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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors eines elektrischen Motors. Die Erfindung betrifft zusätzlich eine elektrische Reglereinheit zur Regelung eines elektrischen Motors.
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Um einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDCM) zu regeln, ist es notwendig die Position des Rotors zu kennen. Im Prinzip kann die Position des Rotors mit Hilfe von Sensoren gefunden werden. In gewissen Anwendungen ist dies aber nicht praktisch. Zum Beispiel ist in Verdichteranwendungen der Gebrauch von Sensoren auf Grund der sehr rauen Umgebung und auch auf Grund des Preises nicht möglich.
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Ein anderes Verfahren zur Bestimmung der Rotorposition ist der sogenannte sensorlose Zugang. In der Verdichterindustrie ist das am meisten verwendete fühlerlose Positionsbestimmungsverfahren das sogenannte „direkte gegenelektromagnetische Kraftverfahren” (abgekürzt direktes BEMF Verfahren), bei dem die Nullpunktkreuzungen der induzierten Maschinenspannungen durch Ablesung der elektrischen Motorrückführungssignale bestimmt werden.
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Im Prinzip kann ein solches bürstenlosen Gleichstrommotorregelungsverfahren (BLDCM Regelungsverfahren), das Nullpunktkreuzungen der BEMF verwendet, zur Gewinnung von Informationen zur besseren Regelung von Geschwindigkeit und Moment des elektrischen Motors verwendet werden. Die Verwendung der BEMF zur Regelung von Geschwindigkeit und Moment des elektrischen Motors auf diese Weise kann aber nicht dem Mikroprozessor mitteilen, wo sich das maximale Drehmoment einer externen, von dem elektrischen Motor angetriebenen Einrichtung befindet (in dem Fall, wo der elektrische Motor zum Antrieb eines Verdichters verwendet wird, kann der Mikroprozessor somit nicht mitteilen, wo sich das maximale Drehmoment des Verdichters befindet). Informationen darüber, wo sich das maximale Drehmoment der mechanischen Last (z. B. eines Kompressors) befindet, könnten zum Beispiel zur Minimierung von Vibrationen und zum Parken des Rotors nach dem Stopp des elektrischen Motors verwendet werden, um einen entsprechend sanfteren Start und Beschleunigung zu erzielen.
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Bei der Verwendung von elektrischen Motoren 1, 5, 7 mit mehr als zwei Polen (z. B. elektrischen Motoren 5, 7), kann sich der Rotor 2 im Verhältnis zum elektrischen/magnetischen Feld 3 in mehr als einer Position befinden, wenn der elektrische Motor 1, 5, 7 ohne Positionierungssensoren betrieben wird. Deshalb ist es nicht möglich, eine absolute Position des Rotors 2 unter Verwendung des elektrischen Feldes 3 zu bestimmen/zu schätzen (oder für die mit dem elektrischen Motor 1, 5, 7 verbundene, mechanische Last; in dem Fall, wo ein Verdichter von dem elektrischen Motor 1, 5, 7 angetrieben wird, der Verdichter).
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Wenn der elektrische Motor 1, 5, 7 mit einer mechanischen Last verbunden ist (z. B. einem Verdichter), kann die Position des Rotors 2 verwendet werden, um die Leistung der mechanischen Last (z. B. des Verdichters) zu verbessern.
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Die Position des elektrischen Feldes 3 ist immer bekannt, weil sie von einem Mikrocontroller geregelt wird. Für einen zweipoligen elektrischen Motor 1 (1), kann der Rotor 1 nur in einer Position sein, wenn er sich mit dem Feld 3 ausrichtet. Mit anderen Worten, wenn sich das Feld 3 um 360° elektrisch bewegt hat, hat sich auch der Rotor um 360° mechanisch bewegt. 1 zeigt den Rotor 2, angegeben in einer Position eines ersten Punktes 4.
