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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Elektromotors. Die Erfindung betrifft ferner ein System zum Betreiben eines bürstenlosen Elektromotors.
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Stand der Technik
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Ein Trend in der Automobiltechnik ist eine Hybridisierung von Antriebssträngen mit einer Verwendung von elektrifizierten Nebenaggregaten, wie zum Beispiel elektrischen Klimakompressoren oder bedarfsgeregelten, elektrischen Haupt- und Zusatzwasserpumpen, Pumpen für Kühlkreisläufe, Lüfter, Klimaanlagen, usw. Diesen Entwicklungen gemeinsam ist die zunehmende Komplexität des Gesamtsystems und der Einzelkomponenten und ein Anstieg der Anzahl und Varianz der verwendeten Komponenten. Daraus ergeben sich entsprechend erhöhte Anforderungen an zugehörige Steuer- und Regelkonzepte.
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Bürstenlose Elektromotoren für die genannten Nebenaggregate, d.h. Komponenten die nicht im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs angeordnet sind, sind bekannt. Im Bereich elektrische Aktuatoren für Kühlkreisläufe sind elektronisch kommutierte Elektromotoren (EC-Motoren) bzw. bürstenlose Elektromotoren (BLDC-Motoren, engl. brushless DC) bekannt. Bei diesen Gleichstrommotoren mit Permanentmagnet erfolgt eine Stromwendung mittels einer dazu vorgesehenen Kommutierungselektronik.
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Bekannt sind ferner piezoelektrische Vibrationssensoren, wie zum Beispiel Klopfsensoren, bei denen eine Masse aufgrund ihrer Trägheit Druckkräfte im Rhythmus von anregenden Schwingungen auf eine Piezokeramik ausübt. Diese Kräfte bewirken innerhalb der Keramik eine elektrische Ladungsverschiebung, die zu einer messbaren elektrischen Spannung führt.
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DE 10 2011 090 004 A1 offenbart eine Verwendung eines Piezoelements zur Schwingungserkennung bei Injektoren.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Elektromotors bereitzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Elektromotors, wobei der Elektromotor ein Nebenaggregat antreibt, aufweisend die Schritte:
- a) Ansteuern des Elektromotors mit einem ersten Wert eines ersten Betriebsparameters und Ermitteln eines Vibrationssignals des Nebenaggregats;
- b) Ansteuern des Elektromotors mit einem zweiten Wert des ersten Betriebsparameters und Ermitteln eines Vibrationssignals des Nebenaggregats;
- c) Ansteuern des Elektromotors mit einem dritten Wert des ersten Betriebsparameters und Ermitteln eines Vibrationssignals des Nebenaggregats;
- d) Ermitteln des Werts des ersten Betriebsparameters zur Erreichung eines minimalen Vibrationssignals des Nebenaggregats aus den Schritten a) bis c); und
– Ansteuern des Elektromotors mit dem in Schritt d) ermittelten Wert des ersten Betriebsparameters.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem System zum Betreiben eines bürstenlosen Elektromotors, wobei mittels des Elektromotors ein Nebenaggregat antreibbar ist, aufweisend:
- – einen Vibrationssensor zum Ermitteln von Vibrationen des Nebenaggregats; und
- – eine Regelungseinrichtung, mittels der in Abhängigkeit vom ermittelten Vibrationssignal des Nebenaggregats der Elektromotor derart ansteuerbar ist, dass ein minimales Vibrationssignal des Nebenaggregats erzeugbar ist.
