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Elektromechanisches Getriebe für Fahrzeuge usw. Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zur ununterbrochenen Moment- und Geschwindigkeitsumwandlung, vorzugsweise
bei Fahrzeugen, wie z. B. Kraftomnibussen und Kraftwagen, mittels einer zwischen
einer treibenden und einer getriebenen Welle mechanisch eingeschalteten Planetengetriebevorrichtung,
wobei die treibende Welle an ein Sonnenrad oder einen Außenring der Planetengetriebevorrichtung
mechanisch gekuppelt ist und eine regelbare Leistung mittels zweier elektrischer
Maschinen zwischen der übrigbleibenden freien Geschwindigkeit des Planetengetriebes
und der getriebenen Welle oder an diese mechanisch gekuppelte Wellen übertragen
wird. Die Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, daß die Planetengetriebevorrichtung
aus einem einzigen Planetengetriebe besteht und daß die getriebene Welle an die
Planetenradbrücke angeschlossen ist sowie daß die eine elektrische Maschine, deren
Erregung konstant oder in Stufen umschaltbar ist, wenn die treibende Welle an das
Sonnenrad gekuppelt ist, an den Außenring des Planetengetriebes oder, wenn die treibende
Welle an den Außenring gekuppelt ist, an das Sonnenrad angeschlossen ist und daß
die andere elektrische Maschine, beispielsweise über ein Zahnradgetriebe, an die
getriebene Welle angeschlossen ist bzw. mit einer anderen getriebenen Welle in treibender
Verbindung
steht, wenn zwei Wellen getrieben werden sollen, wobei
die an die genannte freie Geschwindigkeit des Planetengetriebes geschaltete elektrische
Maschine wahlweise in beide Drehrichtungen umschaltbar ist, und zwar dadurch, daß
das Feld der anderen elektrischen Maschine von einem positiven zu einem negativen
Wert oder umgekehrt geregelt wird, wobei ferner der Antriebsmotor mindestens beim
Anfahren von einer Leerlaufdrehzahl auf eine höhere gleichbleibende Drehzahl gebracht
wird, während das Feld der elektrischen Reguliermaschine mindestens beim Anfahren
gleichbleibt und erst zur weiteren Beschleunigung des Fahrzeuges geregelt wird.
Durch diese Maßnahme ist es möglich, mit verhältnismäßig kleinen elektrischen Maschinen
auszukommen, insbesondere bei Überbrückung der Stufen eines Stufengetriebes, falls
ein solches Stufengetriebe in die Kardanwelle eingebaut ist.
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Das Differentialprinzip konnte mit der Einführung der modernen Planetengetriebe
in der modernen Kraftwagentechnik in Anspruch genommen werden. Die festen Zahnradgetriebe
mit einem einzigen Freiheitsgrade sind im Planetengetriebe durch eine entsprechende
Vorrichtung mit zwei Freiheitsgraden ersetzt. Diejenigen Beschränkungen des Übersetzungsverhältnisses
usw., die durch die innerhalb des Außenringes arbeitenden Planeten-und Sonnenräder
bedingt sind, konnten durch doppelte Planetengetriebe verschiedener Art erfolgreich
überbrückt werden.
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Trotz dieser Entwicklung ist die volle Auswirkung von zwei möglichen
Freiheitsgraden nicht ausgenutzt worden, und das Planetengetriebe von heute weist
daher dieselbe Beschränkung wie das ursprüngliche Zahnradgetriebe auf, indem es
nämlich mit unterbrochener Regelung arbeitet. Das ununterbrochen arbeitende Getriebe
hat sich statt dessen zu einer rein mechanisch-hydraulischen Problemstellung entwickelt.
