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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Motorsteuerungen für Permanentmagnet-AC-Synchronmotoren
und bürstenlose
DC-Motoren.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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In 1 ist
ein bekanntes Dreiphasenmotorantriebssystem für einen Motor PM mit einem
Wechselrichter und einer Energiequelle abgebildet, die eine Batterie
BAT zusammen mit einem Kondensator CAP umfasst. Der Wechselrichter
umfasst primäre Kommutierungsschalter
Q1-Q6 zusammen mit Überbrückungsdioden
D1-D6, welche wie gezeigt konfiguriert sind. Der Permanentmagnetmotor
PM ist ein Dreiphasenmotor, der durch drei Statorwicklungen A, B
und C angetrieben wird. Um die Wicklungen A und B mit einem Strom
in eine Richtung zu versorgen, werden die Schalter Q1 und Q5 eingeschaltet
und alle anderen Schalter werden ausgeschaltet. Um die Wicklungen
A und B mit einem Strom in die andere Richtung zu versorgen, werden
die Schalter Q2 und Q4 eingeschaltet und alle anderen Schalter werden ausgeschaltet.
Um die Wicklungen A und C mit einem Strom in eine Richtung zu versorgen,
werden die Schalter Q1 und Q6 eingeschaltet und alle anderen Schalter
werden ausgeschaltet. Um die Wicklungen A und C mit einem Strom
in die andere Richtung zu versorgen, werden die Schalter Q3 und
Q4 eingeschaltet und alle anderen Schalter werden ausgeschaltet.
Um die Wicklungen B und C mit einem Strom in eine Richtung zu versorgen,
werden die Schalter Q2 und Q6 eingeschaltet und alle anderen Schalter
werden ausgeschaltet. Um die Wicklungen B und C mit einem Strom
in die andere Richtung zu versorgen, werden die Schalter Q3 und
Q5 eingeschaltet und alle anderen Schalter werden ausgeschaltet.
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Wie
im US-Patent Nr. 6,236,179 an Lawler et al., das durch Bezugnahme
hierin umfasst ist, erörtert wird,
werden AC-Synchronmotoren und bürstenlose DC-Motoren
durch eine Kommutierung von Festkörperschalteinrichtungen gesteuert,
die mit ihren Statorwicklungen verbunden sind. Diese Motoren können von
dem Permanentmagnet-Typ (PM-Typ) sein, bei welchem auf dem Rotor
Permanentmagnete anstelle von Rotorwicklungen verwendet werden.
Wenn die Drehzahl des Rotors ansteigt, steigt die in dem Stator
entwickelte Spannung (als die "Gegen-EMK" bezeichnet) an.
Dies wiederum erfordert, dass höhere
und höhere
Anschlussspannungen angelegt werden müssen, um die gewünschten
Drehmomente zu erzeugen. Eine Basisdrehzahl ist diejenige Drehzahl, welche
an dem oberen Ende des konstanten Drehmomentbereichs und an dem
Beginn des konstanten Leistungsbereichs liegt. Bei vielen Anwendungen
ist es wünschenswert,
die Anschlussspannung bei einer gewissen Drehzahl zu begrenzen und
dennoch eine konstante Leistung über
einen gewissen Drehzahlbereich über
der Basisdrehzahl aufrechtzuhalten. Das Verhältnis der höchsten Drehzahl, die erreichbar
ist, zu der Basisdrehzahl, bei welcher die Grenze der Anschlussspannung
erreicht ist, wird das Konstantleistungsdrehzahlverhältnis genannt.
Das Erreichen eines gewünschten
Konstantleistungsdrehzahlverhältnisses
wird schwieriger, wenn die Motorinduktivität in dem Mikrohenry-Bereich
liegt.
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Es
wurden PM-Motoren mit im Inneren angebrachten Magneten (IPMs) gezeigt,
die Konstantleistungsdrehzahlverhältnisse von 7,5:1 aufweisen.
Diese Typen von PM-Motoren sind jedoch nicht im Handel erhältlich.
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Bei
Traktionseinrichtungen, wie z.B. Elektrofahrzeugen, fordern die
Drehmoment-Drehzahlspezifikationen ein konstantes Drehmoment bis
zu einer gewissen Basisdrehzahl und dann einen Betrieb mit konstanter
Leistung bis zu einer höheren
Drehzahl. PM-Elektromotoren mit oberflächenmontierten Permanentmagneten
aus seltenen Erden sind aufgrund ihrer Energiedichte und Effizienz
geeignete Kandidaten für
solche Anwendungen. Diese Motoren werden elektrisch kommutiert und
durch Umrichter angetrieben.
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Camber
et al. offenbart im US-Patent Nr. 5,677,605, das am 14. Oktober
1997 erteilt wurde, ein Antriebssystem für einen bürstenlosen DC-Motor, das einen
PWM-Umrichter und eine Phasenzeitpunktsverstellung verwendet, um
einen Betrieb in dem konstanten Leistungsbereich oberhalb der Basisdrehzahl
zu steuern. Dieses Patent offenbart einen bürstenlosen Dreiphasen DC-Motor,
der von einem sechsstufigen PWM-Antrieb angetrieben wird. Die Kommutierungsschalter
umfassen IGBTs (insulated gate bipolar transistors) und MOSFETs
(MOS field effect transistors) für
die primären
Schalteinrichtungen parallel zu Überbrückungsdioden.
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Wenn
die Drehzahl ansteigt und die Kommutierung mit einer schnellen Rate
stattfindet, kann diese Anordnung ein kontinuierliches Leiten des
Phasenstroms und ein Leiten durch die Überbrückungsdioden zu unerwünschten
Zeitpunkten zulassen, was zu einem Verlust von Leistung und Effizienz
führt.
