CN117916470A - 用于定量确定风扇的与运行状态相关的当前变量、特别是当前输送体积流量的方法以及应用该方法的风扇 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于定量确定包括马达驱动的叶轮的风扇的当前输送体积流量或其它与运行点相关的变量的方法，所述方法使用马达内部变量和马达外部变量，经由算法由所述马达内部变量和马达内部变量直接或间接地计算或确定所述输送体积流量或其它与运行点相关的变量。

Description

用于定量确定风扇的与运行状态相关的当前变量、特别是当 前输送体积流量的方法以及应用该方法的风扇

技术领域

本发明涉及一种用于定量确定风扇的与运行状态相关的当前变量、特别是当前输送体积流量的方法，其中该风扇包括至少一个马达驱动的叶轮。本发明还涉及用于应用这种方法的风扇。

背景技术

没有更详细地指定风扇。因此，其在此基本上可以是任何类型的风扇，即径流式、斜流式或轴流式风扇。

特别是为了调节风扇需要连续地确定风扇运行中的体积流量。基于对当前输送体积流量的认识亦或也可以直接确定其它与运行状态相关的变量、例如当前的压力增加。除了针对预设体积流量调节风扇转速之外，还可以以多种方式使用对当前输送体积流量和/或其它与运行状态相关的变量的认识，例如在监测风扇性能或空气技术设施的状态时。

在风扇侧，如果了解到压力增加，则可以监测例如容易脱落的风扇的压力储备。可以确定风扇是否在允许的运行范围内运行，例如也可以确定所谓的鼓形转子是否在过低的压力下工作。

其它有用的与运行状态相关的变量可以例如是：当前输送质量流量、风扇的当前声发射、风扇的当前驱动扭矩、风扇的当前效率或当前风扇产生的推力。

此外，与运行状态相关的变量还可以是已经列出的变量的组合值，例如压力增加和输送体积流量的函数。通过这种方式可以绘制例如体积流量-压力特性图。从实践中已知，通过轴扭矩来确定向前弯曲的径流式风扇中的当前输送体积流量或输送质量流量。否则，通过有效压力测量或借助叶轮式风速计来确定体积流量。为此例如参考WO 2018/036802A1。然而，从实践中已知的对空气体积流量的测量或者说确定是不准确的并且实施起来复杂。

特别是当通过在风扇叶轮附近设置在迎流侧或流出侧的叶轮式风速计确定体积流量时出现不准确的情况，尤其是因为叶轮式风速计的转速除了受输送体积流量的影响之外还受到风速计轮上的穿流横截面上的与运行状态相关的、不均匀的和/或旋流的流态的影响。

发明内容

本发明基于的目的在于，说明一种以高精度和相对较低的设计/技术花费来定量确定风扇在运行中的当前输送体积流量或其它与运行状态相关的当前变量的方法，该方法也不同于竞争方法。还应说明一种用于应用该方法的风扇。

上述目的在方法方面通过权利要求1的特征而在风扇方面通过并列权利要求11的特征得以实现。据此，确定马达内部变量和马达外部变量，由此经由算法直接或间接地计算或确定输送体积流量和/或其它与运行状态相关的当前变量。

根据本发明已经认识到，可以通过使用马达内部变量和马达外部变量来定量确定当前输送体积流量或其它与运行状态相关的当前变量，并且这具有高准确度同时需要相对较低的技术花费。重要的是至少一种马达内部变量与至少一种马达外部变量的组合，这两者都易于检测。通过使用两个不同的变量，可以解决纯马达外部信号的运行状态相关性。

电流例如绕组电流、或者马达电流、或者甚至马达电压可以用作马达内部变量。也可以考虑电功率。这些变量与马达和/或其控制系统的情况有关。替代地或附加地，马达转速也可以用作马达内部变量。

紧邻风扇或者说叶轮设置的传感器的测量值或信号可以用作马达外部变量。传感器可以是体积流量测量轮。相关变量就是测量轮转速。

有利地，体积流量测量轮可转动地支承在迎流侧或流出侧结构上。该结构可以是进气格栅或任意壳体部件。在这方面，不需要采取额外的结构预防措施。

传感器可以替代地或附加地是热传感器、例如热线式风速计，其对流速反应灵敏。

还可考虑的是，传感器是压差传感器，其探测风扇的流动场中的两个具体点之间的压差。

用于计算的算法可以有利地在马达控制系统中或在外部评估单元中实施。其通常包括处理器和存储器。传感器信号可以通过线路或不接触地通过无线电或类似方式传输到处理器。

在另一有利的方式中，风扇或者说风扇的马达具有接口，该接口用于将确定的当前输送体积流量和/或其它与运行状态相关的当前变量传送到更高级别的系统。在这方面进一步有利的是，将用于额定体积流量、额定质量流量或用于其它与运行状态相关的变量的额定值的信号传送到马达和/或评估单元，基于该信号或额定值可以调节马达转速，使得利用一个或多个传感器信号所确定的输送体积流量或者说输送质量流量或者说其它与运行状态相关的当前变量尽可能准确地等于额定体积流量或者说额定质量流量或者说相应的额定值。

