DE10033992A1 - Fördervorrichtung mit einem stromgesteuerten Motor - Google Patents

Abstract

Die Fördervorrichtung weist einen stromgesteuerten Motor, ein diesem nachgeschaltetes Getriebe zum Umsetzen der rotatorischen Rotorbewegung in eine translatorische Hubbewegung auf sowie eine davon angetriebene oszillierende Arbeitsmaschine. Der Motor wird von einer elektronischen Steuerung angesteuert, wobei der dem Motor zugeführte Strom entsprechend der zu erwartenden Motorbelastung in Abhängigkeit der Hubstellung der Arbeitsmaschine begrenzt wird. Hierdurch wird einerseits der Wirkungsgrad der Maschine erhöht und zudem eine unnötige thermische Belastung des Motors vermieden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fördervorrichtung gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Fördervorrichtungen dieser Art sind typischerweise Dosierpumpen, können aber auch Kompressoren oder andere Vorrichtungen sein, bei denen ein Elektromotor über ein nachgeschaltetes Getriebe eine oszillierende Arbeitsmaschine antreibt. Getriebe im Sinne der Erfindung ist jedwede Umsetzung der rotatorischen Motor­ bewegung in die translatorische Bewegung der Arbeitsmaschine.

Bei Fördervorrichtungen dieser Art mit stromgesteuertem Motor wird der Motor üblicherweise während des gesamten Arbeitshubs sowie des sich daran anschließend Rückhubs - dies erfordert mindestens eine Motordrehung, wobei beispielsweise bei Dosierpumpen häufig noch ein Untersetzungsgetriebe vor­ gesehen ist, so dass eine Vielzahl von Motordrehungen erforderlich sind, - mit einem üblicherweise konstanten Strom beaufschlagt, der so hoch gewählt ist, dass der Motor auch zum Zeitpunkt der maximalen Belastung während des Arbeitshubs stets ausreichend versorgt ist. Da der Motor jedoch nur über einen Teil des Arbeits­ hubs einen solch hohen Strom benötigt und beispielsweise während des Rückhubs einen deutlich geringeren Strom zum sicheren Betrieb erfordert, führt eine solche Strombeaufschlagung zu einem schlechten Wirkungsgrad der Vorrichtung und auch zu einer hohen Erwärmung des Motors, was insbesondere bei kompakt bauenden Motoren ein Problem darstellen kann. Dies Problematik kann beispiels­ weise bei der aus DE 196 23 537 A1 bekannten Dosierpumpe auftreten.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, eine gattungsgemäße Fördervorrichtung so auszubilden, dass sie mit höherem Wirkungsgrad arbeitet, insbesondere geringe Verlustwärme motorseitig erzeugt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung angegeben.

Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, mittels der elektronischen Steuerung den dem Motor zugeführten Strom entsprechend der zu erwartenden Motorbelastung in Abhängigkeit der Hubstellung der Arbeitsmaschine zu be­ grenzen.

Die vorliegende Erfindung kann grundsätzlich bei allen Motorsteuerungen Anwen­ dung finden, bei denen die Rotationsbewegung der Motorwelle in eine trans­ latorische Bewegung umgesetzt wird und die Motorbelastung über den Hub der Arbeitsmaschine systembedingt größeren Schwankungen unterworfen ist, wie beispielsweise bei Kompressoren. Eine bevorzugte und typische Anwendung liegt bei einer Dosierpumpe, die mittels eines Servo- oder Schrittmotors angetrieben ist und deren Arbeitsmaschine durch eine Verdrängerpumpe, insbesondere eine Membran- oder Kolbenpumpe, gebildet ist. Bei derartigen Dosierpumpen erfolgt im Getriebe häufig noch eine Untersetzung, so dass die entsprechend der Hub­ stellung der Pumpe vorgesehene Strombegrenzung besonders effektiv ist, da der Motor über ggf. mehrere Umdrehungen mit einem niedrigen Strom angesteuert werden kann, wie dies beispielsweise für den Rückhub zweckmäßig ist.

