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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen,
wobei ein Kühlwasser
durch einen Kühler
und die Kraftmaschine zirkuliert wird. Genauer gesagt betrifft die
vorliegende Erfindung eine Kühlungsvorrichtung
des Typs, bei dem eine kürzere
Zeitdauer einer Kraftmaschinenaufwärmbetriebsart erreicht werden
kann.
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Es
ist gefordert worden, dass eine Zeitdauer einer Kraftmaschinenaufwärmbetriebsart
verkürzt wird.
Um diese Anforderung zu erfüllen,
wird in dem
US-Patent Nr. 5,435,277 eine
Vorrichtung bereitgestellt, bei der eine Menge von Wasser mit hoher
Temperatur in eine Kraftmaschine eingespritzt wird, wann immer die
Kraftmaschine gestartet wird, wodurch die Aufwärmoperation der Kraftmaschine
beschleunigt wird. Somit kann die Zeitdauer für eine Kraftmaschinenaufwärmbetriebsart
verkürzt
werden.
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Zur
Ausführung
einer derartigen Einspritzung von hochtemperiertem Wasser muss jedoch
ein Tank zur Speicherung vorbereitet werden. Zusätzlich muss ein zusätzlicher
Wasserdurchgang an die vorhandene Wasserzirkulationsleitung angeschlossen werden,
wobei die sich ergebende zugehörige
Komplexität
des Aufbaus einen Zusammenbau unhandlich macht.
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In
Anbetracht der vorstehend genannten Umstände wird eine Kühlvorrichtung
für eine
Verbrennungskraftmaschine gewünscht,
die von den vorstehend genannten Schwierigkeiten frei ist.
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Um
die vorstehend genannten Aufgaben zu erfüllen, stellt die vorliegende
Erfindung eine Kühlungsvorrichtung
für eine
Verbrennungskraftmaschine bereit, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben
ist.
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Vorteilhafte
Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die
vorstehend genannten und weiteren Gegenstände, Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen
Beschreibung bevorzugter beispielhafter Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung besser ersichtlich.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Kühlungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 eine
Querschnittsansicht einer Flüssigkeitspumpe,
die in 1 gezeigt ist,
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3 eine
Querschnittsansicht, die entlang einer Linie A-A in 2 entnommen
ist,
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4 eine
Querschnittsansicht einer anderen Flüssigkeitspumpe als eine Modifikation
der in 2 gezeigten Flüssigkeitspumpe,
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5 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Kühlungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung und
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6 eine
Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Stromzufuhr zu einer
Phasenwicklung und einer Winkelposition einer Ausgabewelle eines
Motors zeigt.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf
die beigefügte
Zeichnung ausführlich
beschrieben.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist zuerst eine Kühlungsvorrichtung
veranschaulicht, die als ein Hauptelement eine Flüssigkeits-
oder Wasserpumpe 1 aufweist, die bei einer Verbrennungskraftmaschine 3 fest
angebracht ist. Die Kraftmaschine 3 wird mit einem Kühlwasser
von einem Kühler 12 versorgt
und das resultierende Kühlwasser
geht durch einen Durchgang 17 in der Kraftmaschine 3 hindurch.
Das Kühlwasser,
das während
einer Bewegung durch die Kraftmaschine 3 auf Grund einer
Wärmeübertragung von
der Kraftmaschine 3, die bei einer hohen Temperatur ist,
zu dem Kühlwasser,
das bei einer niedrigeren Temperatur ist, auf eine heiße Temperatur
erwärmt
wird, wird zu dem Kühler 12 zurückgeführt. Während das
Kühlwasser
durch den Kühler 12 hindurchgeht,
wird eine Wärmeübertragung
von dem Kühlwasser
zu einer Umgebungsluft durch einen engen Kontakt dazwischen in dem
Kühler 13 etabliert, wodurch
das Kühlwasser
wieder gekühlt
wird, und ein derartiges Kühlwasser
wird wieder verwendet, um die Kraftmaschine 3 zu kühlen. Somit
führt ein
Zirkulierenlassen des Kühlwassers
durch den Kühler 13 und
die Kraftmaschine 3 ein kontinuierliches Kühlen der
Kraftmaschine 3 aus.
