DE10047045A1

DE10047045A1 - Elektrische Steuervorrichtung für Magnetpumpen

Info

Publication number: DE10047045A1
Application number: DE2000147045
Authority: DE
Inventors: Rene Schulz; Thomas Schmitz
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2020-09-23
Also published as: DE10047045B4

Abstract

Eine Regelvorrichtung zur Erzielung vorgegebener Ausgangsdrucke einer Magnetpumpe, die einen mit einem Einlaß- sowie einem Auslaßventil ausgestatteten Druckraum aufweist, an den sich ein Zylinder anschließt, wobei als Kolben ein den Anker eines elektromagnetischen Druckmagneten stützender, vorgespannter Druckstab angeordnet ist, und der Anker zwischen den beiden Polstücken des durch seine Magnetspule erregbaren Druckmagneten verschiebbar ist, soll so ausgebildet werden, dass bei vorgegebener Förderhöhe sich maximale Förderströme des gepumpten Öles ergeben und störende und kräfteverzehrende harte Anschläge des oder der Anker vermieden werden. Dazu wird vorgeschlagen, dass dem Druckmagneten ein den Weg seines Ankers ermittelnder Wegaufnehmer zugeordnet ist und dass die Magnetspule des Hubmagneten durch eine Steuervorrichtung beaufschlagt wird, deren Ausgangsstrom von einem Oszillator einschaltbar und von einem Vergleicher ausschaltbar ist, wenn der vom Kolben zurückgelegte Ist-Hub den ermittelten Abschaltweg unterschreitet bzw. die Laufzeit des Kolbens die ermittelte Abschaltzeit überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung zur Erzielung vorgegebener Aus gangsdrucke einer Magnetpumpe, die einen mit einem Einlaß- sowie einem Aus laßventil ausgestatteten Druckraum aufweist, an den sich ein Zylinder anschließt, in dem als Kolben ein den Anker eines elektromagnetischen Druckmagneten stüt zender, vorgespannter Druckstab angeordnet ist, wobei der Anker zwischen den beiden Polstücken des durch seine Magnetspule erregbaren Druckmagneten ver schiebbar ist. Derartige Pumpanordnungen sind bekannt.

Ist bspw. ein hydraulischer Verbraucher mit einem Ölstrom hohen Druckes zu ver sorgen, so kann der vom Verbraucher benötigte Druck der Magnetpumpe vorge geben werden, so dass der von dieser weitergegebene Druck variabel ist. Die Stärke des hierbei bewirkten Ölstromes hat sich dann dem Leistungsvermögen der Ölpumpe anzupassen. Um eine leistungsfähige Anordnung zu erreichen, soll der maximale Hub des betreibenden bzw. der betreibenden Druckmagnete aus genutzt werden: Ein direkter Anschlag des Ankers auf Polflächen allerdings soll vermieden werden. Da die Magnetpumpe die ihr zugeführte Leistung als elektri sche Leistung aufnimmt, ist ihr eine elektrische Steuervorrichtung vorgeordnet, welche die gewünschten Eigenschaften gewährleisten soll.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, diese elektrische Steuervor richtung so auszubilden, dass bei vorgegebener Förderhöhe sich maximale För derströme des gepumpten Öles ergeben und störende und kräfteverzehrende harte Anschläge des oder der Anker vermieden werden.

Gelöst wird die Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Sie sichern eine optimale Betriebsweise.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind den nachge ordneten Unteransprüchen zu entnehmen.

Im einzelnen beschrieben wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit deren Darstellung in den beigegebenen Zeichnungen. Es zeigen hierbei:

Fig. 1 den Aufbau einer Magnetpumpe,

Fig. 2 im Blockschaltbild die Ausbildung einer elektrischen Steuervorrich tung für die Magnetpumpe der Fig. 1, und

