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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen Elektromotor, der ausgebildet ist, um eine
Temperatur zu erfassen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren
zum Erfassen einer Temperatur in einem Elektromotor.
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Stand der Technik
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Eine
häufige Ursache von Beschädigungen oder Ausfällen
von Elektromotoren ist deren thermische Überhitzung. Eine
zu hohe Temperatur entsteht in der Regel durch eine Überlastung
des Elektromotors, d. h. durch einen zu hohen Strom, der zum Bereitstellen
eines geforderten Drehmoments für einen bestimmten Zeitraum
durch den Elektromotor fließt und eine Verlustleistung
in Form von Wärme in den Wicklungen des Elektromotors erzeugt.
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Momentan
werden Elektromotoren insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, z. B.
für Fensterheberanwendungen, Schiebedachanwendungen und dgl.,
auf folgende Arten vor Beschädigung durch Überlastung
geschützt:
- – Die Elektromotoren
weisen einen Thermoschalter, z. B. einen Bimetall Thermoschalter,
auf, der an oder in dem Elektromotor angeordnet ist und der bei Überschreiten
einer Temperaturschwelle schaltet und so einen Stromkreis durch
den Elektromotor öffnet. Der Elektromotor wird so deaktiviert
und erst, wenn die Temperatur in dem Elektromotor abgesunken ist,
wird der Stromkreis durch den Elektromotor wieder geschlossen.
- – Weiterhin kann im oder am Elektromotor ein Temperatursensor
vorgesehen sein, der an eine im Inneren des Motors angeordneten
oder separaten Auswerteeinheit angeschlossen ist. Die Auswerteeinheit
kann dann abhängig von der erfassten Temperatur bewirken,
dass der Stromkreis geöffnet wird. Diese und die vorangehende Variante
haben jedoch den Nachteil, dass durch das Vorsehen eines Temperatursensors
in dem Elektromotor eine Temperatur nur an einem bestimmten Bereich
im Elektromotor erfasst werden kann und dadurch keine Angabe über
die Temperatur in anderen Bereichen des Elektromotors verfügbar
ist.
- – Eine weitere Möglichkeit, den Elektromotor
vor Überhitzung zu schützen, besteht darin, mithilfe einer
geeigneten Überwachungseinheit Betriebsparameter des Elektromotors
zu erfassen, wie beispielsweise die Zahl der Aktivierungszyklen, die
Abkühldauer zwischen den Aktivierungszyklen, Motorparameter,
wie Drehzahl und Motorstrom und dgl. auszuwerten und durch Überwachen
der Betriebshistorie des Elektromotors eine Abschaltung vorzunehmen,
wenn dadurch eine kritische Wärmeleistung innerhalb einer
bestimmten Zeit erzeugt worden ist. Dieses Verfahren hat jedoch
den Nachteil, dass es sehr ungenau ist und eine gute Beschreibung
des Elektromotors anhand eines geeigneten Motormodells erfordert.
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Aus
der Druckschrift
EP
0284711 A2 ist bekannt, die Temperatur einer Wicklung in
einem Elektromotor durch Erfassen des temperaturabhängigen Widerstands
der Wicklung zu bestimmen. Jedoch kann dieses Verfahren nur bei
einem stehenden Elektromotor angewendet werden und ist somit zur Überwachung
der Motortemperatur während des Betriebs des Motors ungeeignet.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, die Messung des Ohmschen Widerstandes
dann durchzuführen, wenn sich die entsprechende Wicklung,
mit der die Messung vorgenommen werden soll, in einem stromlosen
Zustand befindet. Dies erfordert jedoch eine aufwendige Realisierung, da
die Zeit, während der der stromlose Zustand vorliegt, bestimmt
werden muss und die Steuerung demgemäß durchgeführt
werden muss. Darüber hin aus verändert sich auch
der ohmsche Widerstand der Zuleitung und beeinflusst den gesamten
Ohmschen Anteil.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit
bereitzustellen, die Temperatur eines Elektromotors auch während
seines Betriebes zu erfassen. Das Erfassen der Temperatur soll einfach und
mit geringem Aufwand realisiert werden und insbesondere kein Vorsehen
eines Temperatursensors als separates Bauteil in dem Elektromotor
erfordern.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch den Elektromotor gemäß Anspruch
1 des Motorsystems sowie das Verfahren zum Erfassen einer Temperatur
gemäß den nebengeordneten Ansprüchen
gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist ein Elektromotor vorgesehen. Der Elektromotor
umfasst ein Spulenelement mit einer Wicklung, die beim elektrischen
Ansteuern durch Wechselwirken eines dadurch hervorgerufenen Magnetfeldes
mit einem weiteren Magnetfeld eine Antriebskraft bewirkt. Die Wicklung
des Spulenelementes ist an einem Element des Elektromotors so angeordnet,
dass ein komplexer Widerstand der Wicklung temperaturabhängig
ist, beispielsweise durch eine temperaturabhängige relative
Permeabilität.