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Für einen vierpoligen Motor 5, muss sich das Feld 3 jetzt zweimal um 360° elektrisch = 720° elektrisch bewegen, damit sich der Rotor 2 um 360° mechanisch bewegt. Es gibt jetzt zwei mögliche Positionen 4, 6 für den Rotor 2. 2 zeigt, dass der Rotor 2 für ein gegebenes elektrisches Feld 3 auch am zweiten Punkt 6 positioniert sein kann.
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Für einen sechspoligen Motor 7, muss sich das Feld 3 3·360° elektrisch = 1080° elektrisch bewegen, damit sich der Rotor 2 um 360° mechanisch bewegt. Es gibt jetzt drei mögliche Positionen 4, 6, 8 für den Rotor 2 für ein gegebenes elektrisches Feld 3. 3 zeigt, dass der Rotor 2 jetzt sowohl am ersten Punkt 4 als auch am zweiten Punkt 6 oder am dritten Punkt 8 positioniert sein kann.
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Auf Grund dieser Zweideutigkeit der Verbindung zwischen dem elektrischen Feld und der mechanischen Position des Rotors des elektrischen Motors, ist es oft nicht möglich eine ausreichende Regelung des elektrischen Motors zu erzielen, was im Zusammenhang mit Vibrationen und verschlechtertem Startverhalten besonders problematisch sein kann. Solche Probleme entstehen aber nicht nur auf Grund dieser Zweideutigkeit zwischen dem elektrischen Feld und der mechanischen Position, sondern auch, weil der Rotor „verlorengehen” kann, d. h. der Rotor kann (wird) gestoppt werden (z. B. auf Grund einer besonders hohen mechanischen externen Last), während das elektrische Feld weiterhin rotiert. Selbstverständlich ist ein solcher „Verlust” des Rotors auch nachteilig.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors eines elektrischen Motors vorzusehen, das im Verhältnis zu bekannten Verfahren verbessert ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Regeleinheit zur Regelung eines elektrischen Motors vorzusehen, die im Verhältnis zu bekannten elektrischen Regeleinheiten verbessert ist.
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Die Erfindung löst diese beiden Aufgaben.
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Es wird vorgeschlagen ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors eines elektrischen Motors durchzuführen, das die folgenden Schritte aufweist:
- – Messung einer Zeitspanne eines zyklisch auftretenden elektrischen Signals von mindestens einer Motorphase des betreffenden Motors, und
- – zueinander in Beziehung setzen des zyklisch auftretenden elektrischen Signals und einer dem Rotor des elektrischen Motors beeinflussenden mechanischen Last,
- – und dadurch Bestimmung der Position des Rotors im Verhältnis zur mechanischen Last des elektrischen Motors.
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Die grundlegende Idee verwendet den Umstand, dass der Rotor eines elektrischen Motors beim Drehen keiner gleichartigen mechanischen Last ausgesetzt wird. Dieser Effekt kann schon dann entstehen, wenn keine mechanische Last mit dem elektrischen Motor verbunden ist, weil kleine Schwankungen normalerweise während einer Umdrehung des Rotors im Stator des elektrischen Motors entstehen. Insbesondere, wenn eine externe Last mit dem Motor verbunden wird, ist es bemerkt worden, dass, zumindest in. einem großen Teil der technischen Anwendungen, die mechanische Kraft am Rotor eines elektrischen Motors nicht konstant ist. In einem recht großen Teil der technischen Anwendungen ist der elektrische Motor sogar mit einer sich zyklisch wiederholenden mechanischen Last verbunden. Beispiele hierfür sind Verdichter. In dem Fall eines Verdichters wird die mechanische Position des Rotors während einer Umdrehung von der Gegenkraft des Kolbens beeinflusst (wobei die Gegenkraft des Kolbens während einer solchen Umdrehung variiert, und somit eine unterschiedliche Last auf den Rotor des elektrischen