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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Elektromotor.
Der Elektromotor weist einen Stator und einen insbesondere permanentmagnetisch
ausgebildeten Rotor auf. Der Elektromotor weist auch eine mit dem
Stator verbundene Steuereinheit auf. Die Steuereinheit ist ausgebildet,
den Stator derart anzusteuern, dass der Stator ein magnetisches Drehfeld
zum Drehbewegen des Rotors erzeugen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß weist
die Steuereinheit des Elektromotors der eingangsgenannten Art eine Leistungsendstufe
mit Halbleiterschaltern auf. Die Steuereinheit ist ausgebildet,
in Abhängigkeit
des insbesondere durch Defekt niederohmig verbundenen oder kurzgeschlossenen
Halbleiterschalters der Leistungsendstufe den Stator zum Erzeugen
des Drehfeldes derart anzusteuern, dass der Rotor über eine
volle Rotorumdrehung hinweg eine mechanische Leistung abgeben kann
oder ein durch den Defekt verursachtes Bremsmoment des Elektromotors im
Betriebszustand mit dem niederohmig verbundenen oder kurzgeschlossenen
Halbleiterschalter reduziert oder vollständig kompensiert ist.
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Der
Elektromotor erhält
dadurch vorteilhaft eine Notlaufeigenschaft, so dass der Elektromotor
im Falle eines defekten Halbleiterschalters der Leistungsendstufe
noch weiter ein Drehmoment und so eine mechanische Leistung abgeben
kann – oder
erzeugt zumindest ein geringes oder gar kein Bremsmoment, so dass
im Falle eines Zusammenwirkens mit einer Servolenkung eines Kraftfahrzeugs
ein Lenken durch den Defekt zumindest nicht noch mehr Lenkkraft
erfordert als ohne Servolenkung.
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Beispielsweise
kann der Elektromotor das Drehmoment in zueinander entgegengesetzten
Wirkrichtungen abgeben. Eine Wirkrichtung kann beispielsweise in
Umlaufrichtung – als
positive Drehmomentrichtung – gerichtet
sein, eine dazu entgegengesetzte Wirkrichtung kann entgegengesetzt
zur Umlaufrichtung – als
negative Drehmomentrichtung – gerichtet
sein.
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Der
Halbleiterschalter kann beispielsweise ein Feldeffekt-Transistor,
insbesondere ein MOS-Feldeffekt-Transistor oder ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor
(IGBT) sein. Der Halbleiterschalter kann in einer anderen Ausführungsform auch
durch einen Thyristor oder ein Triac gebildet sein.
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Der
vorab beschriebene Elektromotor kann so vorteilhaft eine defekte
Schaltstrecke des Halbleiterschalters mittels entsprechender, bevorzugt
korrigierender Ansteuerung der Leistungsendstufe und so auch des
Stators, kompensieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Elektromotors ist die Steuereinheit ausgebildet, den Stator
derart anzusteuern, dass der Rotor mittels gespeicherter Rotationsenergie
einen dem defekten Halbleiterschalter entsprechenden Defekt-Winkelbereich des
Rotorumlaufes überwinden
kann. Durch diese Art der Ansteuerung im Falle eines defekten Halbleiterschalters
kann der Rotor mittels der zuvor gespeicherter Rotationsenergie über den
Defekt-Winkelbereich hinwegbewegt werden. Der Defekt-Winkelbereich
ist beispielsweise dadurch gekennzeichnet, dass – bedingt durch den kurzgeschlossenen
Halbleiterschalter – die
dem defekten Halbleiterschalter zugeordnete Statorspule permanent
ein der Stromflussrichtung durch die Statorspule entsprechendes
Magnetfeld erzeugt. Durch diese Beeinflussung kann in dem Defekt-Winkelbereich
der Stator nicht mehr hinreichend durch die Statorspulen beeinflusst
werden.
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Die
Steuereinheit kann bevorzugt insbesondere vor Eintritt eines Magnetpols
des Rotors in den Defekt-Winkelbereich eine hinreichende rotatorische Energie
in dem Rotor aufbauen. So kann der Rotor vorteilhaft als Energiespeicher
zu überwinden
des Defekt-Winkelbereichs genutzt werden.
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Bevorzugt
ist die Steuereinheit des Elektromotors mit einem Speicher für zueinander
verschiedene Ansteuermuster verbunden oder weist den Speicher auf,
und ist ausgebildet, in Abhängigkeit von
der niederohmigen Verbindung oder dem Kurzschluss ein Ansteuermuster
auszuwählen
und den Stator mit dem ausgewählten
Ansteuermuster anzusteuern.
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Durch
den Speicher und das Vorrätighalten von
zueinander verschiedenen Ansteuermustern kann beispielsweise ein
Ansteuermuster für
einen Betrieb mit funktionierenden Halbleiterschaltern vorrätiggehalten
werden und während
eines Betriebs mit funktionierenden Halbleiterschaltern zum Ansteuern des
Stators verwendet werden.
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Bevorzugt
sind die Ansteuermuster jeweils durch eine zeitliche Folge von Schaltmustern
gebildet, wobei die Schaltmuster jeweils einen Spannungszustand
und/oder Bestromungszustand der Statorspulen des Stators repräsentieren.
Weiter bevorzugt ist jedes Schaltmuster durch ein Code-Wort gebildet,
wobei das Code-Wort für
jede Statorspule ein Bit aufweist, welches einen Beschaltungszustand der
Statorspule und somit eine an die Statorspule angelegte Spannung
repräsentiert.
Die Code-Wörter beziehungsweise
die Beschaltungszustände
oder die Ansteuermuster können
jeweils durch einen Datensatz repräsentiert sein. In einer anderen
Ausführungsform
weist ein Ansteuermuster wenigstens ein oder nur ein Schaltmuster
auf, wobei jedes Schaltmuster einem vorbestimmten Rotorwinkel eines
Rotorumlaufes zugeordnet ist. Dazu kann jedes Code-Wort wenigstens
zwei, drei oder eine Mehrzahl zusätzlicher Rotorpositions-Bits
aufweisen, welche zusammen eine Rotorposition des Rotors codieren, bei
der an die Statorspulen die dem Schaltmuster entsprechenden Spannungen
angelegt werden können.
