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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektromotorische Hilfskraftlenkung
für ein
Kraftfahrzeug mit einer Abschaltung des Elektromotors im Fehlerfall, gemäß dem Patentanspruch
1.
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Bei
Kraftfahrzeugen werden bereits Elektromotoren als Lenkhilfe eingesetzt.
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Elektromotorische
Antriebe als Lenkhilfe benötigen
ein sehr hohes Anlauf- und Drehmoment bei jeder Läuferstellung
und in beide Drehrichtungen.
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Permanentmagneterregte
Motoren verfügen über solche
Voraussetzungen.
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DE 101 24 436 A1 beschreibt
eine elektromotorische Hilfskraftlenkung, die einen Elektromotor und
eine elektronische Steuereinrichtung zur Kommutierung des Elektromotors
enthält.
Der Motor ist ein Synchronmotor mit permanentmagneterregtem Rotor.
Am Rotor befindet sich zusätzlich
zu den Permanentmagneten eine Felderregerwicklung, die im Fehlerfall
so bestromt wird, daß sie
einen den Magnetfluß der
Permanentmagnetpole entgegengerichteten Magnetfluß erzeugt.
Durch diese Maßnahme wird
im Fehlerfall das durch einen Kurzschluß des Synchronmotors hervorgerufene
Bremsmoment reduziert bzw. verhindert.
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US 6 194 849 B1 zeigt
ebenfalls eine elektromotorische Hilfskraftlenkung mit einem Permanentmagneten
bestückten
Motor. Bei dieser wird in einem Fehlerfall ein Schalter an der Ständerwicklung
des Elektromotors geöffnet,
so daß in
der Ständerwicklung
kein Strom mehr fließen
kann, und der Elektromotor kein störendes Gegenmoment erzeugt.
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DE 198 41 710 A1 zeigt
eine elektromotorische Hilfskraftlenkung mit einem Elektromotor
und einer elektronischen Steuer einrichtung zur Kommutierung des
Elektromotors. Eine Fehlererfassungseinheit, die unter anderen die
Signale eines an der Lenksäule
befindlichen Drehmomentsensors auswertet, schaltet je nach Art und
Schwere des Falles in einen ersten Fehlermodus, bei dem die Unterstützungswirkung
des Elektromotors in etwa halbiert wird, oder in einem zweiten Modus,
bei dem der Elektromotor abgeschaltet wird.
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Elektromotoren
für eine
Hilfskraftlenkung müssen
von einer niedrigen bis zu einer hohen Drehzahl bei anliegender
Last flexibel steuerbar und überlastbar
sein, und zur Erzielung einer hohen Leistungsaufnahme und einer
hohen Drehzahl des permanentmagnetisch erregten Elektromotors ist
es von Vorteil, wenn die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete
des Läufers
nicht senkrecht zum Luftspalt des Elektromotors ausgerichtet ist.
Für eine solche
Ausrichtung der Permanentmagnete zum Luftspalt des Motors sind bereits
eine Anzahl von Lösungsvorschlägen bekannt.
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DE 197 23 302 A1 beschreibt
eine derartige Lösung.
Der Läufer
ist mit einem reluktanzunterstützten
Permanentmagnetsystem ausgebildet, wobei die Anordnung der Permanentmagnete
im Läufer
eine Sammleranordnung ist. Der Läufer
besteht aus einem geblechten Kern, der Läuferzähne und dazwischen liegende
Nuten aufweist, und in den Nuten sind Permanentmagnete angeordnet,
die tangential so magnetisiert sind, daß immer zwei Pole gleicher Polarität auf einen
Läuferzahn
wirken, wobei die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete parallel
zum Luftspalt des Motors ausgerichtet ist.
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US 6 847 149 B2 beschreibt
einen Elektromotor, bei dem die Permanentmagnete
3 des
Läufers
2 in
Sammleranordnung längs
der Welle des Läufers in
einer jeweils senkrecht zur Welle verlaufenden Nut angeordnet sind,
wobei die Breite der Nutöffnung zum
Luftspalt die halbe Breite eines Ständerzahns beträgt. Die
Nuten des Läufers
werden durch Kernglieder (Läuferzähne
11;
12)
gebildet, und diese Kernglieder sind einzeln durch entsprechende
Vorrichtungen mit der Welle des Läufers drehfest verbunden. Die
Ständerzähne besitzen
zum Luftspalt eine spezielle ausgebildete Polfläche.
