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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Antriebseinheit mit einem Elektromotor
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruch 1.
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Aus
der
DE 28 31 774 C2 ist
ein Elektromotor mit einem Scheibenrotor bekannt, in dessen ebenem Luftspalt
eine eisenlose Statorwicklung angeordnet ist, der wenigstens auf
einer Seite ein permanentmagnetisierter Ring mit axial magnetisierten
Segmenten und auf beiden Seiten weichmagnetische ebene Scheiben
für den
magnetischen Rückschluss
zugeordnet sind. Koaxial zur Rotorwelle ist ein elektrodynamischer
Tachogenerator so angeordnet, dass eine möglichst kompakte Einheit von
Elektromotor und Tachogenerator entsteht.
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Die
bekannte Einheit aus Elektromotor und Tachogenerator besteht aus
koaxialen, aneinander gereihten Funktionselementen des Elektromotors und
des Tachogenerators, wobei jede Einheit für sich voll funktionsfähig ist,
wenn die einzelnen Funktionselemente voneinander getrennt werden.
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Der
Einsatz wartungsfreier elektronisch kommutierter Motoren scheiterte
zum einen an der bislang verfügbaren
Bordnetzspannung von 12 V in Kraftfahrzeugen, da bei dieser geringen
Spannung wegen der geforderten Leistung erhebliche Ströme durch
die elektronische Kommutierungsschaltung bewältigt werden müssen und
zum anderen an den Kosten für
derartige elektronische Kommutierungsschaltungen.
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Sowohl
für mechanisch
kommutierte Elektromotoren als auch für elektronisch kommutierte
Elektromotoren für
Verstelleinrichtungen in Kraftfahrzeugen ist einschließlich der
erforderlichen Getriebeteile für
die Verstelleinrichtungen ein erheblicher Platzbedarf vorzusehen,
wobei wegen der stark unterschiedlichen Umgebungsbedingungen im
Betrieb und der geforderten Betriebssicherheit derartiger Antriebseinheiten
ein erheblicher Herstellungsaufwand betrieben werden muß.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine kompakte, leichte und kostengünstig herstell- und
einsetzbare Antriebseinheit aus Elektromotor, Stromversorgungseinrichtung,
Getriebe und Elektronik mit integrierter Stromversorgung, Steuerung
und Regelung der Antriebseinheit sowie Steuerung und Überwachung
der von der Antriebseinheit angetriebenen Verstelleinrichtung bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Lösung schafft
eine kompakte, leichte und kostengünstig herstell- und einsetzbare
Antriebseinheit aus Elektromotor, Stromversorgungseinrichtung, Getriebe
und Elektronik mit integrierter Stromversorgung, Steuerung und Regelung
der Antriebseinheit sowie Steuerung und Überwachung der von der Antriebseinheit
angetriebenen Verstelleinrichtung. Da die Antriebseinheit alle für die Stromversorgung,
Steuerung und Regelung der Antriebseinheit sowie Steuerung und Überwachung
der Verstelleinrichtung erforderlichen Bauteile in einem Gehäuse zusammenfaßt, ergeben
sich die Voraussetzungen für
ein synergetisches Verschmelzen von Elektronikbausteinen mit beispielsweise
einer Einklemmschutzelektronik sowie von Elektronik und mechanischen
Bauteilen wie das Gehäuse
des Elektromotors und die Elektronikbausteine tragenden Teilen, so
daß die
Antriebseinheit in Verbindung mit der von ihr angetriebenen Verstelleinrichtung
nach Art eines Servomotors betrieben werden kann. Durch die synergetische
Vereinigung der für
eine elektronische Kommultierung erforderlichen notwendigen, aber kostenerhöhenden Stromrichterschaltung
mit einer Überwachungselektronik
für die
von der Antriebseinheit angetriebene Verstelleinrichtung ist eine
kostengünstige
Herstellung des Gesamtsystems möglich.
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Die
für unterschiedliche
Aufgaben einsetzbare Vorteile können
ein Mikrocontroller, ein Stecker oder Stecksystem, ein Positionserkennungssystem, eine
Leiterplatte oder ein Stanzgittersystem sein. Durch die Integration
der verschiedene Bauteile in das Gehäuse des Elektromotors entfällt die
Notwendigkeit, zusätzliche
Maßnahmen
zum Schutz und ggf. zur Abschirmung elektronischer Bauteile zu treffen.
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Vorzugsweise
kann die Elektronik und Stromversorgungseinrichtung in den Gehäusedeckel integriert
und ein Stecker oder Stecksystem zur Außenseite des Gehäusedeckels
geführt
werden.
