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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearmotor für einen Linearverdichter.
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Typische Linearverdichter weisen eine Laufbuchse auf, in der ein Kolben hin und her bewegbar ist. Der Kolben begrenzt zu einer Seite hin einen Zylinderraum, in welchen über ein Einlassventil in einer Ventilplatte Gas eingelassen werden kann. Bei einem Kompressionshub des Kolbens wird das in den Zylinderraum eingelassene Gas verdichtet und über ein Auslassventil in der Ventilplatte ausgestoßen. Der Kolben wird dabei über eine Kolbenstange von einem Linearmotor angetrieben, der die ihm zugeführte elektrische Energie in eine lineare, oszillierende Bewegung umsetzt. Gegenüber Kolbenverdichtern mit einem rotatorischen Antrieb, z. B. über eine von einem Drehmotor angetriebene Pleuelstange, haben Linearverdichter den Vorteil, dass der Kolbenhub verändert werden kann und somit ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden kann. Derartige Linearverdichter werden im Haushaltsbereich für Kühl- und Gefriergeräte und dergleichen eingesetzt.
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Die Regelung des Kolbenhubs in der Laufbuchse kann über eine Erfassung der aktuellen Position des Kolbens erfolgen. Dabei hat die Regelung des Kolbenhubs so zu erfolgen, dass der Kolben auf der Hochdruckseite nicht auf die mechanische Begrenzung gefahren wird, da er durch ein solches Anschlagen beschädigt werden kann. Des Weiteren kann ein verbesserter Wirkungsgrad erreicht werden, wenn die Hublänge dem momentanen Betriebszustand angepasst wird. Hierzu ist jedoch eine Messung des Kolbenposition im sowohl im oberen als auch im unteren Totpunkt erforderlich.
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Die
WO 2004/025120 schlägt als Sensor einen induktiven Sensor vor, welcher in einer Durchgangsbohrung in der Ventilplatte vorgesehen ist und der somit die Annäherung des Kolbens an die Ventilplatte erfasst. Allerdings ist mit dieser Anordnung lediglich eine Erfassung der Kolbenposition im oberen Totpunkt möglich. Ferner bringt die Anordnung des Sensors in der Ventilplatte Probleme hinsichtlich der zuverlässigen Abdichtung des Zylinderraums mit sich.
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Aus der
DE 297 95 315 U1 und der
DE 197 48 647 C2 ist ein Gleichstromlinearmotor mit integriertem Wegmesssystem bekannt, bei dem die durch Läuferverschiebungen hervorgerufenen Induktivitätsänderungen zur Positionserfassung ausgewertet werden. Hierzu werden die an zwei Teilspulen des Motorantriebs anliegenden Spannungen ausgewertet, was zum einen eine aufwändige Spulenwicklung und zum anderen eine aufwändige Auswerteschaltung erfordert. Dieses Verfahren ist ferner bei einem Betrieb an einem ungeregelten Zwischenkreis ungeeignet. Ferner erfordert die Temperaturabhängigkeit des Wicklungswiderstandes eine aufwändige Kompensation.
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Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Linearmotor für einen Linearverdichter bereitzustellen, bei dem die Position des Kolbens mit wenig Aufwand erfasst werden kann, und der insbesondere eine einfache Abdichtung des Zylinderraums ermöglicht.
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Vorzugsweise wird der Linearverdichter in einem Kältegerät zur Verdichtung des Kältemittels eingesetzt. Unter einem Kältegerät wird insbesondere ein Haushaltskältegerät verstanden, also ein Kältegerät das zur Haushaltsführung in Haushalten oder eventuell auch im Gastronomiebereich eingesetzt wird, und insbesondere dazu dient Lebensmittel und/oder Getränke in haushaltsüblichen Mengen bei bestimmten Temperaturen zu lagern, wie beispielsweise ein Kühlschrank, ein Gefrierschrank, eine Kühlgefrierkombination, eine Gefriertruhe oder ein Weinlagerschrank.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfasst ein Linearmotor für einen Linearverdichter eine Motorwicklung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, einen Anker, der durch das von der Motorwicklung erzeugte Feld in einer Auslenkungsrichtung linear auslenkbar ist, und eine Sensoranordnung zur Erfassung der Position des Ankers in Auslenkungsrichtung, wobei die Sensoranordnung einen Koppeltransformator aufweist, dessen Sekundärseite mit der Motorwicklung elektrisch verbunden ist, wobei die Sensoranordnung ausgebildet ist, zur Erfassung der Position des Ankers an die Primärseite des Koppeltransformators eine Anregungsspannung zum Anregen der Motorwicklung anzulegen.
