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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine wobei an Anschlussklemmen eines Stators der elektrischen Maschine elektrische Spannungen angelegt werden, wobei die Spannungen zeitlich variiert werden.
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Üblicherweise werden zur Herstellung einer Wicklung Leiter im Stator der elektrischen Maschine angeordnet und miteinander elektrisch kontaktiert. Diese Leiter können beispielsweise sogenannte Hair-Pin-Elemente sein, U-förmige Leiter, welche zwei lange parallele Schenkel und eine die Schenkel verbindende Spange aufweisen. Die Hair-Pin-Elemente werden mit den Schenkeln in jeweils eine Statornut eingeschoben und mit weiteren Hair-Pin-Elementen zu einer Wicklung verschweißt. Benachbarte Leiter, welche im Stator einer elektrischen Maschine zu Wicklungen angeordnet werden, weisen im Betrieb der elektrischen Maschine oft deutliche elektrische Potentialunterschiede zueinander auf. Ferner bestehen große Potentialdifferenzen zwischen den Leitern und dem Gehäuse der elektrischen Maschine. Daher werden die Leiter normalerweise mit einer elektrisch isolierenden Isolation versehen, so dass auch bei Auftreten der maximal möglichen Potentialdifferenz eine sichere elektrische Isolation gewährleistet ist.
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Gerade beim schnellen Schalten mit großen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten kommt es zu nichtlinearen Spannungsverläufen innerhalb der Wicklung. Die Wicklung zeigt nur dann ein induktives Verhalten, wenn die Anstiegszeit der Spannungsflanke deutlich größer als die Gruppenlaufzeit der Wicklung ist. Wenn die Anstiegszeit der Spannungsflanke kleiner als die Gruppenlaufzeit der Wicklung ist, ist das elektrische Potential entlang der Wicklung nicht gleichmäßig verteilt, sondern folgt entsprechend den parasitären Kapazitäten der Wicklung. Spannungen mit hohen Frequenzanteilen fallen in den ersten Windungen der Wicklung, also an den Leitern direkt an den Anschlussklemmen ab, sodass insbesondere hier die Gefahr einer Teilentladung oder eines Spannungsdurchschlages besteht. Problematisch ist weiterhin das Auftreten von Reflexionen von elektromagnetischen Wellen am Übergang von der Leitung vom Umrichter zur Statorwicklung der elektrischen Maschine. Durch diese Wanderwellenvorgänge entstehen beim Betrieb mit Umrichter deutlich größere Spannungsamplituden an den Anschlussklemmen und an den Leitern, an denen die Anschlussklemmen angeschweißt sind, als beim Betrieb am Netz.
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Zwar ist es möglich, die Isolation der Leiter so auszulegen, dass eine ausreichende elektrisch isolierende Wirkung zwischen den Leitern gewährleistet ist, jedoch unterliegt die Isolation einem Alterungsprozess. Mit zunehmender Betriebsdauer (insbesondere z. B. durch thermische Beanspruchung) verringert sich die elektrisch isolierende Wirkung der Isolation. Nach einiger Zeit kann es daher trotz anfänglich ausreichender isolierender Wirkung zu unerwünschten Überschlägen oder Teilentladungen kommen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine bereitzustellen, welches die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, sondern die Gefahr von unerwünschten Überschlägen zwischen den Leiterbahnen eines Stators der elektrischen Maschine verringert.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine, wobei an Anschlussklemmen eines Stators der elektrischen Maschine elektrische Spannungen angelegt werden, wobei die Spannungen zeitlich variiert werden, wobei die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der zeitlichen Variation der Spannungen abhängig von einem Zustand des Stators gewählt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, durch das Einstellen der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit die Intensität von Spannungsüberhöhungen zu regeln. Grundsätzlich ist es wünschenswert, einen elektrischen Antrieb mit einer elektrischen Maschine möglichst effizient zu betreiben. Höhere Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten bei der Speisung der elektrischen Maschine erhöhen in aller Regel die Effizienz des Antriebs. Allerdings kommt es bei hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit ebenfalls zu intensiveren Spannungsüberhöhungen. Steigt eine Spannung mit einer sehr steilen Flanke an, so schießt die Spannung über die Zielspannung hinaus und regelt sich in einer gedämpften Schwingung auf die Zielspannung ein (Überschwingen). Es kommt zu einer kurzen Spannungsüberhöhung, welche eine entsprechende elektrische Isolation fordert. Steigt die Spannung mit einer weniger steilen Flanke an, so reduziert sich die Intensität der Spannungsüberhöhung, allerdings ist die Zeit bis zum Erreichen der Zielspannung länger, was eine schlechtere Effizienz des elektrischen Antriebs aufgrund höherer Schaltverluste im Umrichter nach sich zieht.
