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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entmagnetisieren mindestens einer Erregerwicklung insbesondere eines Rotors eines Elektromotors.
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Eine fremderregte Synchronmaschine mit einem Rotor mit Wicklungen ist z.B. beschrieben in
DE 10 2010 043 492 A1 .
US 2013/0193903 betrifft eine Bremsschaltung.
DE 10 2010 043 492 A1 und
US 2013/0193903 sind durch Bezugnahme ergänzende Offenbarung dieser Anmeldung (incorporated by reference).
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Entmagnetisieren mindestens einer Erregerwicklung insbesondere eines Rotors eines Elektromotors für z.B. ein Kraftfahrzeug zu optimieren. Die Aufgabe wird jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Einige besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben. Ausgestaltungen der Erfindung können als Alternativen zu vorhandenen Lösungen eine effiziente, ggf. auch passive (ohne eigene Stromversorgung) Entmagnetisierung einer Erregerwicklung ermöglichen.
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Zu einigen Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Unteransprüchen:
Nach Ausgestaltungen der Erfindung kann ein spannungsbegrenzendes Bauteil (insbesondere in Form einer Zenerdiode) mit dem Steuer-Eingang eines Schaltelements verbunden sein, insbesondere zu dessen Schutz.
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Nach Ausgestaltungen der Erfindung ist ein weiteres Schaltelement, insbesondere in Form eines Halbleiters, z.B. eines Feldeffekttransistors mit insbesondere negativer Schwellspannung und/oder in Form eines Sperrschicht-FET und/oder in Form eines Verarmungs-MOS-FET, vorgesehen, dessen Steuereingang oder Gate und dessen einer geschalteter Anschluss mit einem Widerstand verbunden sind, der mit einem weiteren Widerstand einen Spannungsteiler bildet, dessen einer geschalteter Anschluss oder Source mit dem Eingang des Schaltelements verbunden ist, und dessen weiterer geschalteter Anschluss oder Drain mit der Glättungskapazität und/oder der Wicklung verbunden ist. Damit könnte auch bei relativ kleinen Spannungen über der Glättungskapazität eine stabile Spannung am Steuereingang der Schalteinrichtung eingestellt werden, die nahezu unabhängig von der Spannung über der Glättungskapazität ist und nicht zwingend durch ein spannungsbegrenzendes Bauteil limitiert werden müsste.
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Nach Ausgestaltungen der Erfindung kann ein Lastelement in Form eines ohm’schen Widerstands oder einer Diode vorgesehen sein. Lastelemente können als Einzelbauelemente oder vorzugsweise durch Verschaltung gleichartiger Einzelbauteile realisiert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile einiger vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung.
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Dabei zeigt zur Veranschaulichung von einigen Ausgestaltungen der Erfindung, vereinfachend schematisch:
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1–3 jeweils eine Basisschaltung,
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4–9 jeweils eine Basisschaltung mit einer Bremsschaltung,
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10–15 jeweils eine Basisschaltung mit einer Bremsschaltung und einer erweiterten Ansteuerschaltung,
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16 einen Rotor mit einer Wicklung im Querschnitt,
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17 eine Synchronmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
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18 ein mit einer Synchronmaschine angetriebenes Kraftfahrzeug.
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In einer elektrisch erregten Synchron-Maschine (nachfolgend auch kurz ESM genannt) (z.B. 62 in 17, 18) kann das Magnetfeld des Rotors (z.B. 68 in 16) durch einen Strom durch die Erregerwicklung 4 erzeugt werden. Die Erregerwicklung 4 wird z.B. über ein Schleifring-Kohlebürsten-System versorgt. In einer elektrisch erregten Synchron-Maschine 62 kann das Erregerfeld steuerbar (64, 63, 611) sein. Dies kann u.a. ein Sicherheitsaspekt für ihren Einsatz in der Antriebstechnik in Elektro- oder Hybridfahrzeugen sein. Um bei einem technischen Defekt eines Umrichters 63 oder innerhalb einer ESM 62 ein abruptes Abbremsen des Fahrzeuges (z.B. 100 in 18) zu vermeiden, kann vorgesehen werden dass der Rotor 68 im Fehlerfall innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne (z.B. unter 100 ms) vollständig entmagnetisiert werden kann. Bei ESM 62, bei denen die Erregerwicklung 4 über Schleifring-Kohlebürsten-Systeme versorgt wird, geschieht dies z.B. durch Anlegen einer Gegenspannung. Dabei speist die Erregerwicklung die im Magnetfeld gespeicherte Energie zurück in einen elektrischen Speicher, wodurch das Magnetfeld der Erregerwicklung schnell abgebaut wird.