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Durch
diese Maßnahme
wird die Herstellung der kompakten Antriebseinheit erleichtert und
die Montage durch die nur noch erforderliche Verbindung des Steckers
oder Stecksystems mit einer Spannungsquelle und ggf. einer zentralen
Steuerung und Regelung eines Kraftfahrzeugs vereinfacht.
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Eine
weitere Einsparung von Bauteilen ist dadurch zu erreichen, daß eine die
Elektronik- und Stromversorgungs-Bausteine
aufnehmende Leiterplatte als Teil des Gehäuses oder als Gehäusedeckel ausgebildet
ist, insbesondere, dass die Leiterplatte Bestandteil des Gehäusedeckels
ist.
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Wahlweise
kann die Leiterplatte in den Gehäusedeckel
eingespritzt werden.
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Durch
die Befestigung von Elektronik- und/oder Stromversorgungsbausteinen
bzw. einer Leiterplatte oder eines Stanzgittersystems an der Innenseite
des Gehäusedeckels
ist ein wirksamer Feuchtigkeitsschutz und Schutz vor mechanischen Beanspruchungen
gegeben.
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Durch
Einstecken oder Einclipsen eines oder mehrerer Elektronik- bzw.
Stromversorgungsbausteine in innenseitige Ausnehmungen des Gehäusedeckels
ist eine einfache Montage, ein einfacher Austausch für Reparatur-
und Prüfzwecke
sowie eine eindeutige und übersichtliche
Zuordnung mehrerer Elektronik- oder Stromversorgungsbausteine gewährleistet.
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Die
Steck- oder Clipsverbindung von Elektronik- oder Stromversorgungsbausteinen
auf der Innenseite eines Gehäusedeckels
kann mit der Anordnung von Sensorelementen kombiniert werden, die
in das Gehäuseinnere
gerichtet sind und durch ihre Integration beispielsweise in einen
Elektronikbaustein eine klare Zuordnung und kurze Übertragungswege zur
Minimierung von Störeinflüssen schaffen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung eignet
sich insbesondere für
Antriebseinheiten für
Verstelleinrichtungen mit einer Einklemmschutzvorrichtung, d.h. beispielsweise
für Fensterheber,
Schiebedächer oder
Sitzverstellungen, bei denen während
eines Schließ-
oder Verstellvorgangs die Gefahr des Einklemmens von Körperteilen
oder Gegenständen
besteht. Durch eine Nutzung der Elektronikbausteine sowohl für die Steuerung
und Regelung der Antriebseinheit als auch für Überwachungsfunktionen einer Einklemmschutzvorrichtung
können
Sensorsignale, die für
die elektronische Kommutierung des elektronisch kommutierten Antriebsmotors
wie Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungssignale benötigt werden,
auch den für
die Einklemmschutzvorrichtung vorgesehenen Elektronikbausteinen
zur Verfügung
gestellt und ausgewertet werden. Durch diese synergetische Vereinigung
der Erfassungs- und Auswerteelektronik kann das Gesamtsystem trotz
einer für
die elektronische Kommutierung erforderlichen kostenerhöhenden Stromrichterschaltung
kostengünstig
hergestellt werden.
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Der
Synergieeffekt ist bereits dadurch zu erreichen, daß für die Elektronik
der Antriebseinheit und die Elektronik der Einklemmschutzvorrichtung gemeinsame
Sensoreinrichtungen vorgesehen sind, in besonderem Maße aber
dadurch, daß die
Einklemmschutzelektronik und die Elektronik für die Ansteuerung der Stromrichterschaltung
zur Speisung elektronisch kommutierter Antriebsmotoren eine Einheit
bilden, bei der Elektronik-Bauelemente
gemeinsam genutzt werden.
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Vorzugsweise
werden die für
die Kommutierung des elektronisch kommutierten Motors erfaßten Sensorsignale
wie Positions-, Geschwindigkeit- und Beschleunigungssignale an Bauelemente
der Einklemmschutzvorrichtung abgegeben und von der Einklemmschutzvorrichtung
ausgewertet.
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Neben
oder in Ergänzung
zu einer synergetischen Vereinigung von Elektronikbausteinen sowohl für die Ansteuerung
einer Stromrichterschaltung des elektronisch kommutierten Elektromotors
als auch für dessen
Einklemmschutzvorrichtung kann die gemeinschaftli che Elektronik
zusätzlich
die Steuerung von Aktuatoren weiterer Funktionseinheiten des Kraftfahrzeugs
wie Türschloß, Lenkrad,
Rückspiegel oder
dergleichen übernehmen.