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Vorteilhaft ist es damit möglich, das Ansteuern des bürstenlosen Elektromotors an reale Betriebsbedingungen des angetriebenen Nebenaggregats derart anzupassen, dass dadurch möglichst wenig Vibrationen und dadurch Geräusche des Nebenaggregats erzeugt werden. Ein Benutzungskomfort des gesamten Systems kann dadurch vorteilhaft bedeutend erhöht sein.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass nach Schritt d) folgende Schritte durchgeführt werden:
- e) Ansteuern des Elektromotors mit einem ersten Wert eines zweiten Betriebsparameters und Ermitteln eines Vibrationssignals des Nebenaggregats;
- f) Ansteuern des Elektromotors mit einem zweiten Wert des zweiten Betriebsparameters und Ermitteln eines Vibrationssignals des Nebenaggregats;
- g) Ansteuern des Elektromotors mit einem dritten Wert des zweiten Betriebsparameters und Ermitteln eines Vibrationssignals des Nebenaggregats;
- h) Ermitteln des Werts des zweiten Betriebsparameters zur Erreichung eines minimalen Vibrationssignals des Nebenaggregats aus den Schritten e) bis g); und
– Ansteuern des Elektromotors mit dem in Schritt d) ermittelten Wert des ersten Betriebsparameters und mit dem in Schritt h) ermittelten Wert des zweiten Betriebsparameters.
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Auf diese Weise kann das Verfahren durch Verwendung eines zweiten Betriebsparameters noch weiter verbessert werden, so dass im System eine verbesserte Vibrations- und Geräuschoptimierung durchgeführt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass erste Betriebsparameter erste elektrische Ansteuerspannungen für Leistungsschaltelemente des Elektromotors ist und wobei zweite Betriebsparameter zweite elektrische Ansteuerspannungen für Leistungsschaltelemente des Elektromotors sind. Auf diese Weise kann mittels einer geeigneten Ansteuerung von Leistungsschaltelementen für den Elektromotor ein Betriebsverhalten des Elektromotors auf effektive Weise an ein Betriebsverhalten des Nebenaggregats angepasst werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass sämtliche Verfahrensschritte während des Betriebs des Elektromotors permanent ausgeführt werden. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, dass sich ändernde Einflüsse von außen auf das Nebenaggregat berücksichtigt werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass in den Schritten d) und h) ermittelte Werte der ersten und zweiten Betriebsparameter zu definierten Zeitpunkten des Betriebs des Elektromotors gespeichert werden. Diese können dann beim nächsten Hochlauf des Elektromotors als Erst-Betriebsparameter für einen geräuschoptimierten Betrieb des Elektromotors mit dem Nebenaggregat verwendet werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass ein weiterer Betriebsparameter eine dritte Ansteuerspannung für die Leistungsschaltelemente ist, mit der ein Vorkommutierungswinkel des Elektromotors beeinflussbar ist. Dadurch kann das Betriebsverhalten des Elektromotors mit dem Nebenaggregat betreffend Geräuschemission noch weiter optimiert werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Systems sieht vor, dass das Nebenaggregat als eine Fluidpumpe oder als ein Kühlgebläse ausgebildet ist. Dadurch können mittels des Verfahrens spezifische, besonders häufig benutzte Nebenaggregate geräuschoptimiert betrieben wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Das Verfahren vorteilhaft überall dort einsetzbar, wo ein bürstenloser Elektromotor ein Nebenaggregat antreibt, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug.
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In den Figuren zeigt:
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1 eine prinzipielle Darstellung eines bürstenlosen Elektromotors;
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2 einen zeitlichen Verlauf von elektrischen Phasenspannungen des bürstenlosen Elektromotors;
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3 einen prinzipiellen Momentenverlauf des bürstenlosen Elektromotors;
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4 zeitliche Verläufe von Phasenspannungen des bürstenlosen Elektromotors;
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5 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems; und
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6 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Offenbarung der Erfindung
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1 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines bürstenlosen Elektromotors 10, der mittels einer B6-Brücke angesteuert wird. Erkennbar ist pro elektrischer Phasenspannung U, V, W jeweils eine Halbbrücke mit elektronischen Leistungsschaltern T1...T6 (z.B. Feldeffekttransistoren), die derart angesteuert werden, dass im Ergebnis in den Phasenwicklungen des Elektromotors 10 ein magnetisches Drehfeld erzeugt wird. Ein Permanentmagnet 11 läuft gegenüber dem von den Phasenwicklungen erzeugten Drehfeld um einen gewissen definierten Kommutierungswinkel versetzt um, wodurch ein Moment des Elektromotors 10 erzeugt wird, das zum Antreiben eines Nebenaggregats (nicht dargestellt) verwendet werden kann.
