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Die Erfindung betrifft eine Motorsteuerungseinheit zur Ansteuerung eines Elektromotors nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Elektromotorbaugruppe nach Anspruch 10.
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Die Ansteuerung eines Elektromotors erfolgt bekanntermaßen durch eine Motorsteuerungseinheit in Form einer Leistungselektronik. Die Motorsteuerungseinheit bewirkt die für den Elektromotor gewünschte Kommutierung über die Einstellung der Phasenspannungen des Elektromotors und enthält dabei Schaltelemente, die als IGBT und aufgrund der zunehmenden Motorspannungen und gestiegenen Ansprüche an den Energieverbrauch als Wideband-Gap Halbleiter, beispielsweise als SiC-Leistungshalbleiter oder als GaN-Leistungshalbleiter, ausgeführt sein können.
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Die aus der Motorsteuerungseinheit, dem Elektromotor und den elektrischen Verbindungen zwischen der Motorsteuerungseinheit und dem Elektromotor bestehende Elektromotorbaugruppe kann beispielsweise als Fahrantrieb in einem Fahrzeug eingebaut sein. Die dabei im Hochvoltbereich betriebenen Elektromotoren werden durch schnell schaltende Schaltelemente der Motorsteuerungseinheit angesteuert. Durch die hohen Spannungsgradienten bei jedem Schaltvorgang der Schaltelemente können steile Spannungsanstiege der gepulsten Phasenspannungen auftreten. Beispielsweise können die durch diese hohen Spannungsgradienten ausgelösten Spannungsimpulse zu Teilentladungen in der Statorisolierung führen, die Durchschläge in der Statorwicklung zur Folge haben können. Um die Spannungsimpulse zu verringern, ist es bekannt, die Anstiegszeit der Spannungsflanken und damit die Spannungsgradienten durch geeignete Ausgangsfilter zu verringern. Dabei werden Ausgangsfilter eingesetzt, die als du/dt-Filter, als Sine-Former oder insbesondere bei geeigneter Wahl der Resonanzfrequenz derartiger du/dt-Filter als Sinusfilter ausgeführt sein können.
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Eine Motorsteuerungseinheit mit einem Ausgangsfilter ist beispielsweise in
US 5,686,806 A1 beschrieben. Darin wird ein Ausgangsfilter zwischen die Motoransteuerung und die elektrische Verbindung zu dem Elektromotor geschaltet. Der Ausgangsfilter ist ein Tiefpassfilter mit einem ohmschen Widerstand zur Dämpfung der elektrischen Energie bei der Ansteuerung des Elektromotors.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Elektromotorbaugruppe mit einem Elektromotor zu verbessern. Die Motorsteuerungseinheit und die Elektromotorbaugruppe soll zuverlässiger, beständiger, länger haltbar sein, sowie weniger Energie verbrauchen. Der Bauraum der Motorsteuerungseinheit soll verringert werden.
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Wenigstens eine dieser Aufgaben wird durch eine Motorsteuerungseinheit mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Dadurch kann die Ansteuerung des Elektromotors verbessert und der Elektromotor effizienter betrieben werden. Die Motorsteuerungseinheit kann günstiger hergestellt und kleiner aufgebaut werden. Der durch die Induktionselemente eingenommene Bauraum kann verringert werden.
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Die elektromagnetische Kopplung über das Kopplungselement erfolgt bevorzugt mit einer magnetischen Permeabilität, die wenigstens 10 mal so hoch, insbesondere wenigstens 100 mal so hoch wie die von Luft ist.
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Die Motorsteuerungseinheit kann in einem Fahrzeug oder einem anderem Verkehrs- oder Transportmittel eingebaut sein. Die Motorsteuerungseinheit kann mit dem Elektromotor einen Antrieb des Fahrzeugs bewirken. Die Motorsteuerungseinheit kann einem Hybridmodul des Fahrzeugs zugeordnet sein. Der Elektromotor kann zumindest drei oder mehr Motorphasen aufweisen.
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Das Induktionselement kann in dem Schaltmodul integriert sein. Dadurch können die Bauteil- und Herstellungskosten der Motorsteuerschaltung verringert werden. Das Induktionselement kann dem Schaltmodul als externes Modul eigenständig zugeordnet sein. Das Schaltmodul kann wenigstens einen Zwischenkreiskondensator aufweisen.