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Weiterhin
kann im Zusammenhang mit einer Memory-Einrichtung zur Einstellung
der Sitzparameter, der Innen- und Außenspiegel und des Lenkrads eine
Prioritätensteuerung
vorgesehen werden, die entsprechend einer festgelegten Staffelung
für eine zeitlich
aufeinanderfolgende Abarbeitung von Einstellbefehlen sorgt. Eine
solche Prioritätensteuerung erlaubt
eine Reduzierung des Hardwareaufwandes, da für die Steuerung der unterschiedlichen
Aktuatoren dieselben Bauelemente Verwendung finden.
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Neben
einer drahtgebundenen Kommunikation der Elektronik mit den Aktuatoren
kann auch eine drahtlose Übertragung
von Steuer- und Sensorsignalen vorgesehen werden.
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Anhand
von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll der der
Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 – eine perspektivische
Ansicht einer Antriebseinheit mit einem elektronisch kommutierten Motor
mit integrierter Elektronik, Stromrichterschaltung und Einklemmschutzvorrichtung;
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2 – eine perspektivische
Ansicht der für einen
Seilfensterheber vorgesehenen Antriebseinheit gemäß 1;
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3 – eine perspektivische
Ansicht der Innenseite eines Gehäusedeckels
mit Elektronik- und Stromrichterbausteinen;
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4 – eine Explosionsdarstellung
eines elektronisch kommutierten Scheibenläufermotors und der auf der
Innenseite eines Gehäusedeckels angeordneten
Elektronik- und Stromrichterbausteine entsprechend der Antriebseinheit
gemäß 2;
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5 – eine perspektivische
Ansicht der Innenseite eines Gehäusedeckels
einer Antriebseinheit mit integriertem Sensor und einer Ausnehmung zur
Aufnahme eines einclipsbaren Elektronikbausteins und
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6 – eine perspektivische
Ansicht entsprechend 5 beim Einsetzen eines Elektronikbausteins
in eine Ausnehmung des Gehäusedeckels.
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Die
in den 1 bis 4 dargestellte Antriebseinheit
für einen
Seilfensterheber in einem Kraftfahrzeug besteht aus mehreren Komponenten, nämlich einem
Elektromotor 9, einer den Elektromotor 9 speisenden
Stromversorgungseinrichtung, einem mit der Antriebswelle des Elektromotors 9 verbundenen
Getriebe bzw. einem Abtrieb 4 und einer Elektronik zur
Steuerung und Regelung des Elektromotors 9. Die gesamte
Antriebseinheit ist in einem Gehäuse 1 des
Elektromotors 9 angeordnet, das aus zwei Gehäuseschalen
bzw. einem Gehäuseboden 2 und
einem Gehäusedeckel 3 zusammengesetzt
ist. Der Gehäuseboden 2 weist
mehrere Flansche 21, 22, 23 zur Befestigung
der Antriebseinheit an einer Trägerplatte,
einem Türmodul
oder einem Karosserieteil auf. Der vom Elektromotor 9 angetriebene
Abtrieb besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer Seiltrommel 4,
auf der ein Seil 40 aufgewickelt und in der einen oder
anderen Richtung zum Heben und Senken einer Fensterscheibe des Kraftfahrzeugs
bewegt wird.
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Zur
Verbindung der Antriebseinheit mit einer Spannungsquelle, beispielsweise
mit der Bordbatterie des Kraftfahrzeugs, sowie mit Bedienungselementen
wie Schaltern oder Tastern bzw. einer zentralen Steuer- und Regeleinrichtung
des Kraftfahrzeugs ist ein Stecker bzw. Stecksystem 5 vorgesehen,
das mehrere Kontaktzungen oder -aufnahmen aufweist, die mit einem
entsprechenden Gegenstecker verbindbar sind. Der Gegenstecker kann
in die Öffnung des
Steckers oder Stecksystems 5 eingeführt und beispielsweise über eine
Rastverbindung mit dem Stecker oder Stecksystem 5 verbunden
werden, so daß die
elektrische Verbindung mit der Bordbatterie, den Schaltern oder
Tastern bzw. der zentralen Steuer- und Regelvorrichtung hergestellt
ist.