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Bei
einem solchen Elektromotor kann eine Temperatur des Elektromotors über
die veränderte Permeabilität erfasst werden, die
sich in einer Änderung eines komplexen Widerstandes einer
Wicklung im Elektromotor auswirkt.
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Ein
weiterer Aspekt betrifft eine Auswerteeinheit zum Erfassen einer
Temperatur in einem Elektromotor. Die Auswerteeinheit umfasst einen
Signalgenerator zum Bereitstellen eines Schwingungssignals, mit
dem der Elektromotor beaufschlagt wird, eine Erfassungseinheit zum
Ermitteln eines resultierenden Signals, das von der Größe
des komplexen Widerstands einer momentan angesteuerten Wicklung
und von dem Schwingungssignal abhängt, und eine Bestimmungseinheit,
um abhängig von dem resultierenden Signal eine Temperatur
in dem Elektromotor zu ermitteln.
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Eine
Idee der Erfindung besteht darin, die von der Temperatur abhängige Änderung
des komplexen Widerstands eines Elektromotors, insbesondere von
einer oder mehreren Wicklungen des Elektromotors über der
Temperatur auszuwerten, um eine Angabe über eine Temperatur
bzw. Temperaturänderung zu erhalten. Eine solche Änderung
des komplexen Widerstands des Elektromotors kann dann mithilfe der
Auswerteeinheit, die das dynamische Verhalten bei einer Anregungsfrequenz
auswertet und einen Parameter eines sortierenden Signals einer Temperatur
zuordnet, ermittelt werden.
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Weiterhin
kann das Element an einem Anker des Elektromotors angeordnet sein.
Insbesondere kann ein Material verwendet werden, das im relevanten
Temperaturbereich, z. B. zwischen 0°C und 300°C,
eine temperaturabhängige Veränderung eines Parameters
aufweist, der den komplexen Widerstand beeinflusst. Beispielsweise
kann die Temperaturabhängigkeit der relativen Permeabilität
als Einflussparameter des komplexen Widerstandes genutzt werden,
wenn ein geeignetes Material eingesetzt wird.
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Durch
die Auswerteeinheit kann die Wicklung des Elektromotors als Filter
oder als Schwingkreis verschaltet sein, so dass der komplexe Widerstand
der Wicklung das Frequenzverhalten des Filters bzw. des Schwingkreises
beeinflusst. Der Signalgenerator kann das Ansteuersignal als ein
Spannungssignal mit einer Amplitude und einer Anregungsfrequenz
bereitstellen, wobei die Erfassungseinheit ausgebildet ist, eine
Amplitude des resultierenden Signals und/oder ein Amplitudenverhältnis zwischen
den Amplituden des Schwingungssignals und des resultierenden Signals
und/oder eine Phasenverschiebung zwischen dem Schwingungssig nal und
dem Verlauf des resultierenden Signals und/oder eine Frequenzverschiebung
zwischen dem resultierenden Signal und dem Schwingungssignal zu
ermitteln. Die Bestimmungseinheit ist ausgebildet, um der ermittelten
Amplitude, dem Amplitudenverhältnis, der Phasenverschiebung
bzw. der Frequenzverschiebung eine Temperatur zuzuordnen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit dem obigen Elektromotor
und mit der obigen Auswerteeinheit vorgesehen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur
in dem obigen Elektromotor vorgesehen. Das Verfahren umfasst:
- – Beaufschlagen des Elektromotors
mit einem Schwingungssignal;
- – Ermitteln eines resultierenden Signals, das von der
Größe des komplexen Widerstands der momentan angesteuerten
Wicklung in dem Elektromotor und von dem Schwingungssignal abhängt; und
- – Zuordnen der Temperatur in dem Elektromotor abhängig
von einem elektrischen Parameter des resultierenden Signals.
