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BEZEICHNUNG
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Stromversorgungskreis und Motorvorrichtung
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Stromversorgungskreis, der insbesondere für die Versorgung eines Elektromotors geeignet ist, und eine Motorvorrichtung mit einem solchen Stromversorgungskreis.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Treiber für einen BLDC-Motor hat normalerweise eine Spannungsreduziereinheit zur Reduzierung einer Wechselstrom-Netzspannung, einen Stromrichter zur Umformung der verringerten Wechselspannung in eine Gleichspannung und einen Inverter, der durch die Gleichspannung betrieben wird und die dem BLCD-Motor zugeführte Energie kommutiert. Bei Treibern des Standes der Technik kann die Geschwindigkeit des Motors durch eine Änderung des an den Inverter gelieferten PWM-Signals eingestellt werden.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen Stromversorgungskreises, der speziell für einen geschwindigkeitsvariablen Elektromotor geeignet ist, der durch eine Wechselstrom-Netzversorgung gespeist wird.
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ÜBERSICHT DER ERFINDUNG
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Demzufolge wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Stromversorgungskreis bereitgestellt, umfassend einen Eingangsanschluss für die elektrische Verbindung mit einem aktiven Draht einer Wechselspannungsversorgung, einem Erdungsanschluss für die elektrische Verbindung mit einem Neutral- oder Erdungsdraht der Wechselspannungsversorgung und eine Spannungsreduziereinheit, wobei die Spannungsreduziereinheit eine einstellbare Kondensatoreinheit mit einer einstellbaren Kapazität für die Reduzierung einer an einen Eingangsanschluss angelegten Wechselspannung und einen Ausgangsanschluss für die Ausgabe der reduzierten Wechselspannung umfasst.
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Vorzugsweise ist die einstellbare Kondensatoreinheit elektrisch zwischen den Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss geschaltet.
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Vorzugsweise umfasst die Spannungsreduziereinheit ferner einen festen Kondensator, der elektrisch zwischen den Ausgangsanschluss und den Erdungsanschluss geschaltet ist.
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Alternativ ist die einstellbare Kondensatoreinheit elektrisch zwischen den Ausgangsanschluss und den Erdungsanschluss geschaltet, und die Spannungsreduziereinheit umfasst ferner einen festen Kondensator, der elektrisch zwischen den Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss geschaltet ist.
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Vorzugsweise umfasst die erste Spannungsreduziereinheit eine erste einstellbare Kondensatoreinheit, die elektrisch zwischen den Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss geschaltet ist, und eine zweite einstellbare Kondensatoreinheit, die elektrisch zwischen den Ausgangsanschluss und den Erdungsanschluss geschaltet ist.
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Vorzugsweise umfasst die einstellbare Kondensatoreinheit zumindest zwei feste Kondensatoren und eine Steuereinheit, um die zumindest zwei festen Kondensatoren jeweils elektrisch und steuerbar zwischen den Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss zu schalten.
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Vorzugsweise umfasst die einstellbare Kondensatoreinheit zumindest einen Schaltkondensator, der einen festen Kondensator und einen Schalter aufweist, der mit dem festen Kondensator elektrisch in Reihe geschaltet ist.
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Vorzugsweise umfasst die einstellbare Kondensatoreinheit zumindest zwei Schaltkondensatoren, die elektrisch parallelgeschaltet sind.
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Optional umfasst jeder Schaltkondensator ferner einen Widerstand, der mit dem festen Kondensator elektrisch in Reihe geschaltet ist.
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Vorzugsweise umfasst die Spannungsreduziereinheit ferner einen Widerstand, der mit der einstellbaren Kondensatoreinheit elektrisch parallelgeschaltet ist.
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Vorzugsweise umfasst die Spannungsreduziereinheit ferner einen Widerstand und/oder einen Induktor, die mit der einstellbaren Kondensatoreinheit elektrisch in Reihe geschaltet ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird durch die vorliegende Erfindung eine Motorvorrichtung bereitgestellt, umfassend einen Motor und einen Stromversorgungskreis für den Betrieb des Motors, wobei der Stromversorgungskreis wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist.
