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Diese
Erfindung betrifft Verbesserungen elektrischer Motoren des bürstenlosen
Typs in Servolenkungssystemen für
Fahrzeuge, bei denen der Motor ein Hilfsdrehmoment auf einen Bereich
der Lenkwelle in Reaktion auf ein Motorantriebssignal aufzubringen
vermag.
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Bei
einem bekannten Servolenkungssystem ist ein erster Bereich der Welle
betriebsfähig
mit einem Lenkrad verbunden, ein zweiter Bereich der Welle ist betriebsfähig mit
zumindest einem lenkbaren Rad verbunden, ein Drehmomentsensor vermag ein
Ausgangssignal zu erzeugen, das ein von einem Fahrer des Fahrzeuges
auf den ersten Bereich der Welle aufgebrachtes Drehmoment angibt,
und eine Steuerungseinrichtung vermag das Ausgangssignal zu verarbeiten,
um das Motorantriebssignal zu erzeugen.
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Der
erste und der zweite Bereich der Welle können entsprechende Bereiche
einer einzigen Welle sein, oder können je eine separate Welle
umfassen.
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Der
Zweck eines elektrischen Servolenkungssystems des beschriebenen
Typs ist, dass der Motor ein Hilfsdrehmoment auf den zweiten Bereich der
Welle aufbringt, was dem Fahrer das Drehen des Lenkrades erleichtert.
Typischerweise wird der Motor unter Verwendung einer Impulsbreitenmodulationsstrategie
angesteuert, wobei das Motorantriebssignal proportional zu dem von
dem Motor benötigten
Drehmoment ist.
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Im
Stand der Technik, beispielsweise unserer früheren Anmeldung
GB 9619175 , umfasst der Motor einen
bürstenlosen
Gleichstrommotor, der von einer elektrischen Schaltung angesteuert
wird, bei der die Motorphasenwicklungen zu einer Brücke verbunden
sind. Jede Phase ist an einen separaten Arm der Brücke zwischen
einer positiven Versorgungsleitung und einer negativen Versorgungsleitung
(oder Masseleitung) angeschlossen. Eine entsprechende obere Schalteinrichtung
ist in Reihenschaltung in jeden Arm zwischen einer Phasenwicklung
und der positiven Versorgung geschaltet, und eine entsprechende
untere Schalteinrichtung ist in jeden Arm zwischen einer Phasenwicklung
und einer negativen Versorgungsleitung (oder Masseleitung) geschaltet.
Folglich umfasst die Brücke
für einen
dreiphasigen Motor drei Arme, wobei jeder eine obere und eine untere Schalteinrichtung
umfasst. Der Motor kann durch eine Impulsbreitenmodulation der oberen
und der unteren Schalteinrichtungen in den Armen auf eine beliebige
bekannte Weise gesteuert werden, um zu bewirken, dass sich der Motor
dreht.
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Ein
Problem bei bürstenlosen
Permanentmagnetmotoren ist, dass ein Fehlerzustand existiert, bei
dem die Motorphasenwicklungen miteinander kurzgeschlossen sein können, um
eine Schleife um zumindest zwei Phasen zu bilden. Dies tritt typischerweise
auf, falls zwei obere und/oder zwei untere Schalteinrichtungen in
einem geschlossenen Zustand hängen
bleiben oder andersartig in einem geschlossenen Zustand einen Fehler
verursachen, um einen geschlossenen Pfad um die elektrische Schaltung
zu bilden.
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In
einem derartigen Fehlerzustand wirkt der Motor als Generator und
jeglicher Versuch, den Rotor innerhalb seiner Phasenwicklungen zu
drehen, wird eine Bremskraft induzieren, die der Bewegung entgegengesetzt
ist. Bei einem Lenksystem ist dies höchst unerwünscht, da im schlimmsten Fall
die Bremskraft hoch genug sein kann, um eine manuelle Drehung des
zweiten Bereiches der Welle durch den Fahrer zu verhindern.