Der Umrichter und der Motor können
sich erwärmen,
wodurch sie zusätzliche
Kühlungsmaßnahmen
erfordern.
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Der
Gegenstand des US-Patents Nr. 6,236,179, das am 22. Mai 2001 an
Lawler et al. erteilt wurde, ist hier umfasst. 2 stellt
eine von Lawler et al. gelehrte Modifikation des in 1 abgebildeten
bekannten Systems dar. Ein Schaltkreis zur Steuerung einer Dreiphasenmaschine
PM, die einen Stator mit drei Statorwicklungen aufweist, umfasst
einen Controller (wie in 1 abgebildet), drei primäre Kommutierungsschalterpaare,
einen neutralen Anschluss N und drei Statorwicklungsschaltkreise.
Das erste Schalterpaar umfasst einen ersten primären Kommutierungsschalter (Q1,
D1) und einen zweiten primären
Kommutierungsschalter (Q4, D4), die an einem Knoten NA verbunden
sind. Das zweite Schalterpaar umfasst einen ersten primären Kommutierungsschalter
(Q2, D2) und einen zweiten primären Kommutierungsschalter
(Q5, D5), die an einem Knoten NB verbunden sind. Das dritte Schalterpaar
umfasst einen ersten primären
Kommutierungsschalter (Q3, D3) und einen zweiten primären Kommutierungsschalter
(Q6, D6), die an einem Knoten NC verbunden sind. Der erste Statorwicklungsschaltkreis umfasst
einen Kommutierungssteuerungsschalter SWA, der zwischen den Knoten
NA und ein Ende einer Wicklung A des Dreiphasenmotors PM geschaltet
ist. Das andere Ende der Wicklung A ist mit dem neutralen Anschluss
N verbunden. Der zweite Statorwicklungsschaltkreis umfasst einen
Kommutierungssteuerungsschalter SWB, der zwischen den Knoten NB
und ein Ende einer Wicklung B des Dreiphasenmotors PM geschaltet
ist. Das andere Ende der Wicklung B ist mit dem neutralen Anschluss
N verbunden. Der dritte Statorwicklungsschaltkreis umfasst einen Kommutierungssteuerungsschalter
SWC, der zwischen den Knoten NC und ein Ende einer Wicklung C des
Dreiphasenmotors PM geschaltet ist. Das andere Ende der Wicklung
C ist mit dem neutralen Anschluss N verbunden.
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Jeder
der Kommutierungssteuerungsschalter SWA, SWB und SWC besteht aus
zwei anti-parallelen gesteuerten Siliziumgleichrichtern. Die gesteuerten
Siliziumgleichrichter (als SCRs bekannt) sind in einer rückwärts angesteuerten
Situation nicht leitend und sind auch nicht leitend, sogar wenn
sie vorwärts angesteuert
sind, solange nicht ein Auslösesignal empfangen
wird, während
der SCR vorwärts
angesteuert ist. Sobald er ausgelöst wird, während er vorwärts angesteuert
ist, wird der SCR leitfähig.
Nachdem ein SCR leitet, bleibt er leitend, bis die an dem SCR anliegende
Spannung auf Null fällt
oder der SCR rückwärts angesteuert
wird. Auf diese Weise kann der Controller dem SCR einen Auslöseimpuls zur
Verfügung
stellen und dadurch den Einschaltzyklus zu einem beliebigen Zeitpunkt
einleiten, an dem der SCR vorwärts
angesteuert wird; der SCR kann jedoch nur an dem Ende eines Zyklus,
wenn sich die an dem SCR anliegende Spannung umdreht, in den nicht
leitenden Zustand zurückgebracht
werden. Der Controller ist mit den SCRs gekoppelt, um einen phasenvoreilenden
Stromflusswinkel der primären
Kommutierungsschalter relativ zu einem Punkt zu steuern, an dem
eine Versorgungsspannung gleich der Gegen-EMK ist.
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Der
Schaltkreis von Lawler et al. wird bei Dreiphasenmotoren mit einer
niedrigen Motorinduktivität
angewendet. Der Schaltkreis ist für Motoren gedacht, die bei
Drehzahlen deutlich oberhalb der Basisdrehzahl arbeiten, wobei die
Basisdrehzahl die höchste
Drehzahl ist, bei welcher ein spezifiziertes Drehmoment erhalten
wird. Beispielsweise kann der Motor spezifiziert sein, um ein Drehmoment
von XXX bis zu Geschwindigkeiten von YYY U/min zu erfordern. Wenn
die Motordrehzahl ansteigt, entwickelt die Statorwicklung eine Gegen-EMK.
