Ein entsprechender Linearantrieb geht aus der JP 2002-031054 A hervor.

[002] Entsprediende Linearantriebe werden insbesondere dafür eingesetzt, Pumpkolben von Verdichtern in eine lineare, oszillierende Bewegung bzw. Schwingung zu versetzen. Das System aus einem derartigen Verdiditer mit zugeordneter Linearantrieb wird deshalb auch als Linearverdiditer bzw. -kompressor bezeichnet (vgl. die eingangs genannte JP-A-Sdirift). Bei entspredienden bekannten Linearverdiditern bildet der gegebenenfalls über wenigstens ein Federelement aufgehängte, schwin- gungsfähige Anker ein Feder-Masse-System, das für eine bestimmte Schwin- gungsfrequenz bei gegebener Kraft-Weg-Kennlinie des Verdichters ausgelegt ist.

[003] Es sind verschiedene Verfahren zu einer Ankerpositionsregelung oder zu einer An- kerhubregelung in einem entsprechenden Linearverdichter bekannt. Bei den bekannten Verfahren wird jedoch in der Regel für eine Regelung des Ankerhubs auf eine direkte, kontinuierliche Ankerpositionsmessung verziditet.

[004] Zi einer Erfassung der aktuellen Ankerposition wird bisher entweder diese nicht- kontinuierlich festgestellt, z. B. diskontinuierlich durch Schließen eines elektrischen Kontaktes, wenn der Anker eine bestimmte Position erreicht hat. Auch eine kontinuierliche Positionsmessung ist bekannt, z. B. über die in der Erre- gerwicklung induzierte Spannung.

[005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Regelungsvorndztung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszubilden, dass eine genaue Einstellung des Ankerhubs ermöglicht wird.

[006] Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Demgemäß soll die Regelungsvorrichtung - Mittel zur Erfassung der aktuellen Ankerposition, - Mittel zur Messung des aktuellen Erregerwicklungsstroms und Mittel zur Einstellung des Erregerwicklungsstromes derart aufweisen, dass im eingeschwungenen Zustand des Ankers während jeder Halbwelle der An- kerbewegung dem Anker elektrisch genau so viel Energie zugeführt wird, dass die Schwingungsamplituden des vorgegebenen Ankerhubs gerade erreidit werden.

[007] Bei den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird von der Überlegung ausgegangen, dass zur Erreichung eines gewünsditen Ankerhubs, der sich aus den beiden Schwin- gungsamplituden zusammensetzt, pro Halbwelle dem Anker elektrisch eine gewisse Energiemenge zugeführt werden muss, und zwar während einer Expansionshalbwelle zur Vorspannung des wenigstens eines eventuell vorhandenen Federelementes, und während einer Kompressionäulbwelle zum Vernichten mechanischer Arbeit an dem Anker und an einem eventuell mit ihm verbundenen, beweglichen Verdichterteil.

Selbst im eingesdiwungenen Zustand sind die für die Kompressions-und Expansions- halbwellen benötigten Energiemengen in der Regel verschieden und nicht von vornherein bekannt. Beide Werte müssen statt dessen aus den tatsächlich sich ein- stellenden Schwingungsamplituden geschätzt werden.

[008] Die Grundüberlegung des erfindungsgemäßen Regelungskonzeptes besteht nun darin, dass eine (quasi) kontinuierliche Ankerpositionsmessung nicht nur die Messung des Ankerhubs, d. h. des Maximalausschlages, sondern auch eine Messung des elektrischen Energieeintrags in den Anker gestattet. Dies ist möglidi, weil der elektrische Energieeintrag proportional zum Integral des Spulenstroms über die An- kerposition ist. Pro Halbwelle wird zum Zeitpunkt, zu dem genügend Energie elektrisch in den Anker eingeprägt worden ist, der Spulenstrom abgeschaltet. Mit jeder Riditungsumkehr des Ankers wird der Spulenstrom wieder zugeschaltet, wobei das Vorzeichen so ist, dass die Richtung der elektromagnetischen Kraft auf den Anker und dessen Bewegungsrichtung übereinstimmen. Daran schließen sich die Energiemessung und nachgelagert die Stromabsdhaltung von neuem an.