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Somit kann die Position des Kolbens des Linearverdichters auf einfache Weise über eine Erfassung der Ankerposition bestimmt werden. Dabei ist keine Sensoranordnung im Zylinderraum notwendig, so dass der Zylinderraum in einfacher Weise abgedichtet werden kann, ohne dass Zuleitungen zu darin angeordneten Sensoren oder dergleichen vorgesehen werden müssen.
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Dabei kann die Anregungsspannung zur Erzeugung von Wirbelstromverlusten, welche von der Position des Ankers abhängen, vorgesehen sein. Eine von diesen Wirbelstromverlusten abhängige Messgröße kann einer Auswerteschaltung zugeführt und von dieser ausgewertet werden.
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Die Sensoranordnung kann auch derart ausgebildet sein, die Frequenz der Anregungsspannung oder einer ansprechend auf die Anregungsspannung resultierenden Messspannung an der Primärseite des Koppeltransformators zu erfassen. Bei diesem Messprinzip kann beispielsweise die Induktivität der Motorwicklung von der Position des Ankers abhängen. Falls die Anregungsspannung beispielsweise durch einen LC-Schwingkreis bereitgestellt wird, dessen Induktivität von der Sensoranordnung gebildet wird, dann führt eine Änderung der Ankerposition zu einer Änderung der Frequenz der Anregungsspannung, welche von einer nachgeschalteten Auswertespannung ausgewertet werden kann.
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Die Sensoranordnung kann ferner eine Oszillatorschaltung aufweisen, durch welche eine oszillierende Anregungsspannung an der Primärseite des Koppeltransformators bereitstellbar ist. Die Frequenz dieser Anregungsspannung beträgt vorteilhafterweise ein Mehrfaches der Frequenz der Betriebsspannung des Linearmotors.
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Die Primärseite des Koppeltransformators kann als Teil eines Reihenschwingkreises ausgebildet sein. Bei geeigneter Einstellung der Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises kann dieser als Sperrfilter dienen, der die auf die Primärseite übertragenen Spannungsanteile der Linearmotorversorgung nicht durchlässt.
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Ferner kann der Anker so ausgebildet sein, dass eine Dimension des Ankers, insbesondere eine Breite des Ankers, entlang der Auslenkungsrichtung des Ankers variiert. Hierdurch entsteht eine positionsabhängige Modulation der Wirbelstromverluste, so dass die Positionsempfindlichkeit der Sensoranordnung verbessert werden kann. Beispielsweise kann sich der Anker zumindest an einem seiner Enden in Auslenkungsrichtung, insbesondere stufenweise, verjüngen.
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Es ist auch möglich, dass die Sensoranordnung anstelle des Koppeltransformators mindestens eine Messspule aufweist, die im Bereich eines Totpunkts des Ankers vorgesehen sind, um ein Signal auszugeben, welches eine Information über die Position des Ankers in Auslenkungsrichtung enthält. Auch in diesem Falle ist keine Sensoranordnung im Zylinderraum notwendig, so dass sich die oben angegebenen Vorteile ergeben. Die Messspule kann dabei um den Totpunkt des Ankers vorgesehen sein, oder nahe dem Totpunkt, z. B. weniger als ein Fünftel oder ein Zehntel des Ankerhubs in Auslenkungsrichtung vom Totpunkt entfernt.
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Dabei kann die Sensoranordnung mindestens zwei Messspulen aufweist, welche jeweils an einem oberen und einem unteren Totpunkt des Ankers vorgesehen sind. Somit wird eine Positionserfassung sowohl am oberen als auch am unteren Totpunkt des Ankers möglich.
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Die zwei oder mehr Messspulen können in einer Reihenschaltung miteinander elektrisch verbunden sein. Somit kann die Auswertung des von den Messspulen ausgegebenen Sensorsignals mit einer einzigen Auswerteschaltung durchgeführt werden.
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Der Linearmotor kann ferner eine Flußführungshülse aufweisen, welche die Motorwicklung und den Anker umgibt, wobei die Messspule in die Flussführungshülse eingebettet ist. Dies ermöglicht eine platzsparende Anordnung der Messspule im Linearmotor.
