DE102010035283A1

DE102010035283A1 - Hydraulikantriebsvorrichtung sowie Verfahren zur hydraulischen Energieversorgung

Info

Publication number: DE102010035283A1
Application number: DE102010035283A
Authority: DE
Inventors: Peter Weiter; Dipl.-Ing. Braun Michael; Dipl.-Ing. Schnupp Florian; Dr. Ing. Hund Ralf
Original assignee: Schnupp & Co Hydraulik KG GmbH
Current assignee: Schnupp & Co Hydraulik KG GmbH
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2012-03-01

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur hydraulischen Energieversorgung, bei welchem ein fest mit einem frequenzgeregelten Antriebsmotor 1 verbundenes Schwungrad 3 auf eine Solldrehzahl beschleunigt wird und bei welchem nachfolgend zumindest eine fest mit dem Schwungrad 3 verbundene, ungeregelte Hydraulikpumpe 4 von einem Leerlaufmodus in einen Fördermodus umgeschaltet wird, um Hydraulikfluid mit hohem Druck einem Verbraucher 5 zuzuführen, sowie auf eine Hydraulikantriebsvorrichtung mit zumindest einem frequenzgeregelten Antriebsmotor 1, dessen Welle 2 fest mit zumindest einem Schwungrad 3 und fest mit zumindest einer ungeregelten Hydraulikpumpe 4 verbunden ist, wobei die Hydraulikpumpe 4 wahlweise in einem Leerlaufmodus oder in einem Fördermodus betreibbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich eine Hydraulikantriebsvorrichtung sowie ein Verfahren zur hydraulischen Energieversorgung, welche beispielsweise bei hydraulischen Umformpressen Anwendung finden. Ähnliche Anwendungsfälle ergeben sich beispielsweise bei Spritzgussmaschinen oder Ähnlichem.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass für hydraulische Anwendungen über einen relativ kurzen Zeitraum eines Arbeitszyklus eine große Leistung erforderlich ist. Es ist möglich, diese durch entsprechende Dimensionierung der Hydraulikpumpen und der zugeordneten Antriebe bereitzustellen. Dies bringt hohe Kosten mit sich, insbesondere auch hinsichtlich der elektrischen Energieversorgung von Pumpen, welche so ausgelegt sein muss, dass für den kurzen Teil eines Zyklus Leistung bereitgestellt werden kann, die für den Rest des Zyklus in dieser Größenordnung jedoch nicht benötigt wird. Es werden somit Antriebsmotoren mit sehr großer Leistung benötigt, welche wiederum sehr hohe Energiekosten und Energie-Bereitstellungskosten der Stromanbieter mit sich bringen.
Aus dem Stand der Technik ist es auch bekannt, hydraulische Energiespeicher vorzusehen, beispielsweise in Form von Hydrospeichern. Diese resultieren jedoch in hohen Anlagekosten sowie einem erhöhten Energiebedarf, insbesondere im Hinblick auf die erforderlichen Verrohrungen und Dichtstellen. Weiterhin ergeben sich Gefahren durch Leckagen.
Aus der DE 197 01 671 B4 ist es bekannt, einen Antriebsmotor über eine Kupplung wahlweise mit einem Schwungrad zu verbinden. Die Welle des Schwungrades treibt eine geregelte Hydraulikpumpe an. Ziel der Anordnung ist es, das Schwungrad auf einer vorgegebenen Drehzahl zu halten. Hierzu wird der Motor über die Kupplung mit dem Schwungrad getrennt oder verbunden. Bei dieser Anordnung erweist es sich als nachteilig, dass zum einen eine geregelte Hydropumpe erforderlich ist, welche im Teillastbereich keinen optimalen Wirkungsgrad hat. Weiterhin erweist es sich hinsichtlich der Steuerung/Regelung als aufwendig, die Kupplung in Abhängigkeit von der Drehzahl des Schwungrades zu betätigen und zusätzlich den Elektromotor zu regeln. Es ergibt sich somit ein komplexer, kostenintensiver Aufbau der gesamten Anlage.