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Insbesondere
kann das Schwingungssignal als ein Spannungssignal mit einer Amplitude
und einer Anregungsfrequenz bereitgestellt werden, wobei eine Amplitude
des resultierenden Signals und/oder ein Amplitudenverhältnis
zwischen den Amplituden des Schwingungssignals und des resultierenden
Signals und/oder eine Phasenverschiebung zwischen dem Schwingungssignal
und dem Verlauf des resultierenden Signals und/oder eine Frequenzverschiebung
zwischen dem resultierenden Signal und dem Schwingungssignal ermittelt
wird, wobei der ermittelten Amplitude, dem Amplitudenverhältnis,
der Phasenverschiebung bzw. der Frequenzverschiebung eine Temperatur
zugeordnet wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand
der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Motorsystems zum Erfassen einer Temperatur
in einem Elektromotor.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist
schematisch ein Motorsystem 1 mit einem Elektromotor 2 dargestellt,
der über eine Motoransteuereinheit 3 ansteuerbar
ist. Die Motoransteuereinheit 3 versorgt den Elektromotor 2 zum
Antrieb mit geeigneten Ansteuersignalen, die je nach Typ des Elektromotors 2 Gleichspannungen
oder Wechselspannungen entsprechen können, um entsprechend
Antriebsenergie an den Elektromotor 2 zu übertragen.
Der Elektromotor 2 kann mithilfe der Ansteuersignale auch
abhängig von einer der Motoransteuereinheit 3 bereitgestellten
Stellgröße mit verschiedenen Leistungen angesteuert
werden. Z. B. wird eine an den Elektromotor 2 angelegte
Gleichspannung abhängig von der Stellgröße
variiert.
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Je
nach Betrieb des Elektromotors 2, d. h. je nachdem, welche
Last der Elektromotor 2 betreiben soll, wird durch einen
Stromfluss in Wicklungen des Elektromotors 2 eine Verlustleistung
erzeugt, die in Wärme umgesetzt wird. Um eine Überhitzung
des Elektromotors 2 zu vermeiden, die zu einer Beschädigung
oder Zerstörung des Elektromotors führen kann,
ist es daher notwendig, eine Wärmeentwicklung, die zu einer
zu großen Temperaturerhöhung führt, zu
vermeiden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dies
mithilfe eines Schalters 11 vorgesehen, der zwischen der
Motoransteuereinheit 3 und dem Elektromotor 2 vorgesehen
ist, wobei der Elektromotor bei Erkennen einer zu hohen Temperatur
im Elektromotor 2 abgeschaltet wird. Alternativ kann anstelle
des Schalters auch eine andere Funktion abhängig von der
Temperatur realisiert werden.
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Gängige
Verfahren zur Erfassung der Temperatur des Elektromotors umfassen
das Vorsehen eines Temperatursensors in dem Elektromotor 2 und das
Messen der Veränderung des Ohmschen Widerstands einer oder
mehrerer Wicklungen in dem Elektromotor 2, um auf die Temperatur
des Elektromotors 2 zu schließen.
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Die
Auswertung der Veränderung des Ohmschen Widerstands, z.
