DE202016105123U1

DE202016105123U1 - Regelungsanordnung für einen durch Permanentmagnete erregten Brennluft-Gebläsemotor, der dem Brennerraum eines mobilen Heizgerätes Verbrennungsluft zuführt

Info

Publication number: DE202016105123U1
Application number: DE202016105123.1U
Authority: DE
Original assignee: Spheros GmbH
Current assignee: Valeo Thermal Commercial Vehicles Germany GmbH
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2016-11-03
Anticipated expiration: 2026-09-15

Abstract

Regelungsanordnung für einen durch Permanentmagnete erregten Brennluft-Gebläsemotor (1), der dem Brennerraum eines mobilen Heizgerätes Verbrennungsluft zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgendes umfasst: einen Temperatursensor (12) zum Erfassen der Temperatur der Permanentmagnete TMagnete des Brennluft-Gebläsemotors (1) und eine Regeleinrichtung (3), die dazu ausgebildet ist, den elektrischen Motorstrom des Brennluft-Gebläsemotors (1) mit Hilfe einer Führungsgröße IMsoll auf einen Sollwert einzuregeln, wobei diese Führungsgröße IMsoll in Abhängigkeit von der durch den Temperatursensor (12) erfassten Temperatur der Permanentmagnete TMagnete veränderbar ist, um das vom Brennluft-Gebläsemotor (1) abgebbare Drehmoment auf einem vorgebbaren Wert konstant zu halten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelungsanordnung für einen durch Permanentmagnete erregten Brennluft-Gebläsemotor, der dem Brennerraum eines mobilen Heizgerätes Verbrennungsluft zuführt, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein mit einer solchen Regelungsanordnung ausgestattetes Heizgerät gemäß Anspruch 4.
Es sind mobile Heizgeräte bekannt, die mit einem gasförmigen oder einem flüssigen Brennstoff betrieben werden, der einem Brennerraum im erstgenannten Fall direkt oder im zweiten Fall über eine Zerstäubereinheit zugeführt wird. Dabei wird die Menge des jeweils pro Zeiteinheit in den Brennerraum eingebrachten Brennstoffs in Abhängigkeit von der jeweils gewünschten Heizleistung vorgegeben. Zur Erzielung einer möglichst schadstoffarmen Verbrennung ist es wünschenswert, den mithilfe eines Brennluft-Gebläses in den Brennerraum des Heizgerätes geförderten Verbrennungsluft-Massenstrom auf einem Wert konstant zu halten, der in Verbindung mit der pro Zeiteinheit zugeführten Brennstoffmenge zu einer optimalen Verbrennung führt (λ = 1).
Bei stationären Heizgeräten kann dies näherungsweise dadurch erfolgen, dass die Drehzahl des Brennluft-Gebläses auf einen fest vorgegebenen, durch Versuche ermittelten Wert eingestellt bzw. eingeregelt und so das dem Brennerraum zugeführte Luftvolumen konstant gehalten wird.
Der für die Qualität der Verbrennung entscheidende Verbrennungsluft-Massenstrom bleibt in diesem Fall aber nur dann konstant, wenn sich weder der Luftdruck noch die Lufttemperatur noch die Luftfeuchtigkeit ändern. Für mobile Heizgeräte, wie sie in Fahrzeugen, insbesondere PKWs, Lastkraftwagen oder Omnibussen zum Einsatz kommen und dabei auf häufig wechselnden Meereshöhen betrieben werden, sind diese Bedingungen keinesfalls erfüllbar.
Aus der DE 101 44 404 A1 ist ein mobiles Zusatzheizgerät mit einer Steuereinrichtung bekannt, die geeignet ist, die Brennluftzuführeinrichtung und/oder die Brennstoffzuführeinrichtung in Abhängigkeit eines Signals zu steuern, das von einer Signaleinrichtung geliefert wird, mit deren Hilfe die Luftdichte in der Umgebung des Zusatzheizgerätes anhand der Drehzahl und der Leistungsaufnahme eines fahrzeugeigenen Kühler- oder Lüftungs-Gebläsemotors ermittelt wird. Hierfür ist es erforderlich, dass einer dieser nicht zum Heizgerät gehörenden Gebläsemotoren einen Drehzahlsensor und eine Steuereinrichtung aufweist, der bzw. die jeweils ein seine elektrische Leistungsaufnahme kennzeichnendes und ein seine zugehörige Drehzahl wiedergebendes Signal liefert. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass sie nicht nur Anforderungen an den konstruktiven Aufbau des Zusatzheizgerätes sondern auch der Kühler- oder Lüftungs-Gebläseanordnung stellt. Weiterhin ist zumindest ein zum Messen der Drehzahl des betreffenden Gebläsemotors dienender, zusätzlicher Sensor erforderlich. Auch ist nicht gewährleistet, dass die Luftdichteverhältnisse im Bereich des Kühler- oder Lüftungs-Gebläsemotors ständig in einem reproduzierbaren Zusammenhang mit denen im Bereich des Gebläsemotors des Heizgerätes stehen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Regelungsanordnung der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art zu schaffen, die so ausgebildet ist, dass sie ohne zusätzliche Messsensoren den dem Brennraum eines Heizgerätes zugeführten Verbrennungsluft-Massenstrom auf einen vorgebbaren, von den momentan herrschenden Luftdruck-, Luftfeuchtigkeits- und/oder Lufttemperatur-Verhältnissen unabhängigen, konstanten Wert eingeregelt, der mit der fest vorgegebenen, pro Zeiteinheit zugeführten Brennstoffmenge eine optimale Verbrennung (λ = 1) liefert.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Anspruch 1 niedergelegten Merkmale vor.
Dieser Vorgehensweise liegen folgende Überlegungen zugrunde:
