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WO2011120769A1 - Linear motor for a linear compressor - Google Patents

Linear motor for a linear compressor Download PDF

Info

Publication number
WO2011120769A1
WO2011120769A1 PCT/EP2011/053500 EP2011053500W WO2011120769A1 WO 2011120769 A1 WO2011120769 A1 WO 2011120769A1 EP 2011053500 W EP2011053500 W EP 2011053500W WO 2011120769 A1 WO2011120769 A1 WO 2011120769A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
armature
linear motor
sensor arrangement
linear
motor according
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/053500
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hans-Wilhelm Klein
Eberhard Weidner
Original Assignee
BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH filed Critical BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH
Publication of WO2011120769A1 publication Critical patent/WO2011120769A1/en

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/06Control using electricity
    • F04B49/065Control using electricity and making use of computers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/04Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric
    • F04B35/045Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric using solenoids
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H02K11/225Detecting coils
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2201/00Pump parameters
    • F04B2201/02Piston parameters
    • F04B2201/0201Position of the piston
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/16Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with polarised armatures moving in alternate directions by reversal or energisation of a single coil system

Definitions

  • the present invention relates to a linear motor for a linear compressor.
  • Typical linear compressors have a bushing in which a piston can be moved back and forth.
  • the piston defines to one side a cylinder space in which an inlet valve in a valve plate gas can be admitted.
  • the gas admitted into the cylinder space is compressed and discharged via an outlet valve in the valve plate.
  • the piston is driven via a piston rod by a linear motor, which converts the electrical energy supplied to it into a linear, oscillating movement.
  • linear compressors Compared to piston compressors with a rotary drive, e.g. Via a connecting rod driven by a rotary motor, linear compressors have the advantage that the piston stroke can be changed and thus a higher efficiency can be achieved.
  • Such linear compressors are used in the household sector for refrigerators and freezers and the like.
  • the control of the piston stroke in the liner can be done by detecting the current position of the piston.
  • the control of the piston stroke has to be done so that the piston is not driven on the high pressure side to the mechanical limit, since it can be damaged by such a striking.
  • an improved efficiency can be achieved if the stroke length is adapted to the current operating state. For this purpose, however, a measurement of the piston position in both the top and bottom dead center is required.
  • WO 2004/025120 proposes as a sensor an inductive sensor, which is provided in a through hole in the valve plate and thus detects the approach of the piston to the valve plate.
  • an inductive sensor which is provided in a through hole in the valve plate and thus detects the approach of the piston to the valve plate.
  • only a detection of the piston position at top dead center is possible.
  • the arrangement of the sensor in the valve plate involves problems with respect to the reliable sealing of the cylinder space.
  • the linear compressor is used in a refrigerator for compressing the refrigerant.
  • a refrigeration appliance is understood in particular to be a household refrigeration appliance, that is to say a refrigeration appliance used for household purposes or possibly even in the gastronomy sector, and in particular for storing food and / or beverages in household quantities at specific temperatures, such as, for example, a refrigerator, a freezer , a fridge freezer, a freezer or a wine storage cabinet.
  • a linear compressor for a linear compressor comprises a motor winding for generating a magnetic field, an armature which is linearly deflectable in a deflection direction by the field generated by the motor winding, and a sensor arrangement for detecting the position of the armature in the deflection direction, wherein the sensor arrangement a coupling transformer whose secondary side is electrically connected to the motor winding, wherein the sensor arrangement is designed to apply an excitation voltage for exciting the motor winding for detecting the position of the armature to the primary side of the coupling transformer.
  • the position of the piston of the linear compressor can be determined in a simple manner by detecting the armature position.
  • no sensor arrangement in the cylinder chamber is necessary, so that the cylinder chamber can be sealed in a simple manner without having to provide supply lines to sensors or the like arranged therein.
  • the excitation voltage for generating eddy current losses which depend on the position of the armature, may be provided.
  • One of these eddy current losses dependent variable can be fed to an evaluation circuit and evaluated by this.
  • the sensor arrangement can also be configured to detect the frequency of the excitation voltage or of a measurement voltage resulting in response to the excitation voltage on the primary side of the coupling transformer.
  • the inductance of the motor winding may depend on the position of the armature. If the excitation voltage is provided for example by an LC resonant circuit whose inductance is formed by the sensor arrangement, then a change in the armature position leads to a change in the frequency of the excitation voltage, which can be evaluated by a downstream evaluation voltage.
  • the sensor arrangement may further comprise an oscillator circuit, by means of which an oscillating excitation voltage can be provided on the primary side of the coupling transformer.
  • the frequency of this excitation voltage is advantageously a multiple of the frequency of the operating voltage of the linear motor.
  • the primary side of the coupling transformer may be formed as part of a series resonant circuit. With a suitable adjustment of the resonance frequency of the series resonant circuit, this can serve as a blocking filter which does not transmit the voltage components of the linear motor supply transmitted to the primary side.
  • the armature can be designed such that a dimension of the armature, in particular a width of the armature, varies along the deflection direction of the armature. This results in a position-dependent modulation of the eddy current losses, so that the position sensitivity of the sensor arrangement can be improved.
  • the armature can taper at least at one of its ends in the direction of deflection, in particular stepwise.
  • the sensor arrangement has at least one measuring coil which is provided in the region of a dead center of the armature are to output a signal containing information about the position of the armature in the direction of deflection. Also in this case no sensor arrangement in the cylinder chamber is necessary, so that the advantages indicated above result.
  • the measuring coil can be provided around the dead center of the armature, or near the dead center, eg less than one fifth or one tenth of the armature stroke in the direction of deflection away from the dead center.
  • the sensor arrangement may have at least two measuring coils, which are respectively provided at an upper and a lower dead center of the armature.
  • a position detection is possible both at the top and at the bottom dead center of the anchor.
  • the two or more measuring coils may be electrically connected in series with each other.
  • the evaluation of the output from the measuring coil sensor signal can be performed with a single evaluation circuit.
  • the linear motor may further include a Fluß arrangementshülse, which surrounds the motor winding and the armature, wherein the measuring coil is embedded in the flux guide sleeve.
  • the anchor may have at least one of its ends a material with greater conductivity than in a central region of the armature.
  • an aluminum ring may be provided at both ends of the armature.
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of a linear motor for driving the piston of a linear compressor
  • Fig. 2 is a cutaway perspective view of the linear motor
  • Fig. 3 is an equivalent circuit diagram of a circuit for driving the linear motor and a sensor arrangement for detecting the position of the armature;
  • FIG. 4 shows a block diagram of a drive and evaluation circuit of the linear compressor
  • 5 shows a schematic cross-sectional view of a linear compressor with a linear motor according to a further embodiment
  • Fig. 7 shows a further embodiment of a drive circuit for the linear motor.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a linear motor 100 for driving the piston of a linear compressor.
  • FIG. 2 shows a cutaway perspective view of the linear motor 100.
  • the linear motor 100 comprises two E-shaped yokes 110, two motor windings 120 and one armature 130.
  • the E-shaped yokes 1 10 serve as a stator of the linear motor 100 and are made for example of packages of so-called dynamo sheet metal.
  • the yokes 1 10 each have three arms 1 12, 1 14 and 1 16, which are in pairs opposite.
  • the mutually facing ends of the arms 1 12, 1 14 and 1 16 each form pole pieces 1 18, which limit an air gap.
  • One of the motor windings 120 which serve as excitation windings, is wound around the middle arms 14.
  • the motor windings 120 can be acted upon by a current, wherein the current direction in the two motor windings 120 is set so that the two mutually opposite pole pieces 18 of the middle arms 14 form unequal magnetic poles. In this case, the motor windings 120 may be connected in parallel.
  • the pole pieces 1 18 of the outer arms 1 12 and 1 16 form for each adjacent central arm 1 14 unlike magnetic poles.
  • the armature 130 is movably mounted by means of two springs, not shown, that it in the arrow direction, which represents the deflection direction, ie in the longitudinal direction in the air gap formed by the pole pieces 1 18.
  • the armature comprises a slide 132 and a four-pole permanent magnet 134.
  • the four-pole permanent magnet can, for example, wise be glued into a provided in the carriage 132 bag. Alternatively, it is also possible to provide two two-pole permanent magnets, which are glued into corresponding pockets of the carriage 132.
  • the permanent magnet 134 responds to the alternating magnetic field caused by the current flow through the motor windings 120, and the resulting force action is converted into an oscillating movement of the armature 130 in the stroke direction.
  • the carriage 132 is made of a highly conductive material, such as aluminum.
  • a piston rod 140 Securely connected to the carriage 132 is one side of a piston rod 140.
  • the other side of the piston rod 140 is fixedly connected to a piston which limits a not shown cylinder space of a linear compressor.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of a circuit 300 for driving the linear motor 100 and a sensor arrangement for detecting the position of the armature 100.
  • the circuit 300 for driving the linear motor 100 comprises a DC voltage intermediate circuit 310 and an H-bridge circuit 320.
  • the DC intermediate circuit 310 comprises four rectifier diodes 31 1, 312, 313 and 314 as well as a smoothing capacitor 315.
  • the four rectifier diodes 31 1, 312, 313 and 314 rectify an AC voltage U A c, which may be given for example by a mains voltage.
  • the smoothing capacitor 315 smoothes the voltage at the output of the diode circuit, so that at the two ends of the smoothing capacitor 315 a DC voltage U D c is applied, which is supplied to the H-bridge circuit 320.
  • the H-bridge circuit 320 comprises four semiconductor switches 321, 322, 323 and 324.
  • the semiconductor switches 321, 322, 323 and 324 each have a transistor, to each of which a freewheeling diode is connected in parallel.
  • the transistors can be embodied, for example, as IGBTs or power MOSFETs, and can each be controlled by a controller (not shown).
  • the motor windings 120 of the linear motor 100 are arranged, which can be connected in series, for example.
  • the H bridge circuit 320 is used to adjust the intermediate Schennikschreib to the operating voltage of the linear motor 100 operated with pulse width modulation.
  • a first phase of the pulse width modulation the semiconductor switches 321 and 324 are turned on, so that current flows through these semiconductor switches 321 and 324 and in a first direction through the linear motor 100 arranged therebetween.
  • the semiconductor switches 321 and 324 are disabled.
  • the inductance of the motor windings maintains the flowing current which can flow across the diodes arranged in parallel with the transistors of the semiconductor switches 322 and 323.
  • a second phase in which the semiconductor switches 322 and 323 are turned on so that current flows through these semiconductor switches 322 and 322 and in a second direction opposite to the first direction through the linear motor 100 interposed therebetween.
  • a coupling transformer 330 is arranged in series with the motor winding 120 of the linear motor 100 and also on the bridge of the H bridge circuit 320. More specifically, the secondary side 334 of the coupling transformer 330 is arranged in series with at least one of the motor windings 120. The primary side 332 of the coupling transformer 330 is connected to a drive and evaluation circuit 400.