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Daß die elektrische Übertragung hierbei immer mehr beiseite verdrängt
worden ist und man mit derselben heute kaum als mit einer Mitbewerberin zu rechnen
hat, wenn es sich um Kraftwagen- und Omnibusbetrieb handelt, ist sehr bemerkenswert,
wenn man an die Erfolge der elektrischen Kraftübertragung auf anderen technischen
Gebieten denkt, wo die hydraulische Kraftübertragung statt dessen eine bescheidene
Existenz führt. _ Eine der Ursachen ist, daß, während die elektrische Übertragung
stets zwischen dem Antriebsmotor und der getriebenen Welle eingeschaltet liegt,
das, hydraulische Getriebe nur in der Anlaßperiode ausgenutzt wird, um nachher durch
den unmittelbaren Antrieb mit seinem höheren Wirkungsgrad ersetzt zu werden. Dabei
nutzt man folgerichtig die Eigenschaft des hydraulischen Getriebes aus; daß es eine
ununterbrochene Regelung in der Anlaßperiode selbst ergibt, während man diese Eigenschaft
bei höheren Geschwindigkeiten vermeidet, weil die Mängel des hydraulischen Getriebes
als Kraftübertragungsvorrichtung sich sonst als schlechter Wirkungsgrad und starke
Erhitzung auswirken würden. Das Ergebnis eines derartigen Kompromisses wird ein
sanftes Ingangsetzen in Vereinigung mit einer guten durchschnittlichen Brennstoffwirtschaftlichkeit.
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Eine andere wichtige Ursache ist die, daß die elektrischen Maschinen
ein höheres Gewicht und in der Regel auch beträchtlich höhere Anschaffungskosten
aufweisen als die hydraulische Übertragung bei demselben Anlaßmoment. Geht man aber
einen Schritt zu. den schwereren Schienenfahrzeugen weiter, so findet man, daß die
elektrische Übertragung sich noch gut verteidigt, ungeachtet der oben angegebenen
Beschränkungen, daß aber auch hier die hydraulische Kraftübertragung sich in kräftiger
Entwicklung befindet.
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Die Situation ist zweifelsohne die, daß ein beträchtliches Herabsetzen
der Maschinengrößen und der Verluste bei der elektrischen Übertragung diese Kraftübertragung
in den Vordergrund führen würde. Es läßt sich nämlich nicht leugnen, daß die elektrische
Übertragung aus vielen praktischen Gründen der hydraulischen weit überlegen ist,
was die Entwicklung auf anderen Gebieten bezeugt. Esgenügt, die Abdichtungs- und
Kühlprobleme der hydraulischen Übertragung und den wenig günstigen Verlauf der Arbeitscharakteristik
innerhalb eines breiteren Arbeitsintervalls zu erwähnen und darauf zu verweisen,
daß es. keine Möglichkeiten gibt, um bei einer gewissen Geschwindigkeit der Arbeitswelle
das Belastungsmoment wahlfrei zu regeln oder ein Bremsen durch Umkehrung der Richtung
des Arbeitsmomentes zu bewirken.
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Zur Erläuterung sei auf die Zeichnungen verwiesen.
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In Fig. z zeigt die Kurve Mx, welche Momente im ununterbrochenen Betrieb
an der Kardanwelle bis auf eine gewisse angenommene Schlüpfgrenze entnommen werden
könnten, wenn keine Verluste in der Kraftübertragung vorhanden wären und der Verbrennungsmotor
die ganze Zeit mit vollem Moment und voller Geschwindigkeit arbeiten würde. Es wird
angenommen, daß das Moment an der Kardanwelle bei unmittelbarem Antrieb M ist. Die
Kurve E gibt die gleichzeitig entnommene Leistung an, während Ma' und E' den Momentverlauf
bzw. den Leistungsverlauf mit Rücksicht auf die entstehenden Verluste angeben. Das
Diagramm zeigt, wie der unmittelbare Antrieb eingeschaltet wird, wenn das Sinken
.des Wirkungsgrades des hydraulischen Getriebes angefangen hat. Der Verbrennungsmotor
muß in diesem Falle praktisch volle Geschwindigkeit auch bei niedriger Geschwindigkeit
der getriebenen Welle haben.
