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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator mit einer Anzahl von Statorzähnen und an den Statorzähnen angeordnete Spulen, einen Rotor, der relativ zum Stator drehbar gelagert ist und von einem magnetischen Feld der Spulen antreibbar ist, sowie eine Anzahl von Leistungsendstufen, welche mit den Spulen elektrisch verbundenen sind, um die Spulen anzusteuern und zur Erzeugung des magnetischen Feldes mit elektrischem Strom zu versorgen.
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Der Einsatzbereich der Erfindung umfasst alle Anwendungen von elektrischen Ansteuerungen, bei denen aus einem Gleichspannungs-/Gleichstromnetz (DC-Netz) ein Wechselspannungs-/Wechselstromnetz mittels Ansteuerung einer geeigneten Schaltungseinheit, wie beispielsweise einer Halbbrücke, Vollbrücke, Relais u. ä., überführt bzw. geregelt werden kann. Typische Anwendungsbereiche sind zum Beispiel elektrische Antriebe für Industrie und E-Mobility. Elektrische Antriebe umfassen in der Regel einen Stator mit einer Mehrzahl von Spulen, welche mittels Wechselrichters mehrphasig mit elektrischem Strom versorgt werden, um zum Antreiben eines Rotors des elektrischen Antriebs ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Die Spulen sind üblicherweise zusammengeschaltet, so dass alle Spulen mittels eines Wechselrichters bzw. einer Steuereinheit angesteuert und mehrphasig bestromt werden können.
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Bei Pulsumrichtern zur Ansteuerung elektrischer Antriebe ist die Verwendung einer innerhalb des Pulsumrichters angeordneten 6fach-Brückenschaltung bekannt, welche über eine phasenverschobene Ansteuerung von drei Halbbrücken aus einem DC-Netz ein 3-Phasen-Wechselnetz generiert. In aktuellen Umrichtern wird dies zumeist über einen Endstufenbaustein, z. B. eine IGBT-Brücke oder MOSFET-Brücke, auf einem Trägermaterial realisiert. Die Ansteuerung, Stabilisierung über Kondensatoren und die Diagnose erfolgen über Schaltungselemente innerhalb des Umrichters. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass sich durch den Aufbau der kompletten Brückenschaltung auf engstem Raum thermische Interaktionen zwischen den unterschiedlichen Brückenpfaden für die drei Phasen ergeben. Eine mit hohem Strom beaufschlagte Brückenschaltung, wie eine Halbbrücke, heizt sich auf. Hieraus ergibt sich eine thermische Interaktion mit den anderen Brückenschaltungen, auch wenn über diese weniger Strom fließt. Somit erhöhen sich die Durchlasswiderstände auch für die anderen Brückenpfade, wodurch sich die Gesamtverluste im Umrichter erhöhen. Dies erfolgt solange, bis sich ein stationärer Betriebspunkt eingestellt hat bzw. die Regelung eine andere Stromamplitude in den Phasenpfaden einstellt. Dadurch, dass die Fläche zur Kühlung der Brückenschaltungen räumlich begrenzt ist, müssen Zusatzmaßnahmen getroffen werden, um zum einen die Kühlfläche zu vergrößern und zum anderen die Wärme über diese abzuführen. Solche Zusatzmaßnahmen sind beispielsweise ein zusätzlicher Kühlkreislauf im Umrichter bzw. die Verwendung eines teuren Keramikgehäuses zur Erzielung einer guten Wärmeabfuhr. Ein weiterer Nachteil ist, dass durch die teilweise hohe Stromtragfähigkeit der Schaltelemente diese in ihrer Schaltgeschwindigkeit begrenzt sind und hierdurch höhere Schaltverluste erzeugt werden. Dies führt zu einer erhöhten Chiptemperatur. Die begrenzte Schaltgeschwindigkeit erzeugt beispielsweise im Elektromotor aufgrund von Stromregelhysterese höhere Motorverluste, welche den Gesamtwirkungsgrad des elektrischen Antriebs negativ beeinflussen.