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Das Kopplungselement kann die erste und zweite Induktivität elektromagnetisch miteinander bevorzugt seriell und/oder parallel koppeln. Die erste und zweite Induktivität können eine gleiche oder bevorzugt eine entgegengesetzte Polung aufweisen. Durch eine unterschiedliche Polung kann eine Sättigung des Kopplungselements verringert oder verhindert werden.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist das Schaltmodul zur Erzeugung wenigstens eines zweiten Phasensignals an einer zweiten Motorphase des Elektromotors ein zweites Halbbrückenmodul auf wobei das zweite Induktionselement dem zweiten Halbbrückenmodul zugeordnet und wirksam zwischen dem zweiten Halbbrückenmodul und dem Elektromotor angeordnet ist.
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Das erste sowie das zweite oder ein weiteres Halbbrückenmodul können gemeinsam auch einer einzelnen Motorphase zugeordnet sein. Die einer jeweiligen Motorphase zugeordneten Halbbrückenmodule können parallel verschaltet sein. Dadurch kann die Leistung der Motorphase erhöht werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist das Induktionsmodul als Filtermodul zur Filterung des von dem ersten Halbbrückenmodul an den Elektromotor ausgegebenen ersten Phasensignals ausgeführt. Das Filtermodul kann auch zur Filterung des von dem zweiten Halbbrückenmodul an den Elektromotor ausgegebenen zweiten Phasensignals ausgeführt sein. Das Filtermodul kann einen Tiefpassfilter bilden. Das Filtermodul kann einen du/dt-Filter, insbesondere einen Sinusfilter, oder einen Sine-Former oder gleichartige Filter bilden. Dadurch können die Spannungsgradienten des Schaltmoduls verringert und die elektrischen Belastungen in der Statorwicklung des Elektromotors verringert werden. Durch einen Sinusfilter kann der Elektromotor mit einem besseren Wirkungsgrad betrieben werden. Die Wärmebelastung in dem Elektromotor kann abnehmen. Alternativ oder zusätzlich kann das Induktionsmodul einen Gleichspannungswandler bilden.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist das Kopplungselement einen die erste Induktivität beeinflussenden und magnetisierbaren ersten Wirkabschnitt, der dem ersten Induktionselement zugeordnet ist und einen die zweite Induktivität beeinflussenden und magnetisierbaren zweiten Wirkabschnitt, der dem zweiten Induktionselement zugeordnet ist, auf. Der magnetische Fluss in dem ersten und/oder zweiten Wirkabschnitt ist bei anliegendem äußeren Magnetfeld größer als in dessen Umgebung, insbesondere größer als in Luft.
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In einer speziellen Ausführung der Erfindung weist das Kopplungselement einen magnetisierbaren Kopplungsabschnitt auf, der den ersten und zweiten Wirkabschnitt elektromagnetisch außerhalb des ersten und zweiten Induktionselements miteinander verbindet. Der magnetische Fluss in dem Kopplungsabschnitt ist bei anliegendem äußeren Magnetfeld größer als in dessen Umgebung, insbesondere größer als in Luft.
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In einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung sind das erste und zweite Induktionselement entlang einer ersten Achse benachbart angeordnet und der Kopplungsabschnitt erstreckt sich im Wesentlichen entlang der ersten Achse.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist das Kopplungselement einen zu der ersten Induktivität beitragenden und magnetisierbaren weiteren Wirkabschnitt, der dem ersten Induktionselement zugeordnet ist, auf. Das Kopplungselement kann zusätzlich einen zu der zweiten Induktivität beitragenden und magnetisierbaren weiteren Wirkabschnitt, der dem zweiten Induktionselement zugeordnet ist, aufweisen.
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In einer speziellen Ausführung der Erfindung sind der erste und weitere Wirkabschnitt entlang einer zu der ersten Achse senkrecht verlaufenden zweiten Achse benachbart angeordnet. Der zweite und weitere Wirkabschnitt können entlang der zweiten Achse benachbart angeordnet sein. Der erste Wirkabschnitt und weitere Wirkabschnitt können eine gleiche oder unterschiedliche Länge aufweisen. Der erste und weitere Wirkabschnitt können in dem ersten Induktionselement gleichmäßig oder versetzt zueinander angeordnet sein. Der Kopplungsabschnitt kann den ersten und weiteren Wirkabschnitt elektromagnetisch miteinander verbinden. Der Kopplungsabschnitt kann den zweiten und weiteren Wirkabschnitt elektromagnetisch miteinander verbinden
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In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist das Kopplungselement aus einem ferromagnetischen Material aufgebaut. Das Kopplungselement kann einen Eisenkern umfassen. Die magnetische Permeabilität des Kopplungselements kann bevorzugt viel größer als die von Luft sein.