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Der Anker kann an mindestens einem seiner Enden ein Material mit größerer Leitfähigkeit als in einem mittigen Bereich des Ankers aufweisen. Beispielsweise kann an beiden Enden des Ankers ein Aluminiumring vorgesehen sein. Somit werden größere Wirbelstromverluste erzeugt, wenn die Aluminiumringe in das von den Sensorspulen gebildete Magnetfeld bewegt werden, so dass eine höhere Sensorempfindlichkeit erreicht wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Dabei zeigen
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1 eine schematische Querschnittsansicht eines Linearmotors zum Antrieb des Kolbens eines Linearverdichters;
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2 eine angeschnittene perspektivische Ansicht des Linearmotors;
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3 ein Ersatzschaltbild einer Schaltung zum Ansteuern des Linearmotors sowie einer Sensoranordnung zum Erfassen der Position des Ankers;
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4 ein Blockschaltbild einer Ansteuer- und Auswerteschaltung des Linearverdichters;
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5 eine schematische Querschnittsansicht eines Linearverdichters mit einem Linearmotor gemäß einer weiteren Ausgestaltung;
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6 ein Ersatzschaltbild einer möglichen Verschaltung der Motorwicklung und der Sensorspulen; und
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7 eine weitere Ausgestaltung einer Ansteuerschaltung für den Linearmotor.
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Falls nichts anderes angegeben ist, bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Linearmotors 100 zum Antrieb des Kolbens eines Linearverdichters. 2 zeigt eine angeschnittene perspektivische Ansicht des Linearmotors 100. Der Linearmotor 100 umfasst zwei E-förmige Joche 110, zwei Motorwicklungen 120 und einen Anker 130.
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Die E-förmigen Joche 110 dienen als Stator des Linearmotors 100 und sind beispielsweise aus Paketen aus sogenanntem Dynamo-Blech gefertigt. Die Joche 110 weisen jeweils drei Arme 112, 114 und 116 auf, die sich paarweise gegenüber liegen. Die einander zugewandten Enden der Arme 112, 114 und 116 bilden jeweils Polschuhe 118, die einen Luftspalt begrenzen. Um die mittleren Arme 114 ist jeweils eine der Motorwicklungen 120 gewickelt, die als Erregerwicklungen dienen. Die Motorwicklungen 120 können mit einem Strom beaufschlagt werden, wobei die Stromrichtung in den beiden Motorwicklungen 120 so festgelegt ist, dass die beiden einander gegenüberliegenden Polschuhe 118 der mittleren Arme 114 ungleichnamige Magnetpole bilden. Dabei können die Motorwicklungen 120 parallel geschaltet sein. Die Polschuhe 118 der äußeren Arme 112 und 116 bilden zum jeweils benachbarten mittleren Arm 114 ungleichnamige Magnetpole.
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Im durch die Polschuhe 118 gebildeten Luftspalt ist der Anker 130 angeordnet. Der Anker 130 ist mittels zweier nicht dargestellten Federn derart beweglich gelagert, dass er in Pfeilrichtung, welche die Auslenkungsrichtung darstellt, also in Längsrichtung im durch die Polschuhe 118 gebildeten Luftspalt. Der Anker umfasst einen Schlitten 132 und einen vierpoligen Permanentmagneten 134. Der vierpolige Permanentmagnet kann beispielsweise in eine im Schlitten 132 vorgesehene Tasche eingeklebt sein. Alternativ dazu ist es auch möglich zwei zweipolige Permanentmagneten vorzusehen, welche in entsprechende Taschen des Schlittens 132 eingeklebt sind. Der Permanentmagnet 134 reagiert auf das magnetische Wechselfeld, das durch den Stromfluss durch die Motorwicklungen 120 verursacht wird, und die entstehende Kraftwirkung wird in eine oszillierende Bewegung des Ankers 130 in Hubrichtung umgesetzt. Der Schlitten 132 ist aus einem sehr leitfähigen Material, wie z. B. Aluminium gefertigt.
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Mit dem Schlitten 132 fest verbunden ist eine Seite einer Kolbenstange 140. Die andere Seite der Kolbenstange 140 ist fest mit einem Kolben verbunden, welcher einen nicht dargestellten Zylinderraum eines Linearverdichters begrenzt. Durch die Oszillation des Ankers 130 wird somit das Volumen des Zylinderraums des Linearverdichters verändert und im Zylinderraum vorhandenes Gas kann komprimiert werden.
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3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Schaltung 300 zum Ansteuern des Linearmotors 100 sowie einer Sensoranordnung zum Erfassen der Position des Ankers 100. Die Schaltung 300 zum Ansteuern des Linearmotors 100 umfasst einen Gleichspannungszwischenkreis 310 sowie eine H-Brückenschaltung 320.
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Der Gleichspannungszwischenkreis 310 umfasst vier Gleichrichterdioden 311, 312, 313 und 314 sowie einen Glättungskondensator 315. Die vier Gleichrichterdioden 311, 312, 313 und 314 richten eine Wechselspannung UAC gleich, welche beispielsweise durch eine Netzspannung gegeben sein kann. Der Glättungskondensator 315 glättet die Spannung am Ausgang der Diodenschaltung, so dass an den beiden Enden des Glättungskondensators 315 eine Gleichspannung UDC anliegt, welche der H-Brückenschaltung 320 zugeführt wird.
