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Die Erfindung betrifft eine Bestromungsvorrichtung zur Bestromung einer Erregerspulenanordnung eines insbesondere elektronisch kommutierten Elektromotors, insbesondere einer Werkzeugmaschine, mit in einer Sternpunkt-Schaltung geschalteten Erregerspulen, wobei die Bestromungsvorrichtung zur Bestromung der Erregerspulen Brückenstränge aufweist, die zwei Halbzweige mit jeweils einem elektrischen Schalter aufweisen, wobei die Erregerspulen mit Sternpunkt-Anschlüssen an einem Sternpunkt der Erregerspulenanordnung mit den anderen Erregerspulen und mit Speise-Anschlüssen mit dem ihr zugeordneten Brückenstrang, der somit einen Speise-Brückenstrang bildet, zwischen dessen Halbzweigen elektrisch verbunden sind, wobei der Sternpunkt an einen weiteren Brückenstrang der Bestromungsvorrichtung, der somit einen Sternpunkt-Brückenstrang bildet, zwischen dessen Halbzweigen elektrisch angeschlossen ist, wobei die Schalter durch Ströme zur Bestromung der Erregerspulenanordnung und durch Kreisströme durchströmbar sind und durch eine Steuerungseinrichtung der Bestromungsvorrichtung während einer Bestromungsphase in eine zum Bestromen einer jeweils an den Brückenstrang angeschlossenen Erregerspule vorgesehene Schließstellung ansteuerbar sind.
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Eine derartige Bestromungsvorrichtung ist in
US 5,455,885 erläutert. In dieser Schrift wird erläutert, wie die Speise-Anschlüsse der Erregerspulen über jeweils einen Speise-Brückenstrang bestromt werden, wobei anders als bei typischen Sternpunkt-Brückenschaltungen der Sternpunkt nicht unbeschaltet ist, sondern an einen Sternpunkt-Brückenstrang angeschlossen ist. Somit fließt also der Speisestrom nur über eine Erregerspule und den Sternpunkt, anders als bei typischen Brückenschaltungen, wo der Erregerstrom nicht nur eine Erregerspule, sondern zwei Erregerspulen durchfließt, die an dem Sternpunkt zusammengeschaltet sind. In der Praxis haben sich aber erhebliche Probleme dahingehend gezeigt, dass der drehende Rotor in die nicht aktiv bestromten Spulen Ströme induziert, die zur Erwärmung des Motors und zur Störung der Bestromungsvorrichtung führen können.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Bestromungsvorrichtung bereit zu stellen.
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Zur Lösung der Aufgabe ist bei einer Bestromungsvorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, dass mindestens ein Schalter der Brückenstränge ein Sperrschalter ist, der zur Blockierung von Kreisströmen in einer Sperrstellung einen Stromfluss in einander entgegengesetzten Stromrichtungen blockiert.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bestromung einer Erregerspulenanordnung gemäß der technischen Lehre eines weiteren unabhängigen Anspruches. Das Verfahren betrifft den Betrieb einer Bestromungsvorrichtung gemäß der Erfindung. Dabei ist ein Schalten mindestens eines als Sperrschalter oder des als Sperrschalter ausgestalteten Schalters der Brückenstränge in eine Sperrstellung, in der der mindestens eine Schalter einen Stromfluss in einander entgegengesetzten Stromrichtung blockiert, vorgesehen.
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Ein bevorzugtes Konzept sieht weiterhin vor, dass bei dem Verfahren alle Schalter in die Sperrstellung geschaltet werden, die nicht zu einer Bestromung einer Erregerspule im Sinne eines Speisens der Erregerspule oder an einem Weiterführen eines Stromflusses durch die Erregerspule im Sinne eines Abbauens eines Magnetfelds der Erregerspule nach ihrer bzw. deren Bestromungsphase vorgesehen sind. Somit sind sozusagen alle Schalter, insbesondere der Speise-Brückenstränge, in der Sperrstellung, wenn sie nicht gerade aktiv an einer Bestromung oder Entstromung einer Erregerspule beteiligt sind. Unerwünschte Kreisströme werden dadurch effektiv vermieden.
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Ein bevorzugtes Konzept sieht vor, dass die oder alle Speise-Brückenstränge jeweils Sperrschalter dieser Art aufweisen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein Speise-Brückenstrang, vorzugsweise alle oder mehrere Speise-Brückenstränge in beiden Halbzweigen als Sperrschalter ausgestaltete Schalter aufweisen. Somit können diejenigen Speise-Brückenstränge, die an einer aktiven Bestromung einer Erregerspule nicht beteiligt sind, sozusagen aktiv abgeschaltet oder blockiert werden.
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Ein bevorzugtes Konzept sieht weiterhin vor, dass alle Speise-Brückenstränge in beiden Halbzweigen jeweils als Sperrschalter ausgestaltete Schalter aufweisen. Somit kann jeder Speise-Brückenstrang gegenüber Kreisströmen, die unerwünscht sind, blockiert werden. Es ist beispielsweise möglich, dass drei Speise-Brückenstränge entsprechend einer Beschaltung des Motors mit drei Erregerspulen vorhanden sind. Selbstverständlich können auch weitere Erregerspulen bei dem Elektromotor vorgesehen sein, wobei dann die Bestromungsvorrichtung für jede Erregerspule zweckmäßigerweise jeweils einen Speise-Brückenstrang aufweist.
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Der Sperrschalter ist vorzugsweise ein sozusagen idealer Schalter. Der Sperrschalter weist beispielsweise ein Schaltelement auf, welches in seiner Offenstellung in zwei Stromrichtungen, also einander entgegengesetzte Stromrichtungen sperrt. Insbesondere ist es dann möglich, einen derartigen Sperrschalter zu realisieren, wenn ein Halbleiter vorgesehen ist, der keine Invers-Diode oder sozusagen natürlich vorhandene Diode aufweist. Wenn ein derartiger Halbleiterschalter verfügbar ist, kann dieser den Sperrschalter bilden.
