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Die Erfindung bezieht sich auf einen fehlertoleranten Antrieb, der aus mehreren Teileantrieben besteht und der beispielsweise als Teil einer elektrischen Lenkung eines Kraftfahrzeugs verwendet werden kann.
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Ein Antrieb besteht in der Regel aus einer elektrischen Maschine (Motor/Generator) und der zu deren Ansteuerung verwendeten Elektronik (ECU). Zum Betrieb der Maschine ist es erforderlich, die Leistungselektronik des Steuergerätes (ECU) mit den Wicklungsanschlüssen der Maschine zu verbinden.
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Für einen fehlertoleranten Antrieb können beispielsweise Teile des Antriebs redundant ausgeführt werden. Nach dem Stand der Technik kann dies beispielsweise bei der Maschine die Statorwicklung sein. Der Rotor mit der Welle kann hier gemeinsam verwendet werden, während die ECU beispielsweise komplett redundant aufgebaut werden kann.
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1 zeigt dies für einen Antrieb 10 mit zwei 3-phasigen Wicklungen 11 die in denselben Stator 12 der elektrischen Maschine gewickelt sind. Die beiden 3-phasigen Wicklungen wirken auf denselben gemeinsamen Rotor mit Welle der elektrischen Maschine. Der Antrieb 10 besteht also bezüglich der elektrischen Teile (Wicklung 11 und ECU 13) aus zwei Teilantrieben und hat zwei Wicklungssysteme.
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Für elektrische Servolenksysteme (EPS) werden in weiter Verbreitung Asynchronmotoren oder permanentmagneterregte Synchronmotoren (PMSM) eingesetzt. Die Statorwicklung wird in mehrere Nuten entlang des Umfangs der Maschine aufgeteilt. Bei PMSM werden zur Vermeidung von Kurzschlüssen innerhalb des Wicklungssystems bevorzugt Zahnspulenwicklungen verwendet. Hier werden die Spulen der Wicklungen jeweils um einen Statorzahn gewickelt. Die Wicklung kann hierbei gemäß dem Stand der Technik entweder als Zweischichtwicklung oder als Einschichtwicklung ausgeführt sein. Bei einer Zweischichtwicklung ist jeder Statorzahn bewickelt, folglich sind in einer Statornut zwei benachbarte Wicklungen enthalten. Bei einer Einschichtwicklung ist nur jeder zweite Zahn bewickelt und folglich ist auch in jeder Statornut nur eine Wicklung enthalten. Die Einschichtwicklung bietet für die Anwendung als redundanten bzw. fehlertoleranten Antrieb den Vorteil, dass keine Isolierung zwischen zwei Wicklungen in einer Nut erforderlich ist und eine magnetische Entkopplung von benachbarten Wicklungen besteht.
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Ausgehend von dem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, die Anordnung der elektrischen Anschlüsse zwischen Maschine und Steuergerät (ECU) so zu gestalten, das alle gängigen Motortopologien (Nutzahl/Polzahl-Verhältnis) für EPS-Systeme verwendet werden können und keine zusätzlichen Komponenten für die Kontaktierung wie beispielsweise Stanzgitterverschaltung benötigt werden.
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Nach einem Aspekt der Erfindung liegt eine weitere Aufgabe darin, dass für den Fall das die Kontaktierung in der ECU die Anschlussleitungen der Maschine an bestimmten Stellen in der ECU benötigt, eine möglichst einfache Komponente (Verschalteinheit) zur elektrischen Verbindung der Maschine und der ECU zur Verfügung gestellt wird, die für alle gängigen Motortopologien verwendet werden kann.
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Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Vorgesehen ist demgemäß einen fehlertoleranten Antrieb, der aus mehreren Teilantrieben besteht und der dadurch gekennzeichnet ist, dass eine konstruktive Ausführung der Kontaktierung zwischen Maschine und ECU durch sechs einzelne Kontakte gebildet wird, welche um einen Winkel von 60° versetzt zueinander angeordnet sind.