[009] 7zusätzlich zu der Orts-/Positionsmessung kann pro Halbwelle an mindestens einer festen Position, einer sogenannten Triggerposition, die Geschwindigkeit und damit die kinetische Energie des Ankers bestimmt werden. Dabei wird bevorzugt die Triggerposition im Bereich der maximalen Geschwindigkeit des Ankers festgelegt. Für die Geschwindig- keitsmessung muss kein separater Sensor verwendet werden, sondern sie lässt sidi aus der quasi kontinuierlichen Ortsmessung durch Differenziation ableiten. Weiterhin ist aus der Geschwindigkeitserfassung die Ermittlung der im Anker gespeicherten Energie möglich.

[010] Während der Expansionahalbwelle lassen sich aus den Orts-und Geschwindigkeits- messungen an der mindestens einen Triggerposition, der Positionsmessung des von einem Verdichter abgewandten Totpunktes, an dem die Expansionshalbwelle endet, und der Messung der elektrisch in den Anker eingeprägten Energie Linearbetrieb- sparameter wie z. B. eine Federkonstante oder die Strom-Kraft-Übertragungskonstante abschätzen. Während der Kompressionalbwelle lassen sich aus den entsprechenden Messungen Kompressorparameter wie die im Verdichter pro Zyklus verbrauchte me- chanische Energie, die Differenz aus Ausblas-und Ansaugdruck am Verdichters und/ oder die Kraft-Weg-KennOlinie des Verdichters bestimmen.

[011] Mit dem erfindungsgemäßen Regelungskonzept sind folglich ein sicheres Anfahren eines Linearverdichters sowie ein sicherer Betrieb unter schwankenden äußeren Be- dingungen, d. h. bei Schwankungen in der Kompressorkennlinie, möglich. Dabei ist mit "sicher"gemeint, dass der Kolben des Kompressors in der Kompressionsphase nicht überschwingt und an eine Kolbenplatte oder Ventilplatte anschlagen kann. Ferner kann mit dem Regelungskonzept das sogenannte Totvolumen des Kompressionsraumes des verbundenen Linearverdichters sehr genau geregelt werden ; dies ist Grundvor- aussetzung für einen hohen Gesamtwirkungsgrad, beispielsweise einer Kühlleistung, des Linearverdidhters.

[012] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung gehen aus abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für die Regelungsvorrichtung zusätzlich noch folgende Merkmale vorgesehen werden : - So können die Stromeinstellungsmittel als Stellglied der Stromregelung eine Gleichrichterschaltung und eine nachgeordnete Brückenschaltung mit stellbaren Brückengliedern in sogenannter H-Anordnung umfassen. Dabei können bevorzugt als stellbare Brückenglieder MOSFETs vorgesehen sein.

Vorteilhaft ist der gemessene Erregerwicklungsstrom als eine Ist- Strom-Eingangsgröße einem den Brückengliedern zugeordneten Stromreg- lerbaustein zuzuführen, der die Brückenglieder so schaltet, dass das Ist- Stromsignal auf ein mit der aktuellen Ankerposition korreliertes, von einem Positionsreglerbaustein generiertes Soll-Stromsignal abgestimmt ist, vor- zugsweise diesem folgt. Gegebenenfalls ist dabei dem Positionsreglerbaustein auch das Ist-Stromsignal zuzuführen.

- Statt der vorerwähnten Gesdiwindigkeits-und Energiebestimmung des Ankers mit Hilfe mindestens einer festen Triggerposition können besonders vorteilhaft auch Mittel zu einer kontinuierlichen Erfassung der Ge- sdiwindigkeit des Ankers (8) vorgesehen sein. Dabei lässt sich mit Hilfe ent- sprediender Mittel aus der Geschwindigkeitserfassung die im Anker ge- speichert Energie ableiten.

- Außerdem können auch Mittel zu einer Regelung der Sdiwingungsfrequenz des Ankers vorgesehen sein. Diese Mittel können die Signale der Positions- und gegebenenfalls der Geschwindigkeitsmessung ausnutzen.

[013] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Regelungseinriditung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor.