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Vorteilhaft ist vorgesehen, dass mindestens ein elektrischer Schalter ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein MosFET, oder ein Bipolartransistor, insbesondere mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated-Gate Bipolar Transistor oder IGBT), ist oder einen solchen Transistor umfasst.
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Auch mit konventionellen Halbleiterschaltern, beispielsweise MOSFETs oder dergleichen, lässt sich die Erfindung nämlich realisieren, beispielsweise anhand der folgenden Maßnahme:
- Ein bevorzugtes Konzept sieht vor, dass der Sperrschalter ein erstes Schaltelement und ein zu dem ersten Schaltelement in Reihe geschaltetes zweites Schaltelement aufweist. Jedes Schaltelement weist eine parallele Diode auf, d.h. eine Diode, die zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Schaltelementes geschaltet ist. Ein jeweiliges erstes oder zweites Schaltelement und dessen Diode können integrierte Bestandteile eines Halbleiterbausteins, beispielsweise eines Feldeffekttransistors, sein.
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Die Schaltelemente sind vorteilhaft derart angeordnet, dass ihre Dioden einander entgegengesetzte Sperrrichtungen aufweisen.
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In der Sperrstellung des Sperrschalters sind beide Schaltelemente in eine elektrische Offenstellung geschaltet, wobei die Dioden Stromflüsse durch den Sperrschalter in einander entgegengesetzten Stromrichtungen blockieren. Aufgrund der und einander entgegengesetzten Sperrichtungen der Dioden, die ja in Reihe geschaltet sind, ist der Sperrschalter für Ströme in einander entgegengesetzten Stromrichtungen sperrend, wenn er seine Sperrstellung einnimmt. Beispielsweise sind beide Schaltelemente in dieser Situation in ihre Offenstellung oder nicht leitende Stellung geschaltet.
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Die beiden Schaltelemente und/oder deren Dioden eines Sperrschalters sind beispielsweise anti-seriell geschaltet.
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Weiterhin ist es möglich, dass der Sperrschalter zwei in Reihe geschaltete und in einander entgegengesetzten Stromrichtungen sperrende Halbleiter-Schaltelemente aufweist. Beispielsweise sind die Drain-Anschlüsse oder Source-Anschlüsse von Halbleiter-Sperrschaltern, insbesondere MOSFETs oder Bipolartransistoren, die zur Bildung des Sperrschalters in Reihe geschaltet sind, miteinander verbunden. Die Schaltelemente sind beispielsweise MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), IGBTs (= insulated-gate bipolar transistor) oder dergleichen.
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Die Erfindung ist ohne weiteres realisierbar, wenn der Sternpunkt-Brückenstrang nur einen oder keinen in einander entgegensetzte Stromrichtung sperrenden Sperrschalter aufweist. Insbesondere ist es also möglich, dass nur die Speise-Brückenstränge Sperrschalter gemäß der Erfindung enthalten oder aufweisen.
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Bei dem Sternpunkt-Brückenstrang können Schalter konventioneller Art, beispielsweise Bipoloartransistoren, Feldeffekttransistoren oder dergleichen eingesetzt werden, die sozusagen eine eingebaute Diode oder Invers-Diode aufweisen.
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Der mindestens eine elektrische Schalter oder alle elektrischen Schalter des Sternpunkt-Brückenstranges weist oder weisen jeweils eine Diode auf, beispielsweise eine einen integralen Bestandteil des Schalters bildende Diode oder eine Invers-Diode, die einen Stromfluss durch den Schalter auch bei dessen Offenstellung in einer Stromrichtung ermöglicht (und in der entgegengesetzten Stromrichtung blockiert), so dass der den mindestens einen elektrischen Schalter aufweisende Halbzweig des Sternpunkt-Brückenstrangs bei geöffnetem Schalter in einer Stromrichtung leitend ist oder entgegengesetzten Stromrichtung blockierend oder sperrend ist.
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Der mindestens eine elektrische Schalter des Sternpunkt-Brückenstranges bzw. eines Halbzweigs des Sternpunkt-Brückenstrangs ist beispielsweise ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein MOSFET, ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) oder weist einen solchen Transistor auf. Selbstverständlich können auch bei den Schaltelementen des Sperrschalters derartige Feldeffekttransistoren, Bipolartransistoren oder dergleichen eingesetzt werden, wenn sie sozusagen mit entgegengesetzter natürlicher Sperrrichtung in Reihe geschaltet sind.
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Die Bestromungsvorrichtung ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass die Steuerungseinrichtung in einer ersten Betriebsart die Schalter der Speise-Brückenstränge und des Sternpunkt-Brückenstrangs derart ansteuert, dass jeweils eine Erregerspule bestromt ist. Während der Bestromung dieser Erregerspule leitet dann beispielsweise jeweils ein Schalter eines Speise-Brückenstrangs und ein Schalter des Sternpunkt-Brückenstrangs, an den die Erregerspule angeschlossen ist. Mithin ist also bei jeder Bestromungsphase einer Erregerspule jeweils der Speise-Brückenstrang, an den die Erregerspule angeschlossen ist, und der Sternpunkt-Brückenstrang beteiligt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Bestromungsvorrichtung so ausgestaltet ist, dass die Steuerungseinrichtung in einer zweiten Betriebsart zum Bestromen zweier an den Sternpunkt angeschlossen Erregerspulen ausgestaltet ist. In dieser zweiten Betriebsart sind beispielsweise beide Schalter des Sternpunkt-Brückenstrangs geöffnet.
