DE102010064704B3 - Pump with an electric motor and method for switching on such a pump - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben einer Pumpe (10) mit einem Elektromotor (11), der einen Stator (12) mit auf Polschenkeln (14) angeordneten Statorwicklungen (16) und einen permanent magnetischen Rotor (20) aufweist, wobei der Rotor (20) über eine Rotorwelle (22) ein Pumpenlaufrad (24) antreibt, wobeidie Statorwicklungen (16) als Heizelement dienen und eine Steuerschaltung (18) vorgesehen ist, über die die Statorwicklungen (16) in einen Heizmodus schaltbar sind,dadurch gekennzeichnet, dassin einem ersten Schritt der Heizmodus eingeschaltet wird und in einem zweiten Schritt nach einer Zeit tw oder mit Erreichen einer Temperatur Tw der Heizmodus gestoppt wird und in einem dritten Schritt die Kommutierung des Elektromotors (11) gestartet wird und in einem darauffolgenden Schritt detektiert wird, ob der Rotor (20) rotiert, wobei bei Rotation des Rotors (20) die Kommutierung fortgesetzt wird, und bei Stillstand des Rotors (20) die Schritte 1 - 3 durchgeführt werden.Method for operating a pump (10) with an electric motor (11) having a stator (12) with pole pieces (14) arranged stator windings (16) and a permanent magnetic rotor (20), wherein the rotor (20) via a Rotor shaft (22) drives a pump impeller (24), the stator windings (16) serving as a heating element and a control circuit (18) being provided via which the stator windings (16) can be switched to a heating mode, characterized in that in a first step the heating mode is switched on and in a second step after a time tw or when a temperature Tw is reached the heating mode is stopped and in a third step the commutation of the electric motor (11) is started and in a subsequent step it is detected whether the rotor (20) is rotating , wherein the commutation is continued when the rotor (20) rotates, and steps 1 - 3 are carried out when the rotor (20) is stationary.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpe mit einem Elektromotor, insbesondere für Brennstoffzellensysteme, sowie ein Verfahren zum Einschalten einer derartigen Pumpe. Hierbei weist der Elektromotor für eine derartige Pumpe einen Stator mit auf Polschenkeln angeordneten Statorwicklungen und einen permanent magnetischen Rotor auf, wobei der Rotor über eine Rotorwelle ein Laufrad antreibt, wobei die Statorwicklungen als Heizelement dienen und eine Steuerschaltung vorgesehen ist, über die die Statorwicklungen in einen Heizmodus schaltbar sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine solche Pumpe.The invention relates to a method for operating a pump with an electric motor, in particular for fuel cell systems, and a method for switching on such a pump. The electric motor for such a pump has a stator with stator windings arranged on pole pieces and a permanent magnetic rotor, with the rotor driving an impeller via a rotor shaft, with the stator windings serving as a heating element and a control circuit being provided, via which the stator windings are converted into a Heating mode can be switched. Furthermore, the invention relates to such a pump.
Derartige Pumpen werden insbesondere bei Brennstoffzellensystemen eingesetzt. Diese Brennstoffzellensysteme dienen zur Umwandlung von chemischer Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes, insbesondere Wasserstoff und eines Oxidationsmittels, zumeist Sauerstoff, in elektrische Energie, die beispielsweise als Antriebsenergie für Fahrzeuge verwendet werden kann. Verschiedene Arten von Pumpen können dabei in einem derartigen Brennstoffzellensystem angeordnet sein. Im abgeschalteten Zustand und bei niedrigen Umgebungstemperaturen kann es jedoch dazu kommen, dass aufgrund von Wasserausfrierungen bewegliche Teile einer Pumpe festfrieren. Besonders bei Fördermedien mit hohem Wasseranteil besteht die Gefahr des Festfrierens der beweglichen Teile wie Lager, Rotor oder Laufrad und somit die Gefahr des Blockierens des Motors beim Anlauf, was zum Ausfall des Motors und damit der Pumpe führen kann.Such pumps are used in particular in fuel cell systems. These fuel cell systems are used to convert chemical reaction energy from a continuously supplied fuel, in particular hydrogen and an oxidizing agent, mostly oxygen, into electrical energy that can be used, for example, as drive energy for vehicles. Different types of pumps can be arranged in such a fuel cell system. When switched off and at low ambient temperatures, however, it can happen that moving parts of a pump freeze up due to water freezing. Especially when pumping media with a high water content, there is a risk of the moving parts freezing, such as the bearing, rotor or impeller, and thus the risk of the motor blocking when it starts up, which can lead to failure of the motor and thus the pump.