  • the drive and evaluation circuit 400 comprises an oscillator circuit 410, a voltage divider circuit 420, a filter circuit 430, an evaluation circuit 440 and a microcontroller 450.
  • the oscillator circuit 410 provides a high-frequency excitation voltage Us, which, after division with the voltage divider circuit 420, is fed via the coupling transformer 330 into the linear motor circuit.
  • the excitation voltage Us is, for example, a sinusoidal voltage of constant amplitude having a frequency which is a multiple, eg, 10 times or 100 times or more, the maximum frequency of the PWM voltage with which the linear motor 100 is operated.
  • the voltage divider 420 comprises a resistive voltage divider resistor 422 and two terminals 424 and 426.
  • the voltage divider resistor 422 is connected on one side to the output of the oscillator circuit 410 and on the other side to the input of the filter circuit 430.
  • the terminal 424 is connected to the node connecting the voltage divider resistor 422 to the filter circuit 430.
  • the terminal 426 is connected to ground or to a reference potential.
  • the primary side 332 of the coupling transformer 330 is connected to the two terminals 424 and 426.
  • the excitation voltage Us thus leads to an excitation of the motor winding 120, which is superimposed on the excitation by the PWM modulation of the linear motor 120.
  • the motor winding 120 connected to the coupling transformer 330 has, as shown schematically in FIG. 3, an inductance Lm and a resistive coil resistance Rm Fig. 1 illustrated situation runs, due to the excitation of the motor winding 120, the magnetic flux from the pole piece 1 18 of the middle arm 1 14 through the air gap on both sides by the permanent magnet 134, from there again via the air gap to the side arms 1 12 and 1 16 and via the yoke base back into the middle arm 1 14.
  • the permanent magnet 134 has only a low magnetic resistance, so that the magnetic flux flows substantially unhindered or prevented only by the air gap. If the armature 130 is now deflected to one side, for example to the left, then the permanent magnet 134 is no longer disposed relative to the arms 16, but now the carriage 132 is arranged. Since the carriage 132 is made of a material of high electrical conductance and low relative permeability such as aluminum, eddy currents are generated therein when it is brought into the magnetic field generated by the coil, thereby consuming power converted into heat. In other words, the starting voltage fed from the primary side excites an alternating magnetic field in the motor winding 120, which generates eddy currents in the electrical conductor of the carriage 132.
  • the armature 130 thus acts like a switched-on consumer, the consumer power is greater, the more the slide 132 in the Magnetic field penetrates.
  • This is modeled in the equivalent circuit diagram by the equivalent resistance Ra parallel to the inductance Lm, which increases due to the eddy current losses.
  • the filter circuit 430 may, for example, comprise a capacitive element which, together with the primary side 332 of the coupling transformer 330, forms a series resonant circuit. If now due to the eddy current losses of the equivalent resistance Ra increases, then this affects as a change in the quality of the oscillation amplitude and the resonant frequency of the resonant circuit.
  • the electronic evaluation circuit 440 detects at least one of these two variables and generates as output a position-dependent DC voltage signal Ux, which contains information about the position of the armature 130 in the linear motor 100, and is for example proportional to the change of the equivalent resistance Ra.
  • the series resonant circuit acts as a blocking filter with respect to the lower PWM frequency of the motor supply.
  • the evaluation circuit 440 can have, for example, an amplifier and a circuit part for peak value rectification with smoothing.
  • the sensor signal Ux is supplied to an analog-to-digital converter 455 of the microcontroller 450, which converts the sensor signal Ux into a digital signal.
  • the microcontroller 450 regulates the power supply to the linear motor 100.
  • the carriage 132 may have different thicknesses along the deflection direction of the armature.
  • the width of the air gap varies between the pole shoes and the armature along the deflection direction of the armature.
  • the width of the air gap in the magnetic circuit formed by armature, yoke and motor winding changes depending on the position of the armature.
  • the carriage 132 may, for example, gradually taper at one or both of its ends. In this case, the width of the air gap between carriage 132 and yoke 1 10 depends on the position of the armature 130, and the width of the air gap increases with increasing approach of the armature 130 to its dead center.
  • connection between the piston and armature 130 via the piston rod 140 is as rigid as possible, since the position of the armature 130 is to be closed to the position of the piston in the cylinder space. In a rigid connection occurs no positional distortion, for example, by a bending of the piston rod 140.
  • the influence due to magnetic saturation on the measurement result is as low as possible.
  • Magnetic saturation results in an increase in the magnetic scattering or coupling. This changes the inductance of the linear motor 100, which also affects the eddy current losses and thus the measurement result. It is therefore advantageous not to operate the linear motor in magnetic saturation.
  • the smallest possible eddy current losses occur on the stator side. This can be achieved, for example, by using dynamo sheets of small thickness. With the arrangement described above, position-dependent eddy-current losses in the magnetic circuit are detected and evaluated in their size. Alternatively, it is also possible to use an LC oscillator to provide the excitation voltage whose inductance is formed by the sensor arrangement with the coupling transformer.
  • This inductance changes as a function of the inductance of the secondary-side motor winding 120, and thus depending on the position of the armature 130 in the linear motor 100, which leads to a change in the frequency of the excitation voltage.
  • This frequency change can be done by the downstream evaluation circuit 440th be evaluated, which in this case outputs a signal which is proportional in amplitude to the inductance or inductance change.
  • the voltage drops at the semiconductor switches 321 to 324 cause a falsification of the measured value. This corruption can be corrected mathematically by the microcontroller 450.
  • the linear compressor 500 has a compressor section 520 and a linear motor 540.
  • the compressor section 520 includes a bushing 522 and a piston 524 oscillating in the bushing 522.
  • the bushing 522 is closed to one side by a valve plate 526 in which an inlet and an outlet valve are provided, which are not shown in detail.
  • the bushing 522, the piston 524, and the valve plate 526 define a cylinder space 528 into which coolant may be introduced through the inlet valve and compressed with the piston 524.
  • the piston 524 In the rest position 530, the piston 524 is located in the middle of the compressor section 520.
  • the cylinder chamber 528 corresponds to a compression region 532, in which the piston 524 moves during a compression stroke. In the expansion stroke, the piston 524 moves into an expansion region 534.
  • the linear motor 540 includes an armature 542, which is rigidly connected to the piston 524 via a piston rod 544.
  • the armature 542 may be formed, for example, as a cylindrical two-pole permanent magnet.
  • Arranged around the armature 542 is a motor winding 546 designed as a ring winding.
  • the motor winding 546 may extend substantially over the entire length of the linear motor 540 or be provided only in a central region of a bushing 548.
  • a flux guide sleeve 550 Surrounding the motor winding 546 is a flux guide sleeve 550, which serves to guide the magnetic flux generated by the motor winding 546.
  • the Fluß arrangementshülse 550 and the liner 522 are accommodated in a cylindrical housing 560.
  • the motor winding 546 is supplied with an alternating current.
  • a magnetic field is generated, to which the magnetic armature 542 responds and is thus deflected in the direction of deflection, that is to the left or to the right in FIG. 5.
  • a sensor coil 570 is arranged in the region of the top dead center of the armature 542, and a sensor coil 572 is arranged in the region of the bottom dead center of the armature 542.
  • the sensor coils 570 and 572 are formed as ring windings and surround the path of travel of the armature 542.
  • the sensor coils 570 and 572 can be embedded, for example, in grooves provided in the flux guide sleeve 550.
  • the sensor coils 570 and 572 are supplied with an AC voltage and generate a magnetic field.
  • the armature 542 may have at its two ends a material which has a greater electrical conductivity than the central portion formed by the permanent magnet.
  • 542 aluminum rings 543 may be provided at both ends of the armature.
  • larger eddy current losses are produced as the aluminum rings 543 are moved into the magnetic field formed by the sensor coils 570 and 572, thus achieving higher sensor sensitivity.
  • it is also advantageous if the wall thickness of the Flußiva- tion sleeve 550 is smaller than the diameter of the armature 542.
  • the position of the armature 542 directly closes the position of the piston 524 in the sleeve 522. Since no sensors are provided in the cylinder space, the sealing of the cylinder space is simpler than, for example, the case when an inductive sensor is provided in the valve plate 526. Furthermore, it is advantageous in this embodiment, that the measuring circuit is galvanically decoupled from the control of the linear motor. Disturbances of the measuring signal can thus be avoided. By skillful arrangement of the measuring coils, a high sensitivity can be achieved.
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram of a possible arrangement 600 of the motor winding 546 and the sensor coils 570 and 572.
  • the motor winding 546 may be connected via two terminals 580 and 582 to a drive circuit, for example the H-switch shown in FIG. Bridge circuit 320, be connected.
  • the sensor coils 570 and 572 may be electrically connected in series with each other, with one end of the sensor coil 572 connected to a port 584 and one end of the sensor coil 570 connected to a port 586. In this arrangement, only a single evaluation circuit for evaluating the signal output from the sensor coils 570 and 572 signal is necessary.
  • Both sensor coils 570 and 572 cooperate with the armature 542 in the manner described above when it is moved into the magnetic field generated by one of the sensor coils 570 and 572.
  • the linear motor 540 is designed to be exactly symmetrical, it can not yet be determined from the signal which can be picked off at the terminals 584 and 586 whether the armature 542 is approaching its upper or lower dead center, but this can be done by comparison with the polarity of the motor winding 546 supplied stream.
  • the linear motor 100, 520 is on one side with a bidirectional, non-turn-off semiconductor switch, eg a triac 700, and on the other side with a first supply terminal 710 connected.
  • the other side of the triac 700 is connected to a second supply terminal 720.
  • a supply voltage U c A is applied to the power supply terminals 710 to 720.
  • a control terminal of the triac 700 is connected to a motor controller, and the triac 700 can be switched through by applying a control signal to this control terminal.
  • the linear motor 100 520 may be connected directly to a mains voltage U A c, ie without an intermediate circuit.
  • the linear motor 100, 520 is thus regulated in phase gating, wherein the motor voltage can be controlled by adjusting the phase angle.
  • the position detection is carried out as described above.
  • An advantage of this embodiment is that it is less expensive and can be realized with only one semiconductor switch.
  • the triac 700 can not be switched off after it has been turned on until the next zero crossing of the excitation voltage, ie the circuit is less flexible than the H-bridge formwork 320 in FIG. 3.

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Abstract

A linear motor for a linear compressor comprises a motor coil (120) for generating a magnetic field, an armature which can be deflected linearly in a deflection direction by the field generated by the motor coil (120), and a sensor arrangement for detecting the position of the armature in the deflection direction, wherein the sensor arrangement has a coupling transformer (330), the secondary side (334) of which is electrically connected to the motor winding (120), wherein the sensor arrangement, in order to detect the position of the armature, is designed to apply an excitation voltage to the primary side (332) of the coupling transformer (330) in order to excite the motor coil (120). Instead of the coupling transformer (330), the sensor arrangement may have at least one measurement coil which is provided in the region of a dead center of the armature in order to output a signal containing information regarding the position of the armature in the deflection direction.