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Weiterhin wird zur Lösung wenigstens einer der zuvor genannten Aufgaben eine Elektromotorbaugruppe nach Anspruch 10 vorgeschlagen. Der Elektromotor kann in einem Fahrzeug eingebaut sein. Der Elektromotor kann einen Antrieb des Fahrzeugs oder eines anderen Verkehrs- oder Transportmittels bewirken. Der Elektromotor kann einem Hybridmodul des Fahrzeugs zugeordnet sein.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:
- 1: Ein Blockschaltbild einer Motorsteuerungseinheit in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 2: Ein Blockschaltbild einer Motorsteuerungseinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 3: Eine Motorsteuerungseinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 4: Eine Motorsteuerungseinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 5: Eine Motorsteuerungseinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 6: Eine Motorsteuerungseinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 7: Eine Motorsteuerungseinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 8: Eine Motorsteuerungseinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Motorsteuerungseinheit 10 in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Die Motorsteuerungseinheit 10 ist Teil einer Elektromotorbaugruppe 12 der ein Elektromotor 14 zugehört, der wiederum durch die Motorsteuerungseinheit 10 angesteuert wird. Die Elektromotorbaugruppe 12 kann in einem Fahrzeug eingebaut sein. Der Elektromotor 14 kann einen Antrieb des Fahrzeugs bewirken und einem Hybridmodul des Fahrzeugs zugeordnet sein. Der Elektromotor 14 weist n Motorphasen Pi, also angefangen von einer ersten Motorphase P1 bis zu einer n-ten Motorphase Pn auf, über die die Ansteuerung des Elektromotors 14 ausgehend von der Motorsteuerungseinheit 10 erfolgt.
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Die Motorsteuerungseinheit 10 umfasst ein Schaltmodul 16, das n Halbbrückenmodule Mi, also angefangen von einem ersten Halbbrückenmodul M1 bis zu einem n-ten Halbbrückenmodul Mn aufweist. Jedes Halbbrückenmodul Mi ist beispielsweise jeweils einer Motorphase Pi des Elektromotors 14 zugeordnet und bewirkt jeweils ein Phasensignal an der jeweiligen Motorphase Mi. Beispielsweise ist das erste Halbbrückenmodul M1 der ersten Motorphase P1 des Elektromotors 14 zugeordnet und bewirkt ein erstes Phasensignal an der ersten Motorphase P1. Auch können beispielsweise das erste und zweite Halbbrückenmodul M1 und M2 der ersten Motorphase P1 zugeordnet sein. Jedes Halbbrückenmodul Mi weist bevorzugt wenigstens zwei Schaltelemente 18 auf, die als IGBT oder andere Wideband-Gap-Halbleiter, beispielsweise SiC-Leistungshalbleiter oder GaN-Leistungshalbleiter ausgeführt sein können.
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Weiterhin umfasst die Motorsteuerungseinheit 10 ein Induktionsmodul 20, das m Induktionselemente Fi, also angefangen von einem ersten Induktionselement F1 bis zu einem m-ten Induktionselement Fm, aufweist. Ein Induktionselement Fi ist hier insbesondere jeweils einem Halbbrückenmodul Mi zugeordnet und wirksam zwischen dem jeweiligen Halbbrückenmodul Mi und dem Elektromotor 14 angeordnet. Beispielsweise ist das erste Induktionselement F1 dem ersten Halbbrückenmodul M1 zugeordnet. Die Anzahl m an Induktionselementen Fi ist somit gleich der Anzahl n an Halbbrückenmodulen Mi. Jedoch kann die Anzahl an Induktionselementen Fi auch unterschiedlich zu der Anzahl n an Halbbrückenmodulen Mi sein.
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Jedes Induktionselement Fi weist dabei eine Induktivität Li, also angefangen von einer ersten Induktivität L1 bis zu einer m-ten Induktivität Lm, auf. Beispielsweise weist das erste Induktionselement F1 eine erste Induktivität L1 auf. Die jeweilige Induktivität Li lässt sich durch geeignete Spulenwicklung in dem jeweiligen Induktionselement Fi beeinflussen. Beispielsweise kann die Polung in dem jeweiligen Induktionselement Fi über alle Induktionselemente Fi hinweg gleich oder bevorzugt unterschiedlich sein.