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Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung zum Bestromen zweier an den Sternpunkt angeschlossener Erregerspulen die Schalter des Sternpunkt-Brückenstrangs in eine Offenstellung oder sperrende Stellung ansteuert, und Schalter der Speise-Brückenstränge, an die die Erregerspulen angeschlossen sind, zu deren Bestromung, insbesondere gepulst oder auch nur mit einem einzelnen Puls, einschaltet. Während einer Bestromungsphase der Erregerspulen kann der erregende Strom also einmal oder mehrmals ausgeschaltet werden, sodass Pulse entstehen. Es ist aber auch möglich, dass die Erregerspulen während der gesamten Bestromungsphase dauerhaft oder ungepulst bestromt werden.
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Die Steuerungseinrichtung ist zu Ansteuerung der Schalter der Speise-Brückenstränge und des Sternpunkt-Brückenstrangs vorzugsweise derart ausgestaltet, dass jeweils ein Halbzweig des Sternpunkt-Brückenstrangs leitend ist, d. h. ein Schalter dieses Halbzweigs in Durchlassstellung ist, während der andere Halbzweig des Sternpunkt-Brückenstrangs nicht leitet. Zur Bestromung jeweils einer einzelnen Spule der Erregerspulenanordnung ist dann jeweils ein Halbzweig desjenigen Speise-Brückenstrangs aktiv, an den die jeweilige Spule angeschlossen ist. Dabei ist es vorteilhaft, dass dann, wenn der sozusagen obere, d. h. mit einem Versorgungspotenzial verbundene Halbzweig, des Speise-Brückenstrangs leitend ist, der obere Halbzweig des Sternpunkt-Brückenstrangs nicht leitend, der untere Halbzweig des Sternpunkt-Brückenstrangs jedoch leitend ist. Wenn der untere Halbzweig des Speise-Brückenstrangs leitend ist, ist der obere Halbzweig des Sternpunkt-Brückenstrangs leitend.
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Ein bevorzugtes Konzept sieht vor, dass die Bestromungsvorrichtung eine von dem mindestens einen Sperrschalter galvanisch getrennte Ansteuerschaltung zur Ansteuerung des mindestens einen Sperrschalters oder mindestens eines Schaltelementes des Sperrschalters aufweist. Die Ansteuerungschaltung umfasst beispielsweise einen Optokoppler, einen Transformator oder beides. Die Ansteuerschaltung ist zwischen die Steuerungseinrichtung und den anzusteuernden Schalter geschaltet. Bevorzugt ist es, wenn jedem Sperrschalter eine derartige Ansteuerschaltung zugeordnet ist. Es ist möglich, dass mit ein und derselben Ansteuerschaltung zwei Schaltelemente eines Sperrschalters angesteuert werden, die synchron in ihre Schließstellung oder Offenstellung bzw. leitende Stellung oder durchlassende Stellung zu schalten sind. Durch die galvanische Trennung können Potentiale, die beispielsweise bei der Blockierung von Kreisströmen durch ein Schalten des Sperrschalters in die Sperrschaltung, auftreten können, nicht auf die Ansteuerseite, d.h. die Steuerungseinrichtung aus.
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Dieses Konzept ist zwar auch bei dem Sternpunkt-Brückenstrang bzw. den Schaltern des Sternpunkt-Brückenstranges möglich, jedoch nicht unbedingt notwendig. Beim Sternpunkt-Brückenstrang bzw. dessen Schaltern ist eine einfachere Beschaltung mit konventioneller Ansteuerung möglich. Die Schalter des Sternpunkt-Brückenstranges sind zweckmäßigerweise durch die Steuerungseinrichtung ohne galvanische Trennung und/oder ohne Optokoppler und/oder mit dem galvanischen Potential der Schalter angesteuert. So ist beispielsweise eine typische Treiberschaltung mit einem schaltenden Transistor, insbesondere einem Bipolartransistor ohne weiteres für die Ansteuerung des Schalters oder der Schalter des Sternpunkt-Brückenstranges möglich. Eine derartige Beschaltung hat zudem den Vorteil, dass die Schalter des Sternpunkt-Brückenstranges besonders schnell und effektiv ansteuerbar sind, so dass eventuelle Verzögerungen, die durch eine galvanisch getrennte Ansteuerung auftreten können, nicht zu befürchten sind. So ist es beispielsweise möglich, dass die Schalter des Sternpunkt-Brückenstranges bei der Bestromung einer jeweiligen Erregerspule gepulst angesteuert werden, d.h. einmal oder mehrfach ein- und ausgeschaltet werden, während der an der Bestromung beteiligte Schalter des Speise-Brückenstranges dauerhaft in die Schließstellung bzw. leitende Stellung geschaltet wird.
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Die Steuerungseinrichtung ist nämlich vorzugsweise so ausgestaltet, dass während einer jeweiligen Bestromungsphase einer Erregerspule zur Einstellung eines der Erregerspule durchfließenden Stromes jeweils ein Schalter eines Speise-Brückenstranges und ein Schalter des Sternpunkt-Brückenstranges in die Schließstellung oder leitende Stellung angesteuert werden.
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Dabei ist es möglich, dass beide Schalter dauerhaft in der Schließstellung oder leitenden Stellung sind oder einer der Schalter gepulst wird, d.h. beispielsweise einmal oder mehrfach während der Bestromungsphase eingeschaltet und ausgeschaltet wird, um die Stromhöhe zu beeinflussen.