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Dargestellt ist ein 3/2-Motor (drei Wicklungen, zwei Pole) in Sternschaltung mit einer B6-Brücke. Die Leistungsschaltelemente T1...T6 können mittels eines Mikrocontrollers (nicht dargestellt) variabel angesteuert werden. Durch das Durchschalten jeweils eines High-Side-Leistungsschalters (T1, T3, T5) und eines Low-Side-Leistungsschalters (T2, T4, T6) eines anderen Stranges wird ein Stromfluss durch die jeweilige Wicklung U, V, W generiert. Das durch den Stromfluss entstehende Magnetfeld erzeugt in Wechselwirkung mit dem permanenten Magnetfeld der Rotormagnete bei geeigneter Schaltfolge eine mechanische Drehung des Rotors. Häufig erfolgt jedoch nicht ein permanentes Bestromen der Wicklungen, sondern eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Wicklungen.
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Durch diese variable Strommodulation können verschiedene Kommutierungsmuster generiert werden. Ein mögliches Kommutierungsmuster ist die Trapezkommutierung, wobei entsprechende zeitliche Spannungsverläufe und ein beispielhafter zeitlicher Momentenverlauf in den 2 und 3 schematisch dargestellt sind.
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2 zeigt prinzipielle Verläufe der elektrischen Phasenspannungen U, V, W des Elektromotors 10. Erkennbar sind drei trapezförmige Verläufe, die im Wesentlichen gleich ausgebildet und zueinander um jeweils 120 Grad phasenverschoben sind. Erreicht wird die Trapezform der Phasenspannungen durch eine spezifische Einstellung eines ersten Betriebsparameters P1 einer Steuerspannung der Leistungsschaltelemente T1...T6, die beispielsweise als eine Referenztabelle hinterlegt sein kann.
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3 zeigt qualitativ einen zeitlichen Verlauf eines Drehmoments M, der vom Elektromotor 10 mit den in 2 gezeigten Ansteuerspannungen mit einem Nebenaggregat 20 erzeugt wird. Die erkennbaren Momentenschwankungen resultieren in Schwingungen und können eine Quelle von Geräuschemissionen des Nebenaggregats 20 darstellen, wobei das Nebenaggregat 20 beispielsweise als eine vom Elektromotor 10 angetriebene Wasser- bzw. Fluidpumpe realisiert sein kann. Der Momentenverlauf kann von verschiedenen Faktoren, wie zum Beispiel der Kommutierungsform, der Modulationsfrequenz, der mechanischen Konstruktion der Pumpe, der Last, der Temperatur, der Drehzahl, der Vorkommutierung, dem Rastmoment und weiteren Faktoren (Toleranzen, Driften, Alterungsprozessen, Verschleiß, usw.) beeinflusst sein. Dadurch ist es in nachteiliger Weise nur bedingt möglich, offline eine für alle Betriebspunkte des Elektromotors 10 geräuschoptimale Ansteuerung in Form von Vorsteuerungsdaten zu ermitteln. Zudem sind die Nebenaggregate 20 meist mit Alterungseffekten behaftet, weil zum Beispiel ein Gegendruck eines Fluids oder Schaltzeiten von Ventilen veränderlich sind.
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Um die vom Nebenaggregat 20 generierten Schwingungen bzw. damit verbundenen Geräuschemissionen zu detektieren, wird vorgeschlagen, einen geeigneten Vibrationssensor 30, zum Beispiel in Form eines Piezosensor in das vom Elektromotor 10 angetriebene Nebenaggregat 20 zu integrieren bzw. am Nebenaggregat zu fixieren. Der Vibrationssensor 30 sollte dabei möglichst dicht an der Geräusch-Emissionsquelle angebracht werden. Denkbar ist zu diesem Zweck auch eine Verwendung von mehreren Vibrationssensoren 30.
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4 zeigt zwei exemplarische Parameter zur Einflussnahme auf die Modulierungsform des Ansteuersignals. Eine Veränderung eines ersten Betriebsparameters P1 führt zu verschiedenen Trapezformen der Strangspannungen, wie in der oberen Abbildung von 4 erkennbar. Erkennbar sind vier verschiedene Verläufe A, B, C, D von Steigungen der Phasenspannungen, die jeweils für alle drei Phasenspannungen U, V, W gleich ausgebildet sind.
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Ein zweiter Betriebsparameter P2 nimmt Einfluss auf eine Krümmungsform bei Flankenwechseln der Strang- bzw. Phasenspannungen, wie in der unteren Darstellung von 4 erkennbar, wobei die drei Verläufe für alle drei Phasenspannungen U, V, W identisch sind.
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Im Ergebnis sind also mittels der beiden genannten Betriebsparameter P1, P2 unterschiedlichen Kurvenformen von elektrischen Phasenspannungen des Elektromotors 100 realisierbar.
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5 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild eines Systems 100 mit einem Elektromotor 10, der ein Nebenaggregat 20 antreibt. Das Nebenaggregat 20 kann dabei beispielsweise als eine Pumpe eines hybrid angetriebenen Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) ausgebildet sein. Ein Vibrationssensor 30, der zum Beispiel als ein Piezoelement ausgebildet sein kann, erfasst Vibrationen des Nebenaggregats 20 während eines Betriebes und übermittelt die erfassten Signale an eine Regelungseinrichtung 40. In Abhängigkeit von den Vibrationssignalen wird von der Regelungseinrichtung 40 ein Ansteuersignal für den Elektromotor 10 derart ausgebildet, dass der Betrieb des Nebenaggregats 20 möglichst vibrations- und damit geräuscharm ist, wie nachfolgend anhand eines Flussdiagramms erläutert wird.
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Die nachfolgend prinzipiell beschriebenen Verfahrensschritte und Berechnungen zur Kommutierungskorrektur des bürstenlosen Elektromotors 10 können vorzugsweise mittels der Regelungseinrichtung 40, die z.B. als ein Mikrocontroller ausgebildet sein kann, ausgeführt werden.
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Eine Abfolge Übersicht der schwingungsreduzierenden Echtzeitkorrektur am Beispiel eines Betriebsparameters ist im Flussdiagramm von 6 prinzipiell dargestellt. Nach der Aktivierung des Nebenaggregats 20 in einem Schritt 200 erfolgt in einem Schritt 201 eine Auswahl des Kommutierungs- bzw. Betriebsparameters anhand einer solldrehzahlabhängigen Referenztabelle. In einem Schritt 202 wird der Kommutierungs- bzw. Betriebsparameter aus der Referenztabelle entnommen und an die Regelungseinrichtung 40 übermittelt.
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Eine Ansteuerung des Elektromotors 10 mit dem ersten Betriebsparameter P1 aus der Referenztabelle erfolgt in einem ersten Kommutierungsschritt 203. Die Dauer des Kommunionsschritts 203 sollte möglichst kurz sein, jedoch ausreichend lang, um eine nachfolgende Vibrationserfassung des Nebenaggregats 20 durchführen zu können. Nach einer ersten Schwingungs- bzw. Vibrationserfassung in einem Schritt 204 erfolgt in einem Schritt 205 eine Änderung des ersten Betriebsparameters P1 durch eine Reduzierung seines Wertes.
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Danach wird in einem Schritt 206 mittels eines Vibrationssensors 30 eine weitere Vibrationsermittlung am Nebenaggregat 20 durchgeführt. Danach erfolgt in einem Schritt 207 eine Veränderung des ersten Betriebsparameters P1 durch eine Erhöhung seines Wertes. Danach wird in einem Schritt 208 eine weitere Vibrationsermittlung am Nebenaggregat 20 durchgeführt.
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Danach erfolgt in einem Schritt 209 eine Ermittlung desjenigen Werts des ersten Betriebsparameter P1, bei dem vom Vibrationssensor 30 die geringsten Vibrationssignale ermittelt wurden, wobei der Elektromotor 10 nunmehr über die Leistungsschaltelemente T1...T6 mit diesem Ansteuersignal angesteuert wird.
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In einem Schritt 210 wird geprüft, ob das Nebenaggregat 20 deaktiviert wurde. Falls dies der Fall ist („J“), wird in einem Schritt 211 der optimierte Wert des ersten Betriebsparameters P1 abgespeichert, um beim nächsten Hochlaufen des Systems 100 verwendet zu werden. Zusätzlich kann auch vorgesehen sein, die optimierten Betriebsparameter zu definierten Zeitpunkten während des Betriebs des Systems 100 zu speichern.
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Falls die Abfrage von Schritt 210 ergibt, dass das Nebenaggregat 20 nicht deaktiviert wurde („N“), wird der Ablauf des Verfahrens auf den Kommutierungsschritt 203 zurückverzweigt und es erfolgt einer neuer Durchlauf der Verfahrensschritte 203 bis 210.
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Eine Ermittlung bzw. Optimierung des zweiten Betriebsparameters P2 erfolgt nach dem vorgehend beschriebenen Prinzip und ist der Einfachheit halber nicht dargestellt bzw. erläutert.
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Vorzugweise wird das Verfahren während der gesamten Betriebszeit des Systems 100 ausgeführt, so dass ein permanentes Optimieren von Ansteuerungsparametern des Elektromotors 10 bereitgestellt wird.
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Vorzugsweise wird der Schwingungserfassungs- bzw. Vibrationssensor 30 am/im/in der Nähe des Nebenaggregats 20 befestigt, um Schwingungssignale des Nebenaggregats 20 möglichst verlustfrei zu erfassen. In Abhängigkeit vom erfassten Schwingungssignal wird ein optimiertes Ansteuersignal für den Elektromotor 10 ermittelt, wobei der Elektromotor 10 mit dem optimierten Ansteuersignal betrieben wird. Das Gesamtsystem stellt somit eine Art selbstlernendes Echtzeit-System dar, das in einem Echtzeitbetrieb des Elektromotors 10 einen schwingungsoptimierten Betrieb des Elektromotors 10 bereitstellt.
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Um die aus den Momentenschwankungen bzw. Druckpulsationen resultierenden mechanischen und daraus resultierenden akustischen Schwingungen zu sensieren, kann der piezoelektrische Vibrationssensor 30 mit einer eigenen schwingfähigen Masse auf dem/am/im Nebenaggregat 20 bzw. auf dem/am/im Elektromotor 10 verbaut werden.
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Bezüglich der Kosten kann es vorteilhaft sein, baulich schon vorhandene schwingende/sich bewegende/sich verformende Massen oder Teile des Nebenaggregats 20 bzw. des Elektromotors 10, die auf den Piezosensor mechanisch einwirken können, zu nutzen.
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Diese können beispielsweise sein:
- – Lagerschalen an einer Motorwelle, die durch Momentenänderung der Motorwelle verformt werden können
- – Wicklungspakete im Stator des Elektromotors, die durch Magnetkräfte elastisch verformt werden können
- – Fluidleitungen und -gehäuse, die sich elastisch mit den Pumpen- bzw. Druckstößen verformen können
- – Pumpenhalter
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Vorteilhaft kann die Erfindung beispielsweise in elektrisch betriebenen Wasserpumpen von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Denkbar ist auch ein Einsatz in einem Lüfterrad, das mit dem Elektromotor angetrieben wird.
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Zusammenfassend werden mit der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Nebenaggregats mit dem Elektromotor und ein System mit einem von einem Elektromotor angetrieben Nebenaggregat vorgeschlagen, mit dem ein geräuschoptimierter Betrieb des Nebenaggregats möglich ist. Ermöglicht wird dies durch ein quasi selbstlernendes System, welches Betriebsbedingungen des Elektromotors mit dem Nebenaggregat in Echtzeit erfasst und dadurch Ansteuersignale für den Elektromotor in Echtzeit anpasst.
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Um ansprechende Leistungen von Kraftfahrzeugen mit reduziertem Hubraum zu erzielen, kommen zunehmend Abgasturbolader in Kombination mit einer indirekten, wasserseitigen Ladeluftkühlung zum Einsatz, die mit dem erfindungsgemäßen System besonders geräuscharm betrieben werden kann.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich von selbst, dass sie nicht auf die genannten Ausführungsformen beschränkt ist. Der Fachmann wird also die offenbarten Merkmale abändern können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011090004 A1 [0005]
