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Die
Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung zur Erzielung vorgegebener
Ausgangsdrücke
einer Magnetpumpe.
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Ist
bspw. ein hydraulischer Verbraucher mit einem Ölstrom hohen Druckes zu versorgen,
so kann der vom Verbraucher benötigte
Druck der Magnetpumpe vorgegeben 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 ausgenutzt werden: Ein direkter Anschlag
des Ankers auf Polflächen
allerdings soll vermieden werden. Da die Magnetpumpe die ihr zugeführte Leistung
als elektrische Leistung aufnimmt, ist ihr eine elektrische Steuervorrichtung
vorgeordnet, welche die gewünschten
Eigenschaften gewährleisten
soll.
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Die
US 4,966,533 offenbart eine
Magnetpumpe, die einen Positionsdetektor aufweist. Das Ausgangssignal
des Positionsdetektors wird einer Steuerungsvorrichtung aufgeschaltet,
die dazu dient, dass der Kolben bzw. die Kolbenstange der Magnetpumpe
nicht gegen einen Dämpfer
stoßen
kann. Dabei handelt es sich um eine rein wegabhängige Steuerung. Andere wesentliche
Parameter; die das Anstoßen
der Kolbenstange gegen den Dämpfer
ebenfalls beeinflussen, werden hier nicht berücksichtigt.
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Die
EP 774 580 offenbart einen
Kompressor, bei dem durch Wegmessung und Vergleich des Ist-Weges
mit einem Soll-Weg verhindert werden soll, dass der Kompressorkolben
an Teile, hier Ventile, anschlägt.
Auch hier werden wesentliche, die Kolbenstopp-Position beeinflussende
Parameter bei der Bestimmung der Kolbenstopp-Position nicht berücksichtigt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, diese elektrische
Steuervorrichtung so auszubilden, dass sich maximale Förderströme des gepumpten Öles ergeben
und störende
und kräfteverzehrende
harte Anschläge
des oder der Anker vermieden werden, wobei alle wesentlichen, den
Umschaltpunkt des Ankers beeinflussenden Parameter berücksichtigt
werden sollen, um eine möglicht
maximale Förderhöhe zu erreichen.
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Gelöst wird
die Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Sie sichern
eine optimale Betriebsweise.
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Vorteilhafte
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind den nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen.
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Im
einzelnen beschrieben wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit deren Darstellung in den beigegebenen Zeichnungen.
Es zeigen hierbei:
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1 den
Aufbau einer Magnetpumpe,
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2 im
Blockschaltbild die Ausbildung einer elektrischen Steuervorrichtung
für die
Magnetpumpe der 1, und
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3 im
Blockschaltbild eine variierte Steuervorrichtung für die Magnetpumpe
nach 1.
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Die 1 zeigt
ein Pumpenelement 1, das einen Druckraum 2 aufweist,
in den ein mit einem Einlaßventil 3 ausgestatteter
Einlaßkanal 4 sowie
ein mit einem Auslaßventil 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 erregenden Magnetspule 14 ausgestattet,
und er enthält
zur Bestimmung des vom Anker 13 zurückgelegten Weges einen Wegaufnehmer 15.
Die 1 zeigt die beweglichen Teile der Magnetpumpe
in ihrer Ausgangsstellung, bspw. bei nicht beaufschlagter Magnetspule 14.
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Diese
Beaufschlagung der Magnetspulen kann mittels der in 2 im
Blockschaltbild dargestellten Steuervorrichtung 16 bewirkt
werden.
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Der
die Magnetspulen 14 beaufschlagende Magnetstrom Im wird durch einen Spannungs-Strom-Wandler 17 bewirkt,
dem der abzugebende Maximalstrom Imax über den
Eingang 18 vorgegeben wird. Gesteuert wird der Spannungs-Stromwandler 17 durch
eine Schaltstufe 19, der die Ausgangsspannung eines Oszillators 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 Wegaufnehmer 15 der 1 nachgeordnete
Eingangsschaltung 22 für
Wegsignale US angelegt bekommt. An einem
zweiten Eingang des Vergleichers 21 liegt eine Rechenanordnung 24 zur
Ermittlung des Abschaltweges. Ihr wird das jeweilige Wegesignal
US über eine
die Beschleunigung ermittelnde Differenzierstufe 25 ebenso
zugeführt
wie über
einen Speicher 26 gegebene und im Rechner 27 zur
Ermittlung des Lastdrucks benutzte Wegesignale. An einem dritten Eingang 23 liegt
eine feste, dem maximalen Kolbenweg entsprechende Spannung an. Diese
dient zur zusätzlichen
Begrenzung des Hubes.