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Ein bevorzugtes Konzept sieht dabei vor, dass die Steuerungseinrichtung während der Bestromungsphase den Schalter des Speise-Brückenstranges dauerhaft in die Schließstellung und zur Einstellung einer jeweiligen effektiven Stromhöhe des die Erregerspule durchfließenden Stromes den Schalter des Sternpunkt-Brückenstranges einmal oder mehrfach während der Bestromungsphase einschaltet und ausschaltet. Es kann beispielsweise eine Pulsweitenmodulierung vorgesehen sein.
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Die Bestromungseinrichtung ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass jeweils eine Erregerspule durch einen Erregerstrom gespeist ist, wobei der Erregerstrom durch einen Halbzweig eines Speise-Brückenstrangs und einen Halbzweig des Sternpunkt-Brückenstrangs strömt. Insoweit noch Ströme in einer oder mehreren der anderen Erregerspulen fließen, handelt es sich um Kreisströme oder durch beispielsweise den Rotor erzeugte oder induzierte Ströme.
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Insbesondere wenn einer oder mehrere Schalter der Bestromungseinrichtung als Sperrschalter ausgestaltet sind, ist die nachfolgende Maßnahme vorteilhaft:
- Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung zu einem Weiterführen eines Stromflusses durch eine Erregerspule im Sinne eines Abbauens eines Magnetfeldes der Erregerspule nach ihrer Bestromungsphase mindestens einen Schalter, insbesondere den Sperrschalter oder einen als Sperrschalter ausgestalteten Schalter, in eine Schließstellung oder leitende Stellung schaltet. Somit kann derjenige Sperrschalter, welcher gezielt den Strom der Erregerspule, der ja noch durch deren Magnetfeld nach der aktiven Bestromung fließt, leiten. Die Bestromungsvorrichtung ist also zu einem sozusagen aktiven Entstromen einer Erregerspule nach deren Bestromungsphase ausgestaltet. Andere Schalter der Brückenstränge, die nicht zu einem Entstromen oder Abbauen des Magnetfeldes der Erregerspule vorgesehen sind, werden durch die Steuerungseinrichtung in der Sperrstellung oder in beide Stromrichtungen blockierende Stellung geschaltet.
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Prinzipiell ist es zwar möglich, dass zum Abbauen eines Magnetfelds einer Erregerspule der Kreisstrom oder der das Magnetfeld abbauende Strom durch eine Diode eines Halbleiter-Schalters fließt, beispielsweise eine Invers-Diode. Durch die sozusagen aktive Entstromung, d.h., das Schalten des Schalters in seine Durchlassstellung oder Schließstellung oder leitende Stellung, entstehen wesentlich weniger elektrische Verluste, also beispielsweise Wärme. Zudem werden die Komponenten der Bestromungsvorrichtung weniger stark belastet, insbesondere thermisch weniger stark belastet.
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Es ist dabei ein Grundgedanke, dass der elektrische Verlust, der an sich durch eine Diode oder dergleichen anderes Bauteil entstehen kann, minimiert wird. Die Steuerungseinrichtung schaltet sozusagen den Schalter aktiv in die Schließstellung.
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Die Steuerungseinrichtung ist zweckmäßigerweise zu einem Schalten des mindestens einen Schalters, der den das Magnetfeld der ersten Erregerspule abbauenden Strom leitet, in die Schließstellung ausgestaltet, wobei dies unmittelbar nach einem Umschalten der Bestromung von einer ersten Erregerspule auf eine zweite Erregerspule der Erregerspulenanordnung stattfindet. Wenn also von der ersten Erregerspule auf die zweite Erregerspule umgeschaltet wird, d.h. die erste Erregerspule an sich nicht weiter bestromt werden soll, jedoch die zweite Erregerspule gespeist wird, wird der Strom, der von der ersten Erregerspule noch getrieben wird, über den in die Schließstellung geschalteten Schalter weiter abgeführt.
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Der mindestens eine Schalter, der den das Magnetfeld einer Erregerspule nach deren Bestromungsphase abbauenden Strom leitet, und der Schalter, der zuvor den die Erregerspule durchfließenden Strom während dieser Bestromungsphase geleitet hat, bilden zweckmäßigerweise Bestandteile verschiedener Halbzweige desselben Brückenstranges. Der eine Schalter bestromt also zunächst aktiv die Erregerspule, während der andere die Erregerspule nach dieser aktiven Bestromung sozusagen entstromt oder entmagnetisiert.
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Die Steuerungseinrichtung öffnet vorzugsweise den Schalter, der den das Magnetfeld der Erregerspule abbauenden Strom leitet, vor einem Nulldurchgang oder Stromrichtungswechsel dieses Stroms. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Steuerungseinrichtung den Schalter unmittelbar vor dem Nulldurchgang oder unmittelbar vor oder nach einem Stromrichtungswechsel des Stroms öffnet, d.h. ein Weiterfließen des Stroms blockiert. Wenn also beispielsweise während einer gegebenen Zeitspanne der Strom von seinem Maximum zu Null wird oder einen Richtungswechsel erfährt, schaltet die Steuerungseinrichtung den Schalter in die Offenstellung oder nicht leitende Stellung, in den letzten 2-5 % der gegebenen Zeitspanne. Durch diese Maßnahme sind Spannungen gering, die an dem Schalter beim Schalten in die Offenstellung oder nicht leitende Stellung anliegen können.
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schaltet die Steuerungseinrichtung den Schalter nur bei geringen Spannungen.
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Bei der Bestromungsvorrichtung ist es vorteilhaft, wenn sie eine Meßeinrichtung zum Messen des das Magnetfeld der Erregerspule abbauenden Stroms aufweist. Die Messeinrichtung kann beispielsweise eine Widerstandsmesseinrichtung sein. Es ist aber auch möglich, dass die Messeinrichtung zu einer Extrapolation oder Voraussage des Stroms ausgestaltet ist, beispielsweise anhand einer Simulationseinrichtung oder Simulationssoftware.
