WO2021115647A1 - Electrical orbiter vacuum pump having optimised control - Google Patents

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WO2021115647A1
WO2021115647A1 PCT/EP2020/075959 EP2020075959W WO2021115647A1 WO 2021115647 A1 WO2021115647 A1 WO 2021115647A1 EP 2020075959 W EP2020075959 W EP 2020075959W WO 2021115647 A1 WO2021115647 A1 WO 2021115647A1
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orbiter
control device
control
electric motor
rotor
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PCT/EP2020/075959
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Conrad Nickel
Jakob Schnitzer
Franz Pawellek
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Nidec Gpm Gmbh
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    • F04C2270/10Voltage
    • F04C2270/105Controlled or regulated

Definitions

  • the invention relates to an electric vacuum pump for gaseous media of the orbiter pump type with an optimized electromotive control.
  • 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 as well to operate a central locking system or to open and close headlight flaps.
  • vacuum pumps can generally be used to supply negative pressure to electropneumatic valves or pneumatic actuators.
  • Circulating displacement pumps such as vane pumps or rotary vane pumps, which have a large number of working chambers, are widespread.
  • V acuumpumps with a large number of working chambers generally have a comparatively complex structure or a correspondingly high number of movable and sealing components, such as, for example, blades mounted in a radially sliding manner.
  • pump types of this type are associated with comparatively higher manufacturing costs for the components and assembly.
  • moving components are comparatively less robust and more susceptible to contamination in the gaseous pumping medium.
  • rotary lobe pumps 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.
  • 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 is required for the technical implementation, which records the position of the rotor detected. There is a need for a similar improvement to the aforementioned Orbiter vacuum pump.
  • 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.
  • the electric orbiter vacuum pump is characterized in particular by the fact 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 .
  • the invention thus provides for the first time an electric orbiter vacuum pump which enables sensorless torque control in relation to the rotating displacement process.
  • 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 battery 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 speed over one revolution of the shaft despite a fluctuation in a torque required for the displacement process.
  • the control device controls the stator current, which sets the drive torque in relation to an angular position of the Rotor influences.
  • a constant angular speed of the orbiter eccentric piston is therefore regulated based on sensorless detection.
  • 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.
  • stator and rotor field are always kept at right angles to one another.
  • 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.
  • field-oriented Regulation regulate the torque and the flux independently, which enables a fast, dynamic response to load fluctuations.
  • 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.
  • a more efficient control and a more inefficient control of a dynamic drive torque with regard 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.
  • 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.
  • FIG. 1 shows a cross section through the pump chamber of an Orbiter V acuumpump, in which the regulation according to the invention is implemented;
  • FIG. 2 shows an axial cross section through the orbiter vacuum pump according to the invention through the section line BB in FIG. 1.
  • the orbiter vacuum pump driven by an electric motor, is formed from a pump housing 1 which comprises a pump chamber 2 with a cylindrical chamber wall, which is arranged in the pump housing 1 and is closed off by a pump cover.
  • a shaft 9 is rotatably mounted by means of a shaft bearing 11.
  • An eccentric disk 12 with an eccentrically arranged crank pin is fixed on the shaft 9. The eccentric disk 12 engages with the crank pin in the center of a cylindrical orbiter eccentric piston 3 designed as a piston drum.
  • the eccentric disk 12 executes a rotary movement of the orbiter eccentric piston 3 through the pump chamber 2, a circumferential sliding contact of the orbiter eccentric piston 3 with the cylindrical chamber wall being maintained.
  • a guide slot 4 is arranged, which slidably receives a locking slide 5.
  • the locking slide 5 is pivotably mounted at a free end in the chamber wall and extends through the pump chamber 2 to the orbiter eccentric piston 3.
  • a pivot bearing 15 is arranged between an inlet opening 6 and an outlet opening 7 in the chamber wall.
  • a section of the locking slide 5, which is opposite the pivotably mounted end slides into and out of the guide slot 4.