Bei Dosierpumpen wird im Arbeitshub die Förderung unter Druck erzeugt, wohin­ gegen der Rückhub zum Ansaugen genutzt wird. Da der Druckhub dem Motor eine höhere Leistung als der Saughub abverlangt, ist es zweckmäßig, den Motor wäh­ rend des Saughubs mit einem kleineren Strom als während des Druckhubs an­ zusteuern.

Auch wenn eine formschlüssige mechanische Koppelung zwischen Motorwelle und der Schubstange der Arbeitsmaschine gegeben ist oder insbesondere in solchen Fällen, in denen eine solche nicht gegeben ist, beispielsweise wenn ein Riemen­ trieb zwischengeschaltet ist, ist es zweckmäßig, die Hubstellung der Arbeits­ maschine, insbesondere der Pumpe, oder eine vergleichbare Position von Getriebe oder Rotor (wenn ein Formschluss im Antriebsstrang gegeben ist) zu erfassen. Auf diese Weise kann von der Steuerung die Schubstangenstellung der Arbeitsmaschi­ ne zumindest einmal pro Arbeitszyklus exakt erfasst werden und dann die vor­ gegebene Kurve zur Strombegrenzung entsprechend der detektierten Position zeitlich positioniert werden. Wenn Formschluss im Antriebsstrang zwischen Motorwelle und Schubstange der Arbeitsmaschine besteht, genügt es, einen Posi­ tionsgeber motorseitig vorzusehen. Im Übrigen wird bevorzugt ein Positionsgeber im Bereich der Arbeitsmaschine, beispielsweise zur Erfassung einer Endstellung der Schubstange vorgesehen. Dabei wird der Positionsgeber zweckmäßigerweise so angeordnet, dass er ein Signal im Mittelbereich des Arbeitshubs gibt. Dies ist insbesondere bei Verwendung einer Membranpumpe zweckmäßig, da dann zu­ verlässig sichergestellt werden kann, dass die Pumpe unmittelbar nach Erhalt dieses Signals stillgesetzt wird, wenn sie abgeschaltet wird, da dann nämlich die Membran der Pumpe nicht vorgespannt ist, wodurch die Lebensdauer erhöht wird.

Die Motorbelastung ist einerseits abhängig von der Hubstellung, da sich beispiels­ weise bei einem Exzentertrieb die Momentenbelastung des Motors mit sich än­ dernder Drehstellung ändert, auch wenn die aufzubringende Kraft an der Schubs­ tange gleich bleibt, andererseits jedoch auch von der Hubgeschwindigkeit. Diese ist in den Endlagen der Arbeitsmaschine Null und antriebsbedingt etwa auf der Hälfte des Hubs am größten. Im Übrigen wird insbesondere bei Dosierpumpen während des Rückhubs mit höherer Geschwindigkeit gearbeitet als während des Druckhubs. Dies wird zweckmäßigerweise bei der Strombegrenzung des Motors mit zu berücksichtigen sein, weshalb die Strombegrenzung auch in Abhängigkeit der zu erwartenden Hubgeschwindigkeit erfolgen sollte. Eine so festgelegte Strom­ begrenzungskurve wird dann zweckmäßigerweise noch in Abhängigkeit der Geschwindigkeit, mit der die Pumpe fördert, variiert, da der Motorstrom bei konstanter Motormomentenbelastung mit zunehmender Geschwindigkeit zunimmt. Diese Zu- bzw. Abnahme ist bei Festlegung der Strombegrenzungskurve zweck­ mäßigerweise zu berücksichtigen.