Description

Linearmotor für einen Linearverdichter  Linear motor for a linear compressor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearmotor für einen Linearverdichter. The present invention relates to a linear motor for a linear compressor.
Typische Linearverdichter weisen eine Laufbuchse auf, in der ein Kolben hin und her be- wegbar ist. Der Kolben begrenzt zu einer Seite hin einen Zylinderraum, in welchen über ein Einlassventil in einer Ventilplatte Gas eingelassen werden kann. Bei einem Kompressionshub des Kolbens wird das in den Zylinderraum eingelassene Gas verdichtet und über ein Auslassventil in der Ventilplatte ausgestoßen. Der Kolben wird dabei über eine Kolbenstange von einem Linearmotor angetrieben, der die ihm zugeführte elektrische Energie in eine lineare, oszillierende Bewegung umsetzt. Gegenüber Kolbenverdichtern mit einem rotatorischen Antrieb, z.B. über eine von einem Drehmotor angetriebene Pleuelstange, haben Linearverdichter den Vorteil, dass der Kolbenhub verändert werden kann und somit ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden kann. Derartige Linearverdichter werden im Haushaltsbereich für Kühl- und Gefriergeräte und dergleichen eingesetzt. Typical linear compressors have a bushing in which a piston can be moved back and forth. The piston defines to one side a cylinder space in which an inlet valve in a valve plate gas can be admitted. During a compression stroke of the piston, the gas admitted into the cylinder space is compressed and discharged via an outlet valve in the valve plate. The piston is driven via a piston rod by a linear motor, which converts the electrical energy supplied to it into a linear, oscillating movement. Compared to piston compressors with a rotary drive, e.g. Via a connecting rod driven by a rotary motor, linear compressors have the advantage that the piston stroke can be changed and thus a higher efficiency can be achieved. Such linear compressors are used in the household sector for refrigerators and freezers and the like.
Die Regelung des Kolbenhubs in der Laufbuchse kann über eine Erfassung der aktuellen Position des Kolbens erfolgen. Dabei hat die Regelung des Kolbenhubs so zu erfolgen, dass der Kolben auf der Hochdruckseite nicht auf die mechanische Begrenzung gefahren wird, da er durch ein solches Anschlagen beschädigt werden kann. Des Weiteren kann ein verbesserter Wirkungsgrad erreicht werden, wenn die Hublänge dem momentanen Betriebszustand angepasst wird. Hierzu ist jedoch eine Messung des Kolbenposition im sowohl im oberen als auch im unteren Totpunkt erforderlich. The control of the piston stroke in the liner can be done by detecting the current position of the piston. Here, the control of the piston stroke has to be done so that the piston is not driven on the high pressure side to the mechanical limit, since it can be damaged by such a striking. Furthermore, an improved efficiency can be achieved if the stroke length is adapted to the current operating state. For this purpose, however, a measurement of the piston position in both the top and bottom dead center is required.
Die WO 2004/025120 schlägt als Sensor einen induktiven Sensor vor, welcher in einer Durchgangsbohrung in der Ventilplatte vorgesehen ist und der somit die Annäherung des Kolbens an die Ventilplatte erfasst. Allerdings ist mit dieser Anordnung lediglich eine Erfassung der Kolbenposition im oberen Totpunkt möglich. Ferner bringt die Anordnung des Sensors in der Ventilplatte Probleme hinsichtlich der zuverlässigen Abdichtung des Zylinderraums mit sich. WO 2004/025120 proposes as a sensor an inductive sensor, which is provided in a through hole in the valve plate and thus detects the approach of the piston to the valve plate. However, with this arrangement, only a detection of the piston position at top dead center is possible. Furthermore, the arrangement of the sensor in the valve plate involves problems with respect to the reliable sealing of the cylinder space.
Aus der DE297 95 315U1 und der DE 197 48 647C2 ist ein Gleichstromlinearmotor mit integriertem Wegmesssystem bekannt, bei dem die durch Läuferverschiebungen hervor- gerufenen Induktivitätsänderungen zur Positionserfassung ausgewertet werden. Hierzu werden die an zwei Teilspulen des Motorantriebs anliegenden Spannungen ausgewertet, was zum einen eine aufwändige Spulenwicklung und zum anderen eine aufwändige Auswerteschaltung erfordert. Dieses Verfahren ist ferner bei einem Betrieb an einem ungeregelten Zwischenkreis ungeeignet. Ferner erfordert die Temperaturabhängigkeit des Wick- lungswiderstandes eine aufwändige Kompensation. From DE 297 95 315U1 and DE 197 48 647C2 a DC linear motor with integrated displacement measuring system is known in which the rotor displacements called inductance changes are evaluated for position detection. For this purpose, the voltage applied to two sub-coils of the motor drive voltages are evaluated, which on the one hand requires a complex coil winding and on the other hand a complex evaluation circuit. This method is also unsuitable for operation on an unregulated DC link. Furthermore, the temperature dependence of the winding resistance requires complex compensation.
Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Linearmotor für einen Linearverdichter bereitzustellen, bei dem die Position des Kolbens mit wenig Aufwand erfasst werden kann, und der insbesondere eine einfache Abdichtung des Zylinderraums ermög- licht. It is therefore an object of the present invention to provide a linear motor for a linear compressor, in which the position of the piston can be detected with little effort, and in particular a simple sealing of the cylinder chamber allows light.
Vorzugsweise wird der Linearverdichter in einem Kältegerät zur Verdichtung des Kältemittels eingesetzt. Unter einem Kältegerät wird insbesondere ein Haushaltskältegerät verstanden, also ein Kältegerät das zur Haushaltsführung in Haushalten oder eventuell auch im Gastronomiebereich eingesetzt wird, und insbesondere dazu dient Lebensmittel und/oder Getränke in haushaltsüblichen Mengen bei bestimmten Temperaturen zu lagern, wie beispielsweise ein Kühlschrank, ein Gefrierschrank, eine Kühlgefrierkombination, eine Gefriertruhe oder ein Weinlagerschrank. Gemäß einer Ausgestaltung umfasst ein Linearmotor für einen Linearverdichter eine Motorwicklung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, einen Anker, der durch das von der Motorwicklung erzeugte Feld in einer Auslenkungsrichtung linear auslenkbar ist, und eine Sensoranordnung zur Erfassung der Position des Ankers in Auslenkungsrichtung, wobei die Sensoranordnung einen Koppeltransformator aufweist, dessen Sekundärseite mit der Motorwicklung elektrisch verbunden ist, wobei die Sensoranordnung ausgebildet ist, zur Erfassung der Position des Ankers an die Primärseite des Koppeltransformators eine Anregungsspannung zum Anregen der Motorwicklung anzulegen. Preferably, the linear compressor is used in a refrigerator for compressing the refrigerant. A refrigeration appliance is understood in particular to be a household refrigeration appliance, that is to say a refrigeration appliance used for household purposes or possibly even in the gastronomy sector, and in particular for storing food and / or beverages in household quantities at specific temperatures, such as, for example, a refrigerator, a freezer , a fridge freezer, a freezer or a wine storage cabinet. According to one embodiment, a linear compressor for a linear compressor comprises a motor winding for generating a magnetic field, an armature which is linearly deflectable in a deflection direction by the field generated by the motor winding, and a sensor arrangement for detecting the position of the armature in the deflection direction, wherein the sensor arrangement a coupling transformer whose secondary side is electrically connected to the motor winding, wherein the sensor arrangement is designed to apply an excitation voltage for exciting the motor winding for detecting the position of the armature to the primary side of the coupling transformer.
Somit kann die Position des Kolbens des Linearverdichters auf einfache Weise über eine Erfassung der Ankerposition bestimmt werden. Dabei ist keine Sensoranordnung im Zylinderraum notwendig, so dass der Zylinderraum in einfacher Weise abgedichtet werden kann, ohne dass Zuleitungen zu darin angeordneten Sensoren oder dergleichen vorgesehen werden müssen. Dabei kann die Anregungsspannung zur Erzeugung von Wirbelstromverlusten, welche von der Position des Ankers abhängen, vorgesehen sein. Eine von diesen Wirbelstromverlusten abhängige Messgröße kann einer Auswerteschaltung zugeführt und von dieser ausgewertet werden. Thus, the position of the piston of the linear compressor can be determined in a simple manner by detecting the armature position. In this case, no sensor arrangement in the cylinder chamber is necessary, so that the cylinder chamber can be sealed in a simple manner without having to provide supply lines to sensors or the like arranged therein. In this case, the excitation voltage for generating eddy current losses, which depend on the position of the armature, may be provided. One of these eddy current losses dependent variable can be fed to an evaluation circuit and evaluated by this.
Die Sensoranordnung kann auch derart ausgebildet sein, die Frequenz der Anregungsspannung oder einer ansprechend auf die Anregungsspannung resultierenden Messspannung an der Primärseite des Koppeltransformators zu erfassen. Bei diesem Messprinzip kann beispielsweise die Induktivität der Motorwicklung von der Position des Ankers abhängen. Falls die Anregungsspannung beispielsweise durch einen LC-Schwingkreis bereitgestellt wird, dessen Induktivität von der Sensoranordnung gebildet wird, dann führt eine Änderung der Ankerposition zu einer Änderung der Frequenz der Anregungsspannung, welche von einer nachgeschalteten Auswertespannung ausgewertet werden kann. Die Sensoranordnung kann ferner eine Oszillatorschaltung aufweisen, durch welche eine oszillierende Anregungsspannung an der Primärseite des Koppeltransformators bereitstellbar ist. Die Frequenz dieser Anregungsspannung beträgt vorteilhafterweise ein Mehrfaches der Frequenz der Betriebsspannung des Linearmotors. Die Primärseite des Koppeltransformators kann als Teil eines Reihenschwingkreises ausgebildet sein. Bei geeigneter Einstellung der Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises kann dieser als Sperrfilter dienen, der die auf die Primärseite übertragenen Spannungsanteile der Linearmotorversorgung nicht durchlässt. Ferner kann der Anker so ausgebildet sein, dass eine Dimension des Ankers, insbesondere eine Breite des Ankers, entlang der Auslenkungsrichtung des Ankers variiert. Hierdurch entsteht eine positionsabhängige Modulation der Wirbelstromverluste, so dass die Positionsempfindlichkeit der Sensoranordnung verbessert werden kann. Beispielsweise kann sich der Anker zumindest an einem seiner Enden in Auslenkungsrichtung, insbe- sondere stufenweise, verjüngen. The sensor arrangement can also be configured to detect the frequency of the excitation voltage or of a measurement voltage resulting in response to the excitation voltage on the primary side of the coupling transformer. In this measuring principle, for example, the inductance of the motor winding may depend on the position of the armature. If the excitation voltage is provided for example by an LC resonant circuit whose inductance is formed by the sensor arrangement, then a change in the armature position leads to a change in the frequency of the excitation voltage, which can be evaluated by a downstream evaluation voltage. The sensor arrangement may further comprise an oscillator circuit, by means of which an oscillating excitation voltage can be provided on the primary side of the coupling transformer. The frequency of this excitation voltage is advantageously a multiple of the frequency of the operating voltage of the linear motor. The primary side of the coupling transformer may be formed as part of a series resonant circuit. With a suitable adjustment of the resonance frequency of the series resonant circuit, this can serve as a blocking filter which does not transmit the voltage components of the linear motor supply transmitted to the primary side. Furthermore, the armature can be designed such that a dimension of the armature, in particular a width of the armature, varies along the deflection direction of the armature. This results in a position-dependent modulation of the eddy current losses, so that the position sensitivity of the sensor arrangement can be improved. For example, the armature can taper at least at one of its ends in the direction of deflection, in particular stepwise.