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Der
in der
GB 9619175 offenbarte
Elektromotor ist in
6 der begleitenden Zeichnungen
dargestellt. Er umfasst einen Rotor
100, der eine Mehrzahl
von an einer Oberfläche
angebrachten Permanentmagneten mit einem bogenförmigen Querschnitt trägt. Die
Magnete
101 werden durch eine nicht magnetische Buchse
(nicht gezeigt) mit Abmessungen von etwa 0,3 mm bis 0,5 mm, die
innerhalb des Luftspaltes
102 zwischen den Rotormagneten
und dem Stator
200 passen, in ihrer Position gehalten. Der
Fluss verläuft
durch diesen Luftspalt und die nicht magnetische Buchse, um einen
magnetischen Kreis zwischen den Polen auf dem Stator und den Rotormagneten
zu schließen.
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Aufgrund
des Vorhandenseins der nicht magnetischen Buchse ist der Spalt zwischen
dem Stator und dem Rotor relativ groß, was zu einem niedrigen Motorblindwiderstand
führt,
der wiederum hohe Werte für
ein Bremsmoment bedeutet.
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Es
wurde vorgeschlagen, dieses Problem auf mehrere Arten zu überwinden.
Erstens ist es bekannt, eine Kupplung zwischen dem Motor und der Welle
vorzusehen. Diese wird im Falle eines Motorfehlers ausgerückt, so
dass der Motor Versuchen, die Ausgangswelle manuell zu drehen, nicht
entgegensteht.
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Alternativ
ist bekannt, die Motorphasenwicklungen in einer Sternformation zu
verbinden und einen oder mehrere Trennschalter am Sternpunkt vorzusehen.
Im Fehlerfall werden die Trennschalter geöffnet, so dass es unmöglich ist,
dass sich eine geschlossene Schleife bildet. Es ist jedoch immer
noch möglich,
dass ein Ausfall der Trennschalter auftritt, der das Bilden einer
geschlossenen Schleife zulassen würde.
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Uns
ist die als WO 97/18119 veröffentlichte internationale
Patentanmeldung bekannt, die ein elektrisches Servolenkungssystem
offenbart, das einen Motor umfasst, bei dem die Rotormagnete durch eine
Rotorbuchse befestigt sind. Es ist eine Kupplung vorgesehen, um
den Motor bei Bedarf von dem Lenkungsmechanismus zu entkoppeln.
Dieses Dokument bildet den Oberbegriff von Anspruch 1.
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Uns
ist auch die als WO 98/10971 veröffentlichte
internationale Patentanmeldung bekannt, die ein weiteres elektrisches
Servolenkungssystem offenbart, das einen Motor mit an dem Rotor
angebrachten Magneten umfasst. Ferner ist uns die
US 5 811 904 bekannt, die eine dynamoelektrische
Maschine mit inneren Permanentmagneten offenbart, wobei die Magnete
in eine Rotorstruktur eingebettet sind. Schließlich ist uns die
US 5 038 065 bekannt, die einen Motor
offenbart, der einen malteserkreuzförmigen Rotor mit zwischen den
Armen des Kreuzes befestigten Permanentmagneten umfasst.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, die Bremskraftprobleme bei einem
Motor in einem elektrischen Servolenkungssystem zu verbessern.
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Gemäß einem
ersten Aspekt schafft die Erfindung einen Elektromotor des bürstenlosen
Typs, der so konstruiert und angeordnet ist, dass er im Fehlerfall
ein niedriges Bremsmoment erzeugt.
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Mit
einem niedrigen Bremsmoment meinen wir, dass das Bremsmoment niedriger
als dasjenige ist, das bei Verwendung eines Standardmotors mit an einer
Oberfläche
angebrachten Magneten erzeugt wird. Beispielsweise kann das Spitzenbremsmoment,
das die Lenksäule
aufgrund des Spitzenbremsmoments des Motors erfährt, niedriger als 70 Nm oder
vielleicht niedriger als 30 Nm oder niedriger als 20 Nm sein. Dieses
niedrige Drehmoment stellt sicher, dass, obwohl das Bremsmoment über das Lenkrad
wahrgenommen wird, es vom Fahrer leicht überwunden werden kann.
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Das
niedrige Bremsmoment kann durch Vorsehen eines Motors mit einem
hohen Blindwiderstand erreicht werden. Beispielsweise kann die Impedanz
des Motors größer als
100 mH oder vorzugsweise größer als
zumindest 130 mH sein.