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Die
DE 10 2010 040 875 A1 betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen elektronisch kommutierten Elektromotor. Der Elektromotor weist einen Stator, einen Rotor und ein wenigstens den Stator und den Rotor in einem Hohlraum aufnehmendes Gehäuse auf. Der Elektromotor umfasst weiterhin eine Leistungsendstufe, welche mit dem Stator verbunden ist, um den Stator zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes zu bestromen. Die Leistungsendstufe weist wenigstens einen Leistungshalbleiter mit einer Wärmekontaktfläche auf, wobei die Wärmekontaktfläche mit dem Gehäuse wärmeleitend verbunden ist, sodass eine in dem Leistungshalbleiter erzeugte Wärme an das Gehäuse abgeführt werden kann. Das Gehäuse besitzt einen den Hohlraum zumindest teilweise umschließenden, bevorzugt wärmeleitfähigen Gehäusebecher, welcher eine Becherwand aufweist. Die Becherwand beinhaltet eine zur Wärmekontaktfläche entsprechende Gegenkontaktfläche.
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Die
DE 10 2012 014 517 A1 zeigt eine elektrische Maschine zum Antreiben von Kraftfahrzeugen, insbesondere zum Antreiben von Elektrofahrrädern. Die elektrische Maschine umfasst eine Statoranordnung mit einer Mehrzahl von Spulen, einen relativ zu der Statoranordnung drehbar gelagerten Rotor, der von einem magnetischen Feld der Spulen in wenigstens einer Drehrichtung antreibbar ist. Mit den Spulen ist eine Mehrzahl von Steuereinheiten elektrisch verbunden, um die Spulen anzusteuern und zur Erzeugung des magnetischen Feldes mit elektrischem Strom zu versorgen. Wenigstens eine der Steuereinheiten ist einer einzelnen Spule zugeordnet, um die einzelne Spule unabhängig anzusteuern und unabhängig mit elektrischem Strom zu versorgen. Die Steuereinheiten sind als Wechselrichter ausgebildet und weisen eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterschaltern auf, um die von einer Gleichspannungsquelle bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung zum Bestromen der Spulen umzurichten. Dadurch, dass die Spulen mit separaten Steuereinheiten elektrisch verbunden sind, können die Spulen separat zu- und abgeschaltet werden und unabhängig voneinander mit elektrischer Energie versorgt werden. Hierdurch kann die elektrische Maschine variabel mit unterschiedlichen Arbeitspunkten angetrieben werden. Die von den einzelnen Steuereinheiten maximal bereitzustellenden elektrischen Ströme werden reduziert, wodurch die Steuereinheiten bzw. Leistungshalbleiterschalter der Steuereinheiten entsprechend geringer dimensioniert werden können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische Maschine mit einem mittels einer Leistungsendstufe bestromten Stator zur Verfügung zu stellen, bei dem die von Leistungsschaltern der Leistungsendstufe während des Betriebs erzeugte Verlustwärme möglichst räumlich über den Stator verteilt anfällt, wodurch auf zusätzliche Maßnahmen zur Kühlung der Leistungselektronik verzichtet werden kann oder diese zumindest weniger Aufwand erfordern. Des Weiteren soll die in den Leistungsschaltern erzeugte Verlustwärme möglichst reduziert werden.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient eine elektrische Maschine gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Stator mit einer Anzahl von Statorzähnen und an den Statorzähnen angeordnete Spulen sowie einen Rotor, der relativ zum Stator drehbar gelagert ist und von einem magnetischen Feld der Spulen antreibbar ist. Die erfindungsgemäße Maschine umfasst weiterhin eine Anzahl von Leistungsendstufen, welche mit den Spulen elektrisch verbundenen sind, um die Spulen anzusteuern und zur Erzeugung des magnetischen Feldes mit elektrischem Strom zu versorgen. Erfindungswesentlich ist, dass die Leistungsendstufen in den Stator integriert sind, wobei jeweils eine Leistungsendstufe im Verschaltungsbereich jeweils eines Statorzahns angeordnet ist.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Maschine ist darin zu sehen, dass durch die erfindungsgemäß vorgenommene Dezentralisierung der Leistungsendstufen und Platzierung der Leistungsendstufen in den Verschaltungsbereichen der Spulen der Statorzähne die während des Betriebs in den Leistungsendstufen entstehende Verlustwärme räumlich über den gesamten Stator verteilt anfällt. Durch diese kühlungstechnisch günstigere Verteilung der Leistungsendstufen kann die Verlustleistung reduziert bzw. besser abgeführt werden. Hierdurch ist kein zusätzlicher Kühlaufwand für die leistungselektronischen Bauelemente der Leistungsendstufen mehr erforderlich, wodurch nicht zuletzt auch Kosten eingespart werden können.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst jede Leistungsendstufe eine Halbbrücke mit einem Treiberbaustein zur Ansteuerung der Halbbrücke. Die Halbbrücke besteht vorzugsweise aus gehäuselosen, beidseitig lötbaren Halbleitern.
