DE102019133743A1 - Electric orbiter vacuum pump with optimized control - Google Patents

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Abstract

Es wird eine elektrische Orbiter-Vakuumpumpe mit optimierter Regelung zur Verbesserung der Effizienz und Akustik auf kostengünstige Weise vorgeschlagen. Die Orbiter-Vakuumpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungsvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, zur Kompensation von Winkelgeschwindigkeitsänderungen des Orbiter-Exzenterkolbens (3) ein Antriebsdrehmoment des Elektromotors (8) basierend auf einer aus einer rückwirkenden elektromotorischen Kraft ausgewerteten Winkelposition des Rotors zu regeln. Die rückwirkende elektromotorische Kraft wird durch die Steuerungsvorrichtung (10) erfasst, wodurch eine sensorlose Umsetzung der Verbesserung der Regelung realisiert wird.An electric orbiter vacuum pump with optimized control to improve efficiency and acoustics in a cost-effective manner is proposed. The orbiter vacuum pump is characterized in that the control device (10) is set up to compensate for changes in the angular velocity of the orbiter eccentric piston (3) with a drive torque of the electric motor (8) based on an angular position of the rotor that is evaluated from a retroactive electromotive force regulate. The retroactive electromotive force is detected by the control device (10), whereby a sensorless implementation of the improvement of the regulation is realized.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Vakuumpumpe für gasförmige Medien vom Typ einer Orbiterpumpe mit einer optimierten elektromotorischen Regelung.The invention relates to an electric vacuum pump for gaseous media of the orbiter pump type with an optimized electromotive control.

Elektrische Vakuumpumpen werden im Automotive-Bereich beispielsweise zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Vakuums in einem Bremskraftverstärker benötigt, oder zur pneumatischen Verstellung von Abgasrückführungsventilen, von Abgasklappen, von Leitschaufeln an Turboladern mit variabler Turbinengeometrie, und von einem Bypass zur Ladedruckregelung mit einem Wastegate sowie zur Betätigung einer Zentralverriegelung oder zum Öffnen und Schließen von Scheinwerferklappen. Im Anlagenbau können Vakuumpumpen im Allgemeinen zur Unterdruckversorgung von elektropneumatischen Ventilen oder pneumatischen Stellgliedern dienen.Electric vacuum pumps are required in the automotive sector, for example, to generate and maintain a vacuum in a brake booster, or for the pneumatic adjustment of exhaust gas recirculation valves, exhaust flaps, guide vanes on turbochargers with variable turbine geometry, and a bypass for boost pressure control with a wastegate and for actuating a Central locking or for opening and closing headlight flaps. In plant engineering, vacuum pumps can generally be used to supply negative pressure to electropneumatic valves or pneumatic actuators.

Weit verbreitet sind umlaufende Verdrängerpumpen, wie beispielsweise Flügelzellenpumpen bzw. Drehschieberpumpen, die eine Vielzahl von Arbeitskammern aufweisen. Umso höher die Anzahl der Arbeitskammern ist, auf die sich das während einer Umdrehung der Pumpenwelle verdrängte Volumen aufteilt, desto geringer ist eine Druckschwankung in dem Förderstrom des gasförmigen Mediums. Genauer genommen, weist eine Pulsation des Förderstroms zwar eine höhere Frequenz, jedoch eine geringere Intensität auf, was sich beispielsweise in einer sensiblen Ansteuerung von pneumatischen Stellgliedern, oder aber in der Akustik des Betriebsgeräusches positiv bemerkbar macht.Circulating displacement pumps, such as vane pumps or rotary vane pumps, which have a large number of working chambers, are widespread. The higher the number of working chambers on which the volume displaced during one revolution of the pump shaft is divided, the lower the pressure fluctuation in the delivery flow of the gaseous medium. More precisely, a pulsation of the delivery flow has a higher frequency, but a lower intensity, which is positively noticeable, for example, in the sensitive control of pneumatic actuators or in the acoustics of the operating noise.

Vakuumpumpen mit einer Vielzahl von Arbeitskammern weisen in der Regel einen vergleichsweise komplexen Aufbau bzw. eine entsprechend hohe Anzahl von beweglichen und abdichtenden Bauteilen, wie z.B. radial gleitend gelagerten Flügeln auf. Dies hat zur Folge, dass derartige Pumpentypen mit vergleichsweise höheren Herstellungskosten für die Bauteile und die Montage verbunden sind. Außerdem sind entsprechende Pumpenaufbauten mit filigranen, beweglichen Bauteilen vergleichsweise weniger robust und anfälliger für Verunreinigungen im gasförmigen Fördermedium.Vacuum pumps with a large number of working chambers usually have a comparatively complex structure or a correspondingly high number of moving and sealing components, such as blades with radial sliding bearings. As a result, pump types of this type are associated with comparatively higher manufacturing costs for the components and assembly. In addition, corresponding pump structures with filigree, moving components are comparatively less robust and more susceptible to contamination in the gaseous conveying medium.

Ferner sind verschiedene Typen von Drehkolbenpumpen bekannt, die sich durch einen einfachen und robusten Aufbau mit einem einteiligen Kolben auszeichnen, der eine exzentrische Umlaufbewegung in einer zylindrischen Pumpenkammer ausführt. Derartige Pumpentypen können wenige oder nur eine Arbeitskammer aufweisen.Furthermore, various types of rotary lobe pumps are known which are characterized by a simple and robust construction with a one-piece piston which executes an eccentric orbital movement in a cylindrical pump chamber. Such types of pumps can have few or only one working chamber.

