DE112005002389T5

DE112005002389T5 - Steuer-/Regelvorrichtung für Linearkompressor

Info

Publication number: DE112005002389T5
Application number: DE112005002389T
Authority: DE
Inventors: Ian Campbell Mcgill; Zhuang Tian
Original assignee: Fisher and Paykel Appliances Ltd
Current assignee: Fisher and Paykel Appliances Ltd
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2007-08-16
Also published as: US20060070518A1; US7663275B2; CN100529393C; WO2006038817A1; BRPI0516829B1; BRPI0516829A; CN101065578A

Abstract

Verfahren zur Steuerung/Regelung des Hubs eines Freikolben-Linearkompressormotors, um Kolbenkollisionen an den Enden des Hubs zu minimieren oder zu verhindern, gekennzeichnet durch:
– Überwachen der Gegen-EMK des Motors,
– Erfassen von Nulldurchgängen der Gegen-EMK,
– Überwachen der Steigung der Gegen-EMK-Wellenform in der Nähe der Nulldurchgänge,
– Erfassen von Unstetigkeiten in der Wellenformsteigung, und
– inkrementelles Reduzieren der Motoreingangsleistung bei Erfassung einer Steigungsunstetigkeit.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Steuer-/Regeleinrichtung für einen Linearmotor, welcher zum Antreiben eines Kompressors und im Speziellen, aber nicht ausschließlich, eines Kühlgerätekompressors verwendet wird.
ÜBERBLICK ÜBER DEN STAND DER TECHNIK
Linearkompressormotoren arbeiten auf Basis einer sich bewegenden Spule oder eines sich bewegenden Magneten, und wenn sie mit einem Kolben verbunden sind, wie in einem Kompressor, ist eine genau Steuerung/Regelung bei der Hubamplitude erforderlich, da die Hubamplitude nicht festgelegt ist wie bei Kompressoren mit einer Kurbelwelle. Die Anwendung von übermäßiger Motorleistung für Zustände bzw. Bedingungen des zu komprimierenden Fluids kann dazu führen, dass ein solcher freier Kolben mit dem Zylinderkopf kollidiert, in dem er untergebracht ist.
In der internationalen Patentanmeldung Nr. WO 01/79671 hat die Anmelderin ein Steuer-/Regelsystem für einen Freikolbenkompressor offenbart, welches die Motorleistung in Funktion der Eigenschaften des in den Kompressor eindringenden Kühlmittels beschränkt. Bei diesem und bei anderen Freikolbenkühlsystemen kann allerdings trotz anderer Maßnahmen ein Überschreiten des Kolbens auftreten und es kann sinnvoll sein, eine aktuelle Kolbenkollision zu erfassen und dann in Reaktion hierauf die Motorleistung zu reduzieren. Eine solche Strategie könnte bloß verwendet werden, um Kompressorbeschädigung zu verhindern, wenn aus irgendeinem Grund eine übermäßige Motorleistung auftritt. Sie könnte auch verwendet werden als Weg zum Sicherstellen einer hochvolumetrischen Effizienz. Speziell in Bezug auf letztere könnte ein Kompressor mit einer Leistung angetrieben werden, welche gerade auf etwas weniger eingestellt ist als dass sie Kolbenkollisionen hervorruft, um sicherzustellen, dass der Kolben mit minimalem Kopfabstandsvolumen betrieben wird. Das Minimieren des Kopfabstandsvolumens führt zu einer verbesserten volumetrischen Effizienz.
Das US-Patent 6,536,326 offenbart ein Steuer-/Regelsystem für Freikolbenmaschinen, welches ein Rückführsignal enthält, um die Kolbenatriebsleistung zu reduzieren, wenn mechanische Vibrationen einer Kolben-Zylinderkopf-Kollision erfasst werden. Ein Sensor, wie beispielsweise ein Mikrofon, wird verwendet, um die mechanischen Vibrationen zu erfassen.