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Der
Motor vermag der Lenkwelle während des
Antreibens ein Spitzendrehmoment von zumindest 50 Nm oder vorzugsweise
von zumindest 100 Nm oder mehr bereitzustellen.
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Der
Motor kann bei einer besonders vorteilhaften Anordnung einen inneren
Permanentmagnetmotor mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten umfassen,
die in einer Rotorstruktur eingebettet sind.
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Mit "eingebettet" meinen wir, dass
sich die Magneten unterhalb des Umfangsniveaus der Rotorstruktur
befinden; die Magneten können
mit einer magnetischen oder magnetisch empfindlichen Abdeckung bedeckt
sein, um den Rotor mit einer kontinuierlichen glatten Oberfläche zu versehen.
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Die
Magnete sind innerhalb der Rotorstruktur vollständig eingebettet, so dass der
Rotor eine im Wesentlichen kontinuierliche Außenumfangsoberfläche bereitstellt.
Die Magneten können
daher vollständig
innerhalb der Rotorstruktur eingeschlossen sein.
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Durch
Bereitstellen eines Motors mit eingebetteten Magneten kann die nicht
magnetische Haltebuchse, die für
Motoren mit an der Oberfläche
angebrachten Magneten erforderlich ist, eliminiert werden, was die
Größe des Luftspalts
zwischen dem Stator und dem Rotor reduziert. Dies führt zu einem Motor
mit einer höheren
Impedanz und folglich zu einem verringerten Bremsmoment, wenn ein
Fehler auftritt.
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Ein
Vorteil eines Motors mit inneren Permanentmagneten gegenüber einem
herkömmlichen
Motor mit an der Oberfläche
angebrachten Magneten ist, dass es nicht mehr erforderlich ist,
eine Haltebuchse vorzusehen, um die Magnete in ihrer Position zu
halten. Das ermöglicht,
dass die Magnete näher
am Stator positioniert sind, was den Wert des Motorblindwiderstandes
maximiert und den Spitzenwert des Bremsmomentes reduziert.
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Jeder
Magnet ist innerhalb eines Schlitzes in dem Rotor unter der Rotoroberfläche aufgenommen. Die
Magnete können
rechteckige, flache Stabmagnete mit einer flachen oberen und unteren
Fläche
umfassen, die in Schlitzen in einem Rotor aufge nommen sind. Der
Rotor kann von einteiligem Aufbau sein. Flachmagnete sind billiger
als bogenförmige
Magnete und einfacher herzustellen.
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Diese
Anordnung eliminiert das Erfordernis nach einer Haltebuchse, platziert
effektiv die Ränder der
Magnete näher
zum Stator und reduziert folglich den Platz dazwischen.
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Vorzugsweise
ist der Rotor aus Stahl. Dies stellt eine verbesserte magnetische
Flussverbindung zwischen den Statorpolen und den Rotormagneten bereit.
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Der
Rotor kann hohl sein, wobei eine Achse durch den Rotor verlaufen
kann, um den Rotor auf einer Ausgangswelle anzubringen. Alternativ
könnte die
Ausgangswelle einen integralen Teil des Rotors bilden.
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Vorzugsweise
beträgt
der Spalt zwischen den Statorpolen und der Außenoberfläche des Rotors weniger als
0,5 mm oder idealerweise weniger als 0,3 mm. Um das Bremsmoment
zu minimieren, sollte dieser innerhalb der Konstruktionstoleranzen so
klein wie möglich
gehalten werden. Zu diesem Zweck werden die Schlitze vorzugsweise
so nahe wie mechanisch möglich
am Umfang des Rotors vorgesehen, um die Magnete so nahe wie möglich an den
Statorpolen zu platzieren.
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Der
Motor kann zumindest zwei oder mehr Phasen umfassen, obwohl drei
Phasen bevorzugt sind.
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Die
Motorphasen können
je eine Anzahl von Phasenwicklungen umfassen, die in Reihenschaltung
oder in Parallelschaltung geschaltet sind. Jede Phase kann entweder
in einer Dreieckschaltung oder einer Sternschaltung angeschlossen
sein.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt schafft die Erfindung ein elektrisches Servolenkungssystem
des beschriebenen Typs, bei dem der Motor einen Motor mit inneren
Permanentmagneten mit einer Mehrzahl von in einer Rotorstruktur
eingebetteten Permanentmagneten und einer Anzahl von Phasenwicklungen umfasst,
die an einem konzentrisch um die Rotorstruktur angeordneten Stator
vorgesehen sind.