根据本发明的风扇特别用于根据上述实施形式调节当前输送体积流量或者说其它与运行状态相关的变量。

附图说明

现在存在多种可能性来有利地设计和改进本发明的教导。为此一方面参考从属于权利要求1的权利要求，另一方面参考以下基于附图对根据本发明的方法或应用该方法的风扇的优选实施例的解释。结合基于附图对本发明优选实施例的解释，还对所述教导的一般而言优选的设计方案和改进方案进行了阐述。附图中：

图1示出了风扇的实施方式的透视图和在穿过叶轮的旋转轴线的平面上观察的截面，其中，在使用叶轮式风速计的情况下确定当前输送体积流量或者说与运行状态相关的当前变量；

图2示出了在一定输送介质密度下风扇在四种不同的恒定风速计转速下和在两种恒定马达转速下压力增加Δp分别作为输送体积流量Q_V的函数的特性曲线；

图3示出了在一定输送介质密度下风扇在四种不同的恒定风速计转速下和在五种恒定马达电流下压力增加Δp分别作为输送体积流量Q_V的函数的特性曲线。

具体实施方式

图1以透视图和在穿过叶轮3的旋转轴线的平面上的截面示出了风扇1的实施方式，其中，当前输送体积流量或其它与运行点相关的变量借助体积流量测量轮2精确地确定。体积流量测量轮2主要由轮毂7和紧固在该轮毂上的叶片6构造而成。可以在视图中清楚地看到，体积流量测量轮2及其在迎流侧结构、此处为进气格栅26上的支承。用于支承体积流量测量轮2的轴13经由容纳区域31安装在进气格栅26的中心区域30处。

体积流量测量轮2借助轴承支承在轴13上，在实施例中设置有两个未示出的轴承。轴承在体积流量测量轮2处被插入到轮毂7内的为其设置的容纳部20中。由此，体积流量测量轮2可以相对进气格栅26并且独立于驱动风扇1的叶轮3的马达4的转子11自由旋转。可以通过增加其它传感器信息、经由对体积流量测量轮2的转速的测量以良好的精度推断出当前输送介质体积流量Q_V或其它与运行点相关的变量。

风扇1的叶轮3通过紧固设备15安装在马达4的转子11上，该紧固设备被设计为板坯料，其被浇注到叶轮3中并压到转子11上。体积流量测量轮2的转速n_Ane的测量和评估形成了用于确定当前输送介质体积流量Q_V或其它与运行点相关的当前变量的重要基础。如果想以非常高的精度确定输送介质体积流量Q_V或其它与运行点相关的变量，除了转速n_Ane之外，还需要其它传感器信息，因为转速n_Ane除了输送体积流量Q_V还与风扇的(内部)运行状态有关。该运行状态可以例如在恒定的输送介质体积流量Q_V下以风扇在输送方向上形成的静态压力增加值的形式变化。在本发明的意义中，马达或马达控制系统中的内部变量、必要情况下电变量被用作这样的其它传感器信息。

体积流量测量轮通常可以在迎流侧或流出侧例如安装在风扇的进气格栅上或壳体中。为了确定当前输送介质体积流量Q_V或其它与运行点相关的变量，可以使用另一马达外部传感器信号来代替叶片轮风速计的转速n_Ane，其是马达外部变量。另一马达外部传感器变量的第一示例是一个或多个热线式风速计或类似的对流速反应灵敏的热传感器的信号。另一马达外部传感器变量的第二示例是压差传感器的信号，该压差传感器测量在风扇的流动场中两个合适点之间的压差，例如作为风扇入口喷嘴的最窄流通横截面区域中的静态压力与入口喷嘴的流入侧的进一步流入的点的静态压力之间的差值的喷嘴有效压力。

当前输送体积流量Q_V或其它与运行点相关的变量的当前值利用适当的算法由马达外部变量的传感器信号以及马达内部电变量例如马达电流I_Mot、绕组电压U_Mot或电功率的第二传感器信号确定。该算法有利地直接在马达控制系统中实施，但其也可以在外部评估单元中实施。当然，传感器信号必须分别传输到相应的位置。

