommen wird, treten solche Schwierigkeiten auf. Unter dem Einfluß der Belastung und Belastungsänderungen kann die präzise Ausrichtung und der Abstand zwischen festen bzw. nichtrotierenden Bürstenhaltern oder magnetischen Aufnehmern o.dgl. und der damit zusammenwirkenden rotierenden Elemente nur sehr schwierig beibehalten werden. .

Die Erfindung bezieht sich auf Geschwindigkeitsregelantriebe, die auf Wellen montierbar sind und die eine rotierende elektrisch beaufschlagbare Spule verwenden, insbesondere auf an Wellen montierbare Wirbelstromantriebe, wie beispielsweise Geschwindigkeitssteuerantriebe, bei denen eine zentrale Nabe unmittelbar auf der Abtriebswelle eines Antriebsmotors, wie beispielsweise eines Elektromotors angeordnet ist und bei denen ein rotierendes getriebenes Teil, wie beispielsweise ein Magnetkörper magnetisch und physikalisch dieser Spule zugeordnet und mit Hilfe von Lagern auf der Nabe geführt sind und bei dem andererseits ein Leistungsabtrieb, wie beispielsweise eine Keilriemenscheibe vorgesehen ist.

Die besonderen Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dadurch erreicht, daß die nichtrotierenden elektrischen Teile auf einem Tragarm gehalten sind, der seinerseits über ein Lager auf der Nabe geführt oder gehalten ist. Der Arm trägt die Bürstenhalteranordnung und, wo dies möglich ist, auch einen Geschwindigkeit sauf nehmer. Das kann ein magnetischer Aufnehmer sein, der mit einem Zahnradgetriebeteil zusammenwirkt. Auf diese Weise sind die nichtrotierenden elektrischen Komponenten physikalisch der rotierenden Nabe zugeordnet und nicht einem dritten oder außenstehenden Teil. Es kann dadurch die Beibehaltung des kritischen Radialspaltes zwischen Bürstenhalter und Schleifringen und zwischen den berührungslos arbeitenden Aufnehmern, wie beispielsweise dem magnetischen Aufnehmer und einer geeigneten Bewegungs- oder Geschwindigkeitsgebereinrichtung, wie beispielsweise einem verzahnten Rad aufrechterhalten werden. Die Radialspalte, die bei der Konstruktion, der Herstellung und bei der Montage eingestellt sind, werden auch bei verschiedenen Einsatzbedingungen im Betrieb aufrechterhalten, weil kein Bezug zu anderen oder außenstehenden Bauelementen besteht.

Es ist daher eine wesentliche Aufgabe dieser Erfindung, eine Kupplung oder einen steuerbaren Geschwindigkeitsantrieb zu schaffen, bei dem die festen oder nicht rotierenden elektrischen Teile über ein Lager unmittelbar auf einem der rotierenden Teile der Kupplung oder des Antriebes geführt oder montiert sind. Es ist weiter die Aufgabe der Erfindung einen Wirbelstromantrieb vorzusehen, bei dem ein Bürstenhalter und ein magnetischer Aufnehmer von einem ringförmigen Tragarm gehalten werden, der direkt auf dem Außenring eines Lagers sitzt, das seinerseits auf der Antriebsnabe angeordnet ist, damit die tatsächlich radiale Zuordnung zwischen Bürstenhalter und Schleifringen sowie zwischen dem magnetischen Aufnehmer und einem verzahnten Rad aufrechterhalten werden kann. Diese und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels deutlich, das in den Figuren gezeigt ist. Es zeigt

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Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Wirbelstromantriebes und

Fig. 2 eine teilweise Rückansicht auf den Wirbelstromantrieb der Fig. 1 in Richtung der Pfeile II-II der Fig. 1.

In den Figuren, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt ist, ist ein auf eine Welle montierter Wirbelstromantrieb gezeigt, der eine zentrale Welle oder eine Antriebsnabe 10 aufweist. Die Nabe 10 hat einen sich axial erstreckenden Nabenkörper 11, der mit einer mit einer Innenverkeilung versehenen Öffnung 12 am inneren Ende auf die Abtriebswelle eines Antriebsmotors, beispielsweise auf die Welle eines Elektromotors aufgesetzt und montierbar ist. Die Nabe 10 besitzt außerdem ein im wesentlichen radial abstehendes Ende 13, das einen ringförmigen und axial einwärts gerichteten elektrischen Anker 15 trägt, der mit der Nabe umläuft. Der Anker 15 ist an dem Ende 13 durch Kopfschrauben 16 angebracht. Das Ende 13 kann auch durchbrochen sein, so daß Kühlöffnungen oder Flügel zur Erzeugung eines Kühlluftstromes für den Antrieb gebildet werden.