Die DE 10 2015 010 846 A1 derselben Anmelderin beschreibt eine Orbiter-Vakuumpumpe, deren Aufbau der Pumpenbaugruppe dem Aufbau der Pumpenbaugruppe der vorliegenden Erfindung ähnlich ist.The DE 10 2015 010 846 A1 commonly owned by the same applicant describes an orbiter vacuum pump whose construction of the pump assembly is similar to the construction of the pump assembly of the present invention.

Im Falle einer einzigen Arbeitskammer tritt während einer Umdrehung der Pumpenwelle lediglich eine einzige Volumenverdrängung auf. Die Pulsation des Förderstroms weist eine niedrige Frequenz und eine hohe Intensität auf, was sich auf eine elektromotorische Antriebscharakteristik negativ auswirkt. Genau genommen, erhöht sich durch das vergleichsweise größere angestaute Volumen der einzigen Arbeitskammer eine Schwankung des erforderlichen Antriebsdrehmoments an der Pumpenwelle. Bei einem konstant anliegenden Antriebsdrehmoment erfolgen dadurch zyklisch eine negative und eine positive Beschleunigung des Kolbens während einer Umdrehung der Pumpenwelle, wodurch sich eine Effizienz der elektrischen Antriebsleistung und die resultierende Akustik des Betriebsgeräusches verschlechtern.In the case of a single working chamber, only a single volume displacement occurs during one revolution of the pump shaft. The pulsation of the delivery flow has a low frequency and a high intensity, which has a negative effect on an electromotive drive characteristic. Strictly speaking, the comparatively larger accumulated volume of the single working chamber increases a fluctuation in the required drive torque on the pump shaft. With a constantly applied drive torque, a negative and a positive acceleration of the piston occur cyclically during one revolution of the pump shaft, as a result of which the efficiency of the electrical drive power and the resulting acoustics of the operating noise deteriorate.

Die EP 1 519 046 B1 offenbart eine Drehkolbenpumpe mit einer Arbeitskammer. Die Pumpe umfasst eine Vorrichtung zur Kompensation einer Geschwindigkeitsabweichung eines Motors, genauer genommen zur Verringerung einer Geschwindigkeitswelligkeit aufgrund einer Belastungscharakteristik, wodurch auch Vibrationen und Geräusche verringert werden können. Eine Umdrehung eines Rotors des Motors wird in Rotationsabschnitte unterteilt, in denen eine Geschwindigkeitsabweichung berechnet wird. Basierend auf dem Vergleich gibt ein Regler einen Strom zur Kompensation der Geschwindigkeitsabweichung aus. Zur technischen Umsetzung ist ein Positionssensor erforderlich, der die Position des Rotors erfasst. Es besteht Bedarf an einer ähnlichen Verbesserung an der zuvor genannten Orbiter-Vakuumpumpe.The EP 1 519 046 B1 discloses a rotary lobe pump with a working chamber. The pump comprises a device for compensating for a speed deviation of a motor, more precisely for reducing a speed ripple due to a load characteristic, whereby vibrations and noise can also be reduced. One revolution of a rotor of the motor is divided into rotation sections in which a speed deviation is calculated. Based on the comparison, a controller outputs a current to compensate for the speed deviation. A position sensor that records the position of the rotor is required for the technical implementation. There is a need for a similar improvement to the aforementioned orbiter vacuum pump.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektrische Orbiter-Vakuumpumpe dahingehend fortzubilden, dass eine elektromotorische Effizienz und eine Akustik auf kostengünstige Weise verbessert werden.The object of the invention is to develop an electric orbiter vacuum pump in such a way that electromotive efficiency and acoustics are improved in a cost-effective manner.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Orbiter-Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Hauptanspruchs zu der vorliegenden Erfindung gelöst. Die elektrische Orbiter-Vakuumpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine Steuerungsvorrichtung der Orbiter-Vakuumpumpe dazu eingerichtet ist, zur Kompensation von Winkelgeschwindigkeitsänderungen des Orbiter-Exzenterkolbens ein Antriebsdrehmoment des Elektromotors basierend auf einer aus einer rückwirkenden elektromotorischen Kraft ausgewerteten Winkelposition des Rotors zu regeln.This object is achieved by an electric orbiter vacuum pump with the features of the main claim of the present invention. The electric orbiter vacuum pump is characterized in particular in that a control device of the orbiter vacuum pump is set up to compensate for changes in the angular velocity of the orbiter eccentric piston to regulate a drive torque of the electric motor based on an angular position of the rotor that is evaluated from a retroactive electromotive force.

Die Erfindung sieht somit erstmals eine elektrische Orbiter-Vakuumpumpe vor, die eine sensorlose Drehmomentregelung in Bezug auf den umlaufenden Verdrängungsvorgang ermöglicht.The invention thus provides for the first time an electric orbiter vacuum pump which enables sensorless torque control with regard to the rotating displacement process.

Erfindungswesentlich ist, dass die entgegengesetzte elektromotorische Kraft bzw. „Gegen-EMK“ erfasst, ausgewertet und als Eingangsparameter einer Drehmomentregelung in Bezug auf die Orbiter-Vakuumpumpe verwendet wird. Dadurch wird es möglich eine antriebsseitige, elektromotorische Regelung in Reaktion auf das erforderliche dynamische Drehmoment des pumpenseitigen Verdrängungsvorgangs zu realisieren. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Orbiter-Exzenterkolben trotz einer Schwankung eines für den Verdrängungsvorgang erforderlichen Drehmoments eine konstante Winkelgeschwindigkeit über eine Umdrehung der Welle beibehält.It is essential to the invention that the opposite electromotive force or "back EMF" is recorded, evaluated and used as an input parameter of a torque control with regard to the orbiter vacuum pump. This makes it possible to implement an electromotive control on the drive side in response to the required dynamic torque of the displacement process on the pump side. It is provided according to the invention that the orbiter eccentric piston maintains a constant angular velocity over one revolution of the shaft despite a fluctuation in a torque required for the displacement process.

