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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ständeranordnung für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine bürstenlose Gleichstrommaschine, mit einer Spulenanordnung, die eine Mehrzahl von Spulen aufweist, die dazu ausgebildet sind, ein Magnetfeld zum Antreiben eines Läufers der elektrischen Maschine bereitzustellen, einer Steuereinheit zum Steuern wenigstens eines Parameters der Spulenanordnung, wenigstens einem Sensorelement, das dazu ausgebildet ist, wenigstens eine physikalische Größe der elektrischen Maschine zu erfassen, wobei das Sensorelement über eine elektrische Signalleitung mit der Steuereinheit verbunden ist, um ein der physikalischen Größe entsprechendes Signal der Steuereinheit bereitzustellen, und einen Temperatursensor, der mit der Spulenanordnung thermisch verbunden ist, um eine Temperatur der Spulenanordnung zu erfassen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine, insbesondere eine bürstenlose Gleichstrommaschine, mit einem Ständer und einem Läufer.
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Auf dem Gebiet der elektrischen Antriebstechnik bzw. auf dem Gebiet der Generatorentechnik ist es allgemein bekannt, verschiedene physikalische Größen einer elektrischen Maschine zu erfassen und an eine Steuereinheit weiterzuleiten, um die elektrische Maschine präzise steuern zu können. Ferner ist es allgemein bekannt, dass elektrische Maschinen zum Schutz vor thermischer Überlastung mit Temperatursensoren ausgestattet sind, um die Betriebstemperatur der elektrischen Maschine im Allgemeinen und insbesondere die Betriebstemperatur der stromdurchflossenen Teile, insbesondere der Erregerspulen, zu erfassen und im Falle einer Überhitzung die elektrische Leistung zu reduzieren oder aber die elektrische Maschine vollständig abzuschalten.
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Zusätzliche Temperatursensoren in der elektrischen Maschine zur Erfassung der aktuellen Betriebstemperatur, die zusätzlich zu weiteren Sensoren, wie zum Beispiel Hallsensoren, zur Erfassung einer Rotorlage eingebaut werden, führen zu einer Erweiterung eines Kabelbaums der elektrischen Maschine, so dass die zusätzliche Temperaturerfassung den technischen Aufwand und somit die Kosten für die elektrische Maschine erhöhen.
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Zur Reduktion des Verkabelungsaufwandes wird in der
DE 41 37 559 A1 vorgeschlagen, Hallsensoren zur Erfassung der Rotorlage zu verwenden und aus einer Differenz von Amplitudenmaxima der Hallsensorsignale eine Temperatur des Rotors zu ermitteln. Nachteilig dabei ist es, dass eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Temperatur aus dem Hallsensorsignal technisch aufwändig ist und eine vergleichsweise hohe Ungenauigkeit aufweist, da lediglich ein indirekter Rückschluss auf die zu messende Temperatur möglich ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ständeranordnung für eine elektrische Maschine und eine elektrische Maschine bereitzustellen, bei der mit technisch geringem Aufwand eine präzise Temperaturbestimmung möglich ist.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Ständeranordnung dadurch gelöst, dass der Temperatursensor separat von dem Sensorelement ausgebildet ist und über die Signalleitung elektrisch mit der Steuereinheit verbunden ist, um ein der erfassten Temperatur entsprechendes Signal der Steuereinheit bereitzustellen.
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Die oben genannte Aufgabe wird bei der eingangs genannten elektrischen Maschine gelöst durch eine Ständeranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Dadurch, dass ein separater Temperatursensor vorgesehen ist, der mit der Ständeranordnung thermisch verbunden ist, kann die Temperatur der Ständeranordnung präzise erfasst werden und da der Temperatursensor über die bereits vorhandene Signalleitung des bereits vorhandenen Sensorelements mit der Steuereinheit verbunden ist, führt die zusätzliche Integration des separaten Temperatursensors nicht zu einer Erweiterung der elektrischen Verkabelung, so dass die Bestimmung der Ständertemperatur mit technisch geringem Aufwand möglich ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Temperatursensor als temperaturabhängiger elektrischer Widerstand ausgebildet.
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Dadurch kann mit technisch geringem Aufwand die Temperatur präzise erfasst werden und mit technisch geringem Aufwand über die Signalleitung der Steuereinheit bereitgestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der temperaturabhängige elektrische Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizienten auf.
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Dadurch wird der elektrische Widerstand des Temperatursensors mit zunehmender Temperatur geringer, wodurch mit höheren Temperaturen der Messstrom ansteigt und das Signal-Rausch-Verhältnis positiv beeinflusst wird.