  • the pump chamber 2 is divided into two volumes on both sides of the locking slide 5, one of which communicates with the inlet opening 6 and one with the outlet opening 7.
  • the volumes on both sides of the locking slide 5 change with the circumferential sliding contact between the orbiter eccentric piston 3 and the cylindrical chamber wall in equal proportions in opposite directions, so that a cyclical displacement process within one revolution of the shaft 9 or one Orbital movement of the orbiter eccentric piston 3 is completed.
  • a torque required for the displacement process increases during the orbital movement of the orbiter eccentric piston 3 during the increase in the volume communicating with the inlet 6 and drops abruptly when a maximum volume is reached.
  • the illustration in FIG. 1 shows a position of the orbiter eccentric piston 3 shortly before top dead center, in which the volume of the pump chamber 2 communicating with the inlet 6 has reached an almost maximum volume and is then pushed out of the outlet 7.
  • the shaft 9 is driven by an electric motor 8 of the type of a brushless direct current motor or a BLDC motor.
  • the rotor 14 of the electric motor 8 is equipped with permanent magnets.
  • the stator 13 comprises stator coils for generating circumferentially rotating electrical fields, with which the rotor 14 rotates synchronously.
  • the stator coils are controlled by a control device 10, which is connected to an electrical power supply and three phases of the stator 13.
  • the control device 10 of the orbiter vacuum pump is described in more detail below.
  • the control device 10 In order to drive the brushless electric motor 8, the control device 10 must commutate the power supply to the stator coils.
  • the electronic commutation successively excites the stator coils, which generate a rotating electrical field which the rotor 14 with its permanent magnet follows. Efficient operation depends on correct timing at which the stator coils are energized.
  • the control device 10 requires information about the current position of the rotor 14, which in the present case is obtained without sensor support, such as a Hall sensor as a position encoder.
  • a control method of the control device 10 determines the rotor position directly on the basis of current and voltage information recorded from the electric motor 8.
  • 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 counteracts an induced current of the rotor 14. 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 in accordance with Lenz's law, which is opposite to the original change in the magnetic flux that causes the rotor 14 to rotate. In other words, the electromotive force opposes the rotation of the rotor 14 and is consequently referred to as a retroactive electromotive force or back EMF.
  • the magnitude of the retroactive electromotive force is proportional to the angular speed of the rotor 14.
  • a specific parameter for the electric motor 8, a back EMF constant can be used by the control device 10 to determine a speed of the electric motor 8 from the proportional ratio of the retroactive electromotive force.
  • 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 rated current.
  • the electric motor 8 runs at a nominal speed when the nominal current is supplied, the electric motor 8 generates a nominal torque.
  • the control method of the control device 10 uses directly recorded current and voltage information from the electric motor 8 to determine a change in the angular position or angular speed, which is also used for speed control.
  • the control device 10 controls the current, which influences the drive torque in relation to an angular position of the rotor 14 of the electric motor 8, as a function of the variables mentioned.
  • 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 14, which is based on the previously described sensorless detection of the retroactive electromotive force or counter -EMK is determined to the effect that a constant angular velocity of the orbiter eccentric piston 3 is sought.
  • the orbiter eccentric piston 3 maintains an essentially constant angular speed within one revolution of the shaft 9 despite a fluctuation in a torque of the displacement process required for the displacement process.
  • stator currents are measured and adjusted so that the angle between rotor and stator flux is always 90.
  • a maximum torque can be achieved, which is synonymous with an optimal degree of efficiency.
  • 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.
  • 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 3.
  • the control device 10 carries out a further method for optimizing the regulation during an operating period with relatively constant operating parameters.
  • a temperature profile is included which is related to electronics of control device 10, in particular power electronics for controlling the stator currents from an electrical power supply.
  • control device 10 is able to optimize the efficiency of the regulation of the dynamic drive torque at a constant operating point of the electric motor 8, taking into account a temperature profile which is detected by means of a temperature sensor (not shown) in the vicinity of power electronics or the like in the control device 10 .