Weiterhin wird die Strombegrenzung zweckmäßigerweise so erfolgen, dass sie in Abhängigkeit des von der Pumpe aufzubringenden Drucks erfolgt, so dass dann, wenn die Pumpe einen hohen Druck aufzubringen hat, der Motor ausreichend mit Strom versorgt wird und in Phasen geringeren Drucks der Strom entsprechend abgesenkt wird. Um diesen Druck zu erfassen, ist es zweckmäßig, einen ent­ sprechenden Sensor vorzusehen, der zweckmäßigerweise im Bereich der Arbeits­ maschine angeordnet wird. Bevorzugt wird hierzu eine Kraftmesseinrichtung im Bereich der oszillierenden Antriebsmittel vorgesehen, beispielsweise im Bereich der Schubstange.

Anstelle einer sensorischen Druckerfassung kann dieser bei vorgegebener Ge­ schwindigkeit auch über den Motorstrom ermittelt werden, da der Motorstrom zumindest im mittleren Bereich des Arbeitshubs bei vorgegebener Motorgeschwindigkeit das vom Motor aufgebrachte Moment und damit den von der Pumpe aufgebrachten Druck bestimmt. Umgekehrt kann über die Motor­ steuerung durch die Begrenzung des maximalen Stroms auch der maximal von der Pumpe aufzubringende Druck begrenzt werden, um unzulässig hohe Belastungen vorrichtungs- oder anlagenseitig zu verhindern.

Um die Strombegrenzungskurve möglichst nahe an den tatsächlichen Strombedarf des Motors anzupassen, ist es zweckmäßig, den dem Motor zugeführten Strom bzw. eine vorab festgelegte Strombegrenzungskurve stufenweise so lange ab­ zusenken, bis der Motor in seiner Geschwindigkeit unter einen Sollwert absinkt, d. h. der dem Motor zugeführte Strom nicht mehr ausreicht, um die erforderliche Leistung abzugeben. Wenn dieser Punkt erreicht ist, dann wird der Strom bzw. die Strombegrenzungskurve auf die zuvor erfolgte Strombegrenzung, also die zuvor gefahrene Stufe wieder angehoben, um sicher zu sein, dass der Motor in allen Hubstellungen der Arbeitsmaschine die erforderliche Leistung erbringt. Die stufenweise Absenkung bzw. Erhöhung erfolgt vorzugsweise in Intervallen, welche einem Arbeitshub einschließlich Rückhub der Arbeitsmaschine entsprechen.

Um sicherzustellen, dass der Motor aufgrund der stufenweisen Absenkung des Stroms bzw. der Strombegrenzungskurve dann, wenn die Motorgeschwindigkeit unter einen Sollwert absinkt, nicht stehenbleibt, ist es zweckmäßig, den Motor im darauffolgenden Intervall mit dem vollen Strom (also ohne die erfindungsgemäße Strombegrenzung) anzusteuern und erst im wiederum darauffolgenden Intervall auf die zuvor ermittelte Stufe, bei der eine solche Geschwindigkeitsabsenkung des Motors gerade noch nicht erfolgt, abzusenken. Statt der Überwachung der Ge­ schwindigkeit des Motors, was relativ aufwendig ist, kann eine solche auch mittels des ohnehin vorhandenen Positionsgebers erfolgen. Wenn nämlich der Motor die Stellung, in der der Positionsgeber ein Signal abgibt, in einer vorbestimmten Zeit nicht erreicht hat, dann wird dieser so lange mit dem vollen Strom angesteuert, bis die Position erreicht ist, um dann auf die zuvor ermittelte Stufe wieder abgesenkt zu werden.

Vorteilhaft wird die Strombegrenzungskurve in ihrer Form und Lage so dimensio­ niert, dass nicht nur der Wirkungsgrad der Vorrichtung erhöht wird, sondern dass darüber hinaus auch Kavitationen beim Saughub wirksam verhindert werden.