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Fig.2 zeigt eine normale Antriebsvorrichtung mit Planetengetriebe,
wo r den Verbrennungsmotor, 2 das Sonnenrad, 3 den Außenring und 4 die Planetenradbrücke
bezeichnet. Die getriebene Kardanwelle ist mit 5 und das getriebene Räderpaar mit
6 bezeichnet.
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Wenn das Übersetzungsverhältnis des Umlaufrädergetriebes bei festgebremstem
äußerem Zentralrad 3 mit K bezeichnet ist, so erhält man, wenn keine Reibungsverluste
im Getriebe vorhanden
wären, ein Moment h - M an der Kardanwelle
und ein Moment (k -L) M am Außenring des Planetengetriebes. Gleichzeitig
wird die Umdrehungszahl der Kardanwellen" -
, Das Moment k - M bei der Umdrehungszahl ytx = wird im folgenden der Nullpunktwert
des Planetengetriebes
genannt, und zwar deshalb, weil es voraussetzt, daß der Außenring mit ztp = o festgebremst
gehalten wird, weshalb wohl ein Moment dagegen keine Leistung durch den Außenring
übertragen wird. Dieser Nullpunktwert ist in Fig. 3 in die Momentkurve M" durch
eine gestrichelte Linie bei einem angenommenen Wert von K = 2,3 eingetragen.
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Bei Geschwindigkeiten der Kardanwelle, die unter diesem Nullpunktwert
liegen, läuft der Außenring mit der Geschwindigkeit -np in einer Richtung um, die
derjenigen des Dieselmotors entgegengesetzt ist. Bei Geschwindigkeiten über dem
Nullpunktwert läuft der Außenring in derselben Richtung wie der Verbrennungsmotor
mit der Geschwindigkeit 2+ np um. Im ersten Falle weist die Momentkurve Mr einen
Zusatz von +Mt über den Nullpunktwert auf, und_ im letzteren Falle zeigt die Kurve
einen Abzug von -Mt unter dem Nullpunktwert. Der zweite Freiheitsgrad des Planetengetriebes
ist dabei wirksam ausgenutzt, wenn diejenige Leistung, die somit über das äußere
Zentralrad 3 des Planetengetriebes übertragen wird, für das Vorwärtstreiben des
Motorwagens bei allen Werten von -i- np ausgenutzt werden kann. Wenn die Räder des
Planetengetriebes durch eine normale Kraftwagenkupplung gegenseitig verriegelt werden,
erhält die Kardanwelle die Geschwindigkeit ytx = n entsprechend der Höchstgeschwindigkeit
des Kraftwagens.
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Für das Planetengetriebe gilt der folgende Zusammenhang zwischen den
Wellengeschwindigkeiten
wo 72 den Teilungshalbmesser des Außenringes und y1 den Teilungshalbmesser des Sonnenrades
bezeichnet.
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Da bei konstantem Moment M des Verbrennungsmotors die Kardanwelle
stets ein zugeführtes Moment von k - M aufweist, ist es unmöglich, eine ununterbrochene
Regelung gemäß Kurve M" zu erhalten, wenn nicht diejenige Leistung, die über den
Außenring mit dem Moment (k -l) M übertragen wird, umgeformt und der Kardanwelle
zugeführt wird. Wenn eine derartige Umwandlung ohne Verluste erfolgen könnte, würde
man ein Zusatzmoment Mt gemäß der folgenden Gleichung erhalten: (k-l)M#nD+Mtnx=O,also
Mt=-(k-l)M
Das Zusatzmoment Mt wird dabei positiv bei negativen Werten von wp und negativ bei
positiven Werten von äp. Dies bedeutet, daß bei Geschwindigkeiten unter dem Nullpunktwert
Leistung vom Außenring zur Kardanwelle und bei Geschwindigkeiten über dem Nullpunktwert
Leistung in entgegengesetzter Richtung übertragen wird. Die elektrische Übertragung
beispielsweise nach dem Leonardschen Prinzip kann dabei von neuem angewandt werden,
jedoch unter ganz veränderten und günstigeren Verhältnissen, als dies früher der
Fall war.