  • variable parameters of the control in particular values of the stator currents depending on an angular position of the rotor 14 or a timing, in feedback to an observed increase or decrease in the recorded temperature, as well as a slope of the temporal temperature change, are varied so that the lowest constant achievable temperature results from the regulation.
  • 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.
  • the orbiter vacuum pump can also be equipped without one of these features or without both features.
  • FOR field-oriented control
  • another control such as known principles of so-called vector-related controls for controlling brushless electric motors 8 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 (counter -EMK) and a torque control to achieve an essentially continuous angular velocity of the orbiter eccentric piston 3.
  • optimization of the regulation taking into account the temperature in the control device 10 can be dispensed with.

Abstract

The invention relates to an electrical orbiter vacuum pump having optimised control for cost-effectively improving the efficiency and acoustics. The orbiter vacuum pump is characterised in that, in order to compensate for angular speed changes of the eccentric piston (3) of the orbiter, the control device (10) is configured to control a drive torque of the electric motor (8) on the basis of an angular position of the rotor, which angular position is interpreted from a reactive electromotive force. The reactive electromotive force is detected by the control device (10), which results in sensor-free implementation of the improvement to the control.

Description

Beschreibung description
Elektrische Orbiter-V akuumpumpe mit optimierter Regelung Electric orbiter vacuum pump with optimized control
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 V akuumpumpen werden im Automoti ve-B ereich 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 V akuumpumpen 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 as well to operate a central locking system or to open and close 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 Arbeitskammem aufweisen. Umso höher die Anzahl der Arbeitskammem ist, auf die sich das während einer Umdrehung der Pumpenwelle verdrängte Volumen aufteilt, desto geringer ist eine Druckschwankung in dem Förder ström 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 a sensitive control of pneumatic actuators or in the acoustics of the operating noise.
V akuumpumpen mit einer Vielzahl von Arbeitskammem 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 V erunreinigungen im gasförmigen Fördermedium. V acuumpumps with a large number of working chambers generally have a comparatively complex structure or a correspondingly high number of movable and sealing components, such as, for example, blades mounted in a radially sliding manner. As a result, pump types of this type are associated with comparatively higher manufacturing costs for the components and assembly. Also are Corresponding pump structures with filigree, moving components are comparatively less robust and more susceptible to contamination in the gaseous pumping 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 102015 010 846 Al derselben Anmelderin beschreibt eine Orbiter- Vakuumpumpe, deren Aufbau der Pumpenbaugruppe dem Aufbau der Pumpenbaugruppe der vorliegenden Erfindung ähnlich ist. DE 102015 010 846 A1 by the same applicant describes an orbiter vacuum pump whose structure of the pump assembly is similar to the structure of the pump assembly of the present invention.