Der Wirbelstromantrieb weist außerdem einen magnetisch getriebenen Teil auf, der als Ganzes mit 20 bezeichnet ist und der aus einem Eisenmaterial besteht und drehbar auf der Nabe 10 gelagert ist. Der Magnetkörper 20 besitzt einen ringförmig axial abstehenden Rand 21 und eine radiale Wand 22, die eine gekapselte ringförmige elektrisch erregbare Spule 24 aufnimmt. Der Magnetkörper 20 bildet außerdem eine Reihe von ringförmig angeordneten, einzeln auf dem Umfang verteilte Polen 27, von denen in der Fig. einer gezeigt ist. Die Pole 27 besitzen Außenflächen, die eng gegenüber der Innenfläche des Ankers 15 angeordnet und von dieser durch einen Arbeitsluftspalt 28 getrennt sind. Die Spule 24 wird durch einen Spulenhalterung 30 befestigt, der ebenfalls aus

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Eisen oder einem geeigneten magnetischen Material besteht und der an dem Körper 20 durch eine ringförmig angeordnete Reihe von Kopfschrauben 31 befestigt ist. Der Haltering besitzt ebenfalls eine ringförmig angeordnete Reihe von auf dem Umfang verteilten Polen 35, die teilweise kammartig mit den Polen 27 des Körpers 20 ineinandergreifen, wobei deren Außenflächen ebenfalls in enger Nachbarschaft zu dem Anker 15 angeordnet sind.

Wird an die Spule 24 ein Strom angelegt, so bildet sich ein Magnetfeld zwischen den Polen 27 und 35 einschließlich des Ankers 15 aus und überträgt eine Antriebskraft vom Anker auf den Körper 20. Der Kupplungsgrad zwischen Anker und dem rotierenden Körper hängt in etwa von der Größe des angelegten Stromes und von der Größe der Spule 24 ab.

Der Körper 20 ist drehbar unmittelbar auf dem sich axial erstreckenden Teil 11 der Nabe 10 geführt und angeordnet, und zwar auf einem Paar von im Abstand zueinander angeordneten Lagern 40 und 41 , die durch eine Abstandshülse 42 voneinander getrennt sind. Das äußere Lager 40 sitzt auf einer Schulter 43 der Nabe 10 auf, das innere Lager 41 ist auf dem Körper 20 durch einen Innenschnappring 44 gehalten und ist ebenfalls einer Abtriebsriemenscheibe 50 durch einen zweiten Innenschnappring 45 gesichert. Die Abtriebsriemenscheibe 50 ist mit dem Körper 20 über eine Reihe von Kopfschrauben 52 verschraubt und dreht sich so mit dem Körper 20 und stellt somit den Abtriebsteil dar, über den die Leistung von dem Wirbelstromantrieb zu einer entfernten Stelle oder zu der Einrichtung übertragen wird, die durch den Antrieb gesteuert werden soll.

Zwischen einer Seitenwand der Riemenscheibe 50 und einer inneren radialen Wand 61 des Körpers 20 ist eine ringförmige Schleifringanordnung 60 eingeschlossen, die ein Paar Schleifringe 62 trägt. Die Schleifringe 62 sind mit den Leitungen von der Spule 24 ver-

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bunden, so daß in üblicher Weise die Spule mit Strom beaufschlagt werden kann. Die Riemenscheibe 50 ist außerdem mit einer geeigneten Geschwindigkeitsübertragungseinrichtung oder mit einer integrierten Geschwindigkeitsanzeigeeinrichtung in der Form des verzahnten Umfanges 65 an ihrer Außenfläche versehen, die mit dem Fühler oder der Spitze eines Aufnehmers in der Form eines stationären magnetischen Aufnehmers oder Sensors 66 zusammenarbeitet. Es versteht sich, daß die Erfindung, die in bezug auf einen magnetischen Aufnehmer beschrieben ist, auch mit anderen Formen kontaktlos arbeitender Geschwindigkeitsanzeiger eingesetzt werden kann, wie beispielsweise einem photooptischen Aufnehmer oder einem Halleffektaufnehmer.

