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Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich von Elektromotoren, insbesondere einen Elektromotor, einen Verdichter und ein Verfahren zum Steuern eines Elektromotors oder eines Verdichters.
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Im Stand der Technik werden oft Synchromotoren mit Dauermagneten aus seltenen Erden eingesetzt, deren Kosten stark von den Preisen der seltenen Erden abhängen, was hohe Kosten des jeweiligen Elektromotors und instabile Preise verursacht. So kann die Anwendung derartiger Elektromotoren bei Verdichtern, beispielsweise bei einem Umrichter-gesteuerten Verdichter, auch zu erhöhten Kosten und instabilem Preis des Verdichters führen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor und einen Verdichter mit einem derartigen Elektromotor bereitzustellen. Bei einem derartigen Elektromotor handelt es sich um einen Elektromotor mit Ferrit, beispielsweise ein Synchronmotor mit Ferrit-Dauermagnet, welcher die Kosten des Elektromotors weitgehend verringert. Ein Verdichter mit einem derartigen Elektromotor zeichnet sich durch ein Betriebsverhalten, welches vergleichbar mit vorhandenen Verdichtern bleibt, und Kosten, die niedriger als Verdichter mit Elektromotoren mit Dauermagneten aus seltenen Erden sind, aus.
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Der vorliegenden Erfindung liegt eine weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern des Elektromotors oder Verdichters zur Verfügung zu stellen. Beim Anlauf und Betrieb des Verdichters wird der Ferrit des Motorrotors durch ein Heizelement erhitzt, um eine unumkehrbare Entmagnetisierung des Ferrits zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch Bereitstellung eines Elektromotors, der einen Stator, eine an dem Stator vorgesehene einphasige oder mehrphasige Wicklung, und einen Rotor mit einem Dauermagneten umfasst, wobei mindestens ein Teil des Dauermagneten aus Ferrit besteht.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass der Elektromotor ein Heizelement umfasst, welches an der Oberfläche oder in der Nähe des Ferrits des Rotors vorgesehen ist, und zur Heizung des Ferrits dient.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Elektromotor um einen Elektromotor mit einem eingebauten Dauermagneten handelt.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass das Heizelement aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt ist.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Heizelement um mindestens ein Siliziumstahlblech, ein magnetisch leitendes Eisenblech und/oder einen magnetisch leitenden Eisenblock handelt.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass die Wicklung des Stators des Elektromotors zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes dient, mit dem das Heizelement Wärme erzeugen kann, welche zur Heizung des Ferrits dient.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass der Elektromotor in Verbindung mit einem Antrieb steht, wobei der Antrieb zum Anlegen eines Impulsstroms oder Sinusstroms auf die Wicklung des Stators dient, so dass der Stator des Elektromotors ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, womit in dem Heizelement Wirbelstrom und somit Wärme erzeugt werden können.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass der Elektromotor in Verbindung mit einem Antrieb steht, wobei der Antrieb vor dem Anlauf des Elektromotors zum Anlegen eines Impulsstroms auf die Wicklung des Stators dient, um ein pulsierendes Magnetfeld zu erzeugen, mit dem Wirbelstrom und somit Wärme in dem Heizelement erzeugt werden können, und/oder der Antrieb beim Anlauf oder Betrieb des Elektromotors eine Impulsstrom-Komponente oder Hochfrequenz-Sinusstromkomponente an die Wicklung des Stators anlegt (mit anderen Worten umfasst der an die Wicklung des Motorstators angelegte Strom eine Impulsstrom-Komponente oder Hochfrequenz-Sinusstromkomponente), um ein pulsierendes Magnetfeld oder ein drehendes Hochfrequenz-Magnetfeld zu erzeugen, mit dem Wirbelstrom und somit Wärme in dem Heizelement erzeugt werden können.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass der Impulsstrom oder die Impulsstrom-Komponente oder die Hochfrequenz-Sinusstromkomponente derart an die Wicklung des Stators angelegt wird, dass durch die Wicklung des Stators ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Polachse im Wesentlichen mit der Polachse des Rotors zusammenfällt.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass die durchschnittliche Dicke des Ferrits größer gleich 4 mm, und kleiner gleich 6 mm beträgt.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass der aus Rotorblechen des Rotors bestehende Rotorkern in axialer Richtung des Rotors eine Länge aufweist, die größer gleich der Länge des aus Statorblechen des Stators bestehenden Statorkerns ist.