可能的算法如下所示：

1)确定马达外部传感器变量EXT，在具体示例中是叶轮式风速计(体积流量测量轮)2的转速n_Ane；

2)确定马达内部变量、必要情况下电变量INT，具体例如马达绕组电流I_Mot；

3)如果需要，确定或估计当前输送介质密度ρ，有利地借助另外的传感器信号(例如温度和/或湿度)；

4)利用校准的近似函数或者/>(或或者/>计算当前输送介质体积流量Q_V(或其它与运行点相关的变量X)，其中X象征性地表示相应的与运行点相关的变量)。

是校准系数的域，其取决于马达外部传感器变量EXT、马达内部传感器变量INT以及与运行点相关的变量X的类型，然而也取决于具体的风扇、具体的传感器、以及必要情况下还有具体的安装情况。一般来说，校准系数/>借助在试验台上的校准试验确定，当前输送介质体积流量Q_V或与运行点相关的当前变量X可以利用该试验台测量。

具体来说，可以由马达外部的传感器变量EXT和马达内部的传感器变量INT构成适当数量的基础函数、例如单项式，其然后形成基础函数的向量。基于单项式的基础函数向量的示例是/>其它类型的基础函数也是可考虑。当前输送介质体积流量Q_V或与运行点相关的当前变量X则可以用以下标积来逼近：或者/>或者/>或者/>其中f(ρ，T)是与当前输送介质密度ρ和当前输送介质温度T相关的确定校正函数。

在校准试验中，借助试验台为足够数量的测量点已知Q_V(或X)，以及还借助传感器EXT和INT已知基础函数向量并且校准系数的域/>可以通过反演来确定、例如使用最小二乘法确定。

马达4或评估单元有利地具有用于将当前输送体积流量Q_V或与运行点相关的当前变量X传送到更高级别的系统的接口。进一步有利地，马达或评估单元可以被传送额定体积流量或与运行点相关的变量X的额定值的信号，从而对马达转速n_Mot自动调节，使得通过传感器信号确定的输送介质体积流量Q_V或与运行点相关的当前变量X与额定体积流量或额定值X尽可能好地对应。

为了完整起见应当指出的是，图1中并未示出风扇1的所有部件。特别是为了清楚起见，未示出将马达4的定子11连接到例如喷嘴板29的马达保持件。风扇1可以包括许多其它未示出的部件。

图2为任何示例性风扇示出以输送体积流量Q_V为横坐标且以静态压力增加psF为纵坐标的视图，其中示出了安装在风扇附近的叶轮式风速计在马达转速n_Mot分别恒定时的两个特性曲线和转速n_Ane分别恒定时的四个特性曲线。可以看出，在n_Ane恒定的情况下，输送体积流量Q_V并不精确恒定，这意味着在没有进一步信息的情况下只能不精确地确定Q_V，特别是对于许多特定应用、例如受控的起居空间通风来说太不精确。这尤其是由于风扇叶轮的运行状态(在体积流量Q_V恒定的情况下)绝对显著影响风速计转速n_Ane，这是因为出于紧凑性原因，风速计轮相对靠近地安装在叶轮上。从图中可以看出，用于明显更精确地确定输送体积流量Q_V的可能的补充信息包含在马达转速n_Mot中。例如，可以确定用于恒定的马达转速n_Mot的特性曲线和用于恒定的风速计转速n_Ane的特性曲线的交点，并且可以在曲线交点处读取当前输送体积流量Q_V的精确值。重要的是声如下的结论：所需的信息包含在两个传感器信号的组合中。一旦仅处理两个传感器信号，就可以以各种方式执行用于计算Q_V的准确类型的算法。

然而确定马达转速n_Mot相当复杂，因为例如需要霍尔传感器。已经发现：代替马达的转速n_Mot，也可以使用明显更容易传感检测的马达内部变量、必要情况下电变量INT。

图3为图2中的示例性风扇示出以输送体积流量Q_V为横坐标且以静态压力增加p_sF为纵坐标的视图，其中示出了安装在风扇附近的叶轮式风速计在马达绕组电流I_Mot分别恒定的情况下的五个特性曲线和转速n_Ane分别恒定的情况下的四个特性曲线。可以看出，在n_Ane恒定的情况下，输送体积流量Q_V并不精确恒定，这意味着在没有进一步信息的情况下只能不精确地确定Q_V。这对于许多应用来说太不精确。这尤其是由于风扇叶轮的运行状态(在体积流量Q_V恒定的情况下)绝对显著地影响风速计转速n_Ane，这是因为出于紧凑性原因，风速计轮相对靠近地安装在叶轮上。

从图中可以看出，用于明显更精确地确定输送体积流量Q_V的可能的补充信息也包含在马达绕组电流I_Mot中，其可以以相对较少的花费传感检测。例如，然后可以确定用于恒定的马达绕组电流I_Mot的特性曲线和用于恒定的风速计转速n_Ane的特性曲线的交点，并且可以在曲线交点处读取当前输送体积流量Q_V的精确值。重要的是如下认识：信息包含在两个传感器信号的组合中。一旦仅处理两个传感器信号、即马达外部的(在此为n_Ane)和马达内部的(在此为I_Mot)，就可以以各种方式执行用于计算Q_V的准确型的算法。