Es ist auch möglich, dass die Sensoranordnung anstelle des Koppeltransformators mindestens eine Messspule aufweist, die im Bereich eines Totpunkts des Ankers vorgesehen sind, um ein Signal auszugeben, welches eine Information über die Position des Ankers in Auslenkungsrichtung enthält. Auch in diesem Falle ist keine Sensoranordnung im Zylinderraum notwendig, so dass sich die oben angegebenen Vorteile ergeben. Die Messspule kann dabei um den Totpunkt des Ankers vorgesehen sein, oder nahe dem Totpunkt, z.B. weniger als ein Fünftel oder ein Zehntel des Ankerhubs in Auslenkungsrichtung vom Tot- punkt entfernt. It is also possible that instead of the coupling transformer, the sensor arrangement has at least one measuring coil which is provided in the region of a dead center of the armature are to output a signal containing information about the position of the armature in the direction of deflection. Also in this case no sensor arrangement in the cylinder chamber is necessary, so that the advantages indicated above result. The measuring coil can be provided around the dead center of the armature, or near the dead center, eg less than one fifth or one tenth of the armature stroke in the direction of deflection away from the dead center.
Dabei kann die Sensoranordnung mindestens zwei Messspulen aufweist, welche jeweils an einem oberen und einem unteren Totpunkt des Ankers vorgesehen sind. Somit wird eine Positionserfassung sowohl am oberen als auch am unteren Totpunkt des Ankers möglich. In this case, the sensor arrangement may have at least two measuring coils, which are respectively provided at an upper and a lower dead center of the armature. Thus, a position detection is possible both at the top and at the bottom dead center of the anchor.
Die zwei oder mehr Messspulen können in einer Reihenschaltung miteinander elektrisch verbunden sein. Somit kann die Auswertung des von den Messspulen ausgegebenen Sensorsignals mit einer einzigen Auswerteschaltung durchgeführt werden. The two or more measuring coils may be electrically connected in series with each other. Thus, the evaluation of the output from the measuring coil sensor signal can be performed with a single evaluation circuit.
Der Linearmotor kann ferner eine Flußführungshülse aufweisen, welche die Motorwicklung und den Anker umgibt, wobei die Messspule in die Flussführungshülse eingebettet ist. Dies ermöglicht eine platzsparende Anordnung der Messspule im Linearmotor. Der Anker kann an mindestens einem seiner Enden ein Material mit größerer Leitfähigkeit als in einem mittigen Bereich des Ankers aufweisen. Beispielsweise kann an beiden Enden des Ankers ein Aluminiumring vorgesehen sein. Somit werden größere Wirbelstromverluste erzeugt, wenn die Aluminiumringe in das von den Sensorspulen gebildete Magnetfeld bewegt werden, so dass eine höhere Sensorempfindlichkeit erreicht wird. The linear motor may further include a Flußführungshülse, which surrounds the motor winding and the armature, wherein the measuring coil is embedded in the flux guide sleeve. This allows a space-saving arrangement of the measuring coil in the linear motor. The anchor may have at least one of its ends a material with greater conductivity than in a central region of the armature. For example, an aluminum ring may be provided at both ends of the armature. Thus, larger eddy current losses are produced when the aluminum rings are moved into the magnetic field formed by the sensor coils, so that a higher sensor sensitivity is achieved.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Dabei zeigen Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying figures. Show
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Linearmotors zum Antrieb des Kolbens eines Linearverdichters; Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of a linear motor for driving the piston of a linear compressor;
Fig. 2 eine angeschnittene perspektivische Ansicht des Linearmotors; Fig. 3 ein Ersatzschaltbild einer Schaltung zum Ansteuern des Linearmotors sowie einer Sensoranordnung zum Erfassen der Position des Ankers; Fig. 2 is a cutaway perspective view of the linear motor; Fig. 3 is an equivalent circuit diagram of a circuit for driving the linear motor and a sensor arrangement for detecting the position of the armature;
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Ansteuer- und Auswerteschaltung des Linearverdichters; Fig. 5 eine schematische Querschnittsansicht eines Linearverdichters mit einem Linearmotor gemäß einer weiteren Ausgestaltung; 4 shows a block diagram of a drive and evaluation circuit of the linear compressor; 5 shows a schematic cross-sectional view of a linear compressor with a linear motor according to a further embodiment;
Fig. 6 ein Ersatzschaltbild einer möglichen Verschaltung der Motorwicklung und der Sensorspulen; und 6 shows an equivalent circuit diagram of a possible interconnection of the motor winding and the sensor coils; and
Fig. 7 eine weitere Ausgestaltung einer Ansteuerschaltung für den Linearmotor.  Fig. 7 shows a further embodiment of a drive circuit for the linear motor.
Falls nichts anderes angegeben ist, bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente. Unless otherwise indicated, like reference numerals in the figures denote like or functionally identical elements.
Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Linearmotors 100 zum Antrieb des Kolbens eines Linearverdichters. Fig. 2 zeigt eine angeschnittene perspektivische Ansicht des Linearmotors 100. Der Linearmotor 100 umfasst zwei E-förmige Joche 1 10, zwei Motorwicklungen 120 und einen Anker 130. 1 shows a schematic cross-sectional view of a linear motor 100 for driving the piston of a linear compressor. FIG. 2 shows a cutaway perspective view of the linear motor 100. The linear motor 100 comprises two E-shaped yokes 110, two motor windings 120 and one armature 130.
Die E-förmigen Joche 1 10 dienen als Stator des Linearmotors 100 und sind beispielsweise aus Paketen aus sogenanntem Dynamo-Blech gefertigt. Die Joche 1 10 weisen jeweils drei Arme 1 12, 1 14 und 1 16 auf, die sich paarweise gegenüber liegen. Die einander zu- gewandten Enden der Arme 1 12, 1 14 und 1 16 bilden jeweils Polschuhe 1 18, die einen Luftspalt begrenzen. Um die mittleren Arme 1 14 ist jeweils eine der Motorwicklungen 120 gewickelt, die als Erregerwicklungen dienen. Die Motorwicklungen 120 können mit einem Strom beaufschlagt werden, wobei die Stromrichtung in den beiden Motorwicklungen 120 so festgelegt ist, dass die beiden einander gegenüberliegenden Polschuhe 1 18 der mittle- ren Arme 1 14 ungleichnamige Magnetpole bilden. Dabei können die Motorwicklungen 120 parallel geschaltet sein. Die Polschuhe 1 18 der äußeren Arme 1 12 und 1 16 bilden zum jeweils benachbarten mittleren Arm 1 14 ungleichnamige Magnetpole. The E-shaped yokes 1 10 serve as a stator of the linear motor 100 and are made for example of packages of so-called dynamo sheet metal. The yokes 1 10 each have three arms 1 12, 1 14 and 1 16, which are in pairs opposite. The mutually facing ends of the arms 1 12, 1 14 and 1 16 each form pole pieces 1 18, which limit an air gap. One of the motor windings 120, which serve as excitation windings, is wound around the middle arms 14. The motor windings 120 can be acted upon by a current, wherein the current direction in the two motor windings 120 is set so that the two mutually opposite pole pieces 18 of the middle arms 14 form unequal magnetic poles. In this case, the motor windings 120 may be connected in parallel. The pole pieces 1 18 of the outer arms 1 12 and 1 16 form for each adjacent central arm 1 14 unlike magnetic poles.
Im durch die Polschuhe 1 18 gebildeten Luftspalt ist der Anker 130 angeordnet. Der Anker 130 ist mittels zweier nicht dargestellten Federn derart beweglich gelagert, dass er in Pfeilrichtung, welche die Auslenkungsrichtung darstellt, also in Längsrichtung im durch die Polschuhe 1 18 gebildeten Luftspalt. Der Anker umfasst einen Schlitten 132 und einen vierpoligen Permanentmagneten 134. Der vierpolige Permanentmagnet kann beispiels- weise in eine im Schlitten 132 vorgesehene Tasche eingeklebt sein. Alternativ dazu ist es auch möglich zwei zweipolige Permanentmagneten vorzusehen, welche in entsprechende Taschen des Schlittens 132 eingeklebt sind. Der Permanentmagnet 134 reagiert auf das magnetische Wechselfeld, das durch den Stromfluss durch die Motorwicklungen 120 verursacht wird, und die entstehende Kraftwirkung wird in eine oszillierende Bewegung des Ankers 130 in Hubrichtung umgesetzt. Der Schlitten 132 ist aus einem sehr leitfähigen Material, wie z.B. Aluminium gefertigt. In the air gap formed by the pole pieces 1 18 of the armature 130 is arranged. The armature 130 is movably mounted by means of two springs, not shown, that it in the arrow direction, which represents the deflection direction, ie in the longitudinal direction in the air gap formed by the pole pieces 1 18. The armature comprises a slide 132 and a four-pole permanent magnet 134. The four-pole permanent magnet can, for example, wise be glued into a provided in the carriage 132 bag. Alternatively, it is also possible to provide two two-pole permanent magnets, which are glued into corresponding pockets of the carriage 132. The permanent magnet 134 responds to the alternating magnetic field caused by the current flow through the motor windings 120, and the resulting force action is converted into an oscillating movement of the armature 130 in the stroke direction. The carriage 132 is made of a highly conductive material, such as aluminum.
Mit dem Schlitten 132 fest verbunden ist eine Seite einer Kolbenstange 140. Die andere Seite der Kolbenstange 140 ist fest mit einem Kolben verbunden, welcher einen nicht dar- gestellten Zylinderraum eines Linearverdichters begrenzt. Durch die Oszillation des Ankers 130 wird somit das Volumen des Zylinderraums des Linearverdichters verändert und im Zylinderraum vorhandenes Gas kann komprimiert werden. Securely connected to the carriage 132 is one side of a piston rod 140. The other side of the piston rod 140 is fixedly connected to a piston which limits a not shown cylinder space of a linear compressor. By the oscillation of the armature 130 thus the volume of the cylinder space of the linear compressor is changed and in the cylinder space existing gas can be compressed.
Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Schaltung 300 zum Ansteuern des Linearmotors 100 sowie einer Sensoranordnung zum Erfassen der Position des Ankers 100. Die Schaltung 300 zum Ansteuern des Linearmotors 100 umfasst einen Gleichspannungszwischenkreis 310 sowie eine H-Brückenschaltung 320. 3 shows an equivalent circuit diagram of a circuit 300 for driving the linear motor 100 and a sensor arrangement for detecting the position of the armature 100. The circuit 300 for driving the linear motor 100 comprises a DC voltage intermediate circuit 310 and an H-bridge circuit 320.
Der Gleichspannungszwischenkreis 310 umfasst vier Gleichrichterdioden 31 1 , 312, 313 und 314 sowie einen Glättungskondensator 315. Die vier Gleichrichterdioden 31 1 , 312, 313 und 314 richten eine Wechselspannung UAc gleich, welche beispielsweise durch eine Netzspannung gegeben sein kann. Der Glättungskondensator 315 glättet die Spannung am Ausgang der Diodenschaltung, so dass an den beiden Enden des Glättungskonden- sators 315 eine Gleichspannung UDc anliegt, welche der H-Brückenschaltung 320 zuge- führt wird. The DC intermediate circuit 310 comprises four rectifier diodes 31 1, 312, 313 and 314 as well as a smoothing capacitor 315. The four rectifier diodes 31 1, 312, 313 and 314 rectify an AC voltage U A c, which may be given for example by a mains voltage. The smoothing capacitor 315 smoothes the voltage at the output of the diode circuit, so that at the two ends of the smoothing capacitor 315 a DC voltage U D c is applied, which is supplied to the H-bridge circuit 320.
Die H-Brückenschaltung 320 umfasst vier Halbleiterschalter 321 , 322, 323 und 324. Die Halbleiterschalter 321 , 322, 323 und 324 weisen jeweils einen Transistor auf, zu dem jeweils eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist. Die Transistoren können beispielsweise als IGBTs oder Power-MOSFets ausgeführt sein und sind jeweils mit einer nicht näher dargestellten Steuerung ansteuerbar. Auf der Brücke der H-Brückenschaltung 320 sind die Motorwicklungen 120 des Linearmotors 100 angeordnet, welche beispielsweise hintereinander geschaltet werden können. Die H-Brückenschaltung 320 wird zur Anpassung der Zwi- schenkreisspannung an die Betriebsspannung des Linearmotors 100 mit Pulsweitenmodulation betrieben. In einer ersten Phase der Pulsweitenmodulation werden die Halbleiterschalter 321 und 324 durchgeschaltet, so dass Strom durch diese Halbleiterschalter 321 und 324 sowie in einer ersten Richtung durch den dazwischen angeordneten Linearmotor 100 fließt. In einer folgenden Freilaufphase werden die Halbleiterschalter 321 und 324 gesperrt. Die Induktivität der Motorwicklungen hält den fließenden Strom aufrecht, welcher über die parallel zu den Transistoren der Halbleiterschalter 322 und 323 angeordneten Dioden fließen kann. Als nächstes folgt eine zweite Phase, in welcher die Halbleiterschalter 322 und 323 durchgeschaltet, so dass Strom durch diese Halbleiterschalter 322 und 322 sowie in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durch den dazwischen angeordneten Linearmotor 100 fließt. Es folgt eine weitere Freilaufphase, in welcher der Freilaufstrom durch die die parallel zu den Transistoren der Halbleiterschalter 321 und 324 angeordneten Dioden fließt. Danach beginnt der Zyklus von vorne. Durch Einstellung der Länge der ersten und zweiten Phase kann der Hub des Ankers 130 eingestellt werden. The H-bridge circuit 320 comprises four semiconductor switches 321, 322, 323 and 324. The semiconductor switches 321, 322, 323 and 324 each have a transistor, to each of which a freewheeling diode is connected in parallel. The transistors can be embodied, for example, as IGBTs or power MOSFETs, and can each be controlled by a controller (not shown). On the bridge of the H-bridge circuit 320, the motor windings 120 of the linear motor 100 are arranged, which can be connected in series, for example. The H bridge circuit 320 is used to adjust the intermediate Schenkreisspannung to the operating voltage of the linear motor 100 operated with pulse width modulation. In a first phase of the pulse width modulation, the semiconductor switches 321 and 324 are turned on, so that current flows through these semiconductor switches 321 and 324 and in a first direction through the linear motor 100 arranged therebetween. In a following freewheeling phase, the semiconductor switches 321 and 324 are disabled. The inductance of the motor windings maintains the flowing current which can flow across the diodes arranged in parallel with the transistors of the semiconductor switches 322 and 323. Next is a second phase in which the semiconductor switches 322 and 323 are turned on so that current flows through these semiconductor switches 322 and 322 and in a second direction opposite to the first direction through the linear motor 100 interposed therebetween. This is followed by another freewheeling phase in which the freewheeling current flows through the diodes arranged in parallel with the transistors of the semiconductor switches 321 and 324. Then the cycle starts from the beginning. By adjusting the length of the first and second phases, the stroke of the armature 130 can be adjusted.
Ein Koppeltransformator 330 ist in Reihe mit der Motorwicklung 120 des Linearmotors 100 und ebenfalls auf der Brücke der H-Brückenschaltung 320 angeordnet. Genauer gesagt ist die Sekundärseite 334 des Koppeltransformators 330 in Reihe mit mindestens einer der Motorwicklungen 120 angeordnet. Die Primärseite 332 des Koppeltransformators 330 ist mit einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 400 verbunden. A coupling transformer 330 is arranged in series with the motor winding 120 of the linear motor 100 and also on the bridge of the H bridge circuit 320. More specifically, the secondary side 334 of the coupling transformer 330 is arranged in series with at least one of the motor windings 120. The primary side 332 of the coupling transformer 330 is connected to a drive and evaluation circuit 400.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der Ansteuer- und Auswerteschaltung 400. Die Ansteuer- und Auswerteschaltung 400 umfasst eine Oszillatorschaltung 410, eine Spannungsteilerschaltung 420, eine Filterschaltung 430, eine Auswerteschaltung 440 und einen Mikrokon- troller 450. 4 shows a block diagram of the drive and evaluation circuit 400. The drive and evaluation circuit 400 comprises an oscillator circuit 410, a voltage divider circuit 420, a filter circuit 430, an evaluation circuit 440 and a microcontroller 450.
Die Oszillatorschaltung 410 stellt eine hochfrequente Anregungsspannung Us bereit, die, nach Teilung mit der Spannungsteilerschaltung 420, über den Koppeltransformator 330 in den Linearmotorkreis gespeist wird. Die Anregungsspannung Us ist beispielsweise eine Sinusspannung konstanter Amplitude mit einer Frequenz, die ein Mehrfaches, z.B. ein 10- faches oder 100-faches oder mehr, der maximalen Frequenz der PWM-Spannung beträgt, mit welcher der Linearmotor 100 betrieben wird. Somit wird der die Bewegung des Linearmotors von der eingespeisten Anregungsspannung Us nicht oder nur vernachlässigbar beeinflusst. Der Spannungsteiler 420 umfasst einen ohmschen Spannungsteilerwiderstand 422 sowie zwei Anschlüsse 424 und 426. Der Spannungsteilerwiderstand 422 ist auf seiner einen Seite mit dem Ausgang der Oszillatorschaltung 410 und auf seiner anderen Seite mit dem Eingang der Filterschaltung 430 verbunden. Der Anschluss 424 ist mit dem Knoten verbunden, der den Spannungsteilerwiderstand 422 mit der Filterschaltung 430 verbindet. Der Anschluss 426 ist mit Masse bzw. mit einem Bezugspotential verbunden. Die Primärseite 332 des Kopplungstransformators 330 ist mit den beiden Anschlüssen 424 und 426 verbunden. Die Anregungsspannung Us führt somit zu einer Anregung der Motorwicklung 120, welche der Anregung durch die PWM-Modulation des Linearmotors 120 überlagert ist. The oscillator circuit 410 provides a high-frequency excitation voltage Us, which, after division with the voltage divider circuit 420, is fed via the coupling transformer 330 into the linear motor circuit. The excitation voltage Us is, for example, a sinusoidal voltage of constant amplitude having a frequency which is a multiple, eg, 10 times or 100 times or more, the maximum frequency of the PWM voltage with which the linear motor 100 is operated. Thus, the movement of the linear motor of the injected excitation voltage Us is not or only negligible affected. The voltage divider 420 comprises a resistive voltage divider resistor 422 and two terminals 424 and 426. The voltage divider resistor 422 is connected on one side to the output of the oscillator circuit 410 and on the other side to the input of the filter circuit 430. The terminal 424 is connected to the node connecting the voltage divider resistor 422 to the filter circuit 430. The terminal 426 is connected to ground or to a reference potential. The primary side 332 of the coupling transformer 330 is connected to the two terminals 424 and 426. The excitation voltage Us thus leads to an excitation of the motor winding 120, which is superimposed on the excitation by the PWM modulation of the linear motor 120.
Ferner wird die am Anschluss 424 anliegende Spannung Um abgegriffen und der Filterschaltung 430 zugeführt. Diese Spannung Um enthält eine Information über die Position des Ankers 130. Dies wird im Folgenden näher erläutert: Die mit dem Koppeltransformator 330 verbundene Motorwicklung 120 hat, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, eine Induktivität Lm und einen ohmschen Spulenwiderstand Rm. In der in Fig. 1 dargestellten Situation läuft, aufgrund der Anregung der Motorwicklung 120, der magnetische Fluss vom Polschuh 1 18 des mittleren Arms 1 14 über den Luftspalt zu beiden Seiten durch den Permanentmagneten 134, von dort wieder über den Luftspalt zu den seitlichen Armen 1 12 und 1 16 und über die Jochbasis zurück in den mittleren Arm 1 14. Der Permanentmagnet 134 weist einen nur geringen magnetischen Widerstand auf, so dass der magnetische Fluss im Wesentlichen ungehindert bzw. nur durch den Luftspalt gehindert fließt. Wird nun der Anker 130 zu einer Seite hin, z.B. nach links, ausgelenkt, dann ist gegenüber den Armen 1 16 nicht mehr der Permanentmagnet 134 sondern nun- mehr der Schlitten 132 angeordnet. Da der Schlitten 132 aus einem Material mit großem elektrischen Leitwert und niedriger relativer Permeabilität, wie z.B. Aluminium, besteht, entstehen darin Wirbelströme, wenn er in das von der Spule erzeugte Magnetfeld gebracht wird, wodurch in Wärme umgesetzte Leistung verbraucht wird. Die von der Primärseite eingespeiste Anregespannung regt mit anderen Worten in der Motorwicklung 120 ein Wechsel-Magnetfeld an, welches in dem elektrischen Leiter des Schlittens 132 Wirbelströme erzeugt. In diesem Zustand wirkt der Anker 130 also wie ein zugeschalteter Verbraucher, dessen Verbraucherleistung größer wird, je mehr der Schlitten 132 in das Magnetfeld eindringt. Dies wird im Ersatzschaltbild durch den Ersatzwiderstand Ra parallel zur Induktivität Lm modelliert, welcher aufgrund der Wirbelstromverluste ansteigt. Furthermore, the voltage applied to terminal 424 is tapped and supplied to the filter circuit 430. This voltage Um contains information about the position of the armature 130. This will be explained in more detail below: The motor winding 120 connected to the coupling transformer 330 has, as shown schematically in FIG. 3, an inductance Lm and a resistive coil resistance Rm Fig. 1 illustrated situation runs, due to the excitation of the motor winding 120, the magnetic flux from the pole piece 1 18 of the middle arm 1 14 through the air gap on both sides by the permanent magnet 134, from there again via the air gap to the side arms 1 12 and 1 16 and via the yoke base back into the middle arm 1 14. The permanent magnet 134 has only a low magnetic resistance, so that the magnetic flux flows substantially unhindered or prevented only by the air gap. If the armature 130 is now deflected to one side, for example to the left, then the permanent magnet 134 is no longer disposed relative to the arms 16, but now the carriage 132 is arranged. Since the carriage 132 is made of a material of high electrical conductance and low relative permeability such as aluminum, eddy currents are generated therein when it is brought into the magnetic field generated by the coil, thereby consuming power converted into heat. In other words, the starting voltage fed from the primary side excites an alternating magnetic field in the motor winding 120, which generates eddy currents in the electrical conductor of the carriage 132. In this state, the armature 130 thus acts like a switched-on consumer, the consumer power is greater, the more the slide 132 in the Magnetic field penetrates. This is modeled in the equivalent circuit diagram by the equivalent resistance Ra parallel to the inductance Lm, which increases due to the eddy current losses.