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass in axialer Richtung des Rotors der aus Rotorblechen des Rotors bestehende Rotorkern eine Länge aufweist, die um 6 mm bis 16 mm größer als die Länge des aus Statorblechen des Stators gebildeten Statorkerns ist.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass der Stator einen Statorkern, mehrere sich in radialer Richtung des Stators nach innen erstreckende Statorzähne, und zwischen den Statorzähnen verteilte Statornuten umfasst, wobei die Wicklung auf den Statorzähnen aufgewickelt ist, um ein drehendes Magnetfeld zu erzeugen, und der Rotor drehbar in dem Stator angeordnet und zu dem Stator beabstandet ist, wobei an dem Rotor ein Dauermagnet zur Bildung eines Rotorpols angeordnet ist, wobei mindestens ein Teil des Dauermagneten aus Ferrit besteht.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass durch Anlegen eines Heizstroms an die Wicklung des Stators des Elektromotors Wirbelstrom und somit Wärme in dem Heizelement erzeugt werden, um den Ferrit zu erhitzen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe noch weiter gelöst durch einen Verdichter, der ein Gehäuse, in dem eine Hochdruckkammer und eine Niederdruckkammer enthalten sind, und einen in der Niederdruckkammer vorgesehenen Elektromotor umfasst, wobei es sich bei dem Elektromotor um den oben beschriebenen Elektromotor handelt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe noch weiter gelöst durch ein Verfahren zum Steuern des oben genannten Elektromotors, welches Ermitteln der Temperatur des Elektromotors, Feststellen eines der Temperatur des Elektromotors zugeordneten maximal zulässigen Betriebsstroms des Elektromotors auf Grundlage einer den Zusammenhang zwischen maximal zulässigem Betriebsstrom und Temperatur des Elektromotors beschreibenden Zuordnungstabelle, und Steuern des Elektromotors in Abhängigkeit von dem maximal zulässigen Betriebsstrom des Elektromotors umfasst.
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Ferner ist vorgesehen, dass das Steuern des Elektromotors Aufrechterhalten des Elektromotors im Normalbetrieb, wenn der Betriebsstrom des Elektromotors unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, Auslösen eines Alarms unter Aufrechterhaltung des Elektromotors im Normalbetrieb, wenn der Betriebsstrom des Elektromotors den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, jedoch unter dem maximal zulässigen Betriebsstrom liegt, und Ausschalten des Elektromotors, wenn der Betriebsstrom des Elektromotors den maximal zulässigen Betriebsstrom überschreitet, umfasst.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass der vorgegebene Schwellenwert 90% des maximal zulässigen Betriebsstroms beträgt.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass die Temperatur des Elektromotors in Abhängigkeit von mindestens einer der Temperaturen der Wicklung, des Rotors, und der Umgebung, in der sich der Elektromotor befindet, festgestellt wird, wobei als Temperatur des Elektromotors beispielsweise mindestens eine der Temperaturen der Wicklung, des Rotors, und der Umgebung, in der sich der Elektromotor befindet, betrachtet wird; alternativ lässt sich die Temperatur des Elektromotors auf Grundlage der Umgebungstemperatur erfassen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe noch weiter gelöst durch ein Verfahren zum Steuern des oben genannten Verdichters, welches Erfassung der Temperatur des Elektromotors im Verdichter, und Feststellung des der jeweiligen Temperatur des Elektromotors zugeordneten maximal zulässigen Betriebsstroms des Elektromotors auf Grundlage einer den Zusammenhang zwischen maximal zulässigen Betriebsstrom und Temperatur des Elektromotors beschreibenden Zuordnungstabelle umfasst und Steuern des Verdichters in Abhängigkeit von dem maximal zulässigen Betriebsstrom des Elektromotors.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass das Steuern des Verdichters Aufrechthalten des Elektromotors und somit des Verdichters im Normalbetrieb, wenn der Betriebsstrom des Elektromotors unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, Auslösen eines Alarms unter Aufrechterhaltung des Elektromotors und somit des Verdichters im Normalbetrieb, wenn der Betriebsstrom des Elektromotors den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, jedoch unter dem maximal zulässigen Betriebsstrom liegt, und Ausschalten des Elektromotors zum Sicherstellen eines Normalbetriebs des Verdichters, wenn der Betriebsstrom des Elektromotors den maximal zulässigen Betriebsstrom überschreitet, umfasst.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass der vorgegebene Schwellenwert 90% des maximal zulässigen Betriebsstroms beträgt.
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Noch weiter kann vorgesehen sein, dass die Temperatur des Elektromotors in Abhängigkeit von mindestens einer der Temperaturen der Wicklung, des Rotors, und der Umgebung, in der sich der Elektromotor befindet, festgestellt wird.