Bei einem Gebläsemotor ist der Drehmomentbedarf proportional zu dem vom Gebläse geförderten Verbrennungsluft-Massenstrom ṁ. Um diesen auf einem vorgegebenen Wert konstant zu halten, genügt es prinzipiell, das Drehmoment M des Gebläsemotors auf einen entsprechenden konstanten Wert einzuregeln.
Bei einem permanent erregten Elektromotor ist das Drehmoment M gemäß folgender Gleichung proportional zum Motorstrom I_M: M = I_M·k_M (1) wobei k_M die Motorstromkonstante ist, für die gilt: k_M = B_M·l·r, (2)
Dabei ist B_M die magnetische Flussdichte, l die Länge des Leiters der Motorwicklung und r dessen Radius zur Drehachse des Motors. Um einen konstanten Massenstrom ṁ zu erzielen, ist es somit erforderlich, für den Motorstrom I_M ei einen entsprechenden Wert vorzugeben.
Allerdings ist die magnetische Flussdichte B_M bei permanent erregten Motoren in starkem Maße von der Temperatur der Permanentmagnete abhängig. Beispielsweise sind Ferritmagnete bekannt, bei denen sich die magnetische Flussdichte B_M je 100 K (Kelvin) um etwa 20 % verändert; der Temperaturkoeffizient k_M ist hier also 2·10^–3/K. Dabei ist in dem hier interessierenden Temperaturbereich von –40° C bis 120° C die Temperaturabhängigkeit mit guter Genauigkeit linear.
Bei anderen Magetmaterialien, die im Rahmen der Erfindung ebenfalls zum Einsatz kommen können, gelten entsprechend andere Temperaturkoeffizienten, die der Fachmann ohne weiteres den Datenblättern der Hersteller der Permanentmagnete entnehmen kann.
Um ein konstantes Drehmoment M zu erzielen, ist gemäß der Erfindung eine den Motorstrom des Gebläsemotors kontrollierende Regelschleife vorgesehen, der jedoch kein konstanter sondern ein sich gemäß folgender Gleichung ändernder Sollmotorstrom I_Msoll vorgegeben wird: I_Msoll = I_Msoll0·(1 – (T_Magnete – T₀)·k_M)^–1 (3) wobei I_Msoll0 der durch Versuche zu ermittelnde Motorstrom ist, der bei der Referenztemperatur T₀ den gewünschten Verbrennungsluft-Massenstrom ṁ liefert, der in Verbindung mit der pro Zeiteinheit dem Brennraum zugeführten Brennstoffmenge eine optimale Verbrennung (λ-Wert = 1) liefert.
Gemäß der Erfindung wird also die Temperatur T_Magnete der Permanentmagnete oder eine mit dieser eng korrelierte Temperatur erfasst, aus der mithilfe einer Recheneinheit der sich mit der Temperatur T_Magnete ändernde Soll-Motorstrom I_Msoll gemäß Gleichung (3) berechnet wird, der dann als Führungsgröße für die Motorstrom-Regelung dient.
Da die Temperatur T_Magnete der Permanentmagnete im Regelfall nicht direkt gemessen werden kann, ist vorzugsweise vorgesehen, stattdessen einen aus Sicherheitsgründen ohnehin vorhandenen Temperatursensor einer nahe am Gebläsemotor befindlichen bzw. in das Gebläsemotorgehäuse integrierten Elektronik zu verwenden, für welche dann im eingeschwungenen Zustand gilt T_Magnete = T_Elektronik + ∆T_Magnete. (4)
Die Temperaturdifferenz ∆T_Magnete wird für die einzelnen Heizleistungen und damit die einzelnen Nenndrehzahlen während der Entwicklung des Heizgerätes ermittelt und als Parameter in einem Mikroprozessorspeicher hinterlegt.
Diese Näherung ist unkritisch, weil bei einem Heizgerät der Gebläsemotor nicht über den ganzen prinzipiell möglichen Drehzahlbereich sondern nur innerhalb enger Drehzahlgrenzen benutzt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt die einzige Figur eine stark vereinfachte schematische Darstellung der wesentlichen Teile einer erfindungsgemäßen Regelungsanordnung für den Verbrennungsluft-Gebläsemotor eines Heizgerätes.
In 1 ist ein Gebläsemotor 1 dargestellt, dessen Strom I_M mit Hilfe einer Regelschleife 3 so geregelt wird, dass das vom Gebläsemotor 1 abgegebene Drehmoment M und somit auch der vom Gebläsemotor 1 geförderte Verbrennungsluft-Massenstrom auf einem Wert konstant gehalten wird, der bei fest vorgegebener, pro Zeiteinheit dem Brennerraum (nicht dargestellt) des Heizgerätes zugeführter Brennstoffmenge zu einer weitestgehend vollständigen Verbrennung (λ = 1) führt.
Zu diesem Zweck umfasst die stark vereinfacht dargestellte Regelschleife 3 eine aus Regler und Stellglied bestehende Regeleinheit 5, die an ihrem Ausgang den dem Gebläsemotor 1 zugeführten Motorstrom I_M abgibt. Dessen Wert wird durch ein Messglied 6 gemessen, dessen Ausgangssignal in bekannter Weise mit negativem Vorzeichen auf einen Sollwert/Istwert-Vergleicher 8 rückgekoppelt wird.
Das dem anderen Eingang des Sollwert/Istwert-Vergleiches 8 zugeführte Signal besitzt gemäß der Erfindung keinen konstanten Wert, sondern wird von einer Rechner-Speicher-Einheit 10 als Führungsgröße I_Msoll in Abhängigkeit von der durch einen Temperatursensor 12 gemessenen Temperatur T_Elektronik gemäß der sich aus den Gleichungen (3) und (4) ergebenden Gleichung I_Msoll = I_Msoll0·(1 – (T_Elektronik + ∆T_Magnete – T₀)·k_M)^–1 (5) variiert, sodass die erforderliche Anpassung des Motorstroms I_M an die sich mit den Umgebungsbedingungen ändernde Temperatur der Erregermagnete T_Magnete des Gebläsemotors erfolgt.
Für Ferritmagnete mit einem entsprechenden Temperaturkoeffizienten k_M ergibt sich beispielsweise hieraus die Gleichung I_Msoll0 = I_Msoll0·(1 – (T_Elektronik + ∆T_Magnete – T₀)·2·10^–3/K)^–1 (6) wobei K für Kelvin steht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10144404 A1 [0005]