Wenn die Größe der Gegen-EMK
von einer Motorwicklung größer als
die Versorgungsspannung wird, muss ein Mittel gefunden werden, um
den Motor weiter anzutreiben, da weiterhin ein Strom in die Statorwicklungen
des Motors PM injiziert werden muss, damit der Motor mit der Kraftentwicklung
fortfahren kann. Lawler et al. betreibt den Motor jenseits der Basisdrehzahl,
indem ein Strom in die Statorwicklung bei einem Motordrehwinkel
injiziert wird, der dem Winkel zu dem Zeitpunkt voreilt, wenn die
Größe der Gegen-EMK
von einer Motorwicklung größer als
die Versorgungsspannung wird. Lawler et al. stellt diesen Strom
an einem voreilenden Winkel bereit, indem der Controller verwendet wird,
um einen der SCRs in dem geeigneten Kommutierungssteuerungsschalter
SWA, SWB oder SWC an dem voreilenden Winkel auszulösen. Bei
Lawler et al. ist der voreilende Winkel in einem Bereich von Null bis
sechzig Grad vorgesehen. Dieser voreilende Winkel steuert die entwickelte
Kraft, wie bei Lawler et al. erläutert
ist. Wenn die an einem SCR anliegende Spannung Null oder negativ
wird, wird der SCR ausgeschaltet. Bei einigen Drehzahlen, die nur
ein wenig größer als
die Basisdrehzahl sind, und bei einigen voreilenden Winkeln kann
der Schaltkreis von Lawler et al. dazu führen, dass der ausgehende Phasenstrom
Null nicht vor dem Zeitpunkt erreicht, an dem die Phase in den Dienst
zurückgeschaltet
werden muss. Dies führt
zu einem "Kommutierungsfehler", welcher nicht katastrophal
ist, der aber die Durchschnittsabtriebsleistung verringert und den RMS-Strom
erhöht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Schaltkreis zur Steuerung einer Mehrphasenmaschine mit einem Stator
mit Statorwicklungen umfasst einen Controller, primäre Kommutierungsschalterpaare,
einen neutralen Anschluss und Kommutierungssteuerungsschalter. Jedes
Schalterpaar umfasst erste und zweite primäre Kommutierungsschalter, die
an einem Knoten verbunden sind. Jeder Kommutierungssteuerungsschalter
ist mit einer Wicklung gekoppelt, so dass zwischen dem neutralen
Anschluss und einem jeweiligen der Knoten ein Statorwicklungsschaltkreis
ausgebildet ist. Jeder Kommutierungssteuerungsschalter umfasst eine
erste Diode, die zu einem seriellen Schalterschaltkreis parallel
geschaltet ist. Jeder serielle Schalterschaltkreis umfasst eine
zweite Diode und ein in Reihe geschaltetes Schaltelement. Der Controller
ist mit den Schaltelementen und den primären Kommutierungsschalterpaaren
gekoppelt, um eine Einschaltzeit und eine Ausschaltzeit der primären Kommutierungsschalter
relativ zu einem Punkt zu steuern, an dem eine Versorgungsspannung
gleich der Gegen-EMK ist.
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Eine
Maschine eines Kraftfahrzeugs umfasst eine Mehrphasenmaschine mit
einem Stator mit mehreren Statorwicklungen, einen Controller, primäre Kommutierungsschalterpaare,
einen neutralen Anschluss und mit der Mehrphasenmaschine gekoppelte
Kommutierungssteuerungsschalter. Jedes Schalterpaar umfasst erste
und zweite primäre
Kommutierungsschalter, die an einem Knoten verbunden sind. Jeder
Kommutierungssteuerungsschalter ist mit einer Wicklung gekoppelt,
so dass zwischen dem neutralen Anschluss und einem jeweiligen der
Knoten ein Statorwicklungsschaltkreis ausgebildet ist. Jeder Kommutierungssteuerungsschalter
umfasst eine erste Diode, die zu einem seriellen Schalterschaltkreis parallel
geschaltet ist. Jeder serielle Schalterschaltkreis umfasst eine
zweite Diode und ein in Reihe geschaltetes Schaltelement. Der Controller
ist mit den Schaltelementen und den primären Kommutierungsschalterpaaren
gekoppelt, um eine Einschaltzeit und eine Ausschaltzeit der primären Kommutierungsschalter
relativ zu einem Punkt zu steuern, an dem eine Versorgungsspannung
gleich der Gegen-EMK ist.
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Ein
Elektromotorsystem umfasst eine elektrische Energiequelle, eine
Mehrphasenmaschine mit einem Stator mit mehreren Statorwicklungen,
einen Controller, mit der elektrischen Energiequelle gekoppelte
primäre
Kommutierungsschalterpaare, einen neutralen Anschluss und mit der
Mehrphasenmaschine gekoppelte Kommutierungssteuerungsschalter. Jedes
Schalterpaar umfasst erste und zweite primäre Kommutierungsschalter, die
an einem Knoten verbunden sind. Jeder Kommutierungs steuerungsschalter
ist mit einer Wicklung gekoppelt, so dass zwischen dem neutralen
Anschluss und einem jeweiligen der Knoten ein Statorwicklungsschaltkreis
ausgebildet ist. Jeder Kommutierungssteuerungsschalter umfasst eine
erste Diode, die zu einem seriellen Schalterschaltkreis parallel
geschaltet ist. Jeder serielle Schalterschaltkreis umfasst eine
zweite Diode und ein in Reihe geschaltetes Schaltelement. Der Controller
ist mit den Schaltelementen und den primären Kommutierungsschalterpaaren
gekoppelt, um eine Einschaltzeit und eine Ausschaltzeit der primären Kommutierungsschalter
relativ zu einem Punkt zu steuern, an dem eine Versorgungsspannung gleich
der Gegen-EMK ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
mit Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen genau beschrieben.
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1 ist
eine schematische Zeichnung eines bekannten Umrichtertyps für Elektro-
und Hybridfahrzeuge.
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2 ist
eine schematische Zeichnung eines anderen bekannten Umrichtertyps
für Elektro- und
Hybridfahrzeuge.
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3 ist
eine schematische Zeichnung eines Umrichters gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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4 ist
eine schematische Zeichnung einer Variante des Umrichters von 3.
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5 ist
eine schematische Zeichnung einer anderen Variante des Umrichters
von 3.
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6 ist
eine schematische Zeichnung noch einer anderen Variante des Umrichters
von 3.