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Gemäß der technischen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kommt in dem Elektromotor ein Ferrit zum Einsatz, wodurch sich die Kosten des Elektromotors verringern lassen. Darüber hinaus lassen sich die Kosten des Verdichters, beispielsweise eines Umrichter-gesteuerten Verdichters durch Einsatz eines Synchromotors mit einem Permanentmagnet aus Ferrit bei einem Umrichter-gesteuerten Verdichter beträchtlich verringern, während die Leistung grundsätzlich vergleichbar mit Synchromotoren mit Dauermagneten aus seltenen Erden bleibt. In einem Ausführungsbeispiel lässt sich der Ferrit des Motorrotors durch ein Heizelement erhitzen, um eine Entmagnetisierung des Ferrits zu vermeiden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel lässt sich durch Steuern des Eingangsstroms des Elektromotors oder des Verdichters eine unumkehrbare Entmagnetisierung des Ferrits im Elektromotor bei niedrigerer Temperatur ausschließen, um die Zuverlässigkeit des Verdichters zu erhöhen.
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Rotors des Elektromotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 eine schematische Darstellung eines Rotors des Elektromotors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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3 eine schematische Darstellung eines Elektromotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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4 eine schematische Darstellung eines Stators des Elektromotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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5 eine schematische Darstellung eines an die Wicklung des Stators eines Drehstrommotors angelegten Impulsstroms,
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6 eine axiale Schnittansicht eines Motors des Elektromotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
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7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Elektromotors des Verdichters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Wie es sich aus 1 bis 4 und 6 ergibt, umfasst der Verdichter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse, in dem eine Hochdruckkammer und eine Niederdruckkammer enthalten sind, und einen in der Niederdruckkammer angeordneten Elektromotor 10. Der Elektromotor 10 umfasst einen Rotor 12, einen Stator 11, und eine Drehwelle 13, wobei der Rotor 12 einen aus Rotorblechen bestehenden Rotorkern 123, eine in dem Rotorkern 123 ausgebildeten Dauermagnetnut 124, und einen in der Dauermagnetnut 124 vorgesehenen Dauermagneten 121 aufweist. Die Rotorbleche lassen sich mit Hilfe von durch Nietlöcher 127 geführte Nieten miteinander zusammenhalten. Mindestens ein Teil des Dauermagneten 121 ist aus Ferrit gebildet. Beispielsweise kann der Dauermagnet 121 vollständig aus Ferrit bestehen. Der Rotor 12 weist Polachsen 125 des Rotors auf. Der Stator 11 umfasst einen aus Statorblechen gebildeten Statorkern 112, in dem Statorkern 112 ausgebildete Statornuten 114, und in den Statornuten 114 angeordnete Wicklungen wie z. B. Wicklungen für Phase-A, -B und -C. Der Stator 11 umfasst ferner mehrere sich in radialer Richtung des Stators nach innen erstreckende Statorzähne, zwischen denen die Statornuten 114 verteilt sind. Die Wicklungen sind auf die Statorzähne aufgewickelt, um ein drehendes Magnetfeld zu erzeugen. Bei Drehstrom-Wicklungen sind die Wicklungen für drei Phasen jeweils um ein Winkel von 120 Grad zueinander versetzt. 4 und 6 zeigen die Wicklung für Phase-A 111 und deren Achse 113. Bei der Wicklung des Elektromotors kann es sich um eine einphasige oder andere mehrphasige Wicklung handeln. Beispielsweise kann es derart vorgesehen sein, dass der Rotor drehbar in dem Stator angeordnet und zu dem Stator beabstandet ist, wobei an dem Rotor ein Dauermagnet zur Bildung eines Rotorpols angeordnet ist, wobei mindestens ein Teil der Dauermagnete Ferrit-Magnete sind.
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Wie aus 1 zu entnehmen ist, kann der Ferrit im Wesentlichen blechförmig ausgebildet sein. Aufgrund größerer Tendenz zur Entmagnetisierung bei einem zu dünnen Ferrit kann die durchschnittliche Dicke Ft des Ferrits gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung größer gleich als 4 mm und kleiner gleich als 6 mm betragen. Beispielsweise liegt die durchschnittliche Dicke Ft zwischen 5 mm und 10 mm (wie z. B. 6 mm) zur Erhöhung der Entmagnetisierungs-Beständigkeit und des magnetischen Flusses.
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Wie es sich aus 6 ergibt, kann der aus Rotorblechen des Rotors eines Elektromotors, beispielsweise eines Synchromotors mit einem Ferrit-Dauermagneten bestehende Rotorkern 123 in axialer Richtung des Rotors 12 eine Länge aufweisen, die größer gleich der Länge des aus Statorblechen des Stators bestehenden Statorkerns 112 ist, wobei in axialer Richtung des Rotors 12 der aus Rotorblechen des Rotors bestehende Rotorkern 123 eine Länge aufweist, die beispielsweise 6 mm bis 16 mm größer als die Länge des aus Statorblechen des Stators bestehenden Statorkerns 112 ist.