Die DE 196 21 904 C2 zeigt einen Asynchron-Hauptantriebsmotor, welcher zusätzlich eine Schwungmasse aufweist. Es wird ein Drehstrom-Synchronmotor verwendet, welcher sehr groß dimensioniert werden muss, auch hinsichtlich seines elektrischen Anschlusswertes. Der Motor wird wahlweise ein- und ausgeschaltet. Die Schwungmasse des Motors dient dabei nicht als Energiespeicher. Durch die Verwendung eines Asynchron-Motors ist es erforderlich, eine Strombegrenzungsschaltung zu verwenden. Kurz vor dem Einschalten des Motors wird dieser durch die invers betriebene Hydraulikpumpe in Bewegung gesetzt. Der gesamte Aufbau der Anlage ist somit aufwendig und kostenintensiv und funktioniert nur bei bestimmten Anwendungsfällen, in denen die Pumpe zum Anlaufen des Elektromotors verwendbar ist.
Die DE 102 19 581 B4 beschreibt einen Antrieb für einen Pressenstößel, bei welchem ein Motor mit einem Schwungrad verbunden ist. Zwischen der Motorwelle und einer regelbaren Pumpe ist eine Kupplung vorgesehen. Über die regelbare Pumpe wird der erforderliche Hydraulikdruck bereitgestellt, wobei zusätzlich eine Regelung des Motors sowie eine Steuerung der Kupplung erforderlich sind. Eine ähnliche Anordnung zeigt auch die DE 29 50 256 C2 .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hydraulikantriebsvorrichtung sowie ein Verfahren zur hydraulischen Energieversorgung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Anwendbarkeit eine hohe Funktionalität aufweisen und eine hohe hydraulische Leistungsabgabe ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst, die jeweiligen Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass ein frequenzgeregelter Antriebsmotor über seine Motorwelle permanent fest mit einem Schwungrad und einer ungeregelten Hydraulikpumpe verbunden ist. Es liegt somit eine stets fest gekoppelte Einheit vor, wobei im Rahmen der Erfindung die Motorwelle auch mit mehreren Schwungrädern und/oder mit mehreren Hydraulikpumpen verbunden sein kann.
Der erfindungsgemäß vorgesehene frequenzgeregelte Antriebsmotor ermöglicht somit bei jeder Drehzahl eine maximale Drehmomentabgabe. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau wird vermieden, dass der Motor im Teillastbereich unnötig Strom zieht, wodurch die Anschlusswerte und die Anschlussverkabelung unnötig groß dimensioniert werden müssen. Es ergibt sich somit erfindungsgemäß eine erhebliche Energieeffizienz.
Die zumindest eine erfindungsgemäß vorgesehene Hydraulikpumpe wird nicht geregelt, sondern lediglich zwischen einem Leerlaufmodus und einem Fördermodus umgeschaltet. Im Leerlaufmodus fördert die Hydraulikpumpe Hydraulikfluid in einen Tank. Die hierbei auftretenden Leistungsverluste sind sehr gering, so dass der frequenzgeregelte Antriebsmotor bei Erreichen der Solldrehzahl des Schwungrades nur die Reibungsverluste ausgleichen muss.
Erfindungsgemäß wird somit das Schwungrad auf eine Solldrehzahl beschleunigt und auf dieser konstant gehalten. In dem benötigten Zeitraum eines Produktionszyklus, beispielsweise einer Hydraulikpresse zum Warmumformen, wird die Hydraulikpumpe von dem Leerlaufmodus auf einen Fördermodus umgeschaltet. Dies erfolgt nicht durch eine Regelung der Pumpe, da diese ungeregelt ausgebildet ist. Vielmehr erfolgt das Umschalten bevorzugt über ein Mehrwegeventil oder ein ähnliches Bauelement. Die Pumpe befindet sich somit im Fördermodus und fördert Hydraulikfluid mit hohem Druck zu einem Verbraucher. Hierdurch ist es möglich, beispielsweise schnelle Pressenhübe und hohe Drücke innerhalb kürzester Zeiträume zur Verfügung zu stellen.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Möglichkeit, mehrere Pumpen fest mit der Motorwelle zu verbinden und diese Pumpen unabhängig voneinander zwischen dem Leerlaufmodus und dem Fördermodus umzuschalten, ist es erfindungsgemäß möglich, die Hydraulikfluid-Fördermenge kaskadenförmig zu- oder abzuschalten.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit einen sehr einfachen Aufbau, da lediglich eine Umschaltung des jeweiligen Modus der Hydraulikpumpe erforderlich ist.