Im Falle einer einzigen Arbeitskammer tritt während einer Umdrehung der Pumpenwelle lediglich eine einzige V olumenverdrängung 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 Bl 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- V akuumpumpe. 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 is required for the technical implementation, which records the position of the rotor detected. There is a need for a similar improvement to the aforementioned Orbiter vacuum pump.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektrische Orbiter- V akuumpumpe 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- V akuumpumpe mit den Merkmalen des Hauptanspruchs zu der vorliegenden Erfindung gelöst. Die elektrische Orbiter- V akuumpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine Steuerungsvorrichtung der Orbiter- V akuumpumpe 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 by the fact 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- V akuumpumpe vor, die eine sensorlose Drehmomentregelung in Bezug auf den umlaufenden V erdrängungsvorgang ermöglicht. The invention thus provides for the first time an electric orbiter vacuum pump which enables sensorless torque control in relation 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- V akuumpumpe verwendet wird. Dadurch wird es möglich eine antriebsseitige, elektromotorische Regelung in Reaktion auf das erforderliche dynamische Drehmoment des pumpenseitigen V erdrängungs Vorgangs zu realisieren. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Orbiter-Exzenterkolben trotz einer Schwankung eines für den V erdrängungsvorgang erforderlichen Drehmoments eine konstante W inkelgeschwindigkeit 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 battery 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 speed 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, depending on the detected retroactive electromotive force or back-EMF and an instantaneous angular position of the rotor evaluated therefrom, the control device controls the stator current, which sets the drive torque in relation to an angular position of the Rotor influences. 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, the field-oriented Regulation regulate the torque and the flux 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 T emperatursensor 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 B etriebsparametem 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 with regard 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. In order 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: The invention is described below using an embodiment of an orbiter vacuum pump with reference to the accompanying drawing. In the drawing show:
Fig. 1 einen Querschnitt durch die Pumpenkammer einer Orbiter- V akuumpumpe, in der die erfindungsgemäße Regelung umgesetzt wird; Fig. 2 einen axialen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Orbiter- Vakuumpumpe durch die Schnittlinie B-B in Fig. 1. 1 shows a cross section through the pump chamber of an Orbiter V acuumpump, in which the regulation according to the invention is implemented; FIG. 2 shows an axial cross section through the orbiter vacuum pump according to the invention through the section line BB in FIG. 1.
Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, wird die elektromotorisch angetriebene Orbiter- V akuumpumpe 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 shown in FIGS. 1 and 2, the orbiter vacuum pump, driven by an electric motor, is formed from a pump housing 1 which comprises a pump chamber 2 with a cylindrical chamber wall, which is arranged in the pump housing 1 and is closed off by a pump cover. In the pump housing 1, a shaft 9 is rotatably mounted by means of a shaft bearing 11. An eccentric disk 12 with an eccentrically arranged crank pin is fixed on the shaft 9. The eccentric disk 12 engages with the crank pin in the center of a cylindrical orbiter eccentric piston 3 designed as a piston drum.
Die Exzenterscheibe 12 fuhrt eine Umlaufbewegung des Orbiter-Exzenterkolben 3 durch die Pumpenkammer 2 aus, wobei ein umlaufender Gleitkontakt des Orbiter- Exzenterkolbens 3 zu der zylindrischen Kammerwand auffechterhalten wird. In dem Orbiter-Exzenterkolben 3 ist ein Führungsschlitz 4 angeordnet, der einen Sperrschieber 5 gleitfähig aufhimmt. 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 disk 12 executes a rotary movement of the orbiter eccentric piston 3 through the pump chamber 2, a circumferential sliding contact of the orbiter eccentric piston 3 with the cylindrical chamber wall being maintained. In the orbiter eccentric piston 3, a guide slot 4 is arranged, which slidably receives a locking slide 5. The locking slide 5 is pivotably mounted at a free end in the chamber wall and extends through the pump chamber 2 to the orbiter eccentric piston 3. For this purpose, a pivot bearing 15 is arranged between an inlet opening 6 and an outlet opening 7 in the chamber wall. Depending on a position of the orbiter eccentric piston 3 on the orbital movement in the pump chamber 2, a section of the locking slide 5, which is opposite the pivotably mounted end, slides into and out of the guide slot 4. The pump chamber 2 is divided into two volumes on both sides of the locking slide 5, one of which communicates with the inlet opening 6 and one with the outlet opening 7.
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 V erdrängungs Vorgang innerhalb einer Umdrehung der Welle 9 bzw. einer Umlaufbewegung des Orbiter-Exzenterkolbens 3 vollzogen wird. Dabei steigt ein für den V erdrängungs Vorgang erforderliches Drehmoment während der Umlaufbewegung des Orbiter-Exzenterkolbens 3 während der Zunahme des mit dem Einlass 6 kommunizierenden Volumens an und fallt bei Erreichen eines maximalen Volumens abrupt ab. Die Darstellung in Fig. 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 3 and the cylindrical chamber wall in equal proportions in opposite directions, so that a cyclical displacement process within one revolution of the shaft 9 or one Orbital movement of the orbiter eccentric piston 3 is completed. In this case, a torque required for the displacement process increases during the orbital movement of the orbiter eccentric piston 3 during the increase in the volume communicating with the inlet 6 and drops abruptly when a maximum volume is reached. The illustration in FIG. 1 shows a position of the orbiter eccentric piston 3 shortly before top dead center, in which the volume of the pump chamber 2 communicating with the inlet 6 has reached an almost maximum volume and is then pushed out of the outlet 7.
