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Die Erfindung betrifft einen Force-Feedback-Aktuator für ein Steer-By-Wire-System. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Force-Feedback-Aktuators für ein Steer-By-Wire-System.
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Steer-by-Wire-Systeme können in Fahrzeugen, wie beispielsweise Personenkraftfahrzeugen und Lastkraftfahrzeugen eingesetzt werden. In einem Steer-by-Wire-System existiert keine mechanische Kopplung zwischen den gelenkten Rädern des Fahrzeugs und dem durch den Fahrer betätigten Lenkrad. Daher wird typischerweise ein Force-Feedback-Aktuator eingesetzt, um dem Fahrer Rückmeldung über die aktuelle Fahrdynamik zu geben. Der Force-Feedback-Aktuator umfasst in der Regel eine elektrische Maschine, die entweder über ein Getriebe und/oder weitere mechanische Komponenten oder unmittelbar mit dem Lenkrad verbunden ist. Durch den Force-Feedback-Aktuator kann beispielsweise bei Erreichen des maximal möglichen Radwinkels ein hohes am Lenkrad anliegenden Drehmoment dem Fahrer signalisieren, dass er das Lenkrad nicht weiter in die gewünschte Richtung einschlagen kann.
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Tritt ein Fehler im Force-Feedback-Aktuator auf, so kann dem Fahrer der dynamische Fahrzustand möglicherweise nicht mehr mitgeteilt werden. Beispielsweise kann ein Fehler in der Leistungselektronik des Force-Feedback-Aktuators dazu führen, dass die elektrische Maschine nicht mehr bestromt wird. Der Fahrer nimmt in einem solchen Fehlerfall kein am Lenkrad anliegendes Drehmoment mehr war und kann das Lenkrad ungewollt zu stark einschlagen. Dadurch besteht, insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten, die Gefahr, dass der Fahrer einen Lenkwunsch über das Lenkrad äußert, welcher den Grenzbereich des Fahrzeugs überschreitet. Das Fahrzeug kann dadurch unkontrollierbar werden.
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Die der Anmeldung am nächsten liegende Schrift
DE 10 2015 213 304 A1 offenbart einen Force-Feedback-Aktuator für ein Steer-By-Wire-System, mit einer elektrischen Maschine mit mindestens einer ersten Wicklung und einer von der ersten Wicklung getrennten, zweiten Wicklung, wobei die erste und zweite Wicklung jeweils mehrere Phasenanschlüsse aufweist und einer Schalteinrichtung die mit der ersten und zweiten Wicklung elektrisch verbunden ist.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, die Kontrollierbarkeit des Fahrzeugs im Fall eines Fehlers in dem Force-Feedback-Aktuator zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Force-Feedback-Aktuator für ein Steer-By-Wire-System mit
einer elektrischen Maschine mit mindestens einer ersten Wicklung und einer von der ersten Wicklung getrennten, zweiten Wicklung, wobei die erste und zweite Wicklung jeweils mehrere Phasenanschlüsse aufweist,
einer Schalteinrichtung die mit der ersten und zweiten Wicklung elektrisch verbunden ist und
einer Steuereinrichtung die dazu konfiguriert ist, die Schalteinrichtung derart anzusteuern, dass - in einem Normalbetriebsmodus - jeder Phasenanschluss der ersten Wicklung mit genau einem Phasenanschluss der zweiten Wicklung elektrisch verbunden ist und - in einem Fehlermodus - alle Phasenanschlüsse der ersten Wicklung elektrisch miteinander verbunden sind und die Phasenanschlüsse der zweiten Wicklung elektrisch voneinander und von den Phasenanschlüssen der ersten Wicklung getrennt sind.