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Unter
Bezugnahme auf 2 ist als nächstes der detaillierte Aufbau
der Wasserpumpe 1 veranschaulicht, die verwendet wird,
um das Kühlwasser durch
den Radiator 12 und die Kraftmaschine 3 zirkulieren
zu lassen. Zum Antreiben oder Laufenlassen der Wasserpumpe 1 wird
ein elektrischer Motor 2 zur Umwandlung einer elektrischen
Eingabe von einer (nicht gezeigten) Batterie in eine mechanische
Ausgabe verwendet. Ein Steuerungsbereich 14 ist bei dem
Motor 8 zur Aktivierung und Deaktivierung einer jeweiligen
Phasenwicklung oder Spule 8 des Motors 2 bereitgestellt.
Der Steuerungsbereich 14 ist ein Abschnitt einer Steuerungsvorrichtung 13,
die verschiedene Eingangs- und Ausgangssignale bzgl. einer Fahrzeugfahrsteuerung
verarbeitet.
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Der
elektrische Motor 2, der die Form eines bürstenlosen
Gleichstrommotors aufweist, umfasst eine Ausgabewelle 7,
an der ein Rotor 6 fest angebracht ist und die bei einem
zugehörigen
entfernten Ende mit einem aus Metall hergestellten Flügelrad 5 zum
Zirkulierenlassen des Kühlwassers
versehen ist, einen Kern 15, der außerhalb des Rotors 6 positioniert
ist, so dass ein Raum dazwischen definiert ist, einen Stator 9,
der durch den Kern 15 und eine Vielzahl von gleichmäßig geneigten,
winkelig beabstandeten Spulen 8, die innerhalb des Kerns 15 angeordnet
sind, gebildet wird, sowie ein Gehäuse 10, das in sich
den Stator 9 aufnimmt und bei der Kraftmaschine 3 befestigt
ist.
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Bei
einem Innenseitenabschnitt des Stators 9 ist eine Unterteilungswand 16 befestigt,
die die veranschaulichte Form aufweist, wodurch eine Kammer 11 dazwischen
definiert wird, in die das Kühlwasser fließt. Es ist
anzumerken, dass die Unterteilungswand 11 als ein Dichtungselement
wirkt, um ein Fließen
des Kühlwassers
zu dem Stator 9 von der Kammer 16 zu verhindern.
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Das
entfernte Ende der Welle 7, an der das Flügelrad 5 angebracht
ist, ist in einen Mittelabschnitt 17 des Durchgangs, der
in einem Gehäuse 18 ausgebildet
ist, ausgedehnt. Der Mittelabschnitt 17 ist in dem Durchgang
positioniert, durch den das Kühlwasser
hindurchgeht. Ein Basisende der Welle 9 ist auf einem flachen
Lager 19 gelagert, das in der in der Unterteilungswand 16 eingepasst
ist, die bei dem Gehäuse 18 befestigt
ist. Die Welle 7 ist ebenso auf einem flachen Lager 20 gelagert,
das in dem Gehäuse 18 eingepasst
ist, um zwischen der Kammer 11 und dem Mittelabschnitt 17 in
dem Durchgang angeordnet zu sein. Das flache Lager 20 ist
in sich mit einer Vielzahl von sich axial erstreckenden Durchgängen (nicht
gezeigt) für
eine konstante Flüssigkeits-
bzw. Fluidverbindung zwischen der Kammer 11 und dem Mittelabschnitt 17 des
Durchgangs versehen.
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In
der Kammer 11 ist ein Temperatursensor 21 zur
Bestimmung einer Temperatur des Kühlwassers installiert. Die
Kühlwassertemperatur,
die bei dem Temperatursensor 21 bestimmt wird, wird dem Steuerungsbereich 14 als
ein elektrisches Signal zugeführt
und wird zur Steuerung der Spulen 8 verwendet.
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Der
Rotor 6, der die Form eines kreisförmigen Magneten aufweist, ist
auf die Welle 7 gedrückt und
ist daran durch ein Bondverfahren bzw. Verkleben befestigt. Eine
Außenoberfläche des
kreisförmigen
Magneten 6 weist zwei Paare von N-Polen und S-Polen auf,
die abwechselnd durch ein Magnetisieren erzeugt werden, wie es in 3 gezeigt
ist. Natürlich
ist es möglich,
an Stelle des kreisförmigen
Magneten 6 separate Magnete zu verwenden, die bereits magnetisiert
sind oder zuvor magnetisiert worden sind, wobei die Polanzahl nicht
wie in 3 gezeigt begrenzt ist.
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Der
Stator 9 ist durch ein Bereitstellen von Drei-Phasen-Spulenabschnitten 8 gebildet,
die diagonal innerhalb des Kerns 15 positioniert sind.
Jeder Spulenabschnitt 8 ist durch ein Wickeln eines Kupferdrahts
hergestellt, der eine hervorragende Leitfähigkeit aufweist. Der Stator 9 ist
in das Gehäuse 10 eingepasst.
