RU2813236C2 - Вентилятор и способ определения потока среды, перемещаемого вентилятором - Google Patents

Abstract

Описан вентилятор, при помощи которого может определяться объемный поток и/или массовый поток перемещаемой вентилятором (1) среды. Этот вентилятор включает в себя электродвигатель (2) и приводимое в движение этим электродвигателем (2) рабочее колесо (3), причем это рабочее колесо (3) перемещает газообразную среду в потоке среды от стороны (5) притока к стороне (7) оттока. Вентилятор включает в себя дополнительно систему датчиков давления, систему определения частоты вращения и блок оценки. Система датчиков давления выполнена для того, чтобы находить фактическую разность (Δp*) давлений между первой областью (10) и второй областью (13), при этом первая область (10) и/или вторая область (13) выполнена/выполнены в электродвигателе (2), при этом в первой области (10) действует давление (p_A), которое соответствует давлению (p₁), имеющемуся на стороне притока, при этом во второй области (13) действует давление (p_B), которое соответствует давлению (p₂), имеющемуся на стороне оттока. Система определения частоты вращения выполнена для того, чтобы находить фактическую частоту (n) вращения рабочего колеса (3). Наконец, блок оценки выполнен для того, чтобы на основе фактической разности (Δp*) давлений, фактической частоты (n) вращения и линии характеристики давления вентилятора (1) количественно определять массовый поток и/или объемный поток среды. Далее, раскрыт электродвигатель для этого вентилятора и соответствующий способ. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

Изобретение касается вентилятора для определения потока среды, перемещаемого вентилятором, включающего в себя электродвигатель и рабочее колесо, приводимого в движение электродвигателем, причем рабочее колесо перемещает газообразную среду в потоке среды от стороны притока к стороне оттока.

Далее, изобретение касается электродвигателя вентилятора, а также соответствующего способа.

Обычно вентилятор состоит из электродвигателя и рабочего колеса, приводимого в движение электродвигателем. Электродвигатель имеет статор и ротор, опертый с возможностью вращения относительно статора. Ротор связан с рабочим колесом.

Во время эксплуатации вентилятор нагнетает поток воздуха - далее также называемый обобщенно потоком среды - от стороны притока (чаще всего) через входное сопло и через рабочее колесо на сторону оттока. При этом на стороне притока имеется давление p₁, на стороне оттока - давление p₂. При этом оказывается, что, как правило, может создаваться однозначное соответствие разности Δp=p₂ - p₁ давлений по отношению к потоку среды, движимому вентилятором. Характеризующая это соответствие линия характеристики часто называется также «линией характеристики повышения статического давления», причем линия характеристики отнесена к калибровочной частоте вращения и калибровочной плотности воздуха и чаще всего может получаться во время калибровочных измерений.

Так как в очень хорошем приближении объемный поток пропорционален частоте вращения, а разность давлений пропорциональна квадрату частоты вращения, при любой, однако известной частоте вращения эта линия характеристики может использоваться для определения текущего объемного потока воздуха. Ведь из измеренной текущей имеющейся разности давлений и текущей имеющейся частоты вращения при использовании этих взаимосвязей путем обратного расчета может получаться линия характеристики.

Разность Δp давлений пропорциональна также плотности воздуха, поэтому при известной или оценочной плотности воздуха тоже может использоваться линия характеристики, даже если нет калибровочной плотности воздуха. При этом может определяться объемный поток воздуха. Так как как разность Δp давлений, так и массовый поток воздуха пропорционален плотности, без знания плотности может непосредственно определяться массовый поток воздуха. Таким образом, из измеренной разности Δp давлений, известной частоты вращения вентилятора и известной или оценочной плотности при текущей эксплуатации вентилятора может определяться объемный поток воздуха или, соответственно, без знания плотности массовый поток воздуха. Эти значения для объемного потока или массового потока могут применяться в вышестоящем регулировании, если, например, в каком-либо сценарии применения заданный объем воздуха должен перемещаться за единицу времени.

Недостатком этого определения объемного потока или, соответственно, массового потока является, что давления p₁ и p₂, действительно, могут без затруднений измеряться при калибровочных измерениях. Однако измерение в практических сценариях применения затруднительно, так как должны устанавливаться дополнительные датчики давления и соединяться кабелями с блоком оценки. Но нередко эти датчики по причинам, связанным с площадью, или по причинам, связанным с механической прочностью, не могут быть установлены. К тому же соединение кабелями датчиков существенно повышает издержки по установке. Поэтому эти способы на практике зачастую не применяются и являются дорогостоящими.

Из DE 10 2015 219 150 A1 известна система датчиков, которая интегрирована в корпус электроники электродвигателя. Напорный ввод и напорные шланги соединяют датчик внутри электродвигателя с соответствующим местом измерения вне двигателя. Эта система дает то преимущество, что к местам измерения должны прокладываться только напорные шланги, а внешнее соединение кабелями отпадает. При этом издержки на установку существенно уменьшаются. Тем не менее, прокладка напорных шлангов необходима, что все еще создает немаловажные издержки по установке и возможно не во всех сценариях применения.

Поэтому в основе настоящего изобретения лежит задача, выполнить и усовершенствовать вентилятор, электродвигатель и способ вышеназванного вида таким образом, чтобы было возможно надежное определение объемного потока или массового потока среды при низких издержках.

В соответствии с изобретением вышеназванная задача решается с помощью признаков п.1 формулы изобретения. Соответственно этому вентилятор, о котором идет речь, имеет систему датчиков давления, систему определения частоты вращения и блок оценки,

при этом система датчиков давления выполнена для того, чтобы находить фактическую разность давлений между первой областью и второй областью, при этом первая область и/или вторая область выполнена/выполнены в электродвигателе, при этом в первой области действует давление, которое соответствует давлению, имеющемуся на стороне притока, при этом во второй области действует давление, которое соответствует давлению, имеющемуся на стороне оттока;

при этом система определения частоты вращения выполнена для того, чтобы находить фактическую частоту вращения рабочего колеса; и

при этом блок оценки выполнен для того, чтобы на основе фактической разности давлений, фактической частоты вращения и линии характеристики давления вентилятора количественно определять массовый поток и/или объемный поток среды.