Erfindungsgemäß führt die Steuerungsvorrichtung in Abhängigkeit der erfassten rückwirkenden elektromotorischen Kraft bzw. Gegen-EMK und einer daraus ausgewerteten momentanen Winkelposition des Rotors, eine Ansteuerung des Statorstroms durch, der das Antriebsdrehmoment in Bezug auf eine Winkelposition des Rotors beeinflusst. Eine konstante Winkelgeschwindigkeit des Orbiter-Exzenterkolbens wird demzufolge basierend auf einer sensorlosen Erfassung geregelt.According to the invention, the control device controls the stator current, which influences the drive torque in relation to an angular position of the rotor, as a function of the detected retroactive electromotive force or counter-EMF and an instantaneous angular position of the rotor evaluated therefrom. A constant angular speed of the orbiter eccentric piston is therefore regulated based on sensorless detection.

Dadurch werden eine Verzögerung und eine Beschleunigung des Orbiter-Exzenterkolbens vor und nach einem Widerstand der Gasverdrängung unterbunden. Demzufolge werden Vibrationen im elektrischen Antrieb verringert, wodurch eine Effizienz des elektrischen Antriebs verbessert wird. Ferner werden Schallwellen in dem gasförmigen Förderstrom verringert, wodurch eine Akustik des Betriebsgeräusches verbessert wird.This prevents a deceleration and an acceleration of the orbiter eccentric piston before and after a resistance to the gas displacement. As a result, vibrations in the electric drive are reduced, whereby an efficiency of the electric drive is improved. Furthermore, sound waves in the gaseous delivery flow are reduced, as a result of which the acoustics of the operating noise are improved.

Diese Vorteile werden erfindungsgemäß ohne Bedarf eines Lagegebers, d.h. einer sensorgestützten Lageerfassung des Motorrotors oder des Pumpenkolbens erreicht. Es können Kosten für einen Sensor und dessen Orientierungsmerkmal sowie ein Montageaufwand, ein Bauraum und eine Verdrahtung des Sensors eingespart werden. Ferner wird eine Störungsanfälligkeit bzw. eine Ausfallsicherheit des Systems durch eine Minimierung der Hardwarekomponenten, insbesondere den Wegfall von Kabeln, Steckern und empfindlichen elektronischen Messschaltkreisen verbessert.According to the invention, these advantages are achieved without the need for a position encoder, i.e. sensor-based position detection of the motor rotor or the pump piston. Costs for a sensor and its orientation feature as well as installation effort, installation space and wiring of the sensor can be saved. Furthermore, the susceptibility to failure or failure safety of the system is improved by minimizing the hardware components, in particular the elimination of cables, plugs and sensitive electronic measuring circuits.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Advantageous further developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Steuerungsvorrichtung dazu eingerichtet sein, das Antriebsdrehmoment des Elektromotors durch eine feldorientierte Regelung basierend auf der aus der rückwirkenden elektromotorischen Kraft ausgewerteten Winkelposition des Rotors zu regeln.According to one aspect of the invention, the control device can be set up to regulate the drive torque of the electric motor by a field-oriented regulation based on the angular position of the rotor evaluated from the retroactive electromotive force.

Durch das Prinzip einer feldorientierten Regelung (FOR) bzw. einer field oriented control (FOC) werden ein Stator- und Rotorfeld immer im rechten Winkel zueinander gehalten. Hierzu werden die Statorströme gemessen und so eingestellt, dass der Winkel zwischen Rotor- und Statorfluss stets 90° beträgt und somit ein maximales Drehmoment und ein optimaler Wirkungsgrad entstehen. Ferner lassen sich mit der feldorientierten Regelung das Drehmoment und der Fluss unabhängig regeln, wodurch ein schnelles, dynamisches Ansprechverhalten auf Lastschwankungen ermöglicht wird.Due to the principle of field-oriented control (FOR) or field-oriented control (FOC), a stator and rotor field are always kept at right angles to one another. For this purpose, the stator currents are measured and adjusted in such a way that the angle between the rotor and stator flux is always 90 °, resulting in maximum torque and optimum efficiency. Furthermore, with the field-oriented control, the torque and the flux can be regulated independently, which enables a fast, dynamic response to load fluctuations.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Steuerungsvorrichtung einen Temperatursensor aufweisen, der eine Temperatur in Bezug auf die Steuerungsvorrichtung erfasst; und die Steuerungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, bei konstanter Drehzahl das Antriebsdrehmoment des Elektromotors in Abhängigkeit eines Verlaufs der durch den Temperatursensor erfassten Temperatur zu regeln.According to one aspect of the invention, the control device can have a temperature sensor that detects a temperature with respect to the control device; and the control device can be set up to regulate the drive torque of the electric motor at a constant speed as a function of a profile of the temperature detected by the temperature sensor.