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Gemäß einem
dritten Aspekt umfasst die Erfindung ein mechanisches System, das
eine von einem Motor angetriebene Ausgangswelle umfasst, bei dem
der Motor einen Motor mit inneren Permanentmagneten aufweist, der
einen Rotor mit einer Mehrzahl von zumindest teilweise unter der
Oberfläche des
Rotors eingebetteten Magneten umfasst.
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Das
System kann bei einer Anordnung ein elektrisches Servolenkungssystem
umfassen, wobei die Ausgangswelle betriebsmäßig mit einer Lenkwelle verbunden
ist.
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Es
wird nun lediglich beispielhaft eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben,
in denen:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Servolenkungssystems
ist;
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2 ein
Querschnitt durch einen Motor ist, wie er in 1 gezeigt
ist;
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3 die
Anordnung der Phasenwicklungen in dem Motor aus 2 zeigt;
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4 eine
Darstellung eines Bremsmomentes T über der Drehzahl S für einen
herkömmlichen Motor
mit an der Oberfläche
angebrachten Magneten und eine Darstellung des Stroms I über der
gleichen Drehzahlachse ist;
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5 ein
korrespondierendes Paar von Darstellungen für einen ähnlichen Motor mit eingebetteten
Magneten ist; und
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6 eine
Querschnittsansicht eines herkömmlichen
Motors des Standes der Technik mit an der Oberfläche angebrachten Magneten ist.
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Das
in 1 der begleitenden Zeichnungen gezeigte elektrische
Servolenkungssystem 1 umfasst eine Eingangswelle in der
Form einer Länge
einer Lenksäulenwelle 2,
die mit einem Lenkrad 3 für das Fahrzeug verbunden ist.
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Ein
Drehmomentsensor 4 vermag das von einem Fahrer an einen
ersten Bereich der Lenksäulenwelle
aufgebrachte Drehmoment zu messen, wenn das Lenkrad gedreht wird.
Der Sensor erzeugt ein Ausgangssignal, das über elektrische Drähte 5 in eine
Steuereinheit 6 eingespeist wird. Das Ausgangssignal von
einem Fahrzeugzündschalter 7 der an
einer Lenksäulenabdeckung 8 vorgesehen
ist, wird ebenfalls über
Drähte 9 in
die Steuerungseinheit eingespeist, um eine Anzeige bereitzustellen,
wann die Servoanordnung arbeiten soll (obwohl die Zündung keinen
Teil der Servolenkungsanordnung bildet).
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Die
Steuerungseinheit 6 umfasst eine elektrische Schaltung,
die über
Drähte 10 an
eine Batterie 11 oder eine andere elektrische Stromquelle
angeschlossen ist.
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Die
Steuerungseinheit verarbeitet das Ausgangssignal von dem Drehmomentsensor,
um ein Motorantriebssignal zu erzeugen, das proportional zu dem
Drehmoment ist, das von einem Elektromotor 12 mit einem
niedrigen Bremsmoment benötigt
wird, der an einen zweiten Bereich der Lenksäulenanordnung 2 über ein
Getriebe 13 angeschlossen ist.
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Im
Einsatz wird der Motor in Reaktion auf das Motorantriebssignal angetrieben,
um ein Hilfsdrehmoment auf die Welle 2 aufzubringen.
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Der
Motor ist in schematischer Form in 2 gezeigt.
Diese stellt einen Querschnitt durch den Motor dar.
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Wie
man beispielhaft erkennen kann, umfasst der Motor 12 einen
inneren Permanentmagnetmotor. Der Rotor 300 umfasst einen
Rotorkörper,
in den sechs ebene rechteckige Permanentmagnete 301 eingebettet
sind. Die Magnete sind entlang des Umfangs um den Rotor 300 gleichmäßig beabstandet
und haben alternierende nach Norden und Süden gerichtete Polaritäten. Die
Magnete 301 sind je innerhalb eines Schlitzes 302 angeordnet,
so dass die Rotorstruktur die Magnete umgibt, um eine im Wesentlichen
glatte Umfangsoberfläche
um die Außenseite des
Rotors darzustellen.