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Die Messeinrichtung erfasst vorzugsweise den Strom anhand eines Innenwiderstands des mindestens einen Schalters, beispielsweise eines Innenwiderstands eines Feldeffekttransistors oder Bipolartransistors. Es ist aber auch möglich, dass der Strom anhand eines Messwiderstandes außerhalb des Schaltelementes gemessen wird, also eines sogenannten Shunts. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Messeinrichtung anhand mindestens einer oder mehrerer Messungen einen Verlauf des Stromes berechnet. So kann beispielsweise aufgrund eines Anfangsverlaufes des Stroms nach dem Schließen des Schalters, der den Strom zur Entmagnetisierung oder Entstromung der Erregerspule leitet, gemessen und anschließend extrapoliert werden. Typischerweise hat der Strom den Verlauf einer e-Funktion.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Messeinrichtung den Strom anhand mehrerer Messungen im Sinne einer Abtastung erfasst oder ermittelt.
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Bevorzugt ist die Erfindung bei einem elektrischen Gerät in Gestalt einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Schraubmaschine oder Bohrmaschine realisiert. Bei der Werkzeugmaschine handelt es sich vorzugsweise um eine Hand-Werkzeugmaschine oder eine halbstationäre Werkzeugmaschine, beispielsweise eine Säge, die am Nutzungsort aufgestellt werden kann, z.B. eine Kappsäge, Baustellensäge oder dergleichen. Ohne weiteres kann die Bestromungsvorrichtung aber auch bei einem Staubsauger realisiert sein.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht einer Werkzeugmaschine mit einer Bestromungseinrichtung, von der in
- 2 ein Schaltbild dargestellt ist,
- 3 ein vereinfachtes Schaltbild der Bestromungseinrichtung gemäß 2,
- 4 ein zeitliches Bestromungsdiagramm, welches den Betrieb der Bestromungseinrichtung gemäß 2, 3 darstellt,
- 5 die Bestromungseinrichtung mit eingezeichneten Strömen während einer Bestromungsphase einer ersten Erregerspule,
- 6 die Schaltung gemäß 5, bei Beginn einer Bestromungsphase einer nachfolgenden Erregerspule, wobei ein Kreisstrom eingezeichnet ist,
- 7 die Schaltung gemäß 5 und 6 bei der Bestromung der nachfolgenden Erregerspule,
- 8 ein schematischer Verlauf eines eine Erregerspule durchfließenden Stromes während einer Entstromungsphase,
- 9 eine Ansteuerschaltung für einen Schalter eines Speise-Brückenstrangs der Schaltung gemäß 2,
- 10 eine Schaltung zur Ansteuerung eines Schalters eines Sternpunkt-Brückenstrang der Schalter gemäß 2,
- 11 eine weitere Bestromungseinrichtung mit einem Elektromotor in Sternpunkt-Schaltung, dessen Sternpunkt nicht an einen Brückenstrang angeschlossen ist, und
- 12 ein Bestromungsdiagramm für die Schaltung gemäß 11.
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Ein elektrisches Gerät 10 in Gestalt einer Hand-Werkzeugmaschine 11 weist ein Gehäuse 12 auf, in welchem ein Elektromotor 13 aufgenommen ist. Der Elektromotor 13 treibt direkt oder über ein Getriebe 14 eine Werkzeugaufnahme 15 für ein Arbeitswerkzeug 16, beispielsweise ein Bohrwerkzeug, ein Sägewerkzeug oder dergleichen an. Im konkreten Fall ist das elektrische Gerät bzw. die Hand-Werkzeugmaschine 11 als eine Schraubmaschine oder Bohrmaschine ausgestaltet, so dass das Arbeitswerkzeug 16 einen Bohrer oder ein Schraubwerkzeug darstellt.
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Der Elektromotor 13 und das Getriebe 14 bilden Bestandteile eines Antriebsstrangs, der in einer Antriebspartie 17 des Gehäuses 12 aufgenommen ist. Von der Antriebspartie 17 steht eine Griffpartie 18 winkelig ab, die zum Ergreifen durch einen Bediener vorgesehen ist, also beispielsweise einen Handgriff aufweist oder als ein solcher ausgestaltet ist. An der Handgriffpartie 18 befinden sich Bedienelemente zur Betätigung des elektrischen Geräts 10, beispielsweise ein Bedienschalter 19, mit dem ein Bediener die Hand-Werkzeugmaschine 11 einschalten und ausschalten und insbesondere auch eine Drehzahl des Elektromotors 13 beeinflussen kann. Der Bedienschalter 19 kann also unmittelbar zur Einstellung einer Drehzahl des Elektromotors 13 dienen. Es ist aber auch möglich, dass eine gewünschte oder maximale Drehzahl des Elektromotors 13 an einem Drehzahl-Stellelement 20 einstellbar ist. Weiterhin ist am Gehäuse 12 ein Drehrichtungsschalter 21 vorgesehen, mit dem eine Drehrichtung des Elektromotors 13 umgeschaltet werden kann.
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Zur elektrischen Energieversorgung des Geräts 10 dient beispielsweise ein Energiespeicher 22, insbesondere ein Akkupack. Dieser kann das Versorgungspotenzial V1 sowie das Basispotenzial V0 unmittelbar bereitstellen. Es ist aber auch ein Betrieb anhand eines Stromversorgungsnetzes möglich, beispielsweise anhand einer elektrischen Anschlussleitung 23, mit der das Gerät 10 an ein Stromversorgungsnetz, beispielsweise ein Wechselspannungsnetz mit 110V oder 230V, anschließbar ist. In diesem Fall ist der Bestromungsvorrichtung 30 beispielsweise ein Gleichrichter oder eine Gleichrichterschaltung vorgeschaltet, um ein Versorgungspotenzial V1 und ein Basispotenzial V0 bereitzustellen, also ein Gleichspannungspotenzial.