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GENAUE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 3 ist
ein Schaltkreis zur Steuerung einer Mehrphasenmaschine abgebildet,
die einen Stator mit mehreren Statorwicklungen aufweist. Der Schaltkreis
umfasst einen (nicht gezeigten) Controller, einen neutralen Anschluss
N, mehrere primäre Kommutierungsschalterpaare
und mehrere Kommutierungssteuerungsschalter. Jedes der mehreren
primären
Kommutierungsschalterpaare umfasst erste und zweite primäre Kommutierungsschalter,
die an einem jeweiligen Knoten verbunden sind. Das erste Schalterpaar
umfasst einen ersten primären
Kommutierungsschalter (Q1, D1) und einen zweiten primären Kommutierungsschalter
(Q4, D4), die an einem Knoten NA verbunden sind. Das zweite Schalterpaar umfasst
einen ersten primären
Kommutierungsschalter (Q2, D2) und einen zweiten primären Kommutierungsschalter
(Q5, D5), die an einem Knoten NB verbunden sind. Das dritte Schalterpaar
umfasst einen ersten primären
Kommutierungsschalter (Q3, D3) und einen zweiten primären Kommutierungsschalter (Q6,
D6), die an einem Knoten NC verbunden sind.
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Jeder
der mehreren Kommutierungssteuerungsschalter ist mit einer entsprechenden
Wicklung der Statorwicklungen gekoppelt, so dass zwischen dem neutralen
Anschluss und einem jeweiligen der Knoten ein entsprechender Statorwicklungsschaltkreis
ausgebildet ist. Jeder der mehreren Statorwicklungsschaltkreise
ist zwischen den neutralen Anschluss N und einen jeweiligen der
Knoten NA, NB oder NC geschaltet. Für jeden Statorwicklungsschaltkreis
stehen einem Entwickler zwei alternative Konfigurationen zur Verfügung.
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Bei
der ersten alternativen Konfiguration umfasst der erste Statorwicklungsschaltkreis
einen Kommutierungssteuerungsschalter SWA, der zwischen den Knoten
NA und ein Ende einer Wicklung A des Dreiphasenmotors PM geschaltet
ist, und das andere Ende der Wicklung A ist mit dem neutralen Anschluss
N verbunden. Der zweite Statorwicklungsschaltkreis umfasst einen
Kommutierungssteuerungsschalter SWB, der zwischen den Knoten NB und
ein Ende einer Wicklung B des Dreiphasenmotors PM geschaltet ist,
und das andere Ende der Wicklung B ist mit dem neutralen Anschluss
N verbunden. Der dritte Statorwicklungsschaltkreis umfasst einen
Kommutierungssteuerungsschalter SWC, der zwischen den Knoten NC
und ein Ende einer Wicklung C des Dreiphasenmotors PM geschaltet
ist, und das andere Ende der Wicklung C ist mit dem neutralen Anschluss
N verbunden.
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Bei
der zweiten alternativen Konfiguration umfasst der erste Statorwicklungsschaltkreis
einen Kommutierungssteuerungsschalter SWA, der zwischen den neutralen
Anschluss N und ein Ende der Wicklung A des Dreiphasenmotors PM
geschaltet ist, und das andere Ende der Wicklung A ist mit dem Knoten
NA verbunden. Der zweite Statorwicklungsschaltkreis umfasst einen
Kommutierungssteuerungsschalter SWB, der zwischen den neutralen
Anschluss N und ein Ende der Wicklung B des Dreiphasenmotors PM
geschaltet ist, und das andere Ende der Wicklung B ist mit dem Knoten
NB verbunden. Der dritte Statorwicklungsschaltkreis umfasst einen Kommutierungssteuerungsschalter
SWC, der zwischen den neutralen Anschluss N und ein Ende der Wicklung
C des Dreiphasenmotors PM geschaltet ist, und das andere Ende der
Wicklung C ist mit dem Knoten NC verbunden. Ein Entwickler kann
sogar entscheiden, einen oder mehre re der Kommutierungssteuerungsschalter
zwischen den Motor PM und dem neutralen Anschluss N zu schalten,
und entscheiden, andere Kommutierungssteuerungsschalter zwischen
den Motor PM und jeweilige der Knoten zu schalten.
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In 3 umfasst
jeder der Kommutierungssteuerungsschalter SWA, SWB und SWC eine
erste Diode, die zu einem seriellen Schalterschaltkreis parallel
geschaltet ist, und jeder serielle Schalterschaltkreis umfasst eine
zweite Diode und ein Schaltelement, wobei das Schaltelement mit
der zweiten Diode in Reihe geschaltet ist. Beispielsweise umfasst der
Kommutierungssteuerungsschalter SWA eine erste Diode DA1, die zu
einem seriellen Schalterschaltkreis parallel geschaltet ist, der
eine zweite Diode DA2 umfasst, die mit einem Schaltelement QA in Reihe
geschaltet ist. Auf ähnliche
Weise umfasst der Kommutierungssteuerungsschalter SWB eine erste Diode
DB1, die zu einem seriellen Schalterschaltkreis parallel geschaltet
ist, der eine zweite Diode DB2 umfasst, die mit einem Schaltelement
QB in Reihe geschaltet ist, und der Kommutierungssteuerungsschalter
SWC umfasst eine erste Diode DC1, die zu einem seriellen Schalterschaltkreis
parallel geschaltet ist, der eine zweite Diode DC2 umfasst, die mit
einem Schaltelement QC in Reihe geschaltet ist. Jedes der Schaltelemente
QA, QB und QC ist vorzugsweise entweder ein PNP IGBT, NPN IGBT oder ein
MOSFET. In 3 ist ein NPN IGBT abgebildet. Jedes
der Schalter-Dioden-Paare QA und DA2, QB und DB2, QC und DC2 kann
bei der Erfindung auch mit einem IGBT-Schalter realisiert werden,
der zum Blockieren einer Spannung sowohl vorwärts als auch rückwärts in der
Lage ist. Dieser Schaltertyp wird typischerweise ein rückwärts blockierender
IGBT genannt, RBIGBT.