Im Stand der Technik bis zur WO 03/044365 waren Sensoren mit diskreten Komponenten erforderlich, um Kolbenkollisionen zu erfassen. Obwohl die WO 03/044365 das Messen von aufeinander folgenden Halbhubzeiten und das Erfassens einer Veräanderung offenbart, wäre es wünschenswert, wenn andere sensorfreie Techniken verfügbar wären.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Linearmotor-Steuer-/Regeleinrichtung bereitzustellen, die in die Richtung geht, um die oben erwähnten Erfordernisse zu erfüllen.
Dementsprechend besteht die Erfindung in einem Aspekt aus:
einem Verfahren zur Steuerung/Regelung des Hubs eines Freikolben-Linearkompressormotors, um Kolbenkollisionen an den Enden des Hubs zu minimieren oder zu verhindern, umfassend die Schritte:
Überwachen der Gegen-EMK des Motors,
Erfassen von Nulldurchgängen der Gegen-EMK,
Überwachung der Steigung der Gegen-EMK in der Nähe der Nulldurchgänge,
Erfassen von Unstetigkeiten in der Wellenformsteigung, und
inkrementelles Reduzieren der Motoreingangsleistung bei Erfassung einer Steigungsunstetigkeit.
In einem zweiten Aspekt besteht die Erfindung aus:
einem Freikolben-Linearkompressor mit einem Hub, der derart gesteuert/geregelt ist, dass Kolbenkollisionen an den Enden des Hubs minimiert oder verhindert sind, umfassend:
einen Linearmotor mit einem Wickelstator und einem zusammenwirkenden Anker, welcher mechanisch mit dem Kolben gekoppelt ist;
Mittel zum Überwachen der Motor-Gegen-EMK in den Statorwicklungen,
Mittel zum Erfassen von Nulldurchgängen der Motor-Gegen-EMK,
Mittel zum Bestimmen der Steigung der Gegen-EMK-Wellenform in der Nähe der erfassten Nulldurchgänge,
Mittel zum Bestimmen von Unstetigkeiten in der Steigung der Gegen-EMK-Wellenformsteigung, und eine Steuer-/Regeleinrichtung für die Motoreingangsleistung, welche den Statorwicklungen Strom zuführt und welche einen Eingang aufweist, der auf die Unstetigkeitsbestimmungsmittel reagiert, wobei die Steuer-/Regeleinrichtung die Motoreingangsleistung reduziert, wenn eine Steigungsunstetigkeit bestimmt wird.
Vorzugsweise umfasst die Überwachung der Steigung das Messen und Speichern des Wertes der Gegen-EMK zu vorbestimmten Intervallen und das Berechnen der Steigung der Gegen-EMK-Wellenform zwischen aufeinander folgenden vorbestimmten Intervallen, um eine Abfolge von Steigungswerten zu erzeugen.
Vorzugsweise umfasst die Überwachung der Steigung das Vergleichen der zuletzt gemessenen Steigung mit der am gleichen Punkt im unmittelbar vorhergehenden Zyklus gemessenen Steigung.
Vorzugsweise umfasst die Überwachung der Steigung das Vergleichen der zuletzt gemessenen Steigung mit dem Durchschnitt von am gleichen Punkt einer vorbestimmten Anzahl von unmittelbar vorhergehenden Zyklen gemessenen Steigungen.
Vorzugsweise werden die Unstetigkeiten in der Steigung der Gegen-EMK-Wellenform durch aufeinanderfolgendes Vergleichen jedes berechneten Steigungswertes mit einem vorbestimmten Wert erfasst und, wenn dieser vorbestimmte Wert über eine vorbestimmte Anzahl von Steigungswerten überschritten wird, wird eine Steigungsunstetigkeit angezeigt.