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Der Stator weist nach einer vorteilhaften Ausführungsform mindestens eine Plusstromschiene und mindestens eine Minusstromschiene auf. Jede Halbbrücke ist mit einer Plus- und Minusstromschiene elektrisch leitend verbunden. Hierzu können die Halbleiter direkt auf die jeweilige Plus- und Minus-Kontaktfläche des Anschlussbereichs gelötet werden und mit diesen an die Plus- bzw. Minusstromschiene angebunden werden. Diese Vorgehensweise eignet sich insbesondere für Statorausführungen mit einzelnen miteinander verbundenen Statorzähnen. Bei Ausführungen, bei denen der Stator aus einzelnen Segmenten mit mehren Statorzähnen besteht, deren Spulen bereits zusammengeschaltet sind, können die Halbleiter direkt auf die Plus- und Minusstromschiene des Statorsegments gelötet werden, da hier die Plus- und Minusstromschienen bereits in die Verschaltung des Segments integriert sind. Gleiches gilt für Ausführungen bei denen der Stator als Komplettschnitt ausgeführt ist. Auch hier können die Halbleiter direkt auf die Plus- und Minusstromschienen gelötet werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Halbbrücke über die Plus- und Minusstromschiene thermisch leitend an ein Kühlgehäuse der elektrischen Maschine angeschlossen. Auf diese Weise kann die in der Leistungsendstufe während des Betriebs entstehende Verlustwärme über das Kühlgehäuse der elektrischen Maschine direkt abgeführt werden.
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Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, die Leistungsendstufe mit einer Leiterplatte auszustatten, auf welcher der zur Ansteuerung der Halbbrücke dienende Treiberbaustein angeordnet ist. Die Leiterplatte ist benachbart, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zur Halbbrücke angeordnet.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Stator aus einer Anzahl miteinander verbundener einzelner Statorzähne. Die Spule jedes Statorzahns ist bei dieser Ausführung über eines ihrer Anschlussenden mit dem Mittelpunkt der zugehörigen Halbbrücke elektrisch leitend verbunden. Die Mittelpunktbeschaltung zwischen den Halbleitern der Halbbrücke kann beispielsweise über eine im Verschaltungsbereich des Statorzahns angeordnete Stromschiene mit einem Kontaktbereich für das Anschlussende der Spule erfolgen. Alternativ kann der Spulendraht auch direkt an die Halbleiter kontaktiert werden.
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Die Leistungsendstufe ist vorzugsweise mit EMV-Filterelementen ausgestattet, welche für eine Verbesserung des EMV Verhaltens sorgen.
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Eine zusätzliche Ausstattung der Leistungsendstufe mit Stützkondensatoren ist ebenfalls empfehlenswert, um die Versorgungsspannung zu stabilisieren.
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Des Weiteren hat sich die Verwendung eines Diagnosemoduls als zweckmäßig erwiesen. Die Diagnose bzw. die Auswertung der ermittelten Signale kann über analoge Signale oder Bus-Systeme erfolgen, beispielsweise LIN, CAN, Flexray. Über Bus-Systeme können auch die Steuerbefehle zur Ansteuerung der Leistungsendstufen übermittelt werden. In diesem Zusammenhang hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Leistungsendstufen ein maschineninternes Buskommunikationssystem umfassen. Über dieses Buskommunikationssystem können die Diagnose- bzw. Auswertesignale an mindestens eine maschineninterne Kommunikationszentrale übermittelt werden. Diese Kommunikationszentrale bildet gleichzeitig die Schnittstelle zur Ansteuerung der Leistungsendstufen, welche beispielsweise außerhalb der elektrischen Maschine platziert werden kann.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Teilansicht eines Statorsegments einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer ersten Ausführung;
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2 eine Darstellung eines Verschaltungsbereichs eines Statorzahns;
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3 eine Ansicht von oben auf den Verschaltungsbereich des Statorzahns gemäß 2;
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4 eine schematische Darstellung des Statorsegments der erfindungsgemäßen Maschine in einer zweiten Ausführungsform;
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5 ein Blockschaltbild von Leistungsendstufen, verteilt auf die einzelnen Phasen der erfindungsgemäßen Maschine in einer ersten Variante;
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6 ein Blockschaltbild der Leistungsendstufen, verteilt auf die einzelnen Phasen der erfindungsgemäßen Maschine in einer zweiten Variante;
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7 ein Blockschaltbild der Leistungsendstufen, verteilt auf die einzelnen Phasen der erfindungsgemäßen Maschine in einer dritten Variante;
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8 ein Blockschaltbild einer Halbbrücke mit Treiberbaustein.