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Es ist weiter bevorzugt, wenn der Temperatursensor elektrisch zwischen der Signalleitung und einem elektrischen Bezugspotential des Sensorelements geschaltet ist.
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Dadurch kann die erfasste Temperatur mit technisch geringem Aufwand als entsprechendes Signal an die Steuereinheit weitergeleitet werden, da der Temperatursensor entsprechend ein elektrisches Potential an der Signalleitung einstellen kann.
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Dabei ist insbesondere bevorzugt, wenn das Bezugspotential eine Versorgungsspannung des Sensorelements ist.
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Dadurch kann der Temperatursensor beispielsweise als Pull-up-Widerstand eingesetzt werden, wodurch der technische Aufwand zur Anbindung des Temperatursensors weiter reduziert ist.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn zwischen der Versorgungsspannung und dem Temperatursensor ein Strommesselement angeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, den von dem Sensorelement aufgenommenen elektrischen Strom zu erfassen.
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Dadurch kann in bestimmten Rotationspositionen des Läufers, in denen das Sensorelement mit einem Massepotential elektrisch verbunden ist, die Temperatur ermittelt werden.
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Es ist alternativ bevorzugt, wenn das Bezugspotential ein Massepotential des Sensorelements ist.
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Dadurch kann der Temperatursensor als Pull-down-Widerstand an die Signalleitung angebunden werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Steuereinheit eine Spannungserfassungseinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine dem Spannungsabfall an dem Temperatursensor entsprechende Spannung zu erfassen.
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Dadurch kann mit technisch geringem Aufwand eine nahezu kontinuierliche Temperaturmessung durch die Spannungserfassungseinheit erfolgen, wodurch eine präzise Anpassung von Leistungsparametern der Ständeranordnung möglich ist und entsprechend einer Überhitzung der elektrischen Maschine entgegengewirkt werden kann.
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Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn ein elektrischer Widerstand mit der Signalleitung verbunden ist, der mit dem Temperatursensor einen Spannungsteiler bildet.
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Dadurch kann das der erfassten Temperatur entsprechende Signal mit technisch geringem Aufwand erfasst werden, ohne dass das der physikalischen Größe entsprechende Signal der Signalleitung beeinträchtigt wird.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn dem elektrischen Widerstand ein elektrisches Schaltelement zugeordnet ist, um den elektrischen Widerstand mit einem elektrischen Gegenpotential zu verbinden.
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Dadurch kann das von dem Temperatursensor bereitgestellte Signal regelmäßig und kurzzeitig ausgelesen werden, so dass die Funktion der Signalleitung im Wesentlichen ungestört bleibt.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn das Gegenpotential eine Versorgungsspannung der Steuereinheit ist.
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Dadurch kann ein Pull-down-Widerstand als Spannungsteiler mit einem Temperatursensor verwendet werden.
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Es ist alternativ bevorzugt, wenn das Gegenpotential ein Massepotential der Steuereinheit ist.
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Dadurch kann ein Pull-up-Widerstand als Spannungsteiler mit dem Temperatursensor als verwendet werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Temperatursensor mit einer der Spulen der Spulenanordnung thermisch kontaktiert ist.
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Dadurch kann die Temperaturmessung der Spule mit höherer Präzision erfasst werden, da der Temperatursensor entsprechend direkt mit der Spule thermisch kontaktiert ist.
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Es ist allgemein bevorzugt, wenn das Sensorelement ein Drehpositionssensor ist, der dazu ausgebildet ist, eine Drehposition des Läufers der elektrischen Maschine zu erfassen.
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Dadurch kann der Temperatursensor eine bereits vorhandene notwendige Signalleitung nutzen, um ein der Temperatur entsprechendes Signal an die Steuereinheit weiterzuleiten.
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Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn die Ständeranordnung eine Mehrzahl von Drehpositionssensoren und eine entsprechende Mehrzahl von Temperatursensoren aufweist, wobei die Temperatursensoren jeweils einer der Spulen der Spulenanordnung zugeordnet sind.
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Dadurch ist eine präzise und individuelle Messung der Temperatur der Spulen der Spulenanordnung möglich, wobei gleichzeitig der Verkabelungsaufwand der Temperatursensoren nicht erhöht wird, da die Signalleitungen der bereits vorhandenen Drehpositionssensoren genutzt werden können. Ferner kann dadurch jederzeit wenigstens eine Temperatur erfasst werden.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine mit Drehpositionssensoren und separaten Temperatursensoren;
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2a, b schematische Schaltungsdiagramme einer Ständeranordnung mit einer Mehrzahl von Thermistoren als Pull-up-Widerstände;
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3 ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Ständeranordnung mit einer Mehrzahl von Thermistoren als Pull-down-Widerstände; und
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4 ein Elektrowerkzeug in stark vereinfachter Darstellung als Anwendungsbeispiel für die elektrische Maschine.