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Wenn
die Drei-Phasen-Spulenabschnitte 8 durch die Batterie (abwechselnd)
elektrisch eingeschaltet werden, erzeugen die Spulenabschnitte 8 eine
elektromagnetische Kraft, durch die die Wasserpumpe 1 angetrieben
wird. Das heißt,
ein magnetisches Feld wird zwischen dem Kern 15 und dem
Magneten 6 erzeugt. Ein Einschalten der Spulenabschnitte 8 steuert
das Wechseln von N-Polen und S-Polen, die in dem Kern 15 erzeugt
werden, und die Welle 7 dreht sich durch ein Anziehen des
magnetischen Flusses von dem Magneten 6 zu dem Spulenabschnitt 8.
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Für ein Stoppen
der Drehung der Welle 7 des Motors 2 werden alle
dreiphasigen Spulenabschnitte 8 durch eine Anweisung des
Steuerungsbereichs 14 an Stelle einer Aktivierung der Reihe
nach oder einer sequentiellen Aktivierung von einphasigen Spulenabschnitten 8 aktiviert.
Bei einem derartigen Zustand oder unter der Bedingung der gleichzeitigen
Aktivierung der dreiphasigen Spulenabschnitte 8 wird der magnetische
Fluss von dem Magneten 6 zu jedem Spulenabschnitt 8 erzeugt,
wodurch der Magnet 6, der bei der Welle 7 befestigt
ist, nicht gedreht wird. Zusätzlich
wird jedem Spulenabschnitt 8 ein Strom zugeführt, wobei
die sich ergebende Wärme
schnell das Kühlwasser
in der Kammer erwärmt,
wodurch die Aufwärmoperation
der Kraftmaschine 3 beschleunigt wird. Es ist anzumerken,
dass den zwei benachbarten Spulenabschnitten 8 jeweils
Ströme
unterschiedlicher Richtungen oder Ströme der gleichen Richtung zugeführt werden
können.
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An
Stelle des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Verhinderung
der Drehung des Rotors 6, das auf eine derartige Weise
gebildet wird, dass allen Spulenabschnitten 8 die Ströme zugeführt werden,
kann ein Fließen
eines Stroms durch spezifische Ein-Phasen-Spulenabschnitte 8,
die diagonal positioniert sind, in Abhängigkeit davon eingesetzt werden,
dass die inaktivierten Zustände
der anderen Zwei-Phasen-Spulenabschnitte 8 bestehen bleiben. Der
Grund ist, dass eine derartige elektrische Steuerung der Spulenabschnitte 8 durch
den Steuerungsbereich 14 die Position des Rotors 6 unverändert hält, was
verursacht, dass sich die Welle 6 nicht dreht. Die Wärmemenge,
die bei den aktivierten Spulenabschnitten 8 erzeugt wird,
wird jedoch ein Drittel in Bezug auf den vorangegangenen Zustand.
Somit erfordert, wenn es erwünscht
wird, ein schnelleres Aufwärmen
der Kraftmaschine 3 ein Aktivieren aller dreiphasigen Spulenabschnitte 8.
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Die
Wasserpumpe 1 wird in Betrieb gebracht, wenn der Motor 2 gleichzeitig
mit dem Start der Kraftmaschine eingeschaltet wird, wodurch die Drehung
des Rotors 6 eine Drehung des Rotors oder Flügelrads 5 veranlasst
wird, das die Kühlflüssigkeit durch
den Kühler 12 und
die Kraftmaschine 1 zirkulieren lässt. Normalerweise fließen etwa
4 Ampere (4A) Strom durch jeden Spulenabschnitt 8.
Wenn der Temperatursensor 21 anzeigt, dass die Kraftmaschinentemperatur
unter einem eingestellten Wert von 60 Grad Celsius liegt, beginnt
der Steuerungsabschnitt 14, Ströme durch alle Spulenabschnitte 8 fließen zu lassen,