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Ein Gedanke der Erfindung ist, die Anschlussleitungen eines redundanten Motors der aus zwei Teilantrieben besteht, im Abstand von 60° in die axial am Motor angeordnete Ansteuerelektronik (ECU) zu führen. Bevorzugt wird ein Abstand von ca. 60° für das Hineinführen der Anschlussleitungen des Motors (elektrische Maschine) in die Ansteuerelektronik. Damit lässt sich Aufwand bei der Verbindung des Motors und der Ansteuerelektronik reduzieren, wodurch sich ein Kostenvorteil ergibt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße fehlertolerante Antrieb weiterhin eine Verschalteinheit, wobei eine elektrische Verbindung zwischen der Maschine und der ECU über die Verschalteinheit erfolgt, und wobei der fehlertolerante Antrieb dadurch gekennzeichnet ist, dass die konstruktive Ausführung der Kontaktierung zwischen der Maschine und der Verschalteinheit durch die sechs einzelnen Kontakte gebildet wird, welche um einen Winkel von 60° versetzt zueinander angeordnet sind.
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Ein weiterer Gedanke der Erfindung ist, die Anschlussleitungen eines redundanten Motors der aus zwei Teilantrieben besteht, im Abstand von 60° mit den Leitungen einer axial am Motor angeordnete Verschalteinheit zu verbinden. Von der Verschalteinheit aus kann dann die elektrische Verbindung zur ECU an beliebigen Stellen erfolgen. Dadurch lassen sich die unterschiedlichen bei elektrischen Servolenkungen gängigen Motortopologien auf einfache Weise an die ECU anschließen. Aufgrund der hohen Flexibilität bei den Motortopologien und der Gleichteile bezüglich der Verschalteinheit lassen sich dadurch Kosten sparen. Mit der Verschalteinheit können dabei auch weitere erforderliche elektrische Verbindungen zur Spulenverschaltung, wie z. B. die Sternpunktverbindungen, realisiert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen fehlertoleranten Antriebs weist die Maschine einen Stator mit 12 Nuten und einen Rotor mit 8 Magnetpolen auf.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen fehlertoleranten Antriebs ist eine Wicklung des Stators als Zweischichtwicklung ausgeführt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen fehlertoleranten Antriebs ist eine Wicklung des Stators als Einschichtwicklung ausgeführt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen fehlertoleranten Antriebs weist die Maschine einen Stator mit 12 Nuten und einen Rotor mit 10 Magnetpolen auf.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen fehlertoleranten Antriebs ist eine Wicklung des Stators als Zweischichtwicklung ausgeführt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen fehlertoleranten Antriebs ist eine Wicklung des Stators als Einschichtwicklung ausgeführt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen fehlertoleranten Antriebs wird der fehlertolerante Antrieb als Teil einer elektrischen Lenkung für ein Kraftfahrzeug verwendet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen fehlertoleranten Antriebs wird die elektrische Lenkung zum automatischen Fahren des Kraftfahrzeugs verwendet.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines fehlertoleranten Antriebs gemäß dem Stand der Technik,
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2: eine vereinfachte Darstellung eines elektrischen Antriebs für Elektrolenkungen,
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3: eine schematische Darstellung eines Wickelschemas einer Maschine in 12/8 Topologie mit einer Zweischichtwicklung entsprechend eines erfindungsgemäßen Aspekts,
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4: eine schematische Darstellung möglicher Positionen für Motoranschlussleitungen für das in 3 dargestellte Wickelschema,
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5: eine schematische Darstellung eines Wickelschemas einer Maschine in 12/8 Topologie mit einer Einschichtwicklung entsprechend eines weiteren erfindungsgemäßen Aspekts,
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6: eine schematische Darstellung möglicher Positionen für Motoranschlussleitungen für das in 5 dargestellte Wickelschema,
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7: eine schematische Darstellung eines Wickelschemas einer Maschine in 12/10 Topologie mit einer Zweischichtwicklung entsprechend eines weiteren erfindungsgemäßen Aspekts,
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8: eine schematische Darstellung möglicher Positionen für Motoranschlussleitungen für das in 7 dargestellte Wickelschema,
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9: eine schematische Darstellung eines Wickelschemas einer Maschine in 12/10 Topologie mit einer Einschichtwicklung entsprechend eines weiteren erfindungsgemäßen Aspekts, und
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10: eine schematische Darstellung möglicher Positionen für Motoranschlussleitungen für das in 9 dargestellte Wickelschema.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleich wirkende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es ist bei elektrischen Antrieben 20 für Elektrolenkungen (EPS) weit verbreitet, die Ansteuerelektronik bzw. die Steuereinheit (ECU) 21 axial (in Richtung der Motorwelle 22) am Motor 23 anzuordnen, wie in 2 gezeigt. Gängige Motortopologien bei EPS-Systemen (elektrischen Lenkungssystemen) sind die 12/8- und die 12/10-Topologie. Dies bedeutet, dass das Wicklungssystem des Motors 23 auf 12 Statornuten 100 (siehe 4, 6, 8 oder 10) aufgeteilt ist und der Rotor eine Permanentmagneterregung mit 8 bzw. 10 Magnetpolen 200 (siehe 4, 6, 8 oder 10) enthält. Aufgrund der ganzzahligen Statornutzahl und des symmetrischen Wicklungsaufbaus eigenen sich diese Topologien auch für die Bewicklung mit zwei getrennten, d. h. redundanten Wicklungssystemen.