Die Erfindung ist nachfolgend beispielhaft anhand von drei Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Belastung des Motors über einen Rückhub und nachfolgend einen Arbeitshub einer Membranpumpe,

Fig. 2 die Abhängigkeit des Motorstroms von dem aufzubringenden Mo­ ment in Abhängigkeit der Drehzahl anhand von zwei Stromkurven,

Fig. 3 zwei Strombegrenzungskurven eines Motors in Darstellung nach Fig. 1 für hohen und für niedrigen Druck der Arbeitsmaschine und

Fig. 4 drei Strombegrenzungskurven eines Motors in Darstellung nach Fig. 1 für unterschiedliche Geschwindigkeiten des Motors bei gleicher Momentenbelastung.

Die insbesondere in den Fig. 1, 3 und 4 dargestellten Kurven sind an einer Dosier­ pumpe aufgenommen worden ähnlich der aus DE 196 23 537 A1 bekannten Bauart. Ein stromgesteuerter Schrittmotor treibt ein Untersetzungsgetriebe an, das abtriebsseitig einen Exzenter- oder Nockentrieb aufweist, welcher die Drehbewe­ gung in eine translatorische Bewegung umsetzt und eine Schubstange oszillierend antreibt, welche eine Membranpumpe beaufschlagt. Die Belastung des Motors ist abhängig von der Schubstangenstellung und der Bewegungsrichtung.

Wie die in Fig. 1 durchgezogene Kurve 1 zeigt, welche die Belastung des Motors in Abhängigkeit der Schubstangenstellung während eines Arbeitszyklus zeigt, steigt die Belastung von Null beginnend an, hat bei 90°, also auf der Hälfte des Rück- bzw. Saughubs ihr Maximum erreicht und fällt dann bei 180° wiederum auf Null ab. Die Null-, 180°- und 360°-Stellungen markieren die Endstellungen der Arbeitsmaschine, also 180° das Ende des Rückhubs bzw. Beginn des Arbeitshubs und 360° das Ende des Arbeitshubs und den Beginn des Rückhubs (0°).

Nach Erreichen des Umkehrpunktes 180° wird die Belastung des Motors negativ, da aufgrund der Massenträgheit des Systems die in Rotation versetzten Bauteile noch ihr kinetisches Energiepotential abbauen müssen. Nachdem dies erfolgt ist, also der Tiefpunkt der Kurve 1 erreicht ist, steigt die Kurve bis auf Null und dann vergleichsweise steil an, wenn nämlich die kinetische Energie umgewandelt und die zur Erzeugung des Drucks erforderlichen Kräfte aufgebracht werden müssen.

Bei 270°, also auf der Hälfte des Arbeitshubs haben diese Kräfte ihr Maximum erreicht. Sie fallen dann wiederum kontinuierlich ab, wobei kurz vor Ende des Druckhubs diese Kräfte nochmals kurzzeitig ansteigen, wenn nämlich der Motor schon für den in Kürze zu erwartenden Rückhub beschleunigt wird.

Dieses gemäß Kurve 1 während eines Saug- bzw. Rückhubs und nachfolgend eines Arbeits- bzw. Druckhubs vom Motor aufzubringende Moment gemäß Kurve 1 setzt sich zusammen aus einem statischen Anteil gemäß Kurve 2, der sich aus den (konstanten) Druckverhältnissen an der Pumpe sowie den mechanischen Gegeben­ heiten des Exzentertriebs ergibt sowie einem dynamischen Anteil (Kurve 3), welcher die sich aufgrund von Beschleunigungen ergebende Motorbelastung darstellt. Es wird also deutlich, dass im Bereich unmittelbar nach Abschluss des Rückhubs (nach 180°) zunächst einmal Beschleunigungskräfte (als Bremsmoment) frei werden, wenn nämlich das System von der höheren Rückhubgeschwindigkeit auf die niedrigere Arbeitshubgeschwindigkeit abgebremst wird. Umgekehrt ergibt sich am Ende des Arbeitshubes, also vor der 360°-Stellung, ein Anteil von Be­ schleunigungskräften, die daraus resultieren, dass der Motor schon vor Abschluss des Druckhubes beschleunigt wird, um nach Abschluss des Druck- bzw. Arbeits­ hubs den Rückhub mit erhöhter Geschwindigkeit durchführen zu können.