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Das Induktionsmodul 20 ist bevorzugt als Filtermodul 22 ausgeführt zur Filterung der von dem jeweiligen Halbbrückenmodul Mi an den Elektromotor 14 über die Motorphasen Pi ausgegebenen jeweiligen Phasensignale. Das Filtermodul 22 kann einen Tiefpassfilter, insbesondere einen du/dt-Filter, besonders bevorzugt einen Sinusfilter oder Sine-Former oder einen anderen Filter bilden. Durch einen du/dt-Filter können die Spannungsgradienten des Schaltmoduls 16 zur Ansteuerung des Elektromotors 14 verringert und dadurch die elektrischen Belastungen in der Statorwicklung des Elektromotors 14 verringert werden. Durch einen Sinusfilter kann der Elektromotor 14 mit einem besseren Wirkungsgrad betrieben werden. Die Wärmebelastung in dem Elektromotor 14 kann abnehmen.
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Das Induktionsmodul 20 weist ein den Induktionselementen Fi gemeinsam zugeordnetes magnetisierbares Kopplungselement 24 auf, über das die jeweiligen Induktivitäten Li elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind. Dadurch kann der durch die Induktionselemente Fi eingenommene Bauraum verringert werden. Die Motorsteuerungseinheit 10 kann günstiger hergestellt und kleiner aufgebaut werden. Das Kopplungselement 24 koppelt hier insbesondere die jeweiligen Induktivitäten Li elektromagnetisch seriell miteinander. Durch eine unterschiedliche Polung der jeweiligen Induktivitäten Li kann ein Gleichanteil des magnetischen Flusses verringert oder verhindert werden.
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Das Kopplungselement 24 ist aus einem ferromagnetischen Material aufgebaut und umfasst einen Eisenkern. Die magnetische Permeabilität des Kopplungselements 24 kann bevorzugt viel größer, beispielsweise mehr als 100 mal höher als die von Luft sein. Das Kopplungselement 24 weist m jeweils magnetisierbare Wirkabschnitte Bi, angefangen von einem ersten Wirkabschnitt B1 bis hin zu einem m-ten Wirkabschnitt Bm, auf, die dem jeweiligen Induktionselement Fi zugeordnet sind und dabei die Induktivitäten Li jeweils beeinflussen. Das Kopplungselement 24 weist einen magnetisierbaren Kopplungsabschnitt 26 auf, der die Wirkabschnitte Bi elektromagnetisch außerhalb der Induktionselemente Fi miteinander verbindet.
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Beispielsweise ist der magnetisierbare erste Wirkabschnitt B1 dem ersten Induktionselement F1 zugeordnet und beeinflusst die erste Induktivität L1 und der magnetisierbare zweite Wirkabschnitt B2 ist dem zweiten Induktionselement F2 zugeordnet und beeinflusst die zweite Induktivität L2. Der magnetische Fluss in dem ersten und zweiten Wirkabschnitt B1, B2 ist bei anliegendem äußeren Magnetfeld größer als in dessen Umgebung, insbesondere größer als in Luft. Dadurch können die jeweiligen Induktivitäten Li kleiner aufgebaut werden.
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In 2 ist ein Blockschaltbild einer Motorsteuerungseinheit 10 in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Halbbrückenmodule Mij sind hier in einer Matrixanordnung mit einer Anzahl I an Spalten und einer Anzahl k an Zeilen angeordnet. Jedes Halbbrückenmodul Mij weist ein Induktionselement Fij auf.
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Die Induktionselemente F1i sind entlang einer ersten Achse 28 benachbart angeordnet und die Induktionselemente Fkj sind entlang einer gegenüber der ersten Achse 28 senkrecht verlaufenden zweiten Achse 30 benachbart angeordnet. Der Kopplungsabschnitt 26 erstreckt sich entlang der ersten Achse 28 und der zweiten Achse 30 außerhalb der Induktionselemente Fij und verbindet die Wirkabschnitte Bij elektromagnetisch miteinander. Der magnetische Fluss in dem Kopplungsabschnitt 26 ist bei anliegendem äußeren Magnetfeld größer als in dessen Umgebung, insbesondere größer als in Luft.
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Die Halbbrückenmodule Mij können in serieller und/oder paralleler Anordnung miteinander verschaltet sein. Beispielsweise kann jedes einzelne Halbbrückenmodul Mij einer Motorphase zugeordnet sein, womit insgesamt I x k Motorphasen angesteuert werden. Auch können die in einer jeweiligen Spalte i angeordneten Halbbrückenmodule Mij gemeinsam einer Motorphase zugeordnet sein, womit insgesamt I Motorphasen angesteuert werden.