B. einer Wicklung in dem Elektromotor 2, ermöglicht
die Erfassung einer durchschnittlichen Temperatur über
den gesamten Wicklungsbereich, hat jedoch den Nachteil, dass bei
einem Temperaturkoeffizienten von beispielsweise 4 × 10–3 (α von Kupfer) die Widerstandsänderung
bei einer Temperaturerhöhung von ca. 10°C nur
ca. 4% beträgt. Dies kann zu erheblichen Ungenauigkeiten
bei der Temperaturbestimmung führen.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, anstelle der Temperaturabhängigkeit des Ohmschen
Widerstandes eines Leiters die Temperaturabhängigkeit des
komplexen Widerstands des Elektromotors 2 zu nutzen. Gemäß einer
Ausführungsform ist daher vorgesehen, anstelle der Temperaturabhängigkeit
des Ohmschen Widerstandes eines Leiters die Temperaturabhängigkeit
eines magnetischen Materials im Elektromotor 2 zu nutzen.
Eine materialspezifische Eigenschaft eines magnetischen Materials
wird mithilfe der relativen Permeabilität μr angegeben. Die relative Permeabilität μr kann insbesondere bei weichmagnetischen
Materialien, wie sie für Anker und dgl. in Elektromotoren
verwendet werden, auswertbare Werte annehmen.
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Die
relative Permeabilität μr beeinflusst
den imaginären Widerstand einer Wicklung um das weichmagnetische
Material, so dass der gesamte komplexe Widerstand einer Wicklung
des Elektromotors 2 mithilfe eines entsprechenden Frequenzverhaltens
detektierbar ist.
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Hierbei
ist es vorteilhaft, dass die Veränderung des ohmschen Widerstandes
der Verbindung zwischen Elektromotor 2 und Motoransteuereinheit 3 die
Auswertung der komplexen Impedanz, z. B. über die relative
Permeabilität, nicht beeinträchtigt.
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Um
den komplexen Widerstand der Wicklung in dem Elektromotor 2 auszuwerten,
ist eine Auswerteeinheit 6 vorgesehen, die einen Signalgenerator 7 aufweist,
der ein Schwingungssignal mit einer bestimmten Frequenz bereitstellt.
Mithilfe eines geeigneten Bauelementes 8, beispielsweise
ausgeführt als Kondensator, wird ein elektrischer Filter
bzw. Reihenschwingkreis mit dem komplexen Widerstand der angesteuerten
Wicklung im Elektromotor 2 gebildet. Der Kondensator 8 ist
dazu seriell zwischen den Signalgenerator 7 und die Wicklung
des Elektromotors 2 geschaltet. Im Detail dient ein erster
Anschluss des Kondensators 8 als Eingang des Filters und
ein zweiter Anschluss des Kondensators 8 ist mit dem Elektromotor 2 verbunden
und dient gleichzeitig als Ausgang des Filters, an dem ein resultierendes
Signal abgegriffen wird. Anstelle des Kondensators 8 kann
auch ein anderes Bauteil vorgesehen sein, wie z. B. ein Widerstand,
eine weitere Induktivität und dgl. Alternativ können
anstelle des Kondensators 8 auch nur die parasitären
Effekte der elektrischen Anbindung, die häufig kapazitiv
wirken, genutzt werden.
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Ein
resultierendes Signal, das an einem Knoten zwischen dem Kondensator 8 und
dem Elektromotor 2 abgegriffen wird, wird einer Erfassungseinheit 9 zugeführt.
Weiterhin erhält die Erfassungseinheit 9 auch
das Schwingungssignal, um das resultierende Signal anhand des anregenden
Schwingungssignals auswerten zu können. Die Erfassungseinheit 9 kann
durch Vergleichen des Schwingungssignals mit dem resultierenden
Signal entweder eine relative Temperaturänderung oder eine
absolute Temperatur durch Vergleichen mit vorbestimmten Werten ermitteln
und einer Steuereinheit 10 zuführen.