Motors ausübt). Diese variierende Rückwärtskraft wird typischerweise vom Druck des Gases erheblich beeinflusst, das vom Verdichter gepumpt wird und in einem Pumpenhohlraum mit einem zyklisch veränderbaren Volumen angeordnet ist. Eine solche Konstruktion wird oft für Verdichter verwendet. Der Ausdruck „sich zyklisch wiederholende mechanische Kraft” bedeutet nicht unbedingt, dass zwei Zyklen einander sehr ähnlich sind. Im Gegenteil können Variationen über der Zeit auftreten, insbesondere während einer Startphase des elektrischen Motors. Beispiele hierfür sind ebenfalls Verdichter. Wenn hier der Verdichter zuerst gestartet wird, ist die Drucklage oft (und damit die Gegenkraftentwicklung) unterschiedlich bei der ersten und/oder den ersten Umdrehungen, verglichen mit späteren Umdrehungen. Die variierende mechanische Last am Rotor (unabhängig davon, woher sie tatsächlich kommt) wird jedoch normalerweise mehr oder weniger ausgeprägte Variationen des Drehverhaltens des Rotors bewirken, und damit auch in verschiedenen Zeitspannen von gewissen elektrischen Signalen des elektrischen Motors. Wenn deshalb (zumindest) eine Zeitspanne von (zumindest) einem gewissen Kennzeichen des zyklisch auftretenden elektrischen Signals von zumindest einer Motorphase des elektrischen Motors gemessen wird, kann eine Beziehung zu der am Rotor des elektrischen Motors wirkenden Kraft hergestellt werden, so dass die Position des Rotors im Verhältnis zur mechanischen Last des elektrischen Motors bestimmt werden kann. Das elektrische Signal kann aus einer großen Vielzahl von elektrischen Signalen stammen. Insbesondere können Spannungen, Ströme, gegenelektromotorische Kraftspannungen, Kreuzungen von gewissen Spannungspotentialen u. dgl. verwendet werden. Ein besonderer Vorteil des hier vorgeschlagenen Verfahrens ist, dass die Zweideutigkeit zwischen der Position des elektrischen Feldes und der mechanischen Position des Rotors überwunden werden kann. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn ein Motor mit mehr als zwei Polen (z. B. mit vier Polen, sechs Polen, acht Polen, zehn Polen usw.) verwendet wird.
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Eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens kann erzielt werden, wenn das genannte Verfahren den Schritt eines zueinander in Beziehung setzen der mechanischen Last und der Position des Rotors des elektrischen Motors umfasst. In diesem Fall ist es nicht nur möglich Rückschlüsse auf die Position des Rotors im Verhältnis zur mechanischen Last des elektrischen Motors zu ziehen, sondern auch auf die „absolute” Position des Rotors. Dies kann von Vorteil sein.
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Zusätzlich wird vorgeschlagen das Verfahren in einer solchen Weise auszuführen, dass das genannte, zumindest eine zyklisch auftretende elektrische Signal eine Spannung und/oder ein Strom ist. Erste Tests haben gezeigt, dass solche Signale verhältnismäßig einfach zu erhalten sind und eine Vielzahl von Informationen enthalten.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Zeitspanne des zyklisch auftretenden elektrischen Signals der zumindest einen Motorphase des elektrischen Motors die Entmagnetisierungszeit der zumindest einen Motorphase ist. Erste Tests haben gezeigt, dass die Entmagnetisierungszeit besonders wertvoll ist, wenn man Rückschlüsse über die Position des Rotors zieht, sowohl in Verbindung mit der mechanischen Last als auch der absoluten Position.
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Eine Modifikation kann erzielt werden, wenn die genannte Zeitspanne, insbesondere die genannte Entmagnetisierungszeit, mit dem durch mindestens eine Wicklung des Stators des elektrischen Motors fließende Strom in Beziehung gesetzt wird. In diesem Fall kann die Genauigkeit der Position normalerweise verbessert werden.