В отношении электродвигателя вышеназванная задача решается с помощью признаков п.15 формулы изобретения. Соответственно этому электродвигатель выполнен для вентилятора согласно изобретению и имеет статор и ротор, опертый с возможностью вращения относительно статора, причем этот ротор связан с рабочим колесом вентилятора.

В отношении способа вышеназванная задача решается с помощью признаков п.16 формулы изобретения. Соответственно этому способ включает в себя этапы:

определение фактической разности давлений между первой областью и второй областью, при этом первая область и/или вторая область выполнена/выполнены в электродвигателе, при этом в первой области действует давление, которое соответствует давлению, имеющемуся на стороне притока, при этом во второй области действует давление, которое соответствует давлению, имеющемуся на стороне оттока;

определение фактической частоты вращения рабочего колеса и

определение массового потока и/или объемного потока среды на основе фактической разности давлений, фактической частоты вращения и линии характеристики давления вентилятора.

Предлагаемым изобретением образом сначала было обнаружено, что для определения потока среды, перемещаемого вентилятором, не обязательно должны измеряться давления p₁ и p₂ на стороне притока и на стороне оттока. Более того, было обнаружено, что поток среды вызывает также вблизи двигателя и/или в двигателе изменения давления, которые тоже пригодны для определения потока среды. Было обнаружено, что измеренные вблизи двигателя и/или в двигателе давления могут использоваться совершенно аналогично давлениям p₁ и p₂, и имеется аналогичная зависимость плотности и частоты вращения от линии характеристики давления. Тогда только линия характеристики давления должна адаптироваться к применяемой в соответствии с изобретением сенсорной технике, что на практике, однако, не представляет собой препятствия. Таким образом может выполняться вентилятор или, соответственно, электродвигатель, в котором - без необходимости внешних датчиков или шлангов, проведенных к определенным местам измерения вне электродвигателя - может количественно определяться массовый поток и/или объемный поток среды, перемещаемой вентилятором. Благодаря этому может делаться количественное суждение о массовом потоке и/или объемном потоке. Это означает, что возможно количественное определение массового потока и/или объемного потока.

Вентилятор согласно изобретению имеет для этого систему датчиков давления, систему определения частоты вращения и блок оценки. Система датчиков давления выполнена для того, чтобы устанавливать фактическую разность давлений между первой областью и второй областью, при этом первая область и/или вторая область выполнена/выполнены в электродвигателе. Где конкретно выполнены первая и вторая область, зависит от каждого варианта осуществления электродвигателя, его относительного положения относительно рабочего колеса вентилятора, общей конструкции вентилятора и других конструктивных факторов. При этом важно, что в первой области действует давление, которое соответствует давлению, имеющемуся на стороне притока, и что во второй области действует давление, которое соответствует давлению, имеющемуся на стороне оттока. Каковы конкретно эти соответствия, для настоящего изобретения в конечном итоге нерелевантно, пока действует монотонная взаимосвязь между давлениями в первой или, соответственно, второй области и давлениями, имеющимися на стороне притока или на стороне оттока. Это означает, что между соответствующими в каждом случае давлениями должна иметься однозначная взаимосвязь, которая, однако, не обязательно должна быть известна. Ведь в конце концов эти взаимосвязи отображены в линии характеристики давления, так что это информация о взаимосвязях включается в нее.

Система определения частоты вращения выполнена для того, чтобы устанавливать частоту вращения рабочего колеса. Эта система определения частоты вращения может быть выполнена в виде выделенного датчика частоты вращения. Однако можно также, в частности в электронно-коммутируемых двигателях (EC-двигателях), использовать параметры, полученных из электроники двигателя. Чаще всего частота вращения там, так или иначе, нужна для регулирования и поэтому уже имеется. В этом варианте осуществления система определения частоты вращения может обращаться к этим уже имеющимся значениям.

Блок оценки выполнен для того, чтобы на основе установленной фактической разности давлений, установленной фактической частоты вращения и линии характеристики давления вентилятора (количественно) определять массовый поток и/или объемный поток среды. При этом линия характеристики давления воспроизводит зависимость между разностью давлений и объемном потоком, в каждом случае устанавливающимся при разности давлений. При этом линия характеристики давления была снята при калибровочной частоте вращения и калибровочной плотности воздуха. Так как, как уже указывалось ранее, объемный поток при очень хорошем приближении пропорционален частоте вращения, а разность давлений пропорциональна квадрату частоты вращения, при применении фактической частоты вращения путем обратного расчета получаться линия характеристики давлений. Так как разность давлений пропорциональна плотности среды, из известной или оценочной плотности среды путем обратного расчета получаться калибровочная плотность среды. Если вместо объемного потока среды должен определяться массовый поток среды, линия характеристики давления может также воспроизводить взаимосвязь между разностью давлений и соответствующим массовым потоком. При этом в целом получается вентилятор, у которого объемный поток или, соответственно, массовый поток среды, перемещаемой вентилятором, может определяться без необходимости осуществления обширных мер по установке. Более того, необходимая сенсорная техника и необходимые блоки могут интегрироваться в вентилятор уже на заводе, так что на месте применения вентилятора вентилятор должен только монтироваться и вводиться в эксплуатацию.

В принципе, несущественно, какую конструкцию конкретно имеет вентилятор. Осевые вентиляторы могут применяться точно так же, как и радиальные вентиляторы, диагональные вентиляторы или поперечно-поточные вентиляторы, чтобы только в качестве примера назвать четыре распространенных вида вентиляторов. Важно только, что поток среды, перемещаемый рабочим колесом вентилятора, приводит к описанным зависимостям давления в первой и второй области. Однако предпочтительно предлагаемый изобретением вентилятор представляет собой радиальный вентилятор, двигатель которого ориентирован к стороне притока или к стороне оттока. Без ограничения сущности, последующие рассуждения относятся к электродвигателю, который расположен на стороне оттока вентилятора. Но специалист поймет, что последующие рассуждения соответственно справедливы для других расположений электродвигателя относительно вентилятора.