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Vorzugsweise ist der Motor ein Gleichstrommotor, und der Stromversorgungskreis umfasst ferner einen A/D-Wandler zur Umwandlung der reduzierten Wechselspannung des Ausgangsanschlusses in eine Gleichspannung.
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Vorzugsweise ist der A/D-Wandler auf einer gedruckten Leiterplatte angeordnet, und die Spannungsreduziereinheit ist elektrisch mit der gedruckten Leiterplatte verbunden, jedoch mechanisch unabhängig von der gedruckten Leiterplatte.
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Alternativ ist der Motor ein Wechselspannungsmotor, der durch die reduzierte Wechselspannung aus dem Ausgangsanschluss betrieben wird.
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In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann durch die Einstellung der Kapazität der einstellbaren Kondensatoreinheit die Ausgangsspannung aus der Spannungsreduziereinheit eingestellt werden, um die Geschwindigkeit des Motors zu ändern. Die Schaltung des Motortreibers ist einfach und preiswert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Dimensionen von Komponenten und in den Figuren dargestellten Merkmalen sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
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1 ist ein Blockdiagramm einer Motorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine schematische Darstellung einer Spannungsreduziereinheit der Motorvorrichtung von 1;
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3 zeigt einen Hochfrequenz-Pulssignalausgang aus einem mechanischen Schalter zwischen einer Wechselstromversorgung und der Spannungsreduziereinheit; und die
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4–10 zeigen jeweils Spannungsreduziereinheiten gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In den 1 und 2 wird eine Motorvorrichtung 200 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch eine Wechselstromversorgung (AC-Versorgung) 206 betrieben und umfasst einen Motor und einen Stromversorgungskreis für die Versorgung des Motors mit Energie. Der Stromversorgungskreis umfasst einen Eingangsanschluss 201 für den Anschluss eines stromführenden oder aktiven Drahts der Wechselstromquelle 206, einen Erdungsanschluss 202 für den Anschluss eines Neutral- oder Erdungsdrahts der Wechselstromversorgung 206, eine Spannungsreduziereinheit 220 und einen A/D-Wandler 240. In dieser Ausführungsform ist der Motor ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLCD-Motor) mit einem Läufer und mit einem Ständer, der eine Ständerwicklung 208 hat.
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Die Spannungsreduziereinheit 220 umfasst eine einstellbare Kondensatoreinheit 222 (2) mit einer einstellbaren Kapazität für die Reduzierung der Wechselspannung, die dem Eingangseinschluss 201 zugeführt wird, und einen Erdungsanschluss 202. Die reduzierte Spannung wird an einen Ausgangsanschluss 203 der Spannungsreduziereinheit angelegt. Die einstellbare Kondensatoreinheit 222 ist elektrisch zwischen den Eingangsanschluss 201 und den Ausgangsanschluss 203 geschaltet und umfasst zumindest zwei feste Kondensatoren 228 mit einer festen Kapazität und eine Steuereinheit 226 zum Steuern der Schaltung der zumindest zwei festen Kondensatoren 228 zwischen dem Eingangsanschluss 201 und dem Ausgangsanschluss 203. Die Steuereinheit 226 umfasst zumindest zwei Schalter 221, die jeweils mit den zumindest zwei festen Kondensatoren 228 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Jeder Schalter 221 und ein entsprechender Kondensator 228 bilden einen Schaltkondensator, und die zumindest zwei Schaltkondensatoren sind elektrisch parallelgeschaltet. Wenn ein Schalter 221 leitend ist, ist sein entsprechender Kondensator 228 elektrisch zwischen den Eingangsanschluss 201 und den Ausgangsanschluss 203 geschaltet, wodurch die Stromversorgung tatsächlich mit dem Ausgangsanschluss 203 verbunden ist. Wenn ein Schalter 221 nichtleitend oder der Stromkreis geöffnet ist, ist sein entsprechender Kondensator 228 elektrisch von dem Stromkreis getrennt. Deshalb können die festen Kondensatoren 228 durch die Steuerung der Zustände der jeweiligen Schalter 221 elektrisch mit dem Stromkreis verbunden oder von dem Stromkreis getrennt werden, so dass die Kapazität der einstellbaren Kondensatoreinheit 222 eingestellt werden kann, wodurch die Einstellung der Ausgangsspannung der Spannungsreduziereinheit erfolgt.