Bei konstanten Betriebsparametern des elektrischen Antriebs, lassen sich eine effizientere Regelung und eine ineffizientere Regelung eines dynamischen Antriebsdrehmoments in Bezug auf das Drehmomentmaximum innerhalb einer Umdrehung der Welle dadurch vergleichen und qualitativ unterscheiden, dass aus der effizienteren Regelung eine geringere Abwärme aus elektrischer Verlustleistung resultiert und aus der ineffizienteren Regelung eine größere Abwärme. Aus dieser Erkenntnis ergibt sich eine weitere Methodik zur Optimierung einer effizienten Regelung, deren Umsetzung auf einer physikalischen, direkt messbaren Größe basiert. Zur Vermeidung von thermischen Schäden im Falle einer Überhitzung, ist in Standartausführungen von Steuerungsvorrichtungen mit dem genannten Anwendungsbezug in der Regel bereits ein Temperatursensor für die Funktion einer Notabschaltung vorhanden. Ausgehend von derartigen Standartausführungen, kann die bereits vorhandene Hardware für die genannte Methodik zur Optimierung der Effizienz der Regelung mitgenutzt werden, sodass keine zusätzlichen Komponenten wie ein Sensor oder eine Verdrahtung eines Messschaltkreises erforderlich sind.With constant operating parameters of the electric drive, a more efficient control and a more inefficient control of a dynamic drive torque in relation to the maximum torque within one revolution of the shaft can be compared and qualitatively differentiated by the fact that the more efficient control results in less waste heat from electrical power loss and from the more inefficient regulation generates greater waste heat. This knowledge results in a further methodology for optimizing an efficient control, the implementation of which is based on a physical, directly measurable variable. To avoid thermal damage in the event of overheating, a temperature sensor for the function of an emergency shutdown is usually already available in standard versions of control devices with the mentioned application reference. Based on such standard designs, the existing hardware can also be used for the mentioned methodology to optimize the efficiency of the regulation, so that no additional components such as a sensor or wiring of a measuring circuit are required.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform einer Orbiter-Vakuumpumpe mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

  • 1 einen Querschnitt durch die Pumpenkammer einer Orbiter-Vakuumpumpe, in der die erfindungsgemäße Regelung umgesetzt wird;
  • 2 einen axialen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Orbiter-Vakuumpumpe durch die Schnittlinie B-B in 1.
The invention is described below using an embodiment of an orbiter vacuum pump with reference to the accompanying drawing. In the drawing show:
  • 1 a cross section through the pump chamber of an orbiter vacuum pump, in which the control according to the invention is implemented;
  • 2 an axial cross section through the orbiter vacuum pump according to the invention through the section line BB in 1 .

Wie in den 1 und 2 dargestellt ist, wird die elektromotorisch angetriebene Orbiter-Vakuumpumpe aus einem Pumpengehäuse 1 gebildet, die eine im Pumpengehäuse 1 angeordnete, und von einem Pumpendeckel abgeschlossene Pumpenkammer 2 mit einer zylindrischen Kammerwand umfasst. In dem Pumpengehäuse 1 ist eine Welle 9 mittels eines Wellenlagers 11 drehbar gelagert angeordnet. Auf der Welle 9 ist eine Exzenterscheibe 12 mit einem exzentrisch angeordneten Kurbelzapfen fixiert. Die Exzenterscheibe 12 greift mit dem Kurbelzapfen in den Mittelpunkt eines als Kolbentrommel ausgebildeten zylindrischen Orbiter-Exzenterkolbens 3 ein.As in the 1 and 2 is shown, the orbiter vacuum pump, which is driven by an electric motor, consists of a pump housing 1 formed, the one in the pump housing 1 arranged, and closed by a pump cover pump chamber 2 with a cylindrical chamber wall. In the pump housing 1 is a wave 9 by means of a shaft bearing 11 arranged rotatably. On the wave 9 is an eccentric disc 12th fixed with an eccentrically arranged crank pin. The eccentric disc 12th engages with the crank pin in the center of a cylindrical orbiter eccentric piston designed as a piston drum 3rd a.

Die Exzenterscheibe 12 führt eine Umlaufbewegung des Orbiter-Exzenterkolben 3 durch die Pumpenkammer 2 aus, wobei ein umlaufender Gleitkontakt des Orbiter-Exzenterkolbens 3 zu der zylindrischen Kammerwand aufrechterhalten wird. In dem Orbiter-Exzenterkolben 3 ist ein Führungsschlitz 4 angeordnet, der einen Sperrschieber 5 gleitfähig aufnimmt. Der Sperrschieber 5 ist an einem freien Ende in der Kammerwand schwenkbar gelagert und erstreckt sich durch die Pumpenkammer 2 zu dem Orbiter-Exzenterkolben 3. Hierzu ist ein Schwenklager 15 zwischen einer Einlassöffnung 6 und einer Auslassöffnung 7 in der Kammerwand angeordnet. In Abhängigkeit einer Lage des Orbiter-Exzenterkolbens 3 auf der Umlaufbewegung in der Pumpenkammer 2, gleitet ein Abschnitt des Sperrschiebers 5, der dem schwenkbar gelagerten Ende gegenüberliegt, in den Führungsschlitz 4 ein und aus. Dabei wird die Pumpenkammer 2 beiderseits des Sperrschiebers 5 in zwei Volumina aufgeteilt, von denen eines mit der Einlassöffnung 6 und eines mit der Auslassöffnung 7 kommuniziert.The eccentric disc 12th performs an orbital movement of the orbiter eccentric piston 3rd through the pump chamber 2 off, with a circumferential sliding contact of the orbiter eccentric piston 3rd to the cylindrical chamber wall is maintained. In the orbiter eccentric piston 3rd is a guide slot 4th arranged, the one locking slide 5 slidably absorbs. The gate valve 5 is pivotably mounted at a free end in the chamber wall and extends through the pump chamber 2 to the orbiter eccentric piston 3rd . A swivel bearing is required for this 15th between an inlet port 6th and an outlet port 7th arranged in the chamber wall. Depending on the position of the orbiter eccentric piston 3rd on the orbital movement in the pump chamber 2 , a section of the locking slide slides 5 , which is opposite the pivotably mounted end, into the guide slot 4th in and out. This is the pump chamber 2 on both sides of the locking slide 5 divided into two volumes, one of which with the inlet port 6th and one with the outlet port 7th communicates.