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Der
Gehäusedeckel 3 dient
zur Aufnahme der Ansteuerelektronik für den Elektromotor sowie für eine Einklemmschutzvorrichtung
des Seilfensterhebers. Die Stromrichter- und Elektronikbausteine 6 bis 8 sowie
weitere nicht näher
bezifferte Bauelemente der Stromrichter- und Einklemmschutzelektronik
sind auf einer Leiterplatte oder einem 10 montiert, die bzw. das
Teil des Gehäuses 1 ist
bzw. die Deckfläche des
Deckels 3 bildet.
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Wie
der perspektivischen Darstellung der Innenseite des Deckels 3 gemäß 3 zu
entnehmen ist, sind neben dem Stecker oder Stecksystem 5 ein Mikrocontroller 6,
eine Halbleiter-Endstufe 71, ein mehrere Leistungshalbleiter
beispielweise in Brückenschaltung
enthaltender Baustein 72 sowie anwendungsspezifische Bausteine
oder aktive oder passive Bauelemente 81 bis 83 angeordnet.
Eine zentrale Ausnehmung 30 dient zur Aufnahme und Lagerung
der Antriebswelle des Elektromotors 9, die auf der Gegenseite
mit einem Getriebe oder Abtrieb, im vorliegenden Ausführungsbeispiel
mit der Seiltrommel 4, verbunden ist.
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Anstelle
der in 3 dargestellten Leiterplatte 10 kann
auch ein Stanzgitter in den Gehäusedeckel 3 eingespritzt
bzw. durch Umspritzen mit Kunststoff als Teil des Gehäusedeckels 3 bzw.
als Deckel selbst ausgebildet werden.
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Der
vorzugsweise als elektronisch kommutierter Motor ausgebildete Elektromotor
kann aus einer Gleichstrommaschine, einer aktiven und reaktiven
Reluktanzmaschine, einer Synchronmaschine, einem Lynchmotor oder
dergleichen bestehen.
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Die
in den Gehäusedeckel 3 integrierte Stromrichter-
und Einklemmschutzelektronik weist eine Mehrfachfunktion sowohl
zur Steuerung und Regelung des Elektromotors als auch zur Ausbildung
einer Einklemmschutzelektronik auf. Durch die Kopplung der Antriebswelle
des Elektromotors 9 mit der Seiltrommel 4 eines
Fensterhebers kann die Position der Fensterscheibe des Seilfensterhebers
aus den Umdrehungen und der Winkelstellung des Elektromotors 9 bestimmt
werden. Weiterhin ist die Verstellgeschwindigkeit der Fensterscheibe
proportional zur Drehzahl des Elektromotors 9 und in gleicher
Weise die Beschleunigung bzw. das Abbremsen der Fensterscheibe proportional
zur Winkelbeschleunigung des Elektromotors 9. Die Positions-,
Geschwindigkeits- und Beschleunigungssignale werden für die elektronische
Kommutierung des elektronisch kommutierten Elektromotors 9 für dessen
Magnetfeldsteuerung benötigt,
wobei die Sensorsignale dem Mikrocontroller 6 zugeführt werden,
der über
die Halbleiterendstufe 71 die Bauelemente der Stromrichterschaltung 72 ansteuert.
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Die
zur Regelung des Elektromotors
9 beispielsweise in Form
einer Drehzahlregelung mit unterlagerter Stromregelung verwendeten
Sensorsignale in Verbindung mit der Positionsbestimmung der Fensterscheibe
durch Erfassen der Umdrehungen und Winkelstellung des Elektromotors
9 werden
aber auch für
eine Einklemmschutzregelung verwendet werden wie sie beispielsweise
in der
DE 196 33 415 C1 oder
der
WO 98/40945 beschrieben
ist.
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4 zeigt
in einer Explosionsdarstellung einen elektronisch kommutierten Scheibenläufermotor und
die auf der Innenseite eines Gehäusedeckels
angeordnete Elektronik- und
Stromrichterbausteine in einer Ansicht, die der in 2 dargestellten
Antriebseinheit entspricht. Aus dieser Darstellung geht die kompakte
Bauweise unter Einbeziehung sämtlicher mechanischer,
elektrischer und elektronischer Bauteile für die nach Art eines Servomotors
arbeitenden Antriebseinheit hervor. In dieser Darstellung entsprechen
die im Gehäusedeckel 3 integrierten
Elektronikbausteine der Darstellung gemäß 3. Der elektronisch
kommutierte Scheibenläufermotor 9 besteht aus
einer mit Leiterschleifen 91 versehenen Läuferscheibe 90,
die sich in einem Magnetfeld befindet, das von den Permanentmagneten 92 gebildet
wird. Die Motorwelle 93 ist mit der Seiltrommel 4 mit
spiralförmiger
Seilführungsrille 41 als
Abtrieb verbunden.