Derartige Probleme sind beispielsweise aus der
Aus der
Darüberhinaus sind aus der
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine gemäß diesem Verfahren hergestellte Pumpe zum Einschalten einer derartigen Pumpe zur Verfügung zu stellen, mit dem ein Festfrieren der sich drehenden Bauteile der Pumpe und des damit verbundenen Elektromotors gelöst werden kann, ohne das weitere Bauteile benötigt werden, sowie ohne erhöhten montagetechnischen Aufwand.It is therefore the object of the invention to provide a method and a pump produced according to this method for switching on such a pump, with which freezing of the rotating components of the pump and the electric motor connected to it can be solved without the need for additional components be, and without increased installation effort.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem in einem ersten Schritt der Heizmodus eingeschaltet wird und in einem zweiten Schritt nach einer Zeit tw oder mit Erreichen einer Temperatur Tw der Heizmodus gestoppt wird und in einem dritten Schritt die Kommutierung des Motors gestartet wird und in einem darauffolgenden Schritt detektiert wird, ob der Rotor rotiert, wobei bei Rotation des Rotors die Kommutierung fortgesetzt wird, und bei Stillstand des Rotors die Schritte 1 - 3 durchgeführt werden. Durch diese Vorgehensweise wird ein Überhitzen der Statorwicklungen bei der Aufheizung vermieden. Außerdem wird eine unnötige Schaltung in den Heizmodus, der einen zusätzlichen Energieverbrauch beinhaltet, vermieden und so die Startzeit der Pumpe zu reduziert.The object is achieved by a method in which the heating mode is switched on in a first step and the heating mode is stopped in a second step after a time tw or when a temperature Tw is reached and in a third step the commutation of the motor is started and in in a subsequent step it is detected whether the rotor is rotating, with the commutation being continued when the rotor is rotating, and steps 1-3 being carried out when the rotor is stationary. This procedure avoids overheating of the stator windings during heating. In addition, unnecessary switching to the heating mode, which involves additional energy consumption, is avoided, thus reducing the start-up time of the pump.
Vorzugsweise ist in dem Verfahren der Heizmodus derart ausgeführt, dass benachbarte Statorwicklungen alternierend mit Spannung beaufschlagt werden, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der thermischen Belastung gewährleistet wird.In the method, the heating mode is preferably implemented in such a way that voltage is applied to adjacent stator windings in alternation, thereby ensuring an even distribution of the thermal load.