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Schleifring-Kohlebürsten-Systeme werden zunehmend durch kontaktlose Übertragungssysteme ersetzt wie das schematisch angedeutete in 17.
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In kontaktlosen Übertragersystemen könnte das Anlegen einer Gegenspannung aufwändig sein. Eine alternative technisch sinnvollste Lösung besteht darin, die im Magnetfeld der Erregerwicklung 4 gespeicherte Energie im Übertragersystem in Wärme umzusetzen. Hierfür eingesetzte Schaltungen zum Zweck der schnellen Entmagnetisierung werden im Folgenden als „Bremsschaltung" bezeichnet. Eine Bremsschaltung besteht z.B. allgemein aus drei Teilen: dem Schaltelement, der Ansteuerschaltung und dem Lastelement.
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Die 1, 2, 3 zeigen zumindest intern bekannte übliche Basisschaltungen. Als leistungsübertragende Komponente wird ein Transformator 1a, 1b verwendet. Zwischen einem Anschluss der Primärseite des Transformators 1a, 1b und einer Schalterbrücke 10a kann sich eine Resonanzkapazität 111 befinden, abhängig davon, welche Wandlertopologie verwendet wird. Die Ausgangsspannung des Transformators wird hier durch eine Diodenschaltung 2a, 2b, 2c wie z.B. in 1 oder 2 oder 3 gleichgerichtet. Zur Glättung der Ausgangsspannung befindet sich hinter dem Gleichrichter (z.B. 2a, 2b, 2c) optional eine Kapazität 3, ebenfalls abhängig davon, welche Wandlertopologie verwendet wird. Eine zu versorgende Komponente ist hier die Erregerwicklung 4 der ESM 62.
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Die Basisschaltungen (1, 2, 3) wurden in der in 4, 5, 6, 7, 8, 9 gezeigten Weise um eine Bremsschaltung. erweitert. Die primärseitige Ansteuerung des Transformators geschieht in 4, 6, 7, 9 auf die gleiche Weise wie in 1, 3, die primärseitige Ansteuerung in 5, 8 z.B. auf die gleiche Weise wie in 2.
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Als Schalter der Brücke (10a, 10b) eignen sich vorzugsweise Feld-Effekt-Transistoren und IGBTs.
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Als Transformator 1a, lb eignen sich z.B. Drehtransformatoren z.B. an sich bekannter Bauart.
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Zur Gleichrichtung der Ausgangsspannung eignen sich aus der Fachliteratur bekannte Arten von Gleichrichterschaltungen 2a, 2b, 2c.
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Nach Ausgestaltungen der Erfindung ist die Glättungskapazität 3 vorhanden, nach einigen Ausgestaltungen der Erfindung auch die Resonanzkapazität 111. Es kann vorteilhaft sein, die Glättungskapazität 3 so auszulegen, dass sie für die Funktion der gewünschten Wandlertopologie auf den kleinstmöglichen Wert reduziert ist. Die Kapazitäten 3 und 11 können aus einem einzelnen Kondensator oder der Zusammenschaltung mehrerer Kondensatoren bestehen.
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Als Lastelement 5a, 5b eignen sich Widerstände, Surpressor- und Zenerdioden. Vorzugsweise wird das Lastelement aus mehreren gleichartigen Einzelelementen zusammengesetzt.
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Als Schaltelement 6 (im Folgenden kurz Schalter 6 genannt) in der Bremsschaltung eignen sich IGBTs und vorzugsweise Feld-Effekt-Transistoren, die als Einzelelement oder Parallelschaltung mehrerer gleichartiger Bauteile ausgeführt sein können.