В принципе, несущественно также, какая среда нагнетается предлагаемым изобретением вентилятором. Вентилятор может двигать самые разные газообразные среды, при этом вентилятор применяется предпочтительно для оттока воздуха.

При этом в конечном итоге также несущественно, в каком сценарии применения применяется вентилятор. Существенно, что вентилятор перемещает газообразную среду. Однако для какой цели это происходит, является второстепенным. Так, вентилятор может охлаждать поверхность теплообменника в кожухе кондиционера или служить для приточной или вытяжной вентиляции здания или помещения, чтоб указывается в качестве примера только как некоторые случаи применения.

В одном из вариантов осуществления система датчиков давления включает в себя первый датчик абсолютного давления и второй датчик абсолютного давления. При этом первый датчик абсолютного давления измеряет давление, которое действует в первой области, а второй датчик абсолютного давления давление, которое действует во второй области. При этом датчики абсолютного давления могут быть реализованы самыми разными, известными из практики датчиками. Важно только, чтобы датчики абсолютного давления были пригодны для измерения имеющейся в каждом случае газообразной среды и были достаточно чувствительны для измерения имеющегося в каждом случае давления. Однако это требование удовлетворить просто.

Для измерения давления, действующего в первой области, датчик абсолютного давления может быть расположен в первой области. Таким образом может особенно просто и без других конструктивных мер находиться давление в первой области. Альтернативно первый датчик абсолютного давления может быть также расположен вне первой области и соединен с первой областью шлангом. При этом альтернативном варианте осуществления на или в первом датчике абсолютного давления выполнена первая измерительная камера, которая соединена с первой областью шлангом. Таким образом в первой измерительной камере действует приблизительно такое же давление, что и в первой области, так что также благодаря этому может надежно измеряться давление в первой области. Благодаря применению такого шланга датчик может устанавливаться более гибко, так что первая область может быть выполнена также в местах, в которых для установки датчика не было бы места. Тем не менее, этот шланг может прокладываться внутри электродвигателя, так что прокладывание шлангов при инсталляции вентилятора в области применения также отпадает.

Соответствующее относится ко второму датчику абсолютного давления, который может быть расположен во второй области или во второй измерительной камере, соединенной шлангом со второй областью. Здесь соответственно справедливы вышеназванные рассуждения относительно первого датчика абсолютного давления.

В другом усовершенствованном варианте осуществления система датчиков давления включает в себя датчик разности давлений, который имеет первую поверхность датчика и вторую поверхность датчика. Тогда датчик разности давлений создает сигнал датчика, который зависит от разности давлений на первой поверхности датчика и на второй поверхности датчика. Таким образом фактическая разность давлений должна рассчитываться не из измеренных абсолютных значений, а уже непосредственно имеется в наличии. у выполненной таким образом системы датчиков давления первая поверхность датчика упомянутого датчика разности давлений подвергается воздействию давления в первой области, а вторая поверхность датчика упомянутого датчика разности давлений давления во второй области. При этом - так же, как и в варианте осуществления, имеющем два датчика абсолютного давления - поверхность датчика может находиться в прямом контакте с соответствующей областью, или шланг или воздушный канал может соединять соответствующую поверхность датчика применительно к давлению с соотнесенной областью. Пригодные для этого датчики разности давлений достаточно известны из практики.

У разных электродвигателей может встречаться, что разные области электродвигателя соединены друг с другом таким образом, что независимо от давлений, имеющихся на стороне оттока или на стороне притока, может происходить выравнивание давлений внутри отдельных областей. Поэтому у таких электродвигателей в усовершенствованном варианте может быть предусмотрена перегородка, которая выполнена внутри электродвигателя. Перегородка препятствует такому выравниванию давлений или по меньшей мере существенно уменьшает его. Таким образом, и у таких электродвигателей могут задаваться первые и вторые области. В конструкции электродвигателя с внешним ротором такая перегородка может быть установлена, например, в переходе между подшипниковой трубой и корпусом электроники на втулке статора.

В одном из вариантов осуществления первой области эта первая область образована в подшипниковой трубе. Для этого электродвигатель имеет особым образом выполненный вал двигателя, вокруг которого относительно статора электродвигателя может вращаться ротор или, соответственно, связанное с ротором рабочее колесо. При этом связь между рабочим колесом и ротором может осуществляться таким образом, что рабочее колесо соединено с валом двигателя через колпак ротора. При этом вал двигателя проводится через подшипниковую трубу электродвигателя и опирается с возможностью вращения посредством по меньшей мере одного подшипника. На практике очень часто применяются два подшипника, при этом по одному подшипнику запрессовано в один из обоих концов подшипниковой трубы. В этом варианте осуществления первой области вал двигателя имеет ввод, который соединяет отверстие на торцевом конце вала двигателя с отверстием на продольной стороне вала двигателя. Таким образом давление в подшипниковой трубе равно давлению, действующему на торцевом конце вала двигателя. Если снабженный отверстием торцевой конец вала двигателя ориентирован к стороне притока, в подшипниковой трубе таким образом образована первая область. Понятно, что при ориентации снабженного отверстием торцевого конца вала двигателя к стороне оттока, в принципе, в подшипниковой трубе также может образовываться вторая область.