In vorteilhafter Weise wird in dem Verfahren die Temperatur T der Statorwicklungen (16) in Abhängigkeit vom Stromfluß und einer vorgegebenen Spannung unter Bezugnahme auf den spezifischen Widerstand des Spulenmaterials gemäß der Gleichung R(T) = R(T0) × (1 + α × (T - T0)) ermittelt, so dass es keiner weiteren Messmittel bedarf, um eine fehlerfreie Funktion der Statorwicklungen als Heizung zu gewährleisten.In the method, the temperature T of the stator windings (16) is advantageously determined as a function of the current flow and a predetermined voltage with reference to the specific resistance of the coil material according to the equation R(T)=R(T 0 )×(1+α× (T - T 0 )) determined, so that no further measuring equipment is required to ensure correct functioning of the stator windings as a heater.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch eine Pumpe mit einem Elektromotor dadurch gelöst, dass zwischen den Ständerwicklungen und den Polschenkeln ein Isolierorgan aus einem wärmeleitfähigen Kunststoff angeordnet ist, so dass eine schnelle und effiziente Wärmeeinleitung in die Bauteile des Elektromotors und der Pumpe gewährleistet ist.. Dies vereinfacht die Montage und verringert den schaltungstechnischen Aufwand, wodurch Kosten eingespart werden.The object is also achieved by a pump with an electric motor in that an insulating element made of a thermally conductive plastic is arranged between the stator windings and the pole pieces, so that rapid and efficient introduction of heat into the components of the electric motor and the pump is ensured. This simplifies the assembly and reduces the switching effort, which saves costs.
Vorzugsweise ist das Isolierorgan als eine Beschichtung der Polschenkel ausgeführt, welche in einem einfachen Spritzgussverfahren erstellt werden kann.The insulating element is preferably designed as a coating on the pole limbs, which can be produced in a simple injection molding process.
Um zwischen dem Stator und dem Motorgehäuse, der aus elektrisch leitfähigem Material besteht, ist in einer vorteilhaften Ausführungsform ein Einlegeelement aus einem elektrisch isolierenden Material zwischen dem Stator und dem Motorgehäuse derart angeordnet, dass ein Sicherheitsabstand eingehalten wird.In an advantageous embodiment, an insert element made of an electrically insulating material is arranged between the stator and the motor housing between the stator and the motor housing, which consists of electrically conductive material, such that a safety distance is maintained.
Die Erfindung wird anhand einer perspektivischen Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Pumpe in der einzigen Figur näher beschrieben.The invention is described in more detail using a perspective sectional view of a pump according to the invention in the single figure.
Der im Motorgehäuse 26 liegende Elektromotor 11 weist einen Stator 12 mit auf Polschenkeln 14 angeordneten Statorwicklungen 16 und einen permanentmagnetischen Rotor 20 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel trennt ein Spalttopf 32 den Rotor 20 vom Stator 12. Desweiteren wird der Elektromotor 11 neben dem Motorgehäuse 26 zusätzlich axial durch Elektronikgehäuseteil 56 begrenzt.The
Ein Pumpenlaufrad 24 mit Schaufeln ist mit einer Rotorwelle 22 verbunden und ist drehbar im dem Elektronikgehäuseteil 56 gegenüberliegenden Teil des Motorgehäuses 26 gelagert, wobei die Rotorwelle 22 über Kugellager 40 oder andere Lager im Motorgehäuse 26 und Elektronikgehäuseteil 56, gelagert ist.A
Ein Einlegelement 28 aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff verhindert einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen dem Gehäuse 26 und dem Statorwicklungen 16. Desweiteren weist das Material des Einlegeelements 28 gute wärmeleitende Eigenschaften auf, so dass im Heizmodus, der im Weiteren beschrieben wird, eine thermische Isolationswirkung deutlich reduziert wird.An
Jeder Polschenkel 14 des Stators 12 weist außerdem eine Beschichtung auf, die als Isolierorgan 30 ausgeführt ist und den Polschenkel 14 von den Statorwicklungen 16 trennt. Das Isolierorgan 30 besteht aus einem elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Kunststoff und ermöglicht eine schnelle Wärmeabgabe an die umliegenden, zu erwärmenden Bauteile.Each