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Fig. q. zeigt eine derartige Anordnung, wo 7 die an den Außenring
des Planetengetriebes gekuppelte elektrische Maschine und 8 die an die Kardanwelle
über das Zahnradgetriebe 9 angeschlossene elektrische Maschine bezeichnet. Hierbei
wird ein elektromechanisches Getriebe erhalten, dessen Drehmoment auf die Kardanwelle
teils aus einer rein mechanisch übertragenen Komponente k - M und teils aus einer
elektromagnetisch übertragenen Komponente Mt besteht, wo k im Beispiel gleich 2,3
ist. Wenn das Planetengetriebe zum unmittelbaren Antrieb umgeschaltet wird, z. B.
dadurch, daß die Geschwindigkeit np mechanisch bis zum Stillstand abgebremst oder
mechanisch mit einer der übrigen Geschwindigkeiten des Planetengetriebes zusammengekuppelt
wird, so wird der elektrische Stromkreis unterbrochen, wobei die elektrischen Maschinen
ohne Belastung umlaufen. Auch in dieser Hinsicht kann das elektromechanische Getriebe
dieselben Vorteile wie das hydraulische Getriebe bieten, indem die elektrischen
Maschinen, wenn erwünscht, nur während der eigentlichen Anlaßperiode zu arbeiten
brauchen.
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Da das elektrisch übertragene Zusatzmoment Mt nur ein geringer Teil
des Gesamtanlaßmomentes zu sein braucht, ist auch die zweite Voraussetzung einer
Entwicklung der elektrischen Übertragung in eine wirtschaftlichere Anordnung verwirklicht
worden. Da die elektrischen Verluste nur eine geringe übertragene Leistung treffen,
werden nämlich auch die Gesamtverluste des elektromechanischen Getriebes beträchtlich
herabgesetzt, während die elektrischen Maschinen gleichzeitig geringere Abmessungen
annehmen. Da diejenige Leistung, die durch den Außenring vermittelt wird, Null wird,
wenn np durch Null geht, und da die an den Ring gekuppelte elektrische Maschine
verschiedene Umlaufrichtungen zu beiden Seiten dieses Nullpunktwertes aufweist,
so wird diese elektrische Maschine einen Geschwindigkeitsbereich überbrücken, welcher
die numerische Summe ihrer höchsten Umlaufgeschwindigkeit in beiden Richtungen ist,
was die Abmessungen der Maschine weiter in hohem Grade vermindert. Das elektromechanische
Getriebe hat damit tatsächlich eine weit bessere Ausgangsstellung als das hydraulische
Getriebe erlangt, da jenes im wesentlichen nach reinem Zahnradgetriebeprinzip arbeitet,
wie dies aus einem Vergleich der Fig. i und 5 zu erkennen ist.
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Aus Fig. 5 ist ersichtlich, wie sich das Arbeitsdiagramm für ein derartiges
elektromechanisches Getriebe verhält für k = 2,3, wenn die Höchstgeschwindigkeit
des Außenringes des Planetengetriebes bei Belastung auf + iooo Umdrehungen pro Minute
bei einer Umdrehungszahl von 3000 Umdrehungen pro Minute der Welle des Verbrennungsmotors
beschränkt wird, und zwar bei
gewissen angenommenen Verlusten in
den elektrischen Maschinen. Das Diagramm gibt teils die Arbeitsverhältnisse bei
voller Brennstoffzufuhr an (starke gestrichelte Kurve) und zeigt teils, wie dasselbe
abgeändert wird, wenn die Brennstoffzufuhr auf die Hälfte herabgesetzt wird (schwache
gestrichelte Kurve). Wenn die vorstehende Umdrehungszahl des Außenringes des Planetengetriebes
nicht überschritten werden soll, muß der unmittelbare Antrieb eingeschaltet werden,
ehe die Wagengeschwindigkeit etwa 75 km pro Stunde überschritten hat.