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Die H-Brückenschaltung 320 umfasst vier Halbleiterschalter 321, 322, 323 und 324. Die Halbleiterschalter 321, 322, 323 und 324 weisen jeweils einen Transistor auf, zu dem jeweils eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist. Die Transistoren können beispielsweise als IGBTs oder Power-MOSFets ausgeführt sein und sind jeweils mit einer nicht näher dargestellten Steuerung ansteuerbar. Auf der Brücke der H-Brückenschaltung 320 sind die Motorwicklungen 120 des Linearmotors 100 angeordnet, welche beispielsweise hintereinander geschaltet werden können. Die H-Brückenschaltung 320 wird zur Anpassung der Zwischenkreisspannung an die Betriebsspannung des Linearmotors 100 mit Pulsweitenmodulation betrieben. In einer ersten Phase der Pulsweitenmodulation werden die Halbleiterschalter 321 und 324 durchgeschaltet, so dass Strom durch diese Halbleiterschalter 321 und 324 sowie in einer ersten Richtung durch den dazwischen angeordneten Linearmotor 100 fließt. In einer folgenden Freilaufphase werden die Halbleiterschalter 321 und 324 gesperrt. Die Induktivität der Motorwicklungen hält den fließenden Strom aufrecht, welcher über die parallel zu den Transistoren der Halbleiterschalter 322 und 323 angeordneten Dioden fließen kann. Als nächstes folgt eine zweite Phase, in welcher die Halbleiterschalter 322 und 323 durchgeschaltet, so dass Strom durch diese Halbleiterschalter 322 und 322 sowie in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durch den dazwischen angeordneten Linearmotor 100 fließt. Es folgt eine weitere Freilaufphase, in welcher der Freilaufstrom durch die die parallel zu den Transistoren der Halbleiterschalter 321 und 324 angeordneten Dioden fließt. Danach beginnt der Zyklus von vorne. Durch Einstellung der Länge der ersten und zweiten Phase kann der Hub des Ankers 130 eingestellt werden.
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Ein Koppeltransformator 330 ist in Reihe mit der Motorwicklung 120 des Linearmotors 100 und ebenfalls auf der Brücke der H-Brückenschaltung 320 angeordnet. Genauer gesagt ist die Sekundärseite 334 des Koppeltransformators 330 in Reihe mit mindestens einer der Motorwicklungen 120 angeordnet. Die Primärseite 332 des Koppeltransformators 330 ist mit einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 400 verbunden.
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4 zeigt ein Blockschaltbild der Ansteuer- und Auswerteschaltung 400. Die Ansteuer- und Auswerteschaltung 400 umfasst eine Oszillatorschaltung 410, eine Spannungsteilerschaltung 420, eine Filterschaltung 430, eine Auswerteschaltung 440 und einen Mikrokontroller 450.
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Die Oszillatorschaltung 410 stellt eine hochfrequente Anregungsspannung Us bereit, die, nach Teilung mit der Spannungsteilerschaltung 420, über den Koppeltransformator 330 in den Linearmotorkreis gespeist wird. Die Anregungsspannung Us ist beispielsweise eine Sinusspannung konstanter Amplitude mit einer Frequenz, die ein Mehrfaches, z. B. ein 10-faches oder 100-faches oder mehr, der maximalen Frequenz der PWM-Spannung beträgt, mit welcher der Linearmotor 100 betrieben wird. Somit wird der die Bewegung des Linearmotors von der eingespeisten Anregungsspannung Us nicht oder nur vernachlässigbar beeinflusst. Der Spannungsteiler 420 umfasst einen ohmschen Spannungsteilerwiderstand 422 sowie zwei Anschlüsse 424 und 426. Der Spannungsteilerwiderstand 422 ist auf seiner einen Seite mit dem Ausgang der Oszillatorschaltung 410 und auf seiner anderen Seite mit dem Eingang der Filterschaltung 430 verbunden. Der Anschluss 424 ist mit dem Knoten verbunden, der den Spannungsteilerwiderstand 422 mit der Filterschaltung 430 verbindet. Der Anschluss 426 ist mit Masse bzw. mit einem Bezugspotential verbunden. Die Primärseite 332 des Kopplungstransformators 330 ist mit den beiden Anschlüssen 424 und 426 verbunden. Die Anregungsspannung Us führt somit zu einer Anregung der Motorwicklung 120, welche der Anregung durch die PWM-Modulation des Linearmotors 120 überlagert ist.