Die Verwendung von wärmeleitfähigem Material verhindert außerdem ein Überhitzen des Elektromotors 11 im Heizmodus, da die Wärme schnell aus den Wicklungen 16 zum umliegenden Gehäuse 26, 56 abgeführt werden kann.The use of thermally conductive material also prevents the
Desweiteren weist die Pumpe 10 mit dem Elektromotor 11 eine Steuerschaltung 18 auf, die innerhalb des Elektronikgehäuseteils 56 angeordnet ist. Dabei teilt eine Elektronikplatine 60 das Elektronikgehäuseteil 56 in zwei Bereiche, wobei in einem ersten Bereich die Steuerschaltung 18 angeordnet ist und einem zweiten Bereich der Elektromotor 11 der Pumpe 10 angeordnet. Der erste Bereich des Elektronikgehäuseteils 56, der die Steuerschaltung 18 beinhaltet, wird durch einen Elektronikgehäusedeckel 58 verschlossen. Um eine Signalverbindung zwischen der Steuerschaltung 18 und dem Stator 12 zu ermöglichen, weist die Elektronikplatine 60 des Elektronikgehäuseteils 56 eine Öffnung 64 auf, durch die entsprechende Leitungen 62 geführt werden. Eine derartige Steuereinheit 18 kann sowohl den Elektromotor 11 in verschiedene Betriebszustände versetzen als auch die Drehlage des Elektromotors 11 detektieren.Furthermore, the
Da es bei Pumpen im abgeschalteten Zustand und bei Außentemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts zu Wassereinlagerungen und Festfrierungen, insbesondere an den beweglichen Teilen wie den Kugellagern 40, dem Rotor 20 oder dem Laufrad 24 kommen kann, besteht die Gefahr des Blockierens des Motors beim Anlauf, was zu Beschädigungen des Motors und zum Ausfall der Pumpe führen kann. Um derartige Wassereinlagerungen oder Festfrierungen zu lösen, können die Statorwicklungen 16 des Elektromotors 11 vor Anlauf des Motors als Heizelement genutzt werden, in dem über die Steuerschaltung 18 ein Heizmodus einschaltbar ist. Der Heizmodus ist derart ausgeführt, dass benachbarte Statorwicklungen 16 alternierend bestromt werden. In einem ersten Schritt wird also der Heizmodus eingeschaltet, wobei dies zu einer Aufheizung der Statorwicklungen 16 führt. Die an den Statorwicklungen 16 entstehende Wärme wird über die wärmeleitenden Isolierorgane 30 direkt an die Polschenkel 14 und an den daran anliegenden Spalttopf 32 weitergegeben. Durch die Erwärmung des Spalttopfes 32 und damit seines Innenraums wird der Rotor 20, die Rotorwelle 22 und die Kugellager 40 von möglichen Festfrierungen durch Auftauen des Eises gelöst. Da auch das Einlegeelement 28 aus einem wärmeleitfähigen Kunststoff gefertigt ist, wird auch in axialer Richtung des Stators 12 das Motorgehäuse 26 erwärmt, wodurch das Laufrad 24 und die Seitenkanäle 52, 54 leichter erwärmt werden. In einem zweiten Schritt wird der Heizmodus nach einer Zeit tw oder mit Erreichen einer Temperatur Tw der Heizmodus gestoppt. Hierdurch wird eine Überhitzung der Statorwicklungen 16 vermieden und ein Zeitpunkt, zu dem das Eis geschmolzen sein muss, festgelegt. Nach der Abschaltung des Heizmodus wird in einem dritten Schritt die Kommutierung des Elektromotors 11 in bekannter Weise gestartet. Since water deposits and freezing can occur when pumps are switched off and at outside temperatures below freezing, especially on the moving parts such as the
Selbstverständlich ist der Schutzumfang der Anmeldung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann die Steuerschaltung derart ausgeführt werden, dass zunächst ein Steckenbleiben detektiert wird, bevor der Heizmodus eingeschaltet wird. Auch sind konstruktive Änderungen an der Pumpe selbstverständlich durchführbar, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen.Of course, the scope of protection of the application is not limited to the exemplary embodiment described. The control circuit can thus be designed in such a way that a jamming is first detected before the heating mode is switched on. Of course, structural changes to the pump can also be carried out without departing from the scope of protection of the main claim.
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