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3 und 4 zeigen entsprechend einer möglichen Ausführungsform ein beispielhaftes Wickelschema einer elektrischen Maschine (Motor/Generator) 30 in 12/8 Topologie mit einer Zweischichtwicklung mit zwei voneinander getrennten Teilwicklungen U1, W1, V1 und U2, W2, V2.
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Die Wicklungen U1, W1, V1 bzw. U2, W2, V2 sind in Stern verschaltet, die einzelnen Spulen 31 einer Phase U1, W1, V1, U2, W2 oder V2 sind in Serie verschaltet. Durch eine spezielle Verschaltung der Phasen V (V1 bzw. V2) wird erreicht, dass die Anschlussleitung 32 der Phasen V 60° von den Anschlussleitungen 32 der Phasen W (W1 bzw. W2) entfernt sind. Damit liegt die Anschlussleitung 32 der Phasen V nicht wie bei der aus dem Stand der Technik bekannten Standardverschaltung der Phase V zwischen den Zuleitungen der Phasen U und W einer Teilwicklung.
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Werden die Verbindungsleitungen 33 zwischen den Spulen 31 und die Sternpunkte 34 entsprechend isoliert, lassen sich damit konstruktiv Kurzschlüsse außerhalb der Zahnspulen 31 verhindern. Dabei lassen sich bei dieser Wicklungsverschaltung die Anschlussleitungen 32 der einzelnen Phasen gerade heraus in einem Winkelabstand von 60° in eine axial an der elektrischen Maschine (Motor/Generator) 30 angeordneten ECU 21 führen, ohne dass eine spezielle Führung der Leitungen 32 beispielsweise in einer Verschalteinheit erforderlich ist.
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4 zeigt mögliche Positionen der Stellen, an denen die Motoranschlussleitungen 32 in die ECU 21 ohne größeren Aufwand geführt werden können. Wie aus 4 ersichtlich, können sechs einzelne Kontakte 35 an den Phasen V1, W1, U1, V2, W2 und U2 gebildet werden, die um einen Winkel von 60° versetzt zueinander angeordnet sind.
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5 und 6 zeigen entsprechend einer weiteren möglichen Ausführungsform ein beispielhaftes Wickelschema einer elektrischen Maschine (Motor/Generator) 40 in 12/8 Topologie mit einer Einschichtwicklung mit zwei voneinander getrennten Teilwicklungen U1, W1, V1 und U2, W2, V2.
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Werden die Sternpunkte 44 entsprechend isoliert, lassen sich damit konstruktiv Kurzschlüsse außerhalb der Zahnspulen 41 verhindern. Dabei lassen sich die Anschlussleitungen 42 der einzelnen Phasen gerade heraus in einem Winkelabstand von 60° in eine axial am Motor 23 angeordnete ECU 21 führen, ohne dass eine spezielle Führung der Leitungen 42 beispielsweise in einer Verschalteinheit erforderlich ist.
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6 zeigt mögliche Positionen der Stellen, an denen die Motoranschlussleitungen 42 in die ECU 21 ohne größeren Aufwand geführt werden können. Wie aus 6 ersichtlich, können sechs einzelne Kontakte 45 an den Phasen V1, W1, U1, V2, W2 und U2 gebildet werden, die um einen Winkel von 60° versetzt zueinander angeordnet sind.
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7 und 8 zeigen entsprechend einer weiteren möglichen Ausführungsform ein beispielhaftes Wickelschema einer elektrischen Maschine (Motor/Generator) 50 in 12/10 Topologie mit einer Zweischichtwicklung mit zwei voneinander getrennten Teilwicklungen U1, W1, V1 und U2, W2, V2.