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Flankensteilheit im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Maß für die Geschwindigkeit des Anstiegs und/oder des Abfalls einer elektrischen Spannung. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Flankensteilheit um die Anstiegsgeschwindigkeit und/oder die Abfallgeschwindigkeit der Spannung, mathematisch ausgedrückt als
Flankensteilheit und Spannungsanstiegsgeschwindigkeit werden im Rahmen der Offenbarung der vorliegenden Erfindung synonym verwendet.
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Zustand im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein technischer Zustand und kann Parameter wie beispielsweise Temperatur, mechanische Zusammensetzung, chemische Zusammensetzung von Komponenten des Stators, wie beispielsweise der Isolation der Wicklung, Alterungszustand oder das Vorhandensein von Defekten umfassen. Denkbar ist aber auch, dass der Zustand eingestellt wird, dass also beispielsweise von einem Effizienz-Zustand mit hoher Spannungsanstiegsgeschwindigkeit zu einem Schon-Zustand mit niedriger Spannungsanstiegsgeschwindigkeit geschaltet werden kann. Denkbar ist, dass dies auch graduell einstellbar ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als Zustand des Stators ein Alterungszustand des Stators gewählt wird. Damit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, auf alterungsbedingte Effekte zu reagieren und einen Kompromiss aus höherer Effizienz auf der einen Seite und geringerer Wahrscheinlichkeit von Wicklungsausfällen auf der anderen Seite neu einzustellen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit mit Fortschreiten des Alterungszustandes verringert wird. Dies ermöglicht es, bei alterungsbedingt verschlechterter isolierender Wirkung der Isolation der Leiter der Wicklung des Stators die Gefahr von Überschlägen zu verringern.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Alterungszustand anhand von über eine Lebenszeit des Stators ermittelten Temperaturdaten ermittelt wird. Dies ermöglicht eine sehr genaue und einfache Abschätzung der Wirksamkeit der Isolation der Leiterbahnen der Wicklung des Stators. Die Alterung der Isolation erfolgt bei hohen Temperaturen schneller als bei niedrigen Temperaturen. Die meisten Prozesse der Alterung der Isolation, dies sind beispielsweise korrosive und oxidative Prozesse, folgen der Arrhenius-Gleichung. Als Faustregel aus der Elektrotechnik gilt, dass je 10 K Temperaturerhöhung die Lebensdauer halbiert wird. Lebenszeit im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Dauer zwischen der Produktion des Stators und dem beim Betrieb des Stators aktuellen Zeitpunktes. Die Ermittlung der Temperaturdaten kann dabei kontinuierlich über die gesamte Lebenszeit, kontinuierlich während des gesamten Betriebs während der gesamten Lebenszeit oder stichprobenartig erfolgen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als Temperaturdaten Wicklungstemperaturen des Stators verwendet werden. Damit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, die Temperatur der Isolation der Wicklung des Stators zu überwachen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als Temperaturdaten maximale Wicklungstemperaturen und/oder eine über die Lebenszeit des Stators gemittelte Wicklungstemperatur und/oder maximale Wicklungstemperaturanstiegsgeschwindigkeiten und/oder oder eine über die Lebenszeit des Stators gemittelte Wicklungstemperaturanstiegsgeschwindigkeit verwendet werden. Dies ermöglicht eine exzellente Kontrolle des Alterungszustandes.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Alter des Stators und/oder eine Betriebsdauer des Stators bei der Ermittlung des Alterungszustandes berücksichtigt werden. Dies ermöglicht, die zeitliche Dauer zwischen der Herstellung des Stators und dem aktuellen Zeitpunkt während des Betriebs des Stators zu berücksichtigen. Die Ermittlung des Alterungszustandes wird so weiter präzisiert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Maximaltemperatur der Wicklung und/oder eine maximale Durchschnittstemperatur der Wicklung anhand des Alterungszustandes geregelt werden, wobei die Maximaltemperatur bzw. die maximale Durchschnittstemperatur mit Fortschreiten des Alterungszustandes verringert werden. Somit kann bei fortgeschrittenem Alterungsprozess dieser verlangsamt werden, was den Effekt hat, dass die Flankensteilheit auf Dauer weniger stark angepasst werden muss.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Verringern der Maximaltemperatur bzw. der maximalen Durchschnittstemperatur eine Stromstärke von an den Anschlussklemmen eingespeisten Strömen reduziert wird. Somit ist es möglich, auf Dauer eine hohe Effizienz aufrecht zu halten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Verringern der Maximaltemperatur bzw. der maximalen Durchschnittstemperatur eine Kühlung des Stators verstärkt wird. Durch eine verstärkte Kühlung des Stators ist es möglich, trotz hoher Stromstärken die Maximaltemperatur bzw. die maximale Durchschnittstemperatur zu senken. Leistungseinbußen werden somit vermieden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges mit einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche betrieben wird.