Fig. 3 im Blockschaltbild eine variierte Steuervorrichtung für die Magnet pumpe nach Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt ein Pumpenelement 1, das einen Druckraum 2 aufweist, in den ein mit einem Einlaßventil 3 ausgestatteter Einlaßkanal 4 sowie ein mit einem Auslaß ventil 5 ausgestatteter Auslaßkanal 6 münden. Mit dem Pumpenelement 1 ist ein Magnetfuß 7 eines Druckmagneten 8 verbunden, der in einem an den Druckraum 2 anschließenden Zylinder 9 als Kolben 10 einen Druckstab 11 führt, dessen mit einem Flansch versehenes Ende mittels einer Rückholfeder 12 gegen den Anker 13 des Druckmagneten 8 vorgespannt ist. Der Druckmagnet 8 ist mit einer ihn er regenden Magnetspule 14 ausgestattet, und er enthält zur Bestimmung des vom Anker 13 zurückgelegten Weges einen Wegaufnehmer 15. Die Fig. 1 zeigt die beweglichen Teile der Magnetpumpe in ihrer Ausgangsstellung, bspw. bei nicht beaufschlagter Magnetspule 14.

Diese Beaufschlagung der Magnetspulen kann mittels der in Fig. 2 im Block schaltbild dargestellten Steuervorrichtung 16 bewirkt werden.

Der die Magnetspulen 14 beaufschlagende Magnetstrom I_m wird durch einen Spannungs-Strom-Wandler 17 bewirkt, dem der abzugebende Maximalstrom I_max über den Eingang 18 vorgegeben wird. Gesteuert wird der Spannungs- Stromwandler 17 durch eine Schaltstufe 19, der die Ausgangsspannung eines Os zillators 20 zugeführt wird, der einerseits die Arbeitsweise der Pumpe bestimmt und andererseits als Amplitude die Führungsgröße für den Lastdruck enthält. Mit angeschlossen ist ein Vergleicher 21, der einerseits über eine dem Wegaufneh mer 15 der Fig. 1 nachgeordnete Eingangsschaltung 22 für Wegsignale U_s ange legt bekommt. An einem zweiten Eingang des Vergleichers 21 liegt eine Rechen anordnung 24 zur Ermittlung des Abschaltweges. Ihr wird das jeweilige Wegesi gnal U_s über eine die Beschleunigung ermittelnde Differenzierstufe 25 ebenso zu geführt wie über einen Speicher 26 gegebene und im Rechner 27 zur Ermittlung des Lastdrucks benutzte Wegesignale. An einem dritten Eingang 23 liegt eine fe ste, dem maximalen Kolbenweg entsprechende Spannung an. Diese dient zur zu sätzlichen Begrenzung des Hubes.

Im Ausgangszustande der Magnetpumpe nach Fig. 1 ist, wie dargestellt, durch die Rückholfeder 12 der den Kolben 10 bildende Druckstab 11 gegen den Anker 13 und dieser in seine Ausgangslage nach rechts gedrückt. Der Wegeaufnehmer 15 gibt der Eingangsschaltung 22 der Fig. 2 ein Wegesignal U_s für den Weg 0. Am Vergleicher 21 liegen demnach zunächst U_s=0 sowie der Wert des Abschaltweges bis zum Aufschlag des Ankers, U_{s max}, an, und wird als Wert 0 dem negierenden Eingang der Schaltstufe 19 übermittelt. Gibt jetzt der Oszillator 20 einen Impuls ab, der mit seiner Amplitude dem erforderlichen Lastdruck entspricht, so gibt der Spannungs-Strom-Wandler 17 einen hohen Strom ab, der durch den an den Ein gang 18 gelegten Wert auf den Maximalstrom I_max begrenzt ist. Dieser Betriebsstrom I_m wird der Magnetspule 14 der Magnetpumpe der Fig. 1 zugeführt, erregt deren Druckmagnet 8 und zieht ihren Anker 13 in Richtung auf das Pumpenele ment 1 zu. Hierbei wird die den Anker 13 stützende Rückholfeder 12 zunehmend gespannt, der den Kolben 10 bildende Druckstab 11 wird im Zylinder 9 auf den Druckraum 2 zu bewegt, und der Wegaufnehmer 15 nimmt den vom Anker 13 zu rückgelegten Weg auf, um ihn der Eingangsschaltung 22 für das Wegesignal U_s zuzuführen. Der Anker 13 treibt also den Kolben 10 gegen die Kraft der Rückhol feder 12 und gegen die im Druckraum 2 und Zylinder 9 bewirkte Förderhöhe in den Zylinder 9. Hierbei schließt das Einlaßventil 3, sobald der Druck im Zylinder 9 höher ist als der Einlaßdruck im Einlaßkanal 4, während das Auslaßventil 5 sich öffnet, sobald der Druck im Zylinder 9 höher ist als der im Auslaßkanal 6 anste hende Druck. Damit drückt, wie bekannt, der Kolben die zu fördernde Flüssigkeit durch das Auslaßventil in einen Sammelbehälter, einen Windkessel, oder direkt zum Verbraucher. Mit steigendem Hub des Ankers 13 wächst die vom Wegeauf nehmer 15 aufgenommene Hubstrecke und wird im Vergleicher 21 mit dem zuläs sigen Maximalhub verglichen.