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Ein
Läufer
der hier beschriebenen Art ist für einen
Elektromotor mit einem kleinen Durchmesser, und im besonderen für eine Hilfskraftlenkung
zu aufwendig und zu kostenintensiv.
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US 6 097 126 A beschreibt
einen bürstenlosen
Gleichstrommotor, der einen permanentmagnetisch erregten Reluktanzläufer einer
besonderen Art beinhaltet. Zwischen den überkreuz angeordneten Läuferelementen
9;
10 ist
ein Permanentmagnet
12 angeordnet,
2,
3,
der an den Läuferelementen
9;
10 am
Luftspalt zum Ständer
die in
1 gezeigte Polbildung
erzeugt. Die Schaltfolge der Wicklungsstränge erfolgt in bekannter Weise
eines Reluktanzmotors, indem bei Beginn eines Läuferschrittes die auflaufende
Kante der jeweiligen Läuferzähne in Bezug
zur Drehrichtung des Läufers
jeweils zur auflaufenden Kante des ersten Ständerzahns der jeweils nebeneinander
liegenden ungleichnamigen Polfelder bildenden Ständerzähne ausgerichtet ist.
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Ein
solcher ausgebildeter Elektromotor findet bei einer Hilfskraftlenkung
keine Anwendung.
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DE 10 2004 030 459
B3 zeigt eine elektromotorische Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug
mit einem Ständer
4 und
einem Läufer
8 mit
Läuferzähnen
9 und
einer mit einer Stromquelle verbindbaren elektronischen Steuereinrichtung
15 zur
Kommutierung der Wicklungsstränge
des Elektromotors, wobei der Elektromotor ein Motor ist, dessen
Läufer
aus Läuferzähnen
9 und
Nuten gebildet ist, und die Nutöffnung
im Bereich des Luftspaltes zum Ständer
4 mindestens
die halbe Breite eines Stän derzahns
7 beträgt, wobei
bei einem Fehlerfall an den Halbbrücken
12 die Stromquelle über eine
Sicherung
17 oder über
einen Schalter
16 getrennt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen elektronisch kommutierten
Elektromotor für
eine Hilfskraftlenkung zu schaffen, der bei anliegender Last flexibel
steuerbar und überlastbar
ist, und in Bezug zur Baugröße ein verhältnismäßig hohes
Drehmoment und entsprechende Drehzahlen erzielt, wobei die Drehmomentwelligkeit
sowie die Erwärmung des
Elektromotors gering sein soll.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und
der Beschreibung zu entnehmen.
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Durch
den speziellen Aufbau des Ständers und
des Läufers
des Elektromotors bestehen die Vorteile darin, daß ein besonders
weicher Übergang
der Läuferschritte
von dem einen Läufer-,
schritt zum nächsten
Läuferschritt
erzielt wird, und somit die Drehmomentwelligkeit und die Geräuschentwicklung des
Elektromotors reduziert ist, wobei das Drehmoment am Anfang und
am Ende eines Läuferschrittes annährend gleich
ist, und die Leistungsaufnahme sowie die effektive Leistungsabgabe
deutlich erhöht
ist, und der Elektromotor hoch belastbar ist.
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Außerdem ist
durch den speziellen Aufbau des Läufers die Erwärmung des
Ständers
verringert, da bei einer hohen Drehzahl des Läufers hochfrequentierte starke
Wechselfelder im Ständer
reduziert sind.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 u. 2 in
axialer Draufsicht eine Darstellung vom Ständer und Läufer des Elektromotors,
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3 u. 4 in
axialer Draufsicht eine alternative Darstellung vom Ständer und
Läufer
des Elektromotors,
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5 in
axialer Draufsicht eine weitere alternative Darstellung vom Ständer und
Läufer
des Elektromotors,
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6 eine
Schaltungsanordnung der elektronischen Steuereinrichtung zur Kommutierung
der Wicklungsstränge
des Elektromotors.
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1 zeigt
in axialer Draufsicht eine Ansicht des Elektromotors als Innenläufer mit
Wicklungssträngen
am Ständer 1 und einen
Läufer 2 mit
Läuferzähnen 3 und
Permanentmagneten 4. Der Ständer besitzt bei einer zweipoligen
Auslegung der Wicklungsstränge
sechs zum Läufer
gerichtete Ständerzähne 5,
wobei die Wicklungsstränge
jeweils zwei Spulen beinhalten, und die Spulen 6 der Wicklungsstränge umgreifen
jeweils einen Ständerzahn 5.