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Der A/D-Wandler 240 umfasst einen Stromrichter 242 zur Umformung der reduzierten Wechselspannung an dem Ausgangsanschluss 203 in eine Gleichspannung und ein Filter 244 zum Glätten der von dem Stromrichter 242 ausgegebenen Gleichspannung. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Stromrichter 242 ein Brückengleichrichter, und das Filter 224 ist ein Kondensator, der elektrisch über die Ausgangsanschlüsse des Brückengleichrichters geschaltet ist.
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Ein D/D-Wandler, der durch die Gleichspannungsausgabe aus dem A/D-Wandler 240 gespeist wird, kann ebenfalls in der Motorvorrichtung 200 vorgesehen sein. In der Ausführungsform ist der D/D-Wandler eine Niederspannungsgenerator-Einheit 280 für die Erzeugung einer stabilen niedrigeren Gleichspannung aus der von dem A/D-Wandler 240 ausgegebenen höheren Gleichspannung. Die Niederspannungsgenerator-Einheit 280 umfasst einen Widerstand und eine Zenerdiode. Ein Ende des Widerstands ist elektrisch mit dem positiven Ausgangsanschluss des Brückengleichrichters und das andere Ende elektrisch mit der Kathode der Zenerdiode verbunden, und die Anode der Zenerdiode ist elektrisch mit der Erde verbunden. Optional kann ein Filterkondensator, der mit der Zenerdiode elektrisch parallelgeschaltet ist, in der Niederspannungsgenerator-Einheit 280 vorgesehen sein, um an der Kathode der Zenerdiode eine stabile niedrigere Gleichspannung auszugeben.
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Die Motorvorrichtung 200 umfasst ferner eine Antriebseinheit 260, die eine Positionsdetektoreinheit 262, einen Controller 264 und einen Inverter 266 aufweist. Die Positionsdetektoreinheit 262 kann ein Hall-Sensor sein, der durch die niedrigere Gleichspannung betrieben wird und der für die Detektion der Position des Läufers des BLDC-Motors und die Ausgabe eines entsprechenden Positionssignals ausgebildet ist. Der Controller 264 ist konfiguriert für die Reaktion auf das Positionssignal und die Ausgabe eines entsprechenden Kommutationssignals. Der Controller 264 kann durch einen Mikrocontroller oder einen Schaltkreis realisiert sein, der durch elektronische Komponenten wie einen Widerstand und Schalter gebildet wird. Der Inverter 266 wird durch die von dem A/D-Wandler 240 ausgegebene Gleichspannung betrieben und ist konfiguriert für die Reaktion auf das Kommutationssignal, um die Ständerwicklungen 208 des Motors mit Strom zu versorgen.
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Darüber hinaus umfasst die Motorvorrichtung 200 eine Spannungseinstelleinheit zum Einstellen der von dem A/D-Wandler 240 ausgegebenen Gleichspannung. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Spannungseinstelleinheit eine Überspannungsschutzeinheit 290, die zur Begrenzung der von dem A/D-Wandler 240 ausgegebenen Maximaispannung angeordnet ist, um elektronische Komponenten, die durch die Gleichspannung betrieben werden, vor einer Beschädigung zu schützen. Da außerdem elektronische Komponenten mit einer vergleichsweise niedrigeren spannungsresistenten Qualität in der Schaltung verwendet werden könnten, die durch die von der Spannungsreduziereinheit abgegebene Wechselspannung betrieben wird, könnten die Kosten für die Schaltung reduziert werden.
