DE102020100175A1

DE102020100175A1 - Heizgebläsemotor

Info

Publication number: DE102020100175A1
Application number: DE102020100175.4A
Authority: DE
Inventors: Ralph Wystup; Philip Kemmet
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2020-01-07
Filing date: 2020-01-07
Publication date: 2021-07-08
Also published as: CN113162519B; CN113162519A; US11699968B2; US20210211080A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Heizgebläse (1) umfassend einen Motor (M) mit Motorwicklungen (W) und einem Rotor der mit einem Ventilator (V) zur Förderung von Umgebungsluft zumindest teilweise entlang der Motorwicklungen (W) verbunden ist, wobei wenigstens eine Motorwicklung als Heizwicklung (HW) zur bestimmungsgemäßen Erzeugung einer bestimmten Heizleistung oder Wärmemenge ausgelegt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heizgebläsemotor und ein Verfahren zum Regeln des Heizgebläsemotors.
Ventilatoren werden zum Beispiel in Zusammenhang mit Heizregistern eingesetzt. Handelsübliche Heizgeräte, wie beispielsweise Raumlufterwärmer, Haartrockner oder ähnliches arbeiten nach dem Funktionsprinzip, dass die Umgebungsluft angesaugt, im System durch ein Heizregister erwärmt und anschließend als Warmluft dem zu erwärmenden Gegenstand oder der Umgebung wieder zugeführt wird.
Im Stand der Technik sind solche Lösungen seit langem bekannt. Eine lediglich beispielhafte Ausführung findet sich in der Druckschrift DE 2308274 B2 . Diese Ausführung zeigt einen Heizlüfter mit einem Gehäuse, in dem ein Radialgebläse mit sich um eine vertikale Achse drehbaren Gebläserad angeordnet ist, einer zum Gebläserad koaxialen Ansaugöffnung und einer in der Gehäusevorderwand versetzt angeordneten Ausblasöffnung und einem Heizregister.
Die im Stand der Technik bekannten Lösungen von Heizlüftern bedürfen zur Lufterwärmung jeweils einem zusätzlichen Bauteil, einer Heizwendelanordnung oder einem Heizregister in dem die Wärme erzeugt wird, die dann von dem Ventilator verteilt wird.
Nachteilig bei solchen Lösungen ist ferner der Umstand, dass die Regelung solcher Lösungen komplex und aufwändig ist und die Regelgrößen für den Ventilator auf die Regelgrößen für z. B. ein Heizregister abgestimmt werden müssen, um einen bestimmten Zustand oder eine bestimmte Wärmemenge an einen gewünschten Ort zu bringen. Ferner sind solche Lösungen aufwendig aufgrund der zusätzlich benötigten Bauteile für die Senorik und Wärmeerzeugung.
Vor diesem technischen Hintergrund befasst sich die Erfindung mit dem Problem, ein neuartiges und verbessertes Heizgebläse vorzuschlagen, welches sich einfach und zuverlässig regeln lässt und kostengünstig in der Herstellung ist und insbesondere auf Thermofühler, Thermosensoren und Heizquellen, wie Heizregister verzichten kann.
Die Erfindung löst dieses Problem mit einem Heizgebläse gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen für ein solches Heizgebläse.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass sich anders als im Stand der Technik überwiegend üblich, die Motorwicklung nicht, jedenfalls nicht besonders erwärmen sollte und hierzu Motortemperaturwicklungsüberwachungen eingesetzt werden.
Bei der Lösung der vorliegenden Erfindung wird allerdings wenigstens eine Motorwicklung gezielt als Heizquelle für das Heizgebläse verwendet, so dass auf ein zusätzliches Heizregister verzichtet werden kann. Die Motorwicklung des Motors ist dazu bestimmungsgemäß als Heizwicklung ausgelegt, so dass eine Erwärmung im Motorbetrieb erwünscht ist. Der Motor selbst treibt einen Ventilator an, welcher wiederum die Umgebungsluft über seine eigene Wicklung und durch die Nuten des Motors, bläst und dadurch die Wärme der Motorwicklung abführt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Temperaturerfassung und Regelung. Mit Hilfe einer sensorlose Temperaturerfassung und Kommutierung benötigt das erfindungsgemäße Heizgebläse lediglich maximal 3 Anschlussleitungen zur Einspeisung des Drehfeldes der Drehfeldmaschine. Erfindungsgemäß erfolgt die Temperaturerfassung mit Hilfe eines Kalman-Filters.