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Ferner wird die am Anschluss 424 anliegende Spannung Um abgegriffen und der Filterschaltung 430 zugeführt. Diese Spannung Um enthält eine Information über die Position des Ankers 130. Dies wird im Folgenden näher erläutert:
Die mit dem Koppeltransformator 330 verbundene Motorwicklung 120 hat, wie in 3 schematisch dargestellt, eine Induktivität Lm und einen ohmschen Spulenwiderstand Rm. In der in 1 dargestellten Situation läuft, aufgrund der Anregung der Motorwicklung 120, der magnetische Fluss vom Polschuh 118 des mittleren Arms 114 über den Luftspalt zu beiden Seiten durch den Permanentmagneten 134, von dort wieder über den Luftspalt zu den seitlichen Armen 112 und 116 und über die Jochbasis zurück in den mittleren Arm 114. Der Permanentmagnet 134 weist einen nur geringen magnetischen Widerstand auf, so dass der magnetische Fluss im Wesentlichen ungehindert bzw. nur durch den Luftspalt gehindert fließt. Wird nun der Anker 130 zu einer Seite hin, z. B. nach links, ausgelenkt, dann ist gegenüber den Armen 116 nicht mehr der Permanentmagnet 134 sondern nunmehr der Schlitten 132 angeordnet. Da der Schlitten 132 aus einem Material mit großem elektrischen Leitwert und niedriger relativer Permeabilität, wie z. B. Aluminium, besteht, entstehen darin Wirbelströme, wenn er in das von der Spule erzeugte Magnetfeld gebracht wird, wodurch in Wärme umgesetzte Leistung verbraucht wird. Die von der Primärseite eingespeiste Anregespannung regt mit anderen Worten in der Motorwicklung 120 ein Wechsel-Magnetfeld an, welches in dem elektrischen Leiter des Schlittens 132 Wirbelströme erzeugt. In diesem Zustand wirkt der Anker 130 also wie ein zugeschalteter Verbraucher, dessen Verbraucherleistung größer wird, je mehr der Schlitten 132 in das Magnetfeld eindringt. Dies wird im Ersatzschaltbild durch den Ersatzwiderstand Ra parallel zur Induktivität Lm modelliert, welcher aufgrund der Wirbelstromverluste ansteigt.
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Die Filterschaltung 430 kann beispielsweise ein kapazitives Element umfassen, welches zusammen mit der Primärseite 332 des Koppeltransformators 330 einen Reihenschwingkreis ausbildet. Wenn nun aufgrund der Wirbelstromverluste der Ersatzwiderstand Ra ansteigt, dann wirkt sich dies als Änderung der Güte auf die Schwingamplitude und die Resonanzfrequenz des Schwingkreises aus. Die elektronische Auswerteschaltung 440 erfasst mindestens eine dieser beiden Größen und erzeugt als Ausgangssignal ein positionsabhängiges Gleichspannungssignal Ux, welches eine Information über die Position. des Ankers 130 im Linearmotor 100 enthält, und beispielsweise proportional zur Änderung des Ersatzwiderstandes Ra ist. Gleichzeitig wirkt der Reihenschwingkreis als Sperrfilter gegenüber der niedrigeren PWM-Frequenz der Motorversorgung. Die Auswerteschaltung 440 kann beispielsweise einen Verstärker und ein Schaltungsteil zur Spitzenwertgleichrichtung mit Glättung aufweisen. Das Sensorsignal Ux wird einem Analog-Digitalwandler 455 des Mikrokontrollers 450 zugeführt, welcher das Sensorsignal Ux in ein digitales Signal umwandelt. In Abhängigkeit von diesem Sensorsignal Ux regelt der Mikrokontroller 450 die Energiezufuhr zu dem Linearmotor 100. Durch eine geeignete Regelung kann einerseits sichergestellt werden, dass der Kolben nicht gegen seine Anschläge stößt, und andererseits, dass ein den Betriebsbedingungen entsprechender optimaler Wirkungsgrad eingestellt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Schlitten 132 entlang der Auslenkungsrichtung des Ankers unterschiedliche Dicken aufweisen. Somit variiert die Breite des Luftspalts zwischen den Polschuhen und dem Anker entlang der Auslenkungsrichtung des Ankers. Mit dieser Ausgestaltung ändert sich die Breite des Luftspalts im durch Anker, Joch und Motorwicklung gebildeten magnetischen Kreis in Abhängigkeit von der Position des Ankers. Beispielsweise kann sich der Schlitten 132 an einem oder beiden seiner Enden z. B. stufenweise verjüngen. In diesem Falle hängt die Breite des Luftspalts zwischen Schlitten 132 und Joch 110 von der Position des Ankers 130 ab, und die Breite des Luftspalts nimmt bei zunehmender Annäherung des Ankers 130 an seinen Totpunkt zu. Dies wirkt sich auf die Größe der Wirbelstromverluste aus, so dass eine positionsabhängige Modulation der Wirbelstromverluste entsteht. Somit kann die Positionsempfindlichkeit der Sensoranordnung verbessert werden. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Änderung der Breite des Luftspalts über den Auslenkungsweg des Ankers 130 möglichst groß ist.