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Außerdem ist es möglich, dass die Zeitspanne des zyklisch auftretenden elektrischen Signals der mindestens einen Motorphase des elektrischen Motors die Zeit zwischen zwei auftretenden, auf einander folgenden Nullpunktkreuzungen ist. Wiederum haben erste Tests gezeigt, dass dieses Signal üblicherweise verhältnismäßig einfach zu erzielen ist und eine Vielzahl von Informationen enthält. Eine „Nullpunktkreuzung” bedeutet nicht nur die Kreuzung „des” Nullpotentials (Erdpotentials), sondern auch die Kreuzung eines bestimmten Potentials, insbesondere (aber nicht notwendigerweise) wenn der elektrische Motor nicht geerdet ist (galvanisch isoliert). Wenn z. B. ein elektrischer Motor von einer Gleichspannungsquelle betrieben wird, ist es möglich, dass das „Nullpotential” im Wesentlichen die Hälfte des Potentials zwischen den beiden Kontakten der Gleichspannungsquelle ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführung kann dann erzielt werden, wenn eine Beziehung zwischen der Zeitspanne und der am Rotor eines elektrischen Motors wirkenden Last hergestellt wird. Auch hier haben erste Tests gezeigt, dass in dieser Weise besonders genaue Messungen durchgeführt werden können. Deshalb kann das aus dieser Position gefolgerte Ergebnis entsprechend genau sein.
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Weiterhin wird bevorzugt, dass die mechanische Last am Rotor des elektrischen Motors eine externe mechanische Last und/oder eine zyklisch auftretende mechanische Last ist. In diesem Fall sind Variationen der mechanischen Last am Rotor typisch ziemlich stark, so dass eine bessere Positionsmessung erzielt werden kann. Ein Beispiel einer zyklisch auftretenden mechanischen Last ist ein Verdichter. Eine zyklisch auftretende mechanische Last bedeutet nicht unbedingt, dass zwei auf einander folgende Zyklen im Wesentlichen gleich sind. Insbesondere können über der Zeit einige Variationen entstehen. Insbesondere kann sich ein Zyklus während der Startphase des elektrischen Motors von einem Zyklus nach dem Ende der Startphase unterscheiden, und zwar erheblich, insbesondere im Hinblick auf Qualität und/oder Quantität.
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Es ist insbesondere möglich, dass das Verfahren zur Bestimmung der Position des Rotors und zum Parken des Rotors nach dem Stopp verwendet wird. In diesem Fall kann ein nachfolgender Start verbessert und/oder schneller durchgeführt werden. Beide Möglichkeiten können vorteilhaft sein.
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Insbesondere ist es möglich, dass das Verfahren zur Verbesserung des Startverhaltens des elektrischen Motors verwendet wird. In diesem Fall können Geräusche und/oder die erforderliche Zeitspanne für einen Start des elektrischen Motors reduziert werden.
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Es wird weiter bevorzugt, dass das Verfahren zur Reduzierung von Vibrationen verwendet wird. In diesem Fall können Geräusche, die für eine Person unangenehm sind und/oder die Lebensdauer des elektrischen Motors verkürzen können, reduziert werden.
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Zusätzlich ist es möglich, dass bei der Ausführung des Verfahrens eine Vielzahl von auftretenden elektrischen Signalen über der Zeit abgeglichen wird. Damit können kurzzeitige Schwankungen abgeglichen werden, wobei es möglich wird die Genauigkeit des Verfahrens zu verbessern.
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Weiterhin wird eine elektrische Regeleinheit zur Regelung eines elektrischen Motors vorgesehen, wobei die elektrische Regeleinheit derart konstruiert und angeordnet ist, dass sie ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt. In dieser Weise kann die elektrische Regeleinheit die gleichen Kennzeichen und Vorteile aufweisen wie oben beschrieben, zumindest analog. Zusätzlich ist es möglich die elektrische Regeleinheit wie oben zu modifizieren, zumindest analog.
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Insbesondere wird eine elektrische Motoranordnung vorgesehen, die zumindest eine elektrische Regeleinheit nach der obigen Beschreibung aufweist. Eine solche elektrische Motoranordnung kann die gleichen Kennzeichen und Vorteile wie die oben vorgeschlagene elektrische Regeleinheit und/oder das oben beschriebene Verfahren aufweisen, zumindest analog.