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Der
Rotor ist innerhalb eines zylinderförmigen Stators 400 axial
ausgerichtet, der wie gezeigt neun Pole 401 aufweist. Jeder
Pol 401 trägt
eine Phasenwicklung, die eine Anzahl von Drahtspulen umfasst. Das
Innere des Stators 400 ist komplementär zur Außenoberfläche der Rotorstruktur, so dass nur
ein schmaler Luftspalt vorhanden ist.
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Der
Motor umfasst eine Dreiphaseneinrichtung, wobei jede Phase zur Vereinfachung
mit A, B bzw. C bezeichnet ist. Wie in 3 gezeigt
ist, sind drei Wicklungen (eine pro Pol) in Reihenschaltung angeschlossen,
um eine einzige Phase zu bilden, und die drei Phasen können in
eine Brücke
mit drei Armen geschaltet werden, um den Motor anzutreiben.
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Das
Bereitstellen eines Motors mit einem niedrigen Bremsmoment wird
durch Maximieren der Impedanz erreicht, die wiederum durch Maximieren des
Wertes des Maschinenblindwiderstandes erzeugt wird. Dies wird durch
einen Motor mit eingebetteten Magneten erreicht.
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4 ist
eine Darstellung eines Motorbremsmomentes über der Motordrehzahl für eine herkömmliche
Konstruktion mit an der Oberfläche angebrachten
Magneten und drei Phasen, wie sie in 6 gezeigt
ist, wobei alle drei Phasen miteinander kurzgeschlossen sind. Der
herkömmliche
Motor mit an der Oberfläche
angebrachten Magneten, wie er in 6 dargestellt
ist, ist so konstruiert, dass der Motor 12 einen Rotor 100 mit
Permanentmagneten 101 umfasst, die an der Oberfläche des
Rotors 100 durch geeignete Mittel, beispielsweise eine
Buchse 102, angebracht sind. Die Magnete sind um die Rotoroberfläche gleichmäßig beabstandet
und haben alternierende nach Norden und nach Süden gerichtete Polaritäten. Der
Rotor 100 ist axial in einem zylinderförmigen Stator 200 ausgerichtet,
der Polstücke
umfasst, die in Richtung der Magnete 102 vorstehen, wobei
die Polstücke
Phasenwicklungen tragen, die eine Anzahl von Drahtspulen umfassen.
Es wurde ein Spitzenmotordrehmoment von 2,75 Nm gemessen, was aufgrund
des Übersetzungsverhältnisses
von 16,5:1 zwischen dem Motor und der Lenksäule in ein Spitzenbremsmoment
von 53 Nm umgesetzt wird.
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5 zeigt
eine entsprechende Darstellung eines Motors mit eingebetteten Permanentmagneten,
der ansonsten eine ähnliche
Leistung wie der Motor von 6 aufweist.
Der Motor hat eine Ersatzinduktivität von 135 mH bei einer Frequenz
von 50 Hz und einer Ansteuerungsspannung von 5 V verglichen mit
etwa 70 mH für
den Motor aus 6 mit einer entsprechenden Leistung.
In diesem Fall wurde ein Spitzenmotordrehmoment von 1,5 Nm gemessen,
das gleich einem Spitzenbremsmoment am Lenkrad von 29 Nm ist. Dies
stellt eine beträchtliche Verbesserung
bei hohen Drehzahlen gegenüber
der Standardkonstruktion dar.
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Es
versteht sich, dass die Erfindung in der Bereitstellung eines elektrischen
Servolenkungssystems gemäß den Ansprüchen liegt,
bei dem ein Motor mit inneren Permanentmagneten mit einem niedrigen Bremsmoment
bereitgestellt wird, um die Probleme unerwünschter Bremskräfte während gewisser
Motorfehlerzustände
zu verringern. In einigen Fällen könnte dies
vollständig
die Anforderung eliminieren, einen Fehlerschutz bereitzustellen,
um zu vermeiden, dass der Fahrer den Auswirkungen eines gefährlichen
Bremsmomentes bei einem Motorfehler ausgesetzt ist.