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Es
sollte beachtet werden, dass US-Patent Nr. 6,236,179 an Lawler et
al. für
jeden Kommutierungssteuerungsschalter SWA, SWB und SWC zwei anti-parallele
gesteuerte Siliziumgleichrichter (SCRs) verwendet, oder was Lawler
et al. Thyristoren nennt. Die anti-parallelen SCRs dienen dazu,
einen Stromfluss einzuleiten, wenn ein SCR vorwärts angesteuert und dann ausgelöst wird,
und die SCRs sind zu einem automatischen Beenden eines Stromflusses
nur in der Lage, wenn die an dem SCR anliegende Spannung auf Null
abnimmt oder rückwärts angesteuert wird.
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Wieder
auf 3 Bezug nehmend, kann ein Strom, wenn jedes der
drei Schaltelemente QA, QB und QC geschlossen oder eingeschaltet
ist, in jede Richtung durch die Kommutierungssteuerungsschalter
SWA, SWB und SWC fließen.
Als ein Ergebnis kann bei geschlossenen Kommutierungssteuerungsschaltern
ein beliebiges Steuerungsverfahren verwendet werden, um die primären Kommutierungsschalter
Q1-Q6 und dadurch den Motor PM zu steuern.
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Andererseits
kann, wenn die drei Schaltelemente QA, QB und QC offen oder ausgeschaltet sind,
kein Strom durch die Motorwicklungen fließen, obwohl sich die Dioden
DA1, DB1 und DC1 noch in dem Schaltkreis befinden. Dies liegt daran,
dass der Motor PM in Sternschaltung keine Stromquelle aufweist,
wenn die Dioden DA1, DB1 und DC1, wie in 3 abgebildet,
verbunden sind. Darüber
hinaus kann immer noch kein Strom durch die Motorwicklungen fließen, wenn
nur zwei der drei Schaltelemente QA, QB und QC geöffnet oder
ausgeschaltet sind, obwohl das dritte Schaltelement noch geschlossen oder
eingeschaltet sein kann. Das Kirchhoffsche Gesetz fordert, dass
die Summe der Ströme
durch die Wicklungen des Motors PM in Sternschaltung Null sind,
andernfalls würde
sich an der neutralen Verbindung des Motors PM in Sternschaltung
eine Ladung aufbauen oder davon abgezogen werden.
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Der
Controller ist mit dem Schaltelement in jedem der Kommutierungssteuerungsschalter
und den primären
Kommutierungsschalterpaaren gekoppelt, um eine Einschaltzeit und
eine Ausschaltzeit der primären
Kommutierungsschalter relativ zu einem Punkt zu steuern, an dem
eine Versorgungsspannung gleich der Gegen-EMK ist. Auf diese Weise kann
ein Strom an den Motor zu jedem Zeitpunkt gestoppt werden, statt
auf das Ende des Zyklus zu warten, an dem die an einem SCR anliegende
Spannung auf Null abnimmt.
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Während eines
Betriebs des Motors PM mit hoher Drehzahl kann die magnetbasierte
Gegen-EMK des Motors ansteigen, so dass sie um eine Überspannung
größer als
die mögliche
Ausgangsspannung der primären
Kommutierungsschalter des Umrichters ist. Bei bekannten Schaltkreisen
zur Steuerung des Motors PM bewirkt die Überspannung, dass Energie aus
dem Motor in und durch den Umrichter an die Batterie BAT fließt. Dies
ist eine Generatorbetriebsart, die zwei Effekte verursacht. Erstens,
dass der Motor als ein Generator arbeitet und die Batterie wieder
aufgeladen wird. Zweitens, dass das durch den Motor erzeugte Drehmoment
negativ ist und dieses als eine Bremse wirkt. Bei Situationen, in
denen während
eines Betriebs des Motors mit hoher Drehzahl ein Nulldrehmoment
gewünscht
ist, muss durch die primären
Kommutierungsschalter des Inverters ein feldschwächender Strom auf den Motor
aufgebracht werden, um die Gegen-EMK auf einen Punkt zu verringern,
an dem die Gegen-EMK exakt gleich der Ausgangsspannung der primären Kommutierungsschalter
des Umrichters ist, so dass das Motordrehmoment Null ist. Um ein
Nulldrehmoment zu erreichen, muss der feldschwächende Strom auf den Motor
aufgebracht werden, obwohl der Motor kein Drehmoment erzeugt. Der
feldschwächende Strom,
der fließen
muss, verursacht einen Energieabfluss an der Batterie, und dieser
Verlust von Energie während eines
Betriebs mit hoher Drehzahl, in dem kein Drehmoment erzeugt wird,
wird "Drehverlust" (spin loss) genannt.
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Bei
bekannten Schaltkreisen erleidet man Drehverluste während eines
Betriebs des Motors PM bei hoher Drehzahl ohne Last. In dem Schaltkreis
von 3 können
die Kommutierungssteuerungsschalter SWA, SWB und SWC jedoch zu einem
beliebigen Zeitpunkt ausgeschaltet werden (d.h. offener Schaltkreis),
um Drehverluste durch ein Beseitigen des Leitungspfads, der andernfalls
den feldschwächenden Strom
führen
würde,
vollständig
zu beseitigen. Als ein Ergebnis müssen durch den Umrichter keine Ströme aufgebracht
werden, um ein Nullabtriebsdrehmoment gesteuert zu erzeugen. Durch
ein Ausschalten aller Schaltelemente QA, QB und QC der Kommutierungssteuerungsschalter
SWA, SWB und SWC kann ein Strom durch den Motor, und damit Drehverluste,
beseitigt werden.