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Weiterhin ist es möglich, dass die elektrische Motoranordnung mindestens eine Fluidpumpeneinheit aufweist, insbesondere mindestens einen Verdichter. Eine solche Verwendung der elektrischen Motoranordnung (oder des darin verwendeten Motors) wird typischerweise besonders vorteilhafte Ergebnisse aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile werden klarer durch die folgende Beschreibung von möglichen Ausführungen der Erfindung, unter Hinweis auf die beigefügten Figuren. Die Figuren zeigen:
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1 das Drehverhalten einer Ausführung eines zweipoligen elektrischen Motors in einer schematischen Zeichnung;
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2 das Drehverhalten einer Ausführung eines vierpoligen elektrischen Motors in einer schematischen Zeichnung;
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3 das Drehverhalten einer Ausführung eines sechspoligen elektrischen Motors in einer schematischen Zeichnung;
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4 ein typisches Verhalten des Moments eines Verdichters über die Rotorposition eines Verdichters, der von einem elektrischen Motor angetrieben wird;
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5 ein Beispiel des zeitlichen Verhaltens von Phasenspannungen über der Zeit für drei verschiedene Phasen eines sechspoligen elektrischen Motors, der zum Antreiben eines Verdichters verwendet wird;
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6 Testergebnisse von ersten Tests, die die elektrischen Ströme über der Zeit für drei verschiedene Phasen eines sechspoligen elektrischen Motors, der zum Antreiben eines Verdichters verwendet wird, zeigen;
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7 erste Tests der Entmagnetisierungszeit über die mechanische Drehung des Rotors eines elektrischen Motors, der zum Antreiben eines Verdichters verwendet wird;
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8 erste Tests einer Kommutierungszeit über die mechanische Drehung des Rotors eines elektrischen Motors, der zum Antreiben eines Verdichters verwendet wird.
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Das hier vorgeschlagene Verfahren und/oder die hier vorgeschlagene elektrische Regelschaltung verwenden die Tatsache, dass ein Verdichter über eine ganze Umdrehung keine gleichförmige Last hat und damit den elektrischen Motor 1, 5, 7 unterschiedlich belastet als eine Funktion der mechanischen Position des Rotors 2 während Zyklen, die von dem Kolben ausgeführt werden.
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Durch Messen der Entmagnetisierungszeit (vgl. 7), die mit dem Strom in Beziehung steht, der wiederum mit der Last in Beziehung steht, ist es möglich die Position des Rotors 2 zu bestimmen.
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4 zeigt Ergebnisse eines Tests, die zeigen, dass die maximale Last 9 kurz vor dem TDC (dem oberen Totpunkt, der Kolben ist in seiner oberen Position) liegt und dass es möglich ist diese Position zu bestimmen. Der Graph 10 zeigt das Moment (entlang der Ordinate) über der Rotorposition (entlang der Abszisse).
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Weil es 18 Kommutierungen für eine Umdrehung gibt, wird die Entmagnetisierungszeit (vgl. 5) für die jeweiligen Entmagnetisierungsereignisse 11 immer dann gemessen werden, wenn eine Kommutierung endet und die Phase stromlos wird (Nullpunktkreuzungsereignis 13), um die gegenelektromagnetische Kraft (BEMF) zu messen. Wie aus 5 hervorgeht, unterscheiden sich die Entmagnetisierungszeiten der jeweiligen Entmagnetisierungsereignisse 11 für die jeweiligen Motorphasen und/oder mit der Zeit (d. h. für unterschiedliche Rotorpositionen). Für jede Phasenspannung gibt es eine maximale Entmagnetisierungszeit 12, die wiederholt auftritt.