Die Anordnung zur Führung und Halterung des magnetischen Aufnehmers 66 und eines Bürstenhalters 68 an der Nabe 10 bestehen aus einem Lager 70, das als Kugellager ausgebildet ist und mit seinem inneren Lagerring 71 unmittelbar auf einer Außenfläche der Lage gelagert und von dem Lager 41 durch ein kurzes rohrförmiges Abstandsstück 72 getrennt ist. Das Lager 7 0 wird auf der Nabe durch einen Außenschnappring 74 gehalten. Anstelle eines Kugellagers kann die Erfindung aber auch mit einem anderen reibungsarmen Lager durchgeführt werden.

Ein unverdrehbarer Halter auf dem Lager 70 besteht aus einer ringförmigen Traghülse oder einem Arm 75, der auf dem äußeren Lagerring 76 des Lagers 70 befestigt ist. Die Hülse 75 weist eine Innenfläche auf, die mit einem engen Paßsitz auf die Außenfläche des äußeren Lagerringes 76 aufgeschoben ist und auf diese Weise auf dem Lagerring und durch das Lager auf der Nabe 10 gehalten ist. Die Hülse 75 wird in ihrer Lage durch ein Paar von inneren Schnappringen 78 und 79 gehalten, die auf jeder Seite des Lagerringes 76 angeordnet sind.

Die Trageinrichtung für den Bürstenhalter 78 und den magnetischen

Aufnehmer 66 besteht außerdem aus einem im wesentlichen radial verlaufenden Arm oder Träger 80, dessen inneres Ende gebogen ist, um mit einem Teil der Außenfläche der Hülse bzw. des Armes 75 übereinzustimmen. Dieses Ende ist daran angeschweißt, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Der Träger 80 besteht aus einem axial nach außen gerichteten Ende 82, der teilweise die Riemenscheibe 50 übergreift. Das Armende 82 ist mit einer Öffnung zur Aufnahme des Fühlerendes 83 des magnetischen Aufnehmers 66 versehen, wobei sich der Fühler mit seinem Ende durch die Öffnung bis in unmittelbare Nachbarschaft zu dem verzahnten Umfang 65 der Riemenscheibe 50 erstreckt, wie in Fig. 2 zu sehen ist. Das Ende 82 trägt ferner einen nach oben stehenden Winkelarm 90, der mit Schrauben 95 gehalten ist. Dieser Winkelarm 90 trägt den Bürstenhalter 68 durch Festhalteschrauben 96. Der Teil 68 besitzt ein Paar von Bürsten 97, die in Laufkontakt mit den darunterliegenden Schleifringen 62 stehen.

Der ringförmige Arm 75 mit seinem radial verlaufenden Trägerteil 80, der sich davon abstreckt und den magnetischen Aufnehmer 66 trägt, sowie der Bürstenhalter bilden einen unverdrehbaren Halter, der auf der Nabe 10 geführt wird und eine bestimmte räumliche Anordnung zwischen den Bürsten und dem magnetischen Aufnehmer einerseits und ihrer kooperierenden rotierenden Komponenten, die dem Körper 20 zugeordnet sind, andererseits definiert und auch aufrechterhält.

Zur Verhinderung der Drehbewegung des kreisförmigen Armes 75 und der damit verbundenen Anordnung ist eine Verdrehsicherung vorgesehen, die aus einem Metallrohr 100 (Fig. 2) besteht, das an dem Bürstenhalter 68 befestigt ist und durch welches die Stromzuführungsleitung zu den Bürsten geführt sind. Das andere Ende der Führung 100 wird an einem geeigneten Steuerkasten o.dgl. angeschlossen und bildet damit den notwendigen Drehmoment aufnehmenden Arm, um den Arm 75 und die damit verbundenen Teile in einer

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unverdrehbaren Lage zu halten. Auf diese Weise kann das relativ geringe Drehmoment aufgenommen werden, das auf den Träger 80 bedingt durch die Reibung in dem Führungslager 70 und die Reibung bzw. durch den Widerstand an den Bürsten 97 auftritt.