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Die Ansteuerschaltung in den 4 bis 9 besteht aus einem Spannungsteiler, der aus den Widerständen 7, 8 gebildet wird und einem spannungsbegrenzenden Bauteil 9, vorzugsweise einer Zenerdiode, zum Schutz des Steuereinqangs des Schalters 6.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung hinsichtlich der Ansteuerschaltung ist in den 10 bis 15 dargestellt, die die Widerstände 8 und 11 sowie den Halbleiter 12 aufweist. Für den Halbleiter 12 eignen sich Feld-Effekt-Transistoren mit negativer Schwellenspannung, hierzu gehören Sperrschicht-FETs und (vorzugsweise) Verarmungs-MOS-FETs. Das spannungsbegrenzende Bauteil 14 ist optional, wenn z.B. eine genau-definierte maximale Steuerspannung am Steuereingang des Schalters 6 festgelegt werden soll. Beim spannungsbegrenzenden Bauteil 14 handelt es sich vorzugsweise um eine Zenerdiode.
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Das hier beschriebene Konzept für Übertragersysteme unterscheidet sich von anderen zumindest intern bekannten Systemen z.B. durch die Bremsschaltung, bestehend aus
5a,
5b,
6,
7,
8,
9,
11,
12. Im Unterschied zu dem in
US 2013/0193903 gezeigten Konzept ist z.B. der Kondensator
3 vorgesehen, die Verwendung der optionalen Resonanzkapazität
111 ist vorteilhaft.
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Im Normalbetrieb wird die schaltende Brücke 10a, 10b eine Wechselspannung über der Primärseite des Transformators 1a, 1b erzeugen. Hierdurch kommt es zu einer induzierten Spannung über der Sekundärseite des Transformators, die durch eine Diodenschaltung 2a, 2b, 2c gleichgerichtet wird. Diese gleichgerichtete Spannung wird von der Kapazität 3 geglättet.
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Sobald sich über der Kapazität 3 eine gewisse Spannung aufgebaut hat, wird am Steuereingang des Schalters 6 die minimale Leitspannung erreicht, der Schalter 6 schließt und/oder wird leitend. Diese minimale Spannung über der Kapazität 3, ab der Schalter 6 leitend wird, wird im Folgenden als „Mindestspannung" bezeichnet.
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Die Höhe der Mindestspannung ist in 4 bis 9 abhängig von der minimalen Leitspannung des Schalters 6 und der Dimensionierung der Bauteile 7, 8. Die Bauteile 7, 8 bilden einen Spannungsteiler. Die Werte der Bauteile 7, 8 können so gewählt werden, dass bei der gewünschten Mindestspannung die minimale Leitspannung am Steuereingang des Schalters 6 anliegt und gleichzeitig der Strom durch die Bauteile 7 und 9 bei der maximal möglichen Spannung über 3 den für beide Bauteile wärmetechnisch zulässigen Maximalwert nicht überschreitet. Das spannungsbegrenzende Bauteil 9 kann dazu dienen, die Spannung am Steuereingang des Schalters 6 auf einen für 6 zulässigen Wert zu begrenzen, wenn die Spannung über der Kapazität 3 sehr viel höher liegt als die Mindestspannung.