[014] Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeidmung noch weiter erläutert. Von deren Figuren zeigen [015] Figur 1 stark schematisiert im Quersdmitt einen Teil durch eine an sidi bekannte lineare Linearantrieb, [016] deren Figur 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer Regelungs- vorriditung nadi der Erfindung und [017] deren Figur 3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer solchen Regelungsvorriditung.

[018] In den Figuren sind sich entsprediende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

[019] Bei der in Figur 1 angedeuteten linearen Linearantrieb wird von an sidi bekannten Ausführungsformen ausgegangen, wie sie für Linearverdiditer vorgesehen werden (vgl. die eingangs genannte JP-A-Sdhrift). Die Figur zeigt schematisch im We- sentlidien nur den oberen Teil eines Quersdinitts durch eine solche Linearantrieb 2 ; d. h., in der Figur sind nur die Einzelheiten dargestellt, die sich auf einer Seite einer Symmetrieachse oder-ebene S, die sich in einer axialen Bewegungsrichtung erstreckt, befinden. Die Linearantrieb 2 umfasst mindestens eine Erregerwicklung 4, der wenigstens ein magnetflussführender Jodlkörper 5 zugeordnet ist. In einer zentralen, kanalartigen oder schlitzartigen Öffnung 7 dieses Jodhkörpers befindet sidi ein ma- gnetischer Anker oder Ankerteil mit beispielsweise zwei Permanentmagneten, deren Magnetisierungsriditungen durch gepfeilte Linien ml und m2 angedeutet sind. Der audi als"AnkerscHitten"bezeichnete Anker weist axial seitlidie, nicht näher ausgeführte Verlängerungsteile auf. Er kann in dem magnetischen Wechselfeld der Wicklung 4 in axialer Richtung eine oszillierende Bewegung ausführen, wobei er um eine Mittenposition Mp schwingt. Die maximale Auslenkung aus der Mittenposition in axialer Richtung x, d. h. die Schwingungsamplitude, ist mit +L bzw.-L bezeichnet. t 2 Der Ankerhub H ist folglich (L1 + L2).

[020] Wie ferner in der Figur angedeutet ist, können gegebenenfalls zwei ortsfest ein- gespannte Blattfedern 9 und 9'zu beiden Seiten der Mittenposition Mp an verlängerten Teilen des Ankers 8 mit ihren schwingungsfähigen Angriffspunkten A bzw. A' angreifen. Selbstverständlich sind auch Ausführungsformen einer Linearantrieb ohne Federn möglich. Ferner kann vorteilhaft an zumindest einer Seite des Verlängerungsteils des Ankers 8 dieser starr mit einem in der Figur nicht näher dargestellten Verdichter V bzw. dessen Pumpkolben verbunden sein.

[021] Bei der in der Figur dargestellten Ausführungsform wurde ferner davon ausgegangen, dass die Linearantrieb 2 symmetrisch zu der Ebene S aufgebaut ist, d. h., dass, zu beiden Seiten der Ebene sich Jcxhkörper und gegebenenfalls auch Erreger- wicklungsteile befinden. Selbstverständlich kann man für eine erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung auch eine Linearantrieb vorsehen, die nur auf einer Seite eine Erregerwicklung und gegebenenfalls auf der gegenüberliegenden Seite nur einen ma- gnetflussführenden Jochkörperteil (vgl. z. B. US 6 323 568 B1) besitzt. Neben der dar- gestellten E-Form des Johkörpers sind auch andere Jochkörpertypen wie z. B. mit M- Form geeignet.