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Dazu ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Temperaturdaten von einem Temperatursensor an einer Wicklung des Stators erhoben werden. Ferner ist vorgesehen, dass die Spannungen von einem Umrichter des Antriebsstranges an den Anschlussklemmen des Stators angelegt werden, wobei die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit von einer Steuereinheit des Antriebsstranges gesteuert oder geregelt wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit durch Regelung des Gate-Stromes des Umrichters geregelt wird. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise ein genaues Anpassen der Flankensteilheit. Denkbar ist, dass der Umrichter SiC- und/oder GaN-Halbleiter aufweist. Aufgrund ihrer hohen Elektronenbeweglichkeit eignen sich diese Halbleiter für sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Gate-Vorwiderstand zur Regelung des Gate-Stromes angepasst wird.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Antriebsstrang, insbesondere ein Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, wobei der Antriebsstrang eine elektrische Maschine, einen Umrichter und eine Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit dazu konfiguriert ist, eine Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, mit welcher von dem Umrichter elektrische Spannungen an die Anschlussklemmen eines Stators der elektrischen Maschine angelegt werden, anhand eines Zustandes des Stators zu regeln. Dies ermöglicht es, durch das Einstellen der Flankensteilheit die Intensität der Isolationsbelastung zu steuern.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Umrichter eine variable Gate-Treiberspannung zur Regelung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit aufweist. Damit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit zu regeln. Denkbar ist, dass der Umrichter SiC- und/oder GaN-Halbleiter aufweist. Vorzugsweise weist der Umrichter einen variablen Gate-Vorwiderstand auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stator einen Temperatursensor zur Messung einer Temperatur einer Wicklung des Stators aufweist. Damit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, Informationen über den Alterungszustand der Isolation der Wicklung des Stators zu erhalten, anhand welcher die Einstellung der Flankensteilheit geregelt werden kann.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Kraftfahrzeug aufweisend den erfindungsgemäßen Antriebsstrang, wobei der Antriebsstrang konfiguriert ist, um mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben zu werden.
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Alle zuvor im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Betrieb der elektrischen Maschine offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich gleichfalls auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges, den erfindungsgemäßen Antriebsstrang und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 illustriert schematisch den Verlauf von elektrischen Spannungen am Ausgang eines Umrichters bzw. an Anschlussklemmen eines Stators einer elektrischen Maschine beim Betrieb der elektrischen Maschine gemäß dem Stand der Technik und gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 illustriert schematisch einen Antriebsstrang gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
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In 1 (a) ist schematisch der Verlauf von elektrischen Spannungen U' an einem Ausgang eines Umrichters und von elektrischen Spannungen U an mit dem Umrichter kontaktierten Anschlussklemmen eines Stators einer elektrischen Maschine gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Während die Spannung U' am Ausgang des Umrichters in Form einer Rechteckschwingung bereitgestellt wird, kommt es an den Anschlussklemmen durch Wanderwellenvorgänge und Leitungsreflexionen zu Spannungsüberhöhungen. Diese Spannungsüberhöhungen müssen bei der Dimensionierung von elektrisch isolierenden Isolationen berücksichtigt werden. Durch Alterungsprozesse verlieren die Isolationen üblicherweise teilweise ihre isolierende Wirkung, so dass eine anfänglich ausreichend wirkungsvolle Isolation nach einer gewissen Zeit nicht mehr ausreicht und die Gefahr von Teilentladungen und Überschlägen besteht.