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Es
gibt andere Folgen eines Betriebs des Motors PM mit hoher Drehzahl
ohne Last, bei dem die Gegen-EMK des Motors ansteigen kann, so dass sie
um eine Überspannung
größer als
die mögliche Ausgangsspannung
der primären
Kommutierungsschalter des Umrichters ist. Wenn die Kommutierungssteuerungsschalter
in dem Schaltkreis nicht ausgeschaltet sind, wird die Spannung an
Knoten des Umrichters durch die normalerweise rückwärts angesteuerten Dioden D1-D6
in den primären
Kommutierungsschaltern hindurchgehen. Während eines Betriebs des Motors
PM bei hoher Drehzahl ohne Last kann ein Strom von einer oder mehreren
Wicklungen des Motors PM durch eine oder mehrere der Dioden D1-D3
zum Laden der Batterie BAT fließen und
kehrt durch eine oder mehrere der Dioden D4-D6 und in eine oder
mehrere der Wicklungen des Motors PM zurück. Dies wird als eine ungesteuerte
Generatorbetriebsart bezeichnet. Der Ladestrom in der ungesteuerten
Generatorbetriebsart kann ver ursachen, dass der Motor einem Bremsdrehmoment
ausgesetzt ist, und kann den Umrichter, den Kondensator CAP oder
sogar die Batterie BAT beschädigen.
Wenn die Batterie nicht mit der Rate laden kann, die durch die ungesteuerte
Generatorbetriebsart aufgebracht wird, wird sich der Kondensator
CAP auf die Spannung der Gegen-EMK aufladen und dann hört der Strom
auf. Um eine Beschädigung
des Umrichters zu vermeiden, müssen
die Batterie BAT, der Kondensator CAP und die primären Kommutierungsschalter
Q1-Q6 einschließlich
der Dioden D1-D6 ausgelegt sein, um die maximal erwartete Gegen-EMK-Spannung
und irgendwelche zugehörigen
Stromstöße auszuhalten, die
durch den Motor PM erzeugt werden können.
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In
dem Schaltkreis von 3 können die Kommutierungssteuerungsschalter
SWA, SWB und SWC jedoch zu einem beliebigen Zeitpunkt ausgeschaltet
werden (d.h. offener Schaltkreis), um die ungesteuerte Generatorbetriebsart
vollständig
zu beseitigen, indem der Leitungspfad beseitigt wird, der andernfalls
die Spannung des Gegen-EMK-Felds an den Umrichter führen würde. Durch
ein Ausschalten all der Schaltelemente QA, QB und QC der Kommutierungssteuerungsschalter
SWA, SWB und SWC wird die Gegen-EMK-Spannung, die in einer ungesteuerten
Generatorbetriebsart erzeugt werden kann, nicht auf die Batterie
BAT, den Kondensator CAP und die primären Kommutierungsschalter Q1-Q6
einschließlich
der Dioden D1-D6 aufgebracht, und diese Komponenten brauchen nicht
ausgelegt werden, um die Gegen-EMK-Spannung auszuhalten, die in
einer ungesteuerten Generatorbetriebsart erzeugt werden kann. Als
ein Ergebnis wird die Beschädigung
des Umrichters während
eines Betriebs des Motors PM mit hoher Drehzahl ohne Last vermieden.
Für die
Dioden DA1, DA2, DB1, DB2, DC1 und DC2 und die Schaltelemente QA,
QB und QC der Kommutierungssteuerungsschalter SWA, SWB und SWC kann
es erforderlich sein, dass sie ausgelegt werden, um die Gegen-EMK- Spannung auszuhalten, die
in einer ungesteuerten Generatorbetriebsart erzeugt werden kann;
da die erhöhten
Dimensionierungen jedoch nur bei den Kommutierungssteuerungsschaltern
SWA, SWB und SWC erforderlich sind, stellt dies eine deutliche Kosteneinsparung
gegenüber
dem Stand der Technik dar.
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Im
Gegensatz dazu kann der Schaltkreis von Lawler et al. die Kommutierungssteuerungsschalter SWA,
SWB und SWC nur ausschalten, wenn der Zyklus die an dem SCR anliegende
Spannung auf Null vermindert.
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Eine
Variante des in 3 abgebildeten Schaltkreises
ist in 4 dargestellt, wobei das Schaltelement QA, QB
oder QC in jedem Kommutierungssteuerungsschalter SWA, SWB oder SWC
einen NPN IGBT umfasst. 4 stellt die Diode DA1 des Kommutierungssteuerungsschalters
SWA mit ihrer Anode in Verbindung mit dem Motor PM und ihrer Kathode
in Verbindung mit einem Knoten eines primären Kommutierungsschalterpaars
dar. Die Kathode der Diode DA2 ist mit der Anode der Diode DA1 verbunden,
und das Schaltelement QA ist mit einem Knoten eines primären Kommutierungsschalterpaars verbunden.
Die Kommutierungssteuerungsschalter SWB oder SWC sind ähnlich konfiguriert.
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Alternativ
können
die Kommutierungssteuerungsschalter SWA, SWB und SWC umgedreht,
d.h. die Enden vertauscht, werden, und die Schalter werden gut funktionieren.
Wenn der Kommutierungssteuerungsschalter SWA umgedreht wird, wird
die Kathode der Diode DA1 mit dem Motor PM verbunden und die Kathode
der Diode DA1 wird mit einem Knoten eines primären Kommutierungsschalterpaars verbunden.
Die Kathode der Diode DA2 bleibt weiterhin mit der Anode der Diode
DA1 verbunden und das Schaltelement QA wird mit dem Motor PM verbunden.
Die Kommutie rungssteuerungsschalter SWB oder SWC werden auf ähnliche
Weise umgedreht.
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Eine
andere Variante des in 3 abgebildeten Schaltkreises
ist in 5 dargestellt, wo das Schaltelement QA, QB oder
QC in jedem Kommutierungsteuerungsschalter SWA, SWB oder SWC einen PNP
IGBT umfasst. 5 stellt die Diode DA1 des Kommutierungssteuerungsschalters
SWA mit ihrer Anode in Verbindung mit dem Motor PM und ihrer Kathode
in Verbindung mit einem Knoten eines primären Kommutierungsschalterpaars
dar. Die Kathode der Diode DA1 ist mit der Anode der Diode DA2 verbunden,
und das Schaltelement QA ist mit dem Motor PM verbunden. Die Kommutierungssteuerungsschalter
SWB oder SWC sind ähnlich
konfiguriert.