Vorzugsweise sind die erfassten Unstetigkeiten der Gegen-EMK-Steigungen diejenigen, welche ein Ansteigen der Steigung beim Erhöhen der Gegen-EMK und ein Abnehmen der Steigung beim Fallen der Gegen-EMK darstellen.
Vorzugsweise sind die erfassten Unstetigkeiten der Gegen-EMK-Steigungen diejenigen, welche ein Ansteigen der Steigung beim Fallen der Gegen-EMK darstellen.
Den Fachleuten, auf deren Fachgebiet sich die Erfindung bezieht, geben sich viele Veränderungen bei der Konstruktion und weitgehend unterschiedliche Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung zu erkennen, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen, wie er in den anliegenden Ansprüchen definiert ist. Die Offenbarungen und Beschreibungen hier sind rein illustrativ und sind in keiner Weise einschränkend.
Die Erfindung besteht aus dem zuvor beschriebenen und fasst auch Konstruktionen ins Auge, von denen nachfolgend Beispiele gegeben sind.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Beispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein schematischer Längsschnitt eines Linearkompressors ist, der gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert/geregelt wird,
2 ein Graph der Kompressormotor-Gegen-EMK gegen die Zeit ist,
3 ein Graph der Motor-"Konstante" gegen axiale Verschiebung des Kolbens für einen Kurzstatormotor ist,
4 ein Graph einer Motor-Gegen-EMK gegen die Zeit ist für eine kleine und eine maximale Hublänge in einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
5 ein Flussdiagramm des Prozesses zur Kollisionserfassung und -verhinderung ist, welcher in der Erfindung verwendet wird,
6 ein Blockdiagramm einer Steuer-/Regeleinrichtung ist, welche den Prozess von 5 verwendet und
7 ein Graph der Motor-Gegen-EMK gegen die Zeit ist in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren bereit, welche Kolbenkopfkollisionen bei einem frei hin und her bewegenden Kolbenkompressor erfassen, der durch einen Linearmotor angetrieben ist. Ein solcher Typ ist in 1 dargestellt. Diese Motorkonfiguration weist eine verringerte Größe auf verglichen mit dem konventionellen Linearmotor, von dem in der US 4,602,174 beschriebenen Typ. Die verringerte Größe behält die Effizienz hoch bei geringer bis mittlerer Leistungsabgabe auf Kosten einer geringfügig verringerten Effizienz bei Hochleistungsabgabe. Dies stellt einen akzeptierbaren Kompromiss für einen Kompressor in einem Haushaltskühlgerät dar, welches größtenteils mit geringer bis mittlerer Leistungsabgabe arbeitet und mit Hochleistungsabgabe weniger als 20% der Zeit (dies tritt auf während Perioden von häufigem Laden und Entladen des Kühlgeräteinhalts oder an sehr heißen Tagen).
Während in der nachfolgenden Beschreibung die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf einen zylindrischen Linearmotor beschrieben werden, ist darauf hinzuweisen, dass diese Verfahren auch gleich anwendbar sind auf Linearmotoren im Allgemeinen und im Speziellen auch auf flache Linearmotoren, siehe beispielsweise WO 02/35093, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird. Für eine Fachperson wäre keine spezielle Bemühung erforderlich, um die Steuer-/Regelstrategie, welche hier beschrieben wird, auf irgendeine Form eines Linearmotors anzuwenden.
Der in 1 dargestellte Kompressor umfasst einen Permanentmagnet-Linearmotor, welcher mit einem sich hin und her bewegenden Freikolbenkompressor verbunden ist. Der Zylinder 9 ist innerhalb des Kompressorgehäuses 30 durch eine Zylinderfeder 14 abgestützt. Der Kolben 11 ist radial durch das Lager abgestützt, welches durch die Zylinderbohrung gebildet ist, und durch seine Feder 13 über die Federhalterung 25. Die Lager können durch irgendein von mehreren Verfahren geschmiert sein, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, beispielsweise die Gaslager, welche in der WO 01/29444 beschrieben sind oder die Öllager, welche in der WO 00/26536 beschrieben sind, deren beider Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird. Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls anwendbar auf alternative hin und her bewegende Systeme. Obwohl unten ein Kompressor beschrieben wird mit einem kombinierten Gas-Mechanik-Federsystem, können die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielsweise auch verwendet werden bei einem vollständig mechanischen Federsystem oder einem vollständigen Gas-Federsystem.