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Wenn
mittels der Steuereinheit ein Defekt eines Halbleiterschalters,
beispielsweise eines MOS-Feldeffekt-Transistors detektiert wird,
so kann die Steuereinheit einen mit dem Defekt entsprechendes Ansteuermuster
aus dem Speicher auslesen und den Stator mit dem zuvor ausgewiesenen
Ansteuermuster ansteuern. Der Elektromotor kann so vorteilhaft Weiterbetrieben
werden. Bei dem Betrieb mit dem Ansteuermuster während des defekten Halbleiterschalters
kann so zumindest noch ein insbesondere wenigstens kleines Drehmoment
abgegeben werden, wohingegen bei Elektromotoren, bei denen mittels
eines Relais der Stator von der Leistungsendstufe getrennt wird,
kein Drehmoment mehr abgegeben werden kann. So kann beispielsweise
während
einer mittels der Steuereinheit erzeugten Notlaufeigenschaft in
Kauf genommen werden, dass der Rotor über den Rotorumlauf hinweg
nicht mit einer konstanten Geschwindigkeit läuft oder kein konstantes Drehmoment
abgibt.
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Der
Elektromotor kann beispielsweise vorteilhaft ein Elektromotor einer
Servolenkung eines Kraftfahrzeugs sein. So kann der Elektromotor
vorteilhaft im Falle eines defekten Halbleiterschalters der Leistungsendstufe
noch ein Lenken des Kraftfahrzeugs durch die Notlaufeigenschaft
unterstützen, oder
zumindest ein – insbesondere
durch den defekten Halbleiterschalter verursachtes – Bremsmoment auf
eine Motorwelle so zu verringern, dass das Fahrzeug lenkbar bleibt.
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Bei
dem Unterstützen
des Lenkens kann der Elektromotor beispielsweise ein Drehmoment
mit Wirkrichtung in Umlaufrichtung – beispielsweise mit einem
positiven Drehmoment – angesteuert
werden.
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Der
Elektromotor kann beispielsweise zum Erzeugen eines auf die Servolenkung
wirkenden Bremsmomentes in einer – entgegengesetzt zu der ein
Lenken erleichternden Umlaufrichtung – entgegengesetzten Umlaufrichtung
angesteuert werden und so ein negatives Drehmoment mit Wirkrichtung entgegengesetzt
zur Umlaufrichtung erzeugen. Ein Lenken des Fahrzeuges kann dann,
insbesondere bei einer entsprechend ausgebildeten Servolenkung, bei
dem in die negative Wirkrichtung wirkenden Drehmoment erschwert
werden. Ein Erschweren des Lenkens kann beispielsweise zum Abbremsen
der Unterstützungswirkung
oder in Abhängigkeit
einer das Erschweren erfordernden Lenksituation Anwendung finden.
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Die
Steuereinheit ist bevorzugt ausgebildet, den Defekt, insbesondere
Kurzschluss des Halbleiterschalters in Abhängigkeit einer über wenigstens einer
Statorspule des Stators abfallenden Spannung zu erfassen.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist die Steuereinheit ausgebildet, den Defekt des Halbleiterschalters
in Abhängigkeit
einer Sternpunktspannung oder einer Strangspannung eines in Stern-
oder Dreieckschaltung geschalteten Stators zu erfassen. Die Steuereinheit
ist weiter bevorzugt ausgebildet, für jeden Halbleiterschalter
ein dem Halbleiterschalter entsprechendes Defekt-Ansteuermuster
vorrätig
zu halten, welches dem defekten Halbleiterschalter entspricht. Dadurch
kann die Steuereinheit schnell dem Ansteuermuster entsprechende
Steuersignale erzeugen, mit denen die Leistungsendstufe angesteuert werden
kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Steuereinheit ausgebildet, in einem in Rotorumlaufrichtung
dem Defekt-Winkelbereich nachfolgenden Winkelbereich, mittels der
nicht niederohmig verbundenen oder kurzgeschlossenen Halbleiterschalter den
Stator derart anzusteuern, dass der Rotor von dem Defekt- Winkelbereich weggeführt werden
kann. Dadurch kann vorteilhaft ein Blockieren des Elektromotors
vermieden werden. Bei einem Blockieren des Elektromotors kann der
Rotor beispielsweise in dem Defekt-Winkelbereich durch das in dem
Defekt-Winkelbereich ständig
erzeugte Magnetfeld festgehalten werden und sich so nicht mehr in
Umlaufrichtung weiterdrehen. Die nicht niederohmig verbundenen Halbleiterschalter
sind dabei diejenigen Halbleiterschalter, die nicht defekt, also
noch in Ordnung sind.
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Die
Steuereinheit ist bevorzugt ausgebildet, mittels der Statorspulen
einen dem Defekt-Winkelbereich nachfolgenden nächstmöglichen Spannungsvektor zu
erzeugen, und mit dem nächstmöglichen Spannungsvektor
den Rotor aus dem Defekt-Winkelbereich – insbesondere in Umlaufrichtung – herauszuführen. Der
nächstmögliche Spannungsvektor kann
beispielsweise während
eines Normalbetriebs des Elektromotors – welcher beispielsweise durch ein
dem Normalbetrieb entsprechendes Ansteuermuster bewirkt wird – in Rotorumlaufrichtung
weiter von dem Defektwinkelbereich entfernt sein und so nicht den
nächstmöglichen
Spannungsvektor im Falle eines defekten Halbleiterschalters repräsentieren. So
könnte
beispielsweise im Falle eines für
den Normalbetrieb vorgesehenen Ansteuermusters ein zum Bewegen des
Rotors nächstvorgesehener
Spannungsvektor zum Erzeugen eines Drehmomentes in einem dem Defektwinkelbereich
nachfolgenden Winkelbereich nicht mehr ausreichen, um den Rotor
noch sicher von dem Defekt-Winkelbereich wegzuführen.
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Der
Stator des Elektromotors weist beispielsweise wenigstens drei oder
genau drei Statorspulen auf. Denkbar ist auch ein Stator mit einer
beliebigen Zahl von Statorspulen.