Этот ввод выполнен в валу двигателя предпочтительно в виде сверления. При этом ввод может образовывать по существу центральное сверление в продольном направлении, а также поперечное сверление на продольной стороне вала двигателя, при этом центральное сверление и поперечное сверление предпочтительно переходят друг в друга. Какой диаметр и какое поперечное сечение имеет ввод, практически несущественно, пока сохраняется достаточная стабильность вала двигателя и обеспечено достаточное выравнивание давлений между торцевым отверстием и отверстием на продольной стороне. Также практически несущественно, в каком положении в продольном направлении выполнено отверстие на продольной стороне в валу двигателя. Важно, чтобы это отверстие не было расположено в той области, на которую напрессовывается подшипник. Однако это требование выполнить просто. Предпочтительно отверстие на продольной стороне выполнено в области середины вала двигателя, т.е. предпочтительно в области от 40% до 60% длины вала двигателя.

Для измерения давления в подшипниковой трубе в подшипниковой трубе может быть расположен блок датчиков. Такой блок датчиков известен, например, из DE 10 2018 211 833 A1, на содержание которой настоящим делается непосредственная ссылка. Посредством такого блока датчиков действующее внутри подшипниковой трубы давление может измеряться особенно просто и сообщаться блоку оценки.

В другом варианте осуществления первой области эта область выполнена на конце вала двигателя. И здесь ротор электродвигателя или, соответственно, связанное с ротором рабочее колесо вентилятора соединено с валом двигателя, который ведет через подшипниковую трубу в электродвигатель и оперт с возможностью вращения посредством по меньшей мере одного подшипника. Однако этот вал двигателя включает в себя ввод, который соединяет друг с другом отверстия на двух торцевых концах вала двигателя. Это означает, что отверстие на одном торцевом конце вала двигателя через ввод соединено с отверстием на противоположном торцевом конце вала двигателя. Если один торцевой конец вала двигателя указывает к стороне притока вентилятора, у противоположного торцевого конца вала двигателя может быть выполнена первая область. И в этом варианте осуществления несущественно, каким образом и с каким диаметром выполнен ввод. Существенно, чтобы вал двигателя имел достаточную стабильность, и чтобы ввод допускал достаточное выравнивание давления между торцевыми отверстиями. Однако это требование реализовать просто. И здесь следует понимать, что, если один торцевой конец указывает в направлении стороны оттока вентилятора, на противоположном торцевом конце вала двигателя может быть образована вторая область.

В другом варианте осуществления первой области эта область может быть выполнена у воздушного зазора. Во многих случаях корпус электродвигателя вентилятора выполнен таким образом, что между ротором и статором электродвигателя имеются воздушные зазоры для отвода тепла от электродвигателя. У этих воздушных зазоров может действовать давление, которое соответствует давлению на стороне притока или находится с ним в определенном отношении. Поэтому такой воздушный зазор может также служить для образования первой области. И здесь следует понимать, что у этого воздушного зазора может быть образована вторая область, если действующее там давление по тенденции соответствует давлению на стороне оттока.

В одном из вариантов осуществления второй области эта область может быть выполнена в корпусе электроники. Если корпус электроники выполнен на электродвигателе на стороне оттока, оказалось, что действующее там статическое давление соответствует давлению на стороне оттока. Поэтому вторая область может быть выполнена в корпусе электроники. И здесь очевидно, что ориентированный к стороне притока корпус электроники пригоден для образования первой области в корпусе электроники.

Для определения объемного потока среды требуется значение плотности, которое указывает плотность нагнетаемой среды. В одном из вариантов осуществления это значение может оцениваться или передаваться вышестоящим блоком управления в блок оценки. В другом варианте осуществления вентилятор имеет датчик температуры и/или датчик влажности, при этом датчик температуры измеряет температуру среды, перемещаемой вентилятором, а датчик влажности содержание влаги перемещаемой вентилятором среды. Тогда значения измерений, полученные датчиком температуры и/или датчиком влажности, могут передаваться в блок оценки для зависит определения плотности среды. Так как плотность газообразной среды по существу от влажности и температуры среды, таким образом может относительно точно определяться плотность среды. Соответственно блок оценки может быть выполнен дополнительно для того, чтобы на основе полученных значений измерений определять плотность среды.

В одном из усовершенствованных вариантов вентилятор имеет память, в которой сохранены одна или несколько линий характеристики давления. Блок оценки может быть коммуникативно соединен с памятью, так чтобы блок оценки при определении объемного потока и/или массового потока среды мог обращаться к какой-либо сохраненной в памяти линии характеристики давления. Память может дополнительно использоваться блоком оценки для сохранения установленных значений объемных потоков и/или массовых потоков среды, полученных фактических частот вращения, определенных/полученных фактических разностей давлений и/или других значений, возникающих во время эксплуатации вентилятора. При этом память предпочтительно образована энергонезависимой памятью, которая даже после прекращения снабжения напряжением содержит сохраненные значения. Эта память может быть выполнена самым разным образом. В качестве примера можно сослаться на применение Flash-памяти, EEPROM (Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory), NVRAM (Non-volatile Random Access Memory) или другой полупроводниковой памяти.

В одном из усовершенствованных вариантов вентилятор включает в себя блок связи, посредством которого определенные блоком оценки значения объемного потока и/или массового потока могут сообщаться блоку менеджмента и/или вышестоящему блоку регулирования. Блок связи может быть выполнен самым разным образом, и могут применяться самые разные стандарты и технологии связи для передачи данных от и к этому блоку связи. Цифровые технологии передачи могут использоваться точно так же, как и аналоговые. Передача может осуществляться проводным или беспроводным путем. Могут использоваться параллельные или последовательные интерфейсы передачи. Передача может осуществляться пакетами или по прямым соединениям. Только в качестве примера, однако не ограничиваясь этим, ссылаемся на применение Bluetooth, Bluetooth LE (Low Energy), NFC (Near Field Communication), Ethernet, RS485, Modbus, Profibus, CAN-Bus или USB (Universal Serial Bus).

Если блок связи используется для связи с блоком менеджмента, блок менеджмента может быть сконструирован и использоваться по-разному. Так, возможно, чтобы блок менеджмента запоминал значения информации о перемещаемой среде и предоставлял их, например, в рамках среды Industrie 4.0. Альтернативно или дополнительно блок менеджмента может быть также выполнен для того, чтобы посылать в вентилятор уставки номинальных значений и/или значения плотности перемещаемой среды. Тогда блок менеджмента вместе с вентилятором может образовывать одну систему.