Die Hin- und Herbewegung des Kolbens 11 innerhalb des Zylinders 9 zieht Gas in einen Kompressionsraum 28 ein durch ein Ansaugrohr 12, durch eine Ansaugöffnung 26, durch einen Ansaugdämpfer 20 und durch eine Ansaugventilöffnung 24 in einer Ventilplatte 21. Das komprimierte Gas tritt dann durch eine Auslassventilöffnung 23 aus, wird in einem Auslassdämpfer 19 gedämpft und tritt durch ein Auslassrohr 18 aus.
Der Kompressormotor umfasst einen zweiteiligen Stator 5, 6 und einen Anker 22. Die Kraft, welche die Hin- und Herbewegung des Kolbens 11 erzeugt, stammt von der Interaktion von zwei ringförmig radial magnetisierten Permanentmagneten 3, 4 Am Anker 22 (am Kolben 11 angebracht durch einen Flansch 7) und vom magnetischen Feld in einem Luftspalt 33 (induziert durch den Stator 6 und Wicklungen 1, 2).
In 1 ist eine Version des Kompressormotors mit zwei Spulen gezeigt, bei der in Spule 1 ein Strom fließt, der einen Fluss erzeugt, der axial entlang der Innenseite des Stators 6 fließt, radial nach außen durch die Endstatorzähne 32, über den Luftspalt 33, und dann in das hintere Eisen 5 eindringt. Dann fließt er axial über eine kurze Entfernung 27, bevor er radial nach innen über den Luftspalt 33 und zurück in den Zentralzahn 34 des Stators 6 fließt. Die zweite Spule 2 erzeugt einen Fluss, welcher radial durch den Zentralzahn 34 nach innen fließt über den Luftspalt axial für eine kurze Entfernung 29 und nach außen durch den Luftspalt 33 in den Endzahn 35. Der Fluss, welcher den Luftspalt 33 vom Zahn 32 überquert, induziert eine axiale Kraft auf die radial magnetisierten Magneten 3, 4 unter der Voraussetzung, dass die Magnetisierung des Magneten 3 von entgegengesetzter Polarität zu dem anderen Magneten 4 ist. Es ist klar, dass es anstelle des hinteren Eisens 5 auch möglich wäre, einen anderen Satz von Spulen auf gegenüberliegenden Seiten der Magneten zu haben.
Ein oszillierender Strom in den Spulen 1 und 2, nicht notwendigerweise sinusförmig, erzeugt eine oszillierende Kraft an den Magneten 3, 4, welche den Magneten und dem Stator im Wesentlichen relative Bewegung gibt, die am effizientesten ist, wenn die Oszillationsfrequenz nahe der Eigenfrequenz des mechanischen Systems ist. Diese Eigenfrequenz wird bestimmt durch die Steifheit der Federn 13, 14 und die Masse des Zylinders 9 und des Stators 6. Die oszillierende Kraft an den Magneten 3, 4 erzeugt eine Reaktionskraft an den Statorteilen. Daher muss der Stator 6 fest am Zylinder 9 befestigt sein durch Verkleben, Schrumpf-Presssitz oder Klemmen etc. Das hintere Eisen 9 ist an der Statorhalterung 17 angeklemmt oder verschweißt. Die Statorhalterung 17 ist fest mit dem Zylinder 9 verbunden.