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Bevorzugt
weist der Elektromotor einen Zwischenkreiskondenstor auf, welcher
mit der Leistungsendstufe, insbesondere den Halbeiterschaltern der
Leistungsendstufe mindestens mittelbar verbunden ist, wobei der
Elektromotor einen steuerbar ausgebildeten Trennschalter, insbesondere
Relais oder Halbleiterschalter aufweist, dessen Schaltstrecke den
Zwischenkreiskondensator mit der Leistungsendstufe verbindet, wobei
ein Steueranschluss des Trennschalters mit der Steuereinheit verbunden
ist, welche ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Defekts des
Zwischenkreiskondensators, insbesondere durch den Defekt niederohmig
miteinander verbundener oder kurzgeschlossener Elektroden des Zwischenkreiskondensators,
ein Steuersignal zum Trennen der Schaltstrecke des Trennschalters
zu erzeugen und dieses an den Trennschalter zu senden.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erzeugen einer Drehbewegung
mittels eines elektronisch kommutierten Elektromotors, wobei der
Elektromotor einen Stator und einen Rotor aufweist. Bei dem Verfahren
wird ein magnetisches Drehfeld zum Drehbewegen des Rotors mittels
Ansteuern von einer Mehrzahl von mit dem Stator verbundenen Halbleiterschaltern
erzeugt. Weiter wird bei dem Verfahren das Drehfeld in Abhängigkeit
eines insbesondere durch Defekt niederohmig verbundenen oder kurzgeschlossenen
Halbleiterschalters derart erzeugt, dass der Rotor über eine
volle Rotorumdrehung hinweg eine mechanische Leistung abgeben kann
oder ein durch den Defekt verursachtes Bremsmoment des Elektromotors
(1, 160) im Betriebszustand mit dem niederohmig
verbundenen oder kurzgeschlossenen Halbleiterschalter reduziert
oder vollständig
kompensiert ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird der Stator derart angesteuert, dass der Rotor
mittels gespeicherter Rotationsenergie einen dem defekten Halbleiterschalter
entsprechenden Defekt-Winkelbereich des Rotorumlaufes überwinden
kann.
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Vorzugsweise
wird bei dem vorbeschriebenen Verfahren ein Ansteuermuster für einen
Betrieb mit intakten Halbleiterschaltern, und wenigstens ein Ansteuermuster
für wenigstens
einen oder nur einen defekten Halbleiterschalter vorrätig gehalten.
Weiter wird in Abhängigkeit
von der niederohmigen Verbindung oder den Kurzschluss – ein dem
defekten Halbleiterschalter entsprechendes Ansteuermuster ausgewählt und
der Stator mit dem ausgewählten
Ansteuermuster angesteuert.
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Das
Ansteuermuster kann vorteilhaft eine Transferfunktion repräsentieren.
Transferfunktion kann beispielsweise – über den Rotorumlauf hinweg – ein Drehmoment
als Eingangsparameter, und eine Steuerspannung für jede Statorspule als Ausgangsparameter
repräsentieren.
Die Transferfunktion kann beispielsweise für jeden möglicherweise defekten Halbleiterschalter,
insbesondere MOS-FET, vorrätiggehalten
sein. Die Transferfunktion kann beispielsweise für ein Stator-Koordinatensystem,
insbesondere u-v-w-Koordinatensystem, oder ein Rotor-Koordinatensystem,
insbesondere ein d-q-Koordinatensystem vorrätig gehalten sein.
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Bevorzugt
wird für
jeden Halbleiterschalter ein Ansteuermuster für den defekten Halbleiterschalter
vorrätiggehalten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird in Abhängigkeit
von der niederohmigen Verbindung oder den Kurzschluss ein dem defekten
Halbleiterschalter entsprechendes Ansteuermuster erzeugt und der
Stator mit dem für
den defekten Halbleiterschalter erzeugtes Ansteuermuster angesteuert.
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Durch
das Erzeugen, bevorzugt in-vivo-Erzeugen, des Ansteuermusters, – insbesondere
in Abhängigkeit
von der Art des Defekts – kann
vorteilhaft eine geringe Zahl von Defekt-Ansteuermustern vorrätiggehalten
sein. Beispielsweise kann beim Erzeugen des Defekt-Ansteuermusters
eine dem defekten Halbleiterschalter entsprechende Phasenverschiebung
in dem erzeugten Ansteuermuster berücksichtigt sein. Dadurch kann
dann beispielsweise vorteilhaft für jeden von mehreren – möglicherweise
zu einem späteren
Zeitpunkt defekten – Halbleiterschalter dasselbe
Ansteuermuster als Ausgangsbasis zum Erzeugen des für den defekten
Halbleiterschalter jeweils passenden Ansteuermusters vorrätiggehalten sein.
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Die
Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren
Ausführungsbeispielen
beschrieben.
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1 zeigt – schematisch – ein Ausführungsbeispiel
für einen
elektronisch kommutierten Elektromotor und ein Verfahren zum Betreiben
des Elektromotors. Der Elektromotor weist eine Leistungsendstufe
und eine Steuereinheit auf, welche ausgebildet ist, mittels eines
für eine
fehlerhafte Endstufe ausgebildeten Ansteuermusters die Leistungsendstufe
derart anzusteuern, dass ein mit der Leistungsendstufe ausgangsseitig
verbundener Stator des Elektromotors ein Drehfeld zum Drehbewegen eines
Rotors des Elektromotors erzeugen kann.
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2 zeigt – schematisch – ein Ausführungsbeispiel
für einen
Drehmomentverlauf des in 1 dargestellten Elektromotors
mit einer Leistungsendstufe, bei der ein Transistor der Leistungsendstufe
insbesondere durch Defekt niederohmig verbunden oder kurzgeschlossenen
ist;
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3 zeigt – schematisch – ein Diagramm, in
welchem ein Rotorumlauf eines elektronisch kommutierten Elektromotors
mit drei Statorspulen dargestellt ist.
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4 zeigt
eine Schaltungsanordnung für einen
elektronisch kommutierten Elektromotor mit einem Zwischenkreiskondensator
und mit einem steuerbar ausgebildeten Trennschalter, welcher im
Defektfall des Zwischenkreiskondensators eine Leistungsendstufe
des Elektromotors von dem Zwischenkreiskondensator trennen kann.
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1 zeigt – schematisch – eine Anordnung 2 mit
einem elektronisch kommutierten Elektromotor 1. Der elektronisch
kommutierte Elektromotor 1 weist einen Stator 3 auf.
