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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsbegrenzung eines an
einem Gleichspannungsnetz betriebenen elektrischen Motors, insbesondere für
ein Gebläse in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft
ferner eine Vorrichtung zur Leistungsbegrenzung eines an einem Gleichspannungsnetz
betriebenen elektrischen Motors, insbesondere für ein Gebläse
in einem Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Gebläsemotoren
werden in Kraftfahrzeugen bei der Klimatisierung oder Heizung der
Fahrgastzelle und bei der Kühlung des Kühlwassers
der Brennkraftmaschine eingesetzt, vergleiche etwa die
DE 101 21 766 A1 .
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Es
sind Gebläse mit Bürstenmotoren bekannt, bei denen
ein elektrisches Steuergerät durch Variation einer an den
Bürsten anliegenden Spannung (Klemmenspannung) des Motors
unterschiedliche Drehzahlen einstellen kann. Das elektronische Steuergerät
erhält dabei üblicherweise ein Sollsignal von
einer übergeordneten Steuerung oder Regelung. Im Falle
eines Gebläses für eine Motorkühlung
erhält das elektronische Steuergerät das Sollsignal
beispielsweise aus dem Motorsteuerungssystem. Im Falle eines Gebläses
für die Klimatisierung der Fahrgastzelle erhält
das elektronische Steuergerät das Sollsignal beispielsweise
aus einem Klimaregelsystem.
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Das
elektronische Steuergerät kann die Klemmspannung des Motors
auch abhängig von weiteren Parametern beeinflussen, beispielsweise
in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, von der angelegten
Versorgungsspannung eines Gleichspannungsnetzes, in Abhängigkeit
von dem Strom, den der Bürstenmotor aufnimmt, oder bei
Erkennen eines Blockierens des Bürstenmotors. Solche Steuerungen
sind bekannt und werden beispielsweise in Motorkühlungsgebläsen
(FCM, Fan Control Module) und Klimagebläsen (BCL, BCP,
Blower Controller mit linearem (L) oder pulsweitenmoduliertem (P)
Betrieb) eingesetzt.
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Für
die Regelung der Drehzahl des Motors ist es erforderlich, die Drehzahl
des Motors zu bestimmen, um aus der Drehzahl eine geeignete Regelstellgröße
zu ermitteln, mit der der Motor angesteuert wird. Es sind Systeme
bekannt, in denen das elektronische Steuergerät die Drehzahl
eines angeschlossenen Bürstenmotors misst und die Messdaten
zur Einstellung der Klemmenspannung verwendet. Es sind verschiedene
Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl bekannt. Die Drehzahl lässt
sich sensorbasiert oder sensorlos bestimmen.
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Mit
sensorbasiert ist gemeint, dass ein spezieller Drehzahlsensor eingesetzt
wird, mit dem die Drehzahl gemessen wird. In Betracht kommt beispielsweise
ein Hallsensor oder ein AMR-Sensor (AMR, Anisotroper Magnetoresistiver
Effekt). Werden Drehzahlsensoren eingesetzt, steigen die Kosten
und das Gewicht der Vorrichtungen. Mit sensorlos ist gemeint, dass
die Drehzahl mittelbar aus Parametern ermittelt wird, die einem
anderen Zweck dienen als der Drehzahlmessung. In Betracht kommt
beispielsweise ein Ripple-Count-Verfahren (ripple, Welligkeit),
bei dem eine Welligkeit in der Stromaufnahme ausgewertet wird, um
auf die Drehzahl zu schließen.
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Sensorlose
Verfahren zum Bestimmen der Drehzahl weisen jedoch den Nachteil
auf, dass sie nicht über den gesamten Drehzahlbereich (von
Drehzahl Null bis oberhalb der Nenndrehzahl, bei der mit einer Beschädigung
des Gebläses gerechnet werden muss) und der gesamten Lebensdauer
der Vorrichtung zuverlässig arbeiten. So be reiten bei Ripple-Count-Verfahren
insbesondere Oberwellen in den Spannungs- und Stromverläufen
Probleme bei der Bestimmung von Drehzahlen, wenn der Drehzahlbereich
zu groß gewählt wird. Die Oberwellen führen
einerseits zu einer reduzierten Genauigkeit. Andererseits machen
sie eine komplexe Auswertung der Spannungs- und Stromverläufe
erforderlich, die mit erhöhten Kosten verbunden ist.