Experimente haben hervorgebracht, dass ein Freikolbenkompressor am effizientesten ist, wenn er bei der Eigenfrequenz des Kompressor-Kolben-Feder-Systems des Kompressors angetrieben wird. Ebenso wie irgendeine absichtlich bereitgestellte Metallfeder gibt es allerdings eine inhärente Gasfeder, deren effektive Fedrekonstante im Falle eines Kühlgerätekompressors variiert, da entweder der Verdampfer- oder Kondensatordruck variiert. Der elektronisch umgeschaltete Permanentmotor, welcher beschrieben worden ist, wird gesteuert/geregelt unter Verwendung von Techniken, welche diejenigen enthalten, die aus der Erfahrung der Anmelderin in elektronisch umgeschalteten Permanentmagnetmotoren abgeleitet worden sind, wie dies beispielsweise in der WO 01/79671 offenbart worden ist, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Wenn ein Linearmotor gesteuert/geregelt wird, wie dies in der WO 01/79671 beschrieben ist, ist es möglich, dass die Kompressoreingangsleistung auf ein Niveau zunimmt, auf dem die Auslenkung des Kolbens (11, 1) zu einer Kollision mit dem dem Zylinderkopf (9, 1) führt.
Die vorliegende Erfindung erfasst die Entstehung von solche Kollisionen oder auch wenn eine Kollision gerade auftritt, aus der Form der Motor-Gegen-EMK-Wellenform.
Wenn eine Kollision erfasst wird, wird die Magnitude des Motorstroms verringert. Die Verringerungen beim Strom und somit der Eingangsleistung am Motor werden inkrementell verringert. Sobald die Kollisionen stoppen, wird es dem Stromwert ermöglicht, langsam über eine Zeitperiode auf seinen vorherigen Wert anzusteigen. Die Zeitperiode ist vorzugsweise ungefähr eine Stunde. Alternativ kann der Strom verringert bleiben, bis die Systemvariablen sich signifikant verändern. In einer Ausführungsform, in der das System der WO 01/79671 als Hauptstrom-Steuer-/Regelalgorithmus verwendet wird, kann eine solche Systemänderung überwacht werden durch eine Veränderung beim geordneten Maximalstrom. In diesem Falle wäre dies in Reaktion auf eine Veränderung der Frequenz oder der Verdunstertemperatur. In der bevorzugten Anwendung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Algorithmus der WO 01/79671 mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, welche eine überwachende Rolle bereitstellt, die zu einer verbesserten volumetrischen Effizienz verglichen mit dem Stand der Technik führen würde.
Die physikalischen Phänomene, auf denen die vorliegende Erfindung aufbaut, werden nun unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
Wenn der sich mit einer Geschwindigkeit v bewegende Kolben den Zylinderkopf trifft (unter der Annahme, dass er aus dem gleichen Material hergestellt ist), wird eine elastische Druckwelle mit einer Magnitude σ_i verbreitet, welche durch die Beziehung
bestimmt ist, wobei ρ_i und E die Dichte bzw. der Elastizitätsmodul des Kolbenzylindermaterials sind.
Der Druck σ_i wirkt auf der Berührungsfläche A_i für eine Zeitdauer, welche durch die Zeit bestimmt ist, die erforderlich ist, damit die Druckwelle über die Länge des Kolbens läuft und nach Reflektion am entfernten Ende wieder zurückkehrt. Daher gibt es eine Kraft F_i, welche für eine angemessene Zeit auf den Kolben wirkt und die gegeben ist durch Fi = σi·Ai
Da die Kräfte auf die Kolbenstange eines linearen Kompressors im Gleichgewicht sein müssen, ist dann: m·a + c·v + k·x + P·A + Fi = 0wobei

m: die Kolbenmasse ist,
c: der Reibungswiderstandkoeffizient ist
k: die Federsteifigkeit ist
a: die Kolbenbeschleunigung ist
x: die Kolbenposition ist
P: der Druck ist und
A_P: die Kolbenfläche ist.

Dies kann umgeschrieben werden, um die Beschleunigung anzugeben.