Der Stator 3 weist eine Statorspule 5, eine Statorspule 7 und
eine Statorspule 9 auf. Der Elektromotor 1 weist
auch einen Rotor 10 auf, sowie in einen Hallsensor 17.
Der Hallsensor 17 ist derart angeordnet, dass eine Rotordrehzahl
und/oder eine Rotorposition des Rotors 10 mittels des Hallsensors 17 erfasst
werden kann. Der Hallsensor 17 ist ausgebildet, in Abhängigkeit
eines von dem Rotor 10 erzeugten Magnetfeldes eine entsprechende
Hallspannung zu erzeugen und diese ausgangsseitig auszugeben.
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Der
Elektromotor 1 weist auch eine Leistungsendstufe 12 auf,
welche ausgangsseitig mit dem Stator und dort mit den Statorspulen 5, 7 und 9 verbunden
ist, und welche eingangsseitig mit einem Gate-Treiber 14 mittels
einer Verbindung 24 verbunden ist. Der Gate-Treiber 14 ist über eine
bidirektionale Verbindung 22 mit einer Schnittstelle 18 verbunden.
Die Schnittstelle 18 ist über eine bidirektionale Verbindung 20 mit
einer beispielsweise als Mikrokontroller oder Mikroprozessor ausgebildeten
Verarbeitungseinheit 16 verbunden.
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Die
Verarbeitungseinheit 16 oder zusätzlich der Gate-Treiber 14 können die
vorab erwähnte Steuerinheit
bilden.
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Die
Verarbeitungseinheit 16 ist über eine bidirektionale Verbindung 25 mit
einem Speicher 15 verbunden. Der Speicher 15 ist
ausgebildet, eine Mehrzahl von Datensätzen vorrätig zu halten, welche jeweils
ein Ansteuermuster repräsentieren.
Die Ansteuermuster 70 und 71 sind beispielhaft
bezeichnet. Die bidirektionalen Verbindungen 20, 22 und 25 und die
Verbindung 24 können
jeweils beispielsweise durch einen Datenbus, insbesondere Feldbus
gebildet sein oder Bestandteil eines Datenbuses sein. Die Leistungsendstufe 12 weist
eine Mehrzahl von Halbleiterschaltern, in diesem Ausführungsbeispiel
sechs MOS-Feldeffekt-Transistoren,
nämlich
einen Transistor 40, einen Transistor 44, einen
Transistor 48, einen Transistor 42, einen Transistor 46 und
einen Transistor 49 auf. Die vorbezeichneten Transistoren
sind zusammen in einer B6-Schaltung geschaltet. Die Gate-Anschlüsse der
vorbenannten Transistoren sind jeweils über die Verbindung 24 mit
dem Gate-Treiber 14 verbunden. Der Gate-Treiber 14 ist ausgebildet,
die Gate-Anschlüsse
der Transistoren 40, 42, 44, 46, 48 und 49 über die
Verbindung 24 anzusteuern. Zu den Schaltstrecken der Transistoren, wobei
die Schaltstrecke einen Quellenanschluss des Transistors mit einem
Senkenan schluss des Transistors verbindet, ist jeweils eine Freilaufdiode
zum Schutz des Transistors vor Überspannung
parallel geschaltet.
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Der
Transistor 40 weist einen Quellenanschluss auf, welcher über einen
Verbindungsknoten 52 mit einem Senkenanschluss des Transistors 42 verbunden
ist. Ein Quellenanschluss des Transistors 44 ist über einen
Verbindungsknoten 54 mit einem Senkenanschluss des Transistors 46 verbunden.
Ein Quellenanschluss des Transistors 48 ist über einen Verbindungsknoten 56 mit
einem Senkenanschluss des Transistors 49 verbunden. Die
Quellenanschlüsse
der Transistoren 42, 46 und 49 sind jeweils
mit einem Verbindungsknoten 69 verbunden. Der Verbindungsknoten 69 ist über einen
Widerstand 34 mit einem Masseanschluss 36 verbunden.
Der Widerstand 34, insbesondere Shunt-Widerstand, ist niederohmig ausgebildet
und zum Stromerfassen ausgebildet.
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Der
Verbindungsknoten 52 ist über eine Verbindungsleitung 72 mit
einem ersten Anschluss der Statorspule 7 verbunden. Der
Verbindungsknoten 54 ist über eine Verbindungsleitung 74 mit
einem ersten Anschluss der Statorspule 5 verbunden. Der
Verbindungsknoten 56 ist über eine Verbindungsleitung 76 mit
einem ersten Anschluss der Statorspule 9 verbunden. Die
zweiten Anschlüsse
der Statorspulen 5, 7 und 9 sind jeweils über einen
gemeinsamen Sternpunkt miteinander verbunden. Der Sternpunkt ist über eine
Verbindungsleitung 78 mit der Schnittstelle 18 verbunden.
Die Leistungsendstufe 12 ist ausgangsseitig über eine
insbesondere mehrkanalige Verbindung 26 mit dem Gate-Treiber 14 verbunden. Die
mehrkanalige Verbindung 26 verbindet die Verbindungsknoten 52, 54 und 56 mit
der Leistungsendstufe 14. Die Leistungsendstufe 14 kann
so über
die Verbindung 26 die Potenziale der Verbindungsknoten 52, 54 und 56 und
so der entsprechenden Statorspulen empfangen.
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Die
Senkenanschlüsse
der Transistoren 40, 44, und 48 sind
jeweils mit einem Verbindungsknoten 68 verbunden. Der Verbindungsknoten 68 über eine Verbindungsleitung 66 mit
einem Bordnetz 50 eines Kraftfahrzeugs verbunden. Das Bordnetz 50 ist
mit dem Masseanschluss 36 verbunden und ist ausgebildet,
die Leistungsendstufe 12 über die Verbindungsleitung 66 mit
elektrischer Energie zu versorgen. Dargestellt ist auch – gestrichelt
dargestellt – ein
Relais 28, welches ausgebildet ist, die Verbindungsknoten 52, 54 und 56 insbesondere
in Abhängigkeit
eines über
eine Verbindungsleitung 62 empfangenen Trennsignals – von dem
Stator 3 galvanisch zu trennen. Das Relais 28 kann,
wie gestrichelt angedeutet, entfallen. Das Relais 28 ist
eingangsseitig über
die Verbindungsleitung 62 mit der Schnittstelle 18 verbunden
und kann von dieser das Trennsignal empfangen.