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Gelöst wird die Aufgabe ferner durch ein Verfahren zum Betrieb eines Force-Feedback-Aktuators für ein Steer-By-Wire-System mit
einer elektrischen Maschine mit mindestens einer ersten Wicklung und einer von der ersten Wicklung getrennten, zweiten Wicklung, wobei die erste und zweite Wicklung jeweils mehrere Phasenanschlüsse aufweist,
einer Schalteinrichtung die mit der ersten und zweiten Wicklung elektrisch verbunden ist und
einer Steuereinrichtung, welche die Schalteinrichtung derart ansteuert, dass - in einem Normalbetriebsmodus - jeder Phasenanschluss der ersten Wicklung mit genau einem Phasenanschluss der zweiten Wicklung elektrisch verbunden ist und - in einem Fehlermodus - alle Phasenanschlüsse der ersten Wicklung elektrisch miteinander verbunden sind und die Phasenanschlüsse der zweiten Wicklung elektrisch voneinander und von den Phasenanschlüssen der ersten Wicklung getrennt sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine mindestens zwei voneinander getrennte Wicklungen aufweist. Im Normalbetriebsmodus des Force-Feedback-Aktuators werden die voneinander getrennt aufgebauten Wicklungen über die Schalteinrichtung elektrisch verbunden, d.h. parallelgeschaltet. Die elektrische Maschine kann in dem Normalbetriebsmodus wie eine Maschine mit nur einer Wicklung betrieben werden. In dem Fehlermodus wird hingegen die erste Wicklung der elektrischen Maschine über die Schalteinrichtung kurzgeschlossen, indem die Phasenanschlüsse dieser Wicklung elektrisch miteinander verbunden werden. Eine Drehbewegung eines mit dem Force-Feedback-Aktuator gekoppelten Lenkrads kann eine Spannung in der elektrischen Maschine induzieren. Durch die kurzgeschlossene Wicklung resultiert hieraus ein Kurzschluss-Strom und damit ein Kurzschluss-Drehmoment, welches der Drehbewegung des Lenkrads und damit dem Lenkwunsch des Fahrers entgegenwirkt. Somit können unkontrollierte Lenkbewegungen, insbesondere ruckartige Lenkbewegungen, durch ein spürbares Gegenmoment abgebremst werden. Durch die Erfindung wird es möglich, das Verhalten des Force-Feedback-Aktuators im Fehlermodus durch die Ausgestaltung der elektrischen Maschine zu beeinflussen ohne dabei das Verhalten des Force-Feedback-Aktuators im Normalbetriebsmodus zu verändern. So kann das Kurzschluss-Drehmoment durch die Wahl einer geeigneten Anzahl an Windungen der ersten Wicklung im Verhältnis zur Anzahl an Windungen der zweiten Wicklung eingestellt werden.
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Unter einer elektrischen Maschine mit voneinander getrennten Wicklungen wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine verstanden, die mehrere, insbesondere mehrphasige Wicklungen, aufweist, wobei die elektrische Maschine jeweils mit einer der Wicklungen betrieben werden kann, ohne dass eine weitere Wicklung zum Betrieb der Maschine erforderlich ist. Bevorzugt ist die erste Wicklung und die zweite Wicklung als mehrphasige Wicklung ausbildet, also als Wicklung mit mehreren Wicklungssträngen. Besonders bevorzugt ist die erste Wicklung und die zweite Wicklung als Drehstromwicklung ausgebildet, also als Wicklung mit genau drei Wicklungssträngen.
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Bevorzugt umfasst die erste Wicklung eine erste Windung und die die zweite Wicklung eine zweite Windung, wobei die erste und die zweite Windung um einen gemeinsamen Zahn der elektrischen Maschine angeordnet sind.
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Die Schalteinrichtung umfasst bevorzugt mehrere Halbleiterschalter, insbesondere Leistungshalbleiterschalter, beispielsweise MOSFETs, IGBTs oder Thyristoren.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Force-Feedback-Aktuator mindestens einen Widerstand, der zwischen einem Phasenanschluss der ersten Wicklung und der Schalteinrichtung angeordnet ist. Besonders bevorzugt umfasst der Force-Feedback-Aktuator mehrere Widerstände, die jeweils zwischen einem Phasenanschluss der ersten Wicklung und der Schalteinrichtung angeordnet sind. Grundsätzlich ist das im Fehlermodus resultierende Kurzschluss-Drehmoment abhängig von der Ausgestaltung der elektrischen Maschine. Mit steigender Drehzahl steigt das Kurzschluss-Drehmoment bis zu einem Maximum an und fällt dann ab. Durch den einen Widerstand oder die mehreren Widerstände kann die Kurzschluss-Charakteristik verändert werden. Dabei kann das Maximum des Kurzschluss-Drehmoments durch den Widerstand zu höheren Drehzahlen verschoben werden. Durch geeignete Auswahl der Anzahl an Windungen der ersten Wicklung, insbesondere im Verhältnis zu den Windungen der zweiten Wicklung, kann in Kombination mit der Wahl eines oder mehrerer geeigneter Widerstände eine besonders flexible Einstellung der Kurzschluss-Kennlinie erfolgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu konfiguriert ist, einen Fehler in dem Force-Feedback-Aktuator zu erkennen und bei erkanntem Fehler von dem Normalbetriebsmodus in den Fehlermodus zu schalten. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung einen Fehler in dem Force-Feedback-Aktuator erkennt und bei erkanntem Fehler von dem Normalbetriebsmodus in den Fehlermodus wechselt. Zur Erkennung des Fehlers kann ein mit der Steuereinrichtung verbundener Sensor in dem Force-Feedback-Aktuator vorgesehen sein, beispielsweise ein Stromsensor oder ein Spannungssensor.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Force-Feedback-Aktuator eine Leistungselektronik, die mit der Schalteinrichtung elektrisch verbunden ist. Über die Leistungselektronik kann die Ansteuerung der elektrischen Maschine erfolgen, um ein Force-Feedback-Moment an einem mit der elektrischen Maschine gekoppelten Lenkrad zu erzeugen. Die Leistungselektronik umfasst bevorzugt einen Wechselrichter.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Leistungselektronik dazu konfiguriert, in dem Normalbetriebsmodus die erste und die zweite Wicklung parallel anzusteuern. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass die Leistungselektronik in dem Normalbetriebsmodus die erste und die zweite Wicklung parallel ansteuert und in dem Fehlermodus nur die zweite Wicklung ansteuert.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein mit einem Lenkrad und einem vorstehend beschriebenen Force-Feedback-Aktuator.