Die Volumina beiderseits des Sperrschiebers 5 verändern sich mit dem umlaufenden Gleitkontakt zwischen dem Orbiter-Exzenterkolben 3 und der zylindrischen Kammerwand in gleichen Anteilen gegensätzlich zueinander, sodass ein zyklischer Verdrängungsvorgang innerhalb einer Umdrehung der Welle 9 bzw. einer Umlaufbewegung des Orbiter-Exzenterkolbens 3 vollzogen wird. Dabei steigt ein für den Verdrängungsvorgang erforderliches Drehmoment während der Umlaufbewegung des Orbiter-Exzenterkolbens 3 während der Zunahme des mit dem Einlass 6 kommunizierenden Volumens an und fällt bei Erreichen eines maximalen Volumens abrupt ab. Die Darstellung in 1 zeigt eine Lage des Orbiter-Exzenterkolbens 3 kurz vor einem oberen Totpunkt, in dem das mit dem Einlass 6 kommunizierende Volumen der Pumpenkammer 2 ein nahezu maximales Volumen erreicht hat und danach aus dem Auslass 7 ausgeschoben wird.The volumes on both sides of the locking slide 5 change with the circumferential sliding contact between the orbiter eccentric piston 3rd and the cylindrical chamber wall in equal proportions opposite to each other, so that a cyclical displacement process within one revolution of the shaft 9 or an orbital movement of the orbiter eccentric piston 3rd is carried out. A torque required for the displacement process increases during the orbital movement of the orbiter eccentric piston 3rd during the increase in with the inlet 6th communicating volume and drops abruptly when a maximum volume is reached. The representation in 1 shows one position of the orbiter eccentric piston 3rd shortly before a top dead center, in which that with the inlet 6th communicating volume of the pump chamber 2 has reached an almost maximum volume and then out of the outlet 7th is pushed out.

Die Welle 9 wird durch einen Elektromotor 8 vom Typ eines bürstenlosen Gleichstrommotors bzw. eines BLDC-Motors angetrieben. Der Rotor 14 des Elektromotors 8 ist mit Permanentmagneten bestückt. Der Stator 13 umfasst Statorspulen zur Erzeugung von umlaufend rotierenden elektrischen Feldern, zu denen der Rotor 14 synchron rotiert. Hierzu werden die Statorspulen von einer Steuerungsvorrichtung 10 angesteuert, die mit einer elektrischen Leistungszufuhr sowie drei Phasen des Stators 13 verbunden ist.The wave 9 is by an electric motor 8th driven by the type of a brushless DC motor or a BLDC motor. The rotor 14th of the electric motor 8th is equipped with permanent magnets. The stator 13th includes stator coils for generating rotating electrical fields, to which the rotor 14th rotates synchronously. For this purpose, the stator coils are controlled by a control device 10 controlled with an electrical power supply and three phases of the stator 13th connected is.

Nachfolgend wird die Steuerungsvorrichtung 10 der Orbiter-Vakuumpumpe näher beschrieben.The following is the control device 10 the orbiter vacuum pump.

Um den bürstenlosen Elektromotor 8 anzutreiben, muss die Steuerungsvorrichtung 10 eine Kommutierung der Leistungszufuhr an den Statorspulen durchführen. Die elektronische Kommutierung erregt nacheinander die Statorspulen, die ein rotierendes elektrisches Feld erzeugen, dem der Rotor 14 mit dessen Permanentmagneten folgt. Ein effizienter Betrieb hängt von einem korrekten Timing ab, zu dem die Statorspulen mit Energie versorgt werden. Dazu benötigt die Steuerungsvorrichtung 10 jedoch eine Information über die aktuelle Lage des Rotors 14, die vorliegend unter Verzicht auf eine Sensorunterstützung, wie einem Hallsensor als Lagegeber, erlangt wird. Dazu bestimmt ein Ansteuerungsverfahren der Steuerungsvorrichtung 10 die Rotorlage direkt anhand erfasster Strom- und Spannungsinformationen aus dem Elektromotor 8.About the brushless electric motor 8th to drive, the control device must 10 perform a commutation of the power supply to the stator coils. The electronic commutation energizes the stator coils one after the other, which generate a rotating electric field, which is called the rotor 14th with its permanent magnet follows. Efficient operation depends on correct timing at which the stator coils are energized. This requires the control device 10 however, information about the current position of the rotor 14th , which in the present case is obtained without sensor support, such as a Hall sensor as a position encoder. For this purpose, a control method of the control device is determined 10 the rotor position directly based on current and voltage information from the electric motor 8th .

Wenn Magnetfeldlinien der Permanentmagnete am Rotor 14 die Statorspulen schneiden, wird nach dem Generatorprinzip in den Statorspulen auch im Betrieb eine Spannung induziert. Diese induzierte Spannung ist gleich gepolt zu der angelegten Betriebsspannung und wirkt einem induzierten Strom des Rotors 14 entgegen. Sie ist als auftretende Gegenspannung in Stromwerten an den Statorspulen messbar und wird als rückwirkende elekromotorische Kraft oder Gegen-EMK bezeichnet. Die als Gegenspannung in Volt gemessene elektromotorische Kraft erzeugt gemäß dem Lenz'sehen Gesetz ein Magnetfeld, das der ursprünglichen Änderung des magnetischen Flusses, die eine Drehung des Rotors 14 bewirkt, entgegengesetzt ist. Mit anderen Worten widersetzt sich die elektromotorische Kraft der Drehung des Rotors 14 und wird folglich als rückwirkende elektromotorische Kraft bzw. Gegen-EMK bezeichnet.When the magnetic field lines of the permanent magnets on the rotor 14th cut the stator coils, a voltage is also induced in the stator coils during operation according to the generator principle. This induced voltage has the same polarity as the applied operating voltage and acts on an induced current of the rotor 14th opposite. It can be measured as the counter voltage occurring in current values at the stator coils and is referred to as the retroactive electromotive force or back EMF. The electromotive force, measured as the counter voltage in volts, generates a magnetic field according to Lenz's law, which is the original change in the magnetic flux that causes a rotation of the rotor 14th causes is opposite. In other words, the electromotive force opposes the rotation of the rotor 14th and is consequently referred to as the retroactive electromotive force or back EMF.