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Die Wicklungen U1, W1, V1 bzw. U2, W2, V2 sind in Stern verschaltet und die einzelnen Spulen 51 einer Phase U1, W1, V1, U2, W2 oder V2 sind in Serie verschaltet. Die Anschlussleitung 52 der Wicklung W1 kommt bei 90° aus den Nuten 100 der Maschine 50. Ohne großen Aufwand lässt sich diese Anschlussleitung 52 im Wickelkopf im Bereich der zugehörigen Spule 51 auf 60° verlegen, ohne dass dabei andere Spulen 51 berührt oder gekreuzt werden, wie es 7 zeigt. Die Anschlussleitung 52 der Wicklung U2 kommt bei 210° aus den Nuten 100 der Maschine 50. Ohne großen Aufwand lässt sich diese Anschlussleitung 52 im Wickelkopf im Bereich der zugehörigen Spule 51 auf 180° verlegen, ohne dass dabei andere Spulen 51 berührt oder gekreuzt werden, wie es 7 zeigt. Die Anschlussleitung 52 der Wicklung V2 kommt bei 330° aus den Nuten 100 der Maschine 50. Ohne großen Aufwand lässt sich diese Anschlussleitung 52 im Wickelkopf im Bereich der zugehörigen Spule 51 auf 300° verlegen, ohne dass dabei andere Spulen 51 berührt oder gekreuzt werden, wie es 7 zeigt.
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Werden die Verbindungsleitungen 53 zwischen den Spulen 51 und die Sternpunkte 54 entsprechend isoliert, lassen sich damit konstruktiv Kurzschlüsse außerhalb der Zahnspulen 51 verhindern. Mit den oben beschriebenen Maßnahmen lassen sich die Anschlussleitungen 52 der einzelnen Phasen gerade heraus in einem Winkelabstand von 60° in eine axial am Motor 23 angeordnete ECU 21 führen, ohne dass eine spezielle Führung der Leitungen 52 beispielsweise in einer Verschalteinheit erforderlich ist.
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8 zeigt mögliche Positionen der Stellen, an denen die Motoranschlussleitungen 52 in die ECU 21 ohne größeren Aufwand geführt werden können. Wie aus 8 ersichtlich, können sechs einzelne Kontakte 55 an den Phasen V1, W1, U1, V2, W2 und U2 gebildet werden, die um einen Winkel von 60° versetzt zueinander angeordnet sind.
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9 und 10 zeigen entsprechend einer weiteren möglichen Ausführungsform ein beispielhaftes Wickelschema einer elektrischen Maschine (Motor/Generator) 60 in 12/10 Topologie mit einer Einschichtwicklung mit zwei voneinander getrennten Teilwicklungen U1, W1, V1 und U2, W2, V2.
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Die Anschlussleitung 62 der Wicklung W1 kommt bei 90° aus den Nuten 100 der Maschine 60. Ohne großen Aufwand lässt sich diese Anschlussleitung 62 im Wickelkopf im Bereich der zugehörigen Spule 61 auf 60° verlegen, ohne dass dabei andere Spulen 61 berührt oder gekreuzt werden, wie es 9 zeigt. Die Anschlussleitung 62 der Wicklung U2 kommt bei 210° aus den Nuten 100 der Maschine 60. Ohne großen Aufwand lässt sich diese Anschlussleitung 62 im Wickelkopf im Bereich der zugehörigen Spule 61 auf 180° verlegen, ohne dass dabei andere Spulen 61 berührt oder gekreuzt werden, wie es 9 zeigt. Die Anschlussleitung 62 der Wicklung V2 kommt bei 330° aus den Nuten 100 der Maschine 60. Ohne großen Aufwand lässt sich diese Anschlussleitung 62 im Wickelkopf im Bereich der zugehörigen Spule 61 auf 300° verlegen, ohne dass dabei andere Spulen 61 berührt oder gekreuzt werden, wie es 9 zeigt.
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Werden die Sternpunkte 64 entsprechend isoliert, lassen sich damit konstruktiv Kurzschlüsse außerhalb der Zahnspulen 61 verhindern. Mit den oben beschriebenen Maßnahmen lassen sich die Anschlussleitungen 62 der einzelnen Phasen gerade heraus in einem Winkelabstand von 60° in eine axial am Motor 23 angeordnete ECU 21 führen ohne das eine spezielle Führung der Leitungen 62 beispielsweise in einer Verschalteinheit erforderlich ist.