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 shaft 9 is driven by an electric motor 8 of the type of a brushless direct current motor or a BLDC motor. The rotor 14 of the electric motor 8 is equipped with permanent magnets. The stator 13 comprises stator coils for generating circumferentially rotating electrical fields, with which the rotor 14 rotates synchronously. For this purpose, the stator coils are controlled by a control device 10, which is connected to an electrical power supply and three phases of the stator 13.
Nachfolgend wird die Steuerungsvorrichtung 10 der Orbiter- V akuumpumpe näher beschrieben. The control device 10 of the orbiter vacuum pump is described in more detail below.
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 P ermanentmagneten 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 S ensorunterstützung, 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. 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. In order to drive the brushless electric motor 8, the control device 10 must commutate the power supply to the stator coils. The electronic commutation successively excites the stator coils, which generate a rotating electrical field which the rotor 14 with its permanent magnet follows. Efficient operation depends on correct timing at which the stator coils are energized. For this, however, the control device 10 requires information about the current position of the rotor 14, 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 10 determines the rotor position directly on the basis of current and voltage information recorded from the electric motor 8. When magnetic field lines of the permanent magnets on the rotor 14 intersect 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 counteracts an induced current of the rotor 14. 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 in accordance with Lenz's law, which is opposite to the original change in the magnetic flux that causes the rotor 14 to rotate. In other words, the electromotive force opposes the rotation of the rotor 14 and is consequently referred to as a 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 a constant magnetic flux in an electric motor 8, the magnitude of the retroactive electromotive force is proportional to the angular speed of the rotor 14. A specific parameter for the electric motor 8, a back EMF constant , can be used by the control device 10 to determine a speed of the electric motor 8 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 V ersorgungsspannung 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. 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 V erdrängungsvorgang erforderlichen Drehmoments des V erdrängungs Vorgangs, eine im Wesentlichen konstante W inkelgeschwindigkeit innerhalb einer Umdrehung der Welle 9 bei. 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 rated current. When the electric motor 8 runs at a nominal speed when the nominal current is supplied, the electric motor 8 generates a nominal torque. With no sensor support, the control method of the control device 10 uses directly recorded current and voltage information from the electric motor 8 to determine a change in the angular position or angular speed, which is also used for speed control. The control device 10 controls the current, which influences the drive torque in relation to an angular position of the rotor 14 of the electric motor 8, as a function of the variables mentioned. 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 14, which is based on the previously described sensorless detection of the retroactive electromotive force or counter -EMK is determined to the effect that a constant angular velocity of the orbiter eccentric piston 3 is sought. As a result, the orbiter eccentric piston 3 maintains an essentially constant angular speed within one revolution of the shaft 9 despite a fluctuation in a torque of the displacement process required for the displacement process.
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 held 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 V erdrängungsvorgang 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. Abgesehen von der feldorientierten Regelung (FOR) fuhrt die Steuerungsvorrichtung 10 während einer Betriebsdauer mit relativ konstanten Betriebspar ametem noch eine weitere Methodik zur Optimierung der Regelung durch. Hierzu wird ein T emperaturverlauf mit einbezogen, der in Bezug zu einer Elektronik der Steuerungsvorrichtung 10 steht, insbesondere einer Leistungselektronik zur Ansteuerung der Statorströme aus einer elektrischen Leistungszufuhr. This is because during an evacuation the dynamics of a load fluctuation increases with the ongoing operating time, since with decreasing pressure in a gas volume to be evacuated, a maximum torque required for the displacement process increases within one revolution of the shaft 9. 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 3. Apart from the field-oriented regulation (FOR), the control device 10 carries out a further method for optimizing the regulation during an operating period with relatively constant operating parameters. For this purpose, a temperature profile is included which is related to electronics of control device 10, in particular power electronics for controlling the stator currents from an electrical power supply.