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In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann durch die Steuerung der einstellbaren Kondensatoreinheit 222 mit verschiedenen Kapazitäten der A/D-Wandler 240 entsprechend eine Gleichspannung mit verschiedenen Werten ausgeben, um den Motor mit verschiedenen Geschwindigkeiten zu betreiben. Wenn die einstellbare Kondensatoreinheit 222n feste Kondensatoren 228 mit voneinander verschiedenen Kapazitäten hat, können bis zu 2n – 1 verschiedene Geschwindigkeiten bereitgestellt werden.
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In praktischen Anwendungen kann ein mechanischer Schalter für die Verbindung der Wechselstromversorgung 206 mit dem Eingangsanschluss vorgesehen sein. Während des Schaltens ist der mechanische Schalter anfällig für ein Prellen, wodurch ein Hochfrequenz-Pulssignal ausgegeben wird, wie das in 3 gezeigt ist. Zu dieser Zeit ist der Kondesator 228 in der einstellbaren Kondensatoreinheit 222 äquivalent zu einem Kurzschlusspfad, was zu einem Stoßstrom führt, der durch den Kondensator und die folgenden elektronischen Komponenten fließt. Zur Lösung dieses Problems umfasst eine in 4 dargestellte Spannungsreduziereinheit 220 gemäß einer zweiten Ausführungsform im Vergleich zu der Spannungsreduziereinheit 220 von 2 ferner einen Widerstand R2 und einen Induktor L, die mit der einstellbaren Kondensatoreinheit 222 elektrisch in Reihe geschaltet sind, um einen möglichen Stoßstrom zu begrenzen und um eine Beschädigung der elektronischen Komponenten zu verhindern, und einen Widerstand R1, der mit der einstellbaren Kondensatoreinheit 222 elektrisch parallelgeschaltet ist, für eine Entladung der einstellbaren Kondensatoreinheit 222, nachdem die Wechselspannung von dem Stromversorgungskreis getrennt wurde. Es versteht sich, dass die Spannungsreduziereinheit 220 in verschiedenen Anwendungen in Abhängigkeit von den praktischen Anforderungen einen beliebigen, zwei beliebige oder alle drei der Widerstände R1, R2 und des Induktors L aufweisen könnte.
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Im Vergleich zu der in 2 gezeigten Spannungsreduziereinheit 220 umfasst eine in 5 dargestellte Spannungsreduziereinheit 220 gemäß einer dritten Ausführungsform ferner einen Kondensator C1, der elektrisch zwischen den Ausgangsanschluss 203 und den Erdungsanschluss 202 geschaltet ist.
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Im Vergleich zu der in 2 gezeigten Spannungsreduziereinheit 220 ist bei einer in 6 gezeigten Spannungsreduziereinheit gemäß einer vierten Ausführungsform ein jeweiliger Widerstand R3 elektrisch mit jedem festen Kondensator 228 in Reihe geschaltet, so dass jeder Schaltkondensator seinen eigenen Widerstand R3 hat, um einen möglichen Stoßstrom zu begrenzen und um für eine genauere Ausgabe der Spannungsreduziereinheit 220 zu sorgen. Es versteht sich, dass eine elektrische Parallelschaltung des Entladewiderstands R1 mit der einstellbaren Kondensatoreinheit 222 und/oder eine elektrische Reihenschaltung des Induktors L mit der einstellbaren Kondensatoreinheit 222 vorgesehen sein kann, je nach den praktischen Anforderungen.
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In 7 umfasst eine Spannungsreduziereinheit 220 gemäß einer fünften Ausführungsform eine erste einstellbare Kondensatoreinheit 222', die elektrisch zwischen den Eingangsanschluss 201 und den Ausgangsanschluss 203 geschaltet ist, und eine zweite einstellbare Kondensatoreinheit 224', die elektrisch zwischen den Ausgangsanschluss 203 und den Erdungsanschluss 202 geschaftet ist. Jede der ersten und zweiten einstellbaren Kondensatoreinheiten 222, 224' umfasst wenigstens einen Schaltkondensator.