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Bei dem können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit dem Force-Feedback-Aktuator erläutert worden sind.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Force-Feedback-Aktuators in einer schematischen Darstellung in einem Normalbetriebsmodus;
- 2 der Force-Feedback-Aktuator gemäß 1 in einem Fehlermodus;
- 3 eine Detaildarstellung der elektrischen Maschine des Force-Feedback-Aktuators gemäß 1; und
- 4 eine Darstellung des Drehmoments des Force-Feedback-Aktuators gemäß 1 in Abhängigkeit von der Drehzahl im Vergleich zu bekannten Force-Feedback-Aktuatoren.
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In der 1 und 2 ist ein Force-Feedback-Aktuator 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, wobei sich dieser in der Darstellung nach 1 in einem Normalbetriebsmodus und in der Darstellung nach 2 in einem Fehlermodus befindet. Der Force-Feedback-Aktuator 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist als Teil eines Steer-by-Wire-Systems ausgebildet, wobei die elektrische Maschine des Force-Feedback-Aktuators 1, insbesondere ein Rotor der elektrischen Maschine 2, mit einem Lenkrad des Steer-by-Wire-Systems gekoppelt ist, so dass die elektrische Maschine 2 ein Force-Feedback-Moment auf das Lenkrad aufbringen kann.
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Die elektrische Maschine 1 umfasst eine erste mehrphasige, hier dreiphasige, Wicklung und eine zweite mehrphasige, hier dreiphasige, Wicklung, die voneinander getrennt ausgebildet sind. Die erste Wicklung umfasst dabei drei Phasenanschlüsse U1, V1, W2 und die zweite Wicklung drei Phasenanschlüsse U2, V2, W2. Wie der Darstellung in 3 entnommen werden kann, umfasst die erste Wicklung erste Windungen 11 und die zweite Wicklung zweite Windungen 12, die derart angeordnet sind, dass sowohl die ersten Windungen 11 als auch die zweiten Windungen 12 um einen gemeinsamen Zahn 10 der elektrischen Maschine 2 angeordnet sind. Insofern kann die elektrische Maschine 2 also solche jeweils mit nur einer der beide Wicklungen betrieben werden, ohne dass die jeweilige andere der Wicklungen zum Betrieb der elektrischen Maschine 2 erforderlich ist.
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Wie in den Darstellungen in 1 und 2 weiter gezeigt, ist die elektrische Maschine 2 mit einer Schalteinrichtung 3 verbunden. Die Schalteinrichtung 3 kontaktiert insbesondere die erste und zweite Wicklung der elektrischen Maschine 2 über deren Phasenanschlüsse U1, V1, W1, U2, V2, W2. Die Schalteinrichtung umfasst mehrere Halbleiterschalter, insbesondere Leistungshalbleiterschalter, beispielsweise MOSFETs, IGBTs oder Thyristoren. Bei dem Ausführungsbeispiel sind als Teil der Schalteinrichtung 3 insgesamt fünf Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4, S5 vorgesehen. Die Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4, S5 können wahlweise in einen elektrisch leitenden Zustand oder in einen elektrisch nicht-leitenden Zustand versetzt werden. Beispielsweise zeigt die Darstellung in 1 die Halbleiterschalter S1 und S2 in einem elektrisch nicht-leitenden Zustand und die Halbleiterschalter S3, S4, S5 in einem elektrisch leitenden Zustand. Die Darstellung in 2 zeigt hingegen die Halbleiterschalter S1 und S2 in einem elektrisch leitenden Zustand und die Halbleiterschalter S3, S4, S5 in einem elektrisch nicht-leitenden Zustand.