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Wird die Ansteuerschaltung nach 5 bis 15 bestehend aus den Bauteilen 8, 11, 12 (und ggf. 14) verwendet, können die Bauteile 8, 11, 12 so ausgelegt werden, dass die Mindestspannung vorrangig nur noch von der Leitspannung des Schalters 6 abhängig ist. Die Bauteile 11, 12 bilden eine Schaltung, die eine strombegrenzende Eigenschaft besitzt, und im Folgenden als „Strombegrenzer" bezeichnet wird. Ein Strom durch die Drain-Source-Strecke vom weiteren Schaltelement (z.B. Halbleiter) 12 erzeugt über dem Widerstand 11 einen Spannungsabfall, der gleichzeitig die Gate-Source-Spannung vom weiteren Schaltelement 12 sein kann. Der Arbeitspunkt des Strombegrenzers ist erreicht, wenn der Spannungsabfall über 11 der für den Strom durch die Drain-Source-Strecke des weiteren Schaltelements 12 minimal erforderlichen Gate-Source-Spannung des weiteren Schaltelements 12 entspricht. Der Strom der im Arbeitspunkt des Strombegrenzers fließt wird im Folgenden als „Abschnürstrom" bezeichnet. Der Widerstand 8 ist z.B. so gewählt, dass über ihm, bei einem Strom der gleich dem Abschnürstrom ist, eine Spannung abfällt, die größer ist als die minimale Leitspannung am Steuereingang des Schalters 6 und kleiner als die maximal zulässige Spannung am Steuereingang des Schalters 6. Dabei kann von Bedeutung sein, dass der Abschnürstrom, abhängig von den elektrischen Eigenschaften von 12, eine Abhängigkeit von der Spannung über 3 und 8, sowie dem Wert von 11 und der Temperatur aufweisen kann. Die Spannung, die über dem Bauteil (z.B. ohm’scher Widerstand) 8 abfällt, wenn durch das Bauteil 8 ein Strom fließt der dem Abschnürstrom entspricht, wird im Folgenden als „Steuerspannung" bezeichnet. Soll die Steuerspannung mit den Bauteilen 8, 11, 12 so eingestellt werden, dass sie nahe der maximal zulässigen Spannung am Steuereingang des Bauteils 6 liegt, ist es aus Sicherheitsgründen anzuraten, das Bauteil 14 einzusetzen und seine Leitspannung so zu wählen, dass sie knapp unterhalb der maximal zulässigen Spannung des Steuereingangs des Bauteils 6 liegt. Wird die Steuerspannung hingegen so eingestellt, dass sie ausreichend weit unterhalb der maximal zulässigen Spannung am Steuereingang des Bauteils 6 liegt, ist das Bauteil 14 nicht erforderlich. Das optionale Bauteil 14 erfüllt damit z.B. eine Sicherheitsfunktion und begrenzt die maximale Spannung am Steuereingang des Schalters 6 für den Fall, dass z.B. durch Temperatureinwirkung/Alterung auf die Bauteile / von den Bauteilen 8, 11, 12 eine Verschiebung des Arbeitspunktes des Strombegrenzers das Bauteil 6 beschädigen kann.
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Durch den leitenden Schalter 6 wird nun die Erregerwicklung 4 direkt über die Glättungskapazität 3 geschaltet. Es baut sich nun ein Strom durch die Erregerwicklung 4 auf, ohne dass das Lastelement 5a, 5b diesem entgegenwirkt.
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Solange die Mindestspannung nicht unterschritten wird, verhalten sich die Schaltungen aus 4 bis 15 z.B. äquivalent wie die Basisschaltungen in 1 bis 3.
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Werden als Lastelemente Widerstände 5a verwendet, ist auch ein Betrieb der Erregerwicklung 4 mit Spannungen unterhalb des Mindestspannung bei geringen Erregerströmen möglich. Der Strom fließt dann durch die Serienschaltung des Lastelements 5a und der Erregerwicklung 4.
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Wenn die primärseitige Brücke 10a, 10b aufhört zu schalten, wird sich die Glättungskapazität 3 entladen. Wenn die Glättungskapazität vollständig entladen ist, kommutiert der Strom, hervorgerufen vom sich abbauenden Magnetfeld der Erregerwicklung, auf die Gleichrichterdioden 2a, 2c bzw. auf die Serienschaltung der Sekundärseite von 1a und 2b in 5, 8, 11, 14. Mit fallender Spannung über der Glättungskapazität 3 sinkt auch die Spannung am Steuereingang des Schalters 6 bis unter die minimale Leitspannung. Der Schalter 6 wird nun sperren/öffnen, und der Strom durch die Erregerwicklung muss auf das zum Schalter 6 parallel geschaltete Lastelement 5a, 5b kommutieren. Durch den nun durch das Lastelement 5a, 5b fließenden Strom wird sich über dem Lastelement eine Gegenspannung aufbauen, die zu der schnellen Entmagnetisierung der Erregerwicklung 4 führt. Ein Unterschied im Vergleich zu anderen Ansätzen liegt z.B. in der Erweiterung der Sekundärseite der drei Basisschaltungen (1, 2, 3) um eine Bremsschaltung (4, 5, 6, 7, 8, 9), die eine schnelle Entmagnetisierung – der Erregerwicklung ermöglichen kann.
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Ein Unterschied im Vergleich zu
US 2013/0193903 könnte z.B. darin gesehen werden, dass die Kapazität
3, deren primäre Aufgabe die Glättung der Ausgangsspannung ist, gleichzeitig zu einer Vereinfachung in der Ansteuerschaltung verwendet wird.