Die Kollisionskraft F_i erhöht daher signifikant die Beschleunigung des Kolbens und dies wird wiedergegeben in der Form der Kurve Gegen-EMK zur Zeit, das heißt in der plötzlichen Veränderung der Steigung, welche in 2 dargestellt ist.
Konventionelle Linearmotoren sind derart ausgelegt, dass es eine lineare Beziehung zwischen der Gegen-EMK und der Geschwindigkeit gibt. d.h. emk = α·v
Im Gegensatz hierzu weist die „Kurzstator"-Konfiguration der bevorzugten Motorform (offenbart in der WO 00/79671) einen Aufbau auf, bei dem der Wert von α mit der Position variiert. d.h. emk = f(x)·v
Wenn die Motorausgestaltung derart ist, dass es einen „Knick" oder eine Unstetigkeit in der Funktion f(x) gibt, wie dies durch den Pfeil in der 3 dargestellt ist, wird dieser Knick in der Gegen-EMK-Kurve bei längeren Hüben auftauchen. 4 zeigt den Effekt des Knicks von 3 bei der Gegen-EMK-Kurve, wenn der Hub von 12 mm auf 14 mm zunimmt.
In einer alternativen Ausführungsform (siehe 7) kann dieser Knick auch erhalten werden durch Hinzufügen einer Sensorspule in Serie zu den Wicklungen. Diese Spule erzeugt eine EMK nur dann, wenn ein Permanentmagnet am Motoranker nahe zu ihr kommt. Der Magnet kann speziell für diesen Zweck sein oder es kann einer der vorhandenen Magneten sein. Diese EMK kommt zur EMK, welche durch die Hauptwicklungen erzeugt wird, gerade vor dem Nulldurchgang hinzu, wie dies in 7 dargestellt ist.
Ein Verfahren zum Bestimmen von Knicken oder Unstetigkeiten in der Gegen-EMK, welche in den Statorwicklungen des Motors induziert sind und für die nachfolgende Steuerung/Regelung der Motoreingangsleistung zum Verhindern von Kolbenkollisionen verwendet werden, ist in Flussdiagrammform in 5 dargestellt. In der Praxis ist es zweckdienlich, dieses Steuer-/Regelverfahren unter Verwendung eines programmierten Mikroprozessors zu implementieren. Das Flussdiagramm der 5 zeigt die essentielle Logik des Prozessorprogramms.
Das Motor- und Steuer-/Regelsystem, welches die vorliegende Erfindung verwendet, ist in Blockdiagrammform in 6 dargestellt. Die Funktion der vorliegenden Erfindung ist innerhalb des Blocks 101 eingekapselt, welcher einen Eingangswert an die Motoreingangsleistung-Anpassungsmittel 102 bereitstellt, welche hauptsächlich durch den in der WO 01/79671 offenbarten Algorithmus gesteuert/geregelt sind. Die Motorsteuerung/-regelung der vorliegenden Erfindung überschreibt den grundlegenden Motorsteuer-/regelalgorithmus nur bei Berechnungen, welche eine Kollision oder nahezu eine Kollision des Kolbens anzeigen.