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Alternativ
können
die Kommutierungssteuerungsschalter SWA, SWB und SWC umgedreht,
d.h. die Enden vertauscht, werden, und die Schalter werden gut funktionieren,
auf eine Weise, die ähnlich
der Weise ist, die mit Bezug auf 4 erörtert wurde.
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Eine
andere Variante des in 3 abgebildeten Schaltkreises
ist in 6 dargestellt, wo das Schaltelement QA, QB oder
QC in jedem Kommutierungssteuerungsschalter SWA, SWB oder SWC einen
MOSFET umfasst. 6 stellt die Diode DA1 des Kommutierungssteuerungsschalters
SWA mit ihrer Anode in Verbindung mit dem Motor PM und ihrer Kathode
in Verbindung mit einem Knoten eines primären Kommutierungsschalterpaars
dar. Die Kathode der Diode DA1 ist mit der Anode der Diode DA2 verbunden,
und das Schaltelement QA ist mit dem Motor PM verbunden. Die Kommutierungssteuerungsschalter
SWB oder SWC sind ähnlich
konfiguriert.
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Alternativ
können
die Positionen der Diode DA2 und des Schaltelements QA vertauscht
werden, so dass die Kathode der Diode DA2 mit der Anode der Diode
DA1 verbunden ist.
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Alternativ
können
die Kommutierungssteuerungsschalter SWA, SWB und SWC umgedreht,
d.h. die Enden vertauscht, werden, und die Schalter werden gut funktionieren,
auf eine Weise, die ähnlich
zu der mit Bezug auf 4 erörterten Weise ist.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine Maschine eines Kraftfahrzeugs eine Mehrphasenmaschine
PM, die einen Stator mit mehreren Statorwicklungen A, B, C aufweist,
einen Controller, mehrere primäre
Kommutierungsschalterpaare Q1-Q6 und D1-D6, einen neutralen Anschluss N
und mehrere Kommutierungssteuerungsschalter SWA, SWB und SWC. Die
Mehrphasenmaschine kann ein Dreiphasen-Elektromotor oder ein beliebiger Elektromotor
mit mehr als drei Phasenwicklungen in dem Stator sein. Jedes der
mehreren primären Kommutierungsschalterpaare
umfasst erste und zweite primäre
Kommutierungsschalter, die an einem jeweiligen Knoten verbunden
sind. Das erste Schalterpaar umfasst einen ersten primären Kommutierungsschalter
(Q1, D1) und einen zweiten primären Kommutierungsschalter
(Q4, D4), die an einem Knoten NA verbunden sind. Das zweite Schalterpaar
umfasst einen ersten primären
Kommutierungsschalter (Q2, D2) und einen zweiten primären Kommutierungsschalter
(Q5, D5), die an einem Knoten NB verbunden sind. Das dritte Schalterpaar
umfasst einen ersten primären
Kommutierungsschalter (Q3, D3) und einen zweiten primären Kommutierungsschalter (Q6,
D6), die an einem Knoten NC verbunden sind.
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Jeder
der mehreren Kommutierungssteuerungsschalter ist mit einer entsprechenden
Wicklung der Statorwicklungen gekoppelt, so dass zwi schen dem neutralen
Anschluss und einem jeweiligen der Knoten ein entsprechender Statorwicklungsschaltkreis
ausgebildet ist. Jeder der mehreren Statorwicklungsschaltkreise
ist zwischen den neutralen Anschluss N und einen jeweiligen der
Knoten NA, NB oder NC gekoppelt. Für jeden Statorwicklungsschaltkreis
stehen einem Entwickler zwei alternative Konfigurationen zur Verfügung.
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Bei
der ersten alternativen Konfiguration umfasst der erste Statorwicklungsschaltkreis
einen Kommutierungssteuerungsschalter SWA, der zwischen den Knoten
NA und ein Ende der Wicklung A des Dreiphasenmotors PM geschaltet
ist, und das andere Ende der Wicklung A ist mit dem neutralen Anschluss
N verbunden. Der zweite Statorwicklungsschaltkreis umfasst einen
Kommutierungssteuerungsschalter SWB, der zwischen den Knoten NB und
ein Ende der Wicklung B des Dreiphasenmotors PM geschaltet ist,
und das andere Ende der Wicklung B ist mit dem neutralen Anschluss
N verbunden. Der dritte Statorwicklungsschaltkreis umfasst einen
Kommutierungssteuerungsschalter SWC, der zwischen den Knoten NC
und ein Ende der Wicklung C des Dreiphasenmotors PM geschaltet ist,
und das andere Ende der Wicklung C ist mit dem neutralen Anschluss N
verbunden.
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Bei
der zweiten alternativen Konfiguration umfasst der erste Statorwicklungsschaltkreis
einen Kommutierungssteuerungsschalter SWA, der zwischen den neutralen
Anschluss N und ein Ende der Wicklung A des Dreiphasenmotors PM
geschaltet ist, und das andere Ende der Wicklung A ist mit dem Knoten
NA verbunden. Der zweite Statorwicklungsschaltkreis umfasst einen
Kommutierungssteuerungsschalter SWB, der zwischen den neutralen
Anschluss N und ein Ende der Wicklung B des Dreiphasenmotors PM
geschaltet ist, und das andere Ende der Wicklung B ist mit dem Knoten
NB verbunden. Der dritte Statorwicklungsschaltkreis umfasst einen Kommutierungssteuerungsschalter
SWC, der zwischen den neutralen Anschluss N und ein Ende der Wicklung
C des Dreiphasenmotors PM geschaltet ist, und das andere Ende der
Wicklung C ist mit dem Knoten NC verbunden. Ein Entwickler kann
sogar entscheiden, einen oder mehrere der Kommutierungssteuerungsschalter
zwischen den Motor PM und den neutralen Anschluss N zu schalten,
und entscheiden, andere Kommutierungssteuerungsschalter zwischen
den Motor PM und jeweilige der Knoten zu schalten.