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3 zeigt eine Motorsteuerungseinheit 10 in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung. Das Schaltmodul 16 besteht aus drei Halbbrückenmodulen Mi, die entlang der ersten Achse 28 benachbart angeordnet sind. Das Induktionsmodul 20 ist in dem Schaltmodul 16 integriert. Die jedem Halbbrückenmodul Mi jeweils zugeordneten Induktionselemente Fi weisen jeweilige Induktivitäten Li auf, die über das Kopplungselement 24 elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind.
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Im 4 ist eine Motorsteuerungseinheit 10 in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Halbbrückenmodule Mij sind dabei von M11 bis M23 in einer Matrixanordnung aufgebaut. Das Induktionsmodul 20 ist in dem Schaltmodul 16 integriert. Die jedem Halbbrückenmodul Mij zugeordneten Induktionselemente Fij weisen jeweilige Induktivitäten Lij auf, die über das Kopplungselement 24 elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind. Der außerhalb der jeweiligen Induktionselemente Fij angeordnete Kopplungsabschnitt 26 erstreckt sich dabei hauptsächlich entlang der zweiten Achse 30.
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5 zeigt eine Motorsteuerungseinheit 10 in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung. Die jeweiligen Wirkabschnitte Bi der Induktionselemente Fi sind gleichmäßig lang und gleichmäßig in den jeweiligen Induktionselementen Fi angeordnet. Jedem Induktionselement Fi sind dabei zwei Wirkabschnitte Bi und Bi' zugeordnet. Beispielsweise umfasst das erste Induktionselement F1 einen ersten Wirkabschnitt B1 und einen weiteren Wirkabschnitt B1', die beide durch den Kopplungsabschnitt 26 außerhalb der Induktionselemente Fi elektromagnetisch miteinander verbunden sind.
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In 6 ist eine Motorsteuerungseinheit 10 in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hier sind der Wirkabschnitte Bi und die weiteren Wirkabschnitte Bi' versetzt zueinander angeordnet. Die Wirkabschnitte Bi und die weiteren Wirkabschnitte Bi' sind durch den Kopplungsabschnitt 26 außerhalb der Induktionselemente Fi elektromagnetisch miteinander verbunden.
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7 zeigt eine Motorsteuerungseinheit 10 in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung. Die Induktionselemente Fi sind entlang der ersten Achse 28 benachbart angeordnet. Der Kopplungsabschnitt 26 erstreckt sich dabei außerhalb der Induktionselemente Fi im Wesentlichen entlang der ersten Achse 28.
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In 8 ist eine Motorsteuerungseinheit 10 in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Induktionselemente Fi sind eigenständig dem Schaltmodul 16 zugeordnet. Dabei ist das Induktionsmodul 20 beispielsweise als externes Modul an dem Schaltmodul 16 angebunden. Dadurch kann die Anzahl und Anordnung der jedem Halbbrückenmodul Mi zugeordneten Induktionselemente Fi beliebig nach Anforderung gewählt werden. Beispielsweise kann jedem Halbbrückenmodul Mi ein Induktionselement Fi zugeordnet werden.
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Jedoch kann auch vorgesehen sein, einem oder mehreren Halbbrückenmodulen Mi kein Induktionselement Fi zuzuordnen oder einem Halbbrückenmodul Mi mehrere Induktionselemente Fi zuzuordnen. Beispielsweise können zwei Halbbrückenmodule Mi gemeinsam einem Induktionselement Fi und einer Motorphase zugeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Motorsteuerungseinheit
- 12
- Elektromotorbaugruppe
- 14
- Elektromotor
- 16
- Schaltmodul
- 18
- Schaltelement
- 20
- Induktionsmodul
- 22
- Filtermodul
- 24
- Kopplungselement
- 26
- Kopplungsabschnitt
- 28
- erste Achse
- 30
- zweite Achse
- B1
- erster Wirkabschnitt
- B2
- zweiter Wirkabschnitt
- Bi
- Wirkabschnitt
- Bi'
- Wirkabschnitt
- Bij
- Wirkabschnitt
- Bm
- m-ter Wirkabschnitt
- F1
- erstes Induktionselement
- F2
- zweites Induktionselement
- Fm
- m-tes Induktionselement
- Fi
- Induktionselement
- Fij
- Induktionselement
- L1
- erste Induktivität
- L2
- zweite Induktivität
- Li
- Induktivität
- Lm
- m-te Induktivität
- M1
- erstes Halbbrückenmodul
- Mn
- n-tes Halbbrückenmodul
- Mi
- Halbbrückenmodul
- Mij
- Halbbrückenmodul
- P1
- erste Motorphase
- Pn
- n-te Motorphase
- Pi
- Motorphase
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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