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Der
Elektromotor 1 in 1 ist Bestandteil einer
Anordnung 2. Die Anordnung 2 umfasst dem Elektromotor 1,
das Bordnetz 50 und eine Servolenkung 32. Die
Servolenkung 32 ist mittels einer Motorwelle 30 mit
dem Rotor 10 drehverbunden. Der Rotor 10 kann
so über
die Motorwelle 30 ein Drehmoment 31 an die Servolenkung 32 abgeben.
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Die
Funktionsweise der Anordnung 2 wird nun im Folgenden beschrieben:
Die Verarbeitungseinheit 16 kann über die Verbindung 25 das
Ansteuermuster 70 aus dem Speicher 15 auslesen.
Das Ansteuermuster 70 repräsentiert beispielsweise ein
Ansteuermuster zum Normalbetrieb des Elektromotors 1. Beim
Normalbetrieb des Elektromotors 1 ist beispielsweise keiner
der Transistoren der Leistungsendstufe 12 defekt. Die Verarbeitungseinheit 16 kann über die
Verbindung 20 und die Schnittstelle 18, weiter über die
Verbindung 22 den Gate-Treiber 14 derart ansteuern,
dass der Gate-Treiber 14 Steuersignale zum Steuern der
Transistoren der Leistungsendstufe 12 derart erzeugt, dass
die Leistungsendstufe 12 den Stator 3 und dort
die Statorspulen 5, 7 und 9 zum Erzeugen
eines Drehfeldes ansteuert. Mittels des Drehfeldes kann der Rotor 10 in
eine Drehbewegung entlang des Rotorumlaufes versetzt werden. Der
Gate-Treiber 14 kann die Steuersignale zum Steuern der
Transistoren der Leistungsendstufe 12 über die Verbindung 24 an
die Leistungsendstufe 12 und dort an die Gate-Anschlüsse der
Transistoren senden.
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Die
Drehzahl des Rotors 10 kann mittels des Hallsensors 17 erfasst
werden, welcher ein entsprechendes Hallsignal erzeugen und dieses über die Verbindungsleitung 60 an
die Schnittstelle 18 senden kann. Die Schnittstelle 18 kann
das Hallsignal über die
Verbindung 20 an die Verarbeitungseinheit 16 senden.
Die Verarbeitungseinheit 16 kann das Hallsignal empfangen
und Steuersignale – welche
zusammen das Ansteuermuster repräsentieren – derart
erzeugen oder verändern,
dass das Drehmoment des Rotors 10, welches über die
Motorwelle 30 an die Servolenkung 32 abgegegeben
werden kann, einer Drehmomentvorgabe entspricht. Die Verarbeitungseinheit
kann dazu über
einen Steuereingang 19 ein Steuersignal empfangen, welches
die Drehmomentvorgabe repräsentiert.
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Wenn
beispielsweise der Transistor 49 defekt ist, so kann der
Quellenanschluss des Transistors 49 mit dem Senkenanschluss
des Transistors 49 niederohmig verbunden sein. Dargestellt
ist auch eine Verbindung 38, welche die niederohmige Verbindung
oder den Kurzschluss repräsentiert.
Die niederohmige Verbindung 38 überbrückt so die Schaltstrecke des
Transistors 49 und repräsentiert
den defekten Transistor 49.
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Die
Verarbeitungseinheit 16 kann die niederohmige Verbindung 38 über den
Widerstand 34, und insbesondere eine über dem Widerstand 34 abfallende
Spannung erfassen, welche die Verarbeitungseinheit 16 über den
Verbindungsknoten 69, weiter – teilweise gestrichelt angedeutet – über die
Verbindungsleitung 64, die Leistungsendstufe 14,
die Verbindung 22, Schnittstelle 18, die Verbindung 20 empfangen kann.
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Die
Verarbeitungseinheit 16 kann die niederohmige Verbindung 38 beispielsweise – zusätzlich oder
unabhängig
von dem Widerstand 34 – über das Sternpunktpotenzial
des Stators 3 über
die Verbindungsleitung 78, die Schnittstelle 18 und
die Verbindung 20 erfassen.
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Die
Verarbeitungseinheit kann – zusätzlich oder
unabhängig
von dem Widerstand 34 oder dem Sternpunktpotential – die niederohmige
Verbindung 38 über
die Potentiale an dem Verbindungsknoten 52, 54 oder 56 oder
allen Verbindungsknoten erfassen. Die Potentiale der Verbindungsknoten
entsprechen dabei jeweils einem Potential einer Statorspule.
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Die
Verarbeitungseinheit 16 kann weiter in Abhängigkeit
der niederohmigen Verbindung 38 den Defekt des Transistors 49 erfassen
und weiter in Abhängigkeit
von dem Defekt ein entsprechendes Ansteuermuster 71 aus
dem Speicher 15 auslesen und entsprechende Steuersignale
zum Ansteuern des Gate-Treibers 14 und der Leistungsendstufe 12 erzeugen.
Mittels des so erzeugten Drehfeldes kann der Defekt des Transistors 49 wenigstens
teilweise kompensiert und so wenigstens teilweise geheilt werden.
Das Drehfeld wird dabei durch das dem defekten Transistor 49 entsprechende
Ansteuermuster 71 repräsentiert.
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Die
Verarbeitungseinheit 16 kann beispielsweise im Falle mehrerer
defekter Transistoren – wenn
mittels eines entsprechenden, den Defekt wenigstens teilweise kompensierenden
Ansteuermusters mittels des Stators 3 kein Drehfeld zum
Erzeugen eines positiven Momentes 31 mehr erzeugt werden
kann, den Stator 3 mittels des Relais 28 von der Leistungsendstufe 12 trennen.
Die Verarbeitungseinheit 16 kann dazu ein entsprechendes
Trennsignal erzeugen, und dieses über die Verbindung 20,
die Schnittstelle 18 und die Verbindungsleitung 62 an das
Relais 28 senden.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für ein Diagramm 80.
Das Diagramm 80 weist eine Abszisse 82 und eine
Ordinate 84 auf.
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Die
Abszisse 82 repräsentiert
einen Winkel des Rotorumlaufes des in 1 dargestellten
Rotors 10.