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Aus
verschiedenen Gründen, wie zum Beispiel der Betriebssicherheit
des Gebläses oder die Begrenzung der Baugröße,
ist es in der Regel erforderlich, die Leistungsaufnahme des Motors
in dem Gebläse zuverlässig auf einen maximalen
Wert (Nennleistung) zu begrenzen. Wenn die Leistungsaufnahme mit
der Drehzahl des Motors steigt, wie es beispielsweise bei einem
Axialgebläse der Fall ist (die Leistungsaufnahme steigt
etwa mit der dritten Potenz der Drehzahl), lässt sich die
Leistungsaufnahme durch eine Begrenzung der Drehzahl auf eine maximale
Drehzahl (Nenndrehzahl) begrenzen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Verfügung zu stellen, bei denen sich die Drehzahl zuverlässig
auch bei variierender Versorgungsspannung begrenzen lässt.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren zur Leistungsbegrenzung eines an
einem Gleichspannungsnetz betriebenen elektrischen Motors gemäß Anspruch
1 sowie durch die Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten
Anspruch gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben. Gemäß einem ersten
Aspekt ist ein Verfahren zur Leistungsbegrenzung eines an einem
Gleichspannungsnetz betriebenen elektrischen Motors vorgesehen,
insbesondere für ein Gebläse in einem Kraftfahrzeug.
Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- – Ansteuern
des Motors mit einem Steuersignal, das einer vorgegebenen Nenndrehzahl
nnenn zugeordnet ist;
- – Messen einer Drehzahl des Motors, die sich bei dem
Ansteuern des Motors mit dem Steuersignal einstellt;
- – Betreiben einer Regelung der Drehzahl des Motors,
nur wenn die gemessene Drehzahl innerhalb eines Drehzahlbereichs
oberhalb der Nenndrehzahl nnenn liegt, wobei
die Regelung abhängig von der gemessenen Drehzahl so durchgeführt
wird, um die Drehzahl des Motors auf die Nenndrehzahl nnenn einzustellen.
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Das
obige Verfahren weist den Vorteil auf, dass die Drehzahl des Motors
zuverlässig begrenzt wird, obwohl auf einen speziellen
Drehzahlsensor verzichtet wird. Der Verzicht auf spezielle Drehzahlsensoren
führt zu einer Reduzierung der Kosten und des Gewichtes
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die
Begrenzung auf den Drehzahlbereich [nnenn – x%,
nnenn + y%] gewährleistet, dass
kostengünstig zu realisierende Verfahren für die
sensorlose Drehzahlmessung eingesetzt werden können. nnenn bezeichnet die Nenndrehzahl und x% sowie
y% prozentuale Anteile der Nenndrehzahl. Es ist nur erforderlich,
dass diese Verfahren in diesem Drehzahlbereich zuverlässig
arbeiten. Es kommt nicht darauf an, ob diese Verfahren über
den gesamten möglichen Drehzahlbereich zuverlässige
Drehzahlen liefern. Damit sind auch einfach zu realisierende Verfahren zur
Drehzahlmessung für das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung einsetzbar.
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Der
Drehzahlbereich kann beispielsweise aufgrund der folgenden Überlegungen
ermittelt werden:
Die Nenndrehzahl nnenn wird
vorgegeben, etwa durch einen Hersteller oder einen Kunden. Bevor
die Regelung auf die Nenndrehzahl beginnt, muss mittels einer „Hilfsmessung” festgestellt
werden, ob die Drehzahl des Motors innerhalb eines Drehzahlbereichs oberhalb
der Nenndrehzahl nnenn liegt, denn nur dann wird
die Regelung betrieben.
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Zweckmäßig
wird nach dem Ansteuern des Motors mit dem Steuersignal eine vorgegebene
Einstellzeit gewartet, bevor die Drehzahl des Motors gemessen wird,
denn der Motor benötigt eine gewisse Zeit, bis er die dem
Steuersignal zugeordnete Dreh zahl erreicht hat, etwa aufgrund von
Trägheitseinflüssen. Die Einstellzeit gewährleistet
somit, dass mit einer Drehzahl gearbeitet wird, die dem Steuersignal zugeordnet
ist, und nicht etwa mit einer zu geringen Drehzahl. Dadurch wird
vermieden, dass die Regelung nicht deshalb unterbleibt, weil von
einer zu geringen Drehzahl ausgegangen wird.
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An
diese Hilfsmessung werden keine allzu hohen Anforderungen hinsichtlich
der Genauigkeit gestellt.
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Aus
der Toleranz der Hilfsmessung ergibt sich ein Anhaltspunkt für
die Werte x und y. Es muss gewährleistet sein, dass ein
Drehzahlbereich zwischen nnenn – x%
und nnenn + y% auch bei maximaler Toleranz
der Hilfsmessung erreicht wird. Hierbei ist es zweckmäßig,
auch Toleranzen in der Bordnetzspannung zu berücksichtigen.