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Bei dem Verdichter kann es sich um einen jeglichen geeigneten Verdichter, beispielsweise einen Umrichter-gesteuerten Verdichter, oder einen Umrichter-gesteuerten Scroll-Verdichter zum Einsatz bei einem Kühlsystem handeln. Bei dem Elektromotor kann es sich um einen jeglichen bei niedrigerer Temperatur zum Einsatz kommenden Elektromotor, beispielsweise einen Synchromotor mit einem Ferrit-Dauermagneten, einen Elektromotor mit einem internen Dauermagneten oder anderen geeigneten Verdichter zum Einsatz in einer Niederdruckkammer eines Verdichters handeln. Die Temperatur der Umgebung, in der sich der Elektromotor befindet, kann bis zu –40°C betragen. Bei den Statorwicklungen des Synchromotors mit Ferrit-Dauermagneten kann es sich um entweder konzentrierte Wicklungen oder verteilte Wicklungen handeln. Die Wicklungen können aus Kupfer oder anderen elektrisch leitenden Materialien wie Aluminium bestehen. Bei dem Rotor des Synchromotors mit Ferrit-Dauermagnet kann es sich um einen angebauten oder eingebauten Rotor handeln. Die eigentliche Koerzitivkraft des Ferrits (bei 20°C) kann größer gleich 300 kA/m betragen. Bei der Betriebsspannung des Umrichter-gesteuerten Verdichters kann es sich um eine Nieder- und Mittelspannung von kleiner als 640 V handeln.
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Bei Verwendung eines Elektromotors, beispielsweise eines Synchromotors mit einem Ferrit-Dauermagneten in der Niederdruckkammer eines Umrichter-gesteuerten Verdichters kann der Antrieb des Umrichter-gesteuerten Verdichters den maximal zulässigen Betriebsstrom des Verdichters bei niedrigerer Temperatur steuern, um eine unumkehrbare Entmagnetisierung des Ferrits im Elektromotor des Verdichters auszuschließen.
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In Abhängigkeit von der Temperatur des Rotors 12 des Elektromotors 10 gibt der Antrieb anhand einer den Zusammenhang zwischen maximal zulässige Betriebsstrom und Temperatur des Elektromotors beschreibenden Zuordnungstabelle den maximal zulässigen Betriebsstroms für den Elektromotor 10 vor, um eine unumkehrbare Entmagnetisierung des Ferrits zu vermeiden. In der Niederdruckkammer des Umrichter-gesteuerten Verdichters kann mindestens eine Temperaturmesseinheit vorgesehen sein, um die Temperatur der Niederdruckkammer des Verdichters, oder des Motorstators/-rotors in der Niederdruckkammer des Verdichters zu erfassen. Der Antrieb des Umrichter-gesteuerten Kompressors stellt den maximal zulässigen Arbeitsstrom (vergrößert oder verkleinert) auf der Grundlage der durch die Temperaturmesseinheit ermittelten Temperatur ein oder steuert oder gibt einen Warnhinweis, oder des Abschaltens des Verdichters aufgrund der Temperatur. Die Temperatur des Rotors 12 des Elektromotors 10 lässt sich durch einen Temperatursensor in der Niederdruckkammer, einen Temperatursensor am Elektromotor, oder einen Temperatursensor am Rotor ermitteln. Mit anderen Worten lässt sich die Temperatur in der Niederdruckkammer oder die Temperatur des Elektromotors als die Temperatur des Rotors verwenden.
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Eine den Zusammenhang zwischen maximal zulässigem Betriebsstrom und der Temperatur beschreibenden Zuordnungstabelle kann erzeugt werden und sich mittels eines Verfahrens zum magnetischen Kreis, oder aus einer Magnetfeldanalyse oder Finite-Elemente-Analyse ergeben. Bei dem Verfahren zum magnetischen Kreis lässt sich ein Modell entsprechend dem dem Verdichter zugeordneten Elektromotor über den magnetischen Kreis erstellen, anhand dessen sich die Beziehungen zwischen dem maximal zulässigen Betriebsstrom und dem Wendepunkt des Entmagnetisierungsverlaufs des Ferrits ableiten lassen, woraus sich eine Zuordnungstabelle für den maximal zulässigen Betriebsstrom und die Temperatur ergibt. Bei der Magnetfeldanalyse/Finite-Elemente-Analyse lässt sich mittels einer Software für Magnetfeldanalyse ein Modell des dem Verdichter zugeordneten Elektromotors erstellen, womit eine Analyse über (unumkehrbare) Entmagnetisierung an dem Ferrit im Elektromotor durch Änderung des Stroms der Motorwicklungen bei einer angenommenen Temperatur ermöglicht wird, um den maximal zulässigen Betriebsstrom bei der angenommenen Temperatur zu ermitteln. In ähnlicher Weise lässt sich eine Zuordnungstabelle für den maximal zulässigen Betriebsstrom und die Temperatur durch Änderung der angenommenen Temperatur erstellen.
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In Abhängigkeit von der Temperatur des Rotors stellt der Antrieb den Betrieb des Elektromotors bei einem den vorgegebenen Schwellwert (beispielsweise 80%, 85%, 90%, oder ein Wert zwischen 80% und 90% des maximal zulässigen Betriebsstroms) unterschreitenden Betriebsstrom des Elektromotors sicher (beispielsweise Anlaufen des Elektromotors und Gewährleisten ununterbrochenes Betriebs), löst einen Alarm unter Aufrechterhaltung des Elektromotors im Normalbetrieb aus, wenn der Betriebsstrom des Elektromotors den vorgegebenen Schwellwert überschreitet, jedoch unter dem maximal zulässigen Betriebsstrom liegt, (beispielsweise Anlaufen des Elektromotors und Gewährleisten ununterbrochenes Betriebs), und schaltet den Elektromotor beispielsweise durch Abschalten der Stromversorgung des Verdichters aus, wenn der Betriebsstrom des Elektromotors den maximal zulässigen Betriebsstrom überschreitet.
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Wie es sich aus 1 bis 3 ergibt, umfasst der Elektromotor 10 ein Heizelement 122, welches an der Oberfläche oder in der Nähe des Ferrits des Rotors 12 vorgesehen ist, und zur Heizung des Ferrit-Magneten dient. Konkret ist das Heizelement 122 in der Nähe eines aus Ferrit bestehenden Dauermagneten 121 des Rotors 12 (beispielsweise unterhalb, unterhalb des aus Ferrit gebildeten Dauermagneten 121 oder horizontal dazu benachbart), oder an der Oberfläche des aus Ferrit gebildeten Dauermagneten 121 vorgesehen. Wie aus 1 zu entnehmen ist, kann an einem Dauermagneten 121 ein Heizelement 122 vorgesehen sein, oder alternativ können an einem Dauermagneten 121, wie in 2 dargestellt, mehrere, beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr Heizelemente 122 vorgesehen sein. Bei dem Heizelement 122 kann es sich um ein plattenförmiges Element handeln. Zudem kann es sich bei dem Heizelement 122 um einen jeglichen geeigneten Heizkörper oder ein geeignetes Heizgerät, beispielsweise eine Widerstandsheizung, oder ein chemisch wärmeerzeugendes Heizgerät handeln.
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Gemäß manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Heizelement 122 aus einem elektrisch leitenden Material gebildet, insbesondere elektrisch und magnetisch leitfähigen Eisenblechen, oder einem Siliziumstahlblech bzw. mehreren Siliziumstahlblechen. Alternativ kann das Heizelement 122 auch aus einem Eisenblock oder mehreren Eisenblöcken bestehen. Beim Betrieb des Elektromotors bei niedrigerer Temperatur kann man auf Anlegen eines zur Heizung dienenden Heizstroms, beispielsweise eines Impulsstroms oder Sinusstroms verzichten, da aufgrund der Stromleitfähigkeit des Heizelements 122 beim Betrieb des Ferrit-Elektromotors 10 bei niedrigerer Temperatur durch das Heizelement 122 unter Einwirkung eines von Wicklungen des Stators 11 des Elektromotors erzeugten magnetischen Wechselfelds Wärme zum Erhitzen des Ferrits erzeugt werden kann. Im Vergleich zu Ferrit-Elektromotoren ohne Heizelemente unterliegt der Ferrit höherer Temperatur, und kann bei höherem Drehmoment eingesetzt werden.
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Durch Anlegen eines Heizstroms an die Wicklungen des Stators über den mit dem Elektromotor verbundenen Antrieb können Wirbelstrom und somit Wärme im Heizelement 122 erzeugt werden. Mit anderen Worten erzeugen Statorwicklungen ein magnetisches Feld, beispielsweise ein magnetisches Wechselfeld, mit dem das Heizelement Wirbelstrom und somit Wärme erzeugt. Bei dem Heizstrom kann es sich um einen Impulsstrom (oder eine Impulsspannung), einen Sinusstrom, oder einen Hochfrequenz-Impulsstrom (oder eine Hochfrequenz-Impulsspannung) handeln, wobei Wärme mittels des induktionsbedingten Wirbelstroms im Heizelement 122 erzeugt wird, um den Ferrit-Magneten zu erhitzen. Insbesondere ist vorgesehen, dass bei niedrigerer Temperatur (beispielsweise niedriger als oder gleich 20°C) der Umgebung, in der sich der Elektromotor mit Ferriten befindet, der Ferrit durch das Heizelement 122 in Abhängigkeit von der Arbeitsbedingung des Elektromotors erhitzt werden soll. Bei dem Heizstrom kann es sich um einen jeglichen Heizstrom handeln, solange somit Wirbelströme im Heizelement 122 erzeugt werden können.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Elektromotor in Verbindung mit einem Antrieb steht, wobei vor dem Anlauf des Elektromotors der Antrieb zum Anlegen eines Impulsstroms an die Wicklung des Stators dient, um ein pulsierendes Magnetfeld zu erzeugen, mit dem Wirbelstrom und somit Wärme in dem Heizelement erzeugt werden können, und/oder beim Anlauf oder Betrieb des Elektromotors der Antrieb eine Impulsstrom-Komponente oder Hochfrequenz-Sinusstromkomponente an die Wicklung des Stators anlegt (mit anderen Worten umfasst der an die Wicklung des Motorstators angelegte Strom eine Impulsstrom-Komponente oder Hochfrequenz-Sinusstromkomponente), um ein pulsierendes Magnetfeld oder ein drehendes Hochfrequenz-Magnetfeld zu erzeugen, mit dem Wirbelstrom und somit Wärme in dem Heizelement vorzugsweise dadurch erzeugt werden können, dass der Impulsstrom oder die Impulsstrom-Komponente oder die Hochfrequenz-Sinusstromkomponente derart an die Wicklung des Stators angelegt wird, dass durch die Wicklung des Stators ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Polachse im Wesentlichen mit der Polachse des Rotors zusammenfällt.
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Beispielsweise beim Anlauf des Elektromotors bei niedrigerer Temperatur befindet sich der Elektromotor mit Ferriten im ausgeschalteten Zustand in einer Niedrig-Temperatur-Umgebung, und zum Anlauf des Elektromotors wird somit höherer Anlaufstrom benötigt. Dabei muss der Ferrit-Magnet des Elektromotors vor dem Anlauf über das Heizelement 122 erhitzt werden, um die Temperatur des Ferrit-Magneten zu erhöhen, und ein Risiko der Entmagnetisierung beim Anlauf auszuschließen. Mittels des Antriebs oder eines Frequenzumrichters im Antrieb lässt sich ein wie in 5 dargestellter Impulsstrom erzeugen, um im Heizelement 122 Wirbelstrom und somit Wärme zu erzeugen, und den Ferrit-Magneten zu erhitzen, bis der Elektromotor eine bestimmte Temperatur erreicht, bei der der Heizvorgang beendet, und der Elektromotor oder Verdichter eingeschaltet werden kann. Insbesondere kann diese Temperatur durch eine im Elektromotor oder Verdichter vorgesehene Messeinrichtung dem Frequenzumrichter oder Antrieb zur Verfügung gestellt werden, welcher anhand einer den Zusammenhang zwischen maximal zulässigem Betriebsstrom und der Temperatur beschreibenden Zuordnungstabelle den der jeweiligen Temperatur zugeordneten maximal zulässigen Betriebsstrom berechnet, wobei der Frequenzumrichter oder Antrieb zu heizen aufhört, und der Elektromotor oder Verdichter eingeschaltet wird, wenn der errechnete Strom größer als der benötigte Anlaufstrom ist. Beim Anlauf des Elektromotors legt der Antrieb einen Impulsstrom an die Drehstromwicklungen des Stators an, um Wärme durch das Heizelement 122 zu erzeugen, wobei der Impulsstrom derart an die Drehstrom-Wicklung des Stators angelegt wird, dass durch die Wicklung des Stators ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Polachse im Wesentlichen mit der Polachse 125 des Rotors zusammenfällt, um eine leichte Schwingbewegung des Motorrotors während des Heizvorgangs zu vermeiden. In ähnlicher Weise fällt auch bei anderen Elektromotoren als Drehstrommotoren die Polachse des Magnetfelds, welches durch die Wicklung unter Einwirkung des in der Wicklung des Stators angelegten Impulsstroms erzeugt wird, im Wesentlichen mit der Polachse 125 des Rotors zusammen, um eine leichte Schwingbewegung des Motorrotors während des Heizvorgangs zu vermeiden.
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In bestimmten Fällen wird eine Schwingbewegung des Rotors aufgrund größeren Widerstands auf den Rotor verhindert, auch wenn sich die Polachsen des Magnetfelds, welches durch die Wicklung, beispielsweise eine Drehstrom-Wicklung unter Einwirkung des in der Wicklung, beispielsweise der Drehstrom-Wicklung des Stators angelegten Impulsstroms erzeugt wird, im Wesentlichen mit den Polachsen 125 des Rotors nicht zusammenfallen. Beispielsweise kann ein Impulsstrom an die Wicklung des Stators zum Drehen des Rotors derart angelegt werden, dass die Achse einer Wicklung der Drehstrom-Wicklungen im Wesentlichen mit der Polachse 125 des Rotors zusammenfallen, wonach ein Impulsstrom an die Drehstrom-Wicklungen des Stators angelegt wird, wobei die Stromstärke des an die eine Wicklung angelegten Impulsstroms das Doppelte der Stromstärke des an die übrigen zwei Wicklungen angelegten Impulsstroms beträgt, und die Phase des an die eine Wicklung angelegten Impulsstroms jeweils um 180 Grad zu der Phase des an die übrigen zwei Wicklungen angelegten Impulsstroms versetzt ist. Wie es sich aus 5 ergibt, beträgt die Stromstärke des Impulsstroms PA an der Wicklung der Phase-A das Doppelte der Stromstärke des Impulsstroms PB an Wicklungen der Phase-B und -C, und die Phase des Impulsstroms PA an Wicklung der Phase-A ist um 180 Grad zu der Phase des Impulsstroms PB an den Wicklungen der Phase-B und -C versetzt. Dem in 5 dargestellten Impulsstrom entsprechend ist der Rotor vorzugsweise so angeordnet, dass die Polachse 125 des Rotors mit der Achse 113 der Wicklung von Phase-A zusammenfallen. Die Stromstärke und Frequenz des Impulsstroms zum Heizen lassen sich in Abhängigkeit der tatsächlichen Temperatur des Elektromotors festlegen.
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Beim Betrieb des Ferrit-Elektromotors 10 mit hoher Belastung bei niedriger Temperatur lässt sich ein Impulsstrom, ein Sinusstrom, ein Hochfrequenz-Impulsstrom, oder ein Hochfrequenz-Sinusstrom zu dem Ausgangsstrom des Antriebs oder des Frequenzumrichters im Antrieb hinzufügen, um verstärkten Wirbelstrom am Heizelement 122 zu erzeugen und somit den Ferrit-Magneten zu erhitzen, so dass das vom Elektromotor ausgegebenen Drehmoment vergrößert, und eine Entmagnetisierung verhindert wird, wodurch die Betriebsfähigkeit des Elektromotors weiter erhöht wird. Der hinzugefügte Strom kann entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich angelegt werden. Aufgrund des hinzugefügten Impulsstroms oder Sinusstroms wird die Schwankungsbreite des Drehmoments vergrößert, wobei Maßnahmen zur Verringerung der Schwankungsbreite des Drehmoments, beispielsweise Ausbilden einer Nebennut oder eines ungleichmäßigen Luftspaltes bei der Ausführung des Elektromotors ergriffen werden können, wenn die vergrößerte Schwankungsbreite des Drehmoments die entsprechende Anforderung des Elektromotors überschreitet.
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7 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines elektrischen Motors eines Verdichters nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 7 das Verfahren zum Steuern des oben beschrieben Elektromotors oder Verdichters näher erläutert.
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Zunächst wird die Temperatur des Elektromotors erfasst, die in Abhängigkeit von mindestens einer der Temperaturen der Wicklung, des Rotors, und der Umgebung, in der sich der Elektromotor befindet, festgestellt wird, wozu beispielsweise die Temperatur der Niederdruckkammer des Verdichters oder des Elektromotors ermittelt und verwendet wird. Anhand der Zuordnungstabelle für den maximal zulässigen Betriebsstrom und die Temperatur des Elektromotors wird der der Temperatur des Elektromotors zugeordnete maximal zulässige Betriebsstrom festgestellt, in dessen Abhängigkeit der Elektromotor gesteuert wird.
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Anhand eines Vergleichs des Betriebsstroms des Elektromotors mit dem maximal zulässigen Betriebsstrom des Elektromotors wird festgestellt, ob der Betriebsstrom des Elektromotors größer als der maximal zulässige Betriebsstrom ist. Bei einem Betriebsstrom des Elektromotors, der den maximal zulässigen Betriebsstrom überschreitet, wird die Stromversorgung des Verdichters ausgeschaltet, und somit der Elektromotor angehalten. Bei einem Betriebsstrom des Elektromotors, der den maximal zulässigen Betriebsstrom nicht überschreitet, wird festgestellt, ob das Verhältnis des Betriebsstroms zu dem maximal zulässigen Betriebsstrom größer als der vorgegebene Wert (beispielsweise 80–90% oder 90%) ist. Bei einem Verhältnis des Betriebsstroms zu dem maximal zulässigen Betriebsstrom, welches größer als der vorgegebene Wert ist, wird ein Alarm ausgelöst, wobei jedoch der Normalbetrieb des Elektromotors ununterbrochen bleibt. Bei einem Verhältnis des Betriebsstroms zu dem maximal zulässigen Betriebsstrom, welches nicht höher als der vorgegebene Wert ist, bleibt der Normalbetrieb des Elektromotors ununterbrochen. Der vorgegebene Wert kann in Abhängigkeit von konkreten Fällen ausgewählt werden, ohne auf jeglichen konkreten Wert beschränkt zu sein.
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Mit anderen Worten umfasst das Steuern des Elektromotors Aufrechterhalten des Elektromotors im Normalbetrieb, wenn der Betriebsstrom des Elektromotors unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, Auslösen eines Alarms unter Aufrechterhaltung des Elektromotors im Normalbetrieb, wenn der Betriebsstrom des Elektromotors den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, jedoch unter dem maximal zulässigen Betriebsstrom liegt, und Ausschalten des Elektromotors, wenn der Betriebsstrom des Elektromotors den maximal zulässigen Betriebsstrom überschreitet, wobei die Temperatur des Elektromotors in Abhängigkeit von mindestens einer der Temperaturen der Wicklung, des Rotors, und der Umgebung, in der sich der Elektromotor befindet, festgestellt wird.
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Ein Verfahren zum Steuern eines Verdichters umfasst Erfassung der Temperatur des Elektromotors im Verdichter, Feststellung des der jeweiligen Temperatur des Elektromotors zugeordneten maximal zulässigen Betriebsstroms des Elektromotors auf Grundlage einer den Zusammenhang zwischen maximal zulässigem Betriebsstrom und Temperatur des Elektromotors beschreibenden Zuordnungstabelle, und Steuern des Verdichters in Abhängigkeit von dem maximal zulässigen Betriebsstrom des Elektromotors. Das Steuern des Verdichters kann Aufrechterhalten des Elektromotors und somit des Verdichters im Normalbetrieb, wenn der Betriebsstrom des Elektromotors unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, Auslösen eines Alarms unter Aufrechterhaltung es Elektromotors und somit des Verdichters im Normalbetrieb, wenn der Betriebsstrom des Elektromotors den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, und jedoch unter dem maximal zulässigen Betriebsstrom liegt, und Ausschalten des Elektromotors zum Sicherstellen eines Normalbetriebs des Verdichters, wenn der Betriebsstrom des Elektromotors den maximal zulässigen Betriebsstrom überschreitet, umfassen. Der vorgegebene Schwellenwert kann 90% des maximal zulässigen Betriebsstroms betragen. Die Temperatur des Elektromotors wird in Abhängigkeit von mindestens einer der Temperaturen der Wicklung, des Rotors, und der Umgebung, in der sich der Elektromotor befindet, festgestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner das Erhitzen des Ferrit-Magneten umfassen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jegliche geeignete Heizungsformen, beispielsweise Widerstandsheizung oder chemische Heizung eingesetzt werden.
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Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Heizstrom an die Wicklungen des Stators angelegt, um Wirbelstrom und somit Wärme im Heizelement zu erzeugen. Beispielsweise wird ein Impulsstrom oder Sinusstrom an die Wicklungen des Stators angelegt, um Wirbelstrom und somit Wärme im Heizelement zu erzeugen.
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Beispielsweise wird während des Betriebs ein magnetisches Wechselfeld durch die Statorwicklungen des Elektromotors erzeugt, um Wärme im Heizelement zu erzeugen und somit dieses zu erhitzen. Mit anderen Worten wird Wärme mittels eines während normalen Betriebs durch die Statorwicklungen des Elektromotors erzeugten magnetischen Wechselfelds im Heizelement erzeugt, um dieses zu erhitzen. Vor oder beim Anlauf oder während des Betriebs des Elektromotors wird ein Impulsstrom, eine Impulsstrom-Komponente oder Hochfrequenz-Sinusstromkomponente an die Wicklungen des Stators angelegt (mit anderen Worten umfasst der an die Wicklungen des Motorstators angelegte Strom eine Impulsstrom-Komponente oder Hochfrequenz-Sinusstromkomponente), um ein pulsierendes Magnetfeld oder ein rotierendes Hochfrequenz-Magnetfeld zu erzeugen, mit dem Wirbelstrom und somit Wärme in dem Heizelement erzeugt werden können. Vorzugsweise wird der Impulsstrom oder die Impulsstrom-Komponente oder die Hochfrequenz-Sinusstromkomponente derart an die Wicklung des Stators angelegt, dass durch die Wicklung des Stators ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Polachse im Wesentlichen mit der Polachse des Rotors zusammenfällt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich die Kosten des Umrichter-gesteuerten Verdichters beispielsweise durch den Einsatz eines Synchromotors mit Ferrit-Permanentmagnet bei einem Umrichter-gesteuerten Verdichter beträchtlich verringern, während das Betriebsverhalten grundsätzlich vergleichbar mit Synchromotoren mit Dauermagneten aus seltenen Erden bleibt. Darüber hinaus lässt sich durch Steuern des Eingangsstroms des Verdichters eine unumkehrbare Entmagnetisierung des FerritMagneten im Elektromotor bei niedrigerer Temperatur ausschließen, um die Zuverlässigkeit des Verdichters zu erhöhen.
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Daneben kommt die vorliegende Erfindung bei jeglichen Elektromotoren mit Dauermagneten aus Ferrit, und bei Verdichtern mit derartigen Elektromotoren zum Einsatz, wobei ein solcher Motor in einer Niederdruckkammer des Verdichters oder in jeglicher Umgebung mit niedriger Temperatur vorgesehen sein kann.