Die Wirkungsweise der Erfindung wird zum großen Teil aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich. Der Wirbelstromkupplungsteil der Erfindung arbeitet in üblicher Weise durch das Anlegen eines elektrischen Stromes an die Spule 24, wodurch eine variable magnetische Kupplung zwischen dem rotierenden Anker 50 und den Zähnen oder Polen 35 und 27 entsteht, die dem rotierenden Teil 20 zugeordnet sind. Die resultierende Geschwindigkeit oder das Drehzahlverhältnis der Riemenscheibe 50, die an dem Körper 20 befestigt ist, ist natürlich proportional zu der Impulsfolge, wie sie von dem magnetischen Pulsaufnehmer 66 festgestellt wird und sie kann in jedem üblichen Geschwindigkeitssteuerkreis verarbeitet werden. Die Führung und die Aufrechterhaltung der Radiallage sowohl des Bürstenhalters als des magnetischen Aufnehmers sind vom Aufbau her und physikalisch gegenüber der Fläche der angetriebenen Nabe bezogen und nicht abhängig von der Lage von irgendeinem anderen nichtrotierenden Teil. Außer der dadurch bedingten verbesserten Zuverlässigkeit bietet die neue Vorrichtung auch einen Kostenvorteil gegenüber Antrieben, die mit außen angeordneten oder separaten Trageinrichtungen arbeiten, insofern, daß die gesamte Anordnung im wesentlichen sich selbst hält und auch mit geringeren Kosten zusammengesetzt werden kann.

Claims

DR.- ING. H. H. WILHEt^"'. D Γ> L.*- ί N"G. H. DAUSTER D-7000 STUTTGART 1 · GYMNASIUMSTRASSE 31B -TELEFON (07 11) 291133/29 28 57

Anmelder; " Stuttgart, den 28. Juli 1982

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Maschinenfabrik Dr.W/R

Stromag GmbH
Hansastrasse 120

Unna

Ansprüche

Antriebsvorrichtung mit elektrischer Geschwindigkeitsregelung, bestehend aus einer an der Abtriebswelle eines Antriebsmotores befestigbaren Nabe und aus einem an der Nabe drehbar gelagerten getriebenen Teil, der mit einem Abtriebsteil, z.B. einer Riemenscheibe, versehen ist, sowie aus einer einem der beiden Teile zugeordneten Spule und aus Magnetpolen, die an dem getriebenen Teil in unmittelbarer Nähe eines rotierenden magnetischen Ankers des anderen, angetriebenen Teiles angeordnet sind, wobei der Kupplungsgrad zwischen beiden Teilen durch das über Schleifringe erfolgende Anlegen eines elektrischen Stromes an die Spule bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (10) mit einer Lagerung (17) für einen Bürstenhalterträger (80) ausgerüstet ist, der von einer Verdrehsicherung (100) in einer unverdrehbaren Lage gehalten ist, daß an dem Bürstenhalterträger ein Bürstenhalter (68) angebracht ist, der mit an den Schleifringen (62) anliegenden Kontaktbürsten (97) versehen ist, so daß Verlagerungen der Nabe (10) bei der von der Antriebswelle bewirkten Rotation Schleifringe und Bür-

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stenhalter in gleichem Maß beeinflussen.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem getriebenen Teil (20) ein Geber (65) zur Geschwindigkeitsmessung angeordnet ist, dem ein Aufnehmer (66) mit einem im Abstand zum Geber angeordneten Fühler (83) zugeordnet ist.
3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber zur Geschwindigkeitsmessung aus einem mit dem Abtriebsteil (20) einheitlichen Zahnradteil (65) besteht und daß der Aufnehmer (66) mit einem magnetischen Fühler (83) versehen ist, der den Zähnen des Zahnradteiles im Abstand gegenüberliegt.
4. Antriebsvorrichtung mit elektromagnetischer Geschwindigkeitsregelung, mit einer an einer Antriebswelle mitrotierbar befestigten Nabe und mit einem magnetisch gekuppelten angetriebenen Teil, das drehbar an der Nabe geführt ist, bei der dem angetriebenen Teil eine elektrische Spule zugeordnet ist, mit deren Hilfe durch Anlegen eines elektrischen Stromes an Schleifringe, die am angetriebenen Teil gehalten sind, die magnetische Kupplung zwischen dem treibenden und dem angetriebenen Teil veränderbar ist, wobei der angetriebene Teil mit einem verzahnten Rad zur Geschwindigkeitsmessung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiges Lager mit einem Außen- und einem Innenring (71 bzw. 76) vorgesehen ist, daß der Innenring (71) an der Nabe (10) befestigt ist, daß auf der Außenfläche des Außenringes (76) ein ringförmiger Arm (75) angeordnet ist, der einen radial abstehenden Teil (80) mit einem axial abgebogenen Ende (82) aufweist, daß ein Bürstenhalter (68) an dem Ende des Armes (80) angebracht ist, dessen Bürsten (97) an den Schleifringen (62) anliegen und daß