um die Drehung der Welle 5 zu stoppen. Bei dem sich ergebenden
Zustand wird, während
der Strom weiterhin durch jeden Spulenabschnitt 8 fließt, der
Rotor 6 gegen eine Drehung gehalten, die keine elektromotorische
Gegenkraft in jedem Spulenabschnitt 8 erzeugt, wobei der
Strom, der durch den Spulenabschnitt 8 fließt, bei
seinem Maximum (zulässiger
Strom) ist, wodurch das Kühlwasser
schnell erwärmt
wird. Die maximale Arbeitsamperezahl des Motors 2 ist auf
50 A eingestellt.
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Wenn
die Wärme
bei jedem Spulenabschnitt 8 erzeugt ist, fließt ein Strom
von 50 A hindurch, wobei eine Wärmemenge
von 600 W (12 V × 50
A) oder 140 cal/sek erzeugt wird. Unter der Annahme, dass die Kammer 11 ein
Volumen von 70 cc aufweist und das Wasser durch die Kraftmaschine
an sich erwärmt wird,
wird ein Temperaturanstieg von zumindest 2 Grad pro Sekunde in dem
Wasser in der Kammer 11 erreicht. Wenn die Temperatur des
Wassers während einer
derartigen Erwärmung
des zirkulierenden Wassers in der Kammer 11 über 60°C wird, ändert der Steuerungsbereich
die Aktivierungsbetriebsart, um die Welle 5 wieder zu drehen,
wodurch die Zirkulierung des Kühlwassers
durch den Kühler 12 und
die Kraftmaschine 3 wieder gestartet wird. Wann immer angezeigt
wird, dass das Wasser in der Kammer 11 unter 60°C ist, stoppt
der Steuerungsbereich ein Drehen des Rotors 6 für ein Erwärmen des
Wassers in der Kammer vor einer zugehörigen Zirkulation. Der sich
ergebende oder gestoppte Zustand des Rotors 6 wird fortgesetzt,
bis der Temperatursensor über
60° anzeigt.
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Wie
es vorstehend beschrieben ist, vergrößert ein kontinuierliches Fließen eines
Stroms in jedem Spulenabschnitt 8 eine erzeugte Wärme in jedem
Spulenabschnitt 8, wodurch das Kühlwasser schnell erwärmt wird.
Somit kann, obwohl die Kraftmaschine 3 bei einem zugehörigen kalten
Zustand gestartet wird, ein schnelles Aufwärmen der Kraftmaschine etabliert
werden.
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Wie
es aus 1 ersichtlich ist, ist zusätzlich zu der Wasserpumpe 1,
die durch den elektrischen Motor 2 angetrieben wird, eine
zweite Wasserpumpe 24 bei der Kraftmaschine 3 über eine
Nockenwelle 23 bereitgestellt, wobei, während die Kraftmaschine 3 läuft und
die Temperatur des Kühlwassers
unter 60°C ist,
die zweite Pumpe 24 einen Betrieb fortsetzt, um die Zirkulation
des Kühlwassers
zu unterstützen
oder anzutreiben, die durch die Wasserpumpe 1 etabliert wird.
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Nachdem
die Temperatur des Kühlwassers über 60°C geworden
ist, ist zumindest die minimale oder geeignete Strömungsrate
des Kühlwassers durch
ein Antreiben der Wasserpumpe 1 sichergestellt. Auf Grund
des sich ergebenden Kühlwassers können sowohl
die Spulenabschnitte 8, der Rotor 6, die Welle 7 als
auch andere Elemente heruntergekühlt
werden. Zusätzlich
ermöglicht
ein Einstellen des Steuerungsbereichs 14, um die Drei-Phasen-Spulenabschnitte 8 auf
der Grundlage des Signals von dem Temperatursensor 21,
das die Kühlwassertemperatur
anzeigt, und der Kraftmaschinendrehgeschwindigkeit zu steuern, dass
zur Sicherstellung der minimalen oder geeigneten Größe bzw. Menge
des Kühlwassers
ein Antreiben der Wasserpumpe 1 lediglich dann etabliert
werden muss, wenn ein Betrieb angefordert worden ist.
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Unter
Bezugnahme auf 4 ist eine Modifikation der
Wasserpumpe 1 veranschaulicht. Diese modifizierte Wasserpumpe 1 ist
ausgelegt, durch eine elektromagnetische Kupplung 4 gestoppt
zu werden. Ein Verwenden einer derartigen elektromagnetischen Kuppelung 4 als
eine Drehstoppeinrichtung unterscheidet die modifizierte Betriebsart
von der ursprünglichen
Betriebsart. Elemente in den 4 und 5,
die zu der Kupplung 22 unterschiedlich sind, sind zu denjenigen
gemäß den 1 bis 3 identisch
und werden folglich durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die Kupplung 4 wird in einen zugehörigen eingekuppelten Zustand bei
einer zugehörigen
Aktivierung gebracht und eine Aktivierungs- sowie Deaktivierungssteuerung
der Kupplung 4 wird durch den Steuerungsbereich 14 ausgeführt. Elemente
in den 4 und 5, die zu der Kupplung 22 unterschiedlich
sind, sind zu denjenigen gemäß den 1 bis 3 identisch
und werden folglich durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die
elektromagnetische Kupplung 4 ist bei dem Gehäuse befestigt,
in dem der Kühlwasserdurchgang 17 definiert
ist, und befindet sich unter der Steuerung des Steuerungsbereichs 14.