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Bei der oben beschriebenen Anordnung ist es vorteilhaft, wenn die Verbindung zwischen Kolben und Anker 130 über die Kolbenstange 140 möglichst starr ist, da aus der Position des Ankers 130 auf die Position des Kolbens im Zylinderraum geschlossen werden soll. Bei einer starren Verbindung tritt keine Positionsverfälschung beispielsweise durch ein Durchbiegen der Kolbenstange 140 auf.
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Es kann ferner eine Kompensation von Temperaturänderungen auf den Wicklungswiderstand der Motorwicklung 120 vorgenommen werden. Der Einfluss von Temperaturänderungen auf den Wicklungswiderstand ist um einen Faktor von ca. 4 größer als der Einfluss von Temperaturänderungen auf die Induktivität der Motorwicklung 120. Durch eine Temperaturmessung und anschließende rechnerische Korrektur mit dem Mikrokontroller oder dergleichen kann der Einfluss der Temperatur auf das Messergebnis kompensiert werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Einfluss aufgrund magnetischer Sättigung auf das Messergebnis möglichst gering ist. Magnetische Sättigung hat eine Vergrößerung der magnetischen Streuung bzw. Koppelung zur Folge. Diese verändert die die Induktivität des Linearmotors 100, was sich auch auf die Wirbelstromverluste und somit aufs Messergebnis auswirkt. Es ist daher vorteilhaft, den Linearmotor nicht in magnetischer Sättigung zu betreiben. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn auf der Ständerseite möglichst geringe Wirbelstromverluste auftreten. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass Dynamobleche mit geringer Dicke verwendet werden.
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Mit der oben beschriebenen Anordnung werden in ihrer Größe positionsabhängige Wirbelstromverluste im Magnetkreis erfasst und ausgewertet. Alternativ dazu ist es auch möglich, zur Bereitstellung der Anregungsspannung einen LC-Oszillator zu verwenden, dessen Induktivität von der Sensoranordnung mit dem Koppeltransformator gebildet wird. Diese Induktivität ändert sich in Abhängigkeit von der Induktivität der sekundärseitig vorgesehenen Motorwicklung 120, und somit in Abhängigkeit von der Position des Ankers 130 im Linearmotor 100, was zu einer Änderung der Frequenz der Anregungsspannung führt. Diese Frequenzänderung kann von der nachgeschalteten Auswerteschaltung 440 ausgewertet werden, welche in diesem Falle ein Signal ausgibt, welches in seiner Amplitude proportional zur Induktivität oder zur Induktivitätsänderung ist.
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Bei der Messung verursachen die Spannungsabfälle an den Halbleiterschaltern 321 bis 324 eine Verfälschung des Messwertes. Diese Verfälschung kann rechnerisch durch den Mikrokontroller 450 korrigiert werden.
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5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Linearverdichters 500 mit einem Linearmotor 540 gemäß einer weiteren Ausgestaltung. Der Linearverdichter 500 weist einen Verdichterabschnitt 520 und einen Linearmotor 540 auf. Der Verdichterabschnitt 520 umfasst eine Laufbuchse 522 und einen in der Laufbuchse 522 oszillierenden Kolben 524. Die Laufbuchse 522 ist zu einer Seite von einer Ventilplatte 526 abgeschlossen, in welcher ein Einlass- und ein Auslassventil vorgesehen sind, welche nicht näher dargestellt sind. Der Laufbuchse 522, der Kolben 524 und die Ventilplatte 526 definieren einen Zylinderraum 528, in welchen Kühlmittel durch das Einlassventil eingeführt und mit dem Kolben 524 komprimiert werden kann. In der Ruhelage 530 befindet sich der Kolben 524 in der Mitte des Verdichterabschnitts 520. Der Zylinderraum 528 entspricht einem Kompressionsbereich 532, in welchen sich der Kolben 524 bei einem Kompressionshub bewegt. Im Expansionshub bewegt sich der Kolben 524 in einen Expansionsbereich 534.