Если блок связи используется для связи с вышестоящим блоком регулирования, этот блок регулирования может образовывать одну систему с вентилятором и регулировать вентилятор, например, на заданное номинальное нагнетаемое количество (массовый поток, объемный поток).

Электродвигатель вентилятора может быть выполнен разным образом. Синхронные двигатели могут применяться так же, как и асинхронные двигатели или двигатели постоянного тока. Предпочтительно электродвигатель выполнен в виде электронно-коммутируемого двигателя (EC-двигателя). В высшей степени предпочтительным образом электродвигатель выполнен в виде двигателя с внешним ротором.

Основной частью предлагаемого изобретением вентилятора является предлагаемый изобретением электродвигатель, в котором могут быть расположены все существенные элементы для определения потока среды, перемещаемого вентилятором. Такой электродвигатель имеет статор и опертый с возможностью вращения относительно этого статора ротор, при этом ротор связан с рабочим колесом вентилятора. В предлагаемый изобретением электродвигатель могут быть интегрированы система датчиков давления, система определения частоты вращения и блок оценки. Для этой интеграции предлагается отсек электроники, который образован внутри корпуса электроники электродвигателя. Благодаря этой или другой интеграции система датчиков давления, система определения частоты вращения и блок оценки становится интегральной составной частью электродвигателя, так что каждый из этих блоков постоянно связаны с электродвигателем.

Предлагаемый изобретением способ, который, в частности, использует предлагаемый изобретением вентилятор и при котором вентилятор включает в себя электродвигатель и рабочее колесо, приводимое в движение электродвигателем, включает в себя этапы определения фактической разности давлений, определения фактической частоты вращения рабочего колеса и (количественного) определения объемного потока и/или массового потока на основе фактической разности давлений, фактической частоты вращения и линии характеристики давления вентилятора. При этом может быть предусмотрен процессор, в частности микропроцессор, который выполняет расчеты и управляет этапами способа.

Используемая предлагаемым изобретением вентилятором, предлагаемым изобретением электродвигателем и/или предлагаемым изобретением способом линия характеристики давления может быть получена разными способами. Так, возможно, чтобы линия характеристики давления определялась для конструктивно одинакового вентилятора в виде типовой линии характеристики, и при производстве другого вентилятора того же типа эта типовая линия характеристики закладывалась в память другого вентилятора. Так как вентиляторы одного и того же типа большей частью похожи, таким образом очень просто одна линия характеристики давления может распределяться на множество вентиляторов. Если важна точность линии характеристики давления и должны практически устраняться разбросы параметров экземпляров вентиляторов, предлагается для каждого отдельного вентилятора выполнять индивидуальные калибровочные измерения и закладывать их в память вентилятора. В том и другом случаях могут также выполняться несколько калибровочных измерений, и линия характеристики давления может рассчитываться как среднее значение разных калибровочных измерений. Возможно также, чтобы линия характеристики давления определялась и закладывалась в зависимости от случая применения и предпочтительно одновременно в зависимости от типа, так как она в определенной мере может быть зависима от ситуации монтажа вентилятора. В этом случае для пользователя в вентиляторе предпочтительно имплементирована процедура, как может закладываться эта линия характеристики давления.

Итак, есть разные возможности выполнить и усовершенствовать идею настоящего изобретения предпочтительным образом. Для этого, с одной стороны, надо сослаться на пункты формулы изобретения, зависимые от соответствующих независимых пунктов формулы изобретения, а с другой стороны, на последующее пояснение предпочтительных примеров осуществления изобретения с помощью чертежа. В связи с пояснением предпочтительных примеров осуществления изобретения с помощью чертежа поясняются также вообще предпочтительные варианты осуществления и усовершенствованные варианты изобретения. На чертеже показано:

фиг.1: сечение примерного вентилятора согласно уровню техники;

фиг.2: первый пример осуществления предлагаемого изобретением вентилятора, имеющего полый вал и отделенную перегородкой первую и вторую область;

фиг.3: график зависимости разных разностей давлений нагнетаемого вентилятором объемного потока;

фиг.4: увеличенное изображение области перегородки при примерном расположении датчика абсолютного давления, причем на увеличенном изображении показан вариант осуществления, аналогичный фиг.2;

фиг.5: увеличенное изображение области перегородки с другим примерном расположением датчика абсолютного давления, причем на увеличенном изображении показан вариант осуществления, аналогичный фиг.2;

фиг.6: сечение второго примера осуществления предлагаемого изобретением вентилятора, имеющего частично полый вал, первую область в подшипниковой трубе и вторую область в корпусе электроники;

фиг.7: одна из модификаций примера осуществления в соответствии с фиг.6, при которой фактическая разность давлений измеряется посредством датчика разности давлений;

фиг.8: сечение электродвигателя третьего примера осуществления предлагаемого изобретением вентилятора, имеющего датчик разностей и образованную в корпусе электроники первую область и образованную вне корпуса электроники вторую область;

фиг.9: сечение электродвигателя четвертого примера осуществления предлагаемого изобретением вентилятора, имеющего датчик разности давлений и образованный напорным каналом ввод к первой области и

фиг.10: один из вариантов четвертого примера осуществления предлагаемого изобретением вентилятора в соответствии с фиг.9.

На фиг.1 показано сечение примерного вентилятора, который известен из уровня техники и на котором основаны каждый из описанных ниже примеров осуществления. При описании этого известного вентилятора элементы, которые встречаются или могут встречаться также у одного из примеров осуществления предлагаемого изобретением вентилятора, снабжены теми же самыми ссылочными позициями, что и в этих примерах осуществления.