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Die
Steuereinheit 10 wertet die ermittelte Temperaturänderung
bzw. die absolute Temperatur aus und bestimmt z. B. anhand eines
Schwellwertvergleichs, ob der Elektromotor 2 weiter betrieben werden
soll. Überschreitet die ermittelte Temperatur des Elektromotors 2 den
Temperaturschwellenwert, so wird der Elektromotor 2 vorzugsweise
abgeschaltet. Alternativ kann die Steuereinheit 10 der
Motoransteuereinheit 3 auch ein Temperatursignal bereitstellen,
um dort zu signalisieren, dass eine Erwärmung des Elektromotors 2 über
einen Schwellenwert aufgetreten ist und dass eine Ansteuerung mit
einer geringeren Leistung oder keine Ansteuerung mehr vorgenommen
werden soll, um eine weitere Erwärmung des Elektromotors
zu verhindern oder zu reduzieren. Die Erfassungseinheit 9 kann
das resultierende Signal auf verschiedene Weisen auswerten.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform kann
beispielsweise die Dämpfung des Schwingungssignals, das
von dem Signalgenerator 7 bereitgestellt wird, durch den
Reihenschwingkreis aus Kondensator 8 und komplexen Widerstand
des Elektromotors 2 ermittelt werden, indem ein Verhältnis
der Amplitude des resultierenden Signals zu der Amplitude des Schwingungssignals
ermittelt wird. Bei Kenntnis der Frequenz des Schwingungssignals
kann dieser Dämpfung eine absolute Temperatur zugeordnet werden.
Durch Vergleich zweier Dämpfungswerte kann alternativ oder
zusätzlich auch eine relative Temperaturänderung
ermittelt werden. Dazu kann die Erfassungseinheit 9 ein
Kennfeld oder eine Funktion enthalten, die vorgegeben oder eingelernt
sind und die entsprechenden Dämpfungswerten Temperaturen
des Elektromotors 2 zuordnen.
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Die
Frequenz des Schwingungssignals, das von dem Signalgenerator 7 abgegeben
wird, ist vorzugsweise so ausgelegt, dass möglichst große Dämpfungsänderungen,
d. h. Amplitudenänderungen des resultierenden Signals bei
einer Änderung des komplexen Widerstandes der Wicklung
des Elektromotors 2 bewirkt werden. Alternativ zu dem in 1 dargestellten
Reihenschwingkreis kann der komplexe Widerstand des Elektromotors 2 auch
Teil eines Parallelschwingkreises sein, bei dem der Signalgenerator 7 ein
Schwingungssignal mit einer vorbestimmten Spannungsamplitude bereitstellt.
Ein resultierendes Signal kann dann als Stromsignal oder weiteres
Spannungssignal abgegriffen werden. Die Amplitude des resultierenden
Signals hängt dabei erheblich davon ab, wie nahe die Frequenz
des Schwingungssignals an der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises
liegt. Dadurch kann aus der Amplitude des resultierenden Signals
die Temperatur abgeleitet werden.
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Eine
weitere Alternative besteht darin, das Schwingungssignal mit einem
definierten Frequenzspektrum an den Elektromotor 2 anzulegen.
Der von der Temperatur abhängige komplexe Widerstand des Elektromotors
führt in dem Frequenzspektrum zu unterschiedlichen Dämpfungen
bei verschiedenen Frequenzen. Die unterschiedlichen Dämpfungen
können z. B. anhand einer Fourier-Analyse des resultierenden
Signals und durch Vergleichen des durch die Fourier-Analyse des
resultie renden Signals erhaltenen Frequenzspektrums mit dem Frequenzspektrum des
angelegten Schwingungssignals ausgewertet werden und zur Bestimmung
der Temperatur des Elektromotors z. B. mithilfe eines geeigneten
Kennfeldes wie oben beschrieben benutzt werden.
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Alternativ
kann die phasenverschiebende Wirkung des komplexen Widerstands der
Wicklung des Elektromotors 2 verwendet werden, um eine
Angabe über den komplexen Widerstand der Wicklung zu erhalten.