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ein magnetischer Aufnehmer (66) an dem Arm (80) befestigt ist, dessen Fühler (83) dem verzahnten Rad (65) gegenüberliegt, so daß der Radialabstand zwischen dem Aufnehmer und dem Bürstenhalter einerseits und dem angetriebenen Teil (20) andererseits jeweils gleichbleibt.
5. Elektrisch steuerbarer Wirbelstromantrieb mit einer an der Abtriebswelle eines Antriebsmotores befestigbaren Nabe, die mit Mitteln zur Bildung eines Ankers versehen ist, mit einem drehbar auf der Nabe gelagerten angetriebenen Teil, der mit einem mechanischen Abtriebsteil, wie z.B. einer Riemenscheibe ausgerüstet ist, sowie mit einer elektrischen Spule am angetriebenen Teil, die mit schmalem Spalt gegenüber dem Anker angeordnet ist, wobei der Kupplungsgrad zwischen Anker und angetriebenem Teil dadurch bestimmt wird, daß die Spule mit Strom beaufschlagt wird, wobei dem angetriebenen Teil Geschwindigkeitsübertragungsmittel zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß an der Nabe (10) ein Lager (70) angebracht ist, auf dem ein radial abstehender Tragteil (80) angeordnet ist, der in unverdrehbarer Lage durch eine an ihm angreifende Verdrehsicherung (100) gehalten ist, daß an diesem Tragteil (80) der Fühler (83) eines Aufnehmers (66) gegenüber den Geschwindigkeitsübertragungsmitteln angeordnet ist, so daß Verlagerungen der Nabe während der von der Antriebswelle bewirkten Rotation die Geschwindigkeitsübertragungsmittel (65) und den Fühler (83) des Aufnehmers (66).in gleicher Weise beeinflussen.
6. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitsübertragungsmittel aus einem Zahnradteil (65) bestehen, der dem Abtriebsteil (50) integriert ist und daß der Aufnehmer (66) mit einem magnetischen Fühler (83) versehen ist.
7. Antriebsvorrichtung mit elektromagnetischer Geschwindig-

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keitsregelung mit einer an einer Antriebswelle mitrotierbar befestigten Nabe und mit einem magnetisch gekuppelten angetriebenen Teil, das drehbar an der Nabe geführt ist, bei der dem angetriebenen Teil eine elektrische Spule zugeordnet ist, mit deren Hilfe durch Anlegen eines elektrischen Stromes an Schleifringe, die am angetriebenen Teil gehalten sind, die magnetische Kupplung zwischen dem treibenden und dem angetriebenen Teil veränderbar ist, wobei der angetriebene Teil mit einem verzahnten Rad zur Geschwindigkeitsmessung versehen .ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kugellager (70) mit einem Innen- und einem Außenring (71 bzw. 76) vorgesehen ist, dessen Innenring (71) an der Nabe (10) befestigt und auf dessen Außenring (76) auf der Außenfläche das radial innenliegende Ende (75) eines Armes (80) befestigt ist, daß ein Bürstenhalter (68) an dem Ende des Armes (80) so befestigt ist, daß seine Bürsten an den Schleifringen (62) anliegen und daß ein magnetischer Aufnehmer (66) an dem Arm (80) angebracht ist, dessen Fühler (83) gegenüber dem Zahnrad (65) liegt, wobei der Radialabstand zwischen magnetischem Aufnehmer (66) und Bürstenhalter (6 8) einerseits und dem angetriebenen Teil (20) andererseits konstant bleibt.

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