Изображенный на фиг.1 вентилятор включает в себя электродвигатель 2 и рабочее колесо 3, которое оперто относительно электродвигателя 2 с возможностью вращения вокруг вала 4 двигателя и приводится в движение электродвигателем 2. Рабочее колесо 3 и вместе с тем вентилятор перемещает поток среды - в настоящем случае поток воздуха - со стороны 5 притока через входное сопло 2 и рабочее колесо 3 к стороне 7 оттока. На стороне оттока на электродвигателе 2 расположен корпус 8 электроники, в котором может быть расположена электроника электродвигателя. Эта электроника может, например, генерировать систему сигналов питания, причем система сигналов питания может создавать в электродвигателе вращающееся поле, которое вызывает вращательное движение ротора. При эксплуатации вентилятора на стороне притока устанавливается давление p₁, а на стороне оттока - давление p₂. На основании этого можно рассчитывать разность Δp=p₂ - p₁ давлений. Эта разность давлений и поток среды, перемещаемый рабочим колесом, имеют определенную зависимость, которая в качестве примера изображена на графике в соответствии с фиг.3 в виде сплошной линии. Этот вентилятор образует исходную точку для описанных ниже примеров осуществления предлагаемого изобретением вентилятора.

Первый пример осуществления предлагаемого изобретением вентилятора изображен на фиг.2. Вентилятор 1 имеет конструкцию, похожую на конструкцию вентилятора, изображенного на фиг.1. Вал 4ʽ двигателя настоящего вентилятора 1 включает в себя ввод 9, который соединяет отверстие на торцевом конце вала 4ʽ двигателя с отверстием на противоположном торцевом конце вала 4ʽ двигателя. Ввод 9 выполнен в виде центрального сверления, так что вал 4ʽ двигателя представляет собой полый вал. Таким образом на обращенном от стороны 5 притока торцевом конце вала 4ʽ двигателя устанавливается давление p_A, которое соответствует давлению p₁ на стороне притока. Область, имеющая давление p_A, может образовывать первую область 10 в смысле настоящего изобретения.

Чтобы предотвратить выравнивание давлений, в корпусе 8 электроники расположена перегородка 11, которая закреплена на плате 12 электроники двигателя или непосредственно на дне корпуса электроники. Таким образом, во-первых, предотвращается попадание в корпус электроники грязи и влаги со стороны притока. Во-вторых, благодаря этой перегородке 11 возникает раздел, отделяющий первую область 10 от второй области 13. При этом перегородка 11 и плата 12 вместе предотвращают выравнивание давления между областями 10 и 13, имеющими давления p_A или, соответственно, p_B.

Во второй области 13 устанавливается (статическое) давление p_B, которое соответствует давлению p₂ на стороне оттока. С помощью первого и второго датчика 14, 15 абсолютного давления измеряются давления p_A, p_B, при этом каждый из двух датчиков абсолютного давления на фиг.2 расположены на плате 12 электроники двигателя. Фактическая разность Δp* давлений получается по Δp*=p_B - p_A. Эта фактическая разность Δp* давлений, точно так же, как и фактическая разность Δp давлений, имеет зависимость от перемещаемого вентилятором объемного потока. Эта взаимосвязь показана на чертеже фиг.3 в виде штриховой линии. Понятно, что две изображенные линии характеристики давления (сплошная и штриховая линия) приблизительно пропорциональны друг другу. К тому же обе линии характеристики давления, по меньшей мере в релевантной изображенной области, представляют собой строго монотонно спадающую функцию объемного потока. При этом линия Δp* характеристики давления (по меньшей мере в этой области линии характеристики) может использоваться для определения объемного потока и/или массового потока перемещаемой вентилятором среды. Это показывает, что при предлагаемом изобретением вентиляторе может локально осуществляться измерение разности давлений в области двигателя, чтобы получать в области двигателя компактную и локальную системы для определения объемного потока или, соответственно, массового потока при эксплуатации, без необходимости вести электрические провода или шланги от двигателя. При использовании разности Δp* давлений в вентиляторе должна быть только сохранена калибровочная линия характеристики, относящаяся к соответствующей локальной разности Δp* давлений. При этом с зависимостями плотности и частоты вращения следует обращаться, как уже описано в другом месте.

На фиг.4 и 5 изображены два возможных расположения первого датчика 14 абсолютного давления в увеличенном изображении, причем на увеличенном изображении показан вариант осуществления, аналогичный фиг.2. На фиг.4 первый датчик 14 абсолютного давления - как и на фиг.2 - расположен на плате 12 электроники двигателя. Перегородка 11 образована полым цилиндрическим конструктивным элементом, например, из пластика. На фиг.5 первый датчик абсолютного давления расположен прямо напротив обращенного к электронике конца вала 4ʽ двигателя. Для этого верхняя поверхность перегородки 11 может быть образована платой 16, которая посредством кабеля (например, плоского ленточного кабеля) может быть соединена с платой 12 и вместе с тем с электроникой двигателя.

На фиг.6 изображен второй пример осуществления предлагаемого изобретением вентилятора 1ⁱ. В этом примере осуществления вал 4ʽʽ двигателя только в некоторых частях выполнен в виде полого вала. Ввод 18 соединяет отверстие на торцевом конце вала 4ʽʽ двигателя с отверстием на продольной стороне вала 4ʽʽ двигателя. Ввод 18 образован центральным сверлением, доходящим примерно до середины продольной стороны вала 4ʽʽ двигателя, и поперечным сверлением. Торцевой конец вала 4ʽʽ двигателя, имеющий отверстие для ввода 18, ориентирован к стороне 5 притока. При этом может возникать выравнивание давлений между стороной 5 притока и подшипниковой трубой 19. Таким образом в подшипниковой трубе 19 образована первая область 10 в смысле настоящего изобретения, и там устанавливается давление p_A. Это давление p_A может измеряться, например, системой 20 датчиков, которая введена в подшипниковую трубу 19 и в деталях описана в DE 10 2018 211 833 A1. Эта система 20 датчиков может включать в себя первый датчик 14 абсолютного давления, который измеряет давление p_A. Так как подшипники 21 на двух концах подшипниковой трубы 19 не предотвращают выравнивание давления в подшипниковой трубе 19 и являются проницаемыми, в этом примере осуществления также расположена перегородка 11, которая отделяет первую область 10 и образованную в корпусе 8 электроники вторую область 13. В других примерах осуществления возможно также, чтобы не была выполнена перегородка и применялись подшипники, которые предотвращают выравнивание давления. Второй датчик 15 абсолютного давления может измерять давление p_B, действующее во второй области 13.