Digitalisierte Gegen-EMK-Signale werden an einem Eingang des Mikroprozessors 103 angelegt und eine Routine 110 bestimmt die Zeiten, wenn die Gegen-EMK-Wellenform Null ist oder einen entsprechenden periodischen Wert aufweist. Wenn ein Nulldurchgang erfasst wird, wird eine Entscheidung 111 getroffen, ob eine ausreichende Periode nachfolgend zum Auftreten des Nulldurchgangs verstrichen ist. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt diese Zeitperiode 100 μs. Wenn dies nicht der Fall ist, wird der Gegen-EMK-Wert gemessen und gespeichert 112. Wenn mehr als 100 μs verstrichen sind, dann wurden ausreichend Daten gesammelt, um die Steigung der Gegen-EMK-Kurve über diese 100 μs Periode zu berechnen 113. Eine Routine 114 wird dann ausgeführt, um zu bestimmen, ob es irgendeine Unstetigkeit in den gemessenen Steigungswerten gibt. Das heißt, wenn die Steigung für eine vorbestimmte Anzahl von aufeinander folgenden 100 μs Zyklen von einem Wert abweicht, welcher aus den Ansaug- und Auslassdrücken (oder Variablen, welche stark mit diesen Parametern korreliert sind, zum Beispiel Verdampfungstemperatur und -frequenz) bestimmt wird, dann wird eine Unstetigkeit bestimmt. Da dies ein Anzeichen für eine Kolbenkollision ist, wird ein Signal zur Antriebs- bzw. Leistungssteuerung/-regelung 102 gesendet, um die Eingangsleistung zu reduzieren und hierdurch den Hub des Motorankers und des Kolbens zu verringern, um die Kollsionsmöglichkeit zu reduzieren. Die Motoreingangsleistung wird inkrementell reduziert und eine Anzahl von Iterationen dieses beschriebenen Prozesses können in einigen Fällen auftreten, bevor die Routine zur Bestimmung der Steigungsunstetigkeit aufhört, eine Steigungsunstetigkeit anzuzeigen und der Entscheidungsschritt 115 weitere Signale zu Steuer-/Regeleinrichtungen der Motoreingangsleistung verbietet.
Durch die oben erwähnten zweiten Steuer-/Regelmittel und durch Verwenden einer Motorausgestaltung für den Kompressor mit der „Kurzstator"-Konfiguration oder der zuvor erwähnten Sensorspulen-Technik, können Kolbenkollisionen mit dem Kompressionszylinderkopf reduziert werden und Beschädigungen verhindert werden.
Es ist auch verständlich, dass die vorliegende Erfindung ebenso anwendbar ist auf eine Auswahl von Anwendungen. Es ist für irgendeinen Linearmotor mit hin und her bewegendem Freikolben wünschenswert, die maximale Magnitude der Hin- und Herbewegung zu beschränken oder zu steuern/regeln. Um die vorliegende Erfindung anzuwenden, benötigt das System eine rückstellende Kraft, zum Beispiel ein Federsystem oder die Schwerkraft, welche die Hin- und Herbewegung hervorruft und einige Veränderungen beim mechanischen oder elektrischen System, welches eine Veränderung bei der elektrischen Hin- und Herperiode hervorruft, wenn eine gewisse Magnitude der Hin- und Herbewegung erreicht ist.
Zusammenfassung
Ein sensorfreies Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von Kolbenkollisionen bei einem Freikolben-Linearkompressormotor. Die Wellenform der in den Motorstatorwicklungen induzierten Gegen-EMK wird analysiert auf Steigungsunstetigkeiten und andere Abweichungen in einem Zeitfenster, das um die Nulldurchgänge der Gegen-EMK zentriert ist. Wellenformsteigungsartefakte zeigen Kolbenkollisionen an und bewirken, dass die Motorleistung in Raktion hierauf verringert wird.

