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Die vorliegende Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine,
- – wobei die elektrische Maschine ein erstes und ein zweites Aktivteil aufweist,
- – wobei im zweiten Aktivteil Permanentmagnete angeordnet sind,
- – wobei ein Wicklungssystem eine Mehrzahl von Knotenpunkten aufweist, wobei die Knotenpunkte über einen jeweiligen ersten Wicklungsstrang untereinander verbunden sind und über Phasenanschlüsse jeweils mit einem speisenden Spannungssystem verbunden sind,
- – wobei die ersten Wicklungsstränge in Nuten des ersten Aktivteils eingebracht sind und mit den Permanentmagneten zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft elektromagnetisch zusammenwirken.
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Derartige elektrische Maschinen sind allgemein bekannt. Insbesondere permanenterregte Synchronmaschinen, die aus einem dreiphasigen Drehstromsystem gespeist werden und deren Wicklungsstränge in Dreieckschaltung geschaltet sind, sind derart aufgebaut.
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Alternativ könnte das Wicklungssystem in Sternschaltung geschaltet sein. In diesem Fall ist ein einziger Knotenpunkt vorhanden, wobei der Knotenpunkt über mehrere zweite Wicklungsstränge und einen jeweiligen Phasenanschluss mit dem speisenden Spannungssystem verbunden ist. In diesem Fall sind die zweiten Wicklungsstränge in Nuten des ersten Aktivteils eingebracht.
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Beim Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen als Traktionsmotor für ein Elektrofahrzeug wird vom Hersteller des Elektrofahrzeugs die Forderung nach einem sicheren Zustand gestellt. Im Falle einer Asynchronmaschine wird der sichere Zustand durch eine Pulssperre (safe pulse off) bewirkt. Bei einer Synchronmaschine führt diese Maßnahme aufgrund der Induktionswirkung der Permanentmagnete im Wicklungssystem jedoch nicht zur Herbeiführung des sicheren Zustands. Aus diesem Grund wird bei einer permanenterregten Synchronmaschine im Fehlerfall die elektrische Maschine über den speisenden Umrichter in den sogenannten Aktiven Kurzschluss geschaltet. Beim aktiven Kurzschluss werden die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine allpolig miteinander verbunden. Die elektrische Maschine wird dadurch zuverlässig in einen sicheren Zustand überführt. Die entsprechende Vorgehensweise ist beispielsweise als Beitrag „Funktionale Sicherheit bei permanenterregten Synchronmotoren" von H. Köpken et al. in dem 2014 erschienenen Fachbuch „Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge" von Heinz Schäfer beschrieben.
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In der Dissertation „Fahrzyklusgerechte Auslegung von permanenterregten Synchronmaschinen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge" von T. Finken, RWTH Aachen, 2011, ist erläutert, dass es während des Aktiven Kurzschlusses durch die innerhalb der elektrischen Maschine auftretenden transienten Vorgänge zu starken elektromagnetischen Feldern kommen kann. Die Felder können so stark sein, dass sie zu einer – teilweisen oder unter Umständen sogar vollständigen – Entmagnetisierung der Permanentmagnete führen und damit die Leistung und den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine dauerhaft mindern. Insbesondere ist in der genannten Dissertation beschrieben, dass der ungünstigste Fall für die Entmagnetisierung ein maximaler negativer d-Strom ist. In dem Fachaufsatz „Transient Peak Currents in Permanent Magnet Synchronous Motors for Symmetrical Short Circuits" von M. Meyer und J. Böcker, SPEEDAM 2006, wird aufgezeigt, dass genau dieser Fall während der transienten Vorgänge beim symmetrischen Kurzschluss im Typenpunkt auftritt.
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Im Stand der Technik wird das Problem der Entmagnetisierung hauptsächlich durch die Ausgestaltung des zweiten Aktivteils adressiert. Insbesondere werden die Permanentmagnete oftmals V-förmig angeordnet, wobei die Lufttaschen, in denen die Permanentmagnete angeordnet sind, besonders ausgestaltet sind, um die Permanentmagnete vor zu hohen elektromagnetischen Felder zu schützen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass einer derartigen Entmagnetisierung entgegengewirkt wird.