So ist beispielsweise der Absolutwert von x zu erhöhen,
wenn das Bordnetz aufgrund von Ungenauigkeiten unterhalb einer Nennspannung
(beispielsweise zwölf Volt) bleiben kann. Bekannte Bordnetze
für Kraftfahrzeuge weisen Toleranzen von etwa +/–5%
auf.
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Der
Wert für y kann aus möglichen Drehzahlüberhöhungen
bis zum Einsetzen der Regelung und/oder durch Fremdeinflüsse
(beispielsweise einen Antrieb des Gebläses durch den Fahrtwind,
so genannter Windmill-Effekt) bestimmt werden. Die Nenndrehzahl
kann also für eine kurze Zeit überschritten werden.
Der Wert für y muss so gewählt werden, dass die
Drehzahlmessung bis mindestens zu dieser Überschreitung
der Nenndrehzahl funktioniert. Zugleich muss die Auslegung des Gebläses
so erfolgen, dass diese zeitlich begrenzte Überschreitung
nicht zu einer Schädigung führt, was in der Regel
bei Bürstenmotoren unkritisch ist. Darüber hinaus hat
der Wert für y sicherzustellen ist, dass bei allen Toleranzlagen
das Intervall nicht nach oben verlassen wird, da andernfalls die
Drehzahlmessung nicht mehr funktioniert und sich eine Überlast
nicht zuverlässig vermeiden ließe.
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Die
Bestimmung eines Wertes für y ist erforderlich, da eine
stabile Regelung auf die Nenndrehzahl auch die Bestimmung von Drehzahlen
oberhalb der Nenndrehzahl voraussetzt.
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In
einer Ausführungsform wird die Drehzahl des Motors während
des Regelns der Drehzahl auf die Nenndrehzahl mit einem Ripple-Count-Verfahren bestimmt,
bei dem die Welligkeit in der Stromaufnahme ausgewertet wird. Da
die Regelung nur in dem Intervall um die Nenndrehzahl erfolgt, kann
eine einfache Ausführung des Ripple-Count-Verfahrens eingesetzt
werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist der Motor der erfindungsgemäßen
Vorrichtung als Bürstenmotor ausgebildet.
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Zweckmäßig
erfolgt das Messen der an den Bürsten des Bürstenmotors
anliegenden Klemmenspannung oder dem durch die Bürsten
des Bürstenmotors fließenden Stroms mit Hilfe
eines Spannungssensors beziehungsweise eines Stromsensors. Solche
Sensoren sind häufig schon für andere Aufgaben
vorhanden und können somit mitbenutzt werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Durchführen eines
der vorstehenden Verfahren mit einem an einem Gleichspannungsnetz betriebenen
elektrischen Motor und mit einer Regelvorrichtung zum Regeln einer
Drehzahl des Motors durch Verändern einer an dem Motor
anliegenden Betriebsspannung vorgesehen. Die Regelvorrichtung ist
ausgebildet, die Regelung der Drehzahl des Motors auf eine Nenndrehzahl
nnenn nur dann zu betreiben, wenn die gemessene
Drehzahl innerhalb eines Drehzahlbereichs oberhalb einer Nenndrehzahl
nnenn liegt, wobei die Regelung abhängig
von der gemessenen Drehzahl so durchgeführt wird, um die
Drehzahl des Motors auf die Nenndrehzahl nnenn einzustellen.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die
Erfindung wird anhand der in den folgenden Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zur Leistungsbegrenzung eines an
einem Gleichspannungsnetz betriebenen elektrischen Motors; und
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2 ein
Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Leistungsbegrenzung eines an
einem Gleichspannungsnetz betriebenen elektrischen Motors.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Leistungsbegrenzung eines
an einem Gleichspannungsnetz betriebenen elektrischen Motors dargestellt.
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In
einem ersten Schritt 1 wird eine Nenndrehzahl nnenn für einen elektrischen Bürstenmotor
vorgegeben, der ein Axialgebläse in einem Kraftfahrzeug antreibt.
Die Nenndrehzahl nnenn stellt eine maximale Drehzahl
dar, die nicht (wesentlich) überschritten werden sollte,
um einen einwandfreien Betrieb des Gebläses zu gewährleisten.
In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die
Nenndrehzahl nnenn etwa 3500 Umdrehungen
pro Minute (U/Min). Die Nenndrehzahl ergibt sich einerseits aus
Anforderungen eines Kunden und andererseits aus der Belastbarkeit des
Gebläses. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist so ausgeführt, dass es eine Leistungsbegrenzung – und
damit gleichbedeutend eine Drehzahlbegrenzung auf die Nenndrehzahl
nnenn – zuverlässig erzielt.