Очень похожий вариант осуществления предлагаемого изобретением вентилятора изображен на фиг.7. В противоположность фиг.6, у вентилятора 1ⁱⁱ нет системы 20 датчиков в подшипниковой трубе 19. Вместо этого находит применение датчик 22 разности давлений. Первый разъем, который предоставляет доступ к не изображенной первой поверхности датчика, шлангом 23 и перегородкой 11 соединен с первой областью 10, так что к этой первой поверхности датчика прикладывается давление p_A первой области, в частности если возможно выравнивание давлений через расположенный со стороны электроники подшипник 21. Второй разъем, который предоставляет доступ к тоже не изображенной второй поверхности датчика, открыт в направлении внутреннего пространства корпуса 8 электроники, так что к этой второй поверхности датчика прикладывается давление p_B внутри корпуса 8 электроники и вместе с тем внутри второй области 13. Таким образом датчик 22 разности давлений может измерять фактическую разность Δp* давлений.

На фиг.8 показан электродвигатель 2ⁱⁱⁱ третьего примера осуществления предлагаемого изобретением вентилятора. Похожим на первый пример осуществления образом, в соответствии с фиг.2, вал 4ʽ двигателя этого электродвигателя 2ⁱⁱⁱ выполнен в виде полого вала. Однако в этом примере осуществления нет перегородки, так что в корпусе 8 электроники устанавливается давление p_A, которое соответствует давлению на стороне 5 притока. Поэтому в этом примере осуществления первая область 10 в смысле настоящего изобретения образована в корпусе 8 электроники. Вторая область 13 в этом примере осуществления образована вне электродвигателя 2ⁱⁱⁱ, а именно, вблизи наружной поверхности корпуса 8 электроники. Датчик 22 разности давлений, который расположен на плате 12 электроники двигателя, измеряет фактическую разность Δp* давлений. Первый разъем датчика 22 разности давлений оставлен здесь открытым в направлении внутренней области корпуса 8 электроники, так что на первой поверхности датчика действует давление p_A первой области. Второй разъем датчика 22 разности давлений соединен шлангом или каналом 23 через стенку корпуса 8 электроники со второй областью 13. Таким образом датчик 22 разности давлений и в этом примере осуществления измеряет разность Δp* давлений, которая предназначена для определения объемного потока и/или массового потока перемещаемой вентилятором среды.

На фиг.9 показан электродвигатель 2^iv четвертого примера осуществления предлагаемого изобретением вентилятора. Датчик 22 разности давлений регистрирует фактическую разность Δp* давлений, при этом первая я поверхность датчика упомянутого датчика 22 разности давлений регистрирует давление p_A, а вторая поверхность датчика - давление p_B. Первая область 10 образована во внутреннем пространстве корпуса 8 электроники. Соединение со стороной 5 притока возникает через напорный канал 28, например, в виде паза. В одном из возможных вариантов осуществления напорный канал 28 ведет от внутреннего пространства корпуса 8 электроники через статор 27 в область вблизи прохода 25 для воздуха. Через этот проход 25 для воздуха, выполненный, например, в виде отверстия для конденсата или отверстия для охлаждения, получается доступ к давлению p_A или, соответственно, коррелируемому с ним значению первой поверхности датчика упомянутого датчика 22. При этом имеет второстепенное значение, располагается ли напорный канал 28 прямо в непосредственной близости к проходу 25 для воздуха, или привязывается любая область воздушного зазора 26. Имеет значение только, что считываемое давление p_A коррелирует с давлением p₁ стороны 5 притока. Полноты ради, следует указать, что в примерах осуществления, в которых колпак 24 ротора двигателя обращен к стороне 7 оттока вместо стороны 5 притока, области давлений p₁ и p₂, или, соответственно, p_A и p_B возникают, меняясь друг с другом местами относительно двигателя.

На фиг.10 показан один из вариантов электродвигателя 2^V примера осуществления в соответствии с фиг.9. И здесь используется напорный канал 28 через ротор 27 электродвигателя 2^V. Однако первая поверхность датчика упомянутого датчика 22 разности давлений напрямую соединена шлангом 23 с напорным каналом 28.

В отношении других предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретением вентилятора, предлагаемого изобретением электродвигателя и предлагаемого изобретением способа во избежание повторов ссылаемся на общую часть описания, а также на прилагаемые пункты формулы изобретения.

Наконец, следует непосредственно указать, что описанные выше примеры осуществления служат только для рассмотрения заявленной теории, однако не ограничивают ее этими примерами осуществления.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 Вентилятор

2 Электродвигатель

3 Рабочее колесо

4 Вал двигателя

5 Сторона притока

6 Впускное сопло

7 Сторона оттока

8 Корпус электроники

9 Ввод

10 Первая область

11 Перегородка

12 Плата электроники двигателя

13 Вторая область

14 Первый датчик абсолютного давления

15 Второй датчик абсолютного давления

16 Плата для датчика

17 Кабель

18 Ввод

19 Подшипниковая труба

20 Cистема датчиков

21 Подшипник

22 Датчик разности давлений

23 Шланг

24 Колпак ротора

25 Проход для воздуха

26 Воздушный зазор

27 Статор, обмотка

28 Напорный канал

Claims (24)

1. Вентилятор для определения массового потока и/или объемного потока среды, перемещаемой вентилятором (1), включающий в себя электродвигатель (2) и рабочее колесо (3), приводимое в движение электродвигателем (2), причем рабочее колесо (3) перемещает газообразную среду в массовом потоке и/или объемном потоке среды от стороны (5) притока к стороне (7) оттока,