Die Filterschaltung 430 kann beispielsweise ein kapazitives Element umfassen, welches zusammen mit der Primärseite 332 des Koppeltransformators 330 einen Reihenschwing- kreis ausbildet. Wenn nun aufgrund der Wirbelstromverluste der Ersatzwiderstand Ra ansteigt, dann wirkt sich dies als Änderung der Güte auf die Schwingamplitude und die Resonanzfrequenz des Schwingkreises aus. Die elektronische Auswerteschaltung 440 erfasst mindestens eine dieser beiden Größen und erzeugt als Ausgangssignal ein positionsabhängiges Gleichspannungssignal Ux, welches eine Information über die Position des Ankers 130 im Linearmotor 100 enthält, und beispielsweise proportional zur Änderung des Ersatzwiderstandes Ra ist. Gleichzeitig wirkt der Reihenschwingkreis als Sperrfilter gegenüber der niedrigeren PWM-Frequenz der Motorversorgung. Die Auswerteschaltung 440 kann beispielsweise einen Verstärker und ein Schaltungsteil zur Spitzenwertgleich- richtung mit Glättung aufweisen. Das Sensorsignal Ux wird einem Analog-Digitalwandler 455 des Mikrokontrollers 450 zugeführt, welcher das Sensorsignal Ux in ein digitales Signal umwandelt. In Abhängigkeit von diesem Sensorsignal Ux regelt der Mikrokontroller 450 die Energiezufuhr zu dem Linearmotor 100. Durch eine geeignete Regelung kann einerseits sichergestellt werden, dass der Kolben nicht gegen seine Anschläge stößt, und andererseits, dass ein den Betriebsbedingungen entsprechender optimaler Wirkungsgrad eingestellt wird. The filter circuit 430 may, for example, comprise a capacitive element which, together with the primary side 332 of the coupling transformer 330, forms a series resonant circuit. If now due to the eddy current losses of the equivalent resistance Ra increases, then this affects as a change in the quality of the oscillation amplitude and the resonant frequency of the resonant circuit. The electronic evaluation circuit 440 detects at least one of these two variables and generates as output a position-dependent DC voltage signal Ux, which contains information about the position of the armature 130 in the linear motor 100, and is for example proportional to the change of the equivalent resistance Ra. At the same time, the series resonant circuit acts as a blocking filter with respect to the lower PWM frequency of the motor supply. The evaluation circuit 440 can have, for example, an amplifier and a circuit part for peak value rectification with smoothing. The sensor signal Ux is supplied to an analog-to-digital converter 455 of the microcontroller 450, which converts the sensor signal Ux into a digital signal. In response to this sensor signal Ux, the microcontroller 450 regulates the power supply to the linear motor 100. By a suitable control can be ensured on the one hand that the piston does not abut against its stops, and on the other hand, that the operating conditions corresponding optimal efficiency is set.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Schlitten 132 entlang der Auslenkungsrichtung des Ankers unterschiedliche Dicken aufweisen. Somit variiert die Breite des Luftspalts zwischen den Polschuhen und dem Anker entlang der Auslenkungsrichtung des Ankers. Mit dieser Ausgestaltung ändert sich die Breite des Luftspalts im durch Anker, Joch und Motorwicklung gebildeten magnetischen Kreis in Abhängigkeit von der Position des Ankers. Beispielsweise kann sich der Schlitten 132 an einem oder beiden seiner Enden z.B. stufenweise verjüngen. In diesem Falle hängt die Breite des Luftspalts zwischen Schlitten 132 und Joch 1 10 von der Position des Ankers 130 ab, und die Breite des Luft- spalts nimmt bei zunehmender Annäherung des Ankers 130 an seinen Totpunkt zu. Dies wirkt sich auf die Größe der Wirbelstromverluste aus, so dass eine positionsabhängige Modulation der Wirbelstromverluste entsteht. Somit kann die Positionsempfindlichkeit der Sensoranordnung verbessert werden. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Änderung der Breite des Luftspalts über den Auslenkungsweg des Ankers 130 möglichst groß ist. In an advantageous embodiment, the carriage 132 may have different thicknesses along the deflection direction of the armature. Thus, the width of the air gap varies between the pole shoes and the armature along the deflection direction of the armature. With this configuration, the width of the air gap in the magnetic circuit formed by armature, yoke and motor winding changes depending on the position of the armature. For example, the carriage 132 may, for example, gradually taper at one or both of its ends. In this case, the width of the air gap between carriage 132 and yoke 1 10 depends on the position of the armature 130, and the width of the air gap increases with increasing approach of the armature 130 to its dead center. This affects the size of the eddy current losses, so that a position-dependent modulation of the eddy current losses arises. Thus, the position sensitivity of the Sensor arrangement can be improved. It is advantageous if the change in the width of the air gap over the Auslenkungsweg of the armature 130 is as large as possible.
Bei der oben beschriebenen Anordnung ist es vorteilhaft, wenn die Verbindung zwischen Kolben und Anker 130 über die Kolbenstange 140 möglichst starr ist, da aus der Position des Ankers 130 auf die Position des Kolbens im Zylinderraum geschlossen werden soll. Bei einer starren Verbindung tritt keine Positionsverfälschung beispielsweise durch ein Durchbiegen der Kolbenstange 140 auf. In the arrangement described above, it is advantageous if the connection between the piston and armature 130 via the piston rod 140 is as rigid as possible, since the position of the armature 130 is to be closed to the position of the piston in the cylinder space. In a rigid connection occurs no positional distortion, for example, by a bending of the piston rod 140.
Es kann ferner eine Kompensation von Temperaturänderungen auf den Wicklungswider- stand der Motorwicklung 120 vorgenommen werden. Der Einfluss von Temperaturänderungen auf den Wicklungswiderstand ist um einen Faktor von ca. 4 größer als der Einfluss von Temperaturänderungen auf die Induktivität der Motorwicklung 120. Durch eine Temperaturmessung und anschließende rechnerische Korrektur mit dem Mikrokontroller oder dergleichen kann der Einfluss der Temperatur auf das Messergebnis kompensiert werden. Furthermore, it is possible to compensate for temperature changes on the winding resistance of the motor winding 120. The influence of temperature changes on the winding resistance is greater by a factor of about 4 than the influence of temperature changes on the inductance of the motor winding 120. By a temperature measurement and subsequent computational correction with the microcontroller or the like, the influence of the temperature on the measurement result can be compensated ,
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Einfluss aufgrund magnetischer Sättigung auf das Messergebnis möglichst gering ist. Magnetische Sättigung hat eine Vergrößerung der magnetischen Streuung bzw. Koppelung zur Folge. Diese verändert die die Induktivität des Linearmotors 100, was sich auch auf die Wirbelstromverluste und somit aufs Messer- gebnis auswirkt. Es ist daher vorteilhaft, den Linearmotor nicht in magnetischer Sättigung zu betreiben. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn auf der Ständerseite möglichst geringe Wirbelstromverluste auftreten. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass Dynamobleche mit geringer Dicke verwendet werden. Mit der oben beschriebenen Anordnung werden in ihrer Größe positionsabhängige Wirbelstromverluste im Magnetkreis erfasst und ausgewertet. Alternativ dazu ist es auch möglich, zur Bereitstellung der Anregungsspannung einen LC-Oszillator zu verwenden, dessen Induktivität von der Sensoranordnung mit dem Koppeltransformator gebildet wird. Diese Induktivität ändert sich in Abhängigkeit von der Induktivität der sekundärseitig vor- gesehenen Motorwicklung 120, und somit in Abhängigkeit von der Position des Ankers 130 im Linearmotor 100, was zu einer Änderung der Frequenz der Anregungsspannung führt. Diese Frequenzänderung kann von der nachgeschalteten Auswerteschaltung 440 ausgewertet werden, welche in diesem Falle ein Signal ausgibt, welches in seiner Amplitude proportional zur Induktivität oder zur Induktivitätsänderung ist. Furthermore, it is advantageous if the influence due to magnetic saturation on the measurement result is as low as possible. Magnetic saturation results in an increase in the magnetic scattering or coupling. This changes the inductance of the linear motor 100, which also affects the eddy current losses and thus the measurement result. It is therefore advantageous not to operate the linear motor in magnetic saturation. Furthermore, it is advantageous if the smallest possible eddy current losses occur on the stator side. This can be achieved, for example, by using dynamo sheets of small thickness. With the arrangement described above, position-dependent eddy-current losses in the magnetic circuit are detected and evaluated in their size. Alternatively, it is also possible to use an LC oscillator to provide the excitation voltage whose inductance is formed by the sensor arrangement with the coupling transformer. This inductance changes as a function of the inductance of the secondary-side motor winding 120, and thus depending on the position of the armature 130 in the linear motor 100, which leads to a change in the frequency of the excitation voltage. This frequency change can be done by the downstream evaluation circuit 440th be evaluated, which in this case outputs a signal which is proportional in amplitude to the inductance or inductance change.
Bei der Messung verursachen die Spannungsabfälle an den Halbleiterschaltern 321 bis 324 eine Verfälschung des Messwertes. Diese Verfälschung kann rechnerisch durch den Mikrokontroller 450 korrigiert werden. During the measurement, the voltage drops at the semiconductor switches 321 to 324 cause a falsification of the measured value. This corruption can be corrected mathematically by the microcontroller 450.