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In 1 (b) ist schematisch der Verlauf von elektrischen Spannungen U an mit einem Umrichter kontaktierten Anschlussklemmen eines Stators einer elektrischen Maschine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Spannungen U1 und U2 weisen unterschiedliche zeitliche Verläufe auf. Die Spannung U1 steigt mit einer hohen Flankensteilheit an, das heißt ihre Anstiegsgeschwindigkeit ist sehr hoch. Umrichter mit hohen Flankensteilheiten bzw. Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten arbeiten sehr effizient, was üblicherweise gewünscht ist. Durch die hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeit kommt es jedoch zu sehr intensiven Spannungsüberhöhungen. Im Vergleich zum zeitlichen Verlauf der Spannung U1 weist der zeitliche Verlauf der Spannung U2 weniger intensive Spannungsüberhöhungen auf. Dies ist der geringeren Spannungsanstiegsgeschwindigkeit geschuldet und mit einer geringeren Schalteffizienz erkauft. Dies macht sich die vorliegende Erfindung zunutze, in dem in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform die Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten dem Alterungszustand des Stators und insbesondere dem Alterungszustand der Isolation der Wicklung des Stators gemäß angepasst wird. Bei einem wenig weit fortgeschrittenen Alterungszustand, das heißt bei sehr wirkungsvoll isolierenden Isolationen, schaltet der Umrichter mit hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten, während der Umrichter bei einem weit fortgeschrittenen Alterungszustand mit geringen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten schaltet.
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2 illustriert schematisch einen Antriebsstrang 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Antriebsstrang 10 weist eine elektrische Maschine 1 mit einem Stator 2 auf. Anschlussklemmen des Stators 2 kontaktieren einen Umrichter 3 mit einer (nicht gezeigten) Wicklung des Stators 2. Der Umrichter 3 weist SiC-Halbleiter auf, welche sehr schnell und damit sehr effizient schalten. Die Energieversorgung zum Betrieb des Umrichters 3 wird von einer Batterie 6 bereitgestellt.
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Wie in der 1 bereits gezeigt und an entsprechender Stelle diskutiert, kommt es zu Spannungsüberhöhungen an den Anschlussklemmen des Stators 2 im Betrieb der elektrischen Maschine 1. Um Überschläge zu vermeiden, sind die elektrischen Leiter der Wicklung, bei hochperformanten elektrischen Maschinen meist Hair-Pin-Elemente, mit einer Isolation elektrisch isoliert. Diese Isolation unterliegt allerdings einem Alterungsprozess und verliert mit der Zeit ihre isolierende Wirkung. Dieser Alterungsprozess wird wesentlich durch die thermische Belastung des Isolationsmaterials bestimmt. Vereinfacht wird angenommen, dass bei einer Temperaturerhöhung von 10 K die Geschwindigkeit des Alterungsprozesses jeweils verdoppelt wird. Um den Alterungsprozess des Stators 2 und insbesondere der Isolation der Wicklung des Stators 2 zu überwachen, registriert ein Temperatursensor 4 an der Wicklung die maximalen Wicklungstemperaturen, eine über die Lebenszeit des Stators 2 gemittelte Wicklungstemperatur sowie maximale Wicklungstemperaturanstiegsgeschwindigkeiten und eine über die Lebenszeit des Stators 2 gemittelte Wicklungstemperaturanstiegsgeschwindigkeit. Aus diesen Temperaturdaten sowie der Lebenszeit des Stators 2 errechnet eine Steuereinheit 5 einen Alterungszustand des Stators 2. Der Alterungszustand gibt Auskunft darüber, wie wirkungsvoll die Isolation der Wicklung isoliert und ist somit ein gutes Maß, die Flankensteilheit der elektrischen Spannungen, welche von dem Umrichter 3 am Stator 2 angelegt werden, zu steuern. Um die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit einzustellen verändert die Steuereinheit 5 die Gate-Treiberspannung oder regelt den Gate-Strom der Halbleiter des Umrichters 3. Bei einem wenig fortgeschrittenen Alterungszustand werden die Gate-Ströme so eingestellt, dass die Flankensteilheit hoch ist. Das ermöglicht ein sehr effizientes und schnelles Schalten. Ist der Alterungszustand jedoch schon weiter fortgeschritten, so stellt die Steuereinheit 5 die Gate-Ströme so ein, dass die Flankensteilheit gering ist. Das führt zu weniger intensiven Spannungsüberhöhungen an den Anschlussklemmen und mindert damit die Gefahr von Isolationsschäden.
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Hat die Steuereinheit 5 erkannt, dass der Alterungszustand bereits weit fortgeschritten ist, so reduziert sie die Temperaturen an der Wicklung indem sie die Ströme durch die Wicklung begrenzt und die Leistung einer (nicht gezeigten) Kühlung der elektrischen Maschine 1 erhöht. Dies trägt dazu bei, den Alterungsprozess der Wicklungen des Stators 2 hinauszuzögern.
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Die so betriebene elektrische Maschine 1 treibt mit einem Abtrieb 7 ein (nicht gezeigtes) Getriebe an, welches wiederum für eine Traktion eines Kraftfahrzeugs (siehe 3) sorgt, in welchem der Antriebsstrang 10 verbaut ist.
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3 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Antriebsstrang 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