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1 zeigt eine schematische Teilansicht eines Statorsegments einer erfindungsgemäßen Maschine in einer ersten Ausführung. Die erfindungsgemäße Maschine umfasst bei dieser Ausführungsform einen Stator mit einer Anzahl von miteinander verbundenen Statorzähnen 01 und an den Statorzähnen angeordnete Spulen 02. Ein Statorsegment 11 weist somit einen Statorzahn 01 auf. Die erfindungsgemäße Maschine umfasst weiterhin einen Rotor, der relativ zum Stator drehbar gelagert ist und von einem magnetischen Feld der Spulen 02 antreibbar ist.
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Im Verschaltungsbereich jedes Statorzahns 01 ist eine Leistungsendstufe 03 integriert.
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2 zeigt den Verschaltungsbereich des Statorzahns 01 mit integrierter Leistungsendstufe 03. Eine Ansicht von oben auf den Verschaltungsbereich kann 3 entnommen werden. Die Leistungsendstufen 03 sind mit den Spulen 02 elektrisch verbundenen, um die Spulen 02 anzusteuern und zur Erzeugung des magnetischen Feldes mit elektrischem Strom zu versorgen.
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Jede Leistungsendstufe 03 umfasst eine Halbbrücke 04 mit einem Treiberbaustein 05 zur Ansteuerung der Halbbrücke 04. Ein prinzipielles Blockschaltbild der Halbbrücke 04 zeigt 8. Die Halbbrücke 04 besteht vorzugsweise aus beidseitig lötbaren Halbleiterbauelementen. Die Schaltelemente 06, 07 der Halbbrücke 04 werden als sogenannte High-Side- und Low-Side-Schalter bezeichnet. Der High-Side-Schalter 06 schaltet die positive Versorgungsspannung, während der Low-Side-Schalter 07 die negative Versorgungsspannung schaltet. Hierzu ist der High-Side-Schalter 06 an einer Pluskontaktfläche befestigt und der Low-Side-Schalter 07 an einer Minuskontaktfläche befestigt. Der High-Side-Schalter 06 ist über die Pluskontaktfläche mit einer Plusstromschiene 08 elektrisch leitend verbunden. Der Low-Side-Schalter 07 ist über die Minuskontaktfläche mit einer Minusstromschiene 09 elektrisch leitend verbunden. Die Plus- und Minusstromschienen 08, 09 können dabei sowohl zum Maschinengehäuse radial, wie in den 1 bis 4 dargestellt, oder axial zueinander parallel verlaufen. Dementsprechend wird die phasenbildende Stromschiene mit Kontakten zum Spulendraht entweder in Sandwichanordnung zwischen den Schaltern 06, 07 positioniert oder bildet bei axialer Anordnung eine Brücke zwischen diesen. Da die elektrische Kontaktierung der Schalter 06, 07 an die Stromschienen 08, 09 auch eine sehr gute thermische Leitfähigkeit aufweist, werden diese nun über eine (bei Sandwichanordnung) oder beide Stromschienen 08, 09 (bei axial paralleler Anordnung) über ein elektrisch gut isolierendes und thermisch gut leitendes Material 16, zum Beispiel Wärmeleitfolien, Wärmeleitpasten, Keramik, Eloxalschicht oder ähnliches, großflächig an des Kühlgehäuse der Maschine angebunden. Bei radial parallel geführten Stromschienen 08, 09, bei der nur jeweils eine Stromschiene 08, 09 am Kühlgehäuse anliegt, ist es vorteilhaft die Zwischenräume zwischen den Bauelementen ebenfalls mit elektrisch isolierendem, thermisch gut leitfähigem Material zu füllen, u.U. bei gleichzeitiger Verkürzung des Abstandes in diesen Bereichen. Auf diese Weise kann die während des Betriebs der Schalter 06, 07 entstehende Verlustwärme über das Kühlgehäuse der elektrischen Maschine abgeführt werden. Als Schalter 06, 07 können beispielsweise MOSFET, IGBT (Insulated-gate bipolar transistor) o. ä. zum Einsatz kommen.