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In
einem zweiten Schritt 2 wird ein Drehzahlbereich [nnenn – x%; nnenn +
y%] bestimmt. Im vorliegenden Fall wird x = 15 und y = 15 gewählt.
Das heißt, dass sich der Drehzahlbereich von 15% unterhalb
der Nenndrehzahl nnenn bis 15% oberhalb
der Nenndrehzahl nnenn erstreckt. Vorliegend
wird der Drehzahlbereich somit von dem Intervall [2975 U/Min; 4025
U/Min] gebildet. Es sei darauf hingewiesen, dass x und y nicht gleich
gewählt zu werden brauchen, sondern auch unterschiedlich
groß ausfallen können, beispielsweise x = 20 und
y = 10, je nach konkretem Bedarf. Es ist aber zu fordern, dass x deutlich
unter 100 liegt. Der konkret zu wählende Drehzahlbereich
hängt insbesondere davon ab, welches Verfahren zur Drehzahlbestimmung
verwendet wird. Es ist erforderlich, dass das Verfahren im gesamten
Drehzahlbereich, hier dem Intervall [2975 U/Min; 4025 U/Min], dauerhaft
zuverlässig arbeitet.
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In
einem dritten Schritt 3 wird die Nenndrehzahl 3500 U/Min
von einer übergeordneten Steuerung, etwa eine Klimasteuerung
oder Motorsteuerung, angefordert, das heißt das Gebläse
soll seine maximale Leistung bereitstellen. Dies kann bei einer besonderen
Beanspruchung der Fall sein, aber beispielsweise auch zu Zwecken
der Reinigung von Lamellen des Bürstenmotors, die vergastet
sind oder zu vergasten drohen.
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In
einem vierten Schritt 4 wird ein Steuersignal gebildet,
das der Nenndrehzahl nnenn zugeordnet ist.
Mit diesem Steuersignal wird der Motor angesteuert.
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In
einem fünften Schritt 5 wird sichergestellt, dass
sich eine Drehzahl des Motors im Bereich von nnenn – x%
und nnenn + y% sicher einstellt. Hierzu
wird für eine vorgegebene Einstellzeit gewartet. Die Einstellzeit
dient dazu, den Motor auf die angeforderte Nenndrehzahl 3500 U/Min
einzustellen. Bei Gebläsen in Kraftfahrzeugen beträgt
die Einstellzeit üblich einige Sekunden, beispielsweise
etwa fünf Sekunden.
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Dieser
Schritt stellt eine „Hilfsmessung” dar, an deren
Genauigkeit keine zu hohen Anforderungen gestellt werden. Es ist
aber zu fordern, dass x und y so gewählt werden, dass bei
Berücksichtigung der Toleranz dieser Hilfsmessung und weiterer
Toleranzen sich eine Drehzahl im Bereich von nnenn – x%
und nnenn + y% sicher einstellt.
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In
einem sechsten Schritt 6 wird nun die genaue Drehzahl zum
Beispiel durch ein sonsorloses Verfahren, das nur in dem Bereich
nnenn – x% und nnenn +
y% zuverlässig funktionieren muss, bestimmt und mit dem
Intervall [2975 U/Min; 4025 U/Min] verglichen.
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Liegt
die gemessene Drehzahl sowohl innerhalb dieses Intervalls als auch
oberhalb der Nenndrehzahl 3500 U/Min, also in dem Intervall [3500 U/Min;
4025 U/Min], so wird eine Regelung 7 betrieben, die die
Drehzahl auf die Nenndrehzahl einstellt; die Nenndrehzahl stellt
für die Regelung also die Sollgröße dar.
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Liegt
die gemessene Drehzahl außerhalb des Intervalls, so wird
die Regelung nicht aktiviert. Dass die Drehzahl außerhalb
des Intervalls liegt, obwohl die Nenndrehzahl angefordert worden
ist, kann unterschiedliche Ursachen haben, etwa: Es ist möglich,
dass die Einstellzeit zu kurz gewählt worden ist. Es ist
auch möglich, dass das Gebläse defekt ist und die
Nenndrehzahl nicht mehr erreichen kann. Schließlich ist denkbar,
dass es Ursachen außerhalb des Gebläses oder Motors
gibt, wie beispielsweise ein abgefallenes Bordnetz, das nicht mehr
die ursprüngliche Spannung von beispielsweise zwölf
Volt bereitzustellen in der Lage ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann auf diese Situationen
reagieren. Im vorliegenden Fall wird zunächst eine weitere
Einstellzeit lang abgewartet – oder auch eine andere Zeitdauer – und
die Messung der Drehzahl wiederholt. Dieser Vorgang kann auch wiederholt
ausgeführt werden. Dies ist durch die Rückführung 8 angedeutet.