Die Angabe über den komplexen Widerstand kann dann mithilfe
eines Kennfeldes einer Temperatur der Wicklung zugeordnet werden.
Als Phasenverschiebung können insbesondere die Phasenverschiebung
zwischen der Spannungsamplitude und dem resultierenden Strom durch
den Elektromotor 2 oder bei der Auswerteeinheit 6 der 1 die Phasenverschiebung
zwischen dem zwischen Kondensator 8 und Elektromotor 2 abgegriffenen
resultierenden Signal und dem Schwingungssignal ermittelt werden.
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Zusammenfassend
können in der Erfassungseinheit 9 eine oder mehrere
absolute Amplituden des resultierenden Signals und/oder ein Amplitudenverhältnis
zwischen den Amplituden des Schwingungssignals und des resultierenden
Signals und/oder eine Phasenverschiebung zwischen dem Schwingungssignal
und dem resultierenden Signal und/oder eine Frequenzverschiebung
zwischen dem resultierenden Signal und dem Schwingungssignal ausgewertet
werden.
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Bei
allen oben genannten Ausführungsformen ist es jedoch notwendig,
dass eine Zuordnung von einer erfassten, durch Anregung durch ein
Anregungssignal bewirkten und vom komplexen Widerstand abhängigen
Größe zu einer absoluten Temperatur bzw. zu einer
relativen Temperaturänderung anhand einer vorgegebenen
oder eingelernten Funktion bzw. Kennfeld erfolgen kann.
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Als
Elektromotoren kommen alle Arten von Antrieben, die eine Wicklung
zur Erzeugung einer magnetischen Kraft aufweisen, in Betracht, wie
z. B. Gleichstrommotoren mit Kommutator, bürstenlose Motoren,
Synchronmotoren, Asynchronmotoren und dgl. Bei der Verwendung von
Ansteuersignalen mit Wechselstromanteil, wie z. B. bei Asynchronmotoren und
Synchronmotoren, ist es sinnvoll, das Schwingungssignal mit einer
deutlich höheren Frequenz als die Ansteuersignale zu verwenden,
so dass keine Einwirkung des Schwingungssignals auf den Betrieb des
Elektromotors 2 erfolgen kann. Vorzugsweise beträgt
die Frequenz des Schwingungssignals mindestens das Fünffache
der Frequenz des Ansteuersignals bei der höchsten Drehzahl
des Elektromotors 2.
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Die
Auswerteeinheit 6 ermöglicht es, eine Temperaturerfassung
im Elektromotor sowohl im angetriebenen Zustand als auch im nicht
angetriebenen Zustand vornehmen zu können.
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Weiterhin
ist es daher auch möglich, mithilfe des Elektromotors eine
Temperatur einer Umgebung zu erfassen, wenn keine Eigenerwärmung
des Elektromotors stattgefunden hat. Insbesondere kann die Temperatur,
die mithilfe des komplexen Widerstandes des Elektromotors 2 ermittelt
worden ist, als Umgebungstemperatur angenommen werden, wenn innerhalb
eines bestimmten vorangehenden Zeitraumes keine Ansteuerung des
Elektromotors 2 mit Ansteuersignalen erfolgt ist. Bei Verwendung
solcher Elektromotoren in einem Fahrzeuginnenraum kann somit ohne
das Vorsehen weiterer Temperatursensoren eine Erfassung von Temperatur
in Bereichen des Fahrzeugs, in denen der jeweilige Elektromotor
angeordnet ist, vorgenommen werden. Eine zusätzliche Verkabelung
für Temperatursensoren und dgl. kann dadurch vermieden
werden.
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Die
in einem Innenraum verbauten Elektromotoren können also
gleichzeitig als Temperaturfühler für eine Umgebungstemperatur
verwendet werden, so dass z. B. eine Klimaanlagensteuerung auf Grundlage
der so erfassten Temperaturen aus verschiedenen Bereichen des Innenraums
betrieben werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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