Die anhand von Fig. 1 dargestellte Motorbelastung, also das in der jeweiligen Stellung der Arbeitsmaschine bei vorgegebener Geschwindigkeit vom Motor aufzubringende Moment, entspricht in der Kurvenform im Wesentlichen dem vom Motor benötigten Strom.

Der Zusammenhang zwischen Motorstrom und Motormoment ist in Fig. 2 anhand zweier Kurven verdeutlicht, wobei die Kurve 4 einen hohen Motorstrom und die Kurve 5 einen niedrigeren, jeweils konstanten Motorstrom darstellen. Über die Ordinate ist das Motormoment M und über die Abszisse die Motordrehzahl n aufgetragen. Wie aus den Kurven 4 und 5 deutlich wird, ist zu niedrigen Drehzah­ len hin das Motormoment stark abhängig vom Strom, wohingegen zu höheren Drehzahlen hin dieser Unterschied zunehmend schwindet, bis schließlich das Moment gegen Null abfällt.

Der anhand von Fig. 2 dargestellte Momentenverlauf ist typisch für einen solchen Schrittmotor, wie er zum Antrieb einer Dosierpumpe eingesetzt wird.

In Fig. 3 sind entsprechend der vorbeschriebenen Stellung der Arbeitsmaschine gemäß Fig. 1 zwei Strombegrenzungskurven 6 und 7 dargestellt. Die Strom­ begrenzungskurve 6 ist für den Betrieb der Dosierpumpe bei niedrigem Druck und die Strombegrenzungskurve 7 für den Betrieb der Pumpe bei hohem Druck ausge­ legt, jeweils bei gleicher Motorgeschwindigkeit im Arbeitshub bzw. im Rückhub. Wie ein Vergleich der beiden Kurven zeigt, sind diese im Bereich des Rückhubs bzw. Saughubs (0° bis 180°) übereinstimmend, wohingegen im Druckhub bzw. Arbeitshub (180° bis 360°) die Kurve 7 deutlich über der Kurve 6 liegt. Damit die Arbeitsmaschine den erhöhten Druck aufbringen kann, ist vom Motor ein höheres Moment aufzubringen, was durch einen größeren Motorstrom erzeugt wird. Dem­ gemäß ist die Strombegrenzungskurve in diesem Bereich höher auszulegen als bei niedrigerem Druck. Beim Rückhub hingegen ist dieser Unterschied praktisch nicht gegeben, da die Motorbelastung im Wesentlichen gleich ist.

Wie die Fig. 3 verdeutlicht, ist es also zweckmäßig, die Strombegrenzungskurven 6, 7 druckabhängig zu gestalten, da die Belastung des Motors sich nicht über den gesamten Arbeitszyklus gleichmäßig ändert, sondern nur im Bereich des Arbeits­ hubs und dort auch noch differenziert. Insoweit ist es zweckmäßig, für einzelne Druckbereiche entsprechend angepasste Strombegrenzungskurven vorzusehen, wobei die jeweils in Frage kommenden Kurven dann noch stufenweise, wie einleitend beschrieben, so lange nach unten verschoben werden können, bis die Drehzahl des Motors einen vorgegebenen Sollwert unterschreitet, um die Strom­ begrenzungskurve möglichst nah an der tatsächlichen Belastung zu orientieren.

Die anhand der Fig. 3 dargestellten Strombegrenzungskurven 6 und 7 sind für Motorsteuerungen vorgesehen, die im Rückhub der Arbeitsmaschine eine höhere Geschwindigkeit als im Arbeitshub aufweisen. Bei einer solchen Anordnung kann die Strombegrenzung gleichzeitig dazu genutzt werden, um Kavitationen im Rück- bzw. Saughub zu vermeiden. Wenn eine solche Geschwindigkeitsänderung nicht vorgesehen ist, dann werden auch die Strombegrenzungskurven im Wesentlichen die Form der in Fig. 1 anhand von Kurve 2 dargestellten Belastungskurve auf­ weisen.