Claims

Regelungsanordnung für einen durch Permanentmagnete erregten Brennluft-Gebläsemotor (1), der dem Brennerraum eines mobilen Heizgerätes Verbrennungsluft zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgendes umfasst: einen Temperatursensor (12) zum Erfassen der Temperatur der Permanentmagnete T_Magnete des Brennluft-Gebläsemotors (1) und eine Regeleinrichtung (3), die dazu ausgebildet ist, den elektrischen Motorstrom des Brennluft-Gebläsemotors (1) mit Hilfe einer Führungsgröße I_Msoll auf einen Sollwert einzuregeln, wobei diese Führungsgröße I_Msoll in Abhängigkeit von der durch den Temperatursensor (12) erfassten Temperatur der Permanentmagnete T_Magnete veränderbar ist, um das vom Brennluft-Gebläsemotor (1) abgebbare Drehmoment auf einem vorgebbaren Wert konstant zu halten.
Regelungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eingerichtet ist, den Soll-Motorstrom I_Msoll in Abhängigkeit von der durch den Temperatursensor (12) erfassten Temperatur der Permanentmagnete T_Magnete nach der Gleichung I_Msoll = I_Msoll0(1 – (T_Magnete – T₀)k_M)^–1 zu verändern, wobei T₀ eine Referenztemperatur ist, bei welcher der für das betreffende Heizgerät zu einem optimalen Verbrennungsgemischverhältnis führende Motorstrom I_Msoll0 ermittelt wurde, und k_M der Temperaturkoeffizient der magnetischen Flussdichte der Permanentmagnete des Brennluft-Gebläsemotors (1) ist.
Regelungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (12) so angeordnet ist, dass er die Temperatur einer in unmittelbarer Nähe des Brennluft-Gebläsemotors (1) angeordneten Elektronik misst, aus der ein Näherungswert für die Temperatur der Magnete T_Magnete nach der Gleichung T_Magnete = T_Elektronik + ∆T_Magnete‘ berechenbar ist, wobei ∆T_Magnete ein für die einzelnen Heizleistungen ermittelter und in einem Mikroprozessorspeicher hinterlegter Parameter ist.
Mobiles, mit Brennstoff betriebenes Heizgerät, mit einem durch Permanentmagnete erregten Brennluft-Gebläsemotor (1), der dem Brennraum des Heizgerätes Verbrennungsluft zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizgerät mit einer Regelungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgestattet ist.