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Wie
voranstehend mit Bezug auf 3 erörtert wurde,
umfasst jeder Kommutierungssteuerungsschalter eine erste Diode,
die zu einem seriellen Schalterschaltkreis parallel geschaltet ist,
und jeder serielle Schalterschaltkreis umfasst eine zweite Diode
und ein Schaltelement. Das Schaltelement ist mit der zweiten Diode
in Reihe geschaltet. Wie auch voranstehend mit Bezug auf 3 erörtert wurde,
ist der Controller mit dem Schaltelement in jedem der Kommutierungssteuerungsschalter
und den primären
Kommutierungsschalterpaaren gekoppelt, um eine Einschaltzeit und
eine Ausschaltzeit der primären
Kommutierungsschalter relativ zu einem Punkt zu steuern, an dem
eine Versorgungsspannung gleich der Gegen-EMK ist.
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Bei
noch einer anderen Ausführungsform
gemäß der Erfindung
umfasst ein Elektromotorsystem eine elektrische Energiequelle, eine
Mehrphasenmaschine PM, die einen Stator mit mehreren Statorwicklungen
A, B, C aufweist, einen Controller, mehrere primäre Kommutierungsschalterpaare
Q1-Q6 und D1-D6, die mit der elektrischen Energiequelle gekoppelt
sind, einen neutralen Anschluss N und mehrere Kommutierungssteuerungsschalter
SWA, SWB und SWC, die mit der Mehrphasenmaschine gekoppelt sind.
Die Mehrphasenmaschine kann ein Dreiphasen-Elektromotor oder ein beliebiger Elektromotor mit
mehr als drei Phasen wicklungen in dem Stator sein. Die elektrische
Energiequelle kann eine elektrische Batterie BAT, eine Brennstoffzelle
oder dergleichen sein. Vorzugsweise ist ein Kondensator CAP zu der
elektrischen Energiequelle parallel geschaltet. Jedes der mehreren
primären
Kommutierungsschalterpaare umfasst erste und zweite primäre Kommutierungsschalter,
die an einem jeweiligen Knoten verbunden sind. Das erste Schalterpaar
umfasst einen ersten primären
Kommutierungsschalter (Q1, D1) und einen zweiten primären Kommutierungsschalter (Q4,
D4), die an einem Knoten NA verbunden sind. Das zweite Schalterpaar
umfasst einen ersten primären
Kommutierungsschalter (Q2, D2) und einen zweiten primären Kommutierungsschalter
(Q5, D5), die an einem Knoten NB verbunden sind. Das dritte Schalterpaar
umfasst einen ersten primären
Kommutierungsschalter (Q3, D3) und einen zweiten primären Kommutierungsschalter
(Q6, D6), die an einem Knoten NC verbunden sind.
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Wie
voranstehend mit Bezug auf 3 erörtert wurde,
ist jeder der mehreren Kommutierungssteuerungsschalter mit einer
entsprechenden Wicklung der Statorwicklungen gekoppelt, so dass
zwischen dem neutralen Anschluss und einem jeweiligen der Knoten
ein entsprechender Statorwicklungsschaltkreis ausgebildet ist. Jeder
der mehreren Statorwicklungsschaltkreise ist zwischen den neutralen Anschluss
N und einen jeweiligen der Knoten NA, NB oder NC gekoppelt. Wie
voranstehend mit Bezug auf 3 erörtert wurde,
stehen einem Entwickler für jede
Statorwicklung zwei alternative Konfigurationen zur Verfügung.
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Wie
voranstehend mit Bezug auf 3 erörtert wurde,
umfasst jeder Kommutierungssteuerungsschalter eine erste Diode,
die zu einem seriellen Schalterschaltkreis parallel geschaltet ist,
und jeder serielle Schalterschaltkreis umfasst eine zweite Diode
und ein Schaltelement. Das Schaltelement ist mit der zweiten Diode
in Reihe geschaltet. Wie auch voranste hend mit Bezug auf 3 erörtert wurde,
ist der Controller mit dem Schaltelement in jedem der Kommutierungssteuerungsschalter
und den primären
Kommutierungsschalterpaaren gekoppelt, um eine Einschaltzeit und
eine Ausschaltzeit der primären
Kommutierungsschalter relativ zu einem Punkt zu steuern, an dem
eine Versorgungsspannung gleich der Gegen-EMK ist.
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Nachdem
bevorzugte Ausführungsformen eines
neuen Schaltkreises zur Steuerung einer Mehrphasenmaschine beschrieben
wurden (welche zur Erläuterung
und nicht zur Beschränkung
gedacht sind), wird angemerkt, dass Fachleute im Licht der voranstehenden
Lehren Veränderungen
und Variationen durchführen
können.
Es sollte daher verstanden sein, dass Änderungen in den speziellen
Ausführungsformen
der offenbarten Erfindung durchgeführt werden können, die
im Schutzumfang der Erfindung liegen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert
ist.
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Nachdem
auf diese Weise die Erfindung mit den Details und der Genauigkeit,
die von den Patentgesetzen gefordert ist, beschrieben wurde, ist
in den beigefügten
Ansprüchen
offengelegt, was beansprucht ist und durch ein Patent geschützt werden soll.