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Ein erster Halleiterschalter S1 ist zwischen einem ersten Phasenanschluss der ersten Wicklung U1 und einem zweiten Phasenanschluss der ersten Wicklung V1 angeordnet. Ein zweiter Halbleiterschalter S2 ist zwischen dem zweiten Phasenanschluss der ersten Wicklung U1 und einem dritten Phasenanschluss der ersten Wicklung W1 angeordnet. Ein dritter Halleiterschalter S3 ist zwischen dem ersten Phasenanschluss der ersten Wicklung U1 und einem ersten Phasenanschluss der zweiten Wicklung U2 angeordnet. Ein vierter Halleiterschalter S4 ist zwischen dem zweiten Phasenanschluss der ersten Wicklung V1 und einem zweiten Phasenanschluss der zweiten Wicklung V2 angeordnet. Ein fünfter Halleiterschalter S5 ist zwischen dem dritten Phasenanschluss der ersten Wicklung W1 und einem dritten Phasenanschluss der zweiten Wicklung W2 angeordnet.
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Zur Ansteuerung der Schalteinrichtung 3, insbesondere der Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4, S5, weist der Force-Feedback-Aktuator 1 ferner eine Steuereinrichtung 4 auf. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise als programmierbarer Microcontroller ausgestaltet sein. Die Steuereinrichtung ist gemäß der Erfindung dazu konfiguriert, die Schalteinrichtung 3 derart anzusteuern, dass - in einem in 1 gezeigten Normalbetriebsmodus - jeder Phasenanschluss der ersten Wicklung U1, V1, W1 mit genau einem Phasenanschluss der zweiten Wicklung U2, V2, W2 elektrisch verbunden ist. Insofern ist die erste Wicklung der elektrischen Maschine 2 parallel zu der zweiten Wicklung der elektrischen Maschine 2 geschaltet. In diesem Normalbetriebsmodus kann die elektrische Maschine 2 über eine Leistungselektronik 5, beispielsweise umfassend einen Wechselrichter, angesteuert werden. Hierzu sind die ersten Phasenanschlüsse der Wicklungen U1, U2 mit einem ersten Phasenanschluss U der Leistungselektronik 5 verbunden und die zweiten Phasenanschlüsse der Wicklungen V1, V2 mit einem zweiten Phasenanschluss V der Leistungselektronik 5 und die dritten Phasenanschlüsse der Wicklungen W1, W2 mit einem dritten Phasenanschluss W der Leistungselektronik 5.
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Die Steuereinrichtung 4 ist gemäß der Erfindung ferner dazu konfiguriert - in einem in 2 gezeigten Fehlermodus - alle Phasenanschlüsse der ersten Wicklung U1, V1, W1 elektrisch miteinander zu verbinden und die Phasenanschlüsse der zweiten Wicklung U2, V2, W2 elektrisch voneinander und von den Phasenanschlüssen der ersten Wicklung U1, V1, W1 zu trennen. Insofern ist die erste Wicklung der elektrischen Maschine 2 kurzgeschlossen und die zweite Wicklung bleibt offen.
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Die Steuereinrichtung 4 ist ferner dazu konfiguriert, einen Fehler in dem Force-Feedback-Aktuator 1 zu erkennen, beispielsweise anhand eines Signals eines in den Zeichnungen nicht dargestellten Sensors. Der Sensor kann als Stromsensor oder Spannungssensor ausgebildet sein. Bei dem Fehler kann es sich beispielsweise um einen Fehler in der Leistungselektronik 5 handeln, insbesondere einen Ausfall der Leistungselektronik 5. Die Steuereinrichtung 4 ist ferner dazu konfiguriert und bei erkanntem Fehler von dem Normalbetriebsmodus in den Fehlermodus zu schalten. Durch die kurzgeschlossene Wicklung kann in dem Fehlermodus ein Kurzschluss-Strom und damit ein Kurzschluss-Drehmoment erzeugt werden, welches der Drehbewegung des Lenkrads und damit dem Lenkwunsch des Fahrers entgegenwirkt. Somit können unkontrollierte Lenkbewegungen, insbesondere ruckartige Lenkbewegungen, durch ein spürbares Gegenmoment abgebremst werden.