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Die Vorgaben des Bedienschalters 19, des Drehzahl-Stellelements 20 sowie des Drehrichtungsschalters 21 setzt eine Bestromungseinrichtung 30 sozusagen um. Die Bestromungseinrichtung 30 dient zur Bestromung einer Erregerspulenanordnung 25 des Elektromotors 13. Die Erregerspulenanordnung 25 umfasst Erregerspulen EA, EB und EC, die in einer Sternpunkt-Verschaltung verschaltet sind, d.h. an einem Sternpunkt S miteinander elektrisch verbunden sind. An den Außenseiten des Sterns sind die Erregerspulen EA, EB und EC mit ihren Speise-Anschlüssen A, B und C mit Brückensträngen BA, BB und BC einer Brückenschaltung der Brücken-Bestromungsvorrichtung 30 verbunden. Die Brückenstränge BA, BB und BC sind an das Versorgungspotenzial V1 und das Basispotenzial V0 angeschlossen bzw. erstrecken sich zwischen diesen beiden Potenzialen. Jeder Brückenstrang BA, BB und BC umfasst einen Halbzweig H1 und H2, wobei man die Halbzweige H1 und H2 auch als obere oder untere Halbzweige bezeichnen kann. In den Halbzweigen H1 der Brückenstränge BA, BB und BC sind Schalter SA1, SB1, SC1 angeordnet, in den Halbzweigen H2 Schalter SA2, SB2 und SC2.
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Die Speise-Anschlüsse A, B und C der Erregerspulen EA, EB und EC sind zwischen den Halbzweigen H1 und H2 eines jeweiligen Brückenstranges BA, BB und BC an den Brückenstrang angeschlossen, wobei in der Zeichnung diese Anschlüsse an die Brückenstrang zur Vereinfachung und Verdeutlichung ebenfalls mit A, B und C bezeichnet sind.
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Die Bestromungsvorrichtung 30 weist einen weiteren Brückenstrang auf, der mit dem Sternpunkt S verbunden ist, nämlich zwischen seinen Halbzweigen H1 und H2. Dieser Brückenstrang, der einen Sternpunkt-Brückenstrang BS bildet, weist in seinen Halbzweigen H1 und H2 Schalter SS1 und SS2 auf und ist ebenfalls mit den Potenzialen V1 und V2 verbunden bzw. erstreckt sich zwischen denselben.
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Mit der Bestromungsvorrichtung 30 ist es also möglich, jede Erregerspule EA, EB und EC individuell zu bestromen, wobei der jeweilige Erregerstrom über die Spule EA, EB oder EC und den Sternpunkt S fließt. Der Strom wird dabei über einen der Halbzweige H1 und H2 der Brücke des Sternpunkt-Brückenstrangs BS geführt.
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Die Schalter SA1, SB1 und SC1 und SA2, SB2 und SC2 sowie SS1, SS2 werden durch eine Steuerungseinrichtung CO der Bestromungsvorrichtung 30 angesteuert. Schematisch ist dies durch gestrichelte Linien dargestellt, die jedoch zur Vereinfachung und Übersichtlichkeit in den 5, 6 und 7 weggelassen sind.
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Aus dem Bestromungsdiagramm gemäß 4 geht ein Bestromungsschema der Bestromungsvorrichtung 30 hervor, welches durch die Steuerungseinrichtung CO gesteuert wird. Anhand der 5, 6 und 7 wird dies deutlicher:
- Während einer Bestromungsphase T1 wird die Erregerspule EC aktiv bestromt, um einen Rotor RO des Elektromotors 13 anzutreiben. Während der Bestromungsphase T1 fließt ein Erregerstrom IEC für die Erregerspule EX vom Versorgungspotenzial V1 über den Schalter SC1 des Brückenstrangs B1 und eine Anschlussleitung LC zu dem Speise-Anschluss C der Erregerspule EA und von dort über den Sternpunkt S und den ebenfalls geschlossenen Schalter SS2 des Sternpunkt-Brückenstrangs BS zum Basispotenzial V0. Der Schalter SC1 ist dabei vorzugsweise dauerhaft in seiner Schließstellung oder elektrisch leitenden Stellung, während der Schalter SS2 zwar ebenfalls dauerhaft geschlossen sein kann, so dass der Erregerstrom IEC maximal ist, aber auch pulsweitenmoduliert oder in sonstiger Weise gepulst sein kann, was im Bestromungsdiagramm gemäß 4 als Pulsweitenansteuerung PWM dargestellt ist. Somit kann also durch ein Einschalten und Ausschalten des Schalters SS2 die Stromhöhe des Stromes IEC beeinflusst sein.
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In 6 ist die Bestromungsphase T2 dargestellt, bei der nun statt der Erregerspule EC die Erregerspule EA bestromt wird. Dementsprechend steuert die Steuerungseinrichtung CO den Schalter SA2 in die Schließstellung oder elektrisch leitende Stellung an, während der Schalter SC1 nun geöffnet ist. Der die Spule EA erregende Erregerstrom IEA fließt vom Versorgungspotenzial V1 über den Schalter SS1, der dauerhaft geschlossen / elektrisch leitend oder auch mit einem PWM-Signal gepulst eingeschaltet und ausgeschaltet sein kann, zum Sternpunkt S, von dort über die Spule EA und eine Anschlussleitung LA die zwischen deren Halbzweige H1 und H2 an den Brückenstrang BA angeschlossen ist, zum Schalter SA2 und schließlich zum Basispotenzial V0.