In Fig. 4 sind drei Strombegrenzungskurven 8, 9 und 10 dargestellt, die sich bei konstanter Druckbelastung während des Arbeitshubs, jedoch bei unterschiedlicher Fördermenge, d. h. unterschiedlicher Drehzahl des Motors ergeben. Die Strom­ begrenzungskurven 8 bis 10 unterscheiden sich lediglich im Bereich des Arbeits­ hubs (180° bis 360°), und zwar dort im Wesentlichen im mittleren Bereich und auch nur betragsmäßig. Die Fig. 4 verdeutlicht also, dass mit zunehmender Motor­ drehzahl, also mit zunehmender Fördermenge, der zum Betrieb des Motors er­ forderliche Strom ansteigt. Dies ergibt sich auch aus den physikalischen Zusam­ menhängen, da nämlich aufgrund der höheren Drehzahl auch die Leistung des Motors und somit die Förderleistung der Pumpe zunimmt.

Claims (13)

1. Fördervorrichtung mit einem stromgesteuerten Motor, mit einem diesem nachgeschalteten Getriebe zum Umsetzten der rotatorischen Rotorbewegung in eine translatorische Hubbewegung, mit einer davon angetriebenen oszillierenden Arbeitsmaschine und mit einer elektronischen Steuerung, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Motor zugeführte Strom entsprechend der zu erwartenden Motorbela­ stung in Abhängigkeit der Hubstellung der Arbeitsmaschine begrenzt wird.

2. Fördervorrichtung nach Anspruch 1 in Form einer Dosierpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Servo- oder Schrittmotor ist und die Arbeits­ maschine durch eine Verdrängerpumpe gebildet ist.

3. Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Motor während des Saughubs ein kleinerer Strom als während des Druckhubs der Pumpe zugeführt wird.

4. Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Positionsgeber vorgesehen ist, der die Hubstellung der Arbeitsmaschine, insbesondere der Pumpe, oder eine vergleichbare Position von Getriebe oder Rotor erfasst und dass die Strombegrenzung nach einer vorgegebe­ nen Kurve (8, 9) ausgehend von einer vorbestimmten detektierten Position erfolgt.

5. Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsgeber nur einmal pro Arbeitszyklus ein Signal abgibt, vorzugsweise im Mittelbereich eines Arbeitshubs.

6. Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzung des Motors auch in Abhängigkeit der zu erwartenden Hubgeschwindigkeit erfolgt.

7. Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzung auch in Abhängigkeit des von der Pumpe aufzubringenden Drucks erfolgt.

8. Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erfassung des von der Pumpe aufgebrachten Drucks vorgesehen sind oder dass der von der Pumpe maximal zu erbringende Druck vorgegeben ist.

9. Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftmesseinrichtung im Bereich der oszillierenden Antriebsmittel vorgesehen ist.

10. Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Strombegrenzungskurve (8, 9) der dem Motor zugeführte Strom stufenweise solange abgesenkt wird, bis der Motor in seiner Geschwindigkeit unter seinen Sollwert absinkt und die zuvor erfolgte Strombegrenzung die Strombegrenzungskurve zumindest in diesem Punkt nach oben begrenzt.

11. Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Strombegrenzungskurve der Arbeitsdruck der Pumpe unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit erfasst wird.

12. Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stufenweise Absenkung der Strombegrenzungskurve in Intervallen erfolgt, denen jeweils ein Arbeitshub und Rückhub der Arbeitsmaschine entspricht, und dass dann, wenn auf Grund der Stromabsenkung festgestellt wird, dass der Motor seine erwartete Position nicht erreicht hat, der Motor mit dem vollen Strom so lange angesteuert wird, bis er die erwartete Position erreicht hat, wonach die zuvor ermittelte Stufe der Strombegrenzungskurve (8, 9) aktiviert wird.

13. Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungskurve so gewählt wird, das beim Saughub der Pumpe keine Kavitation auftritt.