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Der Linearmotor 540 umfasst einen Anker 542, der über eine Kolbenstange 544 mit dem Kolben 524 starr verbunden ist. Der Anker 542 kann beispielsweise als zylindrischer zweipoliger Permanentmagnet ausgebildet sein. Um den Anker 542 ist eine als Ringwicklung ausgebildete Motorwicklung 546 angeordnet. Die Motorwicklung 546 kann sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Linearmotors 540 erstrecken oder lediglich in einem mittleren Bereich einer Laufbuchse 548 vorgesehen sein. Die Motorwicklung 546 umgebend ist eine Flußführungshülse 550 vorgesehen, welche zur Führung des von der Motorwicklung 546 erzeugten magnetischen Flusses dient. Die Flußführungshülse 550 und die Laufbuchse 522 sind in einem zylindrischen Gehäuse 560 aufgenommen.
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Im Betrieb wird die Motorwicklung 546 mit einem Wechselstrom beaufschlagt. Abhängig von der Flußrichtung des durch die Motorwicklung 546 fließenden Stroms wird ein Magnetfeld erzeugt, auf das der magnetische Anker 542 reagiert und somit in Auslenkungsrichtung, also nach links oder nach rechts in 5, ausgelenkt wird.
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Zur Erfassung der Position des Ankers 542 im Linearmotor 540 ist im Bereich des oberen Totpunkts des Ankers 542 eine Sensorspule 570 und im Bereich des unteren Totpunkts des Ankers 542 eine Sensorspule 572 angeordnet. Die Sensorspulen 570 und 572 sind als Ringwicklungen ausgebildet und umgeben den Laufweg des Ankers 542. Dabei können die Sensorspulen 570 und 572 beispielsweise in in der Flußführungshülse 550 vorgesehenen Rillen eingebettet sein. Die Sensorspulen 570 und 572 werden mit einer Wechselspannung gespeist und erzeugen ein Magnetfeld. Wird nun der Anker 542 in das von einer der Sensorspulen 570 und 572 erzeugte Magnetfeld bewegt, dann werden im Anker 542 Wirbelströme erzeugt, welche zu Wirbelstromverlusten führen, die in der oben beschriebenen Weise erfasst werden können, also beispielsweise mittelbar indem die Änderung eines durch die Wirbelstromverluste beeinflussten Ersatzwiderstandes erfasst wird.
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Der Anker 542 kann an seinen beiden Enden ein Material aufweisen, welches eine größere elektrische Leitfähigkeit hat als der durch den Permanentmagneten gebildeten mittleren Abschnitt. Beispielsweise können an beiden Enden des Ankers 542 Aluminiumringe 543 vorgesehen sein. Somit werden größere Wirbelstromverluste erzeugt, wenn die Aluminiumringe 543 in das von den Sensorspulen 570 und 572 gebildete Magnetfeld bewegt werden, so dass eine höhere Sensorempfindlichkeit erreicht wird. Zur Erzielung einer hohe Sensorempfindlichkeit ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Wandstärke der Flußführungshülse 550 kleiner als der Durchmesser des Ankers 542 ist. Alternativ zu einer Positionserfassung mittels der Erfassung der Wirbelströme ist es auch möglich, aus der Änderung der Induktivität der Sensorspulen 570 und 572 wenn der Anker 542 sich den Sensorspulen 570 und 572 nähert auf die Position des Ankers 542 zu schließen.
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Wie auch bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist beider in 5 dargestellten Ausgestaltung vorteilhaft, dass im Bereich des Zylinderraums 528 keine Sensoren zur Positionserfassung vorgesehen sind. Vielmehr wird mit Hilfe der Sensorspulen 570 und 572 die Position des Ankers 542 im Linearmotor 540 erfasst. Weil der Kolben 524 über die Kolbenstange 544 starr mit dem Anker 542 verbunden ist, kann aus der Position des Ankers 542 unmittelbar auf die Position des Kolbens 524 in der Laufbuchse 522 geschlossen werden. Da im Zylinderraum keine Sensoren vorgesehen ist, ist die Abdichtung des Zylinderraums einfacher als das beispielsweise der Fall ist, wenn ein induktiver Sensor in der Ventilplatte 526 vorgesehen ist. Ferner ist bei dieser Ausgestaltung vorteilhaft, dass der Messkreis von der Ansteuerung des Linearmotors galvanisch entkoppelt ist. Störungen des Messsignals können somit vermieden werden. Durch geschickte Anordnung der Messspulen kann eine hohe Empfindlichkeit erreicht werden.