Um eine erneute Drehung des Rotors oder des Flügelrads 5 nach einer
Etablierung des Einkuppelns der Kupplung 4 zu verhindern,
ist die elektromagnetische Kraft, die von der Spule 22 ausgegeben
wird, so eingestellt, dass sie größer als das Startdrehmoment des
elektrischen Motors 2 ist, wobei wiederum, während jeder
der Spulenabschnitte 8 aktiviert ist, bei einer Aktivierung
der Kupplung 22 verhindert wird, dass sich das aus Metall
hergestellte Flügelrad
dreht.
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Der
Betrieb der Wasserpumpe 1 gemäß der zweiten Betriebsart ist ähnlich zu
dem der Wasserpumpe gemäß der ersten
Betriebsart mit Ausnahme des Verfahrens zum Stoppen der Drehung
des Flügelrads 5.
Im Einzelnen zieht, wenn die Spule 22 durch den Steuerungsbereich 14 aktiviert
wird, die sich ergebende elektromagnetische Kraft das Flügelrad 5 an,
was ein Stoppen des Flügelrads 5 zur
Folge hat. Bei dem sich ergebenden Zustand ruht der Rotor oder Magnet 4,
wobei keine elektromotorische Gegenkraft in dem Motor 2 erzeugt
wird, während
die konstante Aktivierung jedes Spulenabschnitts 8 wiederum
etabliert ist, wobei der maximale Strom weiterhin durch jeden Spulenabschnitt 8 fließt.
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Wie
es in 5 gezeigt ist, ist die Wasserpumpe 1 gemäß der zweiten
Betriebsart bei einem unteren Abschnitt der Kraftmaschine 3 befestigt.
Eine derartige Anordnung bringt mit sich, dass das Kühlwasser,
das durch jeden Spulenabschnitt 8 erwärmt ist, durch den Kühler 12 und
die Kraftmaschine 3 mittels Konvektion zirkuliert, was
zur Folge hat, dass keine zusätzliche
Wasserpumpe erforderlich ist. Dies führt zu einer Verringerung der
Anzahl von Teilen und der Herstellungskosten.
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Zusätzlich ist
anzumerken, dass bei bürstenlosen
Gleichstrommotoren, wenn eine Phasenverschiebung eines Stroms, der
einer der drei Phasenwicklungen zuzuführen ist, in Bezug auf eine
Winkelposition einer Ausgabewelle eines Motors gebildet ist, diese
Phasenwicklung eine Wärme
erzeugt. Im Einzelnen ist dies unter Bezugnahme auf 6,
wie es bei einer reellen Linie angezeigt ist, der Fall, wenn den
Phasenwicklungen 8A, 8B und 8C Ströme auf eine
derartige Weise zugeführt
werden, dass zwei benachbarte Stromzufuhren um 120°C in der
Phase versetzt sind. Jede einer derartigen Stromzufuhr wird lediglich
verwendet, um die Ausgabewelle des Motors zu drehen. Wenn jedoch
eine Phasenverschiebung jeder der Stromzufuhren in Bezug auf eine
Winkelposition der Ausgabewelle des Motors vorliegt, wie es bei
einer gestrichelten Linie angezeigt ist, veranlassen einige der
Ströme
diese Phasenwicklung, eine Wärme
zu erzeugen, wie es allgemein bekannt ist. Eine derartige Stromversorgungsbetriebsart stoppt
im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Stromversorgungsbetriebsarten
die Drehung der Ausgabewelle nicht. Somit wird eine derartige Wärme zu der
zirkulierenden Kühlflüssigkeit übertragen, wenn
die Temperatur unter 60°C
ist, wodurch die Zeitdauer für
ein Kraftmaschinenaufwärmen
verkürzt ist.
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Die
Erfindung ist somit unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsbeispiele
gezeigt und beschrieben worden, wobei es jedoch ersichtlich ist, dass
die Erfindung keinesfalls auf die Einzelheiten der veranschaulichten
Aufbauten begrenzt ist, sondern dass Änderungen und Modifikationen
ausgeführt
werden können,
ohne den Bereich der beigefügten
Patentansprüche
zu verlassen.