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In 1 ist eine elektrische Maschine schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Die elektrische Maschine 10 weist eine Ständeranordnung 12 und einen Läufer 14 auf, der relativ zu der Ständeranordnung 12 drehbar gelagert ist.
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Die Ständeranordnung 12 weist eine Mehrzahl von Erregerspulen 16, 18, 20 auf, die jeweils an einem Polschuh 22, 24, 26 angeordnet sind. Die Erregerspulen 16, 18, 20 sind dazu ausgebildet, ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, um den Läufer 14, der Permanentmagneten aufweist, anzutreiben.
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Die Erregerspulen 16, 18, 20 sind elektrisch mit einem Wechselrichter 28 verbunden, der die Erregerspulen 16, 18, 20 bestromt, um das Magnetfeld zum Antreiben des Läufers 14 zu erzeugen. Die elektrische Maschine 10 ist als bürstenlose Gleichstrommaschine 10 ausgebildet, bei der durch die spezielle Ansteuerung der Erregerspulen 16, 18, 20 mittels des Wechselrichters 28 ein rotierendes Magnetfeld zum Antreiben des Läufers 14 erzeugt wird.
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Die Ständeranordnung 12 weist ferner drei Drehpositionssensoren 30, 32, 34 auf, die dem Läufer 14 zugeordnet sind und eine aktuelle Drehposition des Läufers 14 erfassen. Die Drehpositionssensoren 30, 32, 34 sind mit einer Steuereinheit 36 über jeweils eine Signalleitung 38, 40, 42 verbunden, um ein der erfassten Drehposition entsprechendes Signal der Steuereinheit 36 bereitzustellen. Die Drehpositionssensoren 30, 32, 34 sind üblicherweise als Hallsensoren ausgebildet, die ein Magnetfeld der Permanentmagneten des Läufers 14 erfassen und so die Drehposition des Läufers 14 ermitteln. Die Steuereinheit 36 steuert den Wechselrichter 28 auf der Grundlage der ermittelten Drehposition des Läufers 14, um entsprechend die Erregerspulen 16, 18, 20 zu bestromen und ein den Permanentmagneten des Läufers 14 vorauseilendes rotierendes Magnetfeld zu erzeugen.
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Die Ständeranordnung 12 weist ferner drei Temperatursensoren 44, 46, 48 auf, die mit den Erregerspulen 16, 18, 20 thermisch verbunden sind, um eine Temperatur der Erregerspulen 16, 18, 20 zu erfassen. Die Temperatursensoren 44, 46, 48 sind jeweils über eine der Signalleitungen 38, 40, 42 elektrisch mit der Steuereinheit 36 verbunden, um der Steuereinheit 36 ein der erfassten Temperatur entsprechendes Signal bereitzustellen. Die Temperatursensoren 44, 46, 48 sind dazu ausgebildet, unterschiedliche Temperaturwerte zu erfassen und entsprechend unterschiedliche Signale an die Steuereinheit 36 zu übertragen, so dass die Steuereinheit den Wechselrichter 28 auf der Grundlage der aktuellen Temperatur der Erregerspulen 16, 18, 20 steuern kann. Dadurch kann die an die Erregerspulen 16, 18, 20 abgegebene elektrische Leistung an die aktuelle Temperatur angepasst werden, so dass eine thermische Überlastung frühzeitig erkannt und dieser entsprechend entgegengewirkt werden kann.
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Die Temperatursensoren 44, 46, 48 sind vorzugsweise als Thermistoren mit einem negativen Temperaturkoeffizienten ausgebildet, so dass die Übertragung des der erfassten Temperatur entsprechenden Signals an die Steuereinheit 36 mit technisch geringem Aufwand über die Signalleitungen 38, 40, 42 möglich ist.
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In einer alternativen Ausführungsform weisen die Thermistoren einen positiven Temperaturkoeffizienten auf.
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Da die Temperatursensoren 44, 46, 48 das der erfassten Temperatur entsprechende Signal über die Signalleitungen 38, 40, 42 der vorhandenen Drehpositionssensoren 30, 32, 34 übertragen, ist keine separate Verkabelung der Temperatursensoren 44, 46, 48 notwendig, so dass insgesamt der technische Aufwand zur Erfassung der Temperatur der Erregerspulen 16, 18, 20 nicht signifikant erhöht ist.