Die Wicklungsstränge
sind während
des Motorbetriebes derart an eine Stromquelle gelegt, daß die am
Ständer
sich gegenüber
liegenden Ständerzähne jeweils gleichnamige
Pole, und zwei nebeneinander liegende Ständerzähne jeweils ungleichnamige
Pole zueinander bilden. Diese Polbildung ist am Ständer mit
N, S gekennzeichnet.
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Der
Läufer 2 ist
als ein permanentmagneterregter Reluktanz-Läufer
ausgebildet. Die Läuferzähne 3 des
Läufers 2 bilden
zum Ständer
die Polflächen 7 des
PM erregten Läufers,
wobei die Permanentmagnete 4 in Sammleranordnung längs der
Welle des Läufers
in einer jeweils senkrecht zur Welle verlaufenden Nut 8 angeordnet
sind, und die jeweils zum Läuferzahn 3 weisende
Polfläche
der Permanentmagnete besitzen eine gleichnamige Polbildung zueinander,
die am Luftspalt die Polfelder zum Ständer bilden. Die Breite der
Nuten 8 des Läufers 2 entspricht der
Höhe der
Permanentmagnete 4, wobei die Nutöffnung 9 der Nuten 8 kleiner
gehalten sein kann wie die Höhe
der Permanentmagnete, und die Läuferzähne 3 Nasen 10 zur
Nutöffnung
aufweisen, um ein Herausschleudern der Permanentmagnete aus den Nuten
zu verhindern. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades des Motors,
beträgt
vorzugsweise die Breite der Nutöffnung 9 der
Nuten 8 des Läufers
mindestens die halbe Breite eines Ständerzahns 5. Die Permanentmagnetbreite
in der Richtung zur Welle wird bestimmt durch die zum Luftspalt
gerichtete gewünschte
Feldstärke,
je breiter die Permanentmagnete ausgelegt sind, und je geringer
der Zwischenraum der Permanentmagnete zueinander im Bereich der
Welle gestaltet ist, desto höher
ist die zum Luftspalt gerichtete Feldstärke an den Läuferzähnen. Die
Läuferzähne 3 sind
zusammenhängend
an der Welle 11 des Läufers 2 angeordnet,
und werden vorzugsweise aus aufgestapelten Blechen gebildet, somit
besteht der Läuferkörper aus
einem Blechlamellenpaket.
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1 zeigt
die Läuferstellung,
bei der ein Läuferschritt
vorzugsweise beendet wird, hierbei befindet sich der ablaufende
Läuferzahn 3' jeweils mutig
zu den nebeneinander liegenden ungleichnamigen Polfeldern des Ständers, und
der nachfolgende auflaufende Läuferzahn 3'' befindet sich mit der auflaufenden
Kante 12 in Bezug zur Drehrichtung des Läufers jeweils
an der Kante 13 des ersten Ständerzahns der jeweiligen zwei
Ständerzähne bildenden ungleichnamigen
nebeneinander liegenden Polfeldern.
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Die
Läuferschritte
werden durch Umpolung der Wicklungsstränge beendet.
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2 zeigt
den beendeten Läuferschritt durch
Umpolung der Wicklungsstränge,
wobei gleichzeitig der nächste
Läuferschritt
eingeleitet ist. Die auflaufende Kante 12 des Läuferzahns 3'' befindet sich nun jeweils in Bezug
zur Drehrichtung des Läufers
an der auflaufenden Kante 13' des
zweiten Ständerzahns
der jeweiligen zwei Ständerzähne bildenden
ungleichnamigen nebeneinander liegenden Polfeldern.
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Durch
diese Anordnung der Schaltvorgänge der
Läuferschritte
ist das Drehmoment am Anfang und am Ende eines Läuferschrittes annähernd gleich.
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Eine
Läuferumdrehung
kann sowohl mit zwölf
Läuferschritten
als auch mit sechs Läuferschritten
erfolgen, indem ein Läuferschritt
die Wegstrecke der Breite eines halben Ständerzahns entspricht, oder
die Wegstrecke entspricht der Breite eines Ständerzahns plus jeweils der
Weite einer Nutöffnung.
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Oft
steht für
einen Elektromotor lediglich nur ein eingeschränkter Raum zur Verfügung. Um
nun mit dem Läufer
eines elektronisch kommutierten Elektromotors ein ausreichendes
Drehmoment während
des Anlaufs und in den niedrigen Drehzahlen zu erzielen, ist ein
solcher Elektromotor entsprechend auszulegen.
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In 3 und 4 ist
ein solcher Elektromotor dargestellt.