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Zu Anfang der Bestromungsphase T2 ist jedoch noch ein Magnetfeld bei der Erregerspule EC vorhanden, welches den an sich nach Abschluss der Bestromungsphase T1 abgeschalteten Strom noch weiter treibt. Dieser Strom ist ein Kreisstrom IKC, der gezielt abgebaut wird, um das Magnetfeld der Spule EC zu verringern. Der Kreisstrom IKC fließt also von der Spule EC über die Spule EA und den geschlossenen Schalter SA2 des Brückenstrangs BA sowie den ebenfalls geschlossenen Schalter SC2 des Brückenstrangs BC, also des unteren Schalters des Brückenstrangs BC, wieder zur Spule EC. Die sozusagen aktive Entstromung über den geschlossenen Schalter SC2 ist in 4 mit einem Einschaltsignal E dargestellt.
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Wenn die Erregerspule EC ihr Magnetfeld abgebaut hat, also der Kreisstrom IKC null oder nahezu null ist, öffnet die Steuerungseinrichtung CO den Schalter SC2 wieder, was in 7 dargestellt ist. Dann fließt nur noch der Erregerstrom IEA zur Erregung bzw. Bestromung der Erregerspule EA.
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Die vorgenannte Prozedur wird sinngemäß auch bei der sequenziell nachfolgenden Bestromung der Erregerspule B und anschließend C angewendet, was im Bestromungsdiagramm gemäß 4 schematisch angedeutet ist. Jeweils dann, wenn eine Erregerspule nicht mehr aktiv bestromt ist, wird sie sozusagen aktiv entstromt, indem beim zuvor aktiv bestromenden Brückenstrang der jeweils andere Schalter zu einer Entstromung geschlossen wird, was in 4 mit Ansteuerblöcken E angedeutet ist.
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Die Bestromungsvorrichtung 30 verhindert unerwünschte Kreisströme, d.h. Ströme, die beispielsweise durch die Drehung des Rotors RO in eine der nicht aktiv bestromten Spulen EA, EB oder EC der Erregerspulenanordnung 25 induziert werden. Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind derartige, von der Bestromungsvorrichtung 30 verhinderte Kreisströme IKA und IKB bei der Bestromung der Erregerspule EC eingezeichnet (5). Wenn die Schalter SA2 oder SB2, anders als bei der Bestromungsvorrichtung 30 der Fall, sozusagen konventionelle Schalter KA2 oder KB2 wären, was in der Zeichnung schematisch angedeutet ist, könnten derartige Ströme fließen. Beispielsweise sind typischerweise Bipolare Feldeffekt-Transistoren oder Bipolar-Transistoren als Schaltelemente vorgesehen, die eine derartige Invers-Diode DI aufweisen. Die als Sperrschalter SX gestalteten Schalter SA1, SB1 und SC1 und SA2, SB2 und SC2 der Bestromungsvorrichtung 30 verhindern jedoch derartige unerwünschte Kreisströme IKA und IKB:
- Jeder Schalter SA1, SA2, SB1, SB2, SC1, SC2 weist nämlich Schaltelemente S1 und S2 auf, die sozusagen gegensinnig oder antiseriell geschaltet sind. Die Schaltelemente S1 und S2 sind beispielsweise Bipolar-Transistoren, Feldeffekt-Transistoren, insbesondere MosFETs, deren jeweilige an sich vorhandene Inversdiode D1 und E2 in unterschiedliche Stromrichtungen sperrt. Somit können die Schaltelemente SA1-SC2 dann, wenn sie ihre Sperrstellung einnehmen (die Schaltelemente S1 und S2 sind dabei geöffnet bzw. elektrisch nicht leitend), in einander entgegengesetzte Stromrichtungen sperren. Somit können Kreisströme in der Art der Kreisströme IKA und IKB nur dann fließen, wenn eines der Schaltelemente SA1, SA2, SB1, SB2, SC1 oder SC2 geschlossen bzw. nicht in seiner Sperrstellung ist. Wenn jedoch wie in 6 dargestellt eine gewünschte oder aktiv gewollte Bestromungssituation besteht, d.h. die Steuerungseinrichtung CO den Schalter SA2 aus seiner Sperrstellung in seiner leitende oder Schließstellung verstellt, kann das aktive Entstromen der Erregerspule EC stattfinden.
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Allerdings soll diese aktive Entstromung möglichst dann enden, wenn das Magnetfeld der jeweiligen Erregerspule EA, EB und EC abbauende Strom, beispielsweise der Strom IKC, null ist oder seine Stromrichtung wechselt. Bei dem Stromverlauf gemäß 8 ist dies schematisch dargestellt, wo zu einem Zeitpunkt te dieser Stromrichtungswechsel bzw. Nulldurchgang stattfindet. Die Steuerungseinrichtung CO steuert also den Schalter SC2 zum Zeitpunkt te aus seiner Schließstellung oder leitenden Stellung (6) in seine Offenstellung oder elektrisch nicht leitende Stellung (7) an.
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Zur Erfassung des eine Erregerspule sozusagen entstromenden Stromes, z.B. des Stromes IKC, ist eine Messeinrichtung M vorgesehen. Die Messeinrichtung M kann beispielsweise den Innenwiderstand eines oder mehrerer Schaltelemente S1, S2 erfassen. Es ist auch möglich, dass die Messeinrichtung M beispielsweise einen Messwiderstand oder mehrere Messwiderstände umfasst, die in eine dem jeweiligen Kreisstrom führende Leitung gespannt ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Messeinrichtung M den jeweiligen Kreisstrom oder die Erregerspule entmagnetisierenden Strom zu mehreren Zeitpunkten erfasst, beispielsweise zu Zeitpunkten ta, tb und tc. Eine engmaschige Überwachung bzw. eine Überwachung des Stromes IKC in kurzen Abständen ermöglicht es, dass die Messeinrichtung M den Nulldurchgang des Stromes IKC optimal erfassen kann, so dass die Steuerungseinrichtung CO den jeweils „aktiv entströmenden“ Schalter SA1-SC1 zum richtigen Zeitpunkt, nämlich zum jeweiligen Nulldurchgang, des jeweiligen die Erregerspule entmagnetisierenden Stromes öffnet.