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Erreicht
die Drehzahl danach immer noch nicht das Intervall, so kann das
Verfahren einen Hinweis auf eine Störung ausgeben, um dem
Fahrer mitzuteilen, dass er das Gebläse und die Spannungsversorgung überprüfen
sollte.
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Wird
von der Steuerung eine niedrigere Drehzahl als die Nenndrehzahl
3500 U/Min angefordert, so wird die Regelung beendet.
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In 2 ist
ein Lüftersystem 10 für einen Verbrennungsmotor 11 in
einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug schematisch als Blockdiagramm
dargestellt.
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Das
Lüftersystem 10 umfasst eine erfindungsgemäße
Vorrichtung 12. Die Vorrichtung 12 weist einen
Lüfter 13, einen mit dem Lüfter über
eine Welle 14 verbundenen Motor 15 sowie eine
Regelvorrichtung 16 auf.
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Der
Motor 15 treibt über die Welle 14 den Lüfter 13 an.
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Die
Regelvorrichtung 16 steuert den Motor 15 mit einer
Stellgröße stufenlos an. Die Ansteuerung des Motors 15 erfolgt
in diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe von pulsweitenmodulierten
Signalen mit einer Frequenz oberhalb von achtzehn Kilohertz. Die Stellgröße
ist üblicherweise eine Spannung oder ein Strom.
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Die
Ansteuerung des Motors 15 wird entsprechend einer zuvor
ermittelten benötigten Kühlleistung des Verbrennungsmotors 11 vorgenommen. Die
benötigte Kühlleistung wird in diesem Ausführungsbeispiel
von der Temperatur des Verbrennungsmotors 11 abgeleitet.
Diese Temperatur wird mit Hilfe eines Temperatursensors 17 gemessen.
Der Temperatursensor 17 übermittelt die gemessene
Temperatur an die Regelvorrichtung 16, die die Kühlleistung ermittelt
und die Stellgröße für den Motor 15 bildet.
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Es
kann eine Situation vorkommen, in der das Lüftersystem 10 mit
seiner maximalen Kühlleistung (Nennleistung) arbeiten muss.
Damit das Lüftersystem 10 vor einer Überlastung
geschützt ist, ist die Vorrichtung 12 ausgebildet,
die aufgenommene Leistung des Motors 15 zu begrenzen.
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Bei
dem Lüfter 13 handelt es sich um einen Axiallüfter,
bei dem die Leistung mit der Drehzahl des Motors 15 beziehungsweise
des Lüfters 13 steigt (mit etwa der dritten Potenz
der Drehzahl). Die Vorrichtung 12 ist aus diesem Grunde
ausgelegt, die Drehzahl zu begrenzen. Auf diese Weise wird zugleich
die Leistung begrenzt und das Lüftersystem 10 vor
einer Überlastung geschützt.
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Für
die Drehzahlbegrenzung wird die ungefähre Drehzahl des
Motors 15 benötigt. Die Drehzahl des Motors 15 ermittelt
die Regelvorrichtung 16 aus der Stellgröße,
mit der der Motor 15 angesteuert wird.
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In
der Regelvorrichtung 16 ist ein Drehzahlbereich [nnenn – x%; nnenn +
y%] abgelegt, in der vorliegenden Ausführungsform das oben
angegebene Intervall [2975 U/Min; 4025 U/Min], das sich aus nnenn = 3500 U/Min und x = y = 15 ergibt.
Die Regelvorrichtung 16 vergleicht die ermittelte Drehzahl
des Motors 15 mit diesem Intervall. Liegt die Drehzahl
sowohl innerhalb dieses Intervalls als auch oberhalb der Nenndrehzahl,
also in dem Intervall [3500 U/Min; 4025 U/Min], so wird eine Regelung
aktiviert, die zum Ziel hat, die Drehzahl auf die hier vorgegebene
Nenndrehzahl 3500 U/Min zu begrenzen. Liegt die Drehzahl nicht in
diesem Intervall, so wird die Regelung nicht aktiviert. Liegt die
Drehzahl auch nach einiger Zeit nicht innerhalb dieses Intervalls,
obwohl die Nenndrehzahl angefordert worden ist und der Motor genug
Zeit gehabt hätte, die Nenndrehzahl zu erreichen, so lässt
dies auf eine Fehlfunktion schließen. Dem Fahrer kann in
diesem Fall eine entsprechende Störungsmeldung angezeigt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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