Nach Erreichen einer Betriebstemperatur in einem Betriebspunkt mit konstanten Betriebsparametem, wie insbesondere der Drehzahl und der Druckdifferenz des Förderstroms vor und hinter der Vakuumpumpe, lässt sich anhand eines Verlaufs von V ergleichswerten 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 V ergleichswerten 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 curve of comparative values of waste heat from electrical power loss on capacitors, transistors or the like in a control circuit can be used Draw conclusions with a qualitative evaluation of the electromotive efficiency of a control that can be assigned to the comparison values over time.
Demzufolge vermag die Steuerungsvorrichtung 10 unter Einbezug eines T emperaturverlaufs, der mittels eines T emperatursensors (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 T emper aturänderung, dahingehend variiert, dass die niedrigste konstant erzielbare Temperatur aus der Regelung resultiert. Accordingly, the control device 10 is able to optimize the efficiency of the regulation of the dynamic drive torque at a constant operating point of the electric motor 8, taking into account a temperature profile which is detected by means of a temperature sensor (not shown) in the vicinity of power electronics or the like in the control device 10 . For this purpose, variable parameters of the control, in particular values of the stator currents depending on an angular position of the rotor 14 or a timing, in feedback to an observed increase or decrease in the recorded temperature, as well as a slope of the temporal temperature change, are varied so 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- V akuumpumpe ebenso ohne einem dieser Merkmale oder ohne beiden Merkmalen ausgestattet sein. 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. 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. For example, instead of the field-oriented control (FOR), another control, such as known principles of so-called vector-related controls for controlling brushless electric motors 8, 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 (counter -EMK) and a torque control to achieve an essentially continuous angular velocity of the orbiter eccentric piston 3. Likewise, in an alternative embodiment, optimization of the regulation taking into account the temperature in the control device 10 can be dispensed with.
Bezugszeichenliste: List of reference symbols:
1 Pumpengehäuse 1 pump housing
2 Pumpenkammer 2 pump chamber
3 Orbiter-Exzenterkolben 3 orbiter eccentric pistons
4 Führungsschlitz 4 guide slot
5 Sperrschieber 5 locking slide
6 Einlass 6 inlet
7 Auslass 7 outlet
8 Elektromotor 8 electric motor
9 Welle 9 wave
10 Steuerungsvorrichtung 10 control device
11 Wellenlager 11 shaft bearings
12 Exzenterscheibe mit Kurbelzapfen 12 eccentric disc with crank pin
13 Stator 13 stator
14 Rotor 14 rotor
15 Schwenklager 15 pivot bearings

Claims

Ansprüche Expectations
1. Elektrische Orbiter- V akuumpumpe, 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 permanenterregten 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. 1. Orbiter electric vacuum pump, comprising: a pump housing (1) with 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.
2. 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. 2. Electric orbiter vacuum pump according to claim 1, wherein the control device (10) is configured 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.
3. Elektrische Orbiter- V akuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerungsvorrichtung (10) einen T emperatursensor aufweist, der eine Temperatur in Bezug auf die Steuerungsvorrichtung (10) erfasst; und die Steuerungsvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, bei konstanter Drehzahl das3. Electric Orbiter- V acuumpump according to claim 1 or 2, wherein the control device (10) comprises a temperature sensor which detects a temperature with respect to the control device (10); and the control device (10) is set up to control the
Antriebsdrehmoment des Elektromotors (8) in Abhängigkeit eines Verlaufs der durch den T emperatursensor erfassten Temperatur zu regeln. To regulate the drive torque of the electric motor (8) as a function of a profile of the temperature detected by the temperature sensor.
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