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Die Schalter SS1 und SS2 des Sternpunkt-Brückenstrangs BS sind Halbleiterschalter HS, beispielsweise MOSFETS, IGBTs oder dergleichen, die eine invers-Diode D aufweisen.
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Zur Ansteuerung der Schalter SA1-SC2 dient eine Ansteuerschaltung CX, die in 9 schematisch dargestellt ist. Die Ansteuerschaltung CX umfasst einen Optokoppler, z.B. einen Gate-Treiber Optokoppler, mit Steueranschlüssen S1 und S2, die an die Steuerungseinrichtung CO angeschlossen sind. Eine Diode DX des Optokopplers OP erzeugt entsprechende Ansteuersignale, wenn sie über die Steueranschlüsse S1 und DS2 angesteuert ist, wodurch ein Transistor TX oder eine Ausgangsstufe des Optokopplers OP aktivierbar ist. Der Transistor TX steuert über eine Widerstandsbrücke R1, R2, zwischen die beispielsweise das Schaltelement S1 oder das Schaltelement S2 geschaltet ist, das jeweilige Schaltelement S1 oder S2 an. Selbstverständlich können beide Schaltelemente S1 und S2 zwischen die Widerstände R1 und R2 geschaltet sein. Die derartige sozusagen potenzialfreie oder galvanisch getrennte Ansteuerung ist jedoch nur bei den Speise-Brückensträngen BA, BB und BC vorgesehen, nicht jedoch beim Sternpunkt-Brückenstrang BS. Bei diesem ist eine Ansteuerschaltung CS völlig ausreichend, die beispielsweise einen anhand eines Steueranschlusses S3 durch die Steuerungseinrichtung CO ansteuerbaren Transistor TS umfasst, der über eine Widerstandsbrücke R3, R4, zwischen die der Schalter SS1 oder SS2 angeschaltet ist, den jeweiligen Schalter SS1 oder SS2 ansteuert. Die Ansteuerschaltung CS ist deutlich reaktionsschneller, weshalb mit ihr eine gepulste Ansteuerung (Pulsweitenansteuerung PWM siehe 4) vorteilhaft realisierbar ist.
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Die sozusagen aktive Entstromung durch Schließen von Schaltern einer Brückenschaltung bzw. Bestromungsvorrichtung ist jedoch nicht nur bei solchen Bestromungsvorrichtungen vorteilhaft, die einen Brückenstrang für den Sternpunkt aufweisen, sondern auch bei solchen Brückenschaltungen, die keinen derartigen Brückenstrang aufweisen, was anhand einer Bestromungsvorrichtung 130 in 11 schematisch angedeutet ist. Der Sternpunkt S des Elektromotors 13 ist in diesem Fall unbeschaltet und verbindet lediglich die Spulen EA, EB und EC sternpunktförmig.
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In dem Bestromungsdiagramm gemäß 12 wird deutlich, dass beispielsweise jeweils zwei der Brückenstränge BA, BB oder BC gemeinsam sozusagen die Bestromung einer Paarung der Erregerspulen EA, EB und EC leisten. So kann beispielsweise während der Bestromungsphase t1 die Erregerspule EC stromlos sein. Der Schalter SA2 wird von der Steuerungseinrichtung CO zunächst geschlossen, während die Schalter SB1 und SB2 getaktet mit Pulsen PW eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Durch entsprechende Einschaltdauern bzw. Ausschaltdauern der Schalter SB1 und SB2 kann die Stromhöhe des Stromes, der in diesem Fall über die Spulen EA und EB fließt, einstellbar sein. Im Anschluss an diese Bestromungsphase t2 findet eine sozusagen aktive Entstromung statt, indem nämlich der Schalter SA1 von der Steuerungseinrichtung CO für eine Entstromungsphase E geschlossen bzw. leitend geschaltet wird, während bereits die Bestromung der Erregerspulen EC und EB stattfindet. Wenn die Erregerspule EA sozusagen entstromt ist, d.h. ihr Magnetfeld abgebaut ist, endet der Bestromungsimpuls E für den Schalter SA1. Sinngemäß wird dieses Verfahren sequenziell für die anderen Erregerspulen EB und EC angewendet, siehe 12.
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Es versteht sich, dass die Bestromungsvorrichtung 30 wie die Bestromungsvorrichtung 130 betreibbar ist, indem beispielsweise die Schalter SS1 und SS2 des Sternpunkt-Brückenstrangs jeweils in der Offenstellung bzw. elektrisch nicht leitenden Stellung sind, d. h dass die Speise-Brückenstränge BA, BB und BC zur Bestromung der Erregerspulenanordnung 25 dienen. Somit kann die Steuerungseinrichtung CO beispielsweise den Elektromotor 13 in sozusagen konventioneller Sternpunkt-Schaltung betreiben, wodurch eine höhere Drehmomentabgabe bei gleichzeitig geringerer Drehzahl des Elektromotors 13 realisierbar ist. Soll die Drehzahl jedoch höher sein, steuert die Steuerungseinrichtung CO die Bestromungsvorrichtung 30 gemäß dem Bestromungsdiagramm gemäß 4.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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