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Statt des Einschaltens des unmittelbaren Antriebes kann selbstverständlich
ein in der Kardanwelle vorgesehenes Stufengetriebe eingeschaltet werden, wobei das
elektromechanische Getriebe zunächst die erste Stufe des Stufengetriebes, nachher
die zweite Stufe desselben usw. ununterbrochen überbrückt, wobei der ununterbrochene
Arbeitsbereich bei unveränderter Größe des elektromechanischen Getriebes beliebig
gesteigert werden kann.
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Die durch den Außenring des Planetengetriebes vermittelte Höchstleistung
ist im Beispiel c - 1,3 M - 1000. Wenn der Verbrennungsmotor eine Leistung von z.
B. 5o PS abgibt, ist hierbei c - M - 3ooo = 5o. Die Höchstleistung durch den Außenring
des Planetenrades wird folglich
- 1,3 - iooo = 21,6 PS. Wenn dieselbe Regelüng durch reine Ward-Leonardsche Regelung
zu bewirken wäre, so müßten die elektrischen Maschinen für ein Höchstmoment von
3,5 M und für eine Geschwindigkeit von 3000 Umdrehungen pro Minute bemessen
werden. Diese Maschinen würden infolgedessen etwa neunmal größer werden, als bei
dem elektromechanischen Getriebe erforderlich ist.
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Da das Moment lVl des Verbrennungsmotors bei voller Brennstoffzufuhr
annähernd konstant bleibt, so ist dieses auch hinsichtlich des Momentes
(k -l) M am Außenringe des Planetengetriebes zutreffend. Wenn die an den
Außenring gekuppelte elektrische Maschine mit einem konstanten Wert Op erregt wird,
so wird; wenn der elektrische Strom zwischen den Maschinen mit I bezeichnet wird,
die entsprechende Gleichung: I - 0, = (k-1) M
und infolgedessen
Die Voraussetzung für eine derartige Vollleistungsregelung gemäß dem Arbeitsdiagramm
in Fig:' 5 ist somit, daß der durch die Maschinen hindurchfließende elektrische
Strom während der ganzen Anlaßperiode annähernd konstant bleibt. Dieses kann durch
Regelung des Feldes $x der an die Kardanwelle gekuppelten Maschine bewirkt werden.
Die Größe von n. und 0" ist ebenfalls im Diagramm der Fig. 5 angedeutet. In der
Nähe des Nullpunktwertes sinkt 0" auf o, üm nachher seine Richtung zu wechseln.
Bei Wagengeschwindigkeiten bis auf etwa 35 km pro Stunde bleibt 0,
konstant,
und die Umdrehungszahl des Verbrennungsmotors steigt dann von einer Leerlaufumdrehungszahl
von etwa 500 Umdrehungen pro Minute auf volle Geschwindigkeit unter Abgabe
eines konstanten Anlaßmomentes an die Kardanwelle von 3,51V1. Der Ausgangswert von
0" und 0, kann leicht eingestellt werden, so daß das Höchstmoment erhalten
wird.
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Wenn das Feld 0" schneller herabgesetzt wird, als der vollen Leistungsentnahme
am Verbrennungsmotor entspricht, wird der letztere ein volles Moment bei herabgesetzter
Umdrehungszahl abgeben. Wenn 0x langsamer herabgesetzt wird, als der vollen Leistungsentnahme
entspricht, wird der Motor auf die volle Umdrehungszahl beschleunigt, und eirk an
demselben vorgesehener Schnellaufregler setzt dann die Brennstoffzufuhr herab. Durch
Regelung des Feldes 0" mittels des Geschwindigkeitspedals kann also jede gewünschte
Leistung bis zur Höchstleistung entnommen werden. Wird die Brennstoffzufuhr z. B.
auf den halben Wert der vollen Leistung herabgesetzt, so erhält man denselben Regelungsverlauf
mit auf die Hälfte herabgesetzter Momentkurve gemäß Fig. 5.