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In
den 5 und 6 ist eine Variante der erfindungsgemäßen Lösung dargestellt,
bei der die Ansteuerelektronik für
einen Elektromotor sowie eine für
die betreffende Verstelleinrichtung vorgesehene Überwachungselektronik und ggf.
eine Elektronik zur Steuerung weiterer Funktionseinheiten wie beispielsweise
eines Türschlosses
oder eines Türspiegels
in Verbindung mit einem Seilfensterheber als Verstelleinrichtung
in einem Elektronikbaustein 15 gemäß 6 zusammengefaßt und in
einen Gehäuseboden 2 oder
alternativ in einen Gehäusedeckel 3 integriert ist.
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Zu
diesem Zweck weist der Gehäuseboden 2 eine
Ausnehmung 20 auf, die mit Clipsen 21, 22, 23 zum
Einsetzen und Verriegeln des Elektronikbausteins 15 und
mit einem Stecker bzw. Stecksystem 5 versehen ist. In die
Ausnehmung 20 ist ein Sensorelement 13, das beispielsweise
als magnetischer oder optischer Sensor ausgebildet sein kann, eingesetzt. Für bürstenkommutierte
Elektromotoren sind zu beiden Seiten der Ausnehmung 20 Bürsten 11, 12 vorgesehen
und in der Mitte des Gehäusebodens 2 eine Aufnahme 30 für die Motorwelle
des Elektromotors angeordnet.
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Wie
der Darstellung gemäß 6 zu
entnehmen ist, wird der Elektronikbaustein 15 in die Ausnehmung 20 so
eingesetzt, daß die
am Elektronikbaustein 15 vorgesehenen Kontaktelemente mit
den Kontakten des Steckers oder Stecksystems 5 in Eingriff
treten und damit die elektrische Verbindung zu einer Spannungsquelle,
Bedienungselementen und/oder einer zentralen Steuer- und Regeleinrichtung
herstellen. Weiterhin weist der Elektronikbaustein 15 eine
gehäuseartige
Erhebung 16 auf, die mit dem Sensorelement 13 fluchtet
und bei vollständig
in die Ausnehmung 20 eingesetztem Elektronikbaustein 15 das
Sensorelement 13 umgibt. Alternativ kann das Sensorelement 13 unmittelbar
in der Erhebung 16 am Elektronikbaustein 15 angeordnet
werden.
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Der
Elektronikbaustein 15 läßt unterschiedliche
Ausführungsformen
in Abhängigkeit
von der Art des Elektromotors zu.
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In
einer ersten Ausführungsform
für bürstenkommutierte
Maschinen wird über
die Kontakte des Elektronikbausteins 15 und den Stecker
bzw. das Stecksystem 5 eine Kontaktierung zu den Bürsten 11, 12 hergestellt
und der Elektronikbaustein 15 enthält gemeinsame Bausteine zur
Steuerung und Regelung des bürstenkommutierten
Elektromotors und einer Einklemmschutzvorrichtung.
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In
einer zweiten Ausführungsform
für elektronisch
kommutierte Maschinen wird über
die Kontakte des Elektronikbausteins 15 und den Stecker
bzw. das Stecksystem 5 eine Kontaktierung zu den Leistungsschaltern
und Spulen der Elektronik hergestellt, die sowohl eine Einklemmschutzschaltung
beinhaltet als auch eine Schaltung zur Ansteuerung des elektronisch
kommutierten Elektromotors, so daß eine sogenannte „Mechatronic-Einheit" gebildet wird.
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- 1
- Gehäuse (Antriebseinheit)
- 2
- Gehäuseboden
- 20
- Ausnehmung
- 21–23
- Clipse
- 3
- Gehäusedeckel
- 30
- Aufnahme
- 4
- Seiltrommel
- 40
- Seil
- 41
- Seilführungsrille
- 5
- Stecker/Stecksystem
- 6
- Mikrocontroller
- 71
- Halbleiterendstufe
- 72
- Leistungshalbleiter/Bauelemente
der Stromrichterschaltung
- 81–83
- Anwendungsspezifische
Bausteine/aktive, passive Bauelemente
- 9
- Elektromotor/elektronisch
kommutierter Scheibenläufermotor
- 90
- Läuferscheibe
- 91
- Leiterschleifen
- 92
- Permanentmagnete
- 93
- Motorwelle
- 10
- Leiterplatte/Stanzgitter
- 11,12
- Bürsten
- 13
- Sensorelement
- 15
- Elektronikbaustein
- 16
- Erhebung