отличающийся системой датчиков давления, системой определения частоты вращения и блоком оценки,

при этом система датчиков давления выполнена для определения фактической разности (Δp*) давлений между первой областью (10) и второй областью (13), при этом первая область (10) и/или вторая область (13) выполнена/выполнены в электродвигателе (2), при этом в первой области (10) действует давление (p_A), которое соответствует давлению (p₁), имеющемуся на стороне притока, при этом во второй области (13) действует давление (p_B), которое соответствует давлению (p₂), имеющемуся на стороне оттока,

при этом система определения частоты вращения выполнена для определения фактической частоты (n) вращения рабочего колеса (3),

при этом блок оценки выполнен для того, чтобы на основе фактической разности (Δp*) давлений, фактической частоты (n) вращения и линии характеристики давления вентилятора (1) определять массовый поток и/или объемный поток среды,

при этом вентилятор содержит перегородку (11), которая выполнена внутри электродвигателя (2), причем перегородка (11) препятствует или по меньшей мере существенно уменьшает выравнивание давлений между первой областью (10) и второй областью (13).

2. Вентилятор по п.1, отличающийся тем, что система датчиков давления включает в себя первый и второй датчик (14, 15) абсолютного давления, при этом первый датчик (14) абсолютного давления измеряет давление (p_A) в первой области (10), а второй датчик (15) абсолютного давления давление (p_B) - во второй области (13).

3. Вентилятор по п.2, отличающийся тем, что первый датчик (14) абсолютного давления расположен в первой области (10) или в первой измерительной камере, соединенной шлангом или каналом (23) с первой областью (10).

4. Вентилятор по п.2 или 3, отличающийся тем, что второй датчик (15) абсолютного давления расположен во второй области (13) или во второй измерительной камере, соединенной шлангом или каналом (23) со второй областью (13).

5. Вентилятор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что система датчиков давления включает в себя датчик (22) разности давлений, при этом первая поверхность датчика упомянутого датчика (22) разности давлений подвергается воздействию давления (p_A) в первой области (10), а вторая поверхность датчика упомянутого датчика (22) разности давлений давления (p_B) - во второй области (13).

6. Вентилятор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что рабочее колесо (3) соединено с валом (4ʽʽ) двигателя, причем вал (4ʽʽ) двигателя проведен через подшипниковую трубу (19) в электродвигателе (2) и оперт с возможностью вращения посредством по меньшей мере одного подшипника (21), причем вал (4ʽʽ) двигателя включает в себя ввод (18), который соединяет отверстие на торцевом конце вала (4ʽʽ) двигателя с отверстием на продольной стороне вала (4ʽʽ) двигателя, и причем первая область (10) или вторая область (13) выполнена в подшипниковой трубе (19).

7. Вентилятор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что рабочее колесо (3) соединено с валом (4ʽ) двигателя, причем вал (4ʽ) двигателя проведен через подшипниковую трубу (19) в электродвигателе (2) и оперт с возможностью вращения посредством по меньшей мере одного подшипника (21), причем вал (4ʽ) двигателя включает в себя ввод (9), который соединяет друг с другом отверстия на обоих торцевых концах вала (4ʽ) двигателя, и причем первая область (10) или вторая область (13) выполнена на одном из обоих торцевых концов вала (4ʽ) двигателя.

8. Вентилятор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что первая область (10) выполнена у воздушного зазора, причем воздушный зазор выполнен между ротором и статором электродвигателя (2) и создает соединение между окружающей средой электродвигателя и первой областью (10) или второй областью (13).

9. Вентилятор по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что на стороне оттока на электродвигателе (2) выполнен корпус (8) электроники, и причем вторая область (13) или первая область (10) выполнена в корпусе (8) электроники.

10. Вентилятор по любому из пп.1-9, отличающийся датчиком температуры и/или датчиком влажности, при этом датчик температуры измеряет температуру перемещаемой вентилятором (1) среды, а датчик влажности - влажность перемещаемой вентилятором (1) среды, и при этом значения измерений, полученные датчиком температуры и/или датчиком влажности, передаются в блок оценки для определения плотности среды.

11. Вентилятор по любому из пп.1-10, отличающийся памятью, причем в памяти сохранена линия характеристики давления.

12. Вентилятор по любому из пп.1-11, отличающийся блоком связи, посредством которого значения для массового потока и/или объемного потока, определенные блоком оценки, могут сообщаться блоку менеджмента и/или вышестоящему блоку регулирования.

13. Вентилятор по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что электродвигатель выполнен в виде электронно-коммутируемого двигателя - EC-двигателя.

14. Электродвигатель для вентилятора по любому из пп.1-13, причем электродвигатель имеет статор и ротор, опертый с возможностью вращения относительно статора, и при этом ротор связан с рабочим колесом вентилятора.

15. Способ определения массового потока и/или объемного потока среды, перемещаемой вентилятором, в частности вентилятором по любому из пп.1-13, причем вентилятор (1) включает в себя электродвигатель (2) и рабочее колесо (3), приводимое в движение электродвигателем (2), причем способ включает в себя этапы:

определение фактической разности (Δp*) давлений между первой областью (10) и второй областью (13), при этом первая область (10) и/или вторая область (13) выполнена/выполнены в электродвигателе (2), при этом в первой области (10) действует давление (p_A), которое соответствует давлению (p₁), имеющемуся на стороне притока, при этом во второй области (13) действует давление (p_B), которое соответствует давлению (p₂), имеющемуся на стороне оттока;

определение фактической частоты (n) вращения рабочего колеса (3) и

определение объемного потока и/или массового потока среды на основе фактической разности (Δp*) давлений, фактической частоты (n) вращения и линии характеристики давления вентилятора (1).

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что линию характеристики давления определяют во время калибровочного измерения вентилятора (1) или вентилятора такого же типа.