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6 zeigt ein Ersatzschaltbild einer möglichen Anordnung 600 der Motorwicklung 546 und der Sensorspulen 570 und 572. Wie in 6 dargestellt, kann die Motorwicklung 546 über zwei Anschlüsse 580 und 582 mit einer Ansteuerschaltung, beispielsweise der in 3 gezeigten H-Brückenschaltung 320, verbunden sein. Ferner können die Sensorspulen 570 und 572 in Reihe miteinander elektrisch verbunden sein, wobei ein Ende der Sensorspule 572 mit einem Anschluss 584 und ein Ende der Sensorspule 570 mit einem Anschluss 586 verbunden ist. Bei dieser Anordnung ist nur eine einzige Auswerteschaltung zur Auswertung des von den Sensorspulen 570 und 572 ausgegebenen Signals notwendig. Beide Sensorspulen 570 und 572 wirken in der oben beschriebenen Weise mit dem Anker 542 zusammen, wenn dieser in das von einer der Sensorspulen 570 und 572 erzeugte Magnetfeld bewegt wird. Ist der Linearmotor 540 genau symmetrisch ausgelegt, dann kann anhand des an den Anschlüssen 584 und 586 abgreifbaren Signals noch nicht erfasst werden, ob sich der Anker 542 seinem oberen oder seinem unteren Totpunkt nähert, allerdings kann dies durch Vergleich mit der Polarität des der Motorwicklung 546 zugeführten Stroms erfasst werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, beispielsweise durch entsprechende Gestaltung der Aluminiumringe 543, den Linearmotor 540 derart asymmetrisch zu gestalten, dass anhand des an den Anschlüssen 584 und 586 anliegenden Signals erfasst werden kann, ob sich der Anker 542 seinem oberen oder seinem unteren Totpunkt nähert.
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7 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Ansteuerschaltung für den Linearmotor 100, 520. In dieser Ausgestaltung ist der Linearmotor 100, 520 auf einer Seite mit einem bidirektionalen, nicht abschaltbaren Halbleiterschalter, z. B. einem Triac 700, und auf der andere Seite mit einem ersten Versorgungsanschluss 710 verbunden. Die andere Seite des Triacs 700 ist mit einem zweiten Versorgungsanschluss 720 verbunden. An den Versorgungsanschlüssen 710 und 720 liegt eine Versorgungsspannung UAC an. Ein Steueranschluss des Triacs 700 ist mit einer Motorsteuerung verbunden, und der Triac 700 kann durch Aufschalten eines Steuersignals auf diesen Steueranschluss durchgeschaltet werden. Mit dieser Ausgestaltung kann der Linearmotor 100, 520 also ohne einen Zwischenkreis direkt an einer Netzspannung UAC betrieben werden. Der Linearmotor 100, 520 wird somit im Phasenanschnittsbetrieb geregelt, wobei die Motorspannung durch Einstellen des Phasenanschnitt-Winkels geregelt werden kann. Die Positionserfassung erfolgt dabei wie oben beschrieben. Vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung ist, dass sie wenig aufwändig ist und mit nur einem Halbleiterschalter realisiert werden kann. Nachteilhaft ist jedoch, dass der Triac 700 nach seinem Durchschalten bis zum nächsten Nulldurchgang der Anregungsspannung nicht abgeschaltet werden kann, die Schaltung also weniger flexibel ist als die H-Brückenschalung 320 in 3.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Linearmotor
- 110
- Joche
- 112, 114, 116
- Arme
- 118
- Polschuhe
- 120
- Motorwicklungen
- 130
- Anker
- 140
- Kolbenstange
- 300
- Schaltung zum Ansteuern des Linearmotors
- 310
- Gleichspannungszwischenkreis
- 311, 312, 313, 314
- Gleichrichterdioden
- 315
- Glättungskondensator
- 320
- H-Brückenschaltung
- 321, 322, 323, 324
- Halbleiterschalter
- 330
- Koppeltransformator
- 332
- Primärseite
- 334
- Sekundärseite
- 400
- Ansteuer- und Auswerteschaltung
- 410
- Oszillatorschaltung
- 420
- Spannungsteilerschaltung
- 422
- Spannungsteilerwiderstand
- 424, 426
- Anschlüsse
- 430
- Filterschaltung
- 440
- Auswerteschaltung
- 450
- Mikrokontroller
- 455
- Analog-Digitalwandler
- 500
- Linearverdichter
- 520
- Verdichterabschnitt
- 522
- Laufbuchse
- 524
- Kolben
- 526
- Ventilplatte
- 528
- Zylinderraum
- 530
- Ruhelage
- 532
- Kompressionsbereich
- 534
- Expansionsbereich
- 540
- Linearmotor
- 542
- Anker
- 544
- Kolbenstange
- 546
- Motorwicklung
- 548
- Laufbuchse
- 550
- Flußführungshülse
- 560
- zylindrisches Gehäuse
- 570, 572
- Sensorspulen
- 600
- Anordnung von Motorwicklung und Sensorspulen
- 700
- Triac
- 710, 720
- Versorgungsanschlüsse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2004/025120 [0004]
- DE 29795315 U1 [0005]
- DE 19748647 C2 [0005]