Aufgrund der festen Anzahl von Wicklungen und einem konstanten magnetischen Fluss in einem Elektromotor 8, ist die Größe der rückwirkenden elektromotorischen Kraft proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Rotors 14. Ein für den Elektromotor 8 spezifisch gegebener Parameter, eine Gegen-EMK-Konstante bzw. Back EMF Constant, kann von der Steuerungsvorrichtung 10 dazu verwendet werden, um eine Drehzahl des Elektromotors 8 aus dem proportionalen Verhältnis der rückwirkenden elektromotorischen Kraft zu ermitteln.Due to the fixed number of windings and constant magnetic flux in an electric motor 8th , the magnitude of the retroactive electromotive force is proportional to Angular speed of the rotor 14th . One for the electric motor 8th Specifically given parameters, a back EMF constant or back EMF constant, can be controlled by the control device 10 used to set a speed of the electric motor 8th to be determined from the proportional ratio of the retroactive electromotive force.

Durch Subtrahieren der rückwirkenden elektromotorischen Kraft von der Versorgungsspannung kann ein Potenzial an einer Statorspule berechnet werden. Eine resultierende Spannung, die sich aus einer Potenzialdifferenz zwischen der rückwirkenden elektromotorischen Kraft und der Versorgungsspannung ergibt, bewirkt einen Stromfluss, der als Nennstrom bezeichnet wird. Wenn der Elektromotor 8 bei Zufuhr des Nennstroms mit einer Nenndrehzahl läuft, erzeugt der Elektromotor 8 ein Nenndrehmoment. Unter Verzicht auf eine Sensorunterstützung, nutzt das Ansteuerungsverfahren der Steuerungsvorrichtung 10 direkt erfasste Strom- und Spannungsinformationen aus dem Elektromotor 8 zur Bestimmung einer Veränderung der Winkelposition bzw. Winkelgeschwindigkeit, die zusätzlich zur Drehzahlregelung verwendet werden.A potential at a stator coil can be calculated by subtracting the retroactive electromotive force from the supply voltage. A resulting voltage, which results from a potential difference between the retroactive electromotive force and the supply voltage, causes a current flow that is referred to as the nominal current. When the electric motor 8th When the rated current is supplied, it runs at a rated speed, the electric motor generates 8th a nominal torque. With no sensor support, the control method uses the control device 10 Current and voltage information recorded directly from the electric motor 8th to determine a change in the angular position or angular speed, which are also used for speed control.

Die Steuerungsvorrichtung 10 führt in Abhängigkeit der genannten Größen eine Ansteuerung des Stroms durch, der das Antriebsdrehmoment in Bezug auf eine Winkelposition des Rotors 14 des Elektromotors 8 beeinflusst. Genauer genommen, modifiziert die Ansteuerung eine Pulsweitenmodulation, die für eine intermittierend zugeführte elektrische Leistung an jeder Statorspule bezeichnend ist, und deren Timing in Bezug auf eine Winkelposition des Rotors 14, die basierend auf der zuvor beschriebenen, sensorlosen Erfassung der rückwirkenden elektromotorischen Kraft bzw. Gegen-EMK ermittelt wird, dahingehend, dass eine konstante Winkelgeschwindigkeit des Orbiter-Exzenterkolbens 3 angestrebt wird. Dadurch behält der Orbiter-Exzenterkolben 3 trotz einer Schwankung eines für den Verdrängungsvorgang erforderlichen Drehmoments des Verdrängungsvorgangs, eine im Wesentlichen konstante Winkelgeschwindigkeit innerhalb einer Umdrehung der Welle 9 bei.The control device 10 performs a control of the current as a function of the variables mentioned, which sets the drive torque in relation to an angular position of the rotor 14th of the electric motor 8th influenced. More precisely, the control modifies a pulse width modulation, which is indicative of an intermittently supplied electrical power to each stator coil, and its timing in relation to an angular position of the rotor 14th , which is determined based on the previously described, sensorless detection of the retroactive electromotive force or back EMF, to the effect that a constant angular velocity of the orbiter eccentric piston 3rd is strived for. This keeps the orbiter eccentric piston 3rd despite a fluctuation in a torque of the displacement process required for the displacement process, a substantially constant angular velocity within one revolution of the shaft 9 at.

Nach dem Prinzip einer feldorientierten Regelung (FOR) bzw. einer field oriented control (FOC) werden Statorströme gemessen und so eingestellt, dass der Winkel zwischen Rotor- und Statorfluss stets 90° beträgt. Solange ein resultierendes Stator- und Rotorfeld immer im rechten Winkel zueinander gehalten werden, kann ein maximales Drehmoment erzielt werden, welches mit einem optimalen Wirkungsgrad gleichbedeutend ist. Ferner ermöglicht die feldorientierte Regelung ein schnelles dynamisches Ansprechverhalten des Drehmoments auf Lastschwankungen, was sich insbesondere in der vorliegenden Anwendung als Vakuumpumpe positiv auswirkt, wie nachfolgend erläutert wird.According to the principle of field-oriented control (FOR) or field-oriented control (FOC), stator currents are measured and adjusted so that the angle between rotor and stator flux is always 90 °. As long as a resulting stator and rotor field are always kept at right angles to one another, a maximum torque can be achieved, which is synonymous with an optimal degree of efficiency. Furthermore, the field-oriented control enables a fast dynamic response behavior of the torque to load fluctuations, which has a positive effect in particular in the present application as a vacuum pump, as will be explained below.