[022] Bei einer Verbindung des Ankers 8 der Linearantrieb 2 mit einem Pumpkolben eines Verdichters V ist der Ankerenergieschwellwert E für die s Expansions-und die Kompressionshalbwelle im Allgemeinen verschieden ; d. h., es sind eigentlich zwei Ankerenergieschwellwerte, nämlich E und E, zu un- s, exp s, aomp terscheiden. Diese beiden Ankerenergieschwellwerte ändern sich zeitlich aufgrund der zeitlichen Änderungen der Kraft-Weg-Kennlinie des Verdichters, wobei die Änderungen langsam im Vergleich zur Schwingungsperiodendauer der Linearantrieb sind. Aus diesem Grunde ist eine der eigentlichen Hubregelung überlagerte Adaption beider Werte sinnvoll und möglich. <BR> <BR> <BR> <BR> <P>[023] Zur Regelung des Ankerhubs H bzw. der Schwingungsamplituden +L und-L<BR> <BR> ) 2 dient eine Regelungsvorrichtung, mit der der Strom in der Erregerwicklung 4 eingestellt wird. Das Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer solchen Re- gelungsvorriditung geht aus Figur 2 hervor. In der Figur sind bezeichnet [024] mit G eine Gleichrichterschaltung z. B. in Form einer Brückenschaltung, - mit C ein Glättungskondensator, - mit B eine Konvertersdhaltung in Form einer sogenannten Voll-Brücke, - mit bl bis b4 die vier Brückenglieder dieser Konvertersdialtung in so- genannter H-Anordnung, - mit 10 ein Positionsreglerbaustein und - mit 11 ein Stromreglerbaustein.

[025] Als Brückenglieder bl bis b4 kommen insbesondere MOSFETs (Metal Oxide S emicoductor Field Effect Transistors) mit Schutzdioden di in Frage. Ihre Steuer- elektroden bzw. Steuergates sind mit gl bis g4 bezeichnet. Sie sind mit entsprechenden Ausgängen des Stromreglerbausteins 11 verbunden. An Brückenabgriffpunkten 12a und 12b der Brückenschaltung B wird der Erregerstrom für die Erregerwicklung der Linearantrieb 2 abgenommen. Dabei erfolgt eine Bestimmung eines mit I be- ist zeichneten Ist-Stromes der Wicklung durch Messung des Spannungsabfalls über - einem im Brückenpfad mit der Wicklung in Serie geschalteten Shunt- Widerstands, oder - zwei Shunt-Widerstände, die sich zwischen den Brüchengliedern b und b 2 4 und Masse befinden.

[026] Die Messgröße dieses Stromes wird dann dem Stromregler 11 an einem An- sdiusspunkt 13 in der Stromzuführungsleitung der Erregerwicklung zugeführt. Bei dem Stromregler 11 kann es sich beispielsweise um einen bekannten PWM Pulse W idth Modulation-Baustein handeln. Alternativ lässt sidi auch als Stromregler ein an sidi bekannter Zweipunktregler mit fester Taktfrequenz von z. B. 20 kHz verwenden.

[027] An der Linearantrieb 2 ist eine nicht näher ausgeführte, an sidi bekannte Mes- seinriditung 14 angebracht, mit der die genaue aktuelle Position x und die Bewe- gungsriditung des Ankers 8 der Apparatur zu detektieren ist. Deren Messwert x wird dem Positionsreglerbaustein 10 zugeführt, der aus der Position x und daraus ab- geleiteter Größen wie insbesondere der Ankergeschwindigkeit einen Soll-Strom I soH errechnet und diesen dem Stromreglerbaustein 11 zuführt. Der Stromreglerbaustein sorgt dann dafür, dass mittels Ansteuerung der Steuergates gl bis g4 eine gute Über- einstimmung zwischen dem Soll-Strom 1 und dem Ist-Strom I gegeben ist. soll ist [028] Das in Figur 3 wiedergegebene Blockschaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung unterscheidet sich von dem nach Figur 2 lediglich dadurch, dass hier der gemessene Strom Iist auch Eingangsgrö#e für den gegenüber Figur 2 modi- fizierten Positionsreglerbaustein 10' ist. Bei dieser Ausführungsform können zwar deutlichere Abweichungen zwisdien dem Soll-Strom 1 und dem Ist-Strom 1ist soU ist auftreten ; der Stromreglerbaustein 11 ist jedoch auch hier durdi entsprechende Ein- stellungen in der Lage, den Strom in der gewünschten Weise abzuschalten.

[029] Nachfolgend ist der Algorithmus für eine Positionsregelung bei den Vorrichtungen nach den Blccksd1altbildern gemäß den Figuren 2 und 3 angedeutet : - Die auf dem Anker 8 wirkende elektromagnetische Kraft F ist stets pro- portional zum Ist-Spulenstrom 1 ; d. h. ist [030] F = K.Iist, wobei F, k und Iist von der Position x abhängen.