应当提及的是，至少对于每种风扇实施方式，需要在测试台上使用测量数据进行校准，以便定量地建立计算算法。例如，可以因此针对所涉及的风扇确定用于恒定的马达绕组电流I_Mot的特性曲线和用于恒定的叶轮式风速计转速n_Ane的特性曲线，并将其存储在马达控制系统或评估单元上。由于其它计算算法也是可能的，因此前后一致地也需要其它校准。重要的是，作为用于确定当前输送体积流量Q_V或其它与运行点相关的变量的当前值的算法中的传感器变量/输入变量，对马达外部传感器变量EXT、在此为叶轮式风速计的转速n_Ane以及马达内部电变量INT、在此为马达绕组电流I_Mot进行处理。

还可考虑的是，检测特定应用或安装条件的校准参数，以便在相关应用中在确定当前输送体积流量Q_V或其它与运行点相关的变量的当前值时实现更高的精度。

在本发明的意义中，对局部气流速度反应灵敏的热线式风速计或类似热传感器的信号、或测量风扇区域中两个特定点之间的静压差的压差传感器的信号也可以用作马达外部变量等。在这两种情况下通常会确定：传感器信号除了当前输送体积流量Q_V还取决于风扇叶轮的运行状态，其例如可以通过静态压力增加p_sF的值表示。这种运行状态相关性可以通过添加代表马达内部变量、必要情况下电变量的传感器信号来解决，由此在确定当前输送体积流量Q_V或因此也在确定其它与运行点相关的变量的当前值时能够实现显著更高的精确度。

如果将压差或热线式风速计的信号用作马达外部信号，则还需要当前输送介质密度作为用来确定输送体积流量Q_V的另一输入变量。输送介质密度可以被估计为常数，或者可以有利地借助其它传感器信号(例如与输送介质的温度和含水量相关)实时确定。

另一方面，可以借助输送介质体积流量Q_V借助输送介质密度推断出输送介质质量流量。如果将压差或热线式风速计的信号用作马达外部信号，甚至可以直接确定输送介质质量流量，而无需了解输送介质密度。

为了避免重复，关于根据本发明的方法的另外的有利的设计方案参考说明书的一般部分和所附权利要求。

最后应当明确指出的是，根据本发明的方法的上述实施例仅用于讨论要求保护的教导，而并不限于这些实施例。

附图标记列表

1 风扇

2 体积流量测量轮、叶轮式风速计

3 风扇叶轮

4 马达

5 进气喷嘴

6 体积流量测量轮的叶片

7 体积流量测量轮的轮毂

8 叶轮的盖环

9 叶轮的叶片

10 叶轮的轮毂环

11 马达的转子

12 马达的定子

13 用于支承体积流量测量轮的轴

15 将叶轮紧固在马达上的紧固设备

20 体积流量测量轮中用于轴承的容纳部

26 进气格栅

29 喷嘴板

30 进气格栅的中心区域

31 进气格栅中用于轴的容纳区域

Claims (12)

1.用于定量确定风扇的当前输送体积流量或其它与运行点相关的变量的方法，所述风扇包括马达驱动的叶轮，

其中，确定马达内部变量和马达外部变量，经由算法由所述马达内部变量和马达外部变量直接或间接地计算或确定所述输送体积流量或其它与运行点相关的变量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述马达内部变量是相应在马达中或其控制系统中的电流、例如绕组电流或马达电流或马达电压或电功率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述马达内部变量是马达转速。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述马达外部变量是紧邻所述风扇或所述叶轮设置的传感器的测量值或信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述传感器是包括体积流量测量轮的风速计，并且所述变量是风速计转速或测量轮转速。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述体积流量测量轮能转动地支承在迎流侧或流出侧结构上、特别是支承在进气格栅上或壳体部件上。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述传感器是热传感器、例如热线式风速计，所述热传感器对流速反应灵敏。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述传感器是压差传感器，所述压差传感器探测所述风扇的流动场中的两个具体点之间的压差。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述算法在马达控制系统中或在外部评估单元中分别利用处理器和存储器实施，其中，所述传感器信号通过线路或不接触地传输到所述处理器上。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述风扇、特别是所述马达具有接口，所述接口用于将所确定的当前输送体积流量或所确定的与运行点相关的当前变量传送至更高级别的系统。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，将额定体积流量的信号或与运行点相关的变量的额定值传送到马达和/或评估单元上，借助该信号或额定值能够调节马达转速，使得利用一个或多个传感器信号所确定的输送体积流量或所确定的与运行点相关的变量尽可能准确地对应额定体积流量或与运行点相关的变量的额定值。

12.风扇，所述风扇用于应用根据权利要求1至11中任一项所述的方法、特别是用于调节当前输送体积流量或与运行点相关的当前变量。