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Das
Diagramm 80 zeigt einen Drehzahlkurve 86, welche
eine Drehzahl des in 1 dargestellten Rotors 10,
insbesondere in Abhängigkeit über dem Rotorumlaufwinkel
repräsentiert,
welcher auf der Abszisse 82 aufgetragen ist.
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Das
Diagramm 80 zeigt auch eine Kurve 87 und eine
Kurve 88. Die Kurve 87 repräsentiert eine relatives Drehmoment,
welches von dem Rotor 10 in 1 abgegeben
werden kann. Das relative Drehmoment beschreibt das Drehmoment des
Rotors in Bezug auf ein maximal von dem Rotor 10 abzugebendes
Drehmoment. Das maximale relative Drehmoment nimmt so den dimensionslosen
Wert = 1 an.
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Das
Diagramm 80 zeigt auch einen Abschnitt 93, einen
Abschnitt 94, einen Abschnitt 95, einen Abschnitt 96 und
einen Abschnitt 97. Der Abschnitt 93 entspricht
einem Bereich des Rotorumlaufes zwischen 0 und 120 Grad, der Abschnitt 94 entspricht
einem Bereich des Rotorumlaufes zwischen 120 und 210 Grad, der Bereich 95 entspricht
einem Bereich des Rotorumlaufes zwischen 210 und 270 Grad, der Bereich 96 entspricht
einem Bereich des Rotorumlaufes zwischen 270 und 360 Grad, der Bereich 97 entspricht
einem weiteren Rotorumlauf größer als 0-Grad.
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Die
Kurve 87 repräsentiert
im Abschnitt 93 ein maximales Drehmoment des Rotors 10,
wobei das Drehmoment des Rotors 10 im Bereich 94 sichtbar
abfällt.
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Im
Bereich 95, welcher dem Defekt-Winkelbereich entspricht,
kann er der Rotor 10 kein Drehmoment abgeben. Dem Defekt-Winkelbereich,
repräsentiert
durch den Bereich 95, folgt der Bereich 96, in welchem – beschrieben
durch die Kurve 88 – wieder eine
Drehmoment abgegeben werden kann. Das möglich abgebbare Drehmoment
nimmt dabei mit zunehmendem Rotorumlaufwinkel zu.
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Das
Diagramm 80 zeigt auch einen Abschnitt 90, welcher
den Rotorumlaufwinkel zwischen 0-Grad und 210-Grad bezeichnet. In
dem Abschnitt 90 ist eine Momentregelung des von dem Rotor 10 abgegebenen
Momentes 31 noch möglich.
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Dem
Bereich 91, welcher sich zwischen dem Rotorumlaufwinkel
210-Grad und 360-Grad erstreckt, wird der Rotor von einem Magnetfeld,
erzeugt von der mittels des defekten Transistors permanent bestromten
Statorspule beeinflusst. In dem Bereich 91 kann der Rotor
fast oder vollständig kräftefrei
weiter in Umlaufrichtung oder entgegen der Umlaufrichtung kippen.
Vom Rotorumlaufwinkel 270-Grad zu einem größeren Rotorumlaufwinkel hin, kann
der Rotor im Bereich 96 mittels eines nächstmöglichen erzeugbaren Spannungsvektors
aus dem Bereich 95 herausgeführt werden. Der Rotor 10 kann im
Bereich 93 und/oder 94 mittels des für den Defektfall
des Transistors erzeugten Ansteuermusters mit rotatorischer Energie
versorgt werden, welche ausreicht, um den Rotor über den Bereich 95,
nämlich den
Defekt-Winkelbereich hinweg zu bewegen. Dargestellt ist auch eine
Ordinate 85, welche ein abgebbares Drehmoment repräsentiert.
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3 zeigt
ein Diagramm, in welchem der Rotorumlaufwinkel des in 1 bereits
dargestellten Rotors 10 bezüglich der Statorspule 5, 7 und 9 dargestellt
ist. Das Diagramm zeigt ein Magnetvektor 106, welcher eine
Ausrichtung des von dem permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor 10 erzeugten
Magnetfeldes repräsentiert.
Das Diagramm zeigt auch eine Achse 120, welche eine 0-Grad-Stellung des Rotorumlaufes
repräsentiert,
eine Achse 122, welche zu Achse 120 orthogonal
verläuft
und eine 90-Grad-Stellung des Rotorumlaufes repräsentiert, weiter eine Achse 128,
welche koaxial zu Achse 120 verläuft und eine 180-Grad-Stellung des Rotorumlaufes
repräsentiert,
sowie eine Achse 132, welche eine 270-Grad-Stellung des
Rotorumlaufes repräsentiert.
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Weiter
sind in 3 die in 1 bereits
dargestellten Statorspulen 5, 7 und 9 dargestellt.
Die Statorspule 5 befindet sich auf einer Achse 134,
welche eine 330-Grad-Stellung
des Rotorumlaufes repräsentiert.
Die Statorspule 7 befindet sich auf einer Achse 122,
welche die 90-Grad-Stellung des Rotorumlaufes repräsentiert.
Die Statorspulen 9 befindet sich auf einer Achse 130,
welche eine 210-Grad-Stellung
des Rotorumlaufes repräsentiert. Dargestellt
ist auch eine Achse 124, und eine Achse 126, wobei
die Achse 124 eine 120-Grad-Stellung, um die Achse 126 eine
150-Grad-Stellung des Rotorumlaufes repräsentiert.
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Dargestellt
ist auch ein Winkelbereich 150, welcher sich zwischen der
Achse 120 und 124 erstreckt. Der Winkelbereich 150 entspricht
dem in 2 dargestellten Bereich 93. Zwischen
der Achse 124 und der Achse 130 erstreckt sich
ein Winkelbereich 152, welcher dem in 2 dargestellten
Bereich 94 entspricht. Der Rotor 10 kann in dem
Winkelbereich 152 noch einen Drehmoment, zur Achse 130 hin
entlang des Rotorumlaufes abnehmend, abgeben. Der Rotorumlaufes
ist mittels eines Drehpfeiles 140 bezeichnet. Zwischen
der Achse 130 und 132 erstreckt sich der Winkelbereich 154,
welcher dem Defekt-Winkelbereich 95 in 2 entspricht.