Gleichzeitig aber wird das Wegesignal U_s auch auf eine Differenzierstufe 25 gege ben, deren Ausgang U_v demnach der Beschleunigung des Ankers 13 entspricht. Aus dem Wegesignal U_s wird weiterhin im Rechner 27 der vor dem Kolben 10 an stehende Lastdruck errechnet. Die Spannung U_v für die Beschleunigung und U_l für den Lastdruck werden in der Rechenanordnung 24 zur Ermittlung des jeweiligen Abschaltweges benutzt und dem Vergleicher 21 zugeführt. Dieser Vergleicher be endet die Leitphase des Spannungs-Stromwandlers 17, wenn der berechnete Ab schaltweg den Wert des noch verbleibenden Hubes erreicht. Der Abschaltweg wird so berechnet, dass der Kolben den maximal möglichen Hub erreicht, der An ker jedoch an der ihm gegenüberliegenden Polfläche des Magnetfußes 7 noch nicht zum Anschlag gelangt. Entsprechend der im System gespeicherten Energie bewegt sich zwar der Anker 13 noch geringfügig in Richtung des Arbeitshubes vorwärts, er gelangt aber vor dem Anschlag an die Polfläche zum Stillstand, so dass sowohl unliebsame Prall-Erschütterungen als auch Geräusche erfindungs gemäß vermieden sind.

Bei stromloser Magnetspule 14 drückt die Rückholfeder 12 sowohl den Kolben 10 als auch den Anker 13 zurück in ihre Ausgangsstellungen, so dass nach Erreichen der Ausgangsstellung ein neuer bzw. weiterer Pumpzyklus eingeleitet werden kann. Es besteht durchaus die Möglichkeit, auf den den Pumpzyklus auslösenden Oszillator 20 zu verzichten. In diesem Falle wird das Startsignal für den nächsten Zyklus bspw. wie nachstehend beschrieben, vom Erreichen der Ausgangsstellung des Wegaufnehmers 15 abgeleitet.

Zur Erhöhung der Leistung können auch zwei Druckmagnete vorgesehen sein, wobei der Strom der Magnetspule des zweiten Druckmagneten nach oder mit der Hubumkehr des ersten Druckmagneten eingeschaltet wird, so dass die Kraft der Rückholfeder 12 und die vom zweiten Druckmagneten bewirkte Kraft sich bis zum Erreichen der Mittellage unterstützen.

Die Steuervorrichtung 16 nach Fig. 2 bezieht sich insbesondere auf den vom Wegaufnehmer 15 ermittelten, vom Kolben 10 zurückgelegten Weg, seine Ge schwindigkeit sowie den auf ihn ausgeübten Lastdruck. Es besteht aber durchaus die Möglichkeit, auf Zeitzyklen überzugehen. Eine entsprechende Steuervorrich tung 28 ist im vereinfachten Blockschaltbild in Fig. 3 gezeigt. Auch hier wird der vom Wegaufnehmer 15 ermittelte Kolbenweg über die Eingangsschaltung 22 für Wegesignale U_s weitergegeben, und zwar direkt auf den Rechner 33 für Abschalt zeiten. Über die Differenzierstufe 25 wird das Wegesignal U_s als Geschwindig keitssignal U_v dem gleichen Rechner zugeführt. Der Oszillator 20 steuert nicht nur die Schaltstufe 19, er löst auch eine Clock 29 aus, deren Ausgang sowohl am Vergleicher 21 als auch am Speicher 31 für Zeitsignale liegt. Dem Vergleicher 21 wird in diesem Falle nicht der Maximalweg des Kolbens, sondern die maximale Zeit vorgegeben.