Erfindungsgemäß wird daher ein Heizgebläse umfassend einen Motor mit Motorwicklungen und einem Rotor der mit einem Ventilator zur Förderung von Umgebungsluft zumindest teilweise entlang der Motorwicklungen verbunden ist, vorgeschlagen, wobei wenigstens eine Motorwicklung gezielt als Heizwicklung zur bestimmungsgemäßen Erzeugung einer bestimmt Heizleistung oder Wärmemenge ausgelegt ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wicklungsdraht der Heizwicklung (HW) ein temperaturbeständiger isolierter Heizleiterdraht.
Das bedeutet, dass zum Beispiel anstelle des üblichen Kupferdrahtes ein solcher isolierter Heizleiterdraht, wie beispielsweise keramisch isolierter Konstantan-Draht verwendet wird. Die Temperatur und auch die Rotorlage, werden über einen Zustandsschätzer (z. B. Kalmanfilter) bestimmt. Dadurch werden keinerlei Sensoren in temperaturkritischen Bereichen benötigt, was eine Anwendung auch bei hohen Temperaturen gestattet. Für höchste Temperaturen eignet sich die Ausführung des Rotors als Asynchron-Rotor und für Temperaturen bis ca. 400°C können seltenen Erdmagnete verwendet werden, für Temperaturen bis ca. 120°C können übliche Ferrit Magnete Verwendung finden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Regelung des Heizgebläses mittels eines Kalman-Filters erfolgt. Durch die Temperaturerfassung mithilfe eines solchen Kalman-Filters können ganz gezielt empfindliche und teure Sensoren entfallen. Die erfindungsgemäße Heizwicklung wird dadurch selbst als Sensor genutzt, was die präzise Regelung der Temperatur ermöglicht. Durch eine damit kombinierte Feldorientierte Regelung (FOC) kann mithilfe des feldbildenden id-Stromes die Temperatur der Heizwicklung unabhängig von der Drehzahl und somit auch unabhängig vom Volumenstrom geregelt werden. Die Drehzahl wird dann über den Drehmoment-bildenden Stromanteil d.h. den iq-Anteil geregelt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist weiter vorgesehen, dass die Temperatur der Heizwicklung und die Rotorlage des Rotors des Motors mit Hilfe eines Kalman-Filters, insbesondere mittels eines EKF (EKF = Extended-Kalman-Filter) erfolgt.
Das Extended-Kalman-Filter (EKF) nutzt ein iteratives Verfahren zur Schätzung von Zuständen dynamisch nichtlinearer Systeme. Es liefert eine iterative Berechnungsstruktur zur Lösung von Schätzproblemen, wie vorliegend die Temperaturschätzung und Drehzahlschätzung. Die grundlegende Idee dahinter besteht darin, durch die Vorhersage eines Zeitschritts den aktuellen Fehler zwischen den IST-Messdaten (Motorströme) und der Modellsimulation (simulierte Ströme) mittels Kalman-Filter zu ermitteln und die resultierende Abweichung gewichtet bei der jeweiligen Zustandsschätzung zu berücksichtigen. Dem EKF ist dabei ein Modell des betroffenen Motors hinterlegt. Die Eingangsgrößen des EKF, bzw. des Motormodells sind die Motorströme und/oder die Spannungen die am Motor anliegen. Durch den ermittelten Fehler zwischen den Motorströmen und den Modellströmen schätzt das EKF den Parameter Widerstand und den Rotorlagewinkel. Durch die Änderung des Widerstands lässt sich mit dem Temperaturkoeffizienten des verwendeten Materials der Heizwicklung d. h. von zum Beispiel Konstantan die Temperatur der Statorwicklung bestimmen.
Eine bevorzugte Maßnahme ist es, dass auf Basis des Motormodells als Ausgangsgrößen am Kalman-Filter für eine feldorientierte Regelung des Motors der Widerstand R und der Rotorlagewinkel bereitgestellt werden. Über den Widerstand R kann dann die Temperatur der Wicklung bestimmt werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft neben der Ausgestaltung des Heizgerätes auch ein Verfahren zum Betreiben eines wie zuvor beschriebenen Heizgebläses bei dem nämlich die Temperatur der Heizwicklung mittels des d-Anteils des feldbildenden Stroms, insbesondere unabhängig von der Drehzahl des Motors geregelt wird.
Weiter vorteilhaft ist es das Verfahren so auszuführen, dass die Drehzahl des Motors mittels des Drehmoment bildenden q-Anteils des feldbildenden Stroms geregelt wird.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:

1 eine Systemansicht eines erfindungsgemäßen Heizgebläses und
2 eine Ansicht eines Regelungskonzeptes gemäß der Idee der vorliegenden Erfindung.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die 1 und 2 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
In der 1 findet sich eine schematische Systemansicht eines erfindungsgemäßen Heizgebläses 1. Das Heizgebläse 1 besitzt einen Motor M mit Motorwicklungen W und einem Rotor R der mit einem Ventilator V zur Förderung von Umgebungsluft verbunden ist. Eine Motorwicklung ist hier als Heizwicklung HW zur Erzeugung einer bestimmten Heizleistung oder Wärmemenge ausgebildet. Der Motor M selbst treibt den Ventilator V an, welcher dann Luft über seine Wicklungen W und durch die Nuten des Motors, bläst und dadurch die Wärme der Motorwicklung gezielt fördert.
In der 2 findet sich eine Ansicht eines Regelungskonzeptes gemäß der Idee der vorliegenden Erfindung. Das Regelungskonzept verwendet eine Strom- und Spannungsmesseinrichtung 10, einen Kalman-Filter EKF, eine Regelung 30 zur feldorientierten Regelung des Motors M, der hier ein PMSM ist.
Der Kalman-Filter EKF verfügt über ein Motormodell des PMSM. Am Eingang des Kalman-Filters EKF werden die Motorströme i1, i2, i3 und Motorspannungen u1, u2, u3 zugeführt, die zuvor von der Strom- und Spannungsmesseinrichtung 10 gemessen wurden. L1, L2, L3 bezeichnen die Phasenwicklungen des Motors M.
Der Kalman-Filter EKF ermittelt auf Basis der Eingangsgrößen und des Motormodells den Widerstand R der Heizwicklung HW und daraus die Statortemperatur. Ferner gibt der Kalman-Filtern EKF den ermittelten Rotorlagewinkel neben der Temperatur an die feldorientierte Regelung 30. Der PMSM wird auf diese Weise feldorientiert geregelt.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2308274 B2 [0003]

Claims

Heizgebläse (1) umfassend einen Motor (M) mit Motorwicklungen (W) und einem Rotor der mit einem Ventilator (V) zur Förderung von Umgebungsluft zumindest teilweise entlang der Motorwicklungen (W) verbunden ist, wobei wenigstens eine Motorwicklung als Heizwicklung (HW) zur bestimmungsgemäßen Erzeugung einer bestimmten Heizleistung oder Wärmemenge des Heizgebläses ausgelegt ist.
Heizgebläse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsdraht der Heizwicklung (HW) ein temperaturbeständiger isolierter Heizleiterdraht, vorzugsweise ein keramisch isolierter Konstantan-Draht ist.
Heizgebläse (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Heizgebläses (1) mittels eines Kalman-Filters erfolgt.
Heizgebläse (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Temperatur der Heizwicklung (HW) und/oder die Rotorlage des Rotors des Motors (M) mittels eines Kalman-Filters erfolgt.
Heizgebläse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Heizwicklung (HW) über eine Schätzung des Widerstands R der Heizwicklung (HW) erfolgt.
Heizgebläse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsgrößen für den Kalman-Filter die Strangströme i123 und die Strangspannungen u123 sind, während im Kalman-Filter ein Motormodell hinterlegt ist auf dessen Basis als Ausgangsgrößen am Kalman-Filter für eine feldorientierte Regelung des Motors (M) der Widerstand R und der Rotorlagewinkel bereit gestellt werden.
Verfahren zum Betreiben eines Heizgebläses (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (M) über eine feldorientierte Regelung betrieben wird.
Verfahren zum Betreiben eines Heizgebläses (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturbestimmung mittels eines Kalman-Filters erfolgt.
Verfahren zum Betreiben eines Heizgebläses (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Heizwicklung (HW) mittels des d-Anteil des feldbildenden Stroms (i_d), insbesondere unabhängig von der Drehzahl des Motors (M) geregelt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Heizgebläses (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Motors (M) mittels des Drehmoment bildenden q-Anteils des feldbildenden Stroms (i_q) geregelt wird.