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Die Bremsschaltung in den 4 bis 9 wird z.B. aus dem Schalter 6, dem Lastelement 5a, 5b und der Ansteuerschaltung, bestehend aus den Bauteilen 7, 8, 9 gebildet.
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Für die stabile Versorgung des Steuereingangs des Schalters 6 (bzw. 9a, 9e in [i]) werden durch die topologiebedingt bereits vorhandene Kapazität 3 z.B. nur noch drei oder vier Bauteile (7, 8, 9) bzw. (8, 11, 12 ggf. 14) benötigt.
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Eine weitere Neuerung stellt die Ansteuerschaltung aus den Bauteilen 8, 11, 12 aus 10 bis 15 dar. Diese bietet den Vorteil, dass die Mindestspannung bei geeigneter Auslegung nur geringfügig höher liegt als die minimale Leitspannung des Schalters 6. Bedingt durch den Strombegrenzer bestehend aus 12, 11 ist der Strom durch den Zweig aus 12, 11, 8 ab Erreichen der Mindestspannung nahezu unabhängig von der Spannung über 3. Damit ergibt sich gleichzeitig eine lineare Abhängigkeit der Verlustleistunq der Ansteuerschaltung von der Spannung über 3.
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Bei einer Schaltung nach 4 bis 9 ist z.B. der Strom durch den Zweig 7, 8, 9 linear abhängig, die Verlustleistung (insb. von 7) quadratisch abhängig, von der Spannung über 3.
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Die Regelung des Stromes durch 11, 12 reduziert die thermische Belastung von 11, 12, 8 (ggf. 14) erheblich, wodurch Bauteile mit relativ kleinem Gehäuse eingesetzt werden können im Vergleich z.B. zu 4 bis 9. Die Regelung des Stromes kann weiterhin dazu führen, dass die Spannung am Steuereingang von 6 auch ohne ein spannungsstabilisierendes, wärmeerzeugendes Bauteil nahezu unabhängig von der Spannung über der Glättungskapazität 3 bleibt. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, ein kontaktloses Energieübertragungssystem mit einer Vorrichtung zur schnellen Entmagnetisierung von Induktivitäten in einfachster Weise zu kombinieren, z.B. gemäß 4 bis 15.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass durch eine neuartige Ansteuerschaltung des Schaltelementes der Bremsschaltung schon bei kleinen Spannungen über der Glättungskapazität 3 eine stabile Spannung am Steuereingang von 6 eingestellt werden kann, die nahezu unabhängig von der Spannung über der Glättungskapazität 3 ist und nicht zwingend durch ein spannungsbegrenzendes Bauteil limitiert werden muss.
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Ein Anwendungsgebiet für das kontaktlose Übertragersystem mit Bremsschaltung stellt der Einsatz in elektrisch erregten Synchronmaschinen dar 62, wo eine schnelle Entmagnetisierung der Erregerwicklung 4 im Fehlerfall erforderlich ist.
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Die Bremsschaltung mit einer Ansteuerschaltung nach 10 bis 14 kann überall dort Anwendung finden, wo eine schnelle Entmagnetisierung einer Induktivität erforderlich ist, das Anlegen einer Gegenspannung aber aus kosten- und/oder aufwandstechnischen Gründen vermieden werden soll. Dies kann auch unabhängig von einem kontaktlosen Übertragersystem, z.B. in Kombination mit einem Schleifring-Kohlebürsten-Systemen, geschehen.
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16 zeigt beispielhaft gemäß z.B.
DE 10 2010 043 492 A1 Wicklungen
4 eines Rotors
68.
17 zeigt beispielhaft gemäß
DE 10 2010 043 492 A1 einen Rotors
69 in einem Stator
67 einer Synchronmaschine
62, die mit einer Regelungsvorrichtung
611 und einem Umrichter oder Inverter
63 und einem Energiespeicher
64 verbunden ist.
18 zeigt eine Synchronmaschine
62 als Antrieb in einem Kraftfahrzeug
100.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010043492 A1 [0002, 0002, 0046, 0046]
- US 2013/0193903 [0002, 0002, 0028, 0037]