Fig. 5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Linearverdichters 500 mit einem Linearmotor 540 gemäß einer weiteren Ausgestaltung. Der Linearverdichter 500 weist einen Verdichterabschnitt 520 und einen Linearmotor 540 auf. Der Verdichterabschnitt 520 umfasst eine Laufbuchse 522 und einen in der Laufbuchse 522 oszillierenden Kolben 524. Die Laufbuchse 522 ist zu einer Seite von einer Ventilplatte 526 abgeschlossen, in welcher ein Einlass- und ein Auslassventil vorgesehen sind, welche nicht näher dargestellt sind. Der Laufbuchse 522, der Kolben 524 und die Ventilplatte 526 definieren einen Zylinderraum 528, in welchen Kühlmittel durch das Einlassventil eingeführt und mit dem Kolben 524 komprimiert werden kann. In der Ruhelage 530 befindet sich der Kolben 524 in der Mitte des Verdichterabschnitts 520. Der Zylinderraum 528 entspricht einem Kompressionsbereich 532, in welchen sich der Kolben 524 bei einem Kompressionshub bewegt. Im Expansionshub bewegt sich der Kolben 524 in einen Expansionsbereich 534. Der Linearmotor 540 umfasst einen Anker 542, der über eine Kolbenstange 544 mit dem Kolben 524 starr verbunden ist. Der Anker 542 kann beispielsweise als zylindrischer zweipoliger Permanentmagnet ausgebildet sein. Um den Anker 542 ist eine als Ringwicklung ausgebildete Motorwicklung 546 angeordnet. Die Motorwicklung 546 kann sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Linearmotors 540 erstrecken oder lediglich in ei- nem mittleren Bereich einer Laufbuchse 548 vorgesehen sein. Die Motorwicklung 546 umgebend ist eine Flußführungshülse 550 vorgesehen, welche zur Führung des von der Motorwicklung 546 erzeugten magnetischen Flusses dient. Die Flußführungshülse 550 und die Laufbuchse 522 sind in einem zylindrischen Gehäuse 560 aufgenommen. Im Betrieb wird die Motorwicklung 546 mit einem Wechselstrom beaufschlagt. Abhängig von der Flußrichtung des durch die Motorwicklung 546 fließenden Stroms wird ein Magnetfeld erzeugt, auf das der magnetische Anker 542 reagiert und somit in Auslenkungsrichtung, also nach links oder nach rechts in Fig. 5, ausgelenkt wird. Zur Erfassung der Position des Ankers 542 im Linearmotor 540 ist im Bereich des oberen Totpunkts des Ankers 542 eine Sensorspule 570 und im Bereich des unteren Totpunkts des Ankers 542 eine Sensorspule 572 angeordnet. Die Sensorspulen 570 und 572 sind als Ringwicklungen ausgebildet und umgeben den Laufweg des Ankers 542. Dabei kön- nen die Sensorspulen 570 und 572 beispielsweise in in der Flußführungshülse 550 vorgesehenen Rillen eingebettet sein. Die Sensorspulen 570 und 572 werden mit einer Wechselspannung gespeist und erzeugen ein Magnetfeld. Wird nun der Anker 542 in das von einer der Sensorspulen 570 und 572 erzeugte Magnetfeld bewegt, dann werden im Anker 542 Wirbelströme erzeugt, welche zu Wirbelstromverlusten führen, die in der oben be- schriebenen Weise erfasst werden können, also beispielsweise mittelbar indem die Änderung eines durch die Wirbelstromverluste beeinflussten Ersatzwiderstandes erfasst wird. 5 shows a schematic cross-sectional view of a linear compressor 500 with a linear motor 540 according to a further embodiment. The linear compressor 500 has a compressor section 520 and a linear motor 540. The compressor section 520 includes a bushing 522 and a piston 524 oscillating in the bushing 522. The bushing 522 is closed to one side by a valve plate 526 in which an inlet and an outlet valve are provided, which are not shown in detail. The bushing 522, the piston 524, and the valve plate 526 define a cylinder space 528 into which coolant may be introduced through the inlet valve and compressed with the piston 524. In the rest position 530, the piston 524 is located in the middle of the compressor section 520. The cylinder chamber 528 corresponds to a compression region 532, in which the piston 524 moves during a compression stroke. In the expansion stroke, the piston 524 moves into an expansion region 534. The linear motor 540 includes an armature 542, which is rigidly connected to the piston 524 via a piston rod 544. The armature 542 may be formed, for example, as a cylindrical two-pole permanent magnet. Arranged around the armature 542 is a motor winding 546 designed as a ring winding. The motor winding 546 may extend substantially over the entire length of the linear motor 540 or be provided only in a central region of a bushing 548. Surrounding the motor winding 546 is a flux guide sleeve 550, which serves to guide the magnetic flux generated by the motor winding 546. The Flußführungshülse 550 and the liner 522 are accommodated in a cylindrical housing 560. In operation, the motor winding 546 is supplied with an alternating current. Depending on the direction of flow of the current flowing through the motor winding 546, a magnetic field is generated, to which the magnetic armature 542 responds and is thus deflected in the direction of deflection, that is to the left or to the right in FIG. 5. For detecting the position of the armature 542 in the linear motor 540, a sensor coil 570 is arranged in the region of the top dead center of the armature 542, and a sensor coil 572 is arranged in the region of the bottom dead center of the armature 542. The sensor coils 570 and 572 are formed as ring windings and surround the path of travel of the armature 542. In this case, the sensor coils 570 and 572 can be embedded, for example, in grooves provided in the flux guide sleeve 550. The sensor coils 570 and 572 are supplied with an AC voltage and generate a magnetic field. If now the armature 542 is moved into the magnetic field generated by one of the sensor coils 570 and 572, then eddy currents are generated in the armature 542, which lead to eddy current losses which can be detected in the manner described above, thus for example indirectly by the change of a is detected by the eddy current losses affected equivalent resistance.
Der Anker 542 kann an seinen beiden Enden ein Material aufweisen, welches eine größere elektrische Leitfähigkeit hat als der durch den Permanentmagneten gebildeten mittleren Abschnitt. Beispielsweise können an beiden Enden des Ankers 542 Aluminiumringe 543 vorgesehen sein. Somit werden größere Wirbelstromverluste erzeugt, wenn die Aluminiumringe 543 in das von den Sensorspulen 570 und 572 gebildete Magnetfeld bewegt werden, so dass eine höhere Sensorempfindlichkeit erreicht wird. Zur Erzielung einer hohe Sensorempfindlichkeit ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Wandstärke der Flußfüh- rungshülse 550 kleiner als der Durchmesser des Ankers 542 ist. Alternativ zu einer Positionserfassung mittels der Erfassung der Wirbelströme ist es auch möglich, aus der Änderung der Induktivität der Sensorspulen 570 und 572 wenn der Anker 542 sich den Sensorspulen 570 und 572 nähert auf die Position des Ankers 542 zu schließen. Wie auch bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist bei der in Fig. 5 dargestellten Ausgestaltung vorteilhaft, dass im Bereich des Zylinderraums 528 keine Sensoren zur Positionserfassung vorgesehen sind. Vielmehr wird mit Hilfe der Sensorspulen 570 und 572 die Position des Ankers 542 im Linearmotor 540 erfasst. Weil der Kolben 524 über die Kolbenstange 544 starr mit dem Anker 542 verbunden ist, kann aus der Position des Ankers 542 unmittelbar auf die Position des Kolbens 524 in der Laufbuchse 522 geschlossen werden. Da im Zylinderraum keine Sensoren vorgesehen ist, ist die Abdichtung des Zylinderraums einfacher als das beispielsweise der Fall ist, wenn ein induktiver Sensor in der Ventilplatte 526 vorgesehen ist. Ferner ist bei dieser Ausgestaltung vorteilhaft, dass der Messkreis von der Ansteuerung des Linearmotors galvanisch entkoppelt ist. Störungen des Messsignals können somit vermieden werden. Durch geschickte Anordnung der Messspulen kann eine hohe Empfindlichkeit erreicht werden. The armature 542 may have at its two ends a material which has a greater electrical conductivity than the central portion formed by the permanent magnet. For example, 542 aluminum rings 543 may be provided at both ends of the armature. Thus, larger eddy current losses are produced as the aluminum rings 543 are moved into the magnetic field formed by the sensor coils 570 and 572, thus achieving higher sensor sensitivity. To achieve a high sensor sensitivity, it is also advantageous if the wall thickness of the Flußfüh- tion sleeve 550 is smaller than the diameter of the armature 542. As an alternative to a position detection by means of the detection of the eddy currents, it is also possible to deduce the position of the armature 542 from the change in the inductance of the sensor coils 570 and 572 when the armature 542 approaches the sensor coils 570 and 572. As with the embodiment described above, it is advantageous in the embodiment illustrated in FIG. 5 that sensors for position detection are not provided in the region of the cylinder space 528. Rather, the position of the armature 542 in the linear motor 540 is detected by means of the sensor coils 570 and 572. Because the piston 524 is rigidly connected to the armature 542 via the piston rod 544, the position of the armature 542 directly closes the position of the piston 524 in the sleeve 522. Since no sensors are provided in the cylinder space, the sealing of the cylinder space is simpler than, for example, the case when an inductive sensor is provided in the valve plate 526. Furthermore, it is advantageous in this embodiment, that the measuring circuit is galvanically decoupled from the control of the linear motor. Disturbances of the measuring signal can thus be avoided. By skillful arrangement of the measuring coils, a high sensitivity can be achieved.