Die Hydraulikpumpe kann somit als Konstantpumpe ausgebildet werden, es wird keine Regelpumpe benötigt. Weiterhin sind keine Stetigventile oder ähnlich regelbare Ventile erforderlich, es wird auch keine zusätzliche Regelung benötigt.
Erfindungsgemäß ist es somit möglich, den Antriebsmotor mit einem oder mehreren Schwungrädern zu koppeln und eine oder mehrere Hydraulikpumpen vorzusehen. Insgesamt kann die Hydraulikantriebsvorrichtung auch mehrfach vorgesehen sein, so dass komplexe Antriebssysteme realisiert werden können, bei welchen beispielsweise auch mehrere miteinander gekoppelte frequenzgeregelte Antriebsmotoren zum Einsatz kommen können.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich, die Hydraulikpumpe im Reversierbetrieb zu betreiben, um bei einer Richtungsumkehr der Hydraulikströme des Verbrauchers rückströmendes Hydraulikfluid der Hydraulikpumpe zuzuführen und somit das Schwungrad in Drehung zu versetzen.
Erfindungsgemäß ist es besonders günstig, wenn der frequenzgeregelte Antriebsmotor mit einer Vektorregelung zu sehen ist, welche insbesondere für den Schweranlaufbetrieb vorteilhaft ist. Es ist dann bei dem erfindungsgemäßen Aufbau keine Blindleistungskompensation erforderlich. Auch dies trägt zur Energieeffizienz der gesamten Anordnung bei.
Die Gesamt-Energieeffizienz der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich weiterhin daraus, dass keine Drosselverluste bei der Hydraulikpumpe auftreten, da diese, wie erwähnt, nicht geregelt ist, sondern lediglich hinsichtlich ihrer Förderleistung ein-/ausgeschaltet wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine vereinfachte Hydraulikschaltung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
2 eine vereinfachte Darstellung eines Zeit-Drehzahl-Diagramms des Schwungrads, und
3 eine Darstellung analog 2, mit zunehmendem Leistungsbedarf.
Die 1 zeigt einen Hydraulikschaltkreis sowie den erfindungsgemäßen Aufbau der Hydraulikantriebsvorrichtung. Diese umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen frequenzgeregelten Antriebsmotor 1, welcher eine Motorwelle 2 aufweist. Mit der Motorwelle 2 ist ein Schwungrad 3 fest verbunden. Weiterhin ist zumindest eine Hydraulikpumpe 4 fest mit der Motorwelle 2 und somit mit dem frequenzgeregelten Antriebsmotor und dem Schwungrad 3 verbunden.
Die Hydraulikpumpe 4 ist als Konstantpumpe ausgebildet und über ein Mehrwegeventil zwischen einem Leerlaufmodus und einem Fördermodus umschaltbar. Im Leerlaufmodus, welcher in 1 gezeigt ist, wird Hydraulikfluid aus einem Tank 7 oder Reservoir über ein Mehrwegeventil 8 einem Tank 7 zugeführt.
Durch Schalten der Mehrwegeventile 6 und 8 erfolgt eine Umschaltung vom Leerlaufmodus in einem Fördermodus. Die 1 zeigt einen Druckbegrenzer, welcher im Bereich einer Förderleitung 10 vorgesehen ist. Das Hydraulikfluid wird einem Verbraucher 5 zugeführt, der beispielsweise in Form einer Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet sein kann. Der Verbraucher 5 kann beispielsweise in Form eines Hauptzylinders einer Warmumformpresse ausgebildet sein.
Es ist somit möglich, innerhalb eines kürzesten Zeitraums die in dem Schwungrad gespeicherte Energie abzurufen und dem Verbraucher zuzuführen.
Die 2 zeigt ein Zeit-Drehzahl-Diagramm des Schwungrades. Die Drehzahl-Kurve 11 des Schwungrades 3 ist zu Beginn des Zyklus gleich einer Maximaldrehzahl 12. Die 2 zeigt weiterhin eine Leistungsbedarfskurve 13. Diese ist in der schematischen Darstellung bis zu einer Zykluszeit von ca. 3 Sekunden auf dem Wert Null. Zu diesem Zeitpunkt von ca. 3 Sekunden erfolgt eine Umschaltung der zumindest einen Hydraulikpumpe 4 vom Leerlaufmodus in den Fördermodus. Das Umschalten der Hydraulikpumpe erfolgt somit passend zu dem Anstieg der Leistungsbedarfskurve 13.