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Die Leistungselektronik 5 ist mit der Schalteinrichtung 3 elektrisch verbunden. In dem Normalbetriebsmodus steuert die Leistungselektronik 5 die erste und die zweite Wicklung parallel an, um ein Drehmoment mit der elektrischen Maschine 2 zu erzeugen.
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Optional kann bei dem Force-Feedback-Aktuator gemäß 1 und 2 ein Widerstand zwischen einen Phasenanschluss der ersten Wicklung U1, V1, W1 und der Schalteinrichtung 3 vorgesehen sein. Alternativ können zwischen mehrere, insbesondere allen, Phasenanschlüssen der ersten Wicklung U1, V1, W1 und der Schalteinrichtung 3 jeweils ein Widerstand vorgesehen sein. Durch den Widerstand oder die mehrere Widerstände kann die Kurzschluss-Charakteristik verändert werden. Dabei kann das Maximum der des Kurzschluss-Drehmoments durch den Widerstand zu höheren Drehzahlen verschoben werden. Durch geeignete Auswahl der Anzahl an Windungen der ersten Wicklung, insbesondere im Verhältnis zu den Windungen der zweiten Wicklung, kann in Kombination mit der Wahl eines oder mehrerer geeigneter Widerstände eine besonders flexible Einstellung der Kurzschluss-Kennlinie erfolgen.
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Bei dem Force-Feedback-Aktuator 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dessen Verhalten im Fehlermodus durch die Ausgestaltung der elektrischen Maschine 2 zu beeinflussen ohne dabei das Verhalten des Force-Feedback-Aktuators 1 im Normalbetriebsmodus zu verändern. So kann das Kurzschluss-Drehmoment durch die Wahl einer geeigneten Anzahl an Windungen der ersten Wicklung 11 eingestellt werden. Ferner lässt sich die Drehmomentkennline des Force-Feedback-Aktuators im Fehlermodus flexible einstellen. Dies soll im Folgenden anhand der Darstellung in 4 erläutert werden. Die 4 zeigt eine Kurve 20 des Drehmoments M des Force-Feedback-Aktuators 1 gemäß 1 in Abhängigkeit von der Drehzahl n.
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Zum Vergleich sind die Kurven 21, 22 aus dem Stand der Technik bekannter Force-Feedback-Aktuatoren gezeigt. Die Kurve 21 stammt von einem Force-Feedback-Aktuator, dessen elektrische Maschine 2 eine gemeinsame Drehstromwicklung mit drei Phasenanschlüssen aufweist. Es ist erkennbar, dass das Maximum des Drehmoments M gemäß Kurve 21 einen größeren Wert als bei dem Force-Feedback-Aktuator 1 gemäß der Erfindung umfasst. Insofern bei dem erfindungsgemäßen Force-Feedback-Aktuator 1 ein weniger schwankender Verlauf des Drehmoments über der Drehzahl erreicht werden.
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Die Kurve 22 stammt von einem Force-Feedback-Aktuator, dessen elektrische Maschine 2 ebenfalls eine gemeinsame Drehstromwicklung mit drei Phasenanschlüssen aufweist. Zudem ist bei dem Force-Feedback-Aktuator ein Widerstand zwischen dem Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine vorgesehen. Dieser Widerstand verschiebt das Maximum der Drehmomentkennlinie im Vergleich zu der Kurve 21 in Richtung größerer Drehzahlen n. Es ist erkennbar, dass das Maximum des Drehmoments M gemäß Kurve 22 einen größeren Wert als bei dem Force-Feedback-Aktuator 1 gemäß der Erfindung umfasst. Insofern bei dem erfindungsgemäßen Force-Feedback-Aktuator 1 ein weniger schwankender Verlauf des Drehmoments M über der Drehzahl n erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Force-Feedback-Aktuator
- 2
- elektrische Maschine
- 3
- Schalteinrichtung
- 4
- Steuereinrichtung
- 5
- Leistungselektronik
- S1-S5
- Halbleiterschalter
- U1, V1, W1
- Phasenanschluss der ersten Wicklung
- U2, V2, W2
- Phasenanschluss der zweiten Wicklung
- U, V, W
- Phasenanschluss der Leistungselektronik
- 10
- Zahn
- 11
- erste Wicklung
- 12
- zweite Wicklung
- M
- Drehmoment
- N
- Drehzahl