Der Ausgang der Eingangsschaltung 22 für Wegsignale liegt weiterhin an einem Vergleicher 30, der zudem von einem Signal für einen charakteristischen Kolben weg beaufschlagt ist. Sobald das Signal U_s dem charakteristischen Weg ent spricht, wird das zugehörige Zeitsignal aus der Clock 29 auf den Speicher 31 ge geben und zur Berechnung des Lastdrucks im Rechner 32 benutzt, dessen Aus gang dem Rechner 33 für die Abschaltzeit zugeführt wird, dessen Ausgang wie derum auf den Vergleicher 21 gegeben wird, wo er mit der diesem Vergleicher 21 vorgegebenen Zeit aus der Clock 29 verglichen wird und zur Abschaltung führt, wenn die ermittelte Abschaltzeit die Differenz der Maximalzeit und der Clockzeit erreicht. Die Zeit kann zusätzlich auf eine maximale Zeit begrenzt werden.

Gegenüber bekannten Pumpsystemen mit Antrieb durch einen oder mehrere Druckmagnete wird bei den vorgeschlagenen Ausführungen der Kolbenhub durch einen Wegaufnehmer 15 überwacht. Dadurch ist es auch bei variabler Förderhöhe möglich, den Hub des bzw. der Magnete praktisch vollkommen auszunutzen, ohne jedoch den Anker oder den Pumpenkolben gegen einen Anschlag fahren zu las sen. Ohne eine derartige Wegüberwachung paßt sich das Pumpsystem der vor gegebenen Förderhöhe nur sehr unvollkommen an: Ist das System für eine För derhöhe optimal ausgelegt, dann nimmt der Hub bei höherem Druck stark ab, während bei niedrigerem Druck der Anker bzw. der Kolben mit hoher Geschwin digkeit auf einen Anschlag aufläuft und so unerwünschte Geräusche bzw. Er schütterungen auslöst und einen unangemessen hohen Verschleiß bedingt.

Zur weiteren Optimierung der Anordnung wird nicht nur der Weg des Kolbens, sondern auch dessen Geschwindigkeit überwacht, und beide Größen werden ver wendet, um den optimalen Abschaltweg bzw. die optimale Abschaltzeit zu berech nen.

Bei durch zwei Druckmagnete angetriebenen Pumpen ergibt sich der Vorteil, die beiden treibenden Druckmagnete in zwangsläufig symmetrischer Arbeitsweise zu betreiben; ohne die vorgeschlagenen Steuervorrichtungen neigen solche An triebssysteme wegen ihrer starken Nichtlinearität dazu, nicht stabil um die Mittella ge zu schwingen, sondern in eine der Endlagen zu fallen. Die vorgeschlagene An steuerung stabilisiert das Betriebsverhalten, indem die Lage des Ankers über wacht wird, und die Ströme der Magnetspulen bedarfsgerecht geschaltet werden.

Der Wegaufnehmer 15 kann, wie bereits angedeutet, auch zur Auslösung weiterer Arbeitszyklen der Magnetpumpe herangezogen werden. Zweckmäßig wird über die Eingangsschaltung 22 für den Wegaufnehmer ein Vergleicher benutzt, der das jeweilige Wegsignal U_s mit dem Wert 0 vergleicht und bei Erreichen dieses Null wertes, also beim Erreichen der Ausgangsstellungen des Kolbens 10 sowie des Ankers 13, ein Steuersignal abgibt, welches die dem Vergleicher 21 nachgeord nete Schaltstufe 19, gegebenenfalls verzögert, einzuschalten vermag. Der Oszil lator 20 kann dann entfallen.