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10 zeigt mögliche Positionen der Stellen, an denen die Motoranschlussleitungen 62 in die ECU 21 ohne größeren Aufwand geführt werden können. Wie aus 10 ersichtlich, können sechs einzelne Kontakte 65 an den Phasen V1, W1, U1, V2, W2 und U2 gebildet werden, die um einen Winkel von 60° versetzt zueinander angeordnet sind.
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Die obigen Ausführungsbeispiele der Motorbewicklung zeigen, dass bei redundanten Motoren die Wicklungsanschlüsse mit geringem Aufwand auf einen Abstand von 60° gebracht werden können, ohne dass es dabei zu einer Berührung oder Überkreuzung mit anderen Spulen kommt. Die Motortopologie und die Motorbewicklung sind nicht auf die Ausführungsbeispiele der Motorbewicklung beschränkt. Elektrischen Maschinen (Motor/Generator) mit mehr als den zwei beschriebenen Teilantrieben bzw. mit mehr als zwei Wicklungssystemen sind möglich.
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Während sich mit den oben beschriebenen Maßnahmen die Anschlussleitungen der einzelnen Phasen gerade heraus in einem Winkelabstand von 60° in eine axial am Motor angeordnete ECU führen lassen ohne das eine spezielle Führung der Leitungen beispielsweise in einer Verschalteinheit erforderlich ist, so ist es entsprechend einer möglichen Ausführungsform jedoch auch möglich, in den obigen Ausführungsbeispielen eine spezielle Führung der Leitungen beispielsweise in Form einer Verschalteinheit zu realisieren.
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Der in den obigen Ausführungsbeispielen vorgestellte fehlertolerante Antrieb kann beispielsweise als Teil einer elektrischen Lenkung für ein Kraftfahrzeug verwendet werden. Die elektrische Lenkung kann wiederum beispielsweise zum automatischen Fahren des Kraftfahrzeugs verwendet werden.
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Gleichwohl in der vorangegangenen Beschreibung einige mögliche Ausführungen der Erfindung offenbart wurden, versteht es sich, dass zahlreiche weitere Varianten von Ausführungen durch Kombinationsmöglichkeiten aller genannten und ferner aller dem Fachmann naheliegenden technischen Merkmale und Ausführungsformen existieren. Es versteht sich ferner, dass die Ausführungsbeispiele lediglich als Beispiele zu verstehen sind, die den Schutzbereich, die Anwendbarkeit und die Konfiguration in keiner Weise beschränken. Vielmehr möchte die vorangegangene Beschreibung dem Fachmann einen geeigneten Weg aufzeigen, um zumindest eine beispielhafte Ausführungsform zu realisieren. Es versteht sich, dass bei einer beispielhaften Ausführungsform zahlreiche Änderungen bezüglich Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne den in den Ansprüchen offenbarten Schutzbereich und dessen Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Antrieb
- 11
- Wicklungen
- 12
- Stator
- 13
- ECU
- 20
- elektrischer Antrieb
- 21
- Steuereinheit (ECU)
- 22
- Motorwelle
- 23
- Motor
- 100
- Statornuten
- 200
- Magnetpolen
- 30
- elektrischen Maschine (Motor/Generator)
- 31
- Spulen
- 32
- Anschlussleitung der Phasen
- 33
- Verbindungsleitungen
- 34
- Sternpunkte
- 35
- Kontakte
- 40
- elektrischen Maschine (Motor/Generator)
- 41
- Spulen
- 42
- Anschlussleitung der Phasen
- 43
- Verbindungsleitungen
- 44
- Sternpunkte
- 45
- Kontakte
- 50
- elektrischen Maschine (Motor/Generator)
- 51
- Spulen
- 52
- Anschlussleitung der Phasen
- 53
- Verbindungsleitungen
- 54
- Sternpunkte
- 55
- Kontakte
- 60
- elektrischen Maschine (Motor/Generator)
- 61
- Spulen
- 62
- Anschlussleitung der Phasen
- 63
- Verbindungsleitungen
- 64
- Sternpunkte
- 65
- Kontakte