Fig. 6 zeigt ein Ersatzschaltbild einer möglichen Anordnung 600 der Motorwicklung 546 und der Sensorspulen 570 und 572. Wie in Fig. 6 dargestellt, kann die Motorwicklung 546 über zwei Anschlüsse 580 und 582 mit einer Ansteuerschaltung, beispielsweise der in Fig. 3 gezeigten H-Brückenschaltung 320, verbunden sein. Ferner können die Sensorspulen 570 und 572 in Reihe miteinander elektrisch verbunden sein, wobei ein Ende der Sensorspule 572 mit einem Anschluss 584 und ein Ende der Sensorspule 570 mit einem An- schluss 586 verbunden ist. Bei dieser Anordnung ist nur eine einzige Auswerteschaltung zur Auswertung des von den Sensorspulen 570 und 572 ausgegebenen Signals notwendig. Beide Sensorspulen 570 und 572 wirken in der oben beschriebenen Weise mit dem Anker 542 zusammen, wenn dieser in das von einer der Sensorspulen 570 und 572 erzeugte Magnetfeld bewegt wird. Ist der Linearmotor 540 genau symmetrisch ausgelegt, dann kann anhand des an den Anschlüssen 584 und 586 abgreifbaren Signals noch nicht erfasst werden, ob sich der Anker 542 seinem oberen oder seinem unteren Totpunkt nähert, allerdings kann dies durch Vergleich mit der Polarität des der Motorwicklung 546 zugeführten Stroms erfasst werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, beispielsweise durch entsprechende Gestaltung der Aluminiumringe 543, den Linearmotor 540 derart asymmetrisch zu gestalten, dass anhand des an den Anschlüssen 584 und 586 anliegenden Signals erfasst werden kann, ob sich der Anker 542 seinem oberen oder seinem unteren Totpunkt nähert. 6 shows an equivalent circuit diagram of a possible arrangement 600 of the motor winding 546 and the sensor coils 570 and 572. As shown in FIG. 6, the motor winding 546 may be connected via two terminals 580 and 582 to a drive circuit, for example the H-switch shown in FIG. Bridge circuit 320, be connected. Further, the sensor coils 570 and 572 may be electrically connected in series with each other, with one end of the sensor coil 572 connected to a port 584 and one end of the sensor coil 570 connected to a port 586. In this arrangement, only a single evaluation circuit for evaluating the signal output from the sensor coils 570 and 572 signal is necessary. Both sensor coils 570 and 572 cooperate with the armature 542 in the manner described above when it is moved into the magnetic field generated by one of the sensor coils 570 and 572. If the linear motor 540 is designed to be exactly symmetrical, it can not yet be determined from the signal which can be picked off at the terminals 584 and 586 whether the armature 542 is approaching its upper or lower dead center, but this can be done by comparison with the polarity of the motor winding 546 supplied stream. Alternatively, it is also possible, for example by appropriate design of the aluminum rings 543, to make the linear motor 540 asymmetric such that it can be detected from the signal applied to the terminals 584 and 586, whether the armature 542 approaches its top or bottom dead center ,
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Ansteuerschaltung für den Linearmotor 100, 520. In dieser Ausgestaltung ist der Linearmotor 100, 520 auf einer Seite mit einem bidirektionalen, nicht abschaltbaren Halbleiterschalter, z.B. einem Triac 700, und auf der andere Seite mit einem ersten Versorgungsanschluss 710 verbunden. Die andere Seite des Triacs 700 ist mit einem zweiten Versorgungsanschluss 720 verbunden. An den Versorgungsanschlüssen 710 und 720 liegt eine Versorgungsspannung UAc an. Ein Steueran- schluss des Triacs 700 ist mit einer Motorsteuerung verbunden, und der Triac 700 kann durch Aufschalten eines Steuersignals auf diesen Steueranschluss durchgeschaltet werden. Mit dieser Ausgestaltung kann der Linearmotor 100, 520 also ohne einen Zwischenkreis direkt an einer Netzspannung UAc betrieben werden. Der Linearmotor 100, 520 wird somit im Phasenanschnittsbetrieb geregelt, wobei die Motorspannung durch Einstellen des Phasenanschnitt-Winkels geregelt werden kann. Die Positionserfassung erfolgt dabei wie oben beschrieben. Vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung ist, dass sie wenig aufwändig ist und mit nur einem Halbleiterschalter realisiert werden kann. Nachteilhaft ist jedoch, dass der Triac 700 nach seinem Durchschalten bis zum nächsten Nulldurchgang der An- regungsspannung nicht abgeschaltet werden kann, die Schaltung also weniger flexibel ist als die H-Brückenschalung 320 in Fig. 3. 7 shows a further embodiment of a drive circuit for the linear motor 100, 520. In this embodiment, the linear motor 100, 520 is on one side with a bidirectional, non-turn-off semiconductor switch, eg a triac 700, and on the other side with a first supply terminal 710 connected. The other side of the triac 700 is connected to a second supply terminal 720. A supply voltage U c A is applied to the power supply terminals 710 to 720. A control terminal of the triac 700 is connected to a motor controller, and the triac 700 can be switched through by applying a control signal to this control terminal. With this configuration, the linear motor 100 520 may be connected directly to a mains voltage U A c, ie without an intermediate circuit. The linear motor 100, 520 is thus regulated in phase gating, wherein the motor voltage can be controlled by adjusting the phase angle. The position detection is carried out as described above. An advantage of this embodiment is that it is less expensive and can be realized with only one semiconductor switch. However, it is disadvantageous that the triac 700 can not be switched off after it has been turned on until the next zero crossing of the excitation voltage, ie the circuit is less flexible than the H-bridge formwork 320 in FIG. 3.
Bezugszeichenliste: LIST OF REFERENCE NUMBERS
100 Linearmotor 100 linear motor
1 10 Joche  1 10 yokes
1 12, 1 14, 1 16 Arme  1 12, 1 14, 1 16 arms
1 18 Polschuhe 1 18 pole shoes
120 Motorwicklungen  120 motor windings
130 Anker  130 anchors
140 Kolbenstange  140 piston rod
300 Schaltung zum Ansteuern des Linearmotors 310 Gleichspannungszwischenkreis  300 circuit for driving the linear motor 310 DC intermediate circuit
31 1 , 312, 313, 314 Gleichrichterdioden  31 1, 312, 313, 314 rectifier diodes
315 Glättungskondensator  315 smoothing capacitor
320 H-Brückenschaltung  320 H bridge circuit
321 , 322, 323, 324 Halbleiterschalter  321, 322, 323, 324 semiconductor switch
330 Koppeltransformator 330 coupling transformer
332 Primärseite  332 primary side
334 Sekundärseite  334 secondary side
400 Ansteuer- und Auswerteschaltung  400 control and evaluation circuit
410 Oszillatorschaltung  410 oscillator circuit
420 Spannungsteilerschaltung 420 voltage divider circuit
422 Spannungsteilerwiderstand  422 voltage divider resistor
424, 426 Anschlüsse  424, 426 connections
430 Filterschaltung  430 filter circuit
440 Auswerteschaltung  440 evaluation circuit
450 Mikrokontroller 450 microcontroller
455 Analog-Digitalwandler  455 analog-to-digital converter
500 Linearverdichter  500 linear compressors
520 Verdichterabschnitt  520 compressor section
522 Laufbuchse  522 bushing
524 Kolben 524 pistons
526 Ventilplatte  526 valve plate
528 Zylinderraum  528 cylinder chamber
530 Ruhelage 532 Kompressionsbereich 530 rest position 532 compression range
534 Expansionsbereich  534 expansion area
540 Linearmotor  540 linear motor
542 Anker  542 anchors
544 Kolbenstange  544 piston rod
546 Motorwicklung 546 motor winding
548 Laufbuchse  548 bushing
550 Flußführungshülse  550 flux guide sleeve
560 zylindrisches Gehäuse  560 cylindrical housing
570, 572 Sensorspulen  570, 572 sensor coils
600 Anordnung von Motorwicklung und Sensorspulen 700 Triac 600 arrangement of motor winding and sensor coils 700 triac
710, 720 Versorgungsanschlüsse  710, 720 supply connections

Claims

Patentansprüche claims
Linearmotor für einen Linearverdichter, aufweisend: Linear motor for a linear compressor, comprising:
eine Motorwicklung (120) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes; und einen Anker (130), der durch das von der Motorwicklung (120) erzeugte Feld in einer Auslenkungsrichtung linear auslenkbar ist; a motor winding (120) for generating a magnetic field; and an armature (130) which is linearly deflectable by the field generated by the motor winding (120) in a deflection direction;
gekennzeichnet durch eine Sensoranordnung zur Erfassung der Position des Ankers (130) in Auslenkungsrichtung, wobei die Sensoranordnung einen Koppeltransformator (330) aufweist, dessen Sekundärseite (334) mit der Motorwicklung (120) elektrisch verbunden ist, wobei die Sensoranordnung ausgebildet ist, zur Erfassung der Position des Ankers (130) an die Primärseite (332) des Koppeltransformators (330) eine Anregungsspannung zum Anregen der Motorwicklung (120) anzulegen. characterized by a sensor arrangement for detecting the position of the armature (130) in the deflection direction, wherein the sensor arrangement comprises a coupling transformer (330) whose secondary side (334) is electrically connected to the motor winding (120), wherein the sensor arrangement is designed to detect the Position of the armature (130) to the primary side (332) of the coupling transformer (330) to apply an excitation voltage for exciting the motor winding (120).
Linearmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsspannung zur Erzeugung von Wirbelstromverlusten, welche von der Position des Ankers (130) abhängen, vorgesehen ist. Linear motor according to claim 1, characterized in that the excitation voltage for generating eddy current losses, which depend on the position of the armature (130), is provided.
Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung ausgebildet ist, die Frequenz der Anregungsspannung oder einer ansprechend auf die Anregungsspannung resultierenden Messspannung an der Primärseite (332) des Koppeltransformators (330) zu erfassen. Linear motor according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor arrangement is designed to detect the frequency of the excitation voltage or a test voltage resulting in response to the excitation voltage on the primary side (332) of the coupling transformer (330).
Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung ferner eine Oszillatorschaltung (410) aufweist, durch welche eine oszillierende Anregungsspannung an der Primärseite (332) des Koppeltransformators (330) bereitstellbar ist. Linear motor according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor arrangement further comprises an oscillator circuit (410) through which an oscillating excitation voltage on the primary side (332) of the coupling transformer (330) can be provided.
Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dimension des Ankers (130), insbesondere eine Breite des Ankers (130), entlang der Auslenkungsrichtung des Ankers (130) variiert. Linear motor according to one of the preceding claims, characterized in that a dimension of the armature (130), in particular a width of the armature (130), varies along the deflection direction of the armature (130).
6. Linearmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Anker (130) zumindest an einem seiner Enden in Auslenkungsrichtung verjüngt, insbesondere stufenweise verjüngt. 6. Linear motor according to claim 5, characterized in that the armature (130) tapers at least at one of its ends in the deflection direction, in particular gradually tapers.
7. Linearmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung anstelle des Koppeltransformators (330) mindestens eine Messspule (570, 572) aufweist, die im Bereich eines Totpunkts des Ankers (542) vorgesehen ist, um ein Signal auszugeben, welches eine Information über die Position des Ankers (542) in Auslenkungsrichtung enthält. 7. Linear motor according to claim 1, characterized in that the sensor arrangement has, instead of the coupling transformer (330) at least one measuring coil (570, 572) which is provided in the region of a dead center of the armature (542) to output a signal containing information about the position of the armature (542) in the deflection direction.
8. Linearmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung mindestens zwei Messspulen (570, 572) aufweist, welche jeweils an einem oberen und einem unteren Totpunkt des Ankers (542) vorgesehen sind. 8. Linear motor according to claim 7, characterized in that the sensor arrangement has at least two measuring coils (570, 572), which are respectively provided at an upper and a lower dead center of the armature (542).
9. Linearmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspulen (570, 572) in einer Reihenschaltung miteinander elektrisch verbunden sind. 9. Linear motor according to claim 8, characterized in that the measuring coils (570, 572) are electrically connected to one another in a series connection.
10. Linearmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (542) an mindestens einem seiner Enden ein Material mit größerer Leitfähigkeit als in einem mittigen Bereich des Ankers (542) aufweist. 10. Linear motor according to one of claims 7 to 9, characterized in that the armature (542) has at least one of its ends a material with greater conductivity than in a central region of the armature (542).
1 1. Linearverdichter gekennzeichnet durch einen Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10. 1 1. A linear compressor characterized by a linear motor according to one of claims 1 to 10.
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