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Aus dem Vorstehenden ergibt sich auch, daß eine selbsttätige Regelung
bei jedem gewünschten Moment am Verbrennungsmotor einfach zustande gebracht werden
kann, und zwar beispielsweise mittels eines Stromrelais, dessen- Einstellung durch
das Pedal auf verschiedene gewünschte Werte geregelt werden kann, wobei also ein
vollständig durchgeführter Anlaßvorgang möglich ist, ohne daß das Geschwindigkeitspedal
aus der zuerst eingenommenen Stellung bewegt zu werden braucht. Das elektromechanische
Getriebe gestattet daher große Wahlfreiheit hinsichtlich der Regelung. Das Einschalten
des unmittelbaren Antriebes kann bei jeder gewünschten Geschwindigkeit erfolgen.
Wenn direkter Antrieb nicht z. B. bei 75 km pro Stunde eingeschaltet sein sollte,
so wird vorschlagsweise für dessen selbsttätiges Einschalten Sorge getragen.
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Da der vorstehend beschriebene- Verlauf vollständig umkehrbar ist,
kann eine Motorbremsung nach demselben Prinzip wie beim Fahren erhalten werden,
und zwar mit denselben Möglichkeiten hinsichtlich der Ausnutzung einer ununterbrochenen
Regelung. Die Leistung wird hierbei durch die Masse des Motorwagens erzeugt und
an den Verbrennungsmotor zurückgeführt. Der Bremsverlauf wird hierbei weit sanfter
und wirksamer, als dies bei jeder rein mechanischen Vorrichtung möglich ist.
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Der Verbrennungsmotor kann. durch Ausnutzung der an das Planetengetriebe
gekuppelten Maschine angelassen werden. Damit das an der Kardanwelle entstehende
Reaktionsmoment hierbei nicht den Wagen zum Rollen veranlassen kann, muß die Handbremse
angesetzt sein. Eine zweckdienliche Verriegelung kann vorgesehen werden, um dies
sicherzustellen. Nachdem der Motor angelassen worden ist, fangen die elektrischen
Maschinen selbsttätig an, die Batterie zu laden. Diese Ladung wird hierbei viel
wirksamer, als dies bei normal verwendeten Ladeerzeugern für gewöhnlich der Fall
ist.
Grundsätzlich wird daran nichts geändert, wenn die dem Außenring
des Planetengetriebes entnommene Leistung statt dessen an die Welle des Verbrennungsmotors
zurückgeführt wird, was stets in einer der Leistungsrichtungen der Fall ist.
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Für den Fall, daß zwei Wellen angetrieben werden sollen, kann es zweckdienlich
sein, daß die rein mechanische Leistung über das Planetengetriebe und die Kardanwelle
der einen getriebenen Welle zugeführt, während die elektrische Leistung der zweiten
getriebenen Welle zugeführt wird. Dieübersetzungsverhältnisse können hierbei derart
gewählt werden, daß die Höchstmomente an den beiden getriebenen Wellen etwa denselben
Wert erhalten. Grundsätzlich wird daran nichts geändert, wenn z. B. der Dieselmotor
den Außenring treibt, während die Brücke der Planetenräder an die Kardanwelle und
die elektrische Maschine an die Sonnenradwelle angeschlossen ist, vorschlagsweise
gemäß Fig. 6, wo i i die rein mechanisch getriebene Welle ist, die an die Brücke
q. der Planetenräder über das Zahnradgetriebe io angeschlossen ist, und 12 die an
die elektrische Maschine 8 angeschlossene, elektrisch getriebene Welle bezeichnet.