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Im Vergleich zur der in 7 gezeigten Spannungsreduziereinheit umfasst die in 8 gezeigte Spannungsreduziereinheit 220 gemäß einer sechsten Ausführungsform weiter einen Widerstand R1, der elektrisch mit der ersten einstellbaren Kondensatoreinheit 222' parallelgeschaltet ist, um die einstellbare Kondensatoreinheit zu entladen, nachdem die Wechselspannungsversorgung 206 elektrisch von der Spannungsreduziereinheit getrennt wurde. Ein Widerstand R2 und ein Induktor L sind elektrisch mit der ersten einstellbaren Kondensatoreinheit 222' in Reihe geschaltet, um zum Schutz elektronischer Komponenten vor einer Beschädigung den möglichen Stoßstrom zu begrenzen. Es versteht sich, dass die Spannungsreduziereinheit 220 bei verschiedenen Anwendungen abhängig von den praktischen Anforderungen einen beliebigen, zwei beliebige oder alle drei der Widerstände R1, R2 und des Induktors aufweisen kann.
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Im Vergleich zu der in 7 dargestellten Spannungsreduziereinheit ist in einer in 9 dargestellten siebten Ausführungsform ein Widerstand R3 jeweils mit jedem festen Kondensator 228 der ersten einstellbaren Kondensatoreinheit 222' und/oder einer zweiten einstellbaren Kondensatoreinheit 224' elektrisch in Reihe geschaltet, um den möglichen Stoßstrom zu begrenzen und um für eine genauere Ausgabe der Spannungsreduziereinheit 220 zu sorgen. Es versteht sich, dass ein mit der ersten einstellbaren Kondensatoreinheit 222' elektrisch parallelgeschalteter Widerstand R1 und/oder ein mit der ersten einstellbaren Kondensatoreinheit 222' elektrisch in Reihe geschalteter Induktor L abhängig von den praktischen Anforderungen ebenfalls in der Spannungsreduziereinheit angeordnet sein können.
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In 10 umfasst die Spannungsreduziereinheit 220 in einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen festen Kondensator C2, der elektrisch zwischen den Eingangsanschluss 201 und den Ausgangsanschluss 202 geschaltet ist, und eine einstellbare Kondensatoreinheit 224, die elektrisch zwischen den Ausgangsanschluss 203 und den Erdungsanschluss 202 geschaltet ist. Die einstellbare Kondensatoreinheit 224 umfasst zumindest einen Schaltkondensator 228 und einen Schalter 221. Vorzugsweise können ein einzelner Widerstand, der mit dem Schalter 221 in Reihe geschaltet ist, oder eine Anzahl von Widerständen, die jeweils mit jedem Schaltkondensator in Reihe geschaltet sind, angeordnet sein.
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In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können der A/D-Wandler 240, die Antriebseinheit 260, die Überspannungsschutz-Einheit 290 und die Niederspannungsgeneratoreinheit 280 auf einer gedruckten Leiterplatte angeordnet sein, und die einstellbare Kondensatoreinheit kann mechanisch von der gedruckten Leiterplatte unabhängig, jedoch elektrisch mit der gedruckten Leiterplatte verbunden sein.
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Die Motorvorrichtung ist besonders geeignet für den Antrieb von Ventilatoren von Belüftungseinrichtungen, Gebläsen und Klimaanlagen.
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Wenngleich die Erfindung anhand einer oder mehrerer bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind und der Schutzrahmen der Erfindung somit durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
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Zum Beispiel könnte der Motor eine andere Art eines Gleichstrommotors sein, nämlich ein Zweiphasen- oder Dreiphasen-BLDC-Motor, ein Universalmotor, ein Schrittmotor, ein Servomotor oder ein AC-Motor wie ein Spaltmotor, ein Induktionsmotor oder ein Universalmotor, der direkt durch die reduzierte AC-Spannungsausgabe der Spannungsreduziereinheit betrieben werden kann.
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Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