- Bei Änderung der Bewegungsrichtung des Ankers wird der Spulenstrom <BR> <BR> <BR> umgekehrt, so dass dann die elektromagnetische Kraft F = K. ist in Bewe-<BR> <BR> ist gungsridhtung x wirkt.

Entweder kontinuierlich oder mit Hilfe mindestens eines besonderen Trig- gersignals, das z. B. dem Nulldurchgang der Ankerbewegung zugeordnet ist und vorteilhaft in der Nähe der Ankerposition mit der maximalen kinetischen Energie liegt, werden die potentielle und die kinetisdie Energie des Ankers aus der momentanen Positions-und Geschwindigkeitsmessung bestimmt.

Die pro Schwingungahalbwelle dem Anker zugeführte Energie wird berechnet über die Gleichung #F(x)dx = #K(x)I(x)dx.

Erreicht die Ankerenergie einen Schwellwert E bzw. E, der der ge- s, comp s, exp wünschten Schwingungsamplitude +L1 bzw -L2 entspricht, wird der Strom I abgeschaltet.

[031] Neben diesem Grundalgorithmus ist ein überlagerter Adaptionsalgorithmus denkbar, bei dem durch Vergleich der gemessenen Schwingungsamplitude +L1 bzw. -L mit der entsprechenden Soll-Amplitude der Ankerenergieschwellwert E bzw. E 2 s, romp adaptiert wird. s,exp [032] Das in den Blockschaltbildern realisierte Regelungskonzept weist also folgende Hauptelemente auf : 1. Messgrößen : Position x, Bewegungsrichtung und daraus abgeleitet die Geschwindigkeit des Ankers 8; Strom Iist.

2. Stellgrö#e: Erregerspulenstrom. Hier sind mehrere Stellgliedvarianten für die Stromregelung denkbar, wobei abhängig vom Stellglied Ist-und Soll-Strom untersdiiedlich stark voneinander abweichen können.

3. Regelungsprinzip : Erregerwicklungsstrom wird so geschaltet, dass die elektromagnetische Kraft auf den Anker (fast) immer in Ankerbewegungsrichtung wirkt ; Messung der elektrisch in den Anker pro Schwingungahalbwelle eingeprägten Energie ; Stromabschaltung, wenn Energieschwellwert erreicht ist.

[033] Vorteile dieses Regelungsprinzips : Ein elektrisches Bremsen des Ankers wird weitgehend vermieden ; daraus folgt ein guter Wirkungsgrad.

Die Frequenz der Ankerschwingung ist zwar weitgehend durch bewegte Masse sowie Federkonstante eventuell vorhandener Feder (n) und Kraft-Weg-Kennlinie des verbundenen Verdichters festgelegt, kann aber durch Wahl des duty cycle mittels Stromregelung modifiziert werden : Wirkt nach einer Bewegungsumkehr ein höherer Strom über ein kürzeres Wegstück, so erhöht sich-bei gleichbleibendem elektrischen Energieeintrag pro Schwingungshalbwelle_die Schwingungsfrequenz.

[034] Bezugszeichenliste [035] 2 Linearantrieb [036] 4 Erregerwicklung [037] 5 Jodikörper [038] 7 Spalt [039] 8 Anker [040] 9, 9'Federelemente [041] 10, 10'Positionsreglerbaustein [042] 11 Stromreglerbaustein [043] 12a, 12b Brückenabgriffpunkte [044] 13 Ansdiusspunkt [045] S Symmetrieebene [046] ml, m2 Magnetisierungsrichtungen [047] A, A'Federangriffspunkte [048] H Ankerhub [049] x axiale Position [050] +L1, -L2 Schwingungsamplituden [051] V Verdichter [052] Mp Mittenposition [053] G Gleichridltersdealtung [054] C Glättungskondensator [055] B Brückenschaltung [056] bl bis b4 MOSFET-Brückenglieder [057] gl bis g4 Steuergates [058] d Schutzdioden [059] I Ist-Strom ist [060] I Soll-Strom soll [061]