Im Bereich des Winkelbereichs 154 kann der Rotor 10 kein
oder nur ein geringes Drehmoment abgeben. Zwischen der Achse 132 und
der Achse 120 erstreckt sich der Bereich 156,
in dem der Rotor 10 – mit
zunehmendem Umlaufwinkel – wieder
zunehmend ein Moment abgeben kann. Dargestellt sind auch Spannungsvektoren 108, 110 und 112.
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Die
Achsen 120, 122, 124, 146, 128, 130, 132 und 134 beziehen
sich auf den Umlauf des Rotorfeldes. Der Spannungsvektor 108 entspricht
einer Strangspannung der Statorspule 7, der Spannungsvektor 110 entspricht
einer Strangspannung der Statorspule 5 und der Spannungsvektor 112 entspricht einer
Strangspannung der Statorspule 9. Mittels der Spannungsvektoren 108, 110 und 112 kann
die Rotorbewegung des Rotors 10, beispielsweise mittels der
in 1 dargestellten Verarbeitungseinheit 16, gesteuert
werden.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für einen
elektronisch kommutierten Elektromotor 160. Der Elektromotor 160 weist
einen Stator 162 auf. Der Stator 162 weist fünf Statorspulen,
nämlich
eine Statorspule 170, eine Statorspule 172, eine
Statorspule 174, eine Statorspule 176 und eine
Statorspule 178 auf. Der Stator 162 ist ausgebildet,
im bestromten Zustand ein magnetisches Drehfeld zum Drehbewegen eines
Rotors 163 des Elektromotors 160 zu erzeugen.
Der Rotor 163 ist beispielsweise permanentmagnetisch ausgebildet.
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Der
Elektromotor 160 weist auch eine Leistungsendstufe 164 auf.
Die Leistungsendstufe 164 ist über einen Stromsensor 180 ausgangsseitig
mit dem Stator 162 verbunden. Die Leistungsendstufe 164 weist
beispielsweise fünf
Transistor-Halbbrücken auf, wobei
jede Halbbrücke
ausgangsseitig über
den Stromsensor 180 mit einer Statorspule des Stators 162 verbunden
ist. Die Leistungsendstufe 164 ist ausgangsseitig über eine
Verbindungsleitung 195 mit der Statorspule 174 verbunden.
Eine Verbindungsleitung 196 verbindet die Leistungsendstufe 164 mit
der Statorspule 172, eine Verbindungsleitung 197 verbindet
die Leistungsendstufe 164 ausgangsseitig mit der Statorspule 170,
eine Verbindungsleitung 198 verbindet die Leistungsendstufe 164 mit
der Statorspule 178 und eine Verbindungsleitung 199 verbindet
die Leistungsendstufe 164 mit der Statorspule 176.
Die Leistungsendstufe 164 ist ausgebildet, den Stator 162,
und insbesondere die Statorspulen des Stators 162, zum
Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes zum Drehbewegen des Rotors 163 zu
bestromen. Die Leistungsendstufe 164 ist dazu eingangsseitig mit
einem Zwischenkreis, umfassend eine Spannungsquelle 186,
insbesondere eine Gleichspannungsquelle, und einem parallel zur
Spannungsquelle 186 geschalteten Zwischenkreiskondensator 184 verbunden.
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Die
Spannungsquelle 186 ist mit einem Anschluss über eine
Verbindungsleitung 185 mit der Leistungsendstufe 164 verbunden.
Die Verbindungsleitung 185 ist in diesem Ausführungsbeispiels
eine Masseleitung. Die Leistungsendstufe 164 ist über einen
Trennschalter 182 mit einem anderen Anschluss der Spannungsquelle 186,
und so auch mit einem anderen Anschluss des Zwischenkreiskondensators 184 verbunden.
Der Trennschalter 182 ist beispielsweise ein Relais oder
ein Halbleiterschalter. Die Halbleiterschalter ist beispielsweise
ein Schalttransistor, insbesondere Feldeffekt-Transistor oder ein Thyristor.
Der Trennschalter 182 weist einen Steuereingang 187 auf,
welcher über
eine Verbindungsleitung 194 mit einer Steuereinheit 168 verbunden
ist.
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Die
Steuereinheit 168 ist mit einem Eingang 192 des
Elektromotors 160 verbunden, und ist ausgebildet, in Abhängigkeit
eines Steuersignals, welches beispielsweise einen Stromsollwert
eines Statorspulenstromes des Stators 162 repräsentiert,
die Leistungsendstufe 164 über einen Gate-Treiber 166 derart
anzusteuern, dass der Stator 162 ein magnetisches Drehfeld
zum Drehbewegen des Rotors 163 erzeugen kann.
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Die
Steuereinheit 168 ist ausgangsseitig über eine Verbindung 190 mit
dem Gate-Treiber 166 verbunden. Der Gate-Treiber 166 ist
ausgangsseitig über
eine Verbindung 188 mit der Leistungsendstufe 164 verbunden.
Die Steuereinheit 168 ist auch eingangsseitig über eine
Verbindung 181 mit dem Stromsensor 180 verbunden
und kann über
die Verbindung 181 von dem Stromsensor 180 Stromsignale empfangen,
welche jeweils einen Statorspulenstrom einer der Statorspulen des
Rotors 162 repräsentieren.
Der Stromsensor 180 kann dazu beispielsweise für jede Statorspule
des Stators 162 einen Shunt-Widerstand aufweisen. Die Funktionsweise
des Elektromotors 160 wird nun im Folgenden beschrieben:
Die
Steuereinheit 168 ist ausgebildet, in Abhängigkeit
eines am Eingang 192 empfangenen Steuersignals Steuersignale
zum Drehbewegen des Rotors 163 zu erzeugen und diese über die
Verbindung 190 an den Gate-Treiber 166 zu senden.
Die Steuersignale können
beispielsweise jeweils gemäß einer
binären
Codierung codiert sein, wobei die binäre Codierung für jede Statorspule
ein Bit aufweist. Die von der Steuereinheit 168 erzeugten
Steuersignale zum Drehbewegen des Rotors 163 können beispielsweise eine
zeitliche Folge von Code-Wörtern
aufweisen, welche jeweils für
jede Statorspule ein Bit aufweisen: In diesem Ausführungsbeispiel
sind die Code-Worte Fünf-Bit-Worte
und weisen jeweils fünf
Bit auf. Jedes bitte der Bit-Worte repräsentiert dabei einen Beschaltungszustand
des Stators 162, insbesondere einen Schaltzustand der Leistungsendstufe
und somit auch einen Spannungszustand und/oder Bestromungszustand
einer jeden Statorspule des Stators 162, im Folgenden auch
Schaltmuster genannt. Die Steuereinheit 168 ist dazu über eine
Verbindungsleitung 189 mit einem Speicher 200 verbunden,
in dem Datensätze
abgespeichert sind die jeweils zueinander verschiedene Schaltmuster
repräsentieren.