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In 2a ist ein Blockschaltbild der Ständeranordnung 12 und der Steuereinheit 36 zur Erläuterung der elektrischen Anbindung der Temperatursensoren 44, 46, 48 schematisch dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind.
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Die Drehpositionssensoren 30, 32, 34 sind zur elektrischen Energieversorgung jeweils mit einer Versorgungsspannung VCC und einem Massepotential 0 V verbunden. Die Signalleitungen 38, 40, 42 sind mit den Drehpositionssensoren 30, 32, 34 verbunden und unabhängig von der elektrischen Energieversorgung der Drehpositionssensoren bzw. elektrisch getrennt von der Versorgungsspannung VCC ausgebildet. Die Signalleitungen 38, 40, 42 übertragen lediglich das der Drehposition entsprechende Signal an die Steuereinheit 36.
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Die Temperatursensoren 44, 46, 48 sind in dieser Ausführungsform als elektrische Widerstände, insbesondere als Thermistoren ausgebildet und sind jeweils elektrisch zwischen eine der Signalleitungen 38, 40, 42 und die Versorgungsspannung VCC geschaltet. Über die jeweilige Signalleitung 38, 40, 42 kann dann entsprechend ein Spannungsabfall an den Temperatursensoren 44, 46, 48 erfasst werden, der der erfassten Temperatur entspricht, so dass mit technisch geringem Aufwand über die Signalleitung 38, 40, 42 sowohl das der Drehposition entsprechende Signal als auch das der erfassten Temperatur entsprechende Signal von der Steuereinheit 36 erfasst werden.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsform ersetzen die Temperatursensoren 44, 46, 48 die üblicherweise zwischen den Signalleitungen und der Versorgungsspannung VCC geschalteten Pull-up-Widerstände, so dass keine signifikante Änderung der Schaltungsanordnung notwendig ist.
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Zur Erfassung des Spannungsabfalls der Temperatursensoren 44, 46, 48 sind die Signalleitungen 38, 40, 42 jeweils über einen Messwiderstand 50, 52, 54 mit einem Massepunkt 56 bzw. einem Massepotential 56 verbunden, der ein Gegenpotential für die Versorgungsspannung VCC bildet. Zwischen der Versorgungsspannung VCC und dem Massepunkt 56 bilden der jeweilige Temperatursensor 44, 46, 48 und der jeweilige Messwiderstand 50, 52, 54 eine Reihenschaltung und entsprechend einen Spannungsteiler, so dass der Spannungsabfall an dem jeweiligen Temperatursensor 44, 46, 48 ermittelt werden kann, über die Spannung, die über den jeweiligen Messwiderstand 50, 52, 54 abfällt. Die Steuereinheit 36 weist zur Erfassung des Spannungsabfalls über den jeweiligen Messwiderstand 50, 52, 54 ein Voltmeter auf, das in einer Erfassungseinheit 58, 60, 62 integriert ist, die gleichzeitig auch das Signal der Drehpositionssensoren 30, 32, 34 erfasst. Die Messwiderstände 50, 52, 54 sind jeweils über ein Schaltelement 64, 66, 68 mit dem Massepunkt 56 verbunden, so dass der Messwiderstand 50, 52, 54 lediglich zeitweise mit dem Massepunkt 56 verbunden werden kann und entsprechend zeitweise den Spannungsteiler mit dem Temperatursensor 44, 46, 48 bildet. Dadurch kann zu diskreten Zeitpunkten die Temperatur der Erregerspulen 16, 18, 20 erfasst werden. Im Übrigen bleibt die Signalleitung 38 zur Übertragung des Drehpositionssensorsignals unbeeinflusst. Da die Temperatursensoren 44, 46, 48 als veränderbare Widerstände ausgebildet sind und die sonst üblichen Pull-up-Widerstände ersetzen, beeinflussen die Temperatursensoren 44, 46, 48 die elektrischen Eigenschaften der Schaltung nicht, sofern das jeweilige Schaltelement 64, 66, 68 geöffnet ist.