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Das
Blechpaket 14 des Ständers
ist so gehalten, daß der
Läufer 15 einen
verhältnismäßig großen Durchmesser
aufweist, hierfür
sind die Ständerzähne derart
gestaltet, daß die
Ständerzähne lange schmale
Polhörner 16 besitzen,
und der Rückschluß 17 am
Blechpaket 14 des Ständers
ist auch sehr schmal ausgelegt, so daß jeweils zur Aufnahme der Spule
am Ständerzahn
ein hierfür
erforderlicher Raum zur Verfügung
steht. Der Fluß der
Magnetfelder, der nicht über
den Rückschluß 17 des
Blechpakets 14 aufgenommen werden kann, wird durch den Eisenzylinder 18 des
Ständers
aufgenommen. Dieser Eisenzylinder 18 besitzt bei einer
Anflanschung des Elektromotors an einem Getriebe Lagerschilde.
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Eine
derartige Auslegung des Blechpakets des Ständers ist dadurch ermöglicht,
daß die
Spulen der Wicklungsstränge
lediglich jeweils einen Ständerzahn
umschlingen, und diese Spulen vorzugsweise maschinell eingespult
werden.
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Zur
Erzielung einer hohen Drehzahl und einer geringen Polfühligkeit,
ist das Volumen der Permanentmagnete entsprechend reduziert. Damit
der Zwischenraum und somit die zum Luftspalt gerichteten Nutöffnungen 19 des
Läufers 15 von
der einen Polfläche
zu den benachbarten Polflächen,
der zum Luftspalt gerichteten Polfläche 20 der Läuferzähne 21,
mindestens die halbe Breite eines Ständerzahns 5 aufweist,
ist der Abstand der Permanentmagnete 22 zu den Ständerzähnen 5 entsprechend
vergrößert, und
die Läuferzähne 21 sind
jeweils mit einer zu den Permanentmagneten 22 bildende
Nase 23 entsprechend abgeschrägt, wodurch die Weite der Nutöffnung 19 am
Luftspalt mindestens auf die halbe Breite eines Ständerzahns
vergrößert ist,
und hiermit eine Verminderung des Wirkungsgrades des Elektromotors,
durch die Anordnung von Permanentmagneten mit einer geringen Höhe, verhindert
wird. Die zu den Permanentmagneten Nase bildende Abschrägung 24 der
Läuferzähne 21 ist
in der 3 geradlinig ausgelegt.
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Wie
in 4 dargestellt, kann vorzugsweise sowohl die zum
Luftspalt gerichtete Polfläche 20' der Läuferzähne 21,
als auch die Nase bildende Abschrägung 24' variabel bogenförmig ausgelegt
sein. Diese Auslegung besitzt den Vorteil, daß ein besonders weicher Übergang
der Läuferschritte
von dem einen Läuferschritt
zum nächsten
Läuferschritt
erzielt werden kann, und somit auch die Drehmomentwelligkeit und
die Geräuschentwicklung
des Elektromotors weiter reduzierbar ist. Die Nuten 25 zur
Aufnahme der Permanentmagnete 22 sind vorzugsweise am Nutengrund 26 halbkreisförmig ausgebildet.
Durch eine solche Ausbildung der Nuten des Läufers, können die zuvor magnetisierten
Permanentmagnete 22 sicher in die Nuten 25 kleberfrei
eingepreßt
werden. An den Stirnseiten des Läufers
können
Auswuchtscheiben angeordnet sein, die vorzugsweise zur Kühlung der
Ständerwicklung
mit Lüfterflügel versehen
sind.
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1 bis 4 zeigen
einen Elektromotor, bei dem der Ständer sechs Ständerzähne aufweist und
an jedem Ständerzahn
ist eine Spule angeordnet, wobei der Läufer vierpolig ausgelegt ist.
Für sehr hohe
Drehzahlen kann der Läufer
auch zweipolig ausgelegt sein.
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5 zeigt
einen Elektromotor, bei dem der Ständer sechs Ständerzähne aufweist,
und der Läufer
ist zweipolig ausgelegt. Die Spulen der dreisträngigen Ständerwicklung umgreifen hier
jeweils zwei Ständerzähne, mit
einer durch N, S dargestellten Polbildung am Ständer. Die Läuferzähne 27 sind hier jeweils
mit einer zu den Permanentmagneten 22' bildende Nase 23 derart
abgeschrägt,
daß die
Weite der Nutöffnung 19' der Nuten 25' des Läufers 28 am Luftspalt
mindestens um die Breite eines Ständerzahns vergrößert ist.