Eine zeitliche Folge von Schaltmustern bilden zusammen eines der
vorab genannten Ansteuermuster.
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So
kann beispielsweise ein Bit-Wort, für einen Zeitpunkt, bei dem
die Statorspule 170 aktiviert, die restlichen Statorspulen
jedoch deaktiviert sein sollen, für die Statorspule 170 ein
Bit mit dem logischen Wert „eins” aufweisen,
und für
die restlichen Statorspulen jeweils ein Bit mit dem logischen Wert „null” aufweisen.
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Die
Steuereinheit 168 kann zum Bestromen des Stators 162 beispielsweise
eine zeitliche Folge jeweils ein Code-Wort repräsentierenden Steuersignalen
erzeugen, wobei jedes Code-Wort ein Schaltmuster des Rotors 162 repräsentiert.
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Der
Gate-Treiber 166 kann in Abhängigkeit der eingangsseitig über die
Verbindung 190 empfangenen Steuersignale, in diesem Ausführungsbeispiel der
eingangsseitig empfangenen Code-Worte, die Leistungsendstufe 164,
insbesondere die Gate-Anschlüsse
der Transistor-Halbbrücken
der Leistungsendstufe 164, zum Erzeugen des dem Steuersignal, insbesondere
dem Code-Wort entsprechenden Schaltmuster ansteuern.
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Die
Leistungsendstufe 164 kann weiter in Abhängigkeit
der vom Gate-Treiber 166 erzeugten Steuersignale den Stator 162 entsprechend
den Schaltmustern mit einer Spannung beaufschlagen und somit auch
bestromen, die den von dem Gate-Treiber 166 empfangenen
Steuersignalen entsprechen.
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Wenn
beispielsweise – im
Fehlerfall – ein Halbleiterschalter
einer Transistor-Halbbrücke der Leistungsendstufe 164 defekt,
insbesondere eine Schaltstrecke des Halbleiterschalters kurzgeschlossen
oder niederohmig verbunden ist, so wird die entsprechende Statorspule
des Stators 162 ständig
mit einem entsprechenden Potenzial der Spannungsquelle 186 verbunden
und dementsprechend ständig bestromt.
Der Stromsensor 180 kann das den Defekt der Transistor- Halbbrücke repräsentierende
Stromsignal über
die Verbindung 181 an die Steuereinheit 168 senden.
Die Steuereinheit 168 kann das den Defekt repräsentierende
Stromsignal erfassen und in Abhängigkeit
des den Defekt repräsentierenden Stromsignals
die zeitliche Folge von jeweils ein Schaltmuster repräsentierenden
Steuersignalen entsprechend wie vorab bereits insbesondere in 2 beschrieben,
erzeugen. Der Stator 162 kann so trotz der defekten Transistor-Halbbrücke noch
einen magnetisches Drehfeld derart erzeugen, dass ein Bremsenmoment,
welches auf den Rotor 163 wirkt, im Vergleich zu einer
zeitlichen Folge von Schaltmustern, welche für eine nicht defekte Leistungsendstufe 164 vorgesehen
sind, reduziert ist. Beispielsweise kann die Steuereinheit 168 die
zeitliche Folge von jeweils ein Schaltmuster repräsentierenden
Steuersignalen derart erzeugen, dass das Bremsmoment reduziert ist
oder verschwindet, oder wie bereits zu dem Elektromotor in 1 beschrieben,
mit dem Elektromotor 160 einen positives Antriebsmoment
erzeugt werden kann.
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Ein
anderer Fehlerfall kann beispielsweise durch einen defekten Zwischenkreiskondensator
auftreten. Wenn nämlich
während
eines Betriebs des Elektromotors 160 der Zwischenkreiskondensator 184 defekt
ist, insbesondere Elektroden des Zwischenkreiskondensators 184 niederohmig
miteinander verbunden oder miteinander kurzgeschlossen sind, so
wird der Stator 162 von der Leistungsendstufe 164 weiter
insbesondere mit einem kleineren Strom als bei intaktem Zwischenkreiskondensator 184 bestromt.
Eine Stromänderung
wenigstens eines Statorspulenstromes kann von dem Stromsensor 180 erfasst
werden, und von dem Stromsensor 180 ein entsprechendes
Stromsignal über
die Verbindung 181 an die Steuereinheit 168 gesendet
werden. Das Stromsignal ist beispielsweise eine über einem den Stromsensor bildenden
Shunt-Widerstand abfallende Spannung. Die Steuereinheit 168 ist
ausgebildet, in Abhängigkeit
des den Stromabfall repräsentierenden Stromsignals
ein Steuersignal zum Trennen des Schalters 182 zu erzeugen,
und dieses über
die Verbindungsleitung 194 an den Steueranschluss 187 des
Schalters 182 zu senden. Der Trennschalter 182 kann
in Abhängigkeit
des am Eingang 187 empfangenen Steuersignals die Leistungsendstufe 164 von der
Spannungsquelle 186 und auch von dem defekten Zwischenkreiskondensator 184 trennen.
Wenn der Stator 162 des Elektromotors 160 daraufhin
nicht mehr bestromt werden kann, weil die Leistungsendstufe 164 von
einer Versorgungsspannung, in diesem Ausführungsbeispiel der Spannungsquelle 168 getrennt
ist, kann der Stator 162 auch kein Bremsmoment mehr mittels
des Rotors 163 erzeugen.
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Eine
mit dem Elektromotor 160 verbundene Servolenkung eines
Kraftfahrzeugs kann dann auch kein zusätzliches Bremsmoment durch
den defekten Schalttransistor des Elektromotors 160 erfahren.
Ein Fahrzeug mit der Servolenkung lässt sich dann mit einer Lenkkraft
lenken, die einer Lenkung des Fahrzeugs ohne die Servolenkung entspricht.