Bezugszeichenliste

1

Pumpenelement

2

Druckraum

3

Einlaßventil

4

Einlaßkanal

5

Auslaßventil

6

Auslaßkanal

7

Magnetfuß

8

Druckmagnet

9

Zylinder

10

Kolben

11

Druckstab

12

Rückholfeder

13

Anker

14

Magnetspule

15

Wegaufnehmer

16

Steuervorrichtung

17

Spannungs-Strom-Wandler

18

Eingang

19

Schaltstufe

20

Oszillator

21

Vergleicher

22

Eingangsschaltung

23

dritter Eingang

24

Rechenanordnung

25

Differenzierstufe

26

Speicher

27

Rechner

28

Steuervorrichtung

29

Clock

30

Vergleicher

31

Speicher

32

Rechner

33

Rechner

Claims

1. Regelvorrichtung zur Erzielung vorgegebener Ausgangsdrucke einer Ma gnetpumpe, die einen mit einem Einlaß- sowie einem Auslaßventil ausge statteten Druckraum aufweist, an den sich ein Zylinder anschließt, wobei als Kolben ein den Anker eines elektromagnetischen Druckmagneten stützen der, vorgespannter Druckstab angeordnet ist, und der Anker zwischen den beiden Polstücken des durch seine Magnetspule erregbaren Druckmagne ten verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Druckmagneten (8) ein den Weg seines Ankers (13) ermittelnder Wegaufnehmer (15) zugeordnet ist, und dass die Magnetspule (14) des Hubmagneten (13) durch eine Steuervorrichtung (16, 28) beaufschlagt wird, deren Ausgangsstrom von einem Oszillator (20) einschaltbar und von ei nem Vergleicher (21) ausschaltbar ist, wenn der vom Kolben (10) zurück gelegten Ist-Hub den ermittelten Abschaltweg unterschreitet, bzw. die Lauf zeit des Kolbens (10) die ermittelte Abschaltzeit überschreitet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (20) mit der ansteigenden Flanke einer Impulsreihe ei nen Arbeitszyklus des Spannungs-Strom-Wandlers (17) auslöst und mit seiner Pulsdauer über die Schaltstufe (19) als Führungsgröße wirkt.

3. Anordnung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Eingangsschaltung (22) für Wegesignal (U_s) nachgeordnete Differenzierstufe (25) den Betrag der Geschwindigkeit des Kolbens (10) zur Berechnung des Abschaltweges bzw. der Abschaltzeit bereitstellt.

4. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Eingangsschaltung (22) für das Wegesignal (U_s) nachgeord neter Vergleicher (30) das Wegesignal (U_s) mit einem charakteristischen Wegesignal vergleicht, dass das Ausgangssignal des Vergleichers (30) und ein Zeitsignal einem Rechner (32) zur Berechnung des Lastdruckes über einen Speicher (31) angeschaltet wird oder dass der Lastdruck durch einen an den Druckraum (2) angeschlossenen Druckgeber gemessen, und zur Verfügung gestellt wird.

5. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ansteigende Flanke des Oszillators (20) eine Clock (29) freischal tet und dass das von dieser ausgehende Zeitsignal dem Vergleicher (21) sowie dem Speicher (31) zugeführt werden und im ersteren mit einer be rechneten Abschaltzeit verglichen werden.

6. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsschaltung (22) für Wegesignale ein Vergleicher (21) nachgeordnet ist, welcher beim Erreichen der Position (0) des Kolbens (10) ein Signal auslöst, welches über eine Schaltstufe (19) den Spannungs- Strom-Wandler (17) zur Steuerung eines weiteren Pumpzyklus einschaltet.

7. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 6, mit zwei gegensinnig arbeitenden Hubmagneten, dadurch gekennzeichnet, dass beide Hubmagnete (12) jeweils durch eine Steuervorrichtung (16, 28) unabhängig voneinander beaufschlagt werden, und dass in beiden Endla gen der Hubmagnete ein Anschlagen des Ankers vermieden wird, indem jeweils der den betreffenden Anker vorwärts treibende Strom in Abhängig keit vom Ankerweg und, vorzugsweise, auch den Ankergeschwindigkeiten sowie den bewirkten Lastdruck abgeschaltet wird.