Bei Beginn eines Läuferschrittes
ist die auflaufende Kante 12' der
Läuferzähne 27 vorzugsweise
in Bezug zur Drehrichtung des Läufers jeweils
zur auflaufenden Kante 29 des jeweils ersten Ständerzahns
der jeweiligen Polfelder am Ständer ausgerichtet.
Eine Läuferumdrehung
kann hier sowohl mit sechs Läuferschritten,
als auch mit drei Läuferschritten
erfolgen, indem ein Läuferschritt
jeweils die Wegstrecke der Breite eines Ständerzahns entspricht, oder
die Wegstrecke entspricht der Breite von jeweils zwei Ständerzähnen. Zur
Gewichtreduzierung des Läufers
können
die Läuferzähne mit
Aussparungen 30 versehen werden, diese Aussparungen bewirken
auch eine geringere Erwärmung
des Läufers.
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Durch
die Kombination des speziellen Aufbaus des Läufers und der speziellen Anordnung
der Spulen der Wicklungsstränge
am Ständer
und das Zusammenwirken dieser Kombination durch die Steuerung des
Drehfeldes am Ständer
mittels einer elektronischen Steuereinrichtung und der Ausrichtung
der Läuferpole
zum Ständerfeld,
wird bei jeder Läuferstellung
ein annähernd
gleiches Drehmoment erzielt, und die effektive Leistungsabgabe ist
vergleichsweise deutlich erhöht,
wobei der Elektromotor hoch belastbar ist, ohne daß hierbei
die Gefahr einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete besteht. Außerdem ist
durch den speziellen Aufbau des Läufers die Erwärmung des
Ständers
deutlich verringert, da die Magnetfelder der Permanentmagneten am Läufer sich
nur teilweise über
den Ständer
schließen, und
somit bei einer hohen Drehzahl des Läufers hochfrequentierte starke
Wechselfelder im Ständer vermieden
werden.
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Zur
Anlegung der Wicklungsstränge
an eine Stromquelle ist dem Elektromotor eine Ansteuerelektronik
zugeordnet.
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6 zeigt
eine Schaltungsanordnung der elektronischen Steuereinrichtung zur
Kommutierung der Wicklungsstränge.
Die Wicklungsstränge
sind jeweils mit dem einen Ende an einer transi storbestückten Halbbrücke 31 angeschlossen
und mit dem anderen Ende in Stern geschaltet, und den Transistoren 32; 32' ist eine Steuereinheit 33 zugeordnet.
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Damit
ein Fehlerfall an den Halbbrücken
der elektronischen Steuereinrichtung oder im Motor schnell erkannt
wird, kann ein Meßshunt
jeweils zwischen den Halbbrücken
und den Wicklungssträngen geschaltet
sein, oder an den Halbbrücken
befindet sich jeweils ein Potentialabgriff. Liegt ein Fehlerfall
an den Halbbrücken 31 vor,
so kann die Stromquelle über
eine Sicherung 34 oder über
einen Schalter 35 getrennt werden, und gleichzeitig werden
zwei Wicklungsstränge
durch Schaltglieder 36; 37 von der jeweiligen
Halbbrücke
getrennt.
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Durch
diese Maßnahme
kann der Motor nicht als Generator wirken, und somit kann nach Ausfall der
Hilfskraftlenkung das Fahrzeug noch ordnungsgemäß gelenkt werden.
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Während der
Schaltung von Halbschritten des Läufers über die Wicklungsstränge des
Ständers,
bei denen eine Läuferumdrehung
zwölf Schritte nach 1 bis 4 und
sechs Schritte nach 5 beträgt, wird jeweils ein Transistor
einer Halbbrücke 31 geschaltet,
und während
der Schaltung von Vollschritten des Läufers, bei denen eine Läuferumdrehung
sechs Schritte nach 1 bis 4 und drei Schritte
nach 5 beträgt,
werden jeweils beide Transistoren einer Halbbrücke geschaltet.
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Die
Erkennung der Läuferstellung
kann mit den bekannten Mitteln erfolgen, oder die Ermittlung des
Schaltzeitpunktes der Wicklungsstränge wird elektronisch ermittelt
und erfolgt somit sensorlos.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann
der Elektromotor auch eine andere Polpaarzahl, und somit eine andere
Anzahl von Ständerzähnen und
Läuferzähnen besitzen,
und die Bemaßung der
Permanentmagnete eine andere sein.