Claims

Verfahren zur Steuerung/Regelung des Hubs eines Freikolben-Linearkompressormotors, um Kolbenkollisionen an den Enden des Hubs zu minimieren oder zu verhindern, gekennzeichnet durch: – Überwachen der Gegen-EMK des Motors, – Erfassen von Nulldurchgängen der Gegen-EMK, – Überwachen der Steigung der Gegen-EMK-Wellenform in der Nähe der Nulldurchgänge, – Erfassen von Unstetigkeiten in der Wellenformsteigung, und – inkrementelles Reduzieren der Motoreingangsleistung bei Erfassung einer Steigungsunstetigkeit.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Überwachung der Steigung umfasst: Messen und Speichern des Wertes der Gegen-EMK zu vorbestimmten Intervallen und Berechnen der Steigung der Gegen-EMK-Wellenform zwischen aufeinanderfolgenden vorbestimmten Intervallen, um eine Abfolge von Steigungswerten zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Überwachung der Steigung umfasst: Vergleichen der letzten gemessenen Steigung mit der am gleichen Punkt im unmittelbar vorhergehenden Zyklus gemessenen Steigung.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Überwachung der Steigung umfasst: Vergleichen der zuletzt gemessenen Steigung mit dem Durchschnitt von Steigungen, die am gleichen Punkt einer vorbestimmten Anzahl von unmittelbar vorhergehenden Zyklen gemessen worden sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Unstetigkeiten in der Steigung der Gegen-EMK-Wellenform erfasst werden durch aufeinanderfolgendes Vergleichen jedes berechneten Steigungswertes mit einem vorbestimmten Wert und, wenn dieser vorbestimmte Wert über eine vorbestimmten Anzahl von Steigungswerten überschritten wird, Anzeigen einer Steigungsunstetigkeit.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erfassten Unstetigkeiten der Gegen-EMK-Steigungen diejenigen sind, welche ein Ansteigen der Steigung beim Erhöhen der Gegen-EMK und ein Abnehmen der Steigung beim Fallen der Gegen-EMK darstellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erfassten Unstetigkeiten der Gegen-EMK-Steigungen diejenigen sind, welche ein Ansteigen der Steigung beim Fallen der Gegen-EMK darstellen.
Freikolben-Linearkompressormotor mit einem Hub, der derart gesteuert/geregelt ist, dass Kolbenkollisionen an den Enden des Hubs minimiert oder verhindert sind, umfassend: einen Linearmotor mit einem Wickelstator und einem zusammenwirkenden Anker, welcher mechanisch mit dem Kolben gekoppelt ist, gekennzeichnet durch: – Mittel zum Überwachen der Motor-Gegen-EMK in den Statorwicklungen, – Mittel zum Erfassen von Nulldurchgängen der Motor-Gegen-EMK, – Mittel zum Bestimmen der Steigung der Gegen-EMK-Wellenform in der Nähe der gelöschten Nulldurchgänge, – Mittel zum Bestimmen von Unstetigkeiten in der Steigung der Gegen-EMK-Wellenform, und – eine Steuer-/Regeleinrichtung für die Motoreingangsleistung, welche den Statorwicklungen Strom zuführt und welche einen Eingang aufweist, der auf die Unstetigkeitsbestimmungsmittel reagiert, wobei die Steuer-/Regeleinrichtung die Motoreingangsleistung reduziert, wenn eine Steigungsunstetigkeit bestimmt wird.
Motor nach Anspruch 8, wobei er einen programmgesteuerten Prozessor umfasst, welcher die Mittel zum Bestimmen der Steigung und der Steigungsunstetigkeit bereitstellt und programmiert ist zum Messen und Speichern der Werte der Gegen-EMK zu vorbestimmten Intervallen und zum Berechnen der Steigung der Gegen-EMK-Wellenform zwischen aufeinander folgenden vorbestimmten Intervallen, um eine Abfolge von Steigungswerten zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Programm jeden berechneten Steigungswert mit einem vorbestimmten Wert aufeinanderfolgend vergleicht und eine Steigungsunstetigkeit anzeigt, wenn dieser vorbestimmte Wert über eine vorbestimmte Anzahl von Steigungswerten überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Programm eine Anzeige von denjenigen erfassten Unstetigkeiten der Gegen-EMK-Steigungen angibt, welche ein Ansteigen der Steigung beim Erhöhen der Gegen-EMK und ein Abnehmen der Steigung beim Fallen der Gegen-EMK darstellen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Programm eine Anzeige von denjenigen erfassten Unstetigkeiten der Gegen-EMK-Steigungen angibt, welche ein Ansteigen der Steigung beim Fallen der Gegen-EMK darstellen.