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Die Mittelpunktbeschaltung zwischen den beiden Schaltern 06, 07 der Halbbrücke 04 erfolgt bei der gezeigten Ausführungsform über eine im Verschaltungsbereich des Statorzahns 01 angeordnete Stromschiene 10 mit einem Kontaktbereich für ein Anschlussende der Spule 02. Die Stromschiene 10 kann beispielsweise als Kupferschiene mit Drahtlasche ausgeführt sein. Alternativ kann der Spulendraht auch direkt an beide Schalter 06, 07 kontaktiert werden. Nur ein Anschlussende der Spule 02 wird somit mit dem Mittelpunkt der Halbbrücke 04 elektrisch leitend verbunden. Das zweite Anschlussende der Spule 02 wird erst nach dem Zusammenbau der einzelnen Statorsegmente zu einer Stern- oder Dreieckschaltung verschaltet. Die Verschaltung begrenzt sich hierbei nicht nur auf eine Sechspuls-Brückenschaltung. Es können auch Multilevel-Brückenschaltungen realisiert werden.
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Die Leistungsendstufe 03 beinhaltet des Weiteren eine Leiterplatte 12, welche unmittelbar neben den Schaltern 06, 07 angeordnet ist (siehe insbesondere 3). Auf der Leiterplatte 12 ist der zur Ansteuerung der Schalter 06, 07 dienende Treiberbaustein 05 angeordnet. Die Leiterplatte 12 trägt weiterhin EMV-Filterelemente 13 bzw. ein Diagnosemodul 14 sowie Stützkondensatoren 15, deren Platzierung auf der Leiterplatte 12 nur beispielhaft dargestellt ist. Außerdem weist die Leiterplatte 12 einen Steckerbereich 17 auf.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Statorsegments der erfindungsgemäßen Maschine in einer zweiten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform besteht der Stator der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine aus mehreren Statorsegmenten 11, in denen jeweils drei Spulen 02 bereits zu einem Teilmotor miteinander verschaltet sind. Die Schalter 06, 07 sind wie bei der Ausführungsform mit einzelnen Statorzähnen 01 über das Statorsegment 11 verteilt angeordnet. Das Statorsegment 11 weist eine durchgehende Plusstromschiene 08 und eine durchgehende Minusstromschiene 09 auf. Da die Plus- und Minusstromschienen 08, 09 bereits in die Verschaltung des Statorsegments 11 integriert sind, können die High-Side-Schalter 06 bzw. Low-Side-Schalter 07 direkt auf die Plus- und Minusstromschienen 08, 09 gelötet/gebondet/geschweißt werden. Die Mittelpunktbeschaltung zwischen den beiden Schaltern 06, 07 der Halbbrücken 04 erfolgt wiederum über im Verschaltungsbereich des jeweiligen Statorzahns 01 angeordnete Stromschienen 10.
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5 zeigt eine schematische Darstellung der Verteilung der Leistungsendstufen auf die einzelnen Phasen der erfindungsgemäßen Maschine in einer ersten Variante. Es ist nur eine Spulengruppe, d. h. die Mindestverschaltung dargestellt. Die Spulen 02 sind bei der gezeigten Variante zu einem Stern verschaltet. Die Halbbrücken 04 mit Treiberbaustein 05 sind an die Plus- und Minusstromschiene 08, 09 angebunden. Bei der gezeigten Ausführung erfolgt die Ansteuerung über drei Ansteuerleitungen 18.
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6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Verteilung der Leistungsendstufen auf die einzelnen Phasen der erfindungsgemäßen Maschine in einer zweiten Variante, wobei wiederum nur eine Spulengruppe dargestellt ist. Bei dieser Variante sind die Spulen 02 zum Dreieck verschaltet.
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7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Verteilung der Leistungsendstufen auf die einzelnen Phasen der erfindungsgemäßen Maschine in einer dritten Variante. Bei dieser Variante sind zwei Spulen 02 pro Phase in Reihe geschaltet.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Statorzahn
- 02
- Spule
- 03
- Leistungsendstufen
- 04
- Halbbrücke
- 05
- Treiberbaustein
- 06
- High-Side-Schalter
- 07
- Low-Side-Schalter
- 08
- Plusstromschiene
- 09
- Minusstromschiene
- 10
- Stromschiene
- 11
- Statorsegment
- 12
- Leiterplatte
- 13
- EMV-Filterelemente
- 14
- Diagnosemodul
- 15
- Stützkondensatoren
- 16
- thermisch leitendes und elektrisch isolierendes Material
- 17
- Steckerbereich
- 18
- Ansteuerleitungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010040875 A1 [0004]
- DE 102012014517 A1 [0005]