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Im
Ausgangszustande der Magnetpumpe nach 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 2 ein
Wegesignal US für den Weg 0. Am Vergleicher 21 liegen
demnach zunächst
US=0 sowie der Wert des Abschaltweges bis zum
Aufschlag des Ankers, US 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 Eingang 18 gelegten
Wert auf den Maximalstrom Imax begrenzt
ist. Dieser Betriebs strom Im wird der Magnetspule 14 der
Magnetpumpe der 1 zugeführt, erregt deren Druckmagnet 8 und zieht
ihren Anker 13 in Richtung auf das Pumpenelement 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 zurückgelegten
Weg auf, um ihn der Eingangsschaltung 22 für das Wegesignal
US zuzuführen.
Der Anker 13 treibt also den Kolben 10 gegen die
Kraft der Rückholfeder 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 anstehende 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 Wegeaufnehmer 15 aufgenommene Hubstrecke und wird
im Vergleicher 21 mit dem zulässigen Maximalhub verglichen.
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Gleichzeitig
aber wird das Wegesignal US auch auf eine
Differenzierstufe 25 gegeben, deren Ausgang UV demnach
der Beschleunigung des Ankers 13 entspricht. Aus dem Wegesignal
US wird weiterhin im Rechner 27 der
vor dem Kolben 10 anstehende Lastdruck errechnet. Die Spannung
UV für
die Beschleunigung und UI für den Lastdruck
werden in der Rechenanordnung 24 zur Ermittlung des jeweiligen
Abschaltweges benutzt und dem Vergleicher 21 zugeführt. Dieser
Vergleicher beendet die Leitphase des Spannungs-Stromwandlers 17,
wenn der berechnete Abschaltweg den Wert des noch verbleibenden
Hubes erreicht. Der Abschaltweg wird so berechnet, dass der Kolben
den maximal möglichen Hub
erreicht, der Anker 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
erfindungsgemäß vermieden
sind.
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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.
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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.
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Die
Steuervorrichtung 16 nach 2 bezieht sich
insbesondere auf den vom Wegaufnehmer 15 ermittelten, vom
Kolben 10 zurückgelegten
Weg, seine Geschwindigkeit sowie den auf ihn ausgeübten Lastdruck.
Es besteht aber durchaus die Möglichkeit, auf
Zeitzyklen überzugehen.
Eine entsprechende Steuervorrichtung 28 ist im vereinfachten
Blockschaltbild in 3 gezeigt. Auch hier wird der
vom Wegaufnehmer 15 ermittelte Kolbenweg über die Eingangsschaltung 22 für Wegesignale
US weitergegeben, und zwar direkt auf den
Rechner 33 für
Abschaltzeiten. Über
die Differenzierstufe 25 wird das Wegesignal US als
Geschwindigkeitssignal UV 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.
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Der
Ausgang der Eingangsschaltung 22 für Wegsignale liegt weiterhin
an einem Vergleicher 30, der zudem von einem Signal für einen
charakteristischen Kolbenweg beaufschlagt ist. Sobald das Signal
US dem charakteristischen Weg entspricht,
wird das zugehörige
Zeitsignal aus der Clock 29 auf den Speicher 31 gegeben
und zur Berechnung des Lastdrucks im Rechner 32 benutzt,
dessen Ausgang dem Rechner 33 für die Abschaltzeit zugeführt wird,
dessen Ausgang wiederum 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.
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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 lassen. Ohne eine derartige Wegüberwachung paßt sich
das Pumpsystem der vorgegebenen Förderhöhe nur sehr unvollkommen an:
Ist das System für
eine Förderhöhe optimal
ausgelegt, dann nimmt der Hub bei höherem Druck stark ab, während bei
niedrigerem Druck der Anker bzw. der Kolben mit hoher Geschwindigkeit
auf einen Anschlag aufläuft
und so unerwünschte
Geräusche
bzw. Erschütterungen
auslöst
und einen unangemessen hohen Verschleiß bedingt.
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Zur
weiteren Optimierung der Anordnung wird nicht nur der Weg des Kolbens,
sondern auch dessen Geschwindigkeit überwacht, und beide Größen werden
verwendet, um den optimalen Abschaltweg bzw. die optimale Abschaltzeit
zu berechnen.
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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 Antriebssysteme wegen ihrer starken Nichtlinearität dazu,
nicht stabil um die Mittellage zu schwingen, sondern in eine der
Endlagen zu fallen. Die vorgeschlagene Ansteuerung stabilisiert
das Betriebsverhalten, indem die Lage des Ankers überwacht
wird, und die Ströme
der Magnetspulen bedarfsgerecht geschaltet werden.
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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
US mit dem Wert 0 vergleicht und bei Erreichen
dieses Nullwertes, also beim Erreichen der Ausgangsstellungen des
Kolbens 10 sowie des Ankers 13, ein Steuersignal
abgibt, welches die dem Vergleicher 21 nachgeordnete Schaltstufe 19,
gegebenenfalls verzögert,
einzuschalten vermag. Der Oszillator 20 kann dann entfallen.
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- 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