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Die 6 und 7 zeigen auch Ergebnisse eines Tests, wobei die Ergebnisse das Moment vom Verdichter zeigen und wie es die Geschwindigkeit, den Strom, die Entmagnetisierungszeit und die Kommutierungszeit beeinflusst. Die in 6 gezeigte Kurve zeigt die elektrischen Ströme 14a, 14b, 14c für die drei verschiedenen Motorphasen eines sechspoligen elektrischen Motors 7. In den Kurven in 7 dagegen sind die Entmagnetisierungszeiten für eine der drei verschiedenen Motorphasen eines sechspoligen elektrischen Motors 7 gezeigt. Schließlich zeigt die Kurve in 8 die Kommutierungszeiten 16a, 16b, 16c für die drei verschiedenen Motorphasen eines sechspoligen elektrischen Motors 7. Für eine erhöhte Genauigkeit wird vorgeschlagen, dass die Entmagnetisierungszeit 15 für jede Kommutierung gespeichert und über eine Reihe von Umdrehungen ausgewertet wird. Diese „Durchschnittsermittlung über der Zeit” kann selbstverständlich auch für andere Signale verwendet werden.
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Wenn Konstantstromregler verwendet werden, ist die Entmagnetisierungszeit für alle Kommutierungen die gleiche, so dass es nicht möglich ist die verschiedenen Kommutierungen von einander zu unterscheiden. Stattdessen kann die maximale Last aus einer Analyse der Kommutierungszeit über eine mechanische Umdrehung gefunden werden, weil die Geschwindigkeit sinkt, wenn die Last ansteigt.
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Insbesondere kann die Erfindung wie folgt beschrieben werden:
Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors 2 eines elektrischen Motors 1, 5, 7, insbesondere eines elektrischen Motors 1, 5, 7 zum Antrieb eines Verdichters, wobei der Rotor 2 einen Kolben des Verdichters antreibt und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- – Messung der Entmagnetisierungszeit 15 des Rotors 2, wobei die Entmagnetisierungszeit 15 die Zeit ist, die vergeht, bis sich die Phasenspannung auf der Versorgungsschiene befindet, die der Versorgungsschiene der vorhergehenden Kommutierungsphase gegenüberliegt,
- – in Beziehung setzen der Entmagnetisierungszeit 15 mit dem durch Wicklungen des Stators des elektrischen Motors 1, 5, 7 fließenden Strom,
- – in Beziehung setzen des Stroms mit der auf den Rotor 2 und/oder insbesondere den Kolben des Verdichters während Zyklen des Kolbens wirkenden Last,
- – Messung der Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Nullpunktkreuzungen 13 und in Beziehung setzen der Zeit zwischen zwei Nullpunktkreuzungen 13 mit der auf den Rotor 2 und/oder den Kolben des Verdichters während Zyklen des Kolbens wirkenden Last,
und dadurch Bestimmung der Position des Rotors 2 im Verhältnis zu einer auf den Rotor 2 wirkenden Last, insbesondere kurz vor dem oberen Totpunkt (TDC) des Kolbens.
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Verfahren nach dem vorherigen Abschnitt, wobei das Verfahren den Schritt zur Bestimmung der Position eines Rotors 2 eines Verdichters umfasst, wobei der Rotor 2 mehr als zwei Pole hat.
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Verfahren nach einem der vorherigen zwei Abschnitte, wobei das Verfahren den Schritt zur Bestimmung der Position des Rotors 2 zwecks Reduzierung von Vibrationen des Verdichters aufweist.
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Verfahren nach einem der vorherigen drei Abschnitte, wobei das Verfahren den Schritt zur Bestimmung der Position des Rotors 2 zwecks Parken des Rotors 2 nach dem Stopp aufweist.
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Verfahren nach einem der vorherigen vier Abschnitte, wobei das Verfahren den Schritt zur Bestimmung der Position des Rotors 2 zwecks sanfterem Start und Beschleunigung aufweist.
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Verfahren nach einem der vorherigen fünf Abschnitte, wobei das Verfahren den Schritt zur Speicherung der Entmagnetisierungszeit 15 für jede Kommutierung und Bewertung der Entmagnetisierungszeit 15 über eine Reihe von Umdrehungen des Rotors 2 des Verdichters aufweist.
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Weitere Informationen können den Anmeldungen 10 2012 006 491.6 und 10 2012 006 495.0 entnommen werden, die am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurden. Die Offenbarung dieser Anmeldungen wird als Zitat in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. Insbesondere ist es möglich die Vorschläge aller drei Anmeldungen zu kombinieren.