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Insgesamt kann durch diese Schaltung mit technisch geringem Aufwand zu beliebigen Zeitpunkten die Temperatur wenigstens einer der Erregerspulen 16, 18, 20 erfasst werden und als kontinuierlicher Messwert an die Steuereinheit 36 weitergeleitet werden, um eine Überhitzung der Ständeranordnung 12 im Allgemeinen frühzeitig zu erkennen und frühzeitig zu vermeiden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist lediglich einer der Pull-up-Widerstände 44, 46, 48 als Temperatursensor bzw. als Thermistor ausgeführt. In dieser besonderen Ausführungsform kann lediglich zu bestimmten Zeitpunkten bzw. bei bestimmten Rotorlagen, wenn der angeschlossene Drehpositionssensor 30, 32, 34 nicht elektrisch mit dem Massepotential 0 V verbunden ist, die Temperatur über den einen Temperatursensor bestimmt werden. In dieser Ausführungsform kann die Temperatur im Stillstand des Läufers 14 bei einer Rotorlage wenn der eine Drehpositionssensor 30, 32, 34 mit dem Massepotential elektrisch verbunden ist und die Temperatur daher üblicherweise nicht gemessen werden kann, auch mit nur einem Temperatursensor gemessen werden, indem die Erregerspulen 16, 18, 20 kurzzeitig bestromt werden, um die Rotorlage des Läufers 14 die Messung zu verändern. Dadurch kann eine voll funktionsfähige und kostengünstige Ausführungsform bereitgestellt werden.
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In 2b ist eine alternative Ausführungsform der Schaltung aus 2a dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind.
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In dieser Ausführungsform ist der Versorgungsspannung VCC ein Strommesselement 57 bzw. ein Amperemeter 57 zugeordnet, das den elektrischen Strom misst, der über den Temperatursensor 44 und den Drehpositionssensor 30 aufgenommen wird, sofern der Drehpositionssensor 30 in der aktuellen Rotationsposition elektrisch mit dem Bezugspotential 0 V verbunden ist. Über den gemessenen elektrischen Strom kann der Widerstand des Temperatursensors 44 ermittelt werden und damit die Temperatur des Drehpositionssensors 30 bestimmt werden. Diese Bestimmung der Temperatur mit einem Strommesselement 57 kann sowohl bei stillstehendem Läufer 14 als auch im rotierenden Betrieb des Läufers 14 verwendet werden. Das Strommesselement 57 bzw. das Amperemeter 57 ist dabei vorzugsweise elektrisch zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss und dem Drehpositionssensor 30 geschaltet.
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In 3 ist eine alternative Ausführungsform der Schaltung aus 2 schematisch dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei hierbei lediglich die Besonderheiten erläutert sind.
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In dieser Ausführungsform sind die Temperatursensoren 44, 46, 48, die als temperaturabhängige Widerstände und insbesondere als Thermistoren ausgebildet sind, zwischen den jeweiligen Signalleitungen 38, 40, 42 und dem Massepotential 0 V bzw. dem Massepunkt 56 geschaltet. In dieser Ausführungsform bilden die Temperatursensoren 44, 46, 48 jeweils einen Pull-down-Widerstand. Die Messwiderstände 50, 52, 54 sind in dieser Ausführungsform mit einem Versorgungsspannungsanschluss 70 verbunden, an dem die Versorgungsspannung VCC anliegt. Der Versorgungsspannungsanschluss 70 bildet dabei ein Gegenpotential zum Massepotential 0 V. Dadurch kann entsprechend ein Spannungsteiler der Messwiderstände 50, 52, 54 mit dem jeweiligen Temperatursensor 44, 46, 48 gebildet werden. Wie in 2 sind die Messwiderstände 50, 52, 54 jeweils über eines der Schaltelemente 64, 66, 68 mit dem Versorgungsspannungsanschluss 70 verbunden, um zeitweise als Messwiderstand zwischen dem Versorgungsspannungspotential VCC und dem Temperatursensor 44, 46, 48 zwischengeschaltet zu werden.
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4 zeigt in stark vereinfachter Darstellung ein Elektrowerkzeug, das allgemein mit 80 bezeichnet ist. Das Elektrowerkzeug 80 zeigt beispielhaft eine Anwendung der erfindungsgemäßen Ständeranordnung 12 bzw. der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in Form eines Schraubers. Das Elektrowerkzeug 80 weist ein Futter 82 zur Aufnahme eines Werkzeugs auf, das mit einer Werkzeugspindel 84 verbunden ist. Das Elektrowerkzeug 80 weist die elektrische Maschine 10 auf, die zum Antreiben des Futters 82 mit der Spindel 84 verbunden oder verbindbar ist. Die elektrische Maschine 10 ist mit einem ein- oder mehrstufigen Getriebe 88 gekoppelt, das ggf. auch schaltbar sein kann. Die elektrische Maschine 10 wird über den Wechselrichter 28 angesteuert bzw. bestromt und durch einen Akkumulator 90 oder einen Netzanschluss mit elektrischer Energie versorgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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