Gleichzeitig sinkt die Drehzahlkurve 11 des Schwungrades 3 ab, da dem Schwungrad 3 Energie entzogen wird. In einem nachfolgenden Zyklusteil steigt der Leistungsbedarf nochmals an. Dies führt zu einem weiteren Rückgang der Drehzahl des Schwungrades 3. Kurz vor Erreichen einer Zykluszeit von 8 Sekunden sinkt der Leistungsbedarf wieder ab und erreicht den Punkt Null. Zu diesem Zeitpunkt ist die Drehzahl des Schwungrades 3 auf einen Minimalwert gefallen. Das Schwungrad wird nachfolgend wieder beschleunigt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ergibt sich nochmals ein Leistungsbedarf im Bereich der zehnten bis zwölften Sekunde. Dieser Leistungsbedarf ist beispielsweise für das Hochfahren eines Pressenwerkzeugs notwendig. Anschließend sinkt der Leistungsbedarf wiederum auf Null, so dass die Drehzahlkurve 11 des Schwungrads 3 wieder auf die Solldrehzahl oder Maximaldrehzahl 12 ansteigen kann.
Die 3 zeigt eine analoge Darstellung mit zunehmendem Leistungsbedarf der Hydraulikantriebsvorrichtung.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsmotor
2: Motorwelle
3: Schwungrad
4: Hydraulikpumpe
5: Verbraucher (Kolben-Zylinder-Einheit)
6: Mehrwegeventil
7: Tank
8: Mehrwegeventil
9: Druckbegrenzer
10: Förderleitung
11: Drehzahlkurve
12: Maximaldrehzahl
13: Leistungsbedarfskurve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19701671 B4 [0004]
DE 19621904 C2 [0005]
DE 10219581 B4 [0006]
DE 2950256 C2 [0006]

Claims

Hydraulikantriebsvorrichtung mit zumindest einem frequenzgeregelten Antriebsmotor (1), dessen Welle (2) fest mit zumindest einem Schwungrad (3) und fest mit zumindest einer ungeregelten Hydraulikpumpe (4) verbunden ist, wobei die Hydraulikpumpe (4) wahlweise in einem Leerlaufmodus oder in einem Fördermodus betreibbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (1) zur Abgabe eines konstanten Drehmoments. über den gesamten Drehzahlbereich ausgebildet ist und/oder mit einer Vektorregelung versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere ungeregelte Hydraulikpumpen (4) fest mit der Welle (2) des Antriebsmotors (1) verbunden sind, welche unabhängig voneinander wahlweise jeweils in einem Leerlaufmodus oder einem Fördermodus betreibbar sind.
Verfahren zur hydraulischen Energieversorgung, bei welchem ein fest mit einem frequenzgeregelten Antriebsmotor (1) verbundenes Schwungrad (3) auf eine Solldrehzahl beschleunigt wird und bei welchem nachfolgend zumindest eine fest mit dem Schwungrad (3) verbundene, ungeregelte Hydraulikpumpe (4) von einem Leerlaufmodus in einen Fördermodus umgeschaltet wird, um Hydraulikfluid mit hohem Druck einem Verbraucher (5) zuzuführen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere ungeregelte Hydraulikpumpen (4) fest mit der Welle (2) des Antriebsmotors (1) verbunden sind, welche unabhängig voneinander und/oder nacheinander jeweils von einem Leerlaufmodus in einen Fördermodus umgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen der Solldrehzahl des Schwungrads (3) der Antriebsmotor (1) zur Aufrechterhaltung der Drehzahl geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufbringen des Drucks bei nachfolgender Beendigung des Arbeitszyklus die zumindest eine Hydraulikpumpe (4) im Fördermodus verbleibt und dadurch von dem Verbraucher (5) rückströmendes Hydraulikfluid zur Energieabgabe an das Schwungrad (3) genutzt wird.