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Die Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrischen Maschine sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 8. Anspruch 9 nennt eine bevorzugte Anwendung der elektrischen Maschine.
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Erfindungsgemäß wird eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet,
- – dass die Knotenpunkte über einen jeweiligen zweiten Wicklungsstrang mit den Phasenanschlüssen verbunden sind,
- – dass auch die zweiten Wicklungsstränge in Nuten des ersten Aktivteils eingebracht sind und mit den Permanentmagneten zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft elektromagnetisch zusammenwirken und
- – dass die ersten Wicklungsstränge eine niedrigere Lochzahl aufweisen als die zweiten Wicklungsstränge.
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Elektrische Maschinen mit einem sogenannten kombinierten Wicklungssystem (d.h. einem Wicklungssystem, bei dem eine Anzahl von Knotenpunkten über einen jeweiligen ersten Wicklungsstrang untereinander, über einen jeweiligen zweiten Wicklungsstrang mit Phasenanschlüssen und über die Phasenanschlüsse jeweils mit einem speisenden Spannungssystem verbunden ist) sind an sich bekannt. Es wird beispielsweise auf die Dissertation „Verbesserung der Betriebseigenschaften elektrischer Maschinen durch den Einsatz kombinierter Wicklungen" von H. Kasten, TU Dresden, 2015 verwiesen. Bei dem bekannten Wicklungssystem weisen die ersten Wicklungsstränge jedoch die gleiche Lochzahl auf wie die zweiten Wicklungsstränge.
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Im Rahmen von auf finiten Elementen basierenden Untersuchungen wurde jedoch überraschend festgestellt, dass – bei im übrigen unveränderten Leistungsdaten der elektrischen Maschine – die magnetische Belastung der Permanentmagnete im allpoligen Kurzschluss durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der elektrischen Maschine um 10–20 % gesenkt werden kann. Bei einer umgekehrten Ausgestaltung, also bei einem Wicklungssystem, bei dem die ersten Wicklungsstränge eine höhere Lochzahl aufweisen als die zweiten Wicklungsstränge, ergab sich im allpoligen Kurzschluss hingegen keine Reduzierung der magnetischen Belastung.
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Vorzugsweise liegt ein Verhältnis der Lochzahl der ersten Wicklungsstränge zur Lochzahl der zweiten Wicklungsstränge zwischen 1:1,25 und 1:4. Besonders bevorzugt ist hierbei ein Verhältnis zwischen 1:1,5 und 1:3. Als optimal hat sich ein Verhältnis von 1:2 erwiesen.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine zeigt die Vorteile, wie bereits erwähnt, beim allpoligen Kurzschluss. Vorzugsweise ist also zwischen den Phasenanschlüssen und dem speisenden Spannungssystem eine Schalteinrichtung angeordnet, mittels derer die Phasenanschlüsse unter Trennung vom speisenden Spannungssystem allpolig miteinander kurzschließbar sind.
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Theoretisch ist es denkbar, dass die Anzahl an ersten Wicklungssträngen größer als die Anzahl an zweiten Wicklungssträngen ist. In aller Regel ist die Anzahl an ersten Wicklungssträngen jedoch gleich der Anzahl an zweiten Wicklungssträngen.
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In Einzelfällen ist es weiterhin möglich, dass die Anzahl an Knotenpunkten größer als 3 ist. Beispielsweise kann sie 5 betragen. In der Regel ist die Anzahl an Knotenpunkten jedoch gleich 3.
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Die elektrische Maschine kann als Linearantrieb ausgebildet sein. In der Regel ist die elektrische Maschine jedoch eine rotatorische elektrische Maschine. In diesem Fall sind das erste Aktivteil als Stator und das zweite Aktivteil als Rotor der elektrischen Maschine ausgebildet.
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Die elektrische Maschine kann prinzipiell auf beliebige Art und Weise eingesetzt werden. Vorzugsweise wird sie jedoch als Traktionsmotor eines Elektrofahrzeugs, insbesondere eines Elektroautos, verwendet.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung:
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1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine,
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2 einen Querschnitt durch die elektrische Maschine von 1,
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3 ein Wicklungssystem der elektrischen Maschine von 1 einschließlich einer elektrischen Energieversorgung,
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4 ein alternatives Wicklungssystem,
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5 eine mögliche Nutbelegung von Statornuten,
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6 eine mögliche alternative Belegung der Statornuten,
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7 eine weitere mögliche alternative Belegung der Statornuten und
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8 ein Elektrofahrzeug.
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Gemäß 1 weist eine allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehene elektrische Maschine ein erstes Aktivteil 2 und ein zweites Aktivteil 3 auf. Gemäß der Darstellung in 1 ist das zweite Aktivteil 3 als Rotor der elektrischen Maschine 1 ausgebildet, der über eine Rotorwelle 4 und Lager 5 in einem Gehäuse 6 der elektrischen Maschine 1 gelagert ist. Das zweite Aktivteil 3 ist dadurch um eine Rotationsachse 7 rotierbar. Korrespondierend mit der Ausgestaltung des zweiten Aktivteils 3 als Rotor ist das erste Aktivteil 2 als Stator der elektrischen Maschine 1 ausgebildet. Die elektrische Maschine 1 ist also als rotatorische elektrische Maschine ausgebildet. Sie könnte jedoch prinzipiell ebenso als Linearantrieb ausgebildet sein.
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Gemäß 2 sind im zweiten Aktivteil 3 Permanentmagnete 8 angeordnet. Die Permanentmagnete 8 sind entsprechend der Darstellung in 2 V-förmig angeordnet. Die V-förmige Anordnung der Permanentmagnete 8 ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch von untergeordneter Bedeutung. Das erste Aktivteil 2 weist Nuten 9 auf. In den Nuten 9 sind die einzelnen Wicklungsstränge eines Wicklungssystems 10 angeordnet.
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Gemäß 3 ist das Wicklungssystem 10 der elektrischen Maschine 1 als kombinierte Stern-Dreieck-Wicklung ausgebildet. Das Wicklungssystem 10 weist also eine Anzahl von Knotenpunkten 11 auf. Untereinander sind die Knotenpunkte 11 über einen jeweiligen ersten Wicklungsstrang U, V, W verbunden. Die Knotenpunkte 11 sind weiterhin über einen jeweiligen zweiten Wicklungsstrang U', V', W' mit Phasenanschlüssen 12 verbunden. Über die Phasenanschlüsse 12 sind die Knotenpunkte 11 jeweils mit einem speisenden Spannungssystem 13 verbunden. Zwischen den Phasenanschlüssen 12 und dem Spannungssystem 13 ist eine Schalteinrichtung 14 angeordnet. Die Schalteinrichtung 14 wird von einer Steuereinrichtung 15 gesteuert. Bei dem Spannungssystem 13 handelt es sich, soweit es die Anbindung an die Phasenanschlüsse 12 betrifft, um ein mehrphasiges Spannungssystem. Intern kann das Spannungssystem 13 nach Bedarf ausgebildet sein. Beispielsweise kann es sich um eine Batterie handeln.
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Gemäß 3 ist die Anzahl an Knotenpunkten 11 gleich 3. Diese Anzahl stellt einerseits die minimale Anzahl an Knotenpunkten 11 dar. Zugleich stellt diese Anzahl die weitaus häufigste Ausgestaltung dar. In manchen Fällen ist die Anzahl an Knotenpunkten 11 jedoch auch größer als 3. 4 zeigt dies für eine Ausgestaltung mit fünf Knotenpunkten 11. Weiterhin ist bei der Ausgestaltung gemäß 3 die Anzahl an ersten Wicklungssträngen U, V, W gleich der Anzahl an zweiten Wicklungssträngen U', V', W'. Diese Ausgestaltung ist, wie aus 4 ersichtlich ist, unabhängig von der Anzahl an Knotenpunkten 11.
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Die Wicklungsstränge U, V, W, U', V', W' – dies wurde bereits erwähnt und gilt gleichermaßen für die ersten Wicklungsstränge U, V, W und die zweiten Wicklungsstränge U', V', W' – sind in die Nuten 9 des ersten Aktivteils 2 eingebracht. In einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine 1 wird die Schalteinrichtung 14 von der Steuereinrichtung 15 derart angesteuert, dass jeweils einer der Phasenanschlüsse 12 über die Schalteinrichtung 14 mit dem Spannungssystem 13 verbunden ist. In diesem Betriebszustand wirken die Wicklungsstränge U, V, W, U', V', W' in allgemein bekannter Art und Weise mit den Permanentmagneten 8 zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft elektromagnetisch zusammen. In bestimmten Betriebssituationen – insbesondere um eine elektrische Berührsicherheit herbeizuführen, werden die Phasenanschlüsse 12 über die Schalteinrichtung 14 jedoch vom Spannungssystem 13 getrennt. Zugleich werden die Phasenanschlüsse 12 – beispielsweise über eine gemeinsame Kontaktleiste 16 der Schalteinrichtung 14 – allpolig miteinander kurzgeschlossen. Auch in diesem Betriebszustand wirken die Wicklungsstränge U, V, W, U', V', W' mit den Permanentmagneten 8 zusammen. Derartige Kurzschlüsse können jedoch, wie bereits ausgeführt, zu einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete 8 führen. Zur Reduzierung der Gefahr einer derartigen Entmagnetisierung der Permanentmagnete 8 sind die Wicklungsstränge U, V, W, U', V', W' auf spezielle, erfinderische Weise auf die Nuten 9 aufgeteilt. Die 5 bis 7 zeigen für ein dreiphasiges Wicklungssystem 10 (also ein Wicklungssystem 10 mit drei Knotenpunkten 11) mehrere mögliche Ausgestaltungen. Die Ausgestaltungen sind jedoch in analoger Weise auch bei einem Wicklungssystem 10 mit mehr als drei Knotenpunkten 11 realisierbar.
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Entsprechend der Darstellung in 5 folgt auf je zwei zweite Wicklungsstränge U', V', W' jeweils ein erster Wicklungsstrang U, V, W. Bei der Ausgestaltung gemäß 5 liegt ein Verhältnis der Lochzahl der ersten Wicklungsstränge U, V, W zur Lochzahl der zweiten Wicklungsstränge U', V', W' somit bei 1:2.
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Die Ausgestaltung gemäß 5 ist am einfachsten zu realisieren. Insbesondere werden bei einem dreiphasigen Wicklungssystem 10 lediglich 18, 36, 54, ... Nuten 9 benötigt, um eine 1:1-Abbildung der Wicklungsstränge U, V, W, U', V', W' auf die Nuten 9 zu realisieren. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich. Beispielsweise ist es möglich, einzelne Nuten 9 mit mehreren Wicklungssträngen U, V, W, U', V', W' zu belegen.
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6 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung. Bei der Ausgestaltung gemäß 6 folgt auf je drei zweite Wicklungsstränge U', V', W' jeweils ein erster Wicklungsstrang U, V, W. Bei der Ausgestaltung gemäß 6 liegt ein Verhältnis der Lochzahl der ersten Wicklungsstränge U, V, W zur Lochzahl der zweiten Wicklungsstränge U', V', W' somit bei 1:3. Bei der Ausgestaltung gemäß 7 werden bei einem dreiphasigen Wicklungssystem 10 24, 48, 72, ... Nuten 9 benötigt, um eine 1:1-Abbildung der Wicklungsstränge U, V, W, U', V', W' auf die Nuten 9 zu realisieren.
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7 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung. Bei der Ausgestaltung gemäß 7 folgen auf je drei zweite Wicklungsstränge U', V', W' jeweils zwei erste Wicklungsstränge U, V, W. Bei der Ausgestaltung gemäß 7 liegt ein Verhältnis der Lochzahl der ersten Wicklungsstränge U, V, W zur Lochzahl der zweiten Wicklungsstränge U', V', W' somit bei 1:1,5. Bei der Ausgestaltung gemäß 6 werden bei einem dreiphasigen Wicklungssystem 10 30, 60, 90, ... Nuten 9 benötigt, um eine 1:1-Abbildung der Wicklungsstränge U, V, W, U', V', W' auf die Nuten 9 zu realisieren.
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Es sind auch noch größere Diskrepanzen zwischen der Lochzahl der ersten Wicklungsstränge U, V, W zur Lochzahl der zweiten Wicklungsstränge U', V', W' möglich. In der Regel sollte das Verhältnis der Lochzahl der ersten Wicklungsstränge U, V, W zur Lochzahl der zweiten Wicklungsstränge U', V', W' jedoch zwischen 1:1,25 und 1:4 liegen. In jedem Fall aber weisen die ersten Wicklungsstränge U, V, W eine niedrigere Lochzahl auf als die zweiten Wicklungsstränge U', V', W'.
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8 zeigt eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1. Insbesondere zeigt 8 ein Elektrofahrzeug 17, nämlich ein Elektroauto. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine wird gemäß 8 als Traktionsmotor des Elektrofahrzeugs 17 verwendet.
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Zusammengefasst betrifft die vorliegende Erfindung somit folgenden Sachverhalt:
Eine elektrische Maschine 1 weist ein erstes und ein zweites Aktivteil 2, 3 auf. Im zweiten Aktivteil 3 sind Permanentmagnete 8 angeordnet. Ein Wicklungssystem 10 weist eine Anzahl von Knotenpunkten 11 auf. Die Knotenpunkte 11 sind über einen jeweiligen ersten Wicklungsstrang U, V, W untereinander, über einen jeweiligen zweiten Wicklungsstrang U', V', W' mit Phasenanschlüssen 12 und über die Phasenanschlüsse 12 jeweils mit einem speisenden Spannungssystem 13 verbunden. Die ersten und zweiten Wicklungsstränge U, V, W, U', V', W' sind in Nuten 9 des ersten Aktivteils 2 eingebracht. Sie wirken mit den Permanentmagneten 8 zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft elektromagnetisch zusammen. Die ersten Wicklungsstränge U, V, W weisen eine niedrigere Lochzahl auf als die zweiten Wicklungsstränge U', V', W'.
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Die vorliegende Erfindung weist den entscheidenden Vorteil auf, dass bei unveränderten Leistungsdaten der elektrischen Maschine 1 im Falle eines allpoligen Kurzschlusses eine erheblich geringere magnetische Belastung der Permanentmagnete 8 erreicht wird und hiermit korrespondierend die Gefahr einer Entmagnetisierung deutlich reduziert wird. Es können daher Permanentmagnete 8 mit niedrigerer Entmagnetisierungsfestigkeit eingesetzt werden. Dies kann – je nach Lage des Einzelfalls – zu einer erheblichen Kosteneinsparungen führen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Funktionale Sicherheit bei permanenterregten Synchronmotoren“ von H. Köpken et al. [0004]
- 2014 erschienenen Fachbuch „Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge“ von Heinz Schäfer [0004]
- „Fahrzyklusgerechte Auslegung von permanenterregten Synchronmaschinen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge“ von T. Finken, RWTH Aachen, 2011 [0005]
- „Transient Peak Currents in Permanent Magnet Synchronous Motors for Symmetrical Short Circuits“ von M. Meyer und J. Böcker, SPEEDAM 2006 [0005]
- „Verbesserung der Betriebseigenschaften elektrischer Maschinen durch den Einsatz kombinierter Wicklungen“ von H. Kasten, TU Dresden, 2015 [0010]