Denn während einer Evakuierung steigt eine Dynamik einer Lastschwankung mit laufender Betriebsdauer an, da mit abnehmendem Druck in einem zu evakuierenden Gasvolumen, ein für den Verdrängungsvorgang erforderliches Drehmomentmaximum innerhalb einer Umdrehung der Welle 9 zunimmt. Für die erfindungsgemäße Orbiter-Vakuumpumpe bietet das sensorlose Ansteuerungsverfahren zusammen mit einer feldorientierten Regelung eine bevorzugte Umsetzung der Steuerungs- und Regelungstechnik zur effektiven Unterdrückung einer Welligkeit in der Winkelgeschwindigkeit des Orbiter-Exzenterkolbens 3.This is because during an evacuation the dynamics of a load fluctuation increases with ongoing operating time, since with decreasing pressure in a gas volume to be evacuated, a maximum torque required for the displacement process within one revolution of the shaft 9 increases. For the orbiter vacuum pump according to the invention, the sensorless control method together with a field-oriented regulation offers a preferred implementation of the control and regulation technology for the effective suppression of a ripple in the angular velocity of the orbiter eccentric piston 3rd .

Abgesehen von der feldorientierten Regelung (FOR) führt die Steuerungsvorrichtung 10 während einer Betriebsdauer mit relativ konstanten Betriebsparametern noch eine weitere Methodik zur Optimierung der Regelung durch. Hierzu wird ein Temperaturverlauf mit einbezogen, der in Bezug zu einer Elektronik der Steuerungsvorrichtung 10 steht, insbesondere einer Leistungselektronik zur Ansteuerung der Statorströme aus einer elektrischen Leistungszufuhr.Apart from the field-oriented regulation (FOR), the control device performs 10 During an operating period with relatively constant operating parameters, another methodology for optimizing the control is carried out. For this purpose, a temperature profile is included, which is related to an electronics of the control device 10 stands, in particular power electronics for controlling the stator currents from an electrical power supply.

Nach Erreichen einer Betriebstemperatur in einem Betriebspunkt mit konstanten Betriebsparametern, wie insbesondere der Drehzahl und der Druckdifferenz des Förderstroms vor und hinter der Vakuumpumpe, lässt sich anhand eines Verlaufs von Vergleichswerten einer Abwärme aus elektrischer Verlustleistung an Kondensatoren, Transistoren oder dergleichen in einer Steuerschaltung, ein Rückschluss mit qualitativer Bewertung der elektromotorischen Effizienz einer Regelung ziehen, die sich den Vergleichswerten zeitlich zuordnen lässt.After reaching an operating temperature at an operating point with constant operating parameters, such as in particular the speed and the pressure difference of the delivery flow upstream and downstream of the vacuum pump, a conclusion can be drawn based on a curve of comparison values of waste heat from electrical power loss on capacitors, transistors or the like in a control circuit with a qualitative evaluation of the electromotive efficiency, draw a control that can be assigned to the comparison values in terms of time.

Demzufolge vermag die Steuerungsvorrichtung 10 unter Einbezug eines Temperaturverlaufs, der mittels eines Temperatursensors (nicht dargestellt) in der Umgebung einer Leistungselektronik oder dergleichen in der Steuerungsvorrichtung 10 erfasst wird, die Effizienz der Regelung des dynamischen Antriebsdrehmoments in einem konstanten Betriebspunkt des Elektromotors 8 zu optimieren. Hierzu werden variable Parameter der Regelung, insbesondere Werte der Statorströme in Abhängigkeit einer Winkelposition des Rotors 14 oder eines Timings, in Rückkoppelung zu einem beobachteten Anstieg oder einem Abfall der erfassten Temperatur, sowie einer Steigung der zeitlichen Temperaturänderung, dahingehend variiert, dass die niedrigste konstant erzielbare Temperatur aus der Regelung resultiert.Accordingly, the control device can 10 with the inclusion of a temperature profile that is determined by means of a temperature sensor (not shown) in the vicinity of power electronics or the like in the control device 10 is detected, the efficiency of the control of the dynamic drive torque in a constant operating point of the electric motor 8th to optimize. For this purpose, variable parameters of the regulation, in particular values of the stator currents, are used as a function of an angular position of the rotor 14th or a timing, in feedback to an observed increase or decrease in the detected temperature, as well as an increase in the temperature change over time, varies in such a way that the lowest constant achievable temperature results from the regulation.

Die beschriebene, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst sowohl das Merkmal einer feldorientierten Regelung (FOR) als auch das Merkmal einer thermisch geführten Methodik zur Optimierung der elektromotorischen Regelung. In alternativen Ausführungen der Erfindung kann die Orbiter-Vakuumpumpe ebenso ohne einem dieser Merkmale oder ohne beiden Merkmalen ausgestattet sein.The described preferred embodiment of the invention includes both the feature of a field-oriented control (FOR) and the feature of a thermally controlled methodology for optimizing the electromotive control. In alternative embodiments of the invention, the orbiter- Vacuum pump can also be equipped without one of these features or without both features.

Beispielsweise kann anstelle der feldorientierten Regelung (FOR) eine andere Regelung, wie z.B. bekannte Prinzipien sogenannter vektorbezogener Regelungen zur Ansteuerung von bürstenlosen Elektromotoren 8 umgesetzt werden, solange diese ein geeignetes verbindendes Regelungsglied zwischen der sensorlosen Erfassung und Auswertung einer Rotorlage anhand der rückwirkenden elektromotorischen Kraft (Gegen-EMK) und einer Drehmomentregelung zur Erzielung einer im Wesentlichen kontinuierlichen Winkelgeschwindigkeit des Orbiter-Exzenterkolbens 3 darstellen. Ebenso kann in einer alternativen Ausführungsform auf eine Optimierung der Regelung unter Einbeziehung der Temperatur in der Steuerungsvorrichtung 10 verzichtet werden.For example, instead of the field-oriented regulation (FOR), another regulation, such as known principles of so-called vector-related regulation for controlling brushless electric motors, can be used 8th can be implemented as long as this is a suitable connecting control element between the sensorless detection and evaluation of a rotor position based on the retroactive electromotive force (back EMF) and a torque control to achieve a substantially continuous angular speed of the orbiter eccentric piston 3rd represent. Likewise, in an alternative embodiment, an optimization of the regulation taking into account the temperature in the control device can be made 10 be waived.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
PumpengehäusePump housing
22
PumpenkammerPump chamber
33
Orbiter-ExzenterkolbenOrbiter eccentric piston
44th
FührungsschlitzGuide slot
55
SperrschieberGate valve
66th
Einlassinlet
77th
AuslassOutlet
88th
ElektromotorElectric motor
99
Wellewave
1010
SteuerungsvorrichtungControl device
1111
WellenlagerShaft bearing
1212th
Exzenterscheibe mit KurbelzapfenEccentric disc with crank pin
1313th
Statorstator
1414th
Rotorrotor
1515th
SchwenklagerSwivel bearing

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102015010846 A1 [0006]DE 102015010846 A1 [0006]
  • EP 1519046 B1 [0008]EP 1519046 B1 [0008]

Claims (3)

Elektrische Orbiter-Vakuumpumpe, aufweisend: ein Pumpengehäuse (1) mit einer zylindrischen Pumpenkammer (2); einen Orbiter-Exzenterkolben (3) mit einem Führungsschlitz (4) und einer zylindrischen Außenfläche, wobei ein zylindrischer Querschnitt des Orbiter-Exzenterkolbens (3) kleiner als ein zylindrischer Querschnitt der Pumpenkammer (2) ist; einen Sperrschieber (5), der in dem Führungsschlitz (4) aufgenommen ist, wobei ein Ende des Sperrschiebers (5) zwischen einem Einlass (6) und einem Auslass (7) schwenkbar an dem Pumpengehäuse (1) gelagert ist; einen bürstenlosen permantenterregten Elektromotor (8) mit einem Stator (13) und einem Rotor (14) zum Antreiben des Orbiter-Exzenterkolben (3) über eine Welle (9); und eine Steuerungsvorrichtung (10) zur Ansteuerung des Elektromotors (8) aus einer elektrischen Leistungszufuhr, wobei die Steuerungsvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, eine rückwirkende elektromotorische Kraft aus einer Spannung eines Statorstroms zu erfassen; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, zur Kompensation von Winkelgeschwindigkeitsänderungen des Orbiter-Exzenterkolbens (3) ein Antriebsdrehmoment des Elektromotors (8) basierend auf einer aus der rückwirkenden elektromotorischen Kraft ausgewerteten Winkelposition des Rotors (14) zu regeln. An orbiter electric vacuum pump comprising: a pump housing (1) having a cylindrical pump chamber (2); an orbiter eccentric piston (3) with a guide slot (4) and a cylindrical outer surface, a cylindrical cross section of the orbiter eccentric piston (3) being smaller than a cylindrical cross section of the pump chamber (2); a locking slide (5) which is received in the guide slot (4), one end of the locking slide (5) being pivotably mounted on the pump housing (1) between an inlet (6) and an outlet (7); a brushless permanent magnet electric motor (8) with a stator (13) and a rotor (14) for driving the orbiter eccentric piston (3) via a shaft (9); and a control device (10) for controlling the electric motor (8) from an electrical power supply, the control device (10) being set up to detect a retroactive electromotive force from a voltage of a stator current; characterized in that the control device (10) is set up to compensate for changes in the angular velocity of the orbiter eccentric piston (3) to regulate a drive torque of the electric motor (8) based on an angular position of the rotor (14) evaluated from the retroactive electromotive force. Elektrische Orbiter-Vakuumpumpe nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, das Antriebsdrehmoment des Elektromotors (8) durch eine feldorientierte Regelung basierend auf der aus der rückwirkenden elektromotorischen Kraft ausgewerteten Winkelposition des Rotors (14) zu regeln.Electric orbiter vacuum pump after Claim 1 , wherein the control device (10) is set up to regulate the drive torque of the electric motor (8) by a field-oriented control based on the angular position of the rotor (14) evaluated from the retroactive electromotive force. Elektrische Orbiter-Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerungsvorrichtung (10) einen Temperatursensor aufweist, der eine Temperatur in Bezug auf die Steuerungsvorrichtung (10) erfasst; und die Steuerungsvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, bei konstanter Drehzahl das Antriebsdrehmoment des Elektromotors (8) in Abhängigkeit eines Verlaufs der durch den Temperatursensor erfassten Temperatur zu regeln.Electric orbiter vacuum pump after Claim 1 or 2 wherein the control device (10) comprises a temperature sensor that detects a temperature with respect to the control device (10); and the control device (10) is set up to regulate the drive torque of the electric motor (8) at a